張靜+胡翔+李題印+孫亮+楊帥

摘 要：本文建立表征配電網(wǎng)多個關(guān)聯(lián)臺區(qū)低電壓調(diào)節(jié)變化過程的動態(tài)混雜模型，計及配電網(wǎng)臺區(qū)電壓水平約束，將電壓偏差、網(wǎng)絡損耗和調(diào)節(jié)費用最小等多個目標函數(shù)進行優(yōu)先排序，綜合各種電壓調(diào)節(jié)手段，考慮安全運行約束和目標優(yōu)先級，設計基于多目標約束模型預測控制的臺區(qū)電壓控制策略。

關(guān)鍵詞：低電壓；治理措施；動態(tài)混雜模型；控制策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.193

1 建立動態(tài)混雜模型

以提出的多個措施合理采用的最優(yōu)控制策略為根據(jù)，結(jié)合電力系統(tǒng)的實際情況，本文提出了建立一種混雜自動電壓控制（HAVC）模型來治理配電臺區(qū)的低電壓問題，以增強臺區(qū)對電壓水平的控制能力，保證臺區(qū)電壓質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時減少網(wǎng)絡的損耗。

1.1 控制模型

根據(jù)已有的配電網(wǎng)軟件、硬件等基礎設施和技術(shù)條件，充分利用通信網(wǎng)絡和調(diào)度自動化系統(tǒng)，本文提出了配電臺區(qū)的混雜分層自動電壓控制模型。該模型主要由最高層，中間層，基層三個控制層構(gòu)成。三個控制層的控制指令由上而下進行傳達，層與層之間有數(shù)據(jù)交互。調(diào)度員可在系統(tǒng)內(nèi)各層間實時人為干預各控制層的控制指令。系統(tǒng)的運行狀態(tài)、電壓水平等信息以及控制指令均可以記錄、存儲。以下為各控制層所擔負的任務：

（1）最高層。最高層的任務主要是處理、決策、指令的產(chǎn)生與下達。該層首先是利用SCADA系統(tǒng)（監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）配電臺區(qū)各關(guān)鍵節(jié)點的電壓狀態(tài)進行監(jiān)視，實時儲存節(jié)點電壓信息，并形成動態(tài)的數(shù)據(jù)庫，同時統(tǒng)計在某時間段內(nèi)配電臺區(qū)各節(jié)點電壓的合格率；確定關(guān)鍵節(jié)點的標準范圍，然后形成離散事件控制指令驅(qū)動下一層。最高層實時顯示電壓安全域以及實際運行點的動態(tài)位置，為系統(tǒng)調(diào)度員提供參考。

（2）中間層。系統(tǒng)，形成包括實時節(jié)點電壓的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，并接受最高層離散事件的驅(qū)動，處理數(shù)據(jù)和運算，實時求解非線性方程組；臺區(qū)內(nèi)部各控制設備的運行狀態(tài)，形成各種控制操作決策，通過與層與層之間的接口環(huán)節(jié)可以實時對操作決策的各種方案進行有效組合，得到最優(yōu)方案；最后，將該控制方案以指令的形式傳達給基層的設備。

（3）基層。基層接受中間層的綜合優(yōu)化控制方案，通過層內(nèi)控制器的反饋控制，執(zhí)行控制指令，完成最終的目標。同時中央處理單元可以通過接口環(huán)節(jié)接受調(diào)度人員的操作指令，也可以將中間層傳達的控制指令輸出顯示，以供操作人員儲存各種數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)人機交互。

1.2 控制的特點

混雜自動電壓控制具有以下的特點：首先，混雜自動電壓控制（HAVC）是針對電力系統(tǒng)的管理與調(diào)控分層的性質(zhì)、控制指令的離散性、“離散事件”的發(fā)生與底層運行元件狀態(tài)量變化的連續(xù)性相交互、電壓控制問題的多重目標等一系列特征，將混雜系統(tǒng)的理念運用在電力系統(tǒng)電壓控制問題之上，建立混雜自動電壓控制模型并給出其控制方法及實現(xiàn)方式。

其次，相比于現(xiàn)有的二級電壓控制方案HAVC系統(tǒng)及控制方法有以下重要的差異和優(yōu)勢：其一，HAVC系統(tǒng)是由Events進行驅(qū)動的，控制指令直接響應于該事件并消除這一事件，而多級電壓控制方案是以設定時間來啟動的；其二，HAVC系統(tǒng)具有分層的結(jié)構(gòu)，總體控制目標分層實現(xiàn)的特點，最高層與中間層各司其職，因此其各自擁有本層的SCADA系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫以及分析處理軟件，降低了分析和處理數(shù)據(jù)的計算復雜程度，調(diào)控速度和有效性大大提高。

第三，事件驅(qū)動還有個重要的優(yōu)點，即能夠把不滿足復合目標中的任何一種狀態(tài)都形成具有不同性質(zhì)的事件；HAVC系統(tǒng)的控制結(jié)果消除了該事件，以達到了復合目標控制的目的。因此，所提出的HAVC系統(tǒng)使多目標控制變得切實可行。目前關(guān)于電壓控制方面的研究難以達到應用HAVC系統(tǒng)的效果

以上部分闡述了配電臺區(qū)混雜自動電壓控制模型和實現(xiàn)方式。下面將介紹如何中實現(xiàn)對電壓質(zhì)量和穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性的保證。

