0 引言

　　電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，近年來我國電力工業(yè)飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益擴大，已進入特高壓、大電網(wǎng)、大機組、西電東送、南北互濟、建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的嶄新發(fā)展階段，電力供應(yīng)已經(jīng)基本可以滿足我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要[1-5]。目前，電能質(zhì)量成為日益突出的問題[6]。電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，電壓越上限或越下限都會給電網(wǎng)穩(wěn)定帶來安全隱患。電壓越上限會加快供電設(shè)備絕緣老化；電壓越下限會對輸變電設(shè)備的送電能力造成不良影響，增加電網(wǎng)有功損耗，并且會導(dǎo)致電壓崩潰等嚴(yán)重電力系統(tǒng)事故[7-9]。因此我們致力于將電壓保持在一個科學(xué)合理的范圍，這不僅僅影響著電網(wǎng)運行的安全，也是廣大電力用戶能否可靠用電的基礎(chǔ)。同時優(yōu)良的電壓質(zhì)量可以降低電能損耗，提高電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。

　　電壓和無功功率的分布有著緊密的關(guān)系[10]。在大多數(shù)情形下，造成線路與電力變壓器上壓降損失和有功功率損耗的主要原因是無功潮流的不合理流動。因此，無功潮流的合理調(diào)控是改善電壓質(zhì)量、減少系統(tǒng)中網(wǎng)損的有效途徑[11-12]。從發(fā)電機和高壓輸電線路上發(fā)出的無功電源一般不能滿足負(fù)載的需求，因此電網(wǎng)中需要配置一些無功補償設(shè)備來滿足無功需求、確保設(shè)備的工作電壓為額定標(biāo)準(zhǔn)電壓。在電力系統(tǒng)中，各種無功補償功率裝置的調(diào)節(jié)效果和功能千差萬別，實際常用的無功補償裝置有并（串）聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、變壓器、靜止無功補償器等。如何設(shè)置這些無功補償設(shè)備，使得地區(qū)電網(wǎng)無功功率能按照電壓等級分層平衡，即不同電壓等級的電網(wǎng)之間無功潮流為零或盡可能減少，是電力系統(tǒng)無功領(lǐng)域研究的主要課題之一[13]。

　　以往由電力系統(tǒng)調(diào)度中心專責(zé)工程師定期對地區(qū)電網(wǎng)進行無功平衡計算，在保證關(guān)口功率因數(shù)和母線電壓合格的約束下，分區(qū)計算出無功補償量。再由調(diào)度員按照計算結(jié)果對變電站運行人員下達(dá)指令，對相關(guān)設(shè)備監(jiān)盤，在適當(dāng)時間投切無功補償設(shè)備、調(diào)節(jié)變壓器電壓分接裝置[13-16]。

　　近年來，隨著大連地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，地區(qū)電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，電力系統(tǒng)無功平衡計算也變得越來越困難，需要開發(fā)并研制一套電網(wǎng)的自動電壓控制及無功優(yōu)化（Automatic Voltage Control，AVC）系統(tǒng)。

　　本文主要解決的問題是：在大連地區(qū)電網(wǎng)給定無功補償容量的前提下，設(shè)計一套自動電壓控制及無功優(yōu)化策略，根據(jù)此策略編寫軟件，借助調(diào)度自動化EMS系統(tǒng)-OPEN3000平臺運行該軟件，最終使大連地區(qū)電網(wǎng)無功潮流分布趨于優(yōu)化，電壓質(zhì)量進一步提高，網(wǎng)損降低，減輕調(diào)度及變電運行人員的工作強度，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

1 無功優(yōu)化算法對比

　　電力系統(tǒng)無功優(yōu)化的常規(guī)算法主要有線性規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、內(nèi)點法、粒子群算法、非線性規(guī)劃法、蟻群算法等[17-20]，這一類算法一般是從某個初始值開始，按照既定的軌跡連續(xù)地改進已求出的解，以達(dá)到收斂于最優(yōu)解的目標(biāo)。下面介紹幾種比較典型的算法。

　　1.1 線性規(guī)劃法

　　線性規(guī)劃法的理論成熟、模型簡單、計算速度快、收斂性好、算法穩(wěn)定，可以處理大量的約束，因而被廣泛的應(yīng)用到電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中。但是無功優(yōu)化是一個非線性規(guī)劃問題，只能采用逐次線性規(guī)劃法求解非線性問題的思路引入線性規(guī)劃法，這使得在解決電網(wǎng)實時問題需要快速做出判斷時，情況變得復(fù)雜。

