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1、山西振中电子科技有限公司,地区电网电压无功优化运行闭环控制系统 （AVC系统）,游卫斌,一、前言,目前我国电力行业对电压的控制一般是将每日分为几个典型时段，以不同的上、下限值，进行比较粗糙的人工控制。调度运行人员在发现电压越限时，凭经验进行简单的调整，不但劳动强度大，而且不能及时发现电压越限，造成电压质量的降低。现代化工业设备和家电用品对电压的质量提出了很高的要求，只有采用自动电压控制的方法才能进一步提高电压质量。,国内 调度现状,电力系统电压和无功功率控制是一个关系到保证供电质量，满足用户无功功率需求和系统电压稳定的问题，同时也是减少线损，提高电网运行经济性的十分有效的措施，因此一直得到电力
2、系统运行人员和研究人员的重视。,河海大学电力系多年来对无功优化与控制问题非常重视，开展了长时间的研究工作，并且致力于“地区电网电压无功优化运行闭环控制系统” 研制、运行及其推广工作，已经在全国多个省市的几十个地级电网应用，取得了明显的经济效益和社会效益。,设计依据, 变电站电压无功控制装置(VQC装置),国内研究应用, EMS（能量管理系统)无功优化- 离线计算, 基于SCADA系统和EMS系统的在线全网电压 无功优化闭环控制(AVC系统), VQC+主站软件,国内研究应用- (VQC装置),国内研究状况VQC,九区域法局限性-控制孤岛, 无法体现不同电压等级分接头调节对电压的影响, 不能做到
3、无功分区分层平衡, 不包含与省网AVC协调控制的策略, 无法满足某些全网的控制目标以及约束条件:如省 网关口功率因数，220kV母线电压约束,全网网损 尽量小的目标,国内研究状况在线全网电压无功优化闭环控制, 省网AVC系统, 地区网AVC系统, 省网AVC与地网AVC协调控制,省地AVC协调控制必须分级协调控制, 由于受运算速度的影响，不可能由一台和几台计算机直接完成一个省全省电网的电压无功优化运算；, 省网和地网的网架结构差别比较大，AVC的算法和控制目标、控制手段有所区别；, 不能由一套AVC软件从一个监控中心或调度中心向全省所有一次设备发送控制指令，这不符合供电公司的管理模式;,国内研
4、究状况VQC+主站软件模式?, 主站软件是为“全网” 考虑：全网的电压约束、全网的功率因数 约束、全网网损约束等, VQC装置只考虑本厂站的条件和控制目标,VQC装置: 从局部考虑的“大脑”,主站软件：从全局考虑的“大脑”,VQC+主站软件模式要不要二级协调控制？, 主站软件在当前普通商用PC机上即可在线完成地级市电网的电压无功优化计算；, VQC的控制手段不可能超出AVC，比如，VQC就不适应控制发电机;, 主站软件和VQC都能采集到必要的计算数据 ；,结论：主站软件不再需要VQC装置做二级协调控制, 这种模式投资比较大。,VQC+主站软件模式可靠性？,主站软件可靠性*VQC可靠性,VQC+
5、主站软件模式可靠性：,主站AVC系统可靠性：,主站软件可靠性,-使用的设备越少系统将越可靠,软件比硬件可靠,VQC的命运, 对于已有的VQC装置，要么退出;要么抛弃其策略， 不要再做“决策者”，但可以做一个“执行者”： 1、对于没有通过RTU装置控制设备的变电站，AVC系统可以将指令发给已安装VQC装置，VQC装置做最后一步控制命令进行验证，充当“质检员”的角色； 2、可以通过VQC装置采集无法从调度自动化系统采集的数据；, 随着主站AVC软件系统的引入运行，不需要新 购买VQC,结论, VQC装置会逐步淘汰；, 在SCADA系统可以接驳主站AVC软件的情况下再和VQC装置做二级协调控制为多余
