0 引言

　　电力工业是国民经济的重要基础产业，近年来我国电力工业飞速发展，电力系统的规模日益扩大，已进入特高压、大电网、大机组、西电东送、南北互济、建设坚强智能电网的崭新发展阶段，电力供应已经基本可以满足我国国民经济和社会发展的需要[1-5]。目前，电能质量成为日益突出的问题[6]。电压是衡量电能质量的重要指标之一，电压越上限或越下限都会给电网稳定带来安全隐患。电压越上限会加快供电设备绝缘老化；电压越下限会对输变电设备的送电能力造成不良影响，增加电网有功损耗，并且会导致电压崩溃等严重电力系统事故[7-9]。因此我们致力于将电压保持在一个科学合理的范围，这不仅仅影响着电网运行的安全，也是广大电力用户能否可靠用电的基础。同时优良的电压质量可以降低电能损耗，提高电力企业的经济效益。

　　电压和无功功率的分布有着紧密的关系[10]。在大多数情形下，造成线路与电力变压器上压降损失和有功功率损耗的主要原因是无功潮流的不合理流动。因此，无功潮流的合理调控是改善电压质量、减少系统中网损的有效途径[11-12]。从发电机和高压输电线路上发出的无功电源一般不能满足负载的需求，因此电网中需要配置一些无功补偿设备来满足无功需求、确保设备的工作电压为额定标准电压。在电力系统中，各种无功补偿功率装置的调节效果和功能千差万别，实际常用的无功补偿装置有并（串）联电容器、同步调相机、变压器、静止无功补偿器等。如何设置这些无功补偿设备，使得地区电网无功功率能按照电压等级分层平衡，即不同电压等级的电网之间无功潮流为零或尽可能减少，是电力系统无功领域研究的主要课题之一[13]。

　　以往由电力系统调度中心专责工程师定期对地区电网进行无功平衡计算，在保证关口功率因数和母线电压合格的约束下，分区计算出无功补偿量。再由调度员按照计算结果对变电站运行人员下达指令，对相关设备监盘，在适当时间投切无功补偿设备、调节变压器电压分接装置[13-16]。

　　近年来，随着大连地区经济快速发展，地区电网的规模越来越大，电力系统无功平衡计算也变得越来越困难，需要开发并研制一套电网的自动电压控制及无功优化（Automatic Voltage Control，AVC）系统。

　　本文主要解决的问题是：在大连地区电网给定无功补偿容量的前提下，设计一套自动电压控制及无功优化策略，根据此策略编写软件，借助调度自动化EMS系统-OPEN3000平台运行该软件，最终使大连地区电网无功潮流分布趋于优化，电压质量进一步提高，网损降低，减轻调度及变电运行人员的工作强度，实现电力系统的经济运行。

1 无功优化算法对比

　　电力系统无功优化的常规算法主要有线性规划法、动态规划法、内点法、粒子群算法、非线性规划法、蚁群算法等[17-20]，这一类算法一般是从某个初始值开始，按照既定的轨迹连续地改进已求出的解，以达到收敛于最优解的目标。下面介绍几种比较典型的算法。

　　1.1 线性规划法

　　线性规划法的理论成熟、模型简单、计算速度快、收敛性好、算法稳定，可以处理大量的约束，因而被广泛的应用到电力系统无功优化中。但是无功优化是一个非线性规划问题，只能采用逐次线性规划法求解非线性问题的思路引入线性规划法，这使得在解决电网实时问题需要快速做出判断时，情况变得复杂。

　　1.2 动态规划法

　　动态规划方法是一种无功优化有效的方法，它主要用来解决多阶段决策过程最优化问题。这种方法对目标函数和约束没有很严格的限制，但在一定条件下，也可以解决一些静态规划中与时间无关的最优化问题。这种算法在实际应用中的数学模型难以确定，且与理论模型相比，实际会增加状态变量的数目，这样一来可能出现“维数灾”，这些限制了这种算法的实际应用。

　　1.3 粒子群算法

　　在粒子群算法中，每个问题的最优解均可假设为搜索空间中的一颗粒子，而这些粒子都有一个由目标函数确定的适应值及决定它们的飞行方向和速度。逐次进行迭代计算后，该粒子通过跟踪个体极值和全局最优解来更新自己的位置。之后该粒子就追随当前的最优粒子在解空间搜索，从理论上可以找到全局最优解。但这种算法的计算时间往往较长，对于技术人员在线分析不能提供很大的帮助。

