陳蒙偉，章堅民，2*，徐謙，吳鑫淼，葉義

（1.杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018；2.浙江創(chuàng)維自動化工程有限公司，浙江杭州310012；3.浙江省電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，浙江杭州310007）

0 引言

對配電網(wǎng)進行無功優(yōu)化是改善電能質(zhì)量、提高電壓合格率、降低線損、減少碳排放和提高供電企業(yè)利潤的重要技術(shù)手段之一。國內(nèi)外對配電網(wǎng)的無功優(yōu)化做了大量的研究，但以前的研究往往注重優(yōu)化方法本身，對于已裝有補償電容器的配電網(wǎng)，尚未能提出在實際運行中靈活有效的控制策略。文獻［1］利用調(diào)度自動化（SCADA）系統(tǒng)提供的有限線路運行參數(shù)和補償電容器運行現(xiàn)場的電壓和功率因數(shù)來自動控制電容器的投切，但這樣實現(xiàn)的動態(tài)補償無法確定電容器投切次數(shù)，也無法考慮區(qū)域范圍的無功控制。文獻［2］中的分時段無功研究對補償電容器采取實時自動控制的方法，這樣難以顧及負荷的全局變化，在實際運行中存在一系列問題。文獻［3］將控制變量的動作次數(shù)約束通過調(diào)解代價還原為經(jīng)濟成本，并與當前時段下的電能損失費用共同構(gòu)造目標函數(shù)，該建模方法較簡單，其帶來的計算快速的特性適用于在線環(huán)境，但是無功優(yōu)化是按照全天計算整點24次，該方法難以顧及負荷的全局變化，存在運行的問題。

無線通信以其方便、快捷和廉價的優(yōu)勢，彌補了有線通信的不足，尤其是覆蓋全國的通用分組無線電業(yè)務（GPRS）網(wǎng)絡(luò)已成為一種可持續(xù)利用和開發(fā)的資源［4］。

本研究以實測的實時數(shù)據(jù)和預測負荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并通過GPRS信道進行傳送實時數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建一種基于GPRS的配電網(wǎng)電容器投切策略。這樣可以從當前的運行狀態(tài)出發(fā)，實現(xiàn)配電網(wǎng)的無功功率預優(yōu)化和在線實時無功優(yōu)化控制，在保證運行電壓合格率的同時使系統(tǒng)的有功損耗最小，使系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和安全效益同時達到最佳。

1 硬件模型構(gòu)成

1.1 硬件構(gòu)成

近年來出現(xiàn)的智能電容器技術(shù)，就是集電容器組、復合開關(guān)、控制與通信于一體的無功補償裝置，開始在配網(wǎng)公變低壓側(cè)安裝應用，專變用戶采用隨器補償，變電站采用母線的集中無功補償，因此配電網(wǎng)的無功補償系統(tǒng)漸趨完備?；贕PRS數(shù)據(jù)通信的配電臺區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1中，配變側(cè)的無功補償裝置接入配變終端，通過GPRS與控制中心實現(xiàn)通信，使得各配變低壓側(cè)的無功補償裝置具有了通信通道，因此形成了配電線路乃至整個配網(wǎng)的無功優(yōu)化計算和控制、調(diào)度的通信平臺。

1.2 通信模塊及其組網(wǎng)方式

圖1 基于GPRS數(shù)據(jù)通信的配電臺區(qū)示意圖

本研究通過GPRS單元無線方式進行組網(wǎng)［5］，系統(tǒng)通過安裝在低壓側(cè)的智能節(jié)點全天候?qū)崟r采集各監(jiān)測點的電參量和節(jié)點自身的運行狀況，配電網(wǎng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）對采集數(shù)據(jù)進行必要的預處理并將數(shù)據(jù)打成IP包后，再通過GPRS空中接口傳入到GPRS網(wǎng)，最后通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端到達數(shù)據(jù)分析處理總站。主站對數(shù)據(jù)進行綜合分析優(yōu)化計算后，再以指令方式通過GPRS對必要的智能節(jié)點做電壓無功調(diào)節(jié)控制，研究者可通過對配電變電站的主機數(shù)據(jù)庫的查詢，了解電網(wǎng)的歷史運營狀況，實現(xiàn)系統(tǒng)的高度自動化。這種方式穩(wěn)定性較強，而且性價比好。

2 優(yōu)化模型和算法

2.1 優(yōu)化模型

本研究只考慮配電網(wǎng)的一條饋線，變電站饋線母線保持恒定電壓，裝有帶通信的智能電容器作為無功補償裝置，采用一般的配電網(wǎng)優(yōu)化模型［6］。

