基于設(shè)備動(dòng)作診斷的智能電網(wǎng)AVC控制策略研究

朱文灝，郭其一，王杰（.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上?！?0804；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海　2009；.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇　南京　2006）

基于設(shè)備動(dòng)作診斷的智能電網(wǎng)AVC控制策略研究

朱文灝1，2，郭其一1，王杰3
（1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海201109；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

在傳統(tǒng)AVC分級(jí)分區(qū)控制策略的基礎(chǔ)上，加設(shè)了負(fù)荷預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)和考慮設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)電氣控制屬性診斷環(huán)節(jié)，使控制策略更加具有預(yù)見(jiàn)性，并根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)超前控制，減小了設(shè)備動(dòng)作延時(shí)。此系統(tǒng)已投入電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)提高地區(qū)智能電網(wǎng)電壓合格率、優(yōu)化無(wú)功有較好的效果。新系統(tǒng)優(yōu)化了設(shè)備動(dòng)作次數(shù)，顯著減小了因設(shè)備頻繁動(dòng)作導(dǎo)致的設(shè)備損壞事故，提高了設(shè)備使用壽命。

AVC；負(fù)荷預(yù)測(cè)；超前控制；動(dòng)作診斷

1　引言

電壓質(zhì)量是反應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的重要參考因素［1］，同時(shí)，電壓質(zhì)量對(duì)整個(gè)電網(wǎng)中工作的設(shè)備都有影響。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化及通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于EMS/SCADA系統(tǒng)的電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制（AVC）技術(shù)應(yīng)用日益普遍，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的無(wú)功補(bǔ)償，從而構(gòu)建出能夠保證智能化電網(wǎng)安全高效運(yùn)行的技術(shù)方法［2］。

目前，在傳統(tǒng)的電網(wǎng)AVC中，主要是針對(duì)電力系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間斷面的狀態(tài)，沒(méi)有考慮歷史經(jīng)驗(yàn)和未來(lái)變化趨勢(shì)［3-4］。因此，不可避免地出現(xiàn)設(shè)備頻繁投切、設(shè)備利用率不高等現(xiàn)象，設(shè)備動(dòng)作次數(shù)不能得到優(yōu)化。文獻(xiàn)［5］給出了一種考慮負(fù)荷變化趨勢(shì)的電壓無(wú)功控制思路，但其并未考慮設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)以及最大動(dòng)作次數(shù)的約束。文獻(xiàn)［6］主要研究了采用加速和惰性因子，來(lái)進(jìn)行分析無(wú)功持續(xù)越限時(shí)間、連續(xù)動(dòng)作時(shí)間間隔以及電壓，最終提出了應(yīng)用判定設(shè)備運(yùn)行狀況的診斷函數(shù)（可動(dòng)作或者不可動(dòng)作）的方法，這種方法有效的防止了變壓器分接頭和電容器/電抗器組頻繁開(kāi)關(guān)動(dòng)作，但該方法產(chǎn)生了至少十分鐘的延時(shí)，不利于AVC實(shí)時(shí)有效的無(wú)功電壓控制。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在當(dāng)前的變電所應(yīng)用更加的廣泛，這就方便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)化，并且能夠在相應(yīng)的階段將歷史負(fù)荷數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。此外，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的推廣能夠?qū)崿F(xiàn)超短和短時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)。本文研究在傳統(tǒng)分級(jí)分區(qū)控制策略的基礎(chǔ)上，綜合考慮負(fù)荷變化趨勢(shì)并加入考慮變壓器分接頭和電容器/電抗器組當(dāng)前狀態(tài)電氣控制屬性診斷環(huán)節(jié)，提出一種基于設(shè)備動(dòng)作診斷的AVC控制策略，使控制策略具有預(yù)見(jiàn)性，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)超前控制，在整個(gè)時(shí)間序列上優(yōu)化設(shè)備動(dòng)作次數(shù)，提高設(shè)備利用率和設(shè)備使用壽命。

