基于GPRS的智能电压无功优化控制设计
2009-07-09
作者：任晓莉， 杨建卫
摘 要： 为了准确、可靠地实现动态无功优化，构建了一种基于GPRS的智能电压无功优化设计。采用改进的禁忌搜索算法作为电压无功优化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式实时操作系统uC/OS-II，采用ADS1.2开发工具进行编程，实现了电压无功综合控制功能。
关键词： 电压无功优化；禁忌搜索； ARM； GPRS
长期以来，我国电力系统无功匮乏，网损严重。随着我国可持续发展战略的不断深入,对节能降耗提出了更高的要求。电压无功综合控制是电力系统电压调整和无功优化分配的重要手段，它可以改善电压质量，提高电能质量，降低电能损耗，提高电力系统运行的安全性和经济性。因此,电力系统动态无功优化问题的研究很有实际意义。动态无功优化是一个非常复杂的非线性时空强耦合的优化问题，一段时间如（1天）内的无功优化必须考虑负荷的动态变化，具有较高的时间复杂性[1]。我国目前普遍采用分散就地无功优化控制，各优化控制装置运行状况的好坏直接关系到电力系统运行的稳定，而如何准确地判断优化控制装置的运行情况，一直没有得到很好的解决，因而给监控管理和运行维护带来了困难[2]。
通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是一种新的分组数据承载业务。具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，它支持TCP／IP协议，可直接与Internet网互通。GPRS具有实时性好、可靠性高、投资小的特点，将其应用于远程测量与监控领域具有无可比拟的性价比优势[3]。
本文构建了一种基于GPRS的智能电压无功优化设计，采用改进的禁忌搜索算法作为电压无功优化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式实时操作系统μC/OS-II，采用ADS1.2开发工具进行编程，实现了电力系统电压无功综合控制功能。该系统通过安装在低压侧的智能节点全天候实时采集各监测点的电参量和节点自身的运行状况，对采集数据进行必要的预处理并进行数据打包后，通过监测单元的GPRS模块以无线通信的方式将打包数据传输到数据分析处理总站。总站对数据进行综合分析后，再以指令方式通过GPRS对必要的智能节点做电压无功调节控制，并可通过对配电变电站的主机数据库的查询,了解电网的历史运营状况，实现系统的高度自动化。
1 电压无功优化控制策略
电力系统通过自动调节变压器分接头和投切电容器组实现电压无功综合优化控制。已有工作[4-8]都是对变压器分接头以及电容器组在一段时间内的最大动作次数进行限制以避免调节过于频繁。但是如果最大动作次数限制值的设置偏小，则在负荷波动较大的情况下，有可能得不到最优效果；如果最大动作次数限制值的设置偏大，则在负荷波动较小的情况下，有可能会造成频繁调节。因此，最大动作次数限制值的选择十分重要，但是已有文献均未讨论该问题。
本节提出一种限制调节次数（而不限制调节元件的最大动作次数）的禁忌搜索法。这里不再赘述禁忌搜索算法的基本原理，主要论述采用禁忌搜索算法实现电力系统电压无功优化控制中需要解决的关键技术问题。
1.1 解的构成
在考察时间单元（典型为1天）内期望进行N次调整的前提下，将解分为N段，其构成如图1所示。本文用S(k)=[S1(k) S2(k) … SM(k)表示解的第k次迭代结果。
1.2 适配值函数
以考察时间单元内降损收益最大为适配值函数，即
式中，AB,i、AO,i分别为第i时间段内优化前和优化后的损耗电量。
损耗电量由主变压器损耗（包括铁损和铜损）和上游输电线路中的损耗电量构成，可以根据各个负荷的预测曲线及解中描述的调整方式，采用潮流计算方法得出。
1.3 最佳调整次数[9]
考察时间单元(典型为1天)内期望的调整次数N可以根据经验确定，也可以根据经验确定考察时间单元内期望的调整次数范围：(Nmin，Nmax)，并用N1,N2,…,Nk表示侯选的调整次数，然后采用禁忌搜索法分别得出各个调整次数取值下的适配值:f1,f2,…,fk，若fi+1-fi
(1) Nmax=Nmax+1。
(2) 按照调整次数Nmax重新进行搜索。
(3)若优化结果可以确保各个时间段内电压都符合约束条件要求，则退出，最佳调整次数为Nmax；否则返回到(1)。
2 基于GPRS的智能电压无功优化设计
2.1 硬件设计
硬件的总体设计如图2所示。电压无功控制装置的嵌入式CPU采用基于32位的ARM7TDMI-S CPU的嵌入式微控制器LPC2292，其强大的处理功能可满足嵌入式系统的网络速度和数据存储速度较高的需求，并且还可提供大数据容量存储。LPC2292包含了多种通信接口[10]：2个UART口、2个SPI口、1个I2C口和2个CAN口等。LPC2292具有实时性好、精度高、成本低的特点。
硬件部分主要包括：ARM核心模块、电源模块、JTAG调试接口、GPRS/CDMA 通信接口、程序数据存储器、电能量采集模块、I2C接口、通用I/O口、LCD模块。
