基于灵敏度分析和费用评估的无功电压优化控制.doc

基于灵敏度分析和费用评估的无功/电压优化控制黄春红1，田发中2，林桓1，张东院2 ,陈进忠1，（1福建省厦门电业局，福建省厦门市361004；2山东鲁能积成电子股份有限公司，山东省济南市250100）摘要：本系统采用了基于预控扫描的灵敏度分析方法，利用设备控制费用综合评估技术，建立了综合考虑电压、设备控制费用、网损、功率因数等因素的数学模型，实现了对电压的矫正和网损的优化，同时很好地控制了功率因数，减少了设备的控制次数。系统动态生成监控点和控制方案，有效的解决了三圈变压器控制问题。本系统首先在厦门地区电网应用，创造了显著的经济、社会效益。关键词：预控扫描灵敏度分析；设备控制费用综合评估技术；优化控制中图分类号：0 引言随着经济的发展和计算机等自动化设备的普遍应用，用户对电力系统提出了更高的要求。提高电压质量、降低网损是得到了研究人员的广泛关注。目前对于电网无功电压的控制一般有两种模式，一是人工调度，另一种模式是基于分区规则的自动控制。这两种模式基本都是凭借调度员的经验进行控制，难以实现优化控制。为了更好地提高电网电压质量，降低网损，配合上级调度控制主网电压，研制基于优化算法的无功电压自动控制系统是十分必要的。目前对于无功电压的优化计算基本上处于理论研究阶段，在工程上难以实现6，7，本系统采用潮流灵敏度计算和设备的控制费用综合指标模型很好的实现了优化并将其成功的应用于工程实践中。1.基本原理 该系统舍弃了目前普遍使用的分区规则，利用pas系统中网络拓扑功能自动生成监控点，通过优化计算，在提高电压质量和保证完成上级调度功率因数考核指标的前提下，尽量降低网损；同时最大限度的减少设备的操作次数，提高设备的使用寿命，降低事故概率，保证电网运行的安全。 较之以往的无功电压自动控制系统，该系统的技术关键在于：利用潮流计算的灵敏度分析功能1,2,3，得到控制设备对母线电压、关口功率因数，网损的灵敏度，同时考虑设备的操作费用，得到控制设备的综合调整指标，根据综合指标来选择控制设备。通过对控制费用和控制综合指标模型的修改来调整无功电压控制设备的优先级和频度，实现无功电压的优化控制。关口功率因数网损母线1电压母线2电压母线n电压设备1灵敏度0550012012设备2灵敏度0880012012设备3灵敏度1260011011设备m灵敏度1.1灵敏度分析实时潮流计算通过实用化验收后，其精度已经能够满足无功电压控制的需求，考虑到地区无功电压控制的特点，选择采用子网灵敏度分析法，根据控制设备的类型和容量进行分组计算，可提高计算速度，满足系统对速度的要求。通过灵敏度分析产生如下的一个二维表格：表1 灵敏度分析产生的二维表格table 1 two-dimension table from power flow sensitivity analysis（备注：对于电压，单位kv；对于功率网损，单位kw；对于功率因数，无单位。）考虑到电容器的容量比较大，且电容器对功率因数和网损的影响具有较强的非线性，对电容器的灵敏度分析采用逐个的投/切扫描计算；对变压器进行分组只采用升或降的分组扫描计算，同时考虑并列运行变压器的同步调整。1.2设备操作成本分析 设备操作的成本主要分设备损耗成本和操作风险成本。设备损耗成本主要考虑主设备和所有附属设备的成本，设计使用次数。其单次操作损耗成本定义为：总成本/设计使用次数；设备操作风险成本主要考虑设备操作事故概率和事故损失的统计指标，其单次操作风险成本定义为：操作事故概率*事故损失。1.3设备操作综合指标分析 地区无功电压控制必须满足的条件有：功率因数考核，母线电压考核，经济运行（降低网损），控制安全（降低控制的频度）4,5。根据不同的控制需求建立不同的控制指标模型，形成最终的综合指标模型，控制综合指标模型必须考虑的问题：1.3.1对越限或接近越限必须有快速的惩罚，考虑采用常用的罚函数方法。如类似以下的公式：1.3.2体现上下级联合控制的原则 考虑上下级变电站之间的联合控制，在此引入电压偏移度：其中为电压上限，为电压下限。