2　無(wú)功優(yōu)化模型

完整的動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化模型的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)計(jì)及變壓器分接頭和電容器/電抗器等補(bǔ)償裝置投切開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)約束，同時(shí)，需要結(jié)合設(shè)備在工作過(guò)程中存在的變量離散特性，該特性實(shí)際上屬于混合非線(xiàn)性整數(shù)規(guī)劃范疇的研究問(wèn)題。

在系統(tǒng)中假設(shè)共有節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為n，有載調(diào)壓變壓器的臺(tái)數(shù)為u，可調(diào)發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)為m，同時(shí)，可投切電容器/電抗器組裝設(shè)在r個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)上。按照每五分鐘為1段的標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)整個(gè)電網(wǎng)母線(xiàn)的全天有功無(wú)功變化曲線(xiàn)進(jìn)行劃分，按照該標(biāo)準(zhǔn)共劃分287段，于是以系統(tǒng)全天電能損耗最小為目標(biāo)的無(wú)功優(yōu)化模型可以描述為［7］:

式中:f（x1（t），x2（t），x3（t））為第t個(gè)時(shí)間段的電網(wǎng)有功損耗；g（x1（t），x2（t），x3（t））=0為第t個(gè)時(shí)間段的節(jié)點(diǎn)功率平衡方程，g（x1（t），x2（t），x3（t））∈R（2n）；x1（t）=為第t個(gè)時(shí)間段由離散變量構(gòu)成的列向量x1（t）∈R（p），p=r+u；QC（t）為第t個(gè)時(shí)間段可投切電容器/電抗器組的無(wú)功出力列向量，QC（t）∈R（r）；為第 t個(gè)時(shí)段有載調(diào)壓變壓器的變比列向量，為第t個(gè)時(shí)間段由連續(xù)變量構(gòu)成的列向量，x2（t）∈R（q），q=m+n；QG（t）為第t個(gè)時(shí)間段發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力構(gòu)成的列向量，QG（t）∈R（m）；U（t）為第t個(gè)時(shí)間段各節(jié)點(diǎn)電壓幅值構(gòu)成的列向量，U（t）∈R（n）；x3（t）=［PG（t），θ（t）］T，x3（t）∈Rq，q=m +n，PG（t）為第t個(gè)時(shí)間段發(fā)電機(jī)的有功出力構(gòu)成的列向量，PG（t）∈Rm，θ（t）為第t個(gè)時(shí)間段各節(jié)點(diǎn)與平衡節(jié)點(diǎn)相位差構(gòu)成的列向量，θ（t）∈R（n），x3（t）∈Rq。Cx1為由控制設(shè)備（有載調(diào)壓變壓器和電容器/電抗器）最大動(dòng)作次數(shù)約束值構(gòu)成的列向量，Cx1∈Rp；Sx1為對(duì)角矩陣，其對(duì)角元素分別對(duì)應(yīng)于電容器/電抗器組無(wú)功出力或有載調(diào)壓變壓器變比的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，Sx1∈R（p×p）。

式（4）為可投切電容器/電抗器組和有載調(diào)壓變壓器分接頭在一天內(nèi)的動(dòng)作次數(shù)約束。可投切電容器/電抗器組（或有載調(diào)壓變壓器分接頭）在每一時(shí)間段的動(dòng)作次數(shù)能夠解釋為以下內(nèi)容:在某一時(shí)刻的結(jié)束點(diǎn)和開(kāi)始點(diǎn)的無(wú)功出力絕對(duì)差值，再除以相應(yīng)的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)［8］。

