基于目標(biāo)規(guī)劃法的配電臺區(qū)無功電壓優(yōu)化

唐成年

（國網(wǎng)新疆電力有限公司阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰 836599）

綜合分析我國電力企業(yè)發(fā)展情況，可以清楚地看到在進(jìn)行電力調(diào)度工作時(shí)一直存在著明顯的問題。而無功電壓優(yōu)化作為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)注的問題，它不僅能保障電網(wǎng)整體安全運(yùn)行，同時(shí)還能提高電力質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，但是在進(jìn)行無功優(yōu)化作業(yè)當(dāng)中，一直都重視高壓，忽略低壓，重視主網(wǎng)，忽略配網(wǎng)等問題，促使大量無功功率在配單系統(tǒng)中流動，這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)中的有功損耗，還會降低電壓質(zhì)量。如果在發(fā)現(xiàn)以上問題時(shí)不對其進(jìn)行有效解決和制定出針對性解決措施，將在很大程度上影響電力企業(yè)發(fā)展，也限制了我國電力事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 目標(biāo)規(guī)劃法概念分析

目標(biāo)規(guī)劃法，其主要本質(zhì)含義就是在建立一定目標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過跨部門或者是跨地區(qū)的方式進(jìn)行長期計(jì)劃的制定，并且其內(nèi)在含義上也有著不同層次的界定。一般是分為在原有含義上的大范圍推廣和小范圍推廣。大范圍推廣主要指的就是結(jié)合實(shí)際情況和基礎(chǔ)國情，按照實(shí)際的發(fā)展局勢來制定出科學(xué)合理的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，然后通過詳細(xì)的指標(biāo)體系將其進(jìn)行完善化和具體化，這種理念也是建立在我國綜合平衡法的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行更深層次的發(fā)展。它能在原有目標(biāo)基礎(chǔ)上對國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)行系統(tǒng)化分析，然后將我國社會戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)與總體計(jì)劃進(jìn)行相互銜接，加快社會主義戰(zhàn)略目標(biāo)的快速實(shí)現(xiàn)與落成。而小范圍推廣的目標(biāo)規(guī)劃法，也被稱作是專項(xiàng)規(guī)劃法和目標(biāo)綱要法，它主要目的是把整體規(guī)劃中，超出計(jì)劃范圍內(nèi)的問題進(jìn)行單獨(dú)處理，并結(jié)合此問題進(jìn)行專項(xiàng)規(guī)劃的制定，從而有目的地落實(shí)，并加以解決。

目標(biāo)規(guī)劃法在配電臺區(qū)無功優(yōu)化中的應(yīng)用，最早是由國外提出，也可以將其看成是一種多目標(biāo)優(yōu)化問題的妥協(xié)模型。在進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)問題解決時(shí)，會結(jié)合每個(gè)目標(biāo)實(shí)況來設(shè)計(jì)一個(gè)清晰的目標(biāo)值，然后進(jìn)行目標(biāo)規(guī)劃，并且主要的目的是將目標(biāo)函數(shù)和預(yù)期目標(biāo)數(shù)值的偏差進(jìn)行最小化處理。在現(xiàn)實(shí)問題中，以上每個(gè)目標(biāo)都是獨(dú)立的個(gè)體，并且各個(gè)目標(biāo)不相同，如果要想實(shí)現(xiàn)其中任何一個(gè)目標(biāo)，都需要犧牲其他的目標(biāo)，所以，在完成和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)以前根據(jù)目標(biāo)價(jià)值和重要程度來創(chuàng)建出優(yōu)化結(jié)構(gòu)是非常重要的。

2 配電臺區(qū)無功電壓優(yōu)化模式

2.1 電壓無功分散控制模式

電壓無功分散控制模式，其主要本質(zhì)是將變電站作為基礎(chǔ)核心，然后通過自動控制的方式對有載調(diào)壓變壓器接頭位置以及無功優(yōu)化裝置進(jìn)行全面掌控。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，如果負(fù)荷變壓器維持負(fù)荷端電壓在規(guī)定的數(shù)值以內(nèi)的話，就可以將此節(jié)點(diǎn)的無功達(dá)到限定的無功補(bǔ)償要求，這種控制模式的主要優(yōu)勢就在于可以全面提高變電站供電范圍內(nèi)各個(gè)區(qū)域電壓質(zhì)量，然后就能對個(gè)別網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行有效掌控，從而降低一些不必要的能源消耗，這種控制方式適合應(yīng)用在無人看守的變電站中，不僅成本支出少，還能在保障總體質(zhì)量的前提下充分發(fā)揮其實(shí)際效益，但是這種控制模式也存在一定的弊端，就是沒有充分實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全面化控制。

