趙蘭明

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

提高變電站運行的經(jīng)濟性對于減少電網(wǎng)損耗具有重要意義。變電站作為電網(wǎng)的重要組成部分，通過合理安排變壓器的運行方式，控制有載調壓分接頭開關和無功補償設備，可以提高變壓器功率因數(shù)、調整二次側電壓，進而降低系統(tǒng)中電能損耗。

傳統(tǒng)的變電站經(jīng)濟運行并未考慮變壓器經(jīng)濟運行與無功優(yōu)化之間的關系，將它們統(tǒng)一描述成為一個組合優(yōu)化問題，可以提高變電站運行的經(jīng)濟性和自動化程度。

1 變電站經(jīng)濟運行與控制的基本構架

在變電站的接線方式、量測配置、拓撲結構等深入的分析的基礎上采用基于LS-SVM和遺傳算法相結合的思想，建立變電站日負荷預測模型和算法，給出24 h的整點負荷預測值［1-5］。依此確定一天中變壓器的經(jīng)濟運行方式，初步形成分接頭和電容器組的控制策略。為了減少日負荷預測誤差的影響，在離散量(變壓器運行方式、電容器投切)不變的前提下，利用在線校正策略確定有載調壓變壓器的位置(工作基點)，以達到最好的實時控制效果。控制周期內依靠變電站的自動控制。變電站經(jīng)濟運行與控制的基本構架如圖1所示。

圖1 變電站經(jīng)濟運行與控制基本構架

2 變壓器運行方式優(yōu)化

2.1 變壓器經(jīng)濟運行概念

通過變壓器運行方式優(yōu)化，可以解決變壓器經(jīng)濟投切時機的選取和變壓器投切次數(shù)的控制問題，從而真正意義上做到變壓器在線經(jīng)濟運行。文獻［6］介紹了變壓器經(jīng)濟運行的判別方法，并且用時段控制法和模糊決策法對變壓器運行方式優(yōu)化，但對變壓器經(jīng)濟運行與電網(wǎng)運行之間的影響，包括變壓器經(jīng)濟運行與電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化之間的關系均未考慮。

根據(jù)負荷預測曲線，找出要切換運行方式時間段，利用目標函數(shù)求出不同運行方式的損耗，通過比較損耗的大小選擇最佳運行方式［7-9］，并且在此基礎上進行變電站的動態(tài)無功優(yōu)化。

變壓器的技術參數(shù)主要有：額定容量SN，空載電流 I0，空載損耗 P0，短路損耗 PK，短路電壓 UK。對于雙繞組變壓器其有功功率損耗和無功功率損耗分別為：

式中：Q0為空載勵磁損耗，kVar；QK為額定漏磁功率，kVar；β 為負載系數(shù)。

綜合功率損耗為：

式中：kQ為無功經(jīng)濟當量，它的大小與變壓器無功負荷，網(wǎng)絡電阻以及電壓等級有關，通常取值在0.01～0.08。

單臺與兩臺并列運行之間技術特性優(yōu)劣的判定：

圖2 兩種運行方式損耗曲線

2.2 變壓器經(jīng)濟運行決策

Δt最小時間間隔，Δpi為對應負荷曲線上某一點的有功損耗大小。根據(jù)負荷預測得到的變電站未來24 h的負荷預測值，以變壓器經(jīng)濟運行的臨界值作為分界線，通過計算各種運行方式的損耗大小，確定變電站最佳的運行方式，下面詳細介紹此過程。

圖3 負荷曲線

規(guī)定負荷曲線每次上穿臨界值到下穿臨界值為一個時間段，對于圖3所示的負荷曲線，運行方式可能發(fā)生轉換的時間段為 t1～t2，t3～t4，t1～t4。

因此，一天中運行方式安排有以下幾種情況：

t1～t2AB并聯(lián)運行，其余時間變壓器A運行；

t3～t4AB并聯(lián)運行，其余時間變壓器A運行；t1～t4AB并聯(lián)運行，其余時間變壓器A運行。

根據(jù)式(5)通過計算以上三種情況下全天的損耗，分別記為 w1，w2，w3，比較它們的大小就可以確定變壓器的運行方式。

2.3 仿真分析

某變電站有兩臺SFZ7-31500/110型變壓器，變比為 110±8×1.25%/10.5 kV，變壓器參數(shù)見表 1。

表1 變壓器名牌參數(shù)

取無功經(jīng)濟當量取kQ=0，得變壓器經(jīng)濟運行臨界值為22.15 MVA。做出變壓器的損耗曲線(圖4)，根據(jù)變電站的日負荷預測曲線(圖 5)，利用2.2節(jié)中介紹的變壓器經(jīng)濟運行決策方法，得到變壓器的運行方案為：5時以前單臺變壓器運行，5時以后，兩臺并聯(lián)運行。

圖4 變壓器損耗曲線

圖5 日負荷曲線

3 變電站動態(tài)電壓無功決策

3.1 電壓無功控制數(shù)學模型

變電站等值電路圖如圖6所示。

圖6 變壓器損耗曲線

V1為變電站高壓母線電壓，是給定量，主要由上級系統(tǒng)確定，它的大小直接影響變電站的控制目標，通常其值變化不大，可以視為恒定值。V2為二次側母線電壓，ZT=RT+XT，為歸算到低壓側的變壓器阻抗參數(shù)，忽略變壓器的勵磁支路，低壓側補償容量記為 QC，PL，QL為負荷預測值。