2.2 禁忌搜索（TS）算法和序優(yōu)化理論

TS［7］是一種高效的啟發(fā)式優(yōu)化技術(shù)，其核心思想是在搜索過程中將近期歷史上的搜索過程放在禁忌表中，阻止算法重復進入，這樣就有效地防止了搜索過程的循環(huán)。TS算法［8］主要包括2個重要思想：①用排序比較代替精確求值比較；②目標軟化，即當精確求解問題的最優(yōu)解在計算量上較大時，從工程角度出發(fā)，最終結(jié)果可以放松到足夠好解即可，從而提高計算速度。

2.3 基于序優(yōu)化理論構(gòu)建無功優(yōu)化粗糙評估模型

序優(yōu)化理論的一個重要思想是目標軟化，而配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題的目標函數(shù)是全天內(nèi)的總網(wǎng)損，顯然其值取決于潮流。若潮流計算程序運行到算法收斂為止，此時計算所得目標函數(shù)值是精確的。本研究采用配電網(wǎng)前推回代潮流計算，根據(jù)運行經(jīng)驗，當收斂精度ε＝0.0001時，潮流計算程序需運行4～5步才能收斂。

根據(jù)這個特點，本研究按如下方式構(gòu)建目標函數(shù)值的粗糙評估模型：運行1步潮流計算程序計算目標函數(shù)值，因而此時計算所得的目標函數(shù)值是不精確的，即粗糙的。通過這種粗糙的潮流計算替代原來精確的潮流計算方式，可以減少運行步驟和時間。文獻［9］分析了無功優(yōu)化粗糙評估模型有效性。

2.4 動態(tài)無功電壓在線優(yōu)化控制算法流程

考慮分段法帶來的時空解耦，本研究充分研究了分段法的應用。設(shè)現(xiàn)時刻為tp，求解步驟如下：

（1）初始化，輸入網(wǎng)絡(luò)拓撲及數(shù)據(jù)等；

（2）獲取tp時刻系統(tǒng)的所有狀態(tài)和約束（如果有刷新），及未來t∈[tp~Tn]的負荷預測。將t按照預測負荷分為S大段，如：第一大段t∈[tp...tm1] ；第二段∈[tm1...tm2]；…；第S-1段∈[tms-2...tms-1]；第S段∈[tms-1...tn]。

（3）求得第S大段的平均負荷（即第S大段下各時段負荷加權(quán)求平均），并對其平均負荷潮流用TS算法進行優(yōu)化計算，迭代至指定次數(shù)后得到一組最優(yōu)解，其中潮流計算采用粗糙計算，記錄下最優(yōu)個體。

（4）把該電容器投切方案代入該大段中各負荷段（第S大段中的各時段負荷）進行逐一地解配網(wǎng)潮流，進行完整的潮流計算，計算出各時段的損耗和電壓。

（5）若所有負荷段都已計算完畢，轉(zhuǎn)向步驟（6），否則轉(zhuǎn)向步驟（3），計算下一個(S=S+1)負荷段。

（6）輸出各時段補償電容的投入容量和總有功損耗。

3 策略設(shè)計

3.1 目前電壓無功控制策略存在的問題

目前的控制策略主要是：根據(jù)電網(wǎng)的典型日負荷運行曲線，將日負荷劃分為多個負荷時段，在不同時段采取不同的電壓無功整定值。顯然，這種策略是基于負荷的歷史數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，其優(yōu)化值只能隨時間按典型日負荷曲線要求發(fā)生改變。由于負荷的季節(jié)性、地區(qū)性差別以及休假日和工作日的差異，勢必造成電壓無功控制的滯后效應或盲目、頻繁動作，甚至發(fā)生誤動作，影響系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

3.2 無功控制總策略設(shè)計

本研究提出了一種基于GPRS的實時無功協(xié)調(diào)控制策略，以達到配電網(wǎng)無功優(yōu)化控制的目的。該策略分為兩個階段：

（1）在地區(qū)配電網(wǎng)無功優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入短期和超短期負荷預測，并根據(jù)系統(tǒng)負荷曲線變化趨勢，將一個調(diào)度周期（24 h）內(nèi)的負荷分成幾個負荷水平時段，進行基于負荷預測的無功電壓控制策略調(diào)整，得到電容器投切的基本調(diào)度時間表；

（2）每個電容器按照調(diào)度時間表進行基本方案的投切，同時實時監(jiān)測配電網(wǎng)絡(luò)負荷的情況，如果網(wǎng)絡(luò)負荷較預測負荷有大幅度波動或者節(jié)點電壓越限，則通過采集到的負荷實時數(shù)據(jù)進行重新無功優(yōu)化計算，產(chǎn)生電容器新的投切方案，反之按原方案執(zhí)行。