6、；,三、系统概述,“地区电网电压无功优化运行闭环控制系统”通过调度自动化SCADA系统采集全网各节点遥测、遥信等实时数据进行在线分析和计算，在确保电网与设备安全运行的前提下，以各节点电压合格、省网关口功率因数为约束条件，从全网角度进行电压无功优化控制，实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压，实现主变分接开关调节次数最少和电容器投切最合理、电压合格率最高和输电网损率最小的综合优化目标。本系统最终形成有载调压变压器分接开关调节、无功补偿设备投切控制指令，借助调度自动化系统的“四遥”功能，利用计算机技,地区电网电压无功优化运行闭环控制系统,术和网络技术，通过SCADA系统自动执行，从而
7、实现对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设备的集中监视、集中管理和集中控制，实现了地区电网电压无功优化运行闭环控制。 本系统适用于地区级、县级电网中单电源或多电源供电的各种网络，并能可靠地与各家调度自动化厂家开发的SCADA系统接驳，与省网主站AVC系统接驳，实现省、地、县网电压无功联合控制。,运行方式,对于实现两遥功能的电网，系统采用 开环控制方式 对于实现四遥功能的电网，系统采用 完全闭环控制方式,系 统 简 要 逻 辑 框 图,与SCADA系统接驳方式,AVC系统,数据端口是否 连接成功,控制端口是否 连接成功,遥控报文,返校信息,返回遥测遥信数据,SCADA接口,设备,与SCADA
8、系统接驳方式, AVC系统与SCADA系统无内部耦合性，相互之间 互不访问数据库。, AVC系统不直接控制设备，设备控制指令由 SCADA系统执行。, AVC系统对设备的操作指令在SCADA系统中都有 明确的记录。, AVC系统对遥测遥信数据量比较少，不会影响 SCADA系统网络性能。,系统目标, 无功优化目标, 校正控制目标, 全网网损最小, 电压合格(包括220kV变电所高压侧母线电压以及10kV母线电压), 省网关口功率因数合格, 有载变压器分接头动作次数尽量小,(1)电容器,控制手段,(2)电抗器,(3)有载分接开关,四、系统算法,最优化算法,模糊专家系统,功率因数校正,设备动作次数优
9、化算法,防止设备动作振荡,系统核心技术解析,与省网AVC协调控制,技术解析最优化算法,(1)无功优化模型,(2)改进的遗传算法,(3)遗传算法工程实用化处理,最优化算法无功优化模型,目标函数：,第一项为有功网损；第二项为节点电压约束；第三项为由省网关口功率因数约束转换而来的无功功率约束;i为节点个数，j为省网关口个数。,最优化算法无功优化模型,V,Q,Vi max,Vi,Vi min,Vi Vi max,Vi min Vi Vi max,Vi min Vi,Qi max,Qi,Qi min,Qi Qi max,Qi min Qi Qi max,Qi min Qi,最优化算法无功优化模型,Vi
10、min Vi Vi max,Qi min Qi Qi max,Ti min Ti Ti max,Vgl min Vgl Vgl max,s.t.,最优化算法无功优化模型,式中：,Pi ，Qi，Ui节点i处注入的有功、无功和电压,Gij ，Bij，ij节点间的电导、电纳和相角差,h所有与节点I相连的集合,K所有省网关口节点集合,Vi min Vi max节点电压上下限,Qi min Qi max节点无功上下限,Ti min Ti max变压器变比的上下限,Vgl min Vgl max发电机机端电压的上下限,最优化算法改进遗传算法, 遗传算法适用于解决混合整数优化问题，本身没有对控制变量的连续性
11、假设的限制，可以方便的处理离散控制变量, 遗传算法可以方便的处理多目标函数，在处理控制变量和约束条件上也比较灵活，可以根据需要进行定制, 遗传算法编码方式灵活，而本系统采用的混合编码方案更加符合问题的自然描述，所以可以方便的考虑对控制变量的约束，方便的引入启发式的搜索, 由于遗传算法可以从多个初始值开始搜索，所以能够以较大的概率收敛到全局最优解, 简单遗传算法速度较慢，容易陷于局部最优，系统中使用了改进遗传算法,最优化算法遗传算法工程实用化, 每一次优化方案中变压器分接头开关只许调节一档, 在优化前每个设备必须经过设备动作次数优化模块预处理，筛选后的设备才允许加入到备选控制变量, 并列变压器应