3　AVC控制模式

以上敘述的模型中存在諸多的不等式和等式約束，同時(shí)還包括離散變量，屬于復(fù)雜的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題。文獻(xiàn)［7-9］均采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法，以求獲得無(wú)功優(yōu)化的全局最優(yōu)解。然而，在實(shí)際中無(wú)功控制手段存在差異性，同時(shí)受到作用效果非線(xiàn)性和分布局部性的影響，獲得無(wú)功優(yōu)化結(jié)果較為困難，不能采用類(lèi)似于傳統(tǒng)等網(wǎng)損微增率問(wèn)題處理方式，這就影響了實(shí)際應(yīng)用效果。本文中的地區(qū)電網(wǎng)AVC借鑒了傳統(tǒng)分級(jí)分區(qū)思想，以實(shí)現(xiàn)提高電壓合格率、降低網(wǎng)絡(luò)損失為目標(biāo)，建立計(jì)及設(shè)備動(dòng)作次數(shù)約束的控制模型。

AVC系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)電壓無(wú)功空間的分布狀態(tài)通過(guò)PAS網(wǎng)絡(luò)建模進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，控制模式優(yōu)先考慮先“區(qū)域電壓優(yōu)化控制”的模式，如果該控制不符合要求就可以采用“各級(jí)電壓校正控制”的模式，若以上兩種模式均不符合要求，就可以使用“區(qū)域無(wú)功優(yōu)化控制”模式。區(qū)域電壓較低或較高時(shí)，首先采用“區(qū)域電壓優(yōu)化控制”模式，快速優(yōu)化校正系統(tǒng)中樞點(diǎn)母線(xiàn)電壓水平；若各級(jí)電壓越限，則采用各級(jí)“電壓校正控制”模式，首先保證節(jié)點(diǎn)電壓水平合格；全網(wǎng)的電壓水平合格時(shí)再考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，采用“區(qū)域無(wú)功優(yōu)化控制”模式［11］，如圖1所示。

根據(jù)以往的電壓調(diào)整情況分析，優(yōu)化區(qū)域電壓控制與就地電壓控制策略相互配合，通過(guò)動(dòng)作一次中樞變電站的調(diào)壓設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)片區(qū)電壓合格，避免下級(jí)子站分別動(dòng)作，可以有效地減少分區(qū)中下級(jí)站設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)。

圖1　AVC控制模式工作圖

4　加設(shè)環(huán)節(jié)

4.1負(fù)荷預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠促進(jìn)變電所的工作質(zhì)量，同時(shí)，由于具備大存儲(chǔ)和再見(jiàn)檢測(cè)的特點(diǎn)，這就能夠?qū)崿F(xiàn)更加準(zhǔn)確的掌控電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)，給出電網(wǎng)負(fù)荷未來(lái)的變化趨勢(shì)［12］。

設(shè)無(wú)功補(bǔ)償控制裝置的動(dòng)作延時(shí)定值為T(mén)s，則電壓無(wú)功越限后，就可以借助采用預(yù)測(cè)獲得負(fù)荷曲線(xiàn)，計(jì)算出在分析中電壓無(wú)功越限持續(xù)時(shí)間ΔT。并且，通過(guò)計(jì)算出持續(xù)時(shí)間ΔT，按照該值的大小進(jìn)行評(píng)估投切電容器/電抗器組以及變壓器分接頭是否需要調(diào)整。IEEE中針對(duì)電能質(zhì)量和電磁現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的歸類(lèi)劃分［13-14］，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可知，通常認(rèn)為短時(shí)電壓變動(dòng)范圍為3s～1min，則可以令TS等于60s，在此過(guò)程中不需要考慮變壓器分接頭調(diào)節(jié)對(duì)無(wú)功的作用，然而，當(dāng)持續(xù)時(shí)間小于60s，此時(shí)的變壓器分接頭就不需要產(chǎn)生任何動(dòng)作；如果無(wú)功和電壓越界持續(xù)時(shí)間都小于60s時(shí)，此種情況下電容器/電抗器組暫不動(dòng)作［5］。

