電力系統(tǒng)動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度的調(diào)節(jié)代價探討

白強 BAI Qiang

（國網(wǎng)稷山縣供電公司，運城 043200）

（State Grid Jishan Power Supply Company，Yuncheng 043200，China）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對于用電質(zhì)量的要求也越來越高。電壓質(zhì)量作為衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，因其電壓波動而造成的電氣設(shè)備危害最為普遍。電壓波動不僅會影響到電氣設(shè)備的性能，更可能嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。無功優(yōu)化調(diào)度作為優(yōu)化電網(wǎng)無功潮流分布，以降低電網(wǎng)損耗的重要措施，已被廣泛運用到電力系統(tǒng)中。然而，電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化調(diào)度過程中，可能因為控制設(shè)備所處的環(huán)境，在進行操作、切換時，很可能會產(chǎn)生電弧、高溫或者瞬間的沖擊電流等對電氣設(shè)備造成危害。以下就簡單分析一些電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化調(diào)度的調(diào)節(jié)代價的數(shù)學(xué)模型。

1 電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度概述

所謂電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化調(diào)度就是指在電力系統(tǒng)無功電源比較充足的狀態(tài)中，以調(diào)節(jié)發(fā)電機機端的電壓、變壓器抽頭的變比、以及改變無功補償裝置出力等操作來調(diào)整電力系統(tǒng)的無功潮流，使得整個電網(wǎng)系統(tǒng)的功耗降低到最小，以優(yōu)化電力的運行。也就是說，在滿足系統(tǒng)安全約束的條件下，來調(diào)整系統(tǒng)的控制變量，以保證全網(wǎng)無功功率的平衡，保證優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的供電。

事實上，合理的無功優(yōu)化是保證電力系統(tǒng)供電可靠和安全穩(wěn)定的主要措施，不僅可以降低電網(wǎng)的損耗，更能提高電能質(zhì)量。隨著電力產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，輸電線路的電壓等級不斷升高，而無功電源的設(shè)計與無功優(yōu)化的技術(shù)又跟不上電力系統(tǒng)的發(fā)展，因此也導(dǎo)致了電壓質(zhì)量差、負(fù)荷功率低、線路損耗大的現(xiàn)象。而當(dāng)前的無功優(yōu)化調(diào)度僅僅只考慮到了減小網(wǎng)損，而對于操作帶來的調(diào)節(jié)代價卻沒有過多重視。由于調(diào)節(jié)代價產(chǎn)生的效應(yīng)，必須進一步研究優(yōu)化算法，避免單純的降損而對控制設(shè)備進行過多的調(diào)節(jié)而損耗設(shè)備。

2 調(diào)節(jié)代價涉及的幾個要點

為了減小網(wǎng)絡(luò)有功損耗，無功優(yōu)化調(diào)度過多的對控制設(shè)備進行操作，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)代價，損耗電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備。在電網(wǎng)運行方面。加強無功補償裝置運行管理，提高電容器可用率并合理投退無功補償裝置，確保主變功率因數(shù)運行在合格范圍，優(yōu)先保證電壓合格率。綜合來看，控制設(shè)備的調(diào)節(jié)代價主要包括以下幾個方面：

首先，控制設(shè)備的調(diào)節(jié)代價對調(diào)節(jié)設(shè)備的投資，主要包括變壓器的抽頭調(diào)節(jié)裝置、補償裝置中的斷路器等。其次，調(diào)節(jié)代價僅僅只和無功優(yōu)化調(diào)度相關(guān)的控制設(shè)備進行調(diào)整所產(chǎn)生的維護費用有關(guān)，例如，抽頭調(diào)節(jié)裝置的檢修、換油，以及電容器組的斷路器檢修工作費用等。對于無功優(yōu)化調(diào)度的開環(huán)控制情況，因進行無功調(diào)度會增加運行人員的工作量與工作時間，因此所產(chǎn)生的人工費也相對增加；而針對閉環(huán)控制的情況下，則要考慮新增設(shè)閉環(huán)控制設(shè)備所產(chǎn)生的成本。另外，由于對控制設(shè)備進行過多的操作而引發(fā)的變壓器以及無功補償裝置的使用壽命的情況，也同樣的是變相增大了調(diào)度代價。除此之外，如果繼電保護裝置能夠正常的運行，并保證變壓器等設(shè)備的損壞程度降低，仍考慮到因設(shè)備故障造成的停電損失費用等。以下舉例說明一些情況對電力系統(tǒng)做無功補償造成的調(diào)節(jié)代價。

