王哲， 陳穎， 梅生偉， 李銳

(清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的增長，我國的電力工業(yè)發(fā)展迅速，無論是裝機總量還是網(wǎng)架建設(shè)都取得了長足的進步。然而，用戶對高質(zhì)量、不間斷服務(wù)電能的需求越來越高，同時供電企業(yè)的利潤空間受到電價政策和供電區(qū)域市場容量的限制。如何在確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定和電能質(zhì)量的同時，提高經(jīng)濟效益，是電力系統(tǒng)的運行面臨的新挑戰(zhàn)。

配電網(wǎng)作為向用戶供應(yīng)和分配電能的重要環(huán)節(jié)，直接體現(xiàn)了整個電力系統(tǒng)對用戶的供電能力和質(zhì)量。因此，加強配電網(wǎng)的建設(shè)與管理，對于經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定都具有非常重要的意義。目前許多國家在關(guān)注智能的、自動化的配電網(wǎng)［1－2］，以期利用各種先進的自動化技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)以及現(xiàn)代管理理念和手段，實現(xiàn)系統(tǒng)安全、經(jīng)濟和優(yōu)質(zhì)的多目標優(yōu)化運行。

為了實現(xiàn)上述目標，需要對系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性水平和電能質(zhì)量進行有效的衡量與評估。本文在考慮系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性和電能質(zhì)量等控制目標的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了針對配電網(wǎng)多目標趨優(yōu)電壓控制的指標體系。由此指標體系出發(fā)，可判斷混成控制中的事件是否發(fā)生，進而驅(qū)動控制邏輯，使得系統(tǒng)始終處于多目標趨優(yōu)運行狀態(tài)。

1 混成電力控制系統(tǒng)基本原理

如果把現(xiàn)有電力系統(tǒng)中所有的控制目標和約束條件綜合考慮，將得到一個非常復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題，很難直接用純數(shù)學的方法求解。混成自動控制理論為解決上述問題提供了新的途徑，其基本思想是:將一切不滿足要求和不滿意的狀態(tài)都分類地定義為事件，評定事件類型，通過控制使得系統(tǒng)回歸至無事件狀態(tài)，則系統(tǒng)的各項指標一定是足夠滿意的。

混成電力控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種基于事件驅(qū)動的概念和方法在電力系統(tǒng)中得到了實際應(yīng)用，并取得很好的效果［3－5］。

圖1 混成電力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Frame of hybrid control in power system

指標體系在混成控制的決策和執(zhí)行過程中扮演著重要的角色，其作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先，對于決策層，如何選取評價指標，將直接影響事件的觸發(fā)判斷，進而影響后續(xù)的控制行為;其次，對于操作層，指標要作為優(yōu)化模型的目標函數(shù)，其選取和計算將影響到整個優(yōu)化問題的求解過程和結(jié)果;再次，對于執(zhí)行層，為了驗證控制的效果，在控制設(shè)備執(zhí)行完操作指令后，還需要對系統(tǒng)新狀態(tài)的指標進行校驗;此外，通過指標在一段時間內(nèi)的統(tǒng)計信息，還可找出電網(wǎng)運行中的薄弱點，從而有針對性地進行改造建設(shè)，盡可能達到電網(wǎng)整體效益的最大化。

文獻［3，5］分別提出了無功/電壓和有功/頻率兩類混成電力控制系統(tǒng)，同時為了適應(yīng)事件驅(qū)動的要求，構(gòu)建了用于各類事件觸發(fā)判斷的指標體系。這些工作主要針對輸電網(wǎng)而提出。

相對輸電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)有其自身特點，例如①配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈輻射狀，其電壓控制要分區(qū)分層進行，要協(xié)調(diào)兼顧不同區(qū)域之間和不同電壓等級之間的相互影響;②配電網(wǎng)中需要更加關(guān)注網(wǎng)損和電壓質(zhì)量問題;③配電網(wǎng)的主要控制設(shè)備是可投切電容/電抗器和有載調(diào)壓變壓器分接頭，均為離散調(diào)節(jié)設(shè)備，時間常數(shù)大，且不可頻繁動作;④配電網(wǎng)的自動化和信息化水平不高，往往會導(dǎo)致量測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差等。因此，構(gòu)建配電網(wǎng)混成電壓控制系統(tǒng)，不能完全照搬輸電網(wǎng)的經(jīng)驗，必須構(gòu)建一套有針對性的、合理的指標體系。

