楊洪耕， 馬繼山， 袁志堅(jiān)

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 成都 610065； 2.德陽電業(yè)局， 德陽 618000)

自律分散式AVC系統(tǒng)在地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用

楊洪耕1， 馬繼山1， 袁志堅(jiān)2

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院， 成都 610065； 2.德陽電業(yè)局， 德陽 618000)

針對(duì)傳統(tǒng)集中式AVC系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合自律分散系統(tǒng)的思想，提出正常情況下集中控制與故障情況下自律分散控制相結(jié)合的控制模式，構(gòu)建了地區(qū)電網(wǎng)自律分散式AVC系統(tǒng)；在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行分區(qū)，將大規(guī)模地區(qū)電網(wǎng)的無功優(yōu)化問題分解為若干小規(guī)模子系統(tǒng)的優(yōu)化問題，對(duì)粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)，采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域并行計(jì)算；并結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況，確立了AVC系統(tǒng)的省地協(xié)調(diào)控制策略；運(yùn)行分析表明，該系統(tǒng)可有效地改善電壓品質(zhì)，降低網(wǎng)損，提高經(jīng)濟(jì)效益。

自動(dòng)電壓控制； 自律分散控制； 粒子群算法； 多線程并行計(jì)算； 協(xié)調(diào)控制；

電力系統(tǒng)電壓無功優(yōu)化控制關(guān)系到保證供電質(zhì)量、滿足用戶無功需求, 同時(shí)可以降低有功損耗，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。隨著調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)SCADA(supervisory control and data acquisition)的普及，自動(dòng)電壓控制AVC系統(tǒng)在電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前國內(nèi)地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)常采用集中式控制結(jié)構(gòu)[1～5]，即實(shí)時(shí)采集全網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出無功電壓調(diào)整方案后自動(dòng)下發(fā)至各子站執(zhí)行。集中式控制能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化，但在系統(tǒng)可靠性方面存在不足。一旦中心系統(tǒng)因故障原因終止運(yùn)行，則整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。對(duì)規(guī)模較大的地區(qū)電網(wǎng)，由于控制變量數(shù)量大、層次多，全網(wǎng)集中優(yōu)化在計(jì)算速度和內(nèi)存需求方面均難以滿足電網(wǎng)在線計(jì)算和實(shí)時(shí)控制的要求[6]。

為解決集中式AVC系統(tǒng)中存在的問題，本文結(jié)合自律分散系統(tǒng)的思想[7，8]，利用多線程技術(shù)，構(gòu)建了地區(qū)電網(wǎng)自律分散式AVC系統(tǒng)。基于無功優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中網(wǎng)損與節(jié)點(diǎn)電壓無功的相關(guān)性，對(duì)粒子群優(yōu)化算法(PSO)[9]進(jìn)行改進(jìn)，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整罰因子，改善了尋優(yōu)效果。計(jì)及省地AVC協(xié)調(diào)控制要求，確立了省地AVC協(xié)調(diào)控制策略。

1 自律分散式AVC系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自律分散式AVC系統(tǒng)由地調(diào)AVC系統(tǒng)和縣調(diào)AVC系統(tǒng)構(gòu)成，其中地調(diào)AVC系統(tǒng)運(yùn)行在地區(qū)調(diào)度中心。每個(gè)縣調(diào)集控站運(yùn)行一套縣調(diào)AVC系統(tǒng)。省地AVC及地縣AVC間采用集中控制與自律分散控制相結(jié)合的控制模式，其控制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)自律分散AVC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)除滿足本地電網(wǎng)電壓無功安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行外，仍須實(shí)時(shí)追隨省調(diào)給出的協(xié)調(diào)變量設(shè)定值。若省網(wǎng)AVC系統(tǒng)因故障退出運(yùn)行，則地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為就地控制，按照預(yù)設(shè)限值進(jìn)行控制。

