大型水库配电网无功优化日分段综合优化控制方法

涂 刚

（广西壮族自治区水利厅那板水库管理中心，广西 防城港 535500）

引 言

影响电压的最主要因素是无功功率，当电压发生变化时，配电网必须有足够的无功电源和强大的调节能力，否则就必须增加无功补偿设备以达到调节电压稳定的目的。配电网无功优化的控制很大程度影响着电压及线路损耗，决定着配电网的电能质量[1]。由此可见，无功优化控制对电压稳定的调节有着重要作用。无功优化是一种能够全方位维持配电网安全可靠运行的重要手段，它可以降低配电网运行中所产生的线路损耗，提高电网供电质量。大型水库工程运行中，在满足水库配电网电压基本要求下，根据配电网实际负荷动态变化对水库配电网运行状态进行无功优化，可以实现对线路损耗与配电网运行成本最小化的目标[2]。现阶段，大型水库常用的配电网无功优化方法多是采用BP 神经网络原理，其适用范围有限，在部分大型水库配电网运行中的无功优化效果较差，导致水库电能质量与电压水平得不到保障[3]。日分段是一种根据配电网负荷预测曲线的变化规律，划分次日配电网控制时段进而调节有载调压变压器，确定各个时段的最优运行方式。为了改善大型水库常规配电网无功优化方法的不足，在常规方法基础上引入日分段理念，构建配电网无功优化日分段综合优化控制方法，实现对大型水库配电网全天无功优化目标。

1 大型水库配电网无功优化控制方法设计

配电网无功优化是保证系统安全性、稳定性、经济性并降低电网线路有功损耗，可靠减少设备动作次数，从而实现配电网电压无功优化运行与调节设备动作次数的重要措施。配电网无功优化控制方法，主要是通过独立的无功补偿装置采集全网各节点运行电压、无功功率、有功功率等在线参数，并依据水库配电网历史资料，以配电网区域电能损耗最少、设备动作次数最少为约束条件，通过优化算法形成相应控制策略，对有载调压变压器分接开关、无功补偿设备投切进行的优化控制[4]。系统控制指令借助调度自动化系统功能，利用调度控制中心自动执行或通过独立的无功补偿装置监控系统下达和执行控制策略，从而实现大型水库配电网电压的无功优化运行。

1.1 建立大型水库配电网无功优化数学模型

对大型水库配电网的运行情况及运行特征做出多方位分析，建立配电网无功优化数学模型，通过模型迭代训练作用获取配电网各项参数。选择水库配电网控制变量，例如水库配电网发电机端电位仪、投切电容器组、分接头档位等，在满足配电网无功优化数学模型约束条件的前提情况下，带入选择的控制变量以生成最优目标函数[5]。最优目标函数需要满足的约束条件如下：

式中 r——大型水库配电网用来进行无功优化的控制变量；x——配电网无功优化过程中的状态变量；F（r，x）——无功优化数学模型的目标函数；g（r，x）——无功优化数学模型的约束条件；h（r，x）——配电网无功优化过程中状态变量与控制变量约束条件。

通过表达式，得出配电网无功优化最优目标函数，以实现大型水库配电网最小有功功率损耗为核心目标。优化上述数学模型，将配电网有功损耗降至最小，得出如下数学模型表达式：

式中 DP——大型水库配电网有功损耗；

Qa——配电网无功补偿量；

Vi——配电网电压上下限；

Vimin和Vimax——配电网电压的最小和最大限值；

Qr——配电网自动投切补偿容量；

Qrmin和Qrmax——配电网自动投切补偿容量的最小和最大限值；

d——配电网潮流等式约束。

通过建立的无功优化数学模型，在保证配电网电压质量符合要求的情况下，降低有功损耗，设置无功补偿组数，不断调节带负载调压的变压器。无功优化补偿过程中，对优化模型求解后得出每个分段下的最优目标值如表1 所示。

表1 无功补偿数值及对应优化目标和权重

1.2 划分配电网控制时段

基于上述大型水库配电网无功优化数学模型的建立，通过日分段原理对配电网控制时段进行合理划分。划分大型水库配电网控制时段能够有效限制配电网设备调节的动作次数，并将设备调节动作次数转化为提高配电网电压质量的调整代价，减少全天网损。本文选取配电网操作处罚费用作为调整代价，通过上述数学模型的迭代作用修正其惩罚系数，从而获取最优化的配电网控制分段结果。为了提高配电网控制时段划分的精确性，需要计算配电网调节设备在次日各个时刻对应的动作效益，计算表达式为：