2.2 電壓無功集中控制模式

這種控制模式主要是調(diào)度中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全盤掌管，分別對各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及無功電壓優(yōu)化進(jìn)行控制，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都不會超過限定數(shù)值的有效范圍，與此同時(shí)還能充分保障整個(gè)電網(wǎng)的無功能源消耗最少。這種控制模式的最大優(yōu)勢就是可以實(shí)現(xiàn)全局掌控，大范圍的控制不會直接影響到電壓和電力質(zhì)量，并且可以實(shí)現(xiàn)對調(diào)壓設(shè)備和無功設(shè)備的集中化控制，確保整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的電壓都處在正常數(shù)值以內(nèi)，保障電壓長期處在合格范圍以內(nèi)，并且最大限度地降低能源消耗。但是這項(xiàng)控制技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)，就是需要涉及到大量的系統(tǒng)軟件，并且每個(gè)軟件較為復(fù)雜，要盡可能地保障先進(jìn)科技水平支撐，同時(shí)還要有完善的通信渠道，對于技術(shù)要求較高，這在一定程度上增加了工作人員負(fù)擔(dān)，也需要投入一定的人才培養(yǎng)資金，再加上控制功能過于集中，具有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 電壓無功關(guān)聯(lián)分散控制模式

這種控制模式需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互配合，然后利用分散設(shè)置在變電站內(nèi)的各個(gè)控制裝置進(jìn)行事先調(diào)控，最后按照設(shè)置好的控制程序進(jìn)行全程控制。在進(jìn)行控制時(shí)，主要是將整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的固定數(shù)值和基礎(chǔ)范圍作為核心，以此來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定安全和經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)對電壓無功優(yōu)化程序進(jìn)行計(jì)算，這樣就可以保障在出現(xiàn)問題、重大事故或者是系統(tǒng)運(yùn)行模式混亂的情況下，由調(diào)度中心直接掌控，或者是調(diào)度中心安排下級變電站對其進(jìn)行維護(hù)，保障母線電壓以及無功功率固定數(shù)值，從而做到真正意義上的安全問題和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這種控制模式最突出的優(yōu)點(diǎn)就是具有較強(qiáng)的通信效益，并且通信渠道較為完善，其次就是在對電壓無功進(jìn)行分析判斷時(shí)，具有完善且優(yōu)質(zhì)的控制功能；良好的變電站綜合自動化功能和RTU 接口功能；對全局進(jìn)行控制時(shí)操作系統(tǒng)簡單，且控制區(qū)域較分散，責(zé)任劃分明確，風(fēng)險(xiǎn)分散，對于通信技術(shù)要求較低。但是也存在一定的缺點(diǎn)，就是對硬件要求較高，且涉及到的硬件比較復(fù)雜，需要一定的資金支持，成本支出高，在進(jìn)行軟件系統(tǒng)控制時(shí)，需要處理復(fù)雜的軟件程序等，最后就是要有可靠通信渠道作為支撐。截止到當(dāng)前，仍然有大部分變電站難以滿足在線電壓無功優(yōu)化控制要求，其中一部分的原因就在于落實(shí)電壓無功關(guān)聯(lián)分散控制的技術(shù)要求較高，并且比較復(fù)雜，再加上需要大量的資金支持；還有就是在進(jìn)行集中控制時(shí)，需要承擔(dān)較大的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)工作人員難以滿足實(shí)際需求。

