分布式電壓無(wú)功全局優(yōu)化控制系統的研制與應用
[摘要]分析了目前廣東電網(wǎng)電壓,電壓無(wú)功控制存在的不足，先容了分布式電壓,電壓無(wú)功全局優(yōu)化控制系統,控制系統的結構原理、技術(shù)難點(diǎn)。系統由主站系統、變電站電壓無(wú)功實(shí)時(shí)控制子系統(VQC)和通訊子系統構成。各子站系統的電壓和無(wú)功控制范圍通過(guò)全網(wǎng)離散無(wú)功優(yōu)化計算獲得，可實(shí)現對電網(wǎng)電壓無(wú)功全局優(yōu)化和分布式實(shí)時(shí)控制。��

　　電壓的穩定可以確保各種電氣設備的正常運行并延長(cháng)其使用壽命，控制電網(wǎng)公道的無(wú)功潮流可以降低網(wǎng)損，從而達到電網(wǎng)經(jīng)濟運行的目的，因此在電力系統中實(shí)現電壓無(wú)功優(yōu)化控制具有廣泛和重要的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。電池測試儀| 相序表| 萬(wàn)用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀
　　基于電網(wǎng)全局無(wú)功優(yōu)化計算的實(shí)時(shí)無(wú)功最優(yōu)控制集安全性和經(jīng)濟性于一體，可以保證全網(wǎng)電壓質(zhì)量和滿(mǎn)足安全性約束的經(jīng)濟性的閉環(huán)控制，被以為是電力系統調度發(fā)展的最高階段。目前，在國內市級電網(wǎng)實(shí)現這種無(wú)功控制的實(shí)例較少，國內常見(jiàn)電網(wǎng)電壓無(wú)功控制屬于變電站級電壓無(wú)功分散控制，這種分散控制方式是以變電站為中心，通過(guò)調節有載調壓變壓器’>變壓器的分接頭位置或其它電壓調節器，控制無(wú)功補償設備如并聯(lián)電容器組或電抗器的工作狀態(tài)，維持受控母線(xiàn)電壓和注進(jìn)電網(wǎng)的無(wú)功功率在規定的范圍內。自20世紀70年代以來(lái)，國內外對此有大量研究。國內已有不少變電站級電壓無(wú)功自動(dòng)調節裝置開(kāi)發(fā)成功，并在35～220kV變電站得到了廣泛的應用，如廣東電網(wǎng)公司在110kV變電站普遍裝設了電壓無(wú)功實(shí)時(shí)控制子系統（VQC）系列電壓無(wú)功局部?jì)?yōu)化綜合控制裝置。這種變電站級電壓無(wú)功局部?jì)?yōu)化綜合控制技術(shù)已比較成熟，但仍有不足：��
　　a)只能實(shí)現局部的優(yōu)化，不能實(shí)現全系統的最優(yōu)控制。并且僅能保證受控母線(xiàn)電壓合格，不能達到全網(wǎng)功率損耗最小的目的。
     b)VQC裝置的調節控制是基于給定的電壓無(wú)功上下限值，電壓無(wú)功上下限值的確定要依靠維護職員的經(jīng)驗，缺少一套有效的計算方法。假如上下限值給定不公道，無(wú)論調節措施多么完美，都不可能得到公道的控制。
　　c)閉鎖題目是指VQC裝置在檢測并判定到在變電所或系統異常以及裝置本身出現異常的情況下，能及時(shí)停止自動(dòng)調節，它也是VQC裝置能否投運的最大題目。假如VQC裝置沒(méi)有完善的閉鎖系統或閉鎖速度達不到運行要求時(shí)，就會(huì )對變電所的安全運行帶來(lái)嚴重威脅。VQC裝置的閉鎖功能必須達到以下幾個(gè)要求：
①閉鎖條件必須全面：一般來(lái)說(shuō)，VQC應考慮的主要閉鎖條件有：主變保護動(dòng)作；電容器保護動(dòng)作；PT斷線(xiàn)；系統電壓異常；主變并列運行時(shí)的錯檔；裝置故障；電容器開(kāi)關(guān)或主變分接開(kāi)關(guān)日動(dòng)作次數達到最大值；目標對象拒動(dòng)；主變滑檔；遠動(dòng)信號指令或手動(dòng)閉鎖等。
