高压配网和中低压配网分层协调控制AVC系统的设计与实现

高压配网和中低压配网分层协调控制A VC系统的设计与实现
摘要：目前，中低压配网部分的无功补偿主要靠装置的自动投切功能实现，调控中心无法掌握其实时运行状况。

渑池电网A VC系统实施高压和中低压配网联合协调控制后，充分利用中低压配网无功就地补偿的优势，减少了高压配网站内无功设备的频繁调节，在中低压配网失去调节手段后，借助高压配网充足的无功补偿容量，对相应线路无功进行优化补偿，有效控制了设备的动作次数，从全网的角度优化了无功潮流，大大降低了网损。

关键词：电压；自动控制；A VC；高压配网；中低压配网
0引言
随着计算机、通讯技术的发展，调度高级应用软件也陆续应用和推广，自动电压控制(Automatic V oltage Control，A VC）系统就是其中之一，该系统通过调度SCADA系统采集各节点遥测、遥信等实时数据进行在线分析和计算，以各节点电压合格、关口功率因数为约束条件，进行在线电压优化控制，实现主变分接开关调节次数最少、电容器投切最合理、电压合格率最高和输电网损率最小的综合优化目标，最终形成控制指令，通过调度SCADA系统自动执行，实现了自动电压无功优化闭环控制［1］。

目前许多地区已进行过高压配网A VC系统建设，但是A VC系统在中低压配网中的应用尚处于起始阶段，没有高压配网A VC系统应用广泛。

本文主要介绍了A VC系统在渑池电网的高压配网及中低压配网中协调交互控制的设计与应用。

1总体设计
1.1 A VC系统总体设计
A VC根据电网中连续运行的动态过程与离散指令、离散操作相互作用的特点，以离散事件作为驱动，离散指令与动态过程相互交互，实现电网电压无功的自适应有序协调优化控制，属于混杂控制系统范畴［2］。

A VC系统的主要目标是在保证电网安全稳定运行的前提下，保证电压合格率、合理补偿无功、实现无功的分层分区就地平衡，最终降低网损。

下图1是渑池电网A VC系统在高压配网及中低压配网中协调交互控制的结构图：
图1 协调交互控制结构图
1.2 无功优化问题的控制模型及目标
电力系统无功优化通常是以发电机机端电压、变压器分接头和并联补偿电容器、电抗器等设备的调控作为控制手段，通过合理调节无功潮流分布，以达到降低电网有功网损、改善系统电压质量、提高负荷端功率因数、保证电气设备正常运行等目的，实现电力系统运行状态的优化［3］。

由于远距离传输无功需要发电端和受电端之间有较大的电压落差，增大有功损耗，因此无功优化原则上应尽量做到就地平衡。

根据问题研究的周期，可以将无功优化问题分为静态无功优化和动态无功优化。

只针对电力系统某一时间断面的运行方式进行的无功优化，被称为静态无功优化［4］。

在无功优化时，如果以一个时间范围内（一般取２４ｈ）无功控制变量的调整策略为研究目标，就需要考虑多个运行方式的负荷水平及负荷动态变化对无功优化结果产生的影响，即要进行动态无功优化。

静态无功优化可视为动态无功优化在一个时间断面上的子问题，多以单一运行方式下的电压质量和网络损耗作为主要优化目标；而在动态无功优化问题中，无功控制变量的动作频率也是重要的优化目标，因而需要考虑电力系统多个运行方式下无功优化结果的相关性，以便更好地反映负荷随时间变化对电力系统和无功资源优化控制的影响，故其数学模型的复杂度和求解难度较静态优化问题大大增加［5］。

无功优化问题的数学模型可被描述为在满足潮流和运行等一系列等式和不等式约束的条件下，求取目标函数极值的非线性优化问题，其本身属于NP-hard 问题［6］。

等式约束主要是电力系统潮流方程，不等式约束主要包括状态变量（如各节点电压幅值、支路有功潮流等）和控制变量（如变压器分接头位置、发电机机端电压、并联补偿装置容量等）的上下限约束。

而对于动态无功优化问题，模型中还包括周期内无功控制变量调整次数等约束条件。

1.3 问题的求解
粒子群优化算法（简称PSO）是由Kennedy和LEberhart于1995年提出的一种基于群体智能方法的进化计算技术，其基本思想源自于对鸟群捕食行为的研究，本质上属于具有并行处理特征的随机搜索算法。

模型中以有功网损最小作为目标函数，发电机端电压、变压器有载调压分接头和并联补偿电容器作为控制变量，并利用连续潮流对优化后所得候选解计算电压稳定裕度最满足要求的解作为最优解［7］。