3 基于目標(biāo)規(guī)劃法的配電臺區(qū)無功電壓優(yōu)化措施

3.1 目標(biāo)函數(shù)和控制變量

無功電壓優(yōu)化，其主要本質(zhì)是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，其實(shí)際優(yōu)化時(shí)，希望電壓偏差較小，且網(wǎng)損率不會太高，但是這兩個(gè)目標(biāo)卻難以做到同步實(shí)現(xiàn)，也無法做到有效相容。其次就是升級的電網(wǎng)無功電壓控制目標(biāo)是確保電壓足夠安全，各項(xiàng)電壓系統(tǒng)運(yùn)行正常的前提下，將網(wǎng)損率降低最小，但是局部地區(qū)內(nèi)，各級別的電網(wǎng)無功電壓控制的最終目標(biāo)是將10kV 母線的電壓合格率進(jìn)行大幅提升，以及關(guān)口變壓器功率因數(shù)的提升，之后的目標(biāo)才是降低網(wǎng)損率。而基于配電臺區(qū)實(shí)際情況來說，因?yàn)楦咏咏谟秒姂?，所以，一旦電壓發(fā)生偏差或者是出現(xiàn)質(zhì)量安全問題時(shí)，會直接影響到用電戶設(shè)備的安全以及用電體驗(yàn)。因此，配電臺區(qū)的根本方向是將無功電壓優(yōu)化的目標(biāo)，進(jìn)行更新明確，并將電壓掌控在合格且更加嚴(yán)格的范圍內(nèi)，然后再進(jìn)行網(wǎng)損率的降低。然后，為了避免出現(xiàn)臺區(qū)線損率降低的同時(shí)，配變臺消耗大幅提升，需要在實(shí)際計(jì)算過程中將配變損耗融入其中。另外，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，要將用戶電壓的目標(biāo)范圍作為基礎(chǔ)核心，以此展開計(jì)算，取用戶一定數(shù)值的最高電壓和最低電壓，然后要想實(shí)現(xiàn)主要目標(biāo)，就需要極小化用戶最高電壓與目標(biāo)范圍的正偏差，同時(shí)還要極小化用戶最低電壓與目標(biāo)范圍的負(fù)偏差。其次要考慮到網(wǎng)損率的預(yù)定數(shù)值，將其進(jìn)行極小化。

3.2 線性規(guī)劃法

使用線性規(guī)劃法對配電臺區(qū)無功電壓進(jìn)行優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)性意義重大，并且?guī)淼姆e極作用也比較明顯，這主要是因?yàn)榇朔N方式具有充足且成熟的理論支撐，并且體系完善可靠，整體計(jì)算速度較快，能在有效時(shí)間內(nèi)對各種約束因素和條件進(jìn)行處理。從現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，雖然無功優(yōu)化屬于非線性的問題，但是可以結(jié)合實(shí)際情況對其進(jìn)行線性化，然后再做進(jìn)一步研究，并在此過程中找到一種線性化的建模方式，這樣就能保障模型能在及其準(zhǔn)確的因素條件下反映出以往非線性無功優(yōu)化存在的問題等，之后再使用線性規(guī)劃來制定解決措施，從而使得優(yōu)化結(jié)果的滿意度等方面均符合實(shí)際工程需求。這也是線性規(guī)劃法一直秉持的思想和最根本的落實(shí)方式，而且這種方式優(yōu)勢較為突出，也逐漸演變成目前使用較為廣泛的一種方式。

3.3 混合整數(shù)規(guī)劃法

這種方式屬于一種較為特殊的線性規(guī)劃方式，主要是因?yàn)槠渲械牟糠肿兞繛檎麛?shù)，所以被稱作整數(shù)規(guī)劃法。它是利用分支定界法，不斷的定界縮小可行域，然后逐漸實(shí)現(xiàn)全局的最優(yōu)質(zhì)解答。在進(jìn)行電力系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算時(shí)，其中不僅包含大量的數(shù)據(jù)變量，如發(fā)電機(jī)的輸出功率或者是節(jié)點(diǎn)電壓等，同時(shí)還包含著大量的離散變量，如變壓器的狀態(tài)變化、并聯(lián)電容電抗器組投切等；所以，在此方法中進(jìn)行無功電壓的優(yōu)化，是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。在對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，通過掌握其中控制變量的基礎(chǔ)特征，然后結(jié)合工程數(shù)學(xué)問題的特點(diǎn)等，構(gòu)建出完善的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)出更加完整的非線性混合整數(shù)對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行總體規(guī)劃。在這個(gè)過程中，利用分支定界法進(jìn)行答案求解，然后把連續(xù)變量優(yōu)化的二次規(guī)劃方式作為其內(nèi)部核心，這樣不僅能減少大量的損失，同時(shí)還能保障優(yōu)化的精確度，從而降低控制量調(diào)節(jié)次數(shù)。這種方式雖然優(yōu)勢突出，但是也存在一定的弊端，如計(jì)算的時(shí)間屬于非多項(xiàng)式類型，如果維數(shù)不斷增加的話，計(jì)算時(shí)間也會大幅提升，甚至是瞬時(shí)性的。

