江门地区电网电压无功优化控制系统的实施

摘　要：电压质量对电网稳定及电力设备安全运行具有重大影响,而无功潮流又是影响电压质量的一个重要因素。为了适应高速发展的经济对电能质量日益提高的要求，配合国家城市电网“十五”规划关于电能质量原则要求的贯彻实施，提高电压无功调节的自动化水平和调节效能成为供电调度发展的一个主要方向。为此，在江门地区建立了区域电压无功优化控制系统(VarCS系统，以下简称优化控制系统)，利用高效稳定的计算机算法在调度中心集中对电网电压进行调控，达到了预期的控制效果，为进一步的应用扩展奠定了良好基础。
关键词：无功功率；电压；优化；集中控制

　　传统的电压无功控制是基于经验理论和人工识别的“九区图”控制模式，在过去电网电压控制中起到了积极的作用。然而随着跨地区跨省的超高压超长线路及变电站建设电网规模不断扩大，网络模型也越来越多出现复杂的环状网络，使得基于逻辑判断的控制理论无法适应大型网络控制要求。有的地区实施了变电站智能无功补偿装置安装工程，在一定条件下改善了变电站的电压控制能力，但是还是无法从全局网络的层次上解决电压控制的效能问题。
　　基于传统控制的缺陷，要实现电网的电压无功自动化调度控制就要从整体入手，改变电压控制各自为政的状况。于是提出了采用软件方法，在控制中心根据电网实时运行数据，利用算法集中计算网络最佳的控制策略，这样既满足了各变电站电压控制要求，又在全局上实现合理潮流分布，提高了系统运行稳定性。比之常用的控制模式有以下优点：
　　a)全网优化调节，满足各级电压运行要求；
　　b)定量计算，科学性、可靠性高于定性的逻辑推演，适应复杂的大型网络；
　　c)纯软件控制，投资小、周期短、易维护，站端不需要更多投入；
　　d)功能强大，扩展方便。
　　基于上述观点出发，要充分发挥优势就必须解决数据通信、网络模型、优化计算、控制策略实施等问题，以下将逐一阐述。

1　系统组成
　
　　系统主要应完成实时数据采集、历史数据保存、电网运行监控、优化计算及控制。考虑数据资源共享，建立了内部局域网方便数据访问和功能节点的添加，内网与外网的通信可以使用硬件网络设备，也可使用通信服务计算机。为使系统完成既定的功能模块，可以如下划分网络模块：
　　a)计算服务器，负责电压无功优化计算和控制命令；
　　b)数据库服务器，负责历史数据的存储和维护；
　　c)通信服务器，负责与外网的通信连结，实时数据的采集和控制命令下发；
　　d)调度员工作站，负责维护系统参数，控制优化过程；
　　e)打印机，负责打印报表和其他统计数据。
　　在实际运用中，考虑成本和实验电网网络结构较小的因素(此次江门优化控制系统实施中选用了1个220 kV变电站和7个110 kV变电站作为优化控制对象)，将计算服务器和数据库服务器合并使用形成系统服务器(在电网较大或要求较高优化速度时不应合并)。网络结构如图1所示。



2　系统功能分析

2.1通信模块
　　现阶段大部分变电站经改造后都具有传输电网运行参数的能力，而绝大部分调度中心都具有数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统或能量管理系统(energy mamagement system，EMS)，这些系统都有完整的电网运行数据。利用这些系统的数据转发功能能够轻松地把数据引入VarCS系统。同时，由于调度系统具备遥控遥调能力，优化控制系统需要的控制命令通道完全可以借助现有系统的下行通道。不需要另行增加通信设备即可解决优化控制系统通信问题，大大降低了工作量和资金投入。
2.2实时监控与电网模型
　　目前通用的监视方法是利用文字、色彩、动态曲线等图形变化配合音响提示实现对具有遥测遥信网络数据的状态监视。对具备遥控遥调的设备利用电力元件图形与实际电力器件建立对应关系，通过直观的执行手段实行遥控遥调。SCADA系统具备这个能力，借鉴SCADA的监控环境，增加电力元件的参数输入功能，就可以在监控过程中对元件参数实施必要的增加、修改、删除，轻松直观地实现电网模型的建立。优化控制系统关心的是系统的电压和潮流情况，电网元件只包括了母线、变压器、线路、电机、负荷、无功装置、开关刀闸等主要一次侧设备，建模工作量并不大。