无功优化通常是采取调整可调变压器变比、补偿电容器和发电机端电压等控制变量，来降低有功网损并保证电压在规定范围之内的一种电网经济运行控制方式。

它以网损最小化为目标，可以由下式表示：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
其中，NE、NPQ、NG、NB、NT 和NC 分别为支路号的集合、P−Q 节点号的集合、发电机节点号的集合、总的节点号的集合、变压器支路集合和补偿电容器节点集合；Ni 为与节点i 有关联的节点号的集合，包括节点i 本身。

s 为平衡节点。

Pkloss为支路k 的有功功率损耗。

gk为支路k 的电导。

Gi和Bij 为节点导纳的系数。

Pi和Qi分别为节点i 的有功和无功注入。

Vi为节点i的电压幅值。

θij 为节点i 和节点j之间的电压角度差。

QGi 为节点i 的无功发电功率。

由于发电机端电压、变压器变比和各节点补偿电容器容量是控制变量，因此其约束可以自身得到满足。

P −Q 节点电压与无功发电功率是状态变量，需写成罚函数的形式，可以由式(8)表示：
（8）
式中λVi和λGi为罚因子；Vi,lim 和QGi,lim可以表示为:
（9）
（10）
1.4引入Agent的MAPSO算法
Agent 是一种具有感知能力、问题求解能力、又能够和系统中其他Agent 通信交互，从而完成一个或多个功能目标的软件实体。

Agent 通常具备以下几个典型的特征：
1.4.1 Agent 通常“居住”在一个特定环境中，并且Agent 只能在该环境中工作。

1.4.2 Agent 能够感知自己所处的局部环境。

1.4.3 Agent 应具备良好的自治性，对自己的行为或动作具有控制权，无须外部干预，自主地完成其特定的任务。

1.4.4 Agent 具有感知环境并做出相应动作的反应能力。

MAS 是由多个松散耦合的、粗粒度的Agent组成的网络结构。

这些Agent 在物理上或逻辑上是分散的，其行为是自治的，它们通过协商、协调和协作，完成复杂的控制任务或解决复杂的问题。

MAPSO 算法是结合PSO 算法和MAS 的主要特征构造的一种全新算法，首先构造Agent 的生存环境，每个Agent 不但可以与其邻居竞争与合作操作、自学习操作，而且还吸收了PSO 算法的进化机制，与全局最优的Agent 进行信息共享，并根据自身经验总结来修正Agent 的行动策略，使其能够更快地、更精确地收敛到全局最优解。

该算法比PSO算法更优化、更先进，同时也解决了高压配网和中低压配网中各变电站与各线路的协调交互控制问题。

1.5 协调交互控制总体设计
为保证高压配网A VC系统下达的电压协调指令能够被中低压配网A VC 有效执行，中低压配网A VC系统首先应统计辖区内的无功补偿配置，通过预算确定安全的补偿范围，并上报高压配网A VC系统。

在协调变量的选择上，由于高压配网A VC系统及中低压配网A VC系统的无功调节均可能对关口电压产生较大影响，因而关口电压事实上不是好的协调变量。

对于关口功率因数，有功负荷较小时，有功或无功的较小变化都可能导致功率因数的较大变化。

鉴于上述理由，选择变电站10kV侧无功作为A VC协调变量。

由于县级电网的无功调节手段主要为离散量，因而无法实现关口无功的精确控制，高压配网A VC系统向中低压配网A VC系统下发关口无功范围，而不是关口无功定值。

1.6 协调策略描述
中低压配网A VC系统：统计各线路可投/切电容器及电抗器的总容量，并通过预算确定当前的安全补偿范围，进而将补偿能力
及安全补偿范围上传至高压配网A VC系统；
接受高压配网A VC系统的协调指令，根据高压配网A VC系统下达的补偿方向及关口无功范围，控制电容器，满足关口无功范围的控制要求；必要时向高压配网A VC系统提出所希望的关口电压范围。

高压配网A VC系统：根据中低压配网A VC系统上报的补偿器配置信息、安全补偿范围、希望的关口电压范围，结合电网的负荷变化趋势，通过全局电压无功优化实时计算关口交换无功范围及期望的补偿器投切方向，并下发给中低压
配网A VC系统，实现两级A VC系统的协调优化控制。

高压配网A VC系统保证所给的期望补偿器投切方向具有一定的稳定性，以避免中低压配网离散设备的频繁调节。

1.7 联合协调控制规范
上传信息，主要包括中低压配网A VC运行状态和线路无功备用，具体包括：各线路无功最大容许偏差、各线路无功目标值、各线路电压目标值、各线路电压最大容许偏差、中低压配网A VC目标刷新时间；
下发信息，以主变高压侧无功指令为目标进行跟踪，以高压侧母线电压上下限（带宽）为约束条件，具体包括：中低压配网A VC就地/远方信号、中低压配网A VC闭环/开环信号、无功上调节闭锁信号、无功下调节闭锁信号、线路总可调无功上调节裕度、线路总可调无功下调节裕度。