假設(shè)一臺變壓器的成本是Ft，而其抽頭調(diào)節(jié)裝置的成本、允許總調(diào)節(jié)次數(shù)、從不調(diào)整時的預(yù)期壽命分別為Ftap、Tt、at。假設(shè)對于抽頭調(diào)節(jié)裝置的檢修周期為Ta，那么經(jīng)過Tt次的抽頭調(diào)整后，機械的壽命將所見到，如果每檢修一次設(shè)備產(chǎn)生的費用是Ff，設(shè)在時間內(nèi)，因為裝置故障所損失的資金為FL，每一年投入的運營人員人工費支付出FM，當(dāng)在開環(huán)控制情況下，則該變壓器的抽頭單位調(diào)節(jié)代價為

以上公式中出現(xiàn)的Fc對應(yīng)的是抽頭調(diào)整部分的閉環(huán)控制設(shè)備所花費的投資，ac則表示閉環(huán)控制設(shè)備的預(yù)期壽命。

上述的例子可以看出，如果不考慮設(shè)備的故障損失，針對在110kV 電網(wǎng)的變壓器抽頭URC 約在1.0-2.0元/次，而針對220kV 中的變壓器抽頭URC 則為1.5-2.5元/次。而如果不考慮故障損失的話，10kV 無功補償裝置的投切URC 則為0.5-1.2元/次，這樣算來，對于電力系統(tǒng)的動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度產(chǎn)生的調(diào)度代價是不可忽略的。

3 電力系統(tǒng)運行時狀態(tài)變量的約束處理

以下以災(zāi)變遺產(chǎn)算法來詳細計算電力系統(tǒng)的動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度，基于無約束的優(yōu)化方法，將控制變量的約束體現(xiàn)到編碼的定義域中去。而此時，狀態(tài)變量的約束也可以作為懲罰項被納入目標(biāo)函數(shù)中，已構(gòu)成擴展目標(biāo)函數(shù)。實際上，如果要對目標(biāo)函數(shù)進行尋優(yōu)，往往結(jié)果會使得部分的狀態(tài)變量接近約束的極限。而如果在兩次優(yōu)化計算中，因時間間隔的負(fù)荷變化幅度太大，極易導(dǎo)致狀態(tài)變量越限的現(xiàn)象，從而引起電網(wǎng)安全隱患。而為了保障結(jié)果的安全裕度與高魯棒性，必須對節(jié)點的電壓幅值以及發(fā)電機節(jié)點的無功約束邊界進行調(diào)整。

而這里所致的魯棒性就是說因一些不確定的因素影響，控制系統(tǒng)要在復(fù)雜的環(huán)境下保持正常運行與有效的控制能力。對于電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化來講，由軟件提供的無功優(yōu)化解，通常是按照當(dāng)前的或者說事先預(yù)測的負(fù)荷水平為依據(jù)來計算的。而實際上，在實際的情況下，負(fù)荷是處于一個隨時不確定的波當(dāng)中的，最終很可能導(dǎo)致優(yōu)化調(diào)整后出現(xiàn)新的節(jié)點電壓越限的情況。所以，對于實施無功優(yōu)化控制所提出的魯棒性要求，盡量避免因兩次優(yōu)化計算時間間隔期間，發(fā)生電壓質(zhì)量不合規(guī)定的情況。

除此之外，就當(dāng)前針對電力系統(tǒng)的動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度而言，基本都沒有考慮負(fù)荷與電壓變化兩者的之間的關(guān)系。也就是說，最終負(fù)荷電壓的特征會因為優(yōu)化計算與實際操作后的潮流有一定誤差。所以，可以通過減小狀態(tài)變量的允許范圍，以減少不利因素的影響。此外，針對區(qū)域電壓整體波動較大的情況，通過工程應(yīng)用還可以提高軟件的啟動頻率，如果是波動較為緩慢，也可以用來降低啟動頻率，保障盡可能高的電壓，從而提高電能質(zhì)量，實現(xiàn)可靠供電。

4 結(jié)語

對于電力系統(tǒng)動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度的調(diào)節(jié)代價，經(jīng)過科學(xué)的數(shù)學(xué)模型和科學(xué)的計算方式，使得控制設(shè)備調(diào)節(jié)次數(shù)過多而引起的調(diào)節(jié)代價達到一個幾乎平衡的狀態(tài)，以避免頻繁的設(shè)備控制操作?？傊娏ο到y(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度達到了提高電網(wǎng)安全、穩(wěn)定經(jīng)濟運行水平，降低電壓崩潰事故而引起的大規(guī)模停電風(fēng)險；提高供電的電壓質(zhì)量；提高輸電效率，最大限度降低線損；減輕監(jiān)控值班人員勞動強度等效益，同時加快了電網(wǎng)電力調(diào)度運行從經(jīng)驗型、分析型調(diào)度向決策型、智能型調(diào)度前進的步伐，有效提升江津電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行技術(shù)水平，使電網(wǎng)自動化水平邁上了一個新的臺階。

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