1、基于靈敏度分析和費用評估的無功/電壓優(yōu)化控制黃春紅1,陳進忠1,林桓1,田發(fā)中2,張東院2（1.福建省廈門電業(yè)局，福建省廈門市361004;2.山東魯能積成電子股份有限公司，山東省濟南市250100）摘要：本系統(tǒng)采用了基于預(yù)控掃描的靈敏度分析方法，利用設(shè)備控制費用綜合評估技術(shù)，建立了綜合考慮電壓、設(shè)備控制費用、網(wǎng)損、功率因數(shù)等因素的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了對電壓的矯正和網(wǎng)損的優(yōu)化，同時很好地控制了功率因數(shù)，減少了設(shè)備的控制次數(shù)。系統(tǒng)動態(tài)生成監(jiān)控點和控制方案，有效的解決了三圈變壓器控制問題。本系統(tǒng)首先在廈門地區(qū)電網(wǎng)應(yīng)用，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟、社會效益。關(guān)鍵詞：預(yù)控掃描靈敏度分析；設(shè)備控制費用綜合評估技術(shù)；優(yōu)

2、化控制0引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展和計算機等自動化設(shè)備的普遍應(yīng)用，用戶對電力系統(tǒng)提出了更高的要求。提高電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損是得到了研究人員的廣泛關(guān)注。目前對于電網(wǎng)無功電壓的控制一般有兩種模式，一是人工調(diào)度，另一種模式是基于分區(qū)規(guī)則的自動控制。這兩種模式基本都是憑借調(diào)度員的經(jīng)驗進行控制，難以實現(xiàn)優(yōu)化控制。為了更好地提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，降低網(wǎng)損，配合上級調(diào)度控制主網(wǎng)電壓，研制基于優(yōu)化算法的無功電壓自動控制系統(tǒng)是十分必要的。目前對于無功電壓的優(yōu)化計算基本上處于理論研究階段，在工程上難以實現(xiàn)6'7,本系統(tǒng)采用潮流靈敏度計算和設(shè)備的控制費用綜合指標(biāo)模型很好的實現(xiàn)了優(yōu)化并將其成功的應(yīng)用于工程實踐中。1 .基本

3、原理該系統(tǒng)舍棄了目前普遍使用的分區(qū)規(guī)則，利用PAS系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ茏詣由杀O(jiān)控點，通過優(yōu)化計算，在提高電壓質(zhì)量和保證完成上級調(diào)度功率因數(shù)考核指標(biāo)的前提下，盡量降低網(wǎng)損；同時最大限度的減少設(shè)備的操作次數(shù)，提高設(shè)備的使用壽命，降低事故概率，保證電網(wǎng)運行的安全。較之以往的無功電壓自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵在于：利用潮流計算的靈敏度分析功能1,2,3,得到控制設(shè)備對母線電壓、關(guān)口功率因數(shù)，網(wǎng)損的靈敏度，同時考慮設(shè)備的操作費用，得到控制設(shè)備的綜合調(diào)整指標(biāo)，根據(jù)綜合指標(biāo)來選擇控制設(shè)備。通過對控制費用和實現(xiàn)無功電壓的優(yōu)化控控制綜合指標(biāo)模型的修改來調(diào)整無功電壓控制設(shè)備的優(yōu)先級和頻度,制。1.1 靈敏度分

4、析實時潮流計算通過實用化驗收后，其精度已經(jīng)能夠滿足無功電壓控制的需求，考慮到地區(qū)無功電壓控制的特點，選擇采用子網(wǎng)靈敏度分析法，根據(jù)控制設(shè)備的類型和容量進行分組計算，可提高計算速度，滿足系統(tǒng)對速度的要求。通過靈敏度分析產(chǎn)生如下的一個二維表格：表1靈敏度分析產(chǎn)生的二維表格Table1Two-dimensiontablefromPowerFlowSensitivityAnalysis（備注：對于電壓，單位kV;對于功率網(wǎng)損，單位kW;對于功率因數(shù)，無單位。）關(guān)口功率因數(shù)網(wǎng)損母線1電壓母線2電壓母線n電壓設(shè)備1靈敏度0.55.00.120.12設(shè)備2靈敏度0.88.00.120.12設(shè)備3靈敏度1.2