　　1.2 動態(tài)規(guī)劃法

　　動態(tài)規(guī)劃方法是一種無功優(yōu)化有效的方法，它主要用來解決多階段決策過程最優(yōu)化問題。這種方法對目標(biāo)函數(shù)和約束沒有很嚴(yán)格的限制，但在一定條件下，也可以解決一些靜態(tài)規(guī)劃中與時間無關(guān)的最優(yōu)化問題。這種算法在實際應(yīng)用中的數(shù)學(xué)模型難以確定，且與理論模型相比，實際會增加狀態(tài)變量的數(shù)目，這樣一來可能出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”，這些限制了這種算法的實際應(yīng)用。

　　1.3 粒子群算法

　　在粒子群算法中，每個問題的最優(yōu)解均可假設(shè)為搜索空間中的一顆粒子，而這些粒子都有一個由目標(biāo)函數(shù)確定的適應(yīng)值及決定它們的飛行方向和速度。逐次進行迭代計算后，該粒子通過跟蹤個體極值和全局最優(yōu)解來更新自己的位置。之后該粒子就追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子在解空間搜索，從理論上可以找到全局最優(yōu)解。但這種算法的計算時間往往較長，對于技術(shù)人員在線分析不能提供很大的幫助。

　　1.4 蟻群算法

　　蟻群算法通過模擬蟻群搜索食物的過程，達(dá)到求解比較困難的組合優(yōu)化目的。它采用有記憶的人工螞蟻，通過個體之間的信息交流與相互協(xié)作來找到從蟻穴到食物源的最短途徑。這種算法方便發(fā)現(xiàn)相對較優(yōu)的解，不會輕易陷入局部最優(yōu)的求解中，在求解離散優(yōu)化問題上已經(jīng)顯示出了優(yōu)勢。此外，它還具有很強的魯棒性和搜索較優(yōu)解的能力，方法不與其他算法結(jié)合使用。但是其自身存在一定的不足，如求解過程中易出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，當(dāng)群體規(guī)模變大時，優(yōu)化時間較長，這使得它的使用范圍也變得十分有限。

　　上述無功優(yōu)化算法均為離線算法，對于無功潮流分析、無功規(guī)劃起到很重要的作用[21，22]。但對于調(diào)度員實時監(jiān)控，在線分析，即時做出判斷的決策而言，需要一種在線計算的方法來解決[23-25]。筆者經(jīng)過研究多種算法的優(yōu)缺點后認(rèn)為必須充分利用大連地區(qū)電網(wǎng)是開式電網(wǎng)的運行特性，對無功電壓優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型進行簡化和分解，再利用專家系統(tǒng)和解耦法相結(jié)合的方法進行求解。

2 無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的確立

　　電力系統(tǒng)無功優(yōu)化控制是一個多變量、非線性、多約束的組合優(yōu)化問題,取數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)值為電網(wǎng)線損和變損最小。

　　F＝minPloss(1)

　　同時要滿足以下等式約束條件和不等式約束條件：

　　(1)節(jié)點電壓約束：

　　Vmin<Vi<Vmax(2)

　　(2)發(fā)電機無功出力約束：

　　Gmin<Gi<Gmax(3)

　　(3)有載調(diào)壓分接頭檔數(shù)調(diào)節(jié)上下限：

　　Tmin<Ti<Tmax(4)

　　(4)設(shè)備動作次數(shù)上限：

　　有動作次數(shù)約束的設(shè)備包括電容器、電抗器、有載調(diào)壓分接頭。

　　(5)關(guān)口功率方程約束：

　　其中：Vi為第i條母線的電壓，Vmin指最小值，Vmax指最大值，以下約束相同。

　　所有節(jié)點i都需要滿足有功方程；所有PQ節(jié)點都需要滿足無功方程；Gij、Bij為節(jié)點導(dǎo)納陣元素；Vi為第i條母線的電壓；?茲ij為母線i和母線j的電壓相角差；PGi和QGi為母線i上所帶發(fā)電機的有功功率和無功功率；PDi和QDi為母線i上所帶負(fù)荷的有功功率和無功功率。

　　AVC無功優(yōu)化系統(tǒng)即在滿足式(2)～式(7)的條件下，尋求在系統(tǒng)經(jīng)濟運行時的無功潮流最優(yōu)分布方案，包括調(diào)節(jié)發(fā)電機無功出力，投切電容器、電抗器，調(diào)節(jié)有載調(diào)壓主變分接頭等。