表1　設(shè)備動(dòng)作判據(jù)分析

基于全天各時(shí)段負(fù)荷水平以及變化趨勢(shì)等辨識(shí)結(jié)果，研究超前控制策略，使多時(shí)間斷面的設(shè)備動(dòng)作前后協(xié)調(diào)，過(guò)濾電壓無(wú)功的抖動(dòng)，在滿(mǎn)足電壓無(wú)功運(yùn)行目標(biāo)的前提下減少設(shè)備動(dòng)作次數(shù)和動(dòng)作延時(shí)。

4.2設(shè)備電氣屬性診斷環(huán)節(jié)

為了防止設(shè)備動(dòng)作太頻繁而過(guò)早地失去調(diào)控能力，提出設(shè)備動(dòng)作次數(shù)均衡環(huán)節(jié)。在設(shè)備動(dòng)作均衡環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)［6］把設(shè)備最大允許日動(dòng)作次數(shù)Nmax在一天內(nèi)進(jìn)行了24時(shí)段的等距分配，未考慮實(shí)際負(fù)荷的變化情況以及變壓器分接頭與電容器/電抗器等不同設(shè)備的調(diào)壓特性。本文則根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行狀況，選擇合適的控制對(duì)象和優(yōu)先級(jí)，將Nmax在一天內(nèi)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)的變化情況進(jìn)行權(quán)重分配。

圖2　日無(wú)功負(fù)荷曲線(xiàn)圖

由圖2可以看出，一般情況日無(wú)功負(fù)荷分為低谷和高峰負(fù)荷時(shí)間段，其中，低估負(fù)荷時(shí)間段為在當(dāng)天晚上23點(diǎn)值第二天早八點(diǎn)，相應(yīng)地，高峰負(fù)荷時(shí)期為早上8點(diǎn)到晚上23點(diǎn)。同時(shí)，考慮到低谷負(fù)荷時(shí)期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容性無(wú)功的平衡，就可以同時(shí)投入多組的電抗器，因此電抗器組在低谷負(fù)荷期分得的動(dòng)作次數(shù)應(yīng)該多一些。類(lèi)似地，高峰負(fù)荷時(shí)期也應(yīng)投入多組電容器。所以，電容器組在高峰負(fù)荷期分得的動(dòng)作次數(shù)應(yīng)該多一些。本文將權(quán)重比取為4∶1，即在高峰（低谷）負(fù)荷時(shí)期，電容器組（電抗器組）的動(dòng)作次數(shù)占全天動(dòng)作次數(shù)的80%。

根據(jù)變壓器的分接頭不同的調(diào)整特性，可將變壓器的分接頭最大允許日動(dòng)作次數(shù)Nmax進(jìn)行了24時(shí)段的等距分配。

對(duì)于以下三種情況:

（1）由AVC系統(tǒng)通過(guò)遙控接口下達(dá)的設(shè)備再次動(dòng)作要求時(shí)間差小于設(shè)備最短允許間隔時(shí)間。

（2）計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的某電氣設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)達(dá)到所在時(shí)間段所分配的次數(shù)。

（3）計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的設(shè)備當(dāng)天動(dòng)作的總次數(shù)達(dá)到設(shè)備最大允許日動(dòng)作次數(shù)Nmax。

對(duì)各變壓器分接頭，電容器/電抗器組等設(shè)備進(jìn)行電氣屬性診斷，當(dāng)出現(xiàn)上述三種情況中的任何一種時(shí)，自動(dòng)閉鎖該設(shè)備即診斷結(jié)果為不可動(dòng)作。

5　案例分析

將本文加設(shè)的負(fù)荷預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)與設(shè)備狀態(tài)診斷環(huán)節(jié)應(yīng)用到某市智能電網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化控制（AVC）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)中。AVC系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