式中 Dqi，j——大型水库配电网运行至j 时刻对应的调节设备动作效益；

rj——j 时刻配电网运行电价；

Dt——配电网无功优化时间间隔；

Dki，j——配电网运行至j 时刻全网有功损耗；Dkj′——配电网j 时刻无功优化后对应的全网有功损耗；

Ci，j——配电网调节设备的动作代价。根据计算获取次日各个时刻对应的配电网调节设备动作效益，选取适配度较高的惩罚系数，初步划分大型水库配电网次日控制时段[8]。若动作效益Dqi，j大于0，则将配电网运行时刻j 设置为一个独立的控制时段；若动作效益Dqi，j小于等于0，则将配电网运行时刻j 与时刻j-1 合并，合并成一个控制时段。根据控制时段划分结果，计算无功优化日分段综合优化控制序列，得出新值序列并调节配电网各节点负荷。采用并联补偿电容器，通过其无功补偿能力对网损较大的控制时段进行细分处理，即得出大型水库配电网控制时段最终的分段结果。

1.3 无功优化日分段解耦控制

对大型水库配电网控制时段完成划分后，再开展对配电网进行无功优化日分段解耦控制，实现综合优化控制的目标。通过解耦处理方式，得出单一时段大型水库配电网的无功优化目标函数，其无功优化日分段解耦表达式为：

式中 fa——单一时段大型水库配电网综合优化控制目标函数；

Pe（r，x）——单一时段大型水库配电网网损值；

V（x）——大型水库配电网电压质量罚函数；

K（r）——大型水库配电网电压设备动作罚函数。通过该解耦表达式改写配电网无功优化状态的变量，将其改写为概率约束，并根据配电网运行的实际工况，设定置信度。配电网电压质量罚函数、配电网电压设备动作罚函数与配电网网损期望以及电压概率分布具有一定关系[6]。通过无功优化日分段解耦结果，对大型水库配电网网损与电压质量进行全面控制，衡量配电网无功优化过程中冲突目标的动态变化，对影响配电网无功优化日分段综合优化控制的冲突目标进行取舍，进而高效实现配电网日分段综合优化控制的目标。

2 实验论证分析

综合上述内容，对大型水库配电网提出无功优化日分段综合优化控制流程。在综合优化控制方法投入水库配电网工程应用之前，开始如下文所示的模拟实验分析，检验该优化控制方法的可行性，在保证其能够对配电网无功优化做出有效控制后，才能投入到水库配电网的无功优化控制中。

2.1 实验准备与开展

选取广西地区某S 大型水库配电网工程为此次的研究对象。S 大型水库位于所在地区县城上游3.5 km，水库设计洪水标准为100 年一遇，它对该地区主要起到防洪、供水、农业灌溉以及水产养殖等作用。

该水库配电网中的变压器存在一定差异，其10 kV侧分别安装单组容量为2.5 Mvar、2.7 Mvar 和3.0 Mvar 的补充电容器。在掌握大型水库配电网相关信息数据后，将上述提出的无功优化日分段综合优化控制方法应用到水库配电网中，以检验其日分段实际综合优化控制效果。

2.2 实验结果分析

引入对比分析的方法原理，将本文内容上述提出的大型水库配电网无功优化日分段综合优化控制方法设置为实验组，将文献[1]提出的基于在线极限学习机的控制方法设置为对照组1，文献[3]提出的基于随机矩阵理论的控制方法设置为对照组2，分别进行日分段综合优化控制效果对比分析。选取无功优化日分段综合优化控制后配电网电压合格率作为此次实验的评价指标，计算表达式为：

式中 P——配电网监测点电压合格率；

Ta——配电网监测点电压超限时间；

T——配电网监测点电压运行时间。

通过计算表达式得出配电网各个监测点的电压合格率，电压合格率越高，说明S 大型水库配电网无功优化日分段综合优化控制效果越好，全天网损越小，供电质量就越高，反之同理。为了避免实验结果存在的偶然性，在S 大型水库配电网中再随机布设6 组监测点，标号为01～06。利用MATLAB 模拟分析软件，计算并统计各组监测点电压合格率，绘制如图1 所示的评价指标对比图。

图1 S 大型水库配电网无功优化对比结果

根据图1 和表2 的对比结果可以看出，在三种优化控制方法应用后，S 大型水库配电网各组监测点的电压合格率存在较大差距。其中，应用本文提出的日分段综合优化控制方法后，6 组监测点电压合格率明显高于另外两种方法，电压合格率最高可达99.5%，最低为97.3%；对照组1 电压合格率最高为94.2%，最低为90.4%；对照组2 电压合格率最高为95.5%，最低为91.5%，三种优化控制方法应用效果如表2 所示。由此对比结果不难看出，本文提出的无功优化日分段综合优化控制方法具有显著的控制效果，能够有效地提高大型水库配电网电压合格率，减少全天网损并改善了电压质量，保障了水库配电网的安全稳定运行。

表2 三种无功电压优化效果参数对比值

3 结 语

为了打破传统水库配电网无功优化方法的局限性，解决其全局优化效果不佳的问题，本文引入日分段理念，并结合广西地区某S 大型水库工程为例，提出了一种大型水库配电网无功优化日分段综合优化控制方法。通过本文研究，对配电网负荷的全局变化进行了论证分析，采取的配电网无功优化日分段综合优化控制方法，有效地减少了配电网全天线路的损耗，优化了配电网全天各个时段电压质量与电能质量，使大型水库电力系统的整体电压水平得到了改善，具有重要意义。