2 配電網(wǎng)混成電壓控制指標體系設(shè)計

2.1 基本思路

配電網(wǎng)混成電壓控制指標體系包括安全穩(wěn)定性、電壓質(zhì)量、經(jīng)濟性三個方面。為了更加適應(yīng)配電網(wǎng)混成自動控制的需要，確保事件判斷與控制決策的正確性、合理性，指標體系的構(gòu)建遵循如下基本思路:

第一步，指標的選取。每一個控制目標都有多種評價指標可供選擇，在混成控制中，指標作為事件觸發(fā)的在線判據(jù)，首先應(yīng)強調(diào)實時性，要便于測量、計算簡單，另外指標與控制量之間的關(guān)系要直接明確，因此那些難于量測、計算復(fù)雜度高或者與控制量之間關(guān)系不確切的指標都不適合。

第二步，指標的歸一化。傳統(tǒng)的指標，都是定性給出系統(tǒng)狀態(tài)合格或者不合格，而無法給出具體的量化信息。利用模糊理論，能夠更全面、真實、自然、量化地反映電能質(zhì)量的性質(zhì)［6－7］。本文借鑒這種思想，把所有的指標均轉(zhuǎn)化為模糊理論中的滿意度，取值范圍在0～1之間，于是在進行事件判斷時，不再是簡單給出滿意或不滿意，而是具體的給出滿意度大小。這樣一方面可以消除各物理量之間量綱不一致的問題，將不同優(yōu)化控制目標統(tǒng)一到相同的尺度進行度量和評估，提高指標對不同系統(tǒng)的適應(yīng)性;另一方面，當系統(tǒng)處于滿意和不滿意之間的“過渡狀態(tài)”時，可以根據(jù)情況選擇是否進行控制，這在一定程度上能夠減少不必要的設(shè)備動作，降低設(shè)備損耗。

2.2 安全穩(wěn)定性指標

與輸電網(wǎng)相比，配電系統(tǒng)電壓等級低、動態(tài)元件少，一般認為配電網(wǎng)穩(wěn)定問題主要是靜態(tài)電壓穩(wěn)定。目前關(guān)于靜態(tài)電壓穩(wěn)定性指標的研究已有很多工作［8－10］。其中，文獻［8］提出了一種易于計算的電壓穩(wěn)定性指標，母線i的穩(wěn)定性定義為

將指標(1)歸一化，得到安全穩(wěn)定性指標

式中 i=1，2，…，n。

綜上，IS指標的計算只需要用到雅克比矩陣相關(guān)元素和母線電壓，非常方便，并且在不同的種負荷水平下都能保持良好的魯棒性［8］，因而適合作為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定指標。

2.3 電壓質(zhì)量指標

針對配電網(wǎng)中最關(guān)心的電壓質(zhì)量問題，采用文獻［6］的評價指標作為電壓質(zhì)量指標:

1)母線電壓滿意度。傳統(tǒng)的調(diào)度控制方式主要關(guān)心母線電壓越限的情況，而忽略了母線電壓接近上限或下限運行的狀態(tài)。單個母線i的電壓滿意度為

其中:V表示母線實測電壓;VL1、VH1分別為電壓的下限和上限;VL2、VH2分別為接近下限和上限的給定值。系統(tǒng)電壓正常時，滿意度為1;當電壓接近上下限時，滿意度逐漸下降;當電壓越過上下限時，滿意度降為0。

2)整體電壓滿意度。在單個母線電壓滿意度的基礎(chǔ)上，可進一步得到系統(tǒng)的整體電壓滿意度為

其中，Q(Vi)是母線i的電壓滿意度;λi是對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，反映了用戶對該母線關(guān)注的程度。一般而言，在配電網(wǎng)中，運營方更關(guān)心帶有負荷的低壓側(cè)母線電壓，因此這類母線權(quán)重系數(shù)較大。