当表示偏上限运行，当表示偏下限运行，当同一关口下的厂站电压偏移度都比较接近越限，且调节上级厂站比较经济时，调整上级厂站的设备。1.3.3体现直接的经济效益在网损控制时定义控制死区，当网损减少小于控制死区值时不控制。根据典型日的负荷曲线预测设备投入或切除后至下一次切除或投入的时间，根据此计算优化电量。如果节约的费用大于设备的控制费和死区时才提出方案。1.3.4对于逆调压的考虑定义：其中，表示电压偏移量，表示当前负荷，表示最大负荷，表示平均负荷，表示所允许的最大电压偏移量。当负荷高峰时电压下限为：；当负荷低谷时电压上限为：综合考虑以上几点，当电压或功率因数越限或接近越限时，首先筛选可以使越限恢复的设备，包括子网中的所有变压器和电容器；在满足条件的设备中再根据综合指标再进行优选，综合指标可由以下函数定义： 为时间，通过调整控制成本可以得到适用的控制策略。1.4控制安全为保证控制的安全，采取了以下措施：1.4.1实时监视变压器、电容器等控制设备的主保护信号，一旦有保护动作时立即闭锁该设备的控制，并进行报警。当设备的控制多次失败时，即闭锁对该设备的控制，并进行报警。1.4.2对量测进行数字滤波，监视量测的质量，当主要监视量测出现质量问题时，即闭锁相关设备的控制，并进行报警。当状态估计合格率低于设定的限值时立即闭锁所有控制，并进行报警。1.4.3对电压采用实时测量加计算偏移量的方式进行控制后的越限判断，保证与考核电压的一致。2 实现方案2.1 系统流程 系统开始运行时首先读取拓扑数据库，启动三个独立的线程：一个用于保护信号的监视，当保护动作时闭锁对应的设备；一个用于电压、功率因数的监视，产生优化控制方案，当越限时产生最优校正控制方案；另一个用于执行控制方案。 每一个独立的监控母线（母线的电压受考核）为一个电压监控点，每一个220kv变电站的主变高压侧功率总加为功率因数监控点。监控点根据电网实际运行方式由程序动态生成。控制方案的可行性是通过计算分析严格验证的，保证控制后消除越限或有更好的运行状态。可行方案中包括本变电站的控制方案，上级变电站的控制方案，同级变电站的控制方案，可以很好的解决不同监控点的协调控制（如三圈变压器的控制），上、下级变电站的联合控制，同级变电站的协调控制等问题。主要控制过程为循环监控，包括以下主要步骤：2.1.1 获取状态估计数据，进行拓扑分析产生监控点和计算用的节点支路模型，当有非电容器开关变位时重新进行拓扑分析，否则使用上次的结果。2.1.2进行电压、功率因数、网损的设备操作灵敏度分析。2.1.3根据灵敏度分析结果计算各个设备的综合指标，利用滤波后的实时量测进行监视，当有越限时进行方案的综合评估和排序，产生最优方案。在产生方案时考虑设备的各种制约因素及保护信号，如设备不可用则进行闭锁。2.1.4如果有最优控制方案，执行该方案。2.2控制方案2.2.1变电站母线电压校正控制 对监控点的电压进行监视，当出现越限时，根据优化计算的结果产生校正控制方案，通过并联补偿设备的投切或变压器分接头的调整来保证电压在规定的运行区间内。2.2.2关口功率因数的校正控制 对各个关口（220kv变电站的主变高压侧）的功率因数进行监视，当超过给定的运行范围时，根据优化计算的结果选择投切某个并联补偿设备来控制功率因数，保证电压变化不大，网损增加最少或减少最多。2.2.3网损的优化控制在电压和功率因数都合格的情况下，通过设备的电压、网损灵敏度分析和综合的调整费用来进行排队选择控制的设备。对设备的控制保证电压合格，同时不引起电压的太大变化。通过定义设备的调整费用来控制调整频度和调整优先级。3 应用情况该系统研制成功以后，在厦门地区电网进行了试运行，厦门地区电网管辖的变电站包括220kv变电站7座、110kv变电站17座，其中共有电容器69台，变压器55台。110kv变电站于1999年初全面实现无人值守。