1.2.1 電壓質(zhì)量的保證

控制過程中，首先要找出關(guān)鍵節(jié)點，其能夠反映臺區(qū)電壓水平，給予其電壓約束，并形成控制預警環(huán)節(jié)。若電壓超出標準范圍，最高層將生成控制指令并下達給中間層；中間層接受上層指令，實時進行數(shù)據(jù)處理，得出控制策略，通過下接口下達給基層；基層接受指令后，調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭、低壓無功補償設備，保證能夠?qū)⑴_區(qū)電壓維持在一定水平。

1.2.2 電壓穩(wěn)定性的保證

在混雜自動電壓控制系統(tǒng)中，電壓的穩(wěn)定性始終占有重要位置。最小模特征值的幅值是最高層中形成離散事件的主要因素。該控制系統(tǒng)以求解的最小模特征值為依據(jù)對臺區(qū)電壓水平穩(wěn)定域范圍進行描繪，并形成相應控制預警環(huán)節(jié)。

1.2.3 網(wǎng)絡損耗最小的保證

實際運行中的電力系統(tǒng)，為了提高設備的使用壽命，減少控制設備的投切次數(shù)以及減少操作人員的勞動程度，系統(tǒng)將設置一個最低的損耗值：當時，也就是電力系統(tǒng)實際的網(wǎng)損與最優(yōu)潮流計算得到的網(wǎng)損之差超過一定限值時，系統(tǒng)才產(chǎn)生指令，逼近優(yōu)化潮流并保證電壓的穩(wěn)定性及電壓質(zhì)量合格。于此同時，能夠?qū)崟r顯示并且存儲系統(tǒng)的網(wǎng)損。

2 仿真研究

首先必須要對混雜自動電壓控制方案進行仿真實驗以驗證其是否可靠、有效，驗證之后才能將其安裝運用到實際的配電臺區(qū)之中。

2.1 靜態(tài)電壓控制仿真

基于混雜系統(tǒng)的理念研究靜態(tài)電壓控制問題。首先要構(gòu)造靜態(tài)混雜電壓分層控制模型。以該模型為基礎，分別設計出了各層的控制器。其中最高層可以對電力系統(tǒng)進行分析并判斷電壓穩(wěn)定性，并考慮了電壓安全性和系統(tǒng)經(jīng)濟性兩個優(yōu)化目標，若指標超過限額，將會構(gòu)造離散事件；然后利用形成的離散事件去驅(qū)動控制環(huán)節(jié)形成電壓的控制指令并且傳送給中間層；中間層依據(jù)接收的最高層的控制指令建立優(yōu)化指標函數(shù)，通過求解得到底層無功補償器節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點的控制量，以及調(diào)壓變壓器的變比改變量，再由通信系統(tǒng)將這些控制量送到基層；最后由基層的各元件的控制器實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓狀態(tài)的調(diào)控。

進行仿真研究時采用的系統(tǒng)是IEEE-22母線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在靜態(tài)電壓控制中，將常規(guī)二級電壓控制和混雜自動電壓控制的輸出結(jié)果進行了對比研究。在靜態(tài)混雜自動電壓控制中，控制目的在于減少線路損耗的前提下將最小模特征值的幅值從5.08增加到5.4，從而得到各控制節(jié)點的控制量。常規(guī)控制目的是使關(guān)鍵節(jié)點的電壓與混雜控制后的節(jié)點電壓值相等，進而得到該控制方法所對應的控制節(jié)點的控制量。

靜態(tài)混雜自動電壓控制的穩(wěn)定性較比初始狀態(tài)有了較大幅度的提高，最小模特征值的幅值增加了6.386%，而且較常規(guī)二級電壓控制相比效果更佳；同時，有效地減少了系統(tǒng)的網(wǎng)損，有功損耗也分別減少了13.27%，提高了電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。

2.2 動態(tài)混雜電壓控制仿真

建模所采用的研究對象選擇的是彭州地調(diào)局域電網(wǎng)。該模型中包含了發(fā)電機、線路、變壓器及負荷等模型。該模型共有43個母線節(jié)點，覆蓋了五個電壓等級。其中500kV節(jié)點1個、220kV節(jié)點3個、110kV節(jié)點12個、35kV節(jié)點4個、10kV節(jié)點14個、中性節(jié)點9個。該模型包含輸電線路15條、三繞組變壓器9臺、兩繞組變壓器14臺、負荷11個、電容器44臺、電抗器1臺。220kV變電站內(nèi)分別配有并聯(lián)運行220/110/10三繞組變壓器2臺，高壓側(cè)配17檔有載調(diào)壓分接頭開關(guān)。該電網(wǎng)模型中的10kV母線處配置了多臺電容器組以及電抗器組。

在動態(tài)混雜電壓控制研究中，將節(jié)點光明、天彭、繁江、三邑、太和、紅旗、五塊石處負荷以10s為時間間隔為均勻加大2.0（標幺值）的無功功率，從0開始到60s為止，并保持60s時刻的負荷不變。以此為前提條件并對變電站低壓側(cè)電抗器的投切加以考慮，對比研究了三種控制方案：①發(fā)電機組均采用常規(guī)勵磁的電壓控制；②發(fā)電機組均采用常規(guī)二級電壓控制；③發(fā)電機組均采用混雜自動電壓控制方案。

本文系吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項資金項目（2016C074）和吉林市科技局科技發(fā)展規(guī)劃項目（20156406）成果之一。