2.4 經(jīng)濟性指標

網(wǎng)損是衡量電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的主要指標，合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓和無功水平，能有效降低線損，對提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性具有非常重要的意義。

將網(wǎng)損進行歸一化，選取經(jīng)濟性指標為

其中:IE為運行經(jīng)濟性指標;PL為實際網(wǎng)損;PLopt為該斷面的最優(yōu)網(wǎng)損。通過以網(wǎng)損最小為目標的最優(yōu)潮流(optimal power flow，OPF)計算得到，PLmax是可接受的最大網(wǎng)損。

該指標采用當前潮流斷面的實際網(wǎng)損與理論最優(yōu)網(wǎng)損之間的差距來衡量電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。對配電網(wǎng)而言，若網(wǎng)損偏離最優(yōu)點超過10%以上(即PLmax=1.1PLopt)，認為此狀態(tài)不可接受。

2.5 指標的評判標準

在配電網(wǎng)混成電壓控制系統(tǒng)中，上述各類指標及其評判標準如表1所示。表中各指標的事件觸發(fā)閾值是參考值，在實際運行過程中可根據(jù)情況和歷史經(jīng)驗來設(shè)置調(diào)整，以確保事件能夠在恰當?shù)膶嶋H被觸發(fā)，這樣形成的控制指令才能更加及時有效。

3 配電網(wǎng)混成電壓控制邏輯求解

應(yīng)用指標體系對系統(tǒng)狀態(tài)進行判斷，若產(chǎn)生事件，則需要啟動事件處理流程。針對某一類事件所產(chǎn)生的控制策略，在執(zhí)行調(diào)節(jié)的過程中可能會影響其他的指標，使其惡化，嚴重的情況下甚至會引發(fā)生成其他類型的事件，這種顧此失彼的調(diào)節(jié)顯然是沒有意義的。

為了綜合考慮調(diào)節(jié)對各種指標帶來的不同影響，尤其是當有多個事件同時產(chǎn)生的情況，需構(gòu)建多目標優(yōu)化問題的數(shù)學模型并求解，這方面的算法研究工作有很多［11－13］。然而，這些算法求解速度較慢，難以在線應(yīng)用，因此，提出了的實用的多目標趨優(yōu)求解思路。

第一步，判斷是否產(chǎn)生事件。根據(jù)系統(tǒng)初始狀態(tài)計算各個指標，判斷是否有事件發(fā)生，并將當前發(fā)生的事件集合記作

其中，ES，EQ，EE分別代表安全穩(wěn)定性事件，電壓質(zhì)量事件，和經(jīng)濟性事件。通過指標體系和系統(tǒng)狀態(tài)判斷系統(tǒng)中是否有事件發(fā)生，若發(fā)生電壓質(zhì)量事件，則EQ=1，反之EQ=0(ES和EE類似);

第二步，建立描述事件的優(yōu)化問題。若有事件生成，即E≠{0，0，0}，則建立多目標優(yōu)化問題模型為

其中目標函數(shù)是各類事件對應(yīng)的指標;X為待求解的控制變量，包括電容/電抗器的投切量和變壓器分接頭的檔位等;G(X)是潮流方程的等式約束;H(X)是變量上下限所要滿足的不等式約束;

第三步，求解優(yōu)化問題以消除事件。由于IS，IQ，IE均為無量綱的滿意度指標，且取值范圍都在0～1之間，可采用滿意度最大法進行求解:定義變量λ，在保證所有指標都不小于λ的前提下，使得λ盡可能最大化，即將原優(yōu)化問題式(7)轉(zhuǎn)化為式(8)，即

