智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)
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胡濱，王旭陽，侯佳
(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209)
摘要：研究智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)的主要措施、提出發(fā)展方案，對(duì)支撐智能電網(wǎng)發(fā)展具有重要意義、基于配電網(wǎng)無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，建立了智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配數(shù)學(xué)模型，選取基于導(dǎo)向搜索法的無功優(yōu)化算法和基于虛擬流法的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)了以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)的負(fù)荷自動(dòng)分配。充分考慮分布式電源接入后配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式發(fā)生的變化，基于出力特性，采用場景分析法建立模型，優(yōu)化智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配算法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)分布式電源出力調(diào)整負(fù)荷分配量的智能變電站負(fù)荷分配系統(tǒng)方案。驗(yàn)證表明，該方案能夠保證無功補(bǔ)償裝置正確投入退出、分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)正確開合，線路有功損耗下降，有效提高了電網(wǎng)分析和控制功能的速度和可靠性。
關(guān)鍵詞：無功優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；導(dǎo)向搜索法；虛擬流法；場景分析法
0引言
智能變電站作為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是電網(wǎng)基礎(chǔ)運(yùn)行的參量采集點(diǎn)和管控執(zhí)行點(diǎn)。為了優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行、降低網(wǎng)絡(luò)損耗，智能變電站應(yīng)該具備站與站之間的負(fù)荷自動(dòng)分配功能。研究智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)的主要措施、提出發(fā)展方案對(duì)支撐智能電網(wǎng)發(fā)展具有重要意義。
1 智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配需求
1.1 智能電網(wǎng)發(fā)展對(duì)智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配的要求
智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求是通過改變電網(wǎng)運(yùn)行方式而最大限度地降低網(wǎng)損。針對(duì)大量分布式電源并網(wǎng)情況，智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)需要實(shí)時(shí)保證配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性。智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)的主要措施為無功優(yōu)化和配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。負(fù)荷自動(dòng)分配需要遵循的技術(shù)原則包括：(1)確保電壓在規(guī)定范圍內(nèi)；(2)維持電力系統(tǒng)無功功率平衡；(3)保持系統(tǒng)的可靠性；(4)盡量減小線路開關(guān)、變壓器有載分接開關(guān)和并聯(lián)電容器組的調(diào)節(jié)次數(shù)。
1.2 智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配功能模塊實(shí)現(xiàn)手段
依托信息一體化平臺(tái)，變電站一、二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等各個(gè)子系統(tǒng)以及變電站各類數(shù)據(jù)信息，均以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全站信息的標(biāo)準(zhǔn)傳輸和交互。智能變電站高級(jí)應(yīng)用功能基于變電站信息一體化平臺(tái)，將一些原獨(dú)立存在的功能進(jìn)行整理融合，在統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)，以形成變電站新的應(yīng)用功能。智能變電站高級(jí)應(yīng)用功能框架如圖1所示。
2無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)綜述
2.1 無功優(yōu)化
無功優(yōu)化技術(shù)指在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)及負(fù)荷給定情況下，以發(fā)電機(jī)端電壓幅值、無功補(bǔ)償容量和可調(diào)變壓器分接頭位置作為控制變量，以發(fā)電機(jī)無功出力、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓幅值和支路輸送功率作為狀態(tài)變量．應(yīng)用人工智能技術(shù)，謀求合理的無功補(bǔ)償點(diǎn)和最佳補(bǔ)償容量。無功優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)是從自動(dòng)化系統(tǒng)采集母線電壓、無功功率信息數(shù)據(jù)．送給潮流計(jì)算模塊和無功功率計(jì)算分析模塊，然后把數(shù)據(jù)送到綜合處理模塊作出判斷以控制變壓器開關(guān)檔位和無功補(bǔ)償裝置投切，配調(diào)中心接到綜合處理的信息又送給潮流計(jì)算模塊和無功計(jì)算模塊，往復(fù)循環(huán)以達(dá)到網(wǎng)損最低。其中，人工智能技術(shù)包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬退火法、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃法、禁忌搜索法以及這些智能方法的綜合應(yīng)用。