3 AVC控制模型

　　AVC系統(tǒng)采用廠站/區(qū)域兩級控制模式，廠站可由人工按照需求設(shè)置按本地控制或按區(qū)域控制。本地控制時根據(jù)九區(qū)圖基本原理動作，區(qū)域控制時參與全網(wǎng)優(yōu)化協(xié)調(diào)。這種控制體系可以由人工設(shè)置投/退控制模式，使得控制方式具有一定的靈活性。

　　AVC系統(tǒng)在區(qū)域無功優(yōu)化控制中將省級調(diào)度管轄電網(wǎng)和地區(qū)調(diào)度管轄電網(wǎng)進行分層，在地區(qū)調(diào)度管轄電網(wǎng)內(nèi)再進行分區(qū)。在數(shù)據(jù)庫模型中分別對控制區(qū)域、受控廠站、控制母線、受控設(shè)備（發(fā)電機、變壓器、電抗器）進行定義和分層分區(qū)記錄，通過數(shù)據(jù)庫中的數(shù)學(xué)模型在它們之間建立一種靜態(tài)關(guān)聯(lián)。

　　控制模型層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　AVC系統(tǒng)是基于電網(wǎng)調(diào)度EMS平臺設(shè)計的，從PAS網(wǎng)絡(luò)建模獲取控制模型、從SCADA系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)并進行在線分析和計算，對電網(wǎng)內(nèi)所有載調(diào)壓裝置和無功補償設(shè)備進行集中監(jiān)視、分級管理和在線控制，實現(xiàn)大連全域電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制的閉環(huán)運行。

　　由上所述，地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)需要基于電網(wǎng)調(diào)度EMS平臺，從SCADA遙測中采集實時數(shù)據(jù)并進行狀態(tài)分析和潮流計算，利用PAS軟件進行建模，收集SCADA實時數(shù)據(jù)和并進行狀態(tài)分析和計算，根據(jù)結(jié)果對所有受控設(shè)備進行統(tǒng)一監(jiān)測、管理、控制，實現(xiàn)大連全域電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化。

4 可調(diào)節(jié)參數(shù)

　　AVC參數(shù)分為全局參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，決定控制策略的啟動。缺省采用全局參數(shù)，也可針對具體設(shè)備設(shè)置下列參數(shù)。當(dāng)設(shè)備參數(shù)設(shè)置驗證生效后，采用設(shè)備參數(shù)。

　　調(diào)節(jié)參數(shù)主要包括電壓限值、動作次數(shù)限值、設(shè)備動作時間間隔和程序控制參數(shù)等。

　　根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在正常運行方式下，220 kV電壓范圍242 kV~220 kV；220 kV變電站的66 kV母線或發(fā)電廠出口母線電壓范圍64.02 kV~70.62 kV；220 kV變電站及非用戶66 kV變電站10 kV母線電壓范圍為10 kV~10.7 kV；以保證66 kV用戶變電站母線電壓范圍控制在62.7 kV~69.3 kV；35 kV用戶供電電壓范圍33.25 kV~36.75 kV；10 kV用戶和配電變電站母線電壓范圍為9.3 kV~10.7 kV；380 V供電首端母線電壓范圍為380 V~407 V；以保證380 V用戶側(cè)三相供電電壓范圍為353.4 V~406.6 V，220 V用戶側(cè)單相供電電壓范圍為198 V~235.4 V。

　　(1)考慮到負(fù)荷特性，在區(qū)域或單一變電站負(fù)荷高峰期間，電壓設(shè)置可按照規(guī)定上限值下調(diào)一檔，下限值上調(diào)一檔；在負(fù)荷低谷高峰期間，電壓設(shè)置可按照規(guī)定上限值下調(diào)二檔，下限值上調(diào)二檔。以66 kV變電站10 kV母線為例，在負(fù)荷高峰期間，電壓上限設(shè)置為10.6，電壓下限設(shè)置為10.1；在負(fù)荷低谷期間，電壓上限設(shè)置為10.5，電壓下限設(shè)置為10.2。

　　(2)變電站主變高壓側(cè)受電網(wǎng)無功潮流超過本站電容器最小投切容量，將自動或提示投入電容器。

　　(3)功率因數(shù)限值：當(dāng)負(fù)荷處于高峰或低估時，流入母線的潮流的功率因數(shù)越限時，將自動或提示切除電容器。

　　(4)功率因數(shù)控制：置為“是”，受控站高壓側(cè)流入母線無功按功率因數(shù)限值控制；置為“否”，控制指標(biāo)是受控站高壓側(cè)不發(fā)生無功倒流。