當λ盡可能大，則能保證多個指標同時滿足一定要求，從而實現(xiàn)整體的多目標趨優(yōu)控制。

4 算例測試

以南方某市一個供電區(qū)域的配電網(wǎng)實際系統(tǒng)為例，如圖2所示，該系統(tǒng)中共有1個220kV母線(A1)，4 個110kV 母線(A2，B1，C1，D1，E1) 和 10 個10kV母線?？刂谱兞堪ㄋ?0kV母線所連的可投切電容器組，以及所有110kV變電站的有載調(diào)壓變壓器分接頭。

圖2 應(yīng)用算例網(wǎng)絡(luò)圖Fig．2 Network of testing system

選取某一時刻實際量測作為初始狀態(tài)進行分析:該狀態(tài)下系統(tǒng)負荷較輕，系統(tǒng)電壓質(zhì)量較高，安全穩(wěn)定性指標和電壓質(zhì)量指標都處于滿意狀態(tài)，但經(jīng)濟性指標偏低，故產(chǎn)生經(jīng)濟性事件。若僅考慮改善經(jīng)濟性指標，進行單目標優(yōu)化控制，則控制后安全穩(wěn)定性指標和電壓質(zhì)量指標都會下降;若按照式(8)的方法進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，則安全穩(wěn)定性指標和經(jīng)濟性指標同時得到改善，電壓質(zhì)量指標雖有所下降，但尚處于可接受范圍內(nèi)。表2是不同控制策略的效果比較。

表2 輕負荷狀態(tài)控制前后指標對比Table 2 Comparison of indicators for light load status

選取另一時刻實際量測作為初始狀態(tài)進行分析，該狀態(tài)下系統(tǒng)負荷較重，系統(tǒng)電壓質(zhì)量指標和經(jīng)濟性指標均偏低，同時產(chǎn)生電壓質(zhì)量事件和經(jīng)濟性事件。按照式(8)的方法進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，控制前后結(jié)果比較如表3所示，電壓質(zhì)量指標和經(jīng)濟指標均得倒改善，恢復(fù)了無事件狀態(tài)，同時安全穩(wěn)定性指標也得到了提高。

表3 重負荷狀態(tài)控制前后指標對比Table 3 Comparison of indicators for heavy load status

進一步，再次調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)，使得系統(tǒng)負荷增加50%。該狀態(tài)下系統(tǒng)電壓質(zhì)量指標和經(jīng)濟性指標均嚴重偏低，同時產(chǎn)生電壓質(zhì)量事件和經(jīng)濟性事件。按式(8)的方法進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，控制前后結(jié)果比較如表4所示:電壓質(zhì)量指標和經(jīng)濟指標雖得到改善，但電壓質(zhì)量指標依然未能恢復(fù)至無事件的滿意狀態(tài)，說明在這種惡劣的情況下，僅靠對現(xiàn)有設(shè)備的調(diào)節(jié)已經(jīng)不足以支持負荷的增長，系統(tǒng)長期運行在這樣的狀態(tài)將是非常危險的，需加大無功補償和電網(wǎng)的投資建設(shè)。通過安全穩(wěn)定性指標對應(yīng)的母線(B3)，可進一步判斷出電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的薄弱區(qū)域(變電站B)。

表4 超重負荷狀態(tài)控制前后指標對比Table 4 Comparison of indicators for overload status

表5給出了在不同負荷狀態(tài)下，求解協(xié)調(diào)優(yōu)化問題得到的各控制變量變化值。

表5 不同狀態(tài)的控制措施Table 5 Operations of control devices for different status

5 結(jié)論

從安全穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟性等控制目標出發(fā)，本文建立了用于判斷事件和形成控制的配電網(wǎng)混成電壓控制系統(tǒng)指標體系。指標的選取以簡單易測、便于計算、與控制量關(guān)系明確為原則，能夠滿足工程實用化的需求。所有指標采用無量綱的相對量進行標幺化，取值范圍都在0～1之間，使各控制目標能在同一尺度下進行評判和優(yōu)化。將該指標體系應(yīng)用于實際配電網(wǎng)混成電壓控制系統(tǒng)，測試結(jié)果驗證了指標體系作為事件觸發(fā)判據(jù)和優(yōu)化控制目標的正確性和實用性。

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