地縣間通訊正常時(shí)，AVC系統(tǒng)為地調(diào)計(jì)算模式，縣調(diào)AVC系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收地調(diào)AVC系統(tǒng)的控制命令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至SCADA系統(tǒng)，完成對(duì)設(shè)備的閉環(huán)控制。

若地調(diào)AVC系統(tǒng)出現(xiàn)故障,則系統(tǒng)自動(dòng)將各區(qū)域轉(zhuǎn)為縣調(diào)計(jì)算模式?？h調(diào)AVC系統(tǒng)根據(jù)本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及電網(wǎng)參數(shù)直接對(duì)所轄電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將控制策略發(fā)至SCADA執(zhí)行。從而實(shí)現(xiàn)故障情況下電網(wǎng)控制權(quán)的切換，最大限度地保障了系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

地調(diào)AVC系統(tǒng)恢復(fù)正常后，各縣調(diào)AVC系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為地調(diào)計(jì)算模式，同時(shí)縣調(diào)AVC系統(tǒng)將本地?cái)?shù)據(jù)庫更新匯總到地調(diào)數(shù)據(jù)庫。

1.2 系統(tǒng)功能體系

地調(diào)AVC系統(tǒng)和縣調(diào)AVC系統(tǒng)作為自律分散系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，圖2為地調(diào)及縣調(diào)AVC系統(tǒng)主要功能模塊和各模塊間相互關(guān)系。

地調(diào)及縣調(diào)AVC系統(tǒng)均包括自行開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和商用數(shù)據(jù)庫，前者側(cè)重實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，訪問速度快；后者用于保存靜態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可靠性高。各縣調(diào)數(shù)據(jù)庫中包含縣調(diào)集控站所轄本地電網(wǎng)數(shù)據(jù)，地調(diào)數(shù)據(jù)庫則將全網(wǎng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匯總，縣地間數(shù)據(jù)庫保持同步更新。用戶可通過模型維護(hù)平臺(tái)完成系統(tǒng)建模，模型保存在商業(yè)數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)核心為分析計(jì)算和用戶監(jiān)控兩個(gè)模塊，包含如圖2所示若干子功能。所有控制日志和歷史數(shù)據(jù)都保存在商用數(shù)據(jù)庫中，可通過用戶監(jiān)控平臺(tái)查詢和分析。

圖2 地區(qū)電網(wǎng)自律分散AVC系統(tǒng)功能體系

2 無功電壓優(yōu)化控制

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以包含能損費(fèi)和調(diào)節(jié)代價(jià)的運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)[6]，同時(shí)引入對(duì)PQ節(jié)點(diǎn)電壓幅值和省網(wǎng)關(guān)口節(jié)點(diǎn)注入無功的懲罰項(xiàng)，構(gòu)成的擴(kuò)展目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中：Ploss為系統(tǒng)的有功損耗；NPO、NB、NT、NC分別為PQ節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、省網(wǎng)關(guān)口節(jié)點(diǎn)數(shù)、可調(diào)變壓器數(shù)和補(bǔ)償電容器節(jié)點(diǎn)數(shù)；Ui、Uimax、Uimin分別為PQ節(jié)點(diǎn)電壓、電壓上限值和下限值；Qi為關(guān)口節(jié)點(diǎn)無功，Qimax、Qimin為無功上限值和下限值；λvi、λqi分別為電壓罰因子和無功罰因子；ΔXTi、CTi分別為變壓器抽頭變化量和調(diào)節(jié)成本，ΔXCi、CCi分別為電容器組數(shù)變化量和調(diào)節(jié)成本；同時(shí)式(1)要滿足潮流平衡方程約束。

2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)整罰因子

本文根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓無功的靈敏度，分別求取其對(duì)應(yīng)的罰因子，實(shí)現(xiàn)了罰因子的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整。

式(1)中，網(wǎng)損如式(2)所示：

(2)