②閉鎖限值設置必須公道。
③閉鎖速度應足夠快。d)VQC的人機界面對運行和治理職員十分重要。
VQC的人機界面不友好或不完善，則可能造成使用不方便或不當。一般來(lái)說(shuō)，VQC人機界面應滿(mǎn)足以下要求：
(1)參數設置方便，對用戶(hù)開(kāi)放的參數要足夠充分和全面。有關(guān)部分對變電所電壓無(wú)功的考核經(jīng)常會(huì )有新的要求，有時(shí)甚至對峰谷時(shí)段的定義都會(huì )有變化。VQC參數若不能方便設置，則會(huì )使廠(chǎng)方和用戶(hù)都感到麻煩。
(2)閉鎖條件應能在人機界面中反映出來(lái)：VQC是一項涉及面頗廣的自動(dòng)化裝置，變電所的很多異常和變化都會(huì )引起它的閉鎖。假如VQC的閉鎖情況和閉鎖原因不能在人機界面上反映出來(lái)，則會(huì )使用戶(hù)對它的閉鎖分析變得十分困難。��
(3)VQC動(dòng)作記錄應全面：具體的VQC動(dòng)作記錄有利于VQC的運行和故障分析。為了解決上述幾方面題目，進(jìn)步電網(wǎng)電壓無(wú)功控制水平，相關(guān)部分組織研制了分布式電壓無(wú)功全局優(yōu)化控制系統’>控制系統。與傳統意義上的集中控制方式不同的是，本項目在實(shí)現變電站級電壓無(wú)功局部?jì)?yōu)化綜合控制的基礎上，探索全局電壓無(wú)功在線(xiàn)優(yōu)化計算及分散協(xié)調控制的理論和方法，實(shí)現電網(wǎng)的電壓無(wú)功分散協(xié)調控制。該系統具有很好的開(kāi)放性和可擴展性，具有較大的推廣應用價(jià)值，可以考慮用于整個(gè)地區供電網(wǎng)絡(luò )的電壓無(wú)功控制。1系統總體思路
　　本項目的基本思路是：建立主站系統，根據未來(lái)一天各母線(xiàn)有功和無(wú)功負荷曲線(xiàn)（由短期負荷猜測獲得）及開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，以控制整個(gè)電網(wǎng)節點(diǎn)電壓在答應范圍內和有功損耗最小為優(yōu)化目標，進(jìn)行地區電網(wǎng)離散無(wú)功優(yōu)化計算，并以此為基礎計算出各VQC的控制范圍（限值）。利用技術(shù)上已成熟的VQC裝置，研究可支持全網(wǎng)優(yōu)化控制和本地控制模式的VQC控制策略，即建立變電站電壓無(wú)功實(shí)時(shí)控制子系統，負責監控變壓器’>變壓器和電容器狀態(tài)、采集電網(wǎng)運行參數及根據主站系統提供的電壓無(wú)功限值（或自定義的電壓無(wú)功限值）實(shí)施電壓無(wú)功控制，并可實(shí)現在全網(wǎng)優(yōu)化狀態(tài)下和本地狀態(tài)下電壓無(wú)功控制模式的切換。建立通訊子系統（也可以利用現有調度自動(dòng)化系統的通訊通道），以實(shí)現主站系統后臺程序與子站系統VQC控制程序之間的數據通訊。該系統可應用于整個(gè)地區電網(wǎng)的電壓無(wú)功控制，也可用于地區電網(wǎng)的某一個(gè)區域的電壓無(wú)功控制。��
　　參考歐美國家的全網(wǎng)電壓無(wú)功三級控制方式，本控制系統在功能上包含二級和三級控制。主站系統屬于二級控制，根據電網(wǎng)近期內的歷史負荷水平，猜測短期內的電網(wǎng)負荷，以保證電網(wǎng)內各節點(diǎn)電壓在答應范圍內；以實(shí)現全網(wǎng)有功損耗最小為系統優(yōu)化目標，計算各節點(diǎn)電壓、無(wú)功分布并轉換為實(shí)際控制定值。主站在實(shí)際運行中包括優(yōu)化計算模塊、電網(wǎng)數據處理模塊、實(shí)時(shí)拓撲模塊和控制定值計算模塊。系統中的子站系統實(shí)現三級控制，以傳統九區域控制原理為算法核心，實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)數據，執行主站系統的控制定值，是整個(gè)系統安全運行的關(guān)鍵。2主要理論研究��
　　系統研制過(guò)程中主要的理論研究有以下兩方面：��
　　a)全電網(wǎng)離散無(wú)功優(yōu)化計算方法��
　　通過(guò)對離散變量構造函數并將其直接嵌進(jìn)到非線(xiàn)性原對偶內點(diǎn)法中形成擴展內點(diǎn)算法。其原理詳見(jiàn)文獻[1，2]。
　　b)變電站電壓無(wú)功控制范圍的整定計算方法��
　　利用上述全網(wǎng)離散無(wú)功優(yōu)化計算結果，計算出每個(gè)變電站變壓器高壓側無(wú)功功率和低壓側母線(xiàn)電壓的最佳變化曲線(xiàn)。通過(guò)跟蹤無(wú)功和電壓最佳變化曲線(xiàn)，確定變壓器高壓側無(wú)功功率和低壓側母線(xiàn)電壓的上下限值。3系統結構
　　該系統由主站系統、變電站電壓無(wú)功實(shí)時(shí)控制子站系統(VQC)和通訊子系統三個(gè)子系統構成。系統結構原理圖見(jiàn)圖1。

圖1分布式電壓無(wú)功全乙實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統結構原理圖通訊子系統實(shí)現主站系統與子站系統VQC控制程序之間的數據通訊，主站系統通過(guò)通訊子系統與各變電站的電壓無(wú)功實(shí)時(shí)控制子系統聯(lián)系，進(jìn)行數據傳遞和控制。
　　主站系統通過(guò)由子站系統采集并按一定時(shí)間間隔上送的220kV及110kV變電站低壓側（10kV側）有功和無(wú)功負荷的實(shí)時(shí)數據及開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，進(jìn)行全電網(wǎng)離散無(wú)功優(yōu)化計算，然后根據優(yōu)化計算結果，形成每個(gè)變電站的無(wú)功功率上下限（指變壓器高壓側從系統吸收的無(wú)功功率）及低壓側電壓上下限的控制策略表，并通過(guò)通訊子系統傳到變電站電壓無(wú)功實(shí)時(shí)控制子系統。
　　系統中的子站系統以傳統九區域控制原理為算法核心，實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)數據，執行主站系統的控制定值，是整個(gè)系統安全運行的關(guān)鍵。子站系統存放在各變電站，各子站系統裝置負責監控變壓器和電容器狀態(tài)，采集電網(wǎng)運行參數，并根據主站系統提供的電壓無(wú)功限值按九區分割圖實(shí)施具體控制策略。子站系統在原有變電站VQC的基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，泄露氣體檢測儀| 毒性氣體| 氧氣檢測| VOC檢測儀支持按全網(wǎng)優(yōu)化電壓無(wú)功限值和本地電壓無(wú)功限值兩種模式控制，當通訊中斷或電網(wǎng)出現異常時(shí)，子站系統將自動(dòng)切換控制狀態(tài)，即從執行全網(wǎng)優(yōu)化電壓無(wú)功限值自動(dòng)轉換成執行本地預設的電壓無(wú)功限值，保證電網(wǎng)安全運行。4應用
4.1應用環(huán)境先容
　　把主站系統放置在市級調度中心，每個(gè)變電站（包括220KV、110kV變電站）都安裝了子站系統，整個(gè)分布式電壓無(wú)功全局優(yōu)化控制系統的控制范圍為從220kV變電站的進(jìn)線(xiàn)端到110kV變電站的10kV側出線(xiàn)端。��
4.2幾種數據刷新頻率
　　在系統運行過(guò)程中，主站存在以下幾種數據刷新頻率：��
　　a)遠信數據��
　　遠信數據包括斷路器開(kāi)關(guān)量數據、電容器投切開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，采用子站實(shí)時(shí)主動(dòng)上傳、子站同時(shí)存儲的開(kāi)關(guān)事件發(fā)生數據以供歷史查詢(xún)。��
　　b)遠測數據��
　　遠測數據包括變壓器電壓、電流、無(wú)功、有功數據，數據不主動(dòng)上傳，由主站根據系統設定向子站定時(shí)查詢(xún)，也提供實(shí)時(shí)數據查詢(xún)。��
　　c)報警事件��
　　報警事件包括變壓器、母線(xiàn)、電容器、電抗器等控制對象的故障報警信息，子站實(shí)時(shí)主動(dòng)上傳。��
　　d)控制定值數據��
　　控制定值數據由主站根據系統設定向子站定時(shí)下傳或實(shí)時(shí)下傳。實(shí)際運行中數據傳輸間隔為24h，即天天定時(shí)刷新一次。當電網(wǎng)運行方式發(fā)生改變時(shí)，各子站轉為就地優(yōu)化，執行預設的就地運行定值。主站需在下一數據刷新周期到來(lái)后查詢(xún)數據，重新下行定值。��4.3應用效果
　　a)系統運行穩定可靠，運行效果良好；��
　　b)該系統實(shí)現了全電網(wǎng)在線(xiàn)無(wú)功優(yōu)化調度和無(wú)功控制裝置的局部?jì)?yōu)化自動(dòng)控制協(xié)調，改善了整個(gè)電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，降低了電網(wǎng)有功損耗；��
　　c)在系統運行期間，各變電站的電壓合格，調節動(dòng)作及時(shí)正確，可滿(mǎn)足實(shí)際運行需求；��
　　d)在各變電站的實(shí)際運行中，各無(wú)功補償設備得到充分利用，有效地降低了變電站在負荷高峰期從系統所吸取的無(wú)功，補償了系統無(wú)功，同時(shí)起到了很好的電壓調節功能；��
　　e)在變電站的運行中代替人工調節工作，實(shí)現了變電站電壓無(wú)功調節的自動(dòng)化控制，保證了無(wú)人值班變電站的電壓無(wú)功調節安全運行；��
　　f)具有很好的開(kāi)放性和可擴展性，具有推廣應用價(jià)值。��

5結束語(yǔ)
　　本文先容的分布式電壓無(wú)功全局實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統項目不僅實(shí)現了區域電網(wǎng)的全網(wǎng)電壓無(wú)功實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，而且在項目研發(fā)過(guò)程中還提出了一套變電站VQC控制范圍的整定計算方法。系統經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗，運行穩定可靠，效果良好，能滿(mǎn)足電網(wǎng)的全網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化協(xié)調控制的要求，有效地降低變電站在負荷高峰期從系統所吸取的無(wú)功，補償了系統無(wú)功，同時(shí)起到很好的電壓調節功能。該系統可用于某個(gè)供電網(wǎng)絡(luò )的某一個(gè)區域的電壓無(wú)功控制，也可用于整個(gè)地區供電網(wǎng)絡(luò )的電壓無(wú)功控制，具有較大的推廣應用價(jià)值。