無功協(xié)調(diào)控制策略流程如圖2所示。

圖2 基于GPRS的實時無功協(xié)調(diào)控制策略

4 算例分析

4.1 算例數(shù)據(jù)

本研究以34節(jié)點配電系統(tǒng)為例進行分析，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、節(jié)點負荷數(shù)據(jù)見文獻［10］，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)該系統(tǒng)電容器組配置位置及容量如表1所示。

表1 電容器組數(shù)據(jù)

4.2 算例模擬條件

筆者運用Matlab進行仿真計算來檢驗本研究所提出策略的有效性。

預測負荷模式數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 預測負荷模式數(shù)據(jù)

為了模擬負荷波動，本研究假設(shè)了2個前提：①假設(shè)負荷以正態(tài)分布N(un,σ2)的概率發(fā)生波動，其中un為根據(jù)預測負荷數(shù)據(jù)得到的每小時負荷平均值，σ為模擬設(shè)定的標準差；②假設(shè)負荷每15 min波動一次，這樣相當于在一天內(nèi)模擬96次負荷波動。

4.3 算例分析

在初始預測數(shù)據(jù)運行狀態(tài)下，系統(tǒng)總有功網(wǎng)損為4.096 MW。本研究采用預測負荷合理分段來達到對動作約束的時空解耦，8分段無功優(yōu)化動作次數(shù)比較如表2所示。

表2 8分段無功優(yōu)化動作次數(shù)比較

表2中，8時段分為［1，7］［7，8］［8，11］［11，13］［13，15］［15，20］［20，22］［22，24］。通過本研究算法計算得到的系統(tǒng)網(wǎng)損為2.911 MW，網(wǎng)損下降率為28.73%。由表2可見，優(yōu)化結(jié)果電容器一天內(nèi)投切次數(shù)最多為3次，從而有效地減少個電容器的投切次數(shù)，說明了基于預測數(shù)據(jù)的動態(tài)無功優(yōu)化有較好的效果（其中編號Cn-m代表電容器組裝在的節(jié)點n上的第m個電容器）。

在8分段預優(yōu)化基礎(chǔ)上加入模擬實時數(shù)據(jù)的無功優(yōu)化仿真結(jié)果比較如表3、表4所示。

將該算法應用于該系統(tǒng)，計算一次靜態(tài)無功優(yōu)化需要的時間是0.35 s，滿足系統(tǒng)在線計算的時間需求。表3顯示了以N(un,0.1)的概率發(fā)生負荷波動對電容器設(shè)備動作次數(shù)的影響。其中比較的差值（如圖2所示）是以升高或降低了的負荷量占原預測負荷的比值體現(xiàn)的。表3中數(shù)據(jù)顯示，設(shè)定的差值越小則所帶來的電容器投切次數(shù)會增加，反之亦反。表4中比較了該配電網(wǎng)絡(luò)按原補償量和重新優(yōu)化計算后的補償量這兩種方式補償，所產(chǎn)生的不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓和有功損耗。在升降10%、20%、30%負荷時，若按原來電容器方案投切，就會帶來不同程度的電壓和損耗問題，而在采取重新優(yōu)化計算后，節(jié)點最低電壓和有功損耗都有明顯的改善，因此在檢測出負荷波動較大時應用上述無功控制策略是有必要的。

綜合表3、表4可見，在負荷波動概率一定的情況下，若比較的差值設(shè)定的太小，則帶來電容器動作次數(shù)大量增加；反之，顯然電容器動作次數(shù)增加不會太明顯，但會造成策略對電網(wǎng)負荷波動的協(xié)調(diào)能力降低。因此應當綜合考慮電容器動作次數(shù)和負荷波動大小給電網(wǎng)造成影響的程度，以合理設(shè)定該策略的比較差值。

5 結(jié)束語

本研究提出了一種在預優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行在線實時優(yōu)化控制的無功電壓優(yōu)化策略，具有如下特點：

（1）預優(yōu)化控制引入在線實時優(yōu)化控制策略，能綜合考慮負荷波動的網(wǎng)絡(luò)運行狀況，在較短時間內(nèi)給出優(yōu)化效果良好的無功調(diào)度方案。

（2）GPRS具有實時性好、可靠性高、投資小的特點，為配電網(wǎng)區(qū)域無功優(yōu)化提供了新的平臺、新的選擇。

（3）調(diào)度員可以按照調(diào)度需要和網(wǎng)絡(luò)運行狀況的改變來調(diào)整設(shè)定比較的差值，使得整個無功優(yōu)化系統(tǒng)更實用。

表3 負荷波動對設(shè)備動作次數(shù)的影響

表4 兩種補償方式下的最低電壓和網(wǎng)損的比較

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）：

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