無功優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的方法包括線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃方法，但到目前為止，基于非線性規(guī)劃的無功優(yōu)化算法還不是很成熟，已有算法都存在計(jì)算量大、收斂性差的問題。線性規(guī)劃的理論基礎(chǔ)成熟，收斂可靠，計(jì)算速度較快，對(duì)各種約束條件的處理簡單，在無功優(yōu)化領(lǐng)域獲得了廣泛運(yùn)用。
2.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)是指在滿足配電網(wǎng)的輻射狀拓?fù)浼s束、電流約束、電壓約束、容量約束下，選擇一種重構(gòu)策略對(duì)應(yīng)的分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)的組合操作確保配電網(wǎng)某一指標(biāo)最優(yōu)。配電網(wǎng)重構(gòu)問題本質(zhì)上是非線性整數(shù)組合優(yōu)化問題，尋找一組最優(yōu)的開關(guān)操作方案計(jì)算量是十分艱巨的，每次迭代中都必須用潮流計(jì)算來驗(yàn)證。基于傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法主要包括網(wǎng)損估計(jì)算法、最優(yōu)流模式算法、啟發(fā)式方法。
3智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)
3.1 智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配數(shù)學(xué)模型
智能變電站通過將無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷優(yōu)化分配，有效提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和供電質(zhì)量。在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷給定情況下．以系統(tǒng)有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)的無功優(yōu)化為
式中：m為支路總數(shù)；P為支路i的有功功率；Q，為支路i的無功功率；R，為支路i電阻；U為支路：的末端點(diǎn)電壓。
配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)約束條件包括：(1)潮流收斂。(2)支路和節(jié)點(diǎn)電壓約束。(3)供電約束。配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須滿足所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)需求，不存在孤島。(4)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束。在正常運(yùn)行情況下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該呈輻射狀向各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供電。
3.2智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配算法
智能變電站將負(fù)荷自動(dòng)分配問題分成無功優(yōu)化和配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)2個(gè)優(yōu)化子問題。2個(gè)子問題來回交叉迭代，逐步逼近最優(yōu)解。變電站負(fù)荷自動(dòng)分配優(yōu)化算法流程如圖2所示。在智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配迭代計(jì)算中，第1次迭代計(jì)算時(shí)，無論網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)巾是否有開關(guān)操作，均要進(jìn)行全網(wǎng)無功優(yōu)化計(jì)算。只要投切無功優(yōu)化裝置，就要開展一次配電網(wǎng)重構(gòu)的計(jì)算，直到配電網(wǎng)重構(gòu)和無功優(yōu)化計(jì)算均無操作時(shí)算法收斂。
無功優(yōu)化模塊在給定約束條件下，采用導(dǎo)向搜索算法求解最優(yōu)解，獲得無功補(bǔ)償裝置投入退出和變壓器分接頭調(diào)整方案。導(dǎo)向搜索法的突出優(yōu)勢體現(xiàn)在搜索個(gè)體每一步搜索巾，所有搜索個(gè)體得到一個(gè)當(dāng)前搜索對(duì)象，當(dāng)前搜索對(duì)象可以自適應(yīng)調(diào)整其位置產(chǎn)生導(dǎo)向信息，為搜索個(gè)體下一步搜索建立導(dǎo)向鄰域。搜索對(duì)象使搜索個(gè)體根據(jù)獲得的導(dǎo)向信息不斷調(diào)整自身的步長與方向。
基于導(dǎo)向搜索算法的無功優(yōu)化步驟如下。
(1)輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)和導(dǎo)向搜索算法基本參量。
(2)建立適用于無功優(yōu)化的更新策略以及評(píng)價(jià)函數(shù)、決策函數(shù)。
(3)設(shè)置迭代次數(shù)t=0，確定初始位置。
(4)評(píng)價(jià)所有搜索個(gè)體目標(biāo)。
(5)更新t值。t=t+1。
(6)更新搜索個(gè)體的位置。
(7)用評(píng)價(jià)甬?dāng)?shù)計(jì)算個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值。
(8)如果搜索個(gè)體評(píng)價(jià)函數(shù)值好于之前的個(gè)體評(píng)價(jià)函數(shù)值，則更新位置。
(9)判斷是否收斂，否則轉(zhuǎn)至步驟4，直到收斂為止。
配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)可以分解成一系列與聯(lián)絡(luò)開關(guān)對(duì)應(yīng)的重構(gòu)子問題．以單環(huán)網(wǎng)網(wǎng)損最小為日標(biāo)．以環(huán)網(wǎng)支路電流為控制變量，建立優(yōu)化模型。在網(wǎng)損最小的單環(huán)網(wǎng)潮流分布基礎(chǔ)上．再打開一個(gè)環(huán)網(wǎng)開關(guān)，以保持輻射電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。開環(huán)的原始依據(jù)是網(wǎng)損增量最小，打開虛擬流絕對(duì)值最小的環(huán)網(wǎng)支路將得到最優(yōu)的輻射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程步驟如下。
(1)設(shè)置配電網(wǎng)絡(luò)初始數(shù)據(jù)。
(2)建立各聯(lián)絡(luò)開關(guān)相關(guān)常閉分段開關(guān)的屬性編碼。
(3)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)潮流，保存對(duì)應(yīng)于歷史最小網(wǎng)損的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?