AVC與 OPEN3000 EMS平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，從SCADA獲取實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)值，從PAS網(wǎng)絡(luò)建模獲取控制模型，以電壓合格率最高和全網(wǎng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)，以各考核母線(xiàn)的電壓、功率合格和電容器/電抗器與變壓器分接頭兩類(lèi)控制設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)最少為約束條件，經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析全網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化問(wèn)題，在此過(guò)程能夠?qū)崟r(shí)發(fā)布控制方案，并且能夠結(jié)合SCADA遙控遙調(diào)功能，針對(duì)系統(tǒng)中的電容器/電抗器組和變壓器分接頭的進(jìn)行閉環(huán)控制［15］。

圖3　智能電網(wǎng)AVC系統(tǒng)流程圖

表2　AVC投入前電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果分析

表3　AVC投入后電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果分析

由表1和表2可見(jiàn)，由于本文加入了負(fù)荷預(yù)測(cè)的超前控制方案，可以有效的過(guò)濾掉變化時(shí)間很短的負(fù)荷“抖動(dòng)”，顯著的減少了設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)。AVC系統(tǒng)投入后，動(dòng)作次數(shù)優(yōu)化比例達(dá)到30%。

由于加入了設(shè)備的電氣屬性狀態(tài)診斷環(huán)節(jié)，合理的根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的變化情況以及變壓器分接頭與電容器/電抗器等不同設(shè)備的調(diào)壓特性分配不同時(shí)間段的動(dòng)作次數(shù)，并及時(shí)的對(duì)設(shè)備進(jìn)行閉鎖，可以有效的對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全的操作。同時(shí)，該地區(qū)電網(wǎng)的電壓和功率因數(shù)的合格率也得到了顯著提高，這是由于控制策略中有效地結(jié)合了系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果，根據(jù)負(fù)荷變化趨勢(shì)確定進(jìn)行無(wú)延時(shí)控制。

6　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究智能電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)，提出了電壓無(wú)功超前控制策略，能夠根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)符合變化進(jìn)行自行劃分，并根據(jù)不同的負(fù)荷趨勢(shì)確定設(shè)備最大允許日動(dòng)作次數(shù)在不同時(shí)間段的權(quán)重系數(shù)。同時(shí)，通過(guò)使用計(jì)數(shù)器約束了系統(tǒng)動(dòng)作次數(shù)，并且結(jié)合了設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的控制屬性，建立告警事件和保護(hù)事件庫(kù)，及時(shí)的將電氣設(shè)備自動(dòng)閉鎖。該策略避免了一次設(shè)備的頻繁動(dòng)作，優(yōu)化電氣設(shè)備的調(diào)節(jié)次數(shù)，降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)使用壽命，體現(xiàn)了控制的智能性。通過(guò)在實(shí)際電網(wǎng)中的應(yīng)用，證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠和穩(wěn)定的工作，并增加智能電網(wǎng)的效益。

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Analysis on Power Grid AVC Control Strategy Based on Equipment Action Diagnosis

ZHU Wen-hao1，2，GUO Qi-yi1，WANG Jie3
（1.Electronics and Insformation College，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Shanghai Schneide Low Voltage Terminal Apparatus Co.，Ltd.，Shanghai 201109，China；3.Nanduan Science and Technology
Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China）

On the basis of hierarchical&zonal control strategy of conventional AVC system，a load predication process and a diagnosis process for current electrical control status were added to enhance the predictability，realizing the advanced control and reducing the equipment action delay comparing to the current status.This system has been put in application of smart grid，and the experimental results shows that the new system possesses a excellent effects in increasing the qualified rate of regional network voltage and in enhancing the reactive power optimization.The new system optimized the equipment action times，and substantially reduced the equipment damage accidents due to the over-frequent actions and thus increasing the equipment life span.

AVC；load prediction；advanced control；action diagnosis

TM71

B

1004-289X（ 2015） 06-0013-05

2014-12-15

朱文灝（1977-），男，高級(jí)工程師，博士研究生，研究方向：智能電網(wǎng)用戶(hù)端信息系統(tǒng)安全性可靠性；郭其一（1961-），男，教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。