根據(jù)潮流方程：

其中 QC=2bπfV22×10-6，設 a=2bπf×10-6，則 QC=aV22，f為系統(tǒng)頻率，單位為Hz，b為電容組的等值電容，單位為F。

解得［10］：

3.2 蟻群算法進行電壓無功控制

文獻［11］介紹了基于分布均勻度的自適應蟻群算法，文獻［12］將其應用到變電站的電壓無功綜合控制中，但未考慮到變壓器運行方式的變化，本文在變壓器運行方式優(yōu)化的基礎上，采用自適應蟻群優(yōu)化方法對每天變壓器分接頭檔位和電容器投切尋找最優(yōu)的控制策略。將一天劃分為24個時段，每個時段可以引入兩個控制變量TAPi和Ci(i=1～24)。TAPi表示第i個時段變壓器的檔位，對于17檔的變壓器，其取值為［-8，8］的整數(shù)值。Ci表示i時段電容器的投切情況，Ci=0，表示i時段未投入變壓器，Ci=1，表示i時段投入1組電容器，Ci=2，表示i時段投入2組變壓器，以此類推。這樣形成一個48個整數(shù)的序列，求解最優(yōu)控制策略的問題就是在所有的求解空間內求出一個控制序列，即螞蟻的最佳路徑，使目標函數(shù)取最大值。

3.3 目標函數(shù)的建立

定義第 時刻的二次側電壓滿意度為：

式中：x=|U2i-U2e|/U2e；U2i是 i時刻的二次側電壓，U2e是i時刻的二次側期望電壓。

定義目標函數(shù)：

α為懲罰因子，定義為：

ε為很小的正數(shù)，α(Nc)為電容器動作次數(shù)的懲罰因子，α(NTAP)為變壓器分接頭動作次數(shù)的懲罰因子。

Nc為24 h動作次數(shù)，Ncmax為24 h最大允許動作次數(shù)。

NTAP為24 h變壓器動作次數(shù)，NTAPmax為24 h允許動作次數(shù)。

3.4 仿真分析

針對2.3節(jié)中的變電站，進行動態(tài)無功優(yōu)化，已知它有4組電容器，每組額定容量為3 Mvar，分接頭初始檔位為-1，電容器投入了3組。仿真結果見圖 7、8、9。

由圖8和圖9可以看出，變壓器分接頭動作了8次，電容器組投切了10次，仿真表明，本文使用的方法在維持變壓器低壓側電壓在期望值的同時，有效的減少了分接頭和電容器的動作次數(shù)。

圖7 二次側電壓水平

圖8 電容器組投切變化

圖9 有載調壓變壓器分接頭變化

4 在線校正策略

4.1 負荷預測變動

由于負荷預測取的整點負荷預測值，不能代表變電站全部時刻的負荷水平，以及突發(fā)事件的影響，日負荷預測有時會產(chǎn)生較大的誤差，相應的控制策略就可能失效，這時就要對動態(tài)優(yōu)化策略進行在線校正，以實現(xiàn)最小偏差下的變電站軟控制。

變電站實際負荷與預測負荷如圖10所示。

圖10 實際負荷與預測負荷曲線

4.2 校正策略

日時間級的決策確定了變壓器的經(jīng)濟運行方式，初步確定了變壓器分接頭以及離散量(電容器組)的調整策略，在線校正就是通過前瞻一個時段，并結合在線預報，決策允許連續(xù)調節(jié)量的工作基點(如有載調壓分接頭初始位置)，在30 min內依靠變電站自動控制，基點決策不同，實時控制效果就不同。

根據(jù)電壓滿意度的定義，決策能夠使當前時刻和下一時刻(30 min)電壓水平最好的分接頭初始位置，選擇動作次數(shù)最少的投切方法作為現(xiàn)時刻有載調壓變壓器分接頭的初始位置。

數(shù)學模型的建立：

二次側電壓滿意度仍采用式(7)的定義，目標函數(shù)變?yōu)椋?/p>

S1為當前時刻電壓滿意度，S2為下一時刻電壓滿意度。

α為懲罰因子，定義為：

ε為很小的正數(shù)，α(NTAP)為分接頭動作次數(shù)的懲罰因子。

NTAP為兩時刻分接頭動作次數(shù)，NTAPmax為允許動作次數(shù)，定義為4。

4.3 仿真算例

對3.4節(jié)中得到的變電站動態(tài)優(yōu)化策略進行校正，結果見圖 11、12、13。

圖11 在線預測與實際負荷曲線

通過實際負荷與在線預測負荷對比，可以看出預測負荷跟蹤實際負荷的變化，有功和無功負荷預測平均相對誤差分別在6%和5%左右，滿足在線時間級控制決策的要求。

圖12 二次側電壓水平

以變電站實際負荷進行仿真發(fā)現(xiàn)，通過在線時間級的控制，二次側電壓基本維持在期望值附近，這樣就可以減少后續(xù)的調節(jié)(實時的控制)。

圖13 變壓器分接頭變化

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，變壓器分接頭動作了11次，比日時間級的優(yōu)化策略多出3次，但是校正后的策略更接近實時控制的要求。

5 結語

變壓器運行方式以及電壓無功的動態(tài)優(yōu)化是建立在負荷預測的基礎上的，只有保證負荷預測足夠精確，才能得出具有實用價值的控制方案，本文采用LS-SVM與遺傳算法相結合的技術，對于日時間級的決策，確定變壓器經(jīng)濟運行方式以及離散量如電容器組的投切都是沒有問題的，然而整點負荷值并不能代表變電站每個時刻的負荷水平，以及負荷預測誤差的影響，日時間級的決策會存在控制誤差，本文通過引入在線時間級的校正策略，調整有載調壓變壓器分接頭的工作基點，進一步減小負荷波動對變電站實時控制的影響，仿真表明，該方法具有較好的調節(jié)效果。