(4)從第一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)開始鄰域搜索，如果最優(yōu)交換的網(wǎng)損小于歷史最小網(wǎng)損，那么，交換最優(yōu)交換和聯(lián)絡(luò)開關(guān)編碼．更新歷史最小網(wǎng)損和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?
(5)順次完成各聯(lián)絡(luò)開關(guān)的鄰域搜索。若此次迭代中歷史最小網(wǎng)損有變化．代數(shù)加1．否則歷史最小網(wǎng)損保留不變，且代數(shù)為0。
(6)收斂條件是否滿足，若滿足收斂條件，退出迭代，輸出歷史最小網(wǎng)損及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�。否則轉(zhuǎn)入步驟4。
3.3含分布式電源接入的負(fù)荷自動(dòng)分配模型
當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后，相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖僨w1。由于傳統(tǒng)的單電源供電模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫垂╇娔Ｊ�，�?huì)一定程度改變潮流的方向。在穩(wěn)態(tài)電壓方面，由于饋線傳輸功率的減小及分布式電源的無功支持，饋線各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓相應(yīng)升高。對(duì)系統(tǒng)電壓波動(dòng)而言，分布式能源接人配電網(wǎng)后會(huì)影響系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，使其增大或減小。含分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型如下。
3.3.1 目標(biāo)函數(shù)
考慮間歇性分布式電源接入配電網(wǎng)，基于典型場景分析法的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)曰標(biāo)函數(shù)為
式中：E(P1．。)為電網(wǎng)有功網(wǎng)損的期望值；Pl.x.;為電網(wǎng)有功網(wǎng)損在場景j下，其計(jì)算公式為
式中：Z為支路總數(shù)；ri為支路i的電阻；P和Qi分別為場景j下支路i的有功和無功功率，通過潮流計(jì)算得到。
3.3.2約束條件
(1)潮流方程等式約束。
(4)網(wǎng)絡(luò)輻射狀約束。
網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后配電網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀．無環(huán)路及孤立節(jié)點(diǎn)、孤島存在，分布式電源接人配電網(wǎng)后，進(jìn)行典型系統(tǒng)場景分析后．無功優(yōu)化和配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)2個(gè)優(yōu)化子問題來回交叉迭代．逐步逼近優(yōu)化解。含分布式電源接入的變電站負(fù)荷自動(dòng)分配優(yōu)化算法流程如圖3所示。
3.4 智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配算例分析
圖4為負(fù)荷門動(dòng)分配算例系統(tǒng)。一座220 kV變電站向3座110 kV變電站供電。母線-4、母線-5、母線-6、……、母線-16、母線-17為10 kV節(jié)點(diǎn)，分別掛接不同負(fù)荷。
如果變電站沒有實(shí)施負(fù)荷自動(dòng)分配，系統(tǒng)潮流如圖5所示，線路有功損耗將達(dá)到1235 kW。采用智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配算法．實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化和配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。3座110 kV變電站無功補(bǔ)償容量均投入10 kV -A．母線-7至母線-9線路斷開，母線-9掛接負(fù)荷轉(zhuǎn)移到母線-16．母線-6至母線-8線路斷開，母線-8掛接負(fù)荷轉(zhuǎn)移到母線一11，線路有功損耗將下降到749 kW。系統(tǒng)潮流如圖6所示，下降率達(dá)到40%。
4智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1 總體設(shè)計(jì)
負(fù)荷自動(dòng)分配實(shí)現(xiàn)通過配電自動(dòng)化、調(diào)度r1動(dòng)化、SCADA獲取電網(wǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，以有功功率損耗最小為控制目標(biāo)，以各種控制變量和狀態(tài)變量取值范圍作為約束，通過調(diào)度中心決策模塊輸出最優(yōu)控制方案。在開環(huán)控制模式下．經(jīng)過調(diào)度中心決策模塊運(yùn)算輸出負(fù)荷分配方案．根據(jù)電網(wǎng)原設(shè)定運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，最后利用優(yōu)化方案對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)控制。
負(fù)荷自動(dòng)分配技術(shù)對(duì)控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)提出4點(diǎn)要求：(1)保證母線電壓在允許波動(dòng)范圍內(nèi)；(2)保持系統(tǒng)穩(wěn)定和無功功率平衡；(3)確保系統(tǒng)可靠性的前提下電能損失最小；(4)最大限度減小線路開關(guān)、變壓器有載分接開關(guān)和并聯(lián)電容器組的日調(diào)節(jié)次數(shù)。