　　1.4 蚁群算法

　　蚁群算法通过模拟蚁群搜索食物的过程，达到求解比较困难的组合优化目的。它采用有记忆的人工蚂蚁，通过个体之间的信息交流与相互协作来找到从蚁穴到食物源的最短途径。这种算法方便发现相对较优的解，不会轻易陷入局部最优的求解中，在求解离散优化问题上已经显示出了优势。此外，它还具有很强的鲁棒性和搜索较优解的能力，方法不与其他算法结合使用。但是其自身存在一定的不足，如求解过程中易出现停滞现象，当群体规模变大时，优化时间较长，这使得它的使用范围也变得十分有限。

　　上述无功优化算法均为离线算法，对于无功潮流分析、无功规划起到很重要的作用[21，22]。但对于调度员实时监控，在线分析，即时做出判断的决策而言，需要一种在线计算的方法来解决[23-25]。笔者经过研究多种算法的优缺点后认为必须充分利用大连地区电网是开式电网的运行特性，对无功电压优化控制数学模型进行简化和分解，再利用专家系统和解耦法相结合的方法进行求解。

2 无功优化数学模型的确立

　　电力系统无功优化控制是一个多变量、非线性、多约束的组合优化问题,取数学模型的目标值为电网线损和变损最小。

　　F＝minPloss(1)

　　同时要满足以下等式约束条件和不等式约束条件：

　　(1)节点电压约束：

　　Vmin<Vi<Vmax(2)

　　(2)发电机无功出力约束：

　　Gmin<Gi<Gmax(3)

　　(3)有载调压分接头档数调节上下限：

　　Tmin<Ti<Tmax(4)

　　(4)设备动作次数上限：

　　有动作次数约束的设备包括电容器、电抗器、有载调压分接头。

　　(5)关口功率方程约束：

　　其中：Vi为第i条母线的电压，Vmin指最小值，Vmax指最大值，以下约束相同。

　　所有节点i都需要满足有功方程；所有PQ节点都需要满足无功方程；Gij、Bij为节点导纳阵元素；Vi为第i条母线的电压；?兹ij为母线i和母线j的电压相角差；PGi和QGi为母线i上所带发电机的有功功率和无功功率；PDi和QDi为母线i上所带负荷的有功功率和无功功率。

　　AVC无功优化系统即在满足式(2)～式(7)的条件下，寻求在系统经济运行时的无功潮流最优分布方案，包括调节发电机无功出力，投切电容器、电抗器，调节有载调压主变分接头等。

3 AVC控制模型

　　AVC系统采用厂站/区域两级控制模式，厂站可由人工按照需求设置按本地控制或按区域控制。本地控制时根据九区图基本原理动作，区域控制时参与全网优化协调。这种控制体系可以由人工设置投/退控制模式，使得控制方式具有一定的灵活性。

　　AVC系统在区域无功优化控制中将省级调度管辖电网和地区调度管辖电网进行分层，在地区调度管辖电网内再进行分区。在数据库模型中分别对控制区域、受控厂站、控制母线、受控设备（发电机、变压器、电抗器）进行定义和分层分区记录，通过数据库中的数学模型在它们之间建立一种静态关联。

　　控制模型层次结构如图1所示。

　　AVC系统是基于电网调度EMS平台设计的，从PAS网络建模获取控制模型、从SCADA系统实时采集数据并进行在线分析和计算，对电网内所有载调压装置和无功补偿设备进行集中监视、分级管理和在线控制，实现大连全域电网无功电压优化控制的闭环运行。

　　由上所述，地区电网AVC系统需要基于电网调度EMS平台，从SCADA遥测中采集实时数据并进行状态分析和潮流计算，利用PAS软件进行建模，收集SCADA实时数据和并进行状态分析和计算，根据结果对所有受控设备进行统一监测、管理、控制，实现大连全域电网电压无功优化。

4 可调节参数

　　AVC参数分为全局参数和设备参数，决定控制策略的启动。缺省采用全局参数，也可针对具体设备设置下列参数。当设备参数设置验证生效后，采用设备参数。

　　调节参数主要包括电压限值、动作次数限值、设备动作时间间隔和程序控制参数等。

　　根据电力行业标准规定在正常运行方式下，220 kV电压范围242 kV~220 kV；220 kV变电站的66 kV母线或发电厂出口母线电压范围64.02 kV~70.62 kV；220 kV变电站及非用户66 kV变电站10 kV母线电压范围为10 kV~10.7 kV；以保证66 kV用户变电站母线电压范围控制在62.7 kV~69.3 kV；35 kV用户供电电压范围33.25 kV~36.75 kV；10 kV用户和配电变电站母线电压范围为9.3 kV~10.7 kV；380 V供电首端母线电压范围为380 V~407 V；以保证380 V用户侧三相供电电压范围为353.4 V~406.6 V，220 V用户侧单相供电电压范围为198 V~235.4 V。