5、6.00.110.11設(shè)備m靈敏度考慮到電容器的容量比較大，且電容器對功率因數(shù)和網(wǎng)損的影響具有較強的非線性，對電容器的靈敏度分析采用逐個的投/切掃描計算；對變壓器進行分組只采用升或降的分組掃描計算，同時考慮并列運行變壓器的同步調(diào)整。1.2 設(shè)備操作成本分析設(shè)備操作的成本主要分設(shè)備損耗成本和操作風(fēng)險成本。設(shè)備損耗成本主要考慮主設(shè)備和所有附屬設(shè)備的成本，設(shè)計使用次數(shù)。其單次操作損耗成本定義為：總成本/設(shè)計使用次數(shù)；設(shè)備操作風(fēng)險成本主要考慮設(shè)備操作事故概率和事故損失的統(tǒng)計指標(biāo)，其單次操作風(fēng)險成本定義為：操作事故概率*事故損失。1.3 設(shè)備操作綜合指標(biāo)分析地區(qū)無功電壓控制必須滿足的條件有：功率因數(shù)考核

6、，母線電壓考核，經(jīng)濟運行（降低網(wǎng)損），控制安全（降低控制的頻度）4,5。根據(jù)不同的控制需求建立不同的控制指標(biāo)模型，形成最終的綜合指標(biāo)模型，控制綜合指標(biāo)模型必須考慮的問題：1.3.1 對越限或接近越限必須有快速的懲罰，考慮采用常用的罰函數(shù)方法。如類似以下的公式：Pf=K其中V是當(dāng)前值，Vl是運行限值|V-Vl|1.3.2 體現(xiàn)上下級聯(lián)合控制的原則考慮上下級變電站之間的聯(lián)合控制，在此引入電壓偏移度：VvOl=(V-Vmean)/:VVmean=(VuVd)/2V=(Vu-Vd)/2其中Vu為電壓上限，Vd為電壓下限。當(dāng)Vviol>0表示偏上限運行，當(dāng)V；ol<0表示偏下限運行，當(dāng)同一關(guān)

7、口下的廠站電壓偏移度都比較接近越限，且調(diào)節(jié)上級廠站比較經(jīng)濟時，調(diào)整上級廠站的設(shè)備。1.3.3 體現(xiàn)直接的經(jīng)濟效益在網(wǎng)損控制時定義控制死區(qū)，當(dāng)網(wǎng)損減少小于控制死區(qū)值時不控制。根據(jù)典型日的負(fù)荷曲線預(yù)測設(shè)備投入或切除后至下一次切除或投入的時間，根據(jù)此計算優(yōu)化電量。如果節(jié)約的費用大于設(shè)備的控制費和死區(qū)時才提出方案。1.3.4 對于逆調(diào)壓的考慮定義：V=P-Pmean*.：V0Pmax-Pmean其中，AV表示電壓偏移量，P表示當(dāng)前負(fù)荷，PMax表示最大負(fù)荷，PMean表示平均負(fù)荷，AV。表示所允許的最大電壓偏移量。當(dāng)負(fù)荷高峰時電壓下限為：VD+AV；當(dāng)負(fù)荷低谷時電壓上限為：VU+AV綜合考慮以上幾點，

8、當(dāng)電壓或功率因數(shù)越限或接近越限時，首先篩選可以使越限恢復(fù)的設(shè)備，包括子網(wǎng)中的所有變壓器和電容器；在滿足條件的設(shè)備中再根據(jù)綜合指標(biāo)再進行優(yōu)選，綜合指標(biāo)可由以下函數(shù)定義：C=f(PL,C0,FV,FQ,t)其中PL為網(wǎng)損減少，CO為操作費用，F(xiàn)V為電壓罰函數(shù)，F(xiàn)Q為功率因數(shù)罰函數(shù)t為時間，通過調(diào)整控制成本可以得到適用的控制策略。1.4控制安全為保證控制的安全，采取了以下措施：1.4.1 實時監(jiān)視變壓器、電容器等控制設(shè)備的主保護信號，一旦有保護動作時立即閉鎖該設(shè)備的控制，并進行報警。當(dāng)設(shè)備的控制多次失敗時，即閉鎖對該設(shè)備的控制，并進行報警。1.4.2 對量測進行數(shù)字濾波，監(jiān)視量測的質(zhì)量，當(dāng)主要監(jiān)視量