4.2數(shù)據(jù)需求
智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括220 kV、110 kV、35 kV和10 kV電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)．電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)包括調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)（220 kV電壓等級(jí)）和配電自動(dòng)化系統(tǒng)（110 kV及以下電壓等級(jí)）采集的各測量點(diǎn)電壓、電流、功率以及開關(guān)設(shè)備狀態(tài)信息。
根據(jù)數(shù)據(jù)處理速率與方式．?dāng)?shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)為電網(wǎng)日常運(yùn)行的不經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)．動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來源于實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)．而電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集主要來自于EMS與SCADA系統(tǒng)。
4.3方案設(shè)計(jì)
負(fù)荷自動(dòng)分配系統(tǒng)利用一體化平臺(tái)信息，在線實(shí)時(shí)計(jì)算，依據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)及自動(dòng)分配控制策略上送和接受調(diào)度確認(rèn)信息，在主站端實(shí)施變壓器負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)。經(jīng)一體化平臺(tái)輸出調(diào)節(jié)命令，將變壓器負(fù)荷控制在希望范圍．實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷的智能調(diào)節(jié)及負(fù)荷均衡。調(diào)節(jié)相關(guān)信息自動(dòng)反饋到調(diào)度端，實(shí)現(xiàn)變電站負(fù)荷與電網(wǎng)協(xié)同互動(dòng)。如圖7所示。
負(fù)荷自動(dòng)分配系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)輸入接口、負(fù)荷自動(dòng)分配決策計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出接口等3個(gè)模塊。負(fù)荷自動(dòng)分配系統(tǒng)通過SCADA與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合，完成對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷優(yōu)化分配控制。
負(fù)荷自動(dòng)分配系統(tǒng)的功能模塊包括：全局負(fù)荷自動(dòng)分配綜合控制模塊、啟動(dòng)閉鎖功能模塊、人機(jī)界面功能模塊、運(yùn)行狀態(tài)分析與安全預(yù)警模塊、報(bào)警功能模塊、信息管理功能模塊、事故處理記錄和追憶模塊。
4.4 擴(kuò)展后方案設(shè)計(jì)
對(duì)于分布式電源接人情況下的負(fù)荷自動(dòng)分配啟動(dòng)策略．需考慮分布式電源出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性。針對(duì)分布式電源接入，應(yīng)研究設(shè)定啟動(dòng)閾值和啟動(dòng)原則．根據(jù)間歇式分布式電源出力預(yù)測，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控含分布式電源網(wǎng)絡(luò)的潮流參數(shù)變化，設(shè)定對(duì)應(yīng)風(fēng)電、光伏分布式發(fā)電的負(fù)荷分配啟動(dòng)閾值．在系統(tǒng)中增加分布式電源出力預(yù)測和分布式電源啟動(dòng)閾值判定功能。
含有分布式電源接人的負(fù)荷分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。
5結(jié)語
本文從配電網(wǎng)無功優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)角度，提出了智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配數(shù)學(xué)模型與算法，分析了分布式電源接入對(duì)負(fù)荷自動(dòng)分配的影響，構(gòu)建了新能源、分布式電源接人后的負(fù)荷分配的數(shù)學(xué)模型，并提出了改進(jìn)優(yōu)化算法。根據(jù)負(fù)荷臼動(dòng)分配的控制目標(biāo)和要求，設(shè)計(jì)了適應(yīng)新能源接入的智能變電站負(fù)荷分配系統(tǒng)方案。計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證表明．基于導(dǎo)向搜索法的無功優(yōu)化算法具有高質(zhì)量全局最優(yōu)解的能力．基于虛擬流法的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法能夠降低計(jì)算的復(fù)雜度及時(shí)問，兩者的融合方法將是今后智能變電站負(fù)荷自動(dòng)分配算法進(jìn)一步優(yōu)化的方向。
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