　　(1)考虑到负荷特性，在区域或单一变电站负荷高峰期间，电压设置可按照规定上限值下调一档，下限值上调一档；在负荷低谷高峰期间，电压设置可按照规定上限值下调二档，下限值上调二档。以66 kV变电站10 kV母线为例，在负荷高峰期间，电压上限设置为10.6，电压下限设置为10.1；在负荷低谷期间，电压上限设置为10.5，电压下限设置为10.2。

　　(2)变电站主变高压侧受电网无功潮流超过本站电容器最小投切容量，将自动或提示投入电容器。

　　(3)功率因数限值：当负荷处于高峰或低估时，流入母线的潮流的功率因数越限时，将自动或提示切除电容器。

　　(4)功率因数控制：置为“是”，受控站高压侧流入母线无功按功率因数限值控制；置为“否”，控制指标是受控站高压侧不发生无功倒流。

　　(5)负荷分段：设置格式形如0－7：0；7－22：1；22－24：0；其含义是将全天负荷分为三段；冒号为段间的分隔符，在每个字段中，表明起始时间和负荷性质，如0－7：0，表示该段为0点至7点低谷时段，而7－22：1则表示该段为7点至22点高峰时段。

　　(6)电容器投切的最小时间间隔初设为：300 s，可根据运行情况进行调节。

　　(7)主变分接开关的最小调整时间间隔初设为：120 s，可根据运行情况进行调节。

　　(8)主变日动作次数限值及时段划分。

　　(9)容抗器日动作次数限值及时段划分。

　　档位类型不一致变压器需设置AVC并联档位状态图，对于可以自动处理的档位不一致，AVC将自动发命同步，否则提示调度员手工调节。

5 计算方法及过程

　　AVC系统从调度SCADA采集全电网实时运行数据，在保证算法实用性基础上不断提高先进性。以全电网电能损耗最小为目标函数，通过对该目标函数快速求解，来实现全网实时闭环控制。但直接对目标函数求解会耗费大量时间和心力且十分复杂，很难实现实时控制。但由于地方电网具有开放运行的特性，同时无功电压控制的“专家系统”也可以拿来利用，我们可以利用这两个方面对无功电压优化控制数学模型进行简化，进而分解，然后采用解析算法和专家系统混合算法共同求解，两种算法的混合可以更好地保证控制系统的鲁棒性，同时对于控制决策的速度、精度、可靠性等都具有正向影响。

　　具体的计算方法是，首先设定全网的电能损耗最小值上下限，在这个空间范围内，可对它连续求次优解。同时计算电容器投切与变压器分接头动作次数，动作次数最少时对应的“次优”解即为最优解。

　　而后利用已求出的最优解，得出电容器投切次数和变压器分接头调节次数，给受控站发出控制命令，执行投切电容器与调节主变分接头的操作。事故运行方式时最高电压72.6 kV，最低电压59.4 kV。

6 AVC系统的实施效果

　　大连地区电网已投运的区域AVC系统建立在地调EMS的OPEN3000操作平台上。目前大连电网中13座220 kV变电所和61座66 kV变电所的母线电压已由AVC系统自动调节，其调整包括了按照拟定的策略自动投切电容器和调节变压器分接头的优化控制。从投运到现在一年多的实施效果来看，区域AVC系统有效维持了电压和功率因数在一定的水平，减轻了调度监控及厂站运行人员的工作强度，对系统的节能降损也起到了积极的作用，在一定程度上达到了预期的控制目标，为全域AVC系统在大连地区电网的实施奠定了基础。

　　区域AVC系统投运后，全网各级、各类电压合格率有了不同程度的提升。如表1所示。

　　区域AVC系统投运后，大连电网综合线损率下降了0.07个百分点。其中220 kV一次网损率为0.45，同比持平。66 kV送变损率为0.84%，同比下降了0.07个百分点。

　　由数据可见，区域AVC投运后，大连全网综合线损显著降低。这一方面得益于66 kV系统对现有无功资源的充分利用，更重要一方面是通过电容器的合理投切使得66 kV系统无功潮流得到了优化分配。

7 结论

　　当下大连电网的自动化技术日趋成熟，尤其是基于调度自动化SCADA系统的高级应用软件，如状态估计、静态安全分析，在线潮流计算、网络拓扑等都逐步具备实际应用条件，在这个前提下对其功能进一步拓展，开发大连全域电网无功电压优化控制系统。以目前大连局部地区已投入的AVC系统为基础，在不增加新的硬件设备投资的条件下，将调度自动化主站端的AVC控制软件做进一步的改进，从策略上谋求大连电网全域化电压控制。大连全网的AVC系统的实现一方面可以使大连电网电压质量得到提升，另一方面可以使大连地区电能的供应变得经济。同时AVC系统更新后地调SCADA/EMS系统的操作界面也会变得直观而显性化。

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