2.3历史数据库管理
　　目前数据库存储技术已经成熟、接口技术也很稳定。在江门优化控制系统中使用易于维护的SQL Server000作为数据库。优化控制系统历史数据库主要包括遥测值(如电压)和每次优化计算控制过程中产生的数据，这些数据将成为日后评估、培训、规划有益的参考资料。历史数据管理程序不但要完成有关数据的存储工作，还必须提供查询、删除和打印等工作。为了便于查询必须要求数据可以按照时间、类型查询。
　　执行打印功能时，用户可以自定义打印格式，自定义数据来源，可以动态地改变时间来刷新报表数据，报表可以保存供长期使用。
2.4优化控制计算
　　优化控制计算功能是优化控制系统的核心，直接关系系统控制的成功与否。以往的无功优化计算都是利用经验数据进行离线计算，这只能为电网无功设备的规划提供参考。这种方法没有实时性，无法保证电网的经济运行。随着各供电部门自动化水平的提高，能够为电网提供运行的大量实时数据，这就为实时无功优化计算奠定了基础。针对电网运行的特点，无功优化控制算法要满足快速性、可靠性及强壮性(不可行探测和处理能力)的要求，为了满足系统对计算的要求，优化控制计算流程如图2所示。

2.4.1实时数据获取
　　实时数据由SCADA系统转发得到，因此优化控制系统实时数据获取速度基本上和SCADA系统保持一致，充分满足实时监控和实时计算的需要，实时数据存储到计算用临时数据结构供后续算法使用。

2.4.2拓扑分析
　　在电网建模时,电网模型是用图形等效元件，它的结构与电网物理结构是一致的，这个模型是计算机算法无法利用的，必须把电网的物理模型转变为节点数学模型后续算法才能充分发挥作用。此外基于电网运行的动态变化，正确判断电力元件的工作状况和物理连接关系也是拓扑分析完成的工作。
2.4.3状态分析
　　由于各变电站数据采集装置不尽相同，精度有所区别，设备长期使用后发生零点漂移在所难免。通信过程中也极有可能受到干扰，更重要的是算法理论要求使用的数据在同一时间片上，但实际上这是不可能实现的，导致优化控制系统收到的数据不准确而影响优化计算的正确性。为了排除数据对计算结果干扰，必须在计算前修正误差数据，状态分析功能必不可少。
　　本项目采用基于信息树的分层快速参数估计方法，在网络拓扑结构确定下来后，选定适当的信息树，要求信息树的层数尽量地少，从根节点出发，由内层向外层，逐层对树枝上的信息(节点电压，树枝两侧的有功、无功)作参数估计。
　　对于第n层与第n+1层之间的树枝ij，其节点信息为

其中Vi是在第n-1层中已估计的值，用节点i的信息计算出的电流为：

　　
　　设第n层的节点集合为Ci，第n+1层的节点集合为Cj，则目标函数为：

　　
2.4.4电压无功优化计算
　　地区级电网中包含了多个变电站和相当数量的电容补偿装置，合理进行变压器分接头的调节、补偿电容器组的投切以及小电厂无功出力的合理安排对该电网的经济运行具有重要意义。但由于地级电网结构比较复杂，运行方式众多，而无功优化又是一个多变量、非线性、不连续、多约束的问题，因此本系统采用了处理该类优化问题收敛性较好的LP算法作为主算法，同时当算法不收敛时，系统自动校正相应参数，寻找次优解。
　　其控制目标以电压合格为前提，合理分布网络潮流分布，输电系统有功(或无功)损耗最小。目前进行优化计算算法很多，得到优化潮流也不困难。但形成有效的自动化电压无功优化控制系统必须考虑：如何自动识别网络运行起动控制；如何根据优化潮流得到控制策略。
2.4.4.1优化控制起动
　　要实现优化控制自动化必须使系统具有识别系统运行状态、响应系统事件的能力。本项目根据优化控制系统的控制特点提出定时间隔起动、定时起动、遥信变位起动及遥测越限起动四种起动方式。
　　四种起动方式的合理搭配，不但解决了实时优化控制的连续性问题，同时解决了优化控制系统对异常情况的响应问题。
2.4.4.2控制模式
　　优秀的控制软件应该具备多种有效的控制手段以适应不同运行环境，因此考虑到电网运行可能出现不稳定因数必须制定不同控制模式。优化控制系统综合考虑了运行的不稳定因数，制定了三种控制模式，包括闭环控制、开环控制及手动控制。
　　闭环控制是作为自动控制的主要控制模式，是通常控制状态；开环控制是得到优化策略但不执行，是作为电网系统运行不<