2.1.1 数据采集模块
数据采集由ATT7022B芯片来实现。ATT7022B[11]是一块高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线的应用。ATT7022B芯片能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值及功率因数等参数。
ATT7022B芯片内部集成了1个串行通信接口SPI，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递，并可通过串行外设接口与ARM的微处理器LPC2292连接。
2.1.2 电压无功优化控制模块
通过LPC2292的I/O口实现控制输出，遥控输出的电路原理图如图3所示。遥控P2.16输出电平为高时，NPN三极管Q3导通，继电器合闸；遥控P2.16输出电平为低时，Q3截止，继电器跳闸。遥控输出要经过光电隔离，以抵御高压尖峰脉冲、强磁场、强静电、雷击浪涌的干扰，避免系统干扰造成误投切，所以每路遥控使用I/O口经过光电隔离控制驱动电路NEC2501，最后控制继电器的动作，从而实现对变压器和补偿电容器的调节操作。
2.1.3 GPRS通信模块
GSM模块采用WAVECOM公司的Q2403。Q2403是双频GSM/GPRS MODEM模块，执行ETSI GSM Phase 2+的标准，具备GSM无线通信的全部功能，通过UART接口与MCU连接，并直接使用AT命令就可以方便简洁地实现话音、短信息、传真及数据传输。
2.2 软件设计
电压无功优化控制系统功能复杂，而且要求具有很好的实时性、可维护性、可修改性、可扩充性，因此，采用基于?滋C/OS-II[12]实时多任务操作系统(RTOS)的软件设计方法，将程序分为多个任务，在RTOS的统一调度下可靠地运行。
(1)信号采集模块：通过ATT7022B采集各相和合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数等。
(2)电压无功优化模块：确定电压无功优化控制策略，判断控制指标，根据负荷情况计算出具体的电压无功综合控制方案。
(3)人机对话模块：通过分级液晶菜单显示运行参数、状态，通过键盘进行参数设置。
(4)时钟模块：提供日期和时间，记录、捕捉投切出现的时间。
(5)GPRS通信模块：完成网络链接，包括注册、连接GPRS网络和寻找用户终端；成功链接后，完成实时数据传输。本控制器选用中心呼号工作模式，数传单元（DTU）只有在接收到数据中心的呼号后，才登录GPRS网络，成功连接数据中心后进行数据传输，传输完毕，终止TCP连接，但DTU仍处于数据状态，必须切换到命令状态，通过发送AT命令使Q2403断开GPRS网络，Q2403再等待数据中心的下一次呼号，进行重新登录及传输。
本文构建了一种基于GPRS的智能电压无功优化设计。采用改进的禁忌搜索算法作为电压无功优化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式实时操作系统(μC/OS-II)，采用ADS1.2开发工具进行编程，实现了电力系统电压无功综合控制功能，其电压无功优化控制的准确性、可靠性和实时性均能够满足工业控制的要求。
参考文献
[1] 任晓娟，邓佑满，赵长城，等.高中压配电网动态无功优化算法的研究[J].中国电机工程学报，2003,23(1):31-36.
[2] 王飞，潘立冬.一种总线式结构的新型低压无功补偿装置[J].低压电器,2003(5):43-46.
[3] 刘翔宇，杨仁刚.基于GPRS的负控终端远程Web监控系统[J].电网技术,2006,30(3):76-79.
[4] 苏永春，陈星莺，刘存凯.基于遗传算法的变电站电压无功综合控制[J].继电器，2002, 30(10):11-14.
[5] 耿光飞，杨仁刚. 高压配电网无功优化集中控制系统研究[J]. 继电器，2005,33(24):45-48.
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[7] 张文，刘玉田.自适应粒子群优化算法及其在无功优化中的应用[J].电网技术，2006,30(8):19-24.
[8] 杨银国， 张伏生，贺春光，等.基于主动禁忌搜索的配电网无功电压优化控制[J].西安交通大学学报，2005, 39(8):895-899.
[9] 任晓莉，程红丽，刘健.基于禁忌搜索算法的变电站电压无功优化控制[J].继电器，2008,36(8):31-34.
[10] 周立功.ARM嵌入式基础教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[11] 珠海炬力集成电路设计有限公司. ATT7022 manual.2003.
[12] LABROSSE J J著. ?滋C/OS-II源码公开的嵌入式操作系统（第1版）[M].邵贝贝,译．北京：北京航空航天大学出
版社，2001．