1.8 协调变量的选择与处理
从协调变量的选择上，根据电压等级及控制方式划分，采用高压配网变电站低压侧10kV母线之间的关口，即10kV侧母线电压和关口功率因数作为协调变量。

图2 为协调处理过程图
图2 协调处理过程图
高压配网A VC系统的关口控制目标越限时，首先向中低压配网A VC发送协调指令，从末端开始解决电压、无功越限问题，中低压配网A VC进行系统内调节预算，预算通过后，将调节信息及预算信息发送给高压配网A VC系统预算，预算通过后，高压配网A VC通知其执行预算方案。

中低压配网A VC控制目标越限，且本地失去调节手段时，将越限信息告知高压配网A VC，请求协调关口目标，高压配网A VC形成协调方案，预算通过后，将预算方案告知中低压配网A VC，中低压配网A VC预算通过后，通知高压配网A VC执行方案。

2应用实例
渑池电网伴随着县域经济的蓬勃发展其规模日益扩大，为实现电压质量、线路损耗及电压稳定3项指标同时抵达最好状态的目标，转变电网效益增长方式，迎合智能电网的发展方向，渑池电业局结合《国家电力公司建设国际一流电网调度机构考核标准（试行）》［8］和《110kV 及以下县级配电网无功优化补偿技术规范和典型应用模式（试行）》［9］，于2010年开始，分三个阶段，逐步实
施高压配网和中低压配网A VC系统建设，渑池电网A VC系统闭环运行后，经过一年的试运行，系统初步达到了设计要求，取得了显著的效益。

（1）提升电压合格率，提高电压稳定性。

2011年渑池电网A类电压合格率达到了99.13%，比建设前98.32%高出0.81个百分点；综合电压合格率达到了98.03%，比建设前97.16%高出0.87个百分点，比国一流指标高出0.03个百分点。

（2）提高功率因数，减少电网损耗。

渑池电网35kV变电站均采用压控调容式无功补偿装置，实现无功补偿的连续、无冲击调节，尤其A VC 系统闭环运行后，变电站的功率因数有了显著的提高，使主变10kV侧功率因数由原来随负变化较大（0.90～0.94）改善为保持在0.97～0.99之间；使10kV线路功率因数由原来随负变化较大（0.89～0.93）改善为保持在0.96～0.98之间。

可见A VC 系统的投运对网内无功潮流交换的合理性起到重要作用，有着显著的降
损效益。

（3）无功补偿设备动作更加合理，设备避免了无谓的动作，延长了设备的使用寿命，节约了维护成本。

A VC 系统的“电压预算”技术和负荷预测有效提高了各变电站无功补偿设备动作的合理性。

动作次数明显减少,有载调压开关和电容器开关的健康水平大幅提升,既降低了开关设备的故障概率, 也减轻了检修人员的工作量,提高了设备运行效率。

（4）提高了无功设备的利用率。

A VC系统对无功设备的合理循环投切，其利用率由以往的40%上升到了现在的70%。

3结语
经过长时间的闭环运行和不断修改完善，主网和中低压配网的A VC系统策略已趋于完善，协调控制策略成熟，设备控制的安全性有多重保证，运行期间，有效提高了电压合格率，降低了网损，取得了显著的经济效益和社会效益。

高压配网A VC系统和中低压配网A VC系统联合协调控制的设计与应用取得了成功。

参考文献
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收稿日期:2012-09-02
霍海伟（1977—）男，河南省渑池人，工程师，主要从事电力企业战略规划、现代企业管理方面的研究。

王江坤(1986-)，男，江苏省泰州人，工程师，从事包括降损节能在内的电网智能化研发。

Design and Implementation of High V oltage Distribution Network and The Low V oltage Distribution Network Hierarchical Coordination Control A VC System ZHAO Jiang-hua1 , HUO Hai-wei2 ,WANG Jiang-kun2
(1.Mianchi Electric Power Bureau ,Mianchi 472400,China)
Abstract:.At present, low voltage distribution network in the reactive power compensationmainly rely on device auto-switching functions, control center can’t master it real-time operation state. A VC system of Mianchi Grid in high pressure and low voltage distribution network to realize joint coordination after control, make full use of low voltage distribution network in reactive compensation on-spot advantage, reduced the high pressure distribution site reactive equipment of frequent regulation, in the low voltage distribution network after losing control means, with the aid of high voltage distribution network plenty of reactive power compensation capacity, compensate the related line reactive power optimization, effectively control the equipment movement times, from the point of view of the entire network optimization of reactive power trend, greatly reduced the loss.
Keywords:V oltage; Automatic control;A VC; High voltage distribution network;low voltage distribution network.。