9、測出現(xiàn)質(zhì)量問題時，即閉鎖相關(guān)設(shè)備的控制，并進行報警。當(dāng)狀態(tài)估計合格率低于設(shè)定的限值時立即閉鎖所有控制，并進行報警。1.4.3 對電壓采用實時測量加計算偏移量的方式進行控制后的越限判斷，保證與考核電壓的一致。2 實現(xiàn)方案2.1 系統(tǒng)流程系統(tǒng)開始運行時首先讀取拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫，啟動三個獨立的線程：一個用于保護信號的監(jiān)視，當(dāng)保護動作時閉鎖對應(yīng)的設(shè)備；一個用于電壓、功率因數(shù)的監(jiān)視，產(chǎn)生優(yōu)化控制方案，當(dāng)越限時產(chǎn)生最優(yōu)校正控制方案；另一個用于執(zhí)行控制方案。每一個獨立的監(jiān)控母線（母線的電壓受考核）為一個電壓監(jiān)控點，每一個220KV變電站的主變高壓側(cè)功率總加為功率因數(shù)監(jiān)控點。監(jiān)控點根據(jù)電網(wǎng)實際運行方式由程序動態(tài)生成

10、。控制方案的可行性是通過計算分析嚴(yán)格驗證的，保證控制后消除越限或有更好的運行狀態(tài)。可行方案中包括本變電站的控制方案，上級變電站的控制方案，同級變電站的控制方案，可以很好的解決不同監(jiān)控點的協(xié)調(diào)控制（如三圈變壓器的控制），上、下級變電站的聯(lián)合控制，同級變電站的協(xié)調(diào)控制等問題。主要控制過程為循環(huán)監(jiān)控，包括以下主要步驟：2.1.1 獲取狀態(tài)估計數(shù)據(jù)，進行拓?fù)浞治霎a(chǎn)生監(jiān)控點和計算用的節(jié)點支路模型，當(dāng)有非電容器開關(guān)變位時重新進行拓?fù)浞治觯駝t使用上次的結(jié)果。2.1.2 進行電壓、功率因數(shù)、網(wǎng)損的設(shè)備操作靈敏度分析。2.1.3 根據(jù)靈敏度分析結(jié)果計算各個設(shè)備的綜合指標(biāo)，利用濾波后的實時量測進行監(jiān)視，當(dāng)有越限

11、時進行方案的綜合評估和排序，產(chǎn)生最優(yōu)方案。在產(chǎn)生方案時考慮設(shè)備的各種制約因素及保護信號，如設(shè)備不可用則進行閉鎖。2.1.4 如果有最優(yōu)控制方案，執(zhí)行該方案。2.2 控制方案2.2.1 變電站母線電壓校正控制對監(jiān)控點的電壓進行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)越限時，根據(jù)優(yōu)化計算的結(jié)果產(chǎn)生校正控制方案，通過并聯(lián)補償設(shè)備的投切或變壓器分接頭的調(diào)整來保證電壓在規(guī)定的運行區(qū)間內(nèi)。2.2.2 關(guān)口功率因數(shù)的校正控制對各個關(guān)口（220KV變電站的主變高壓側(cè)）的功率因數(shù)進行監(jiān)視，當(dāng)超過給定的運行范圍時，根據(jù)優(yōu)化計算的結(jié)果選擇投切某個并聯(lián)補償設(shè)備來控制功率因數(shù)，保證電壓變化不大，網(wǎng)損增加最少或減少最多。2.2.3 網(wǎng)損的優(yōu)化控制在

12、電壓和功率因數(shù)都合格的情況下，通過設(shè)備的電壓、網(wǎng)損靈敏度分析和綜合的調(diào)整費用來進行排隊選擇控制的設(shè)備。對設(shè)備的控制保證電壓合格，同時不引起電壓的太大變化。通過定義設(shè)備的調(diào)整費用來控制調(diào)整頻度和調(diào)整優(yōu)先級。3 應(yīng)用情況該系統(tǒng)研制成功以后，在廈門地區(qū)電網(wǎng)進行了試運行，廈門地區(qū)電網(wǎng)管轄的變電站包括220kV變電站7座、110kV變電站17座，其中共有電容器69臺，變壓器55臺。110kV變電站于1999年初全面實現(xiàn)無人值守。實時采集的遙測、遙信、保護等信息全面、準(zhǔn)確率高，遙控、遙調(diào)未發(fā)生過誤動，拒動率在2%以下；PAS電網(wǎng)調(diào)度應(yīng)用軟件功能2000年12月在全國率先通過實用化驗收，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龇€(wěn)定可靠