　　(5)負(fù)荷分段：設(shè)置格式形如0－7：0；7－22：1；22－24：0；其含義是將全天負(fù)荷分為三段；冒號為段間的分隔符，在每個字段中，表明起始時間和負(fù)荷性質(zhì)，如0－7：0，表示該段為0點至7點低谷時段，而7－22：1則表示該段為7點至22點高峰時段。

　　(6)電容器投切的最小時間間隔初設(shè)為：300 s，可根據(jù)運行情況進行調(diào)節(jié)。

　　(7)主變分接開關(guān)的最小調(diào)整時間間隔初設(shè)為：120 s，可根據(jù)運行情況進行調(diào)節(jié)。

　　(8)主變?nèi)談幼鞔螖?shù)限值及時段劃分。

　　(9)容抗器日動作次數(shù)限值及時段劃分。

　　檔位類型不一致變壓器需設(shè)置AVC并聯(lián)檔位狀態(tài)圖，對于可以自動處理的檔位不一致，AVC將自動發(fā)命同步，否則提示調(diào)度員手工調(diào)節(jié)。

5 計算方法及過程

　　AVC系統(tǒng)從調(diào)度SCADA采集全電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)，在保證算法實用性基礎(chǔ)上不斷提高先進性。以全電網(wǎng)電能損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，通過對該目標(biāo)函數(shù)快速求解，來實現(xiàn)全網(wǎng)實時閉環(huán)控制。但直接對目標(biāo)函數(shù)求解會耗費大量時間和心力且十分復(fù)雜，很難實現(xiàn)實時控制。但由于地方電網(wǎng)具有開放運行的特性，同時無功電壓控制的“專家系統(tǒng)”也可以拿來利用，我們可以利用這兩個方面對無功電壓優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型進行簡化，進而分解，然后采用解析算法和專家系統(tǒng)混合算法共同求解，兩種算法的混合可以更好地保證控制系統(tǒng)的魯棒性，同時對于控制決策的速度、精度、可靠性等都具有正向影響。

　　具體的計算方法是，首先設(shè)定全網(wǎng)的電能損耗最小值上下限，在這個空間范圍內(nèi)，可對它連續(xù)求次優(yōu)解。同時計算電容器投切與變壓器分接頭動作次數(shù)，動作次數(shù)最少時對應(yīng)的“次優(yōu)”解即為最優(yōu)解。

　　而后利用已求出的最優(yōu)解，得出電容器投切次數(shù)和變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)，給受控站發(fā)出控制命令，執(zhí)行投切電容器與調(diào)節(jié)主變分接頭的操作。事故運行方式時最高電壓72.6 kV，最低電壓59.4 kV。

6 AVC系統(tǒng)的實施效果

　　大連地區(qū)電網(wǎng)已投運的區(qū)域AVC系統(tǒng)建立在地調(diào)EMS的OPEN3000操作平臺上。目前大連電網(wǎng)中13座220 kV變電所和61座66 kV變電所的母線電壓已由AVC系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，其調(diào)整包括了按照擬定的策略自動投切電容器和調(diào)節(jié)變壓器分接頭的優(yōu)化控制。從投運到現(xiàn)在一年多的實施效果來看，區(qū)域AVC系統(tǒng)有效維持了電壓和功率因數(shù)在一定的水平，減輕了調(diào)度監(jiān)控及廠站運行人員的工作強度，對系統(tǒng)的節(jié)能降損也起到了積極的作用，在一定程度上達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)，為全域AVC系統(tǒng)在大連地區(qū)電網(wǎng)的實施奠定了基礎(chǔ)。

　　區(qū)域AVC系統(tǒng)投運后，全網(wǎng)各級、各類電壓合格率有了不同程度的提升。如表1所示。

　　區(qū)域AVC系統(tǒng)投運后，大連電網(wǎng)綜合線損率下降了0.07個百分點。其中220 kV一次網(wǎng)損率為0.45，同比持平。66 kV送變損率為0.84%，同比下降了0.07個百分點。

　　由數(shù)據(jù)可見，區(qū)域AVC投運后，大連全網(wǎng)綜合線損顯著降低。這一方面得益于66 kV系統(tǒng)對現(xiàn)有無功資源的充分利用，更重要一方面是通過電容器的合理投切使得66 kV系統(tǒng)無功潮流得到了優(yōu)化分配。