單獨(dú)考慮式(1)中第一項(xiàng)和第二項(xiàng)，對(duì)電壓Ui求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)數(shù)為零，以λVi絕對(duì)值作為節(jié)點(diǎn)i處的電壓罰因子，如下所示：

2Ujcosθij)+2λUi(Ui-Uilim)=0

(3)

式中：n為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目；j∈i表示節(jié)點(diǎn)j與i之間有線路相連；Gij為節(jié)點(diǎn)i、j間的電導(dǎo)；上式中的(Ui-Uilim)可根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)為一個(gè)固定值，其值越小，目標(biāo)函數(shù)對(duì)電壓越限量越敏感。

單獨(dú)考慮式(1)中第一項(xiàng)和第三項(xiàng)，對(duì)電壓Ui求偏導(dǎo)，令偏導(dǎo)數(shù)為零，如下所示：

(4)

由潮流平衡方程可得：

(5)

將式(5)代入式(4)，以λqi絕對(duì)值作為節(jié)點(diǎn)i處的無功罰因子。

2.3 地調(diào)多區(qū)域并行計(jì)算

地區(qū)電網(wǎng)中各縣域電網(wǎng)多為弱環(huán)網(wǎng)或輻射狀運(yùn)行，且縣域間無功電壓存在解耦性。為提高計(jì)算速度并適應(yīng)當(dāng)前調(diào)度管理體制，本文在220 kV主變高壓側(cè)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)和省網(wǎng)進(jìn)行分層，并在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)按集控站所控范圍進(jìn)行分區(qū)，分別對(duì)各子網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

本文采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各區(qū)域并行計(jì)算，并利用線程池技術(shù)(Thread pool)有效管理服務(wù)器中的線程。地調(diào)優(yōu)化計(jì)算中多線程處理方式見圖3。

圖3 多線程優(yōu)化計(jì)算示意圖

在線程創(chuàng)建上，采用“一縣調(diào)一線程”的原則，將AVC分析計(jì)算模塊進(jìn)行封裝，為每個(gè)縣調(diào)對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)線程，由相應(yīng)線程來完成優(yōu)化計(jì)算。當(dāng)任務(wù)結(jié)束時(shí),該線程并不會(huì)被立即銷毀，而是在線程池中被標(biāo)識(shí)為暫停狀態(tài)(Suspended)；若縣調(diào)對(duì)象向線程池發(fā)出一個(gè)計(jì)算請(qǐng)求,則處于暫停狀態(tài)的線程會(huì)被喚醒以完成相關(guān)任務(wù)。由于程序向線程池發(fā)起計(jì)算請(qǐng)求的速度遠(yuǎn)小于一個(gè)線程處理優(yōu)化計(jì)算任務(wù)的速度,線程池不需要為每個(gè)縣調(diào)對(duì)象創(chuàng)建更多線程而一直重用同一個(gè)線程，從而有效地控制了創(chuàng)建和銷毀線程帶來的開銷，節(jié)約了系統(tǒng)資源。

2.4 省地協(xié)調(diào)策略

根據(jù)現(xiàn)行調(diào)度管理體制并結(jié)合無功分層原則，本文采用省地間關(guān)口，即220 kV主變高壓側(cè)功率因數(shù)作為協(xié)調(diào)變量[10]。地調(diào)AVC系統(tǒng)定時(shí)計(jì)算并上傳各220 kV變電站供電片區(qū)的關(guān)口可增/減無功容量，省調(diào)側(cè)根據(jù)地調(diào)上傳無功可調(diào)節(jié)能力，經(jīng)全網(wǎng)優(yōu)化后，下發(fā)各關(guān)口動(dòng)態(tài)功率因數(shù)限值。地調(diào)AVC系統(tǒng)根據(jù)省調(diào)下發(fā)的限值，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化控制。