12、该同步调节，在染色体编码时把并列的变压器映射成染色体中的同一个基因位, 为防止优化效益并不明显时造成电容器和变压器分接头开关无谓动作，所以允许人工设置网损减少量限值，如果低于此限值，优化方案不执行,最优化算法遗传算法工程实用化, 收敛速度较慢，收敛时间在分钟级, 最好应用状态估计数据,专家系统是一个具有专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域的专家提供的知识与经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家决策的复杂问题。本控制系统涉及的专家系统是根据系统状态的电压、无功等数据及电容器投切和有载变压器分接档位信号，实时对电压无功进行优化集中控制；,技术解析模糊专家系统,模糊专家系统,
13、模糊专家系统的核心是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑，具有完整的推理体系的智能技术。这样做的目的，有利于对知识进行模糊推理得以改善，增强处理不确定性的能力；,模糊专家系统,模糊专家系统的辅助决策工具是潮流计算，如果潮流计算不收敛则依靠全网的灵敏度矩阵辅助决策，有效的保证了指令的正确性。,模糊专家系统技术特点, 全网（集中）控制与分区分层控制相结合, 无功平衡稳定电压与分接开关调节电压相结合, 集中控制与分布执行相结合, 潮流计算、灵敏度分析与专家系统规则判别相结合, 保电网安全与电压无功控制相结合,模糊专家系统技术特点,本控制系统涉及的是220kV及以下电网级，由地调、
14、县调负责的电压无功自动控制。在本控制范围内，采用分区分层控制与全网控制相结合，先分区后分层再全网，全网保分区分层的控制策略，来达到无功分区分层就地平衡，稳定全网电压，主变分接开关动作次数最少，电压合格率最高。,全网（集中）控制与分区分层控制相结合,模糊专家系统技术特点,全网（集中）控制与分区分层控制相结合,模糊专家系统技术特点,无功平衡稳定电压与分接开关调节电压相结合,本控制系统时刻通过无功功率分层就地平衡来稳定电压，并维持电压在一定水平，当电压还达不到要求时，再辅以调节主变分接开关。所以本控制系统的投入可以确保本地区无功补偿设备的最大投入，同时满足省网关口功率因数约束，对整个电力系统的无功平
15、衡和电压稳定起着非常重要的作用。,模糊专家系统技术特点,集中控制与分布执行相结合,近年来，随着电网调度自动化水平的不断提高和电网一次设备的更新换代，特别是计算机运行速度的提高和计算机网络技术的发展，使得地区电网实施全网电压无功优化运行集中控制硬件上成为可能。本控制系统根据电网运行状况，集中形成控制指令，然后发送至各控制点（如巡检站），各控制点并发执行指令。,模糊专家系统技术特点,潮流计算、灵敏度分析与专家系统规则判别相结合,本控制系统的优化控制根据“专家系统规则，潮流计算和灵敏度分析辅助决策，有效的防止设备投切振荡，不会出现“模糊”的指令。,模糊专家系统技术特点,保电网安全与电压无功控制相结合
16、,电网安全包括设备安全和系统稳定安全。本控制系统引入了设备的保护信号，实现对设备的可靠闭锁，同时支持用户自定义故障信号，如挂牌、检修等；对于主变过载、系统周波越限等故障情况都有相关的闭锁；在确保设备安全方面做了充分的考虑，并已作应急处理。例如电容器连续投切、主变分接开关“滑档”、PT断线、低电压等。,模糊专家系统典型功能,全网优化调节电压功能,当无功功率流向合理，某变电所10kV侧母线电压超上限或下限运行，处在不合理范围时，分析同电源、同电压等级变电所和上级变电所电压情况，决定是调节本变电所有载主变分接开关还是调节上级电源变电所有载主变分接开关,做到多级电压协调控制；,模糊专家系统典型功能,全网优化调节电压功能,实现热备用有载调压变压器分接开关挡位联调热备用有载调压变压器，其分接开关档位调整数与运行有载调压变压器分接开关档位调节一致，可迅速完成热备用变压器并联运行。,模糊专家系统典型功能,全网优化补偿无功功能,当地区电网内各级变电所电
