配電網(wǎng)臺區(qū)低電壓治理的混雜模型構(gòu)建與仿真

張靜+胡翔+李題印+孫亮+楊帥

摘 要：本文建立表征配電網(wǎng)多個(gè)關(guān)聯(lián)臺區(qū)低電壓調(diào)節(jié)變化過程的動態(tài)混雜模型，計(jì)及配電網(wǎng)臺區(qū)電壓水平約束，將電壓偏差、網(wǎng)絡(luò)損耗和調(diào)節(jié)費(fèi)用最小等多個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)先排序，綜合各種電壓調(diào)節(jié)手段，考慮安全運(yùn)行約束和目標(biāo)優(yōu)先級，設(shè)計(jì)基于多目標(biāo)約束模型預(yù)測控制的臺區(qū)電壓控制策略。

關(guān)鍵詞：低電壓；治理措施；動態(tài)混雜模型；控制策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.193

1 建立動態(tài)混雜模型

以提出的多個(gè)措施合理采用的最優(yōu)控制策略為根據(jù)，結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，本文提出了建立一種混雜自動電壓控制（HAVC）模型來治理配電臺區(qū)的低電壓問題，以增強(qiáng)臺區(qū)對電壓水平的控制能力，保證臺區(qū)電壓質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)的損耗。

1.1 控制模型

根據(jù)已有的配電網(wǎng)軟件、硬件等基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)條件，充分利用通信網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度自動化系統(tǒng)，本文提出了配電臺區(qū)的混雜分層自動電壓控制模型。該模型主要由最高層，中間層，基層三個(gè)控制層構(gòu)成。三個(gè)控制層的控制指令由上而下進(jìn)行傳達(dá)，層與層之間有數(shù)據(jù)交互。調(diào)度員可在系統(tǒng)內(nèi)各層間實(shí)時(shí)人為干預(yù)各控制層的控制指令。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、電壓水平等信息以及控制指令均可以記錄、存儲。以下為各控制層所擔(dān)負(fù)的任務(wù)：

（1）最高層。最高層的任務(wù)主要是處理、決策、指令的產(chǎn)生與下達(dá)。該層首先是利用SCADA系統(tǒng)（監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）配電臺區(qū)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)時(shí)儲存節(jié)點(diǎn)電壓信息，并形成動態(tài)的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)統(tǒng)計(jì)在某時(shí)間段內(nèi)配電臺區(qū)各節(jié)點(diǎn)電壓的合格率；確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)范圍，然后形成離散事件控制指令驅(qū)動下一層。最高層實(shí)時(shí)顯示電壓安全域以及實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)的動態(tài)位置，為系統(tǒng)調(diào)度員提供參考。

（2）中間層。系統(tǒng)，形成包括實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，并接受最高層離散事件的驅(qū)動，處理數(shù)據(jù)和運(yùn)算，實(shí)時(shí)求解非線性方程組；臺區(qū)內(nèi)部各控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，形成各種控制操作決策，通過與層與層之間的接口環(huán)節(jié)可以實(shí)時(shí)對操作決策的各種方案進(jìn)行有效組合，得到最優(yōu)方案；最后，將該控制方案以指令的形式傳達(dá)給基層的設(shè)備。

（3）基層?；鶎咏邮苤虚g層的綜合優(yōu)化控制方案，通過層內(nèi)控制器的反饋控制，執(zhí)行控制指令，完成最終的目標(biāo)。同時(shí)中央處理單元可以通過接口環(huán)節(jié)接受調(diào)度人員的操作指令，也可以將中間層傳達(dá)的控制指令輸出顯示，以供操作人員儲存各種數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1.2 控制的特點(diǎn)

混雜自動電壓控制具有以下的特點(diǎn)：首先，混雜自動電壓控制（HAVC）是針對電力系統(tǒng)的管理與調(diào)控分層的性質(zhì)、控制指令的離散性、“離散事件”的發(fā)生與底層運(yùn)行元件狀態(tài)量變化的連續(xù)性相交互、電壓控制問題的多重目標(biāo)等一系列特征，將混雜系統(tǒng)的理念運(yùn)用在電力系統(tǒng)電壓控制問題之上，建立混雜自動電壓控制模型并給出其控制方法及實(shí)現(xiàn)方式。

其次，相比于現(xiàn)有的二級電壓控制方案HAVC系統(tǒng)及控制方法有以下重要的差異和優(yōu)勢：其一，HAVC系統(tǒng)是由Events進(jìn)行驅(qū)動的，控制指令直接響應(yīng)于該事件并消除這一事件，而多級電壓控制方案是以設(shè)定時(shí)間來啟動的；其二，HAVC系統(tǒng)具有分層的結(jié)構(gòu)，總體控制目標(biāo)分層實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，最高層與中間層各司其職，因此其各自擁有本層的SCADA系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫以及分析處理軟件，降低了分析和處理數(shù)據(jù)的計(jì)算復(fù)雜程度，調(diào)控速度和有效性大大提高。

第三，事件驅(qū)動還有個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即能夠把不滿足復(fù)合目標(biāo)中的任何一種狀態(tài)都形成具有不同性質(zhì)的事件；HAVC系統(tǒng)的控制結(jié)果消除了該事件，以達(dá)到了復(fù)合目標(biāo)控制的目的。因此，所提出的HAVC系統(tǒng)使多目標(biāo)控制變得切實(shí)可行。目前關(guān)于電壓控制方面的研究難以達(dá)到應(yīng)用HAVC系統(tǒng)的效果

以上部分闡述了配電臺區(qū)混雜自動電壓控制模型和實(shí)現(xiàn)方式。下面將介紹如何中實(shí)現(xiàn)對電壓質(zhì)量和穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性的保證。