一般省調(diào)側(cè)電網(wǎng)模型只建設(shè)到220 kV主變，110 kV以下電網(wǎng)等值為負(fù)荷，由于模型不完備，省調(diào)下發(fā)關(guān)口功率因數(shù)限值存在省調(diào)側(cè)最優(yōu)性與地調(diào)側(cè)可行性的矛盾。若省調(diào)下發(fā)關(guān)口功率因數(shù)可行，地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)則按照省調(diào)下發(fā)的約束進(jìn)行優(yōu)化。若省調(diào)下發(fā)限值不可行，在正常狀態(tài)下，采用約束松弛策略，放棄對(duì)省調(diào)下發(fā)關(guān)口功率約束的

跟蹤，按照原有的地調(diào)約束條件進(jìn)行優(yōu)化；在緊急狀態(tài)下，則犧牲地調(diào)側(cè)的電壓合格率，嚴(yán)格按照省調(diào)下發(fā)的關(guān)口功率因數(shù)約束執(zhí)行，保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。圖4為地調(diào)AVC協(xié)調(diào)控制示意圖。

圖4 AVC系統(tǒng)省地協(xié)調(diào)控制流程

3 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)及應(yīng)用情況

本文開發(fā)的自律分散AVC系統(tǒng)與原有的EMS平臺(tái)分開，運(yùn)行于單獨(dú)的AVC服務(wù)器上。服務(wù)器為雙4核CPU配置，適于多線程計(jì)算。

目前，該系統(tǒng)于2009年4月開始已在多個(gè)地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果良好，主要包括以下方面：

1)電壓運(yùn)行曲線更加合理，提高了電壓合格率。AVC系統(tǒng)投入閉環(huán)后各控制母線電壓曲線在高峰時(shí)段靠近上限運(yùn)行，低谷時(shí)段靠下限運(yùn)行，符合逆調(diào)壓要求，見圖5某110 kV母線在兩個(gè)負(fù)荷相似日的電壓曲線。

圖5 投入AVC前后110kV母線電壓對(duì)比

2)降低系統(tǒng)網(wǎng)損。投入AVC前后網(wǎng)損對(duì)比見圖6、7。其中4月11日AVC閉環(huán)運(yùn)行，4月18日AVC開環(huán)運(yùn)行。兩天的負(fù)荷曲線相當(dāng)接近，而4月18日的網(wǎng)損曲線有較大幅度的升高。其中，4月11日網(wǎng)損率較4月18日降低了0.057%。

圖6 相似日負(fù)荷曲線對(duì)比

圖7 投入AVC前后網(wǎng)損對(duì)比

4 結(jié)語

本文開發(fā)的自律分散AVC系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1)分設(shè)地調(diào)AVC系統(tǒng)和縣調(diào)AVC系統(tǒng)，可選擇性的進(jìn)行分區(qū)控制，電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)可在各縣調(diào)AVC系統(tǒng)中在線修改，修改后縣調(diào)AVC數(shù)據(jù)庫自動(dòng)與地調(diào)AVC數(shù)據(jù)庫保持同步更新。具有在線可擴(kuò)展、在線維護(hù)和在線容錯(cuò)能力。

2)首次采用多線程技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)并行優(yōu)化計(jì)算，充分利用系統(tǒng)資源，提高了計(jì)算速度。

3)考慮省地AVC系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)調(diào)控制，在正常和緊急狀態(tài)下分別采取相應(yīng)的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了不同狀態(tài)下的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，以最大程度地滿足省調(diào)下發(fā)的協(xié)調(diào)變量值。

[1] 郭慶來，吳越，張伯明,等(Guo Qinglai,Wu Yue,Zhang Boming,etal)．地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)(Research and development of real-time control system for reactive power optimization)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2002，26(13)：66-69．[2] 丁曉群，黃偉，鄧勇，等(Ding Xiaoqun, Huang Wei, Deng Yong,etal).基于分級(jí)遞階的地調(diào)/中心站模式無功電壓控制系統(tǒng)(A control system for reactive power/voltage in main station/substation model based on hierarchical technology)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems),2004,28(5):63-66.