3.4 非線性規(guī)劃法

考慮到無功電壓優(yōu)化自身的非線性，因此，可以優(yōu)先將非線性規(guī)劃法應(yīng)用其中，以此來完成電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化。這種優(yōu)化措施優(yōu)勢突出，特征較為鮮明，它能在保障電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，提高其整體安全性和質(zhì)量，所以也受到多方關(guān)注和高度重視。它主要的實(shí)施方式是在其中設(shè)置一定的目標(biāo)函數(shù)，將節(jié)點(diǎn)功率平衡作為等式的約束條件，然后采用松弛變量的方式把不等式約束條件轉(zhuǎn)化文等式約束條件。之后，通過拉格朗日乘數(shù)法來構(gòu)建出一個(gè)能增廣的目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合Kuhn-Tucker 條件，將問題轉(zhuǎn)化為求解一組非線性的代數(shù)方程組。

非線性規(guī)劃法，是優(yōu)化配電臺區(qū)無功電壓最直接有效的方式，主要原因就在于其構(gòu)建出的數(shù)學(xué)模型較為清晰直觀，并且概念明了，計(jì)算條理清晰，能充分保障數(shù)值的精確度。但是截至到目前仍沒有一個(gè)完善且成熟的非線性規(guī)劃無功優(yōu)化計(jì)算方式，而目前大部分的計(jì)算方式，基本上都存在不同程度的問題，主要就是計(jì)算量過多、內(nèi)存需求較大、不具備良好的收斂性、穩(wěn)定性較差、難以有效處理不等式等，這些問題的存在和出現(xiàn)也在很大程度上限制了應(yīng)用效益。非線性規(guī)劃法和線性規(guī)劃法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，兩種方式都難以反映出變壓器分接頭的變化，也無法顯示出電容器和電抗器投切的離散特性。

3.5 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)屬于最早開發(fā)的一項(xiàng)人工智能技術(shù)，其經(jīng)過一定時(shí)間的熏陶和實(shí)踐以后，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟。其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，主要是與其他方式進(jìn)行結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上將專家經(jīng)驗(yàn)作為最初的計(jì)算數(shù)值，然后在后續(xù)操作時(shí)不斷地對控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到最終有一個(gè)比較優(yōu)質(zhì)的解答。近幾年，世界上有很多電力系統(tǒng)電壓無功控制專家系統(tǒng)被投入到實(shí)際運(yùn)行模式當(dāng)中，并且逐漸實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的推廣等，同時(shí)也取得了比較良好的效果。雖然這種方式發(fā)展較為成熟，且實(shí)際效益較好，但是也存在一定的弊端和不足之處，比如遇到系統(tǒng)復(fù)雜且規(guī)模較大規(guī)則較多時(shí)，就會對推理的速度造成影響，并受到一定限制，這也間接導(dǎo)致大多數(shù)的專家系統(tǒng)還只是停留在離線操控狀態(tài)下，距離在線控制還有一定的距離。

4 結(jié)束語

基于目標(biāo)規(guī)劃法的配電臺區(qū)無功電壓優(yōu)化，需要結(jié)合實(shí)際情況來優(yōu)先建立框架結(jié)構(gòu)，盡可能保障電壓在掌控范圍以內(nèi)，之后再對網(wǎng)損率進(jìn)行極小化。要適當(dāng)?shù)卣{(diào)解用戶電壓的目標(biāo)范圍，能科學(xué)合理調(diào)解電壓偏差小和網(wǎng)損率低這兩個(gè)主要目標(biāo)。要注意負(fù)荷靜態(tài)電壓的特性，網(wǎng)損率小和網(wǎng)損小有著本質(zhì)區(qū)別，需要進(jìn)行分別對待。