7 結(jié)論

　　當(dāng)下大連電網(wǎng)的自動化技術(shù)日趨成熟，尤其是基于調(diào)度自動化SCADA系統(tǒng)的高級應(yīng)用軟件，如狀態(tài)估計、靜態(tài)安全分析，在線潮流計算、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞榷贾鸩骄邆鋵嶋H應(yīng)用條件，在這個前提下對其功能進一步拓展，開發(fā)大連全域電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)。以目前大連局部地區(qū)已投入的AVC系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在不增加新的硬件設(shè)備投資的條件下，將調(diào)度自動化主站端的AVC控制軟件做進一步的改進，從策略上謀求大連電網(wǎng)全域化電壓控制。大連全網(wǎng)的AVC系統(tǒng)的實現(xiàn)一方面可以使大連電網(wǎng)電壓質(zhì)量得到提升，另一方面可以使大連地區(qū)電能的供應(yīng)變得經(jīng)濟。同時AVC系統(tǒng)更新后地調(diào)SCADA/EMS系統(tǒng)的操作界面也會變得直觀而顯性化。

參考文獻

　　[1] 蔣建民，馮志勇，劉美儀.電力網(wǎng)電壓無功功率自動控制系統(tǒng)[M].沈陽：遼寧科學(xué)出版社，2010.

　　[2] 王向臣.電網(wǎng)無功補償實用技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

　　[3] 王正風(fēng).無功功率與電力系統(tǒng)運行[M].北京：中國電力出版社，2009.

　　[4] 宋狄.地區(qū)電網(wǎng)電壓/無功實時優(yōu)化調(diào)度方案的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2005.

　　[5] 王鋒.地區(qū)電網(wǎng)AVC控制策略研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

　　[6] 李江.AVC電壓分區(qū)理論的研究及在新疆電網(wǎng)的應(yīng)用[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2007.

　　[7] 劉建輝.地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

　　[8] 王漢杰.基于全網(wǎng)AVC的地區(qū)電網(wǎng)無功電壓控制[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

　　[9] 王寬.考慮電壓穩(wěn)定的無功優(yōu)化研究及其實現(xiàn)[D].南京：河海大學(xué)，2007.

　　[10] 江蘇省現(xiàn)代電力無功控制工程技術(shù)研究中心.現(xiàn)代電力無功控制技術(shù)與設(shè)備[M].北京：中國電力出版社，2010.

　　[11] 宋仁棟，溫步瀛.電力系統(tǒng)無功潮流模型及其求解—基于改進粒子群優(yōu)化算法的潮流優(yōu)化[J].福建電力與電，2007(9)：23-27.

　　[12] 李溟.二種無功電壓控制系統(tǒng)（裝置）對比分析[J].四川電力技術(shù)，2007(10)：21-24.

　　[13] 林小朗，王磊.改進粒子群優(yōu)化算法的電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算[J].廣東電力，2007(3)：20-23.

　　[14] 陳燕萍.基于改進遺傳算法的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化[D].南京：南京師范大學(xué)，2008.

　　[15] 劉方.電力系統(tǒng)動態(tài)無功優(yōu)化模型及混合算法的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003.

　　[16] 李曉斌.鄭州地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化的研究[D].保定：華北電力大學(xué)（保定），2008.

　　[17] 吳志鷹.地區(qū)電網(wǎng)電壓無功控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則[D].廣州：華南理工大 學(xué)，2010.

　　[18] 李燕軍.電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化運行控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].濟南：山東大學(xué)，2009.

　　[19] 李忠誠.地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化運行控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].濟南：山東大學(xué)，2007.

　　[20] 唐寅生，周全仁，馮輝.110kV常德電網(wǎng)自動電壓控制_AVC_研究[J].電力設(shè)備，2001(9)：2-3.

　　[21] Hadi Saadat.電力系統(tǒng)運行[M].北京：中國電力出版社，2008.

　　[22] 孫宏斌，吳文傳，羅承廉，等.安全約束下的全局無功最優(yōu)控制的仿真研究[J].電力系統(tǒng)自動化，1999(3)：23-25.

　　[23] 丁曉群，周玲，陳光宇.電網(wǎng)自動電壓控制技術(shù)及案例分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

　　[24] 朱云新,錢進.赤壁電網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制系統(tǒng)研究[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008(12)：24-25.

　　[25] 李廣軍，崔天時，范永存.地區(qū)電力調(diào)度自動化AVC閉

　　環(huán)控制安全策略[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2009(4)：2-3.