[3] 李瑞超，陳實(shí)，吳迪，等(Li Ruichao, Chen Shi, Wu Di,etal). 安徽電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制(AVC)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)(Design and implementation of real-time generation control system for Anhui power system)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2004，28(8)：20-22.

[4] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等(Guo Qinglai，Sun Hongbin，Zhang Boming，etal).江蘇電網(wǎng)AVC主站系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)(Research and development of AVC system for power networks of Jiangsu province) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems),2004,28 (22) :83-87.

[5] 丁曉群,陳晟,許杏桃,等(Ding Xiaoqun，Chen Cheng，Xu Xingtao，etal). 全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化集中控制系統(tǒng)在泰州電網(wǎng)的應(yīng)用(Application of optimization and centralized control system for reactive power/voltage in Taizhou power network)[J]. 電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology), 2000 , 24(12) : 21-23,44.

[6] 張勇軍，任震(Zhang Yongjun，Ren Zhen).無功電壓動(dòng)態(tài)控制的分布式協(xié)同優(yōu)化(Distributed cooperative optimization for reactive power/voltage dynamic control)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2004，24(4):34-38.

[7] 李忠煦,劉玉田(Li Zhongxu, Liu Yutian). 一種地區(qū)電網(wǎng)分布式無功優(yōu)化方法(Distributed reactive power optimization for area power system )[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSU-EPSA ) , 2005, 17 (2):80-83.

[8] 劉志剛,張友剛, 錢清泉(Liu Zhigang, Zhang Yougang, Qian Qingquan). 自律分散系統(tǒng)在電氣化鐵路監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用研究(Research on the application of autonomous decentralized system in electrified railway remote control system)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備(Electric Power Automation Equipment), 2001,21( 10)：18-20.

[9] 俞俊霞，趙波(Yu Junxia，Zhao Bo).基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法的最優(yōu)潮流計(jì)算(Improved particle swam optimization algorithm for optimal power flow problems)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSU-EPSA)，2005，17(4):83-88.

[10]孫宏斌，郭慶來，張伯明，等(Sun Hongbin，Guo Qinglai，Zhang Boming，etal)．面向網(wǎng)省級(jí)電網(wǎng)的自動(dòng)電壓控制模式(Automatic voltage control scheme for lager-scale power networks)[J]．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)， 2006，30(S2)：13-18.

ApplicationofAutonomousDecentralizedAVCSysteminAreaPowerSystem

YANG Hong-geng1， MA Ji-shan1， YUAN Zhi-jian2

(1.College of Electrical and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China； 2.Deyang Electric Power Bureau, Deyang 618000, China)

Based on the existing problems in current centralized AVC system, an autonomous decentralized AVC system is designed with a combination of the ideas of autonomous decentralized system. This paper presented a control model of centralized control on normal conditions and autonomous decentralized control on fault conditions. The area power system is divided into several control zones, then the optimization problem of the whole large scale area power system is divided into several optimization sub-problems of small scale systems. Parallel computing is applied in several regions with the technology of multithread and modified particle swarm algorithm. An overall scheme of coordinate AVC for area power network and provincial power network is proposed. The operation result shows that the AVC system is effective on improving the quality of voltage, reducing the loss in network, making more profit.

auto voltage control(AVC)； autonomous decentralized control； particle swarm algorithm； multithread parallel computing； coordinate control

2010-05-17；

2010-06-29

TM761

A

1003-8930(2011)06-0131-04

楊洪耕(1949-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電能質(zhì)量分析與控制、區(qū)域電壓無功控制等方面的研究與教學(xué)工作。Email:yangsi@mail.sc.cnifo.net 馬繼山(1986-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)無功優(yōu)化、電能質(zhì)量。Email:majishan8341@163.com 袁志堅(jiān)(1965-)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化與通訊系統(tǒng)管理。Email:yuan-zj@2lcn.com