实时采集的遥测、遥信、保护等信息全面、准确率高，遥控、遥调未发生过误动，拒动率在2以下；pas电网调度应用软件功能2000年12月在全国率先通过实用化验收，网络拓扑分析稳定可靠，状态估计的可用率和准确率较高（基本都在99以上）；实时潮流计算的精度很高。因此实现了全部无人值班变电站（占地区电网71的变电站）的闭环控制，在全国尚属首例。该系统投运以来，运行情况稳定，未发生系统异常，未发生误控、调节过频或调节不到位的现象，有效地减少了设备的动作次数；对于系统无功的调节趋于平滑，不再出现无功在峰谷时段剧变的现象。电压合格率、力率水平均得到了显著的提高，调控更及时，更好地保证了逆调压的效果，增加了供电量和售电收入。比较2001年和2002年同期（1012月）的a类电压（变电站10kv母线电压）月平均合格率，平均提高了0.68。2002年1012月力率水平，高峰期比上一年同期提高0.3，低谷期比上一年降低0.6。有效降低了网损，引入控制费用评估模型以后，对控制费用和风险费用进行了科学计算和评估，改变了调度员基本不调节主变分接头的习惯做法，优化控制方案在某些时段适当增加变压器的调节，减少电容器的投切，本身控制费用可降低，而且可减少网损。此外，电压无功调节不再仅仅为达到考核指标和尽快结束操作而集中在固定时段进行，而是基于优化网损和电网变化的实际情况在最适当的时间自动调节。2002年网损率比2001年同期（1012月）降低0.021。4应用前景该系统投资小，只需要一套系统就可以实现对所有变电站的监控；控制方案先进，不必根据季节重新编写控制规则，从监控点到控制方案全部由优化算法实时动态生成；彻底地解决了三圈变压器的控制问题。通过在厦门电力局的试用，验证了系统的稳定性，控制效果良好，并通过了省级科技鉴定和评审。该系统普遍适用于各地区电网，其推广必将提高地区电网运行的安全性、经济性，使无功电压自动控制的应用水平再上一个新台阶。参考文献：1 陈珩(chen heng) 电力系统稳态分析(power system steady-state analysis) 中国电力出版社 19952 诸静等著(zhu jing) 模糊控制原理与应用(fuzzy control theories and applications) 机械工业出版社，19983 carson w. taylor 电力系统电压稳定（power system voltage stability）4 电力系统电压和无功电力技术导则（试行 sd 325-89) (power system voltage & reactive power technology principles gb)5 电力系统电压和无功电力管理条例 (power system voltage & reactive power management rules)6李亚男姜勇等著（li yanan） 基于内点算法的电压校正控制(voltage corrective control based on interior point method)电力系统自动化 2002年3期 7李乃湖等（li naihu）基于原对偶内点法的电压无功实时优化控制算法(real time voltage & reactive power optimal control based on primal-dual interior point method)电力系统自动化 2000年5期作者：1 黄春红（1970），女，学士，工程师，从事电网调度自动化工作e-mail地址：ddhchxmep.com.cn2 田发中（1968），男，硕士，工程师，从事电网应用软件研究开发3 林桓（1968），男，学士，高工，从事电网调度管理工作， e-mail地址：ddlhxmep.com.cn4 张东院（1973），男，硕士，工程师，从事电网应用软件研究开发5 陈进忠（1970），男，工程师，从事电网调度和运方工作联系方式地址：福建厦门市湖滨南路21号厦门电业局调度邮编：361004e-mail: 联系人 电话 传真黄春红0592-2266201 05922265044林桓059