1.2.1 電壓質(zhì)量的保證

控制過程中，首先要找出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其能夠反映臺區(qū)電壓水平，給予其電壓約束，并形成控制預(yù)警環(huán)節(jié)。若電壓超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，最高層將生成控制指令并下達(dá)給中間層；中間層接受上層指令，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出控制策略，通過下接口下達(dá)給基層；基層接受指令后，調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭、低壓無功補(bǔ)償設(shè)備，保證能夠?qū)⑴_區(qū)電壓維持在一定水平。

1.2.2 電壓穩(wěn)定性的保證

在混雜自動電壓控制系統(tǒng)中，電壓的穩(wěn)定性始終占有重要位置。最小模特征值的幅值是最高層中形成離散事件的主要因素。該控制系統(tǒng)以求解的最小模特征值為依據(jù)對臺區(qū)電壓水平穩(wěn)定域范圍進(jìn)行描繪，并形成相應(yīng)控制預(yù)警環(huán)節(jié)。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)損耗最小的保證

實(shí)際運(yùn)行中的電力系統(tǒng)，為了提高設(shè)備的使用壽命，減少控制設(shè)備的投切次數(shù)以及減少操作人員的勞動程度，系統(tǒng)將設(shè)置一個(gè)最低的損耗值：當(dāng)時(shí)，也就是電力系統(tǒng)實(shí)際的網(wǎng)損與最優(yōu)潮流計(jì)算得到的網(wǎng)損之差超過一定限值時(shí)，系統(tǒng)才產(chǎn)生指令，逼近優(yōu)化潮流并保證電壓的穩(wěn)定性及電壓質(zhì)量合格。于此同時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)顯示并且存儲系統(tǒng)的網(wǎng)損。

2 仿真研究

首先必須要對混雜自動電壓控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其是否可靠、有效，驗(yàn)證之后才能將其安裝運(yùn)用到實(shí)際的配電臺區(qū)之中。

2.1 靜態(tài)電壓控制仿真

基于混雜系統(tǒng)的理念研究靜態(tài)電壓控制問題。首先要構(gòu)造靜態(tài)混雜電壓分層控制模型。以該模型為基礎(chǔ)，分別設(shè)計(jì)出了各層的控制器。其中最高層可以對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析并判斷電壓穩(wěn)定性，并考慮了電壓安全性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，若指標(biāo)超過限額，將會構(gòu)造離散事件；然后利用形成的離散事件去驅(qū)動控制環(huán)節(jié)形成電壓的控制指令并且傳送給中間層；中間層依據(jù)接收的最高層的控制指令建立優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)，通過求解得到底層無功補(bǔ)償器節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的控制量，以及調(diào)壓變壓器的變比改變量，再由通信系統(tǒng)將這些控制量送到基層；最后由基層的各元件的控制器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)電壓狀態(tài)的調(diào)控。

進(jìn)行仿真研究時(shí)采用的系統(tǒng)是IEEE-22母線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在靜態(tài)電壓控制中，將常規(guī)二級電壓控制和混雜自動電壓控制的輸出結(jié)果進(jìn)行了對比研究。在靜態(tài)混雜自動電壓控制中，控制目的在于減少線路損耗的前提下將最小模特征值的幅值從5.08增加到5.4，從而得到各控制節(jié)點(diǎn)的控制量。常規(guī)控制目的是使關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓與混雜控制后的節(jié)點(diǎn)電壓值相等，進(jìn)而得到該控制方法所對應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)的控制量。

靜態(tài)混雜自動電壓控制的穩(wěn)定性較比初始狀態(tài)有了較大幅度的提高，最小模特征值的幅值增加了6.386%，而且較常規(guī)二級電壓控制相比效果更佳；同時(shí)，有效地減少了系統(tǒng)的網(wǎng)損，有功損耗也分別減少了13.27%，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 動態(tài)混雜電壓控制仿真

建模所采用的研究對象選擇的是彭州地調(diào)局域電網(wǎng)。該模型中包含了發(fā)電機(jī)、線路、變壓器及負(fù)荷等模型。該模型共有43個(gè)母線節(jié)點(diǎn)，覆蓋了五個(gè)電壓等級。其中500kV節(jié)點(diǎn)1個(gè)、220kV節(jié)點(diǎn)3個(gè)、110kV節(jié)點(diǎn)12個(gè)、35kV節(jié)點(diǎn)4個(gè)、10kV節(jié)點(diǎn)14個(gè)、中性節(jié)點(diǎn)9個(gè)。該模型包含輸電線路15條、三繞組變壓器9臺、兩繞組變壓器14臺、負(fù)荷11個(gè)、電容器44臺、電抗器1臺。220kV變電站內(nèi)分別配有并聯(lián)運(yùn)行220/110/10三繞組變壓器2臺，高壓側(cè)配17檔有載調(diào)壓分接頭開關(guān)。該電網(wǎng)模型中的10kV母線處配置了多臺電容器組以及電抗器組。

在動態(tài)混雜電壓控制研究中，將節(jié)點(diǎn)光明、天彭、繁江、三邑、太和、紅旗、五塊石處負(fù)荷以10s為時(shí)間間隔為均勻加大2.0（標(biāo)幺值）的無功功率，從0開始到60s為止，并保持60s時(shí)刻的負(fù)荷不變。以此為前提條件并對變電站低壓側(cè)電抗器的投切加以考慮，對比研究了三種控制方案：①發(fā)電機(jī)組均采用常規(guī)勵(lì)磁的電壓控制；②發(fā)電機(jī)組均采用常規(guī)二級電壓控制；③發(fā)電機(jī)組均采用混雜自動電壓控制方案。

本文系吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2016C074）和吉林市科技局科技發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（20156406）成果之一。