13、，狀態(tài)估計的可用率和準(zhǔn)確率較高（基本都在99%以上）；實時潮流計算的精度很高。因此實現(xiàn)了全部無人值班變電站（占地區(qū)電網(wǎng)71%的變電站）的閉環(huán)控制，在全國尚屬首例。該系統(tǒng)投運以來，運行情況穩(wěn)定，未發(fā)生系統(tǒng)異常，未發(fā)生誤控、調(diào)節(jié)過頻或調(diào)節(jié)不到位的現(xiàn)象，有效地減少了設(shè)備的動作次數(shù)；對于系統(tǒng)無功的調(diào)節(jié)趨于平滑，不再出現(xiàn)無功在峰谷時段劇變的現(xiàn)象。電壓合格率、力率水平均得到了顯著的提高，調(diào)控更及時，更好地保證了逆調(diào)壓的效果，增加了供電量和售電收入。比較2001年和2002年同期(1012月)的A類電壓(變電站10kV母線電壓)月平均合格率，平均提高了0.68%。2002年1012月力率水平，高峰期比上一年

14、同期提高0.3%，低谷期比上一年降低0.6%。有效降低了網(wǎng)損，引入控制費用評估模型以后，對控制費用和風(fēng)險費用進行了科學(xué)計算和評估，改變了調(diào)度員基本不調(diào)節(jié)主變分接頭的習(xí)慣做法，優(yōu)化控制方案在某些時段適當(dāng)增加變壓器的調(diào)節(jié)，減少電容器的投切，本身控制費用可降低，而且可減少網(wǎng)損。此外，電壓無功調(diào)節(jié)不再僅僅為達到考核指標(biāo)和盡快結(jié)束操作而集中在固定時段進行，而是基于優(yōu)化網(wǎng)損和電網(wǎng)變化的實際情況在最適當(dāng)?shù)臅r間自動調(diào)節(jié)。2002年網(wǎng)損率比2001年同期(1012月)降低0.021%。4應(yīng)用前景該系統(tǒng)投資小，只需要一套系統(tǒng)就可以實現(xiàn)對所有變電站的監(jiān)控；控制方案先進，不必根據(jù)季節(jié)重新編寫控制規(guī)則，從監(jiān)控點到控制方

15、案全部由優(yōu)化算法實時動態(tài)生成；徹底地解決了三圈變壓器的控制問題。通過在廈門電力局的試用，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制效果良好，并通過了省級科技鑒定和評審。該系統(tǒng)普遍適用于各地區(qū)電網(wǎng)，其推廣必將提高地區(qū)電網(wǎng)運行的安全性、經(jīng)濟性，使無功電壓自動控制的應(yīng)用水平再上一個新臺階。參考文獻：1 陳玲(ChenHeng),電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析(PowerSystemSteady-StateAnalysis),中國電力出版社19952 諸靜等著(ZhuJing),模糊控制原理與應(yīng)用(FuzzyControlTheoriesandApplications),機械工業(yè)出版社，19983 CarsonW.Taylor電力系

16、統(tǒng)電壓穩(wěn)定(PowerSystemVoltageStability)4電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則(試行SD325-89)(PowerSystemVoltage&ReactivePowerTechnologyPrinciplesGB)5電力系統(tǒng)電壓和無功電力管理條例(PowerSystemVoltage&ReactivePowerManagementRules)6李亞男姜勇等著(LiYanan),基于內(nèi)點算法的電壓校正控制(Voltagecorrectivecontrolbasedoninteriorpointmethod),電力系統(tǒng)自動化2002年3期7李乃湖等(LiNai

17、hu),基于原一對偶內(nèi)點法的電壓無功實時優(yōu)化控制算法，(Realtimevoltage&reactivepoweroptimalcontrolbasedonprimal-dualinteriorpointmethod),電力系統(tǒng)自動化2000年5期TheOptimizedControlofPower-free/VoltageBasedonSensitivityAnalyseandCostEvaluationThePowerBrueau,Xiamen,361000ABSTRACTThesystemadoptsthemethodofsensitivityanalysebasedonprec

18、ontroledscanning,takeuseoftheintegratedevaluationtechniquesoffacilitycontrolcost,buildamathematicalmodelwhichtakesintoaccoutthatVoltage、facilitycontrolcost、netloss、PowerFactorandsoon.Thesystemnotonlyrealizesthevoltagerectificationandnetlossoptimization,butalsocontrolsPowerFactoreffectivelyandreducesthecontrolattempts.What'smore,thesystemcanbuildthecheckpoin