专利名称：一种分级递阶无功电压优化控制方法
技术领域：
本发明涉及电力系统中的自动控制技术领域，具体地说是涉及一种分级递阶无功电压优化控制方法，该方法能够在地区、县级及具备单独电网且具有变电站、有载调压变压器、并联电容器设备的所有电力系统供电部门使用，以达到提高电压合格率、降低线损、减轻调度人员的劳动强度的目的。
背景技术：
目前，在电力系统中往往采用如下二种方式对系统内的无功电压进行自动控制。其一是在变电站内部，安装硬件VQC设备或者软件VQC来实现利用本站内的并联电容器和有载调压变压器的调节动作，来进行变电所内的无功电压综合控制，以达到系统中无功电压优化运行的目的。这种方法的基本原理，是基于九区域图，采用专家系统的原理，实施控制策略，达到对各个变电站内无功电压进行自动控制的目的。其二是首先与电网调度自动化中的SCADA系统接驳，接收SCADA系统实时数据，应用优化算法，建立符合全网网损尽量小，电压合格的优化及控制判断规则，形成有载调压分接头调节和电容器投切指令，然后利用SCADA的遥控遥调接口将动作方案通过下行命令通道执行，以达到对电网内无功电压进行自动控制的目的。第一种方法，使用九区域图法直观明了，简单易行，可以保证单个变电站一定的电压合格率和功率因数，但是，这种方式采集的实时数据来源于单个变电站中的并联电容器和有载调压变压器，不可能实现全范围的无功电压最优控制。同时，由于每个变电所都必须安装无功电压控制装置，投资大，设备维护量显著增加；如果新添变电站，还要同时增加相应的硬件或软件，投资更大；第二种方法，无功电压自动控制方式在只有单个调度中心和单个监控中心一体化模式下的供电部门能够应用，对于具有调度中心和监控中心管理功能分开无功电压控制方式，此方案不适宜近几年来，随着无人值班变电站的改造逐步完成，很多供电部门采用集控中心对各个无人值守变电站进行监控，一般每个集控中心下辖10个变电站左右，一个中型供电部门将会管理5个集控中心左右，大型供电部门将会管理10个以上的集控中心，形成一个宝塔形式，顶层为调度中心，中层为集控中心，最底层为变电站。调度权在顶层；监控权在中层；执行权在底层。因此，只有第二种方法的控制模式也已经不能解决调度权与多个监控权之间的组织、优先级、责任归属的问题。
三。、发明内容鉴于以上原因，为适应大中型供电部门，调度主站与监集控中心职权分离的管理模式，为此，本发明的目的在于提供“一种分级递阶无功电压优化控制方法”，以求解决目前管理模式下的电力系统中的无功电压优化控制问题。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的针对调度中心/监控中心的分级管理模式，调度中心处于决策层，组织对各监控中心状态进行检测和考核，各监控中心则直接形成和下达控制命令的特点，利用实用的优化判断方法，实时控制各监控中心电网内所有变电所电容器、电抗器投切和有载变压器分接开关档位调节，以达到全网网损率最小、各节点电压合格率最高、所有主变压分接头动作次数最少、所有电容器、电抗器投切最合理的目的。同时，利用先进的计算机技术和通讯技术，调度中心和各监控中心之间信息互通，既可实现对各监控中心相关指标的考核，又可优先决策各监控中心的动作指令，以达到无功电压分级递阶控制的目标。
(一)分级递阶控制分级递阶控制就将全系统的监视和控制功能划分属于不同的级别去完成，各级完成分配给它的功能，并将有关信息传递到上一级，接受上一级管理，综合控制功能由最高一级决策执行，各级的工作相互协调，力求整个控制系统达到最佳效果.分级递阶控制依据”层次越高，智能越高，控制精度越低；层次越低，智能越低，控制精度越高”的拟人的原则进行设计。
(1)组织级这是整个系统的最高级，其智能程度最高，执行组织管理决策的智能，对下进行指导和监控.该级对上通过人机接口与管理人员进行友善的人机对话.本级精度不高，宜粗不宜细，以便进行宏观指导.该级还可以根据实际生产过程和环境等信息，采用人—机结合的方式自动或半自动的提出合理的控制目标或指标，形成相应的命令或任务向底层下达.
(2)集控级这是整个系统的中间级，其作用是上传下达。它能够把上一级计算得到的结果接受过来，形成自己范围内需要操作的决策方案，然后，又下达到下一级去执行，实施集中控制部分的命令发送。在执行后，又通过它把下一级的变化后的信息上传给组织级，由组织级进行新的一轮计算和分析。
(3)执行级这是控制系统的最低级，执行现场控制功能，是自动控制系统中控制的关键级.该级智能最低，但可靠性，控制精度和实时性要求最高，能可靠执行管理决策级的命令或任务，并将执行情况反馈给决策级。
(二)、无功电压优化控制1目标函数因为本方法描述的是在线实时无功优化控制系统模型，不考虑投资因素，所以取模型的目标值为系统网损最小F□minPLoss (3-1)
同时要满足以下等式约束条件和不等式约束条件节点电压约束、省网关口功率因数约束(本方法中指220kV变电所的高压端功率因数值)、有载调压分接头档数调节上下限约束和设备(包括电容器、电抗器、有载调压分接头)动作次数上限约束。
2算法特点2.1、无功优化采用的是遗传算法。
结合本方法问题的特点，本方法采用改进遗传算法。
为解决遗传算法的缺点(1).遗传算法在一定时间间隔内没有收敛到最优解，无法得出优化方案；(2).实时数据为生数据且有部分数据误差太大，导致潮流计算无法收敛，从而没法求出网损值，导致遗传算法无法计算目标函数；(3).实时数据为状态估计后的熟数据，但状态估计数据合格率低于一定水平时禁用遗传算法。
本方法中对遗传算法改进为(a)、遗传算法迭代次数达到T即终止寻优，即终止代数，将当前最优方案输出。
(b)、相邻两次迭代达到最优值之差e达到预先设定值eref。
(c)、达到可以接收该方案的网损减少值λPL。
(d)、达到一定时间间隔强行终止寻优。
(e)、外来终止信号。
改进后，能够保证最优算法收敛。
2.2电压校正采用的是灵敏度直接法在电压越限后，要求校正算法能够尽快给出方案，一般的优化算法都需要几分钟才能计算出来，这显然不能满足电压校正的要求，我们选择了基于灵敏度分析和最小二乘方理论的直接校正算法。采用灵敏度直接进行校正计算，因此具有较小的计算量和较快的计算速度；算法中应用了最小二乘方理论，使求出的校正方案偏离于校正前的经济运行状态最小，从而尽可能的保证了系统的经济运行。
3、电压合格、功率因数与网损之间的协调尽管在数学模型中是以网损最小为优化目标，但在目前电力系统部门考核的是电压合格率和功率因数，所以，当电压、功率因数越限时，如果全网无功优化正在计算，则果断终止寻优过程，直接转入灵敏度直接法的电压校正计算，并通过电容器、电抗器的投切实现电压和功率因数越限的校正；当无功优化程序运行的优化效果不明显时，应当避免发遥控、遥调命令减少补偿设备的动作次数。
4、控制设备动作次数的限制主变分接头开关在一定时限(如一天)内分接头开关操作次数受限，对每个控制变量都要满足动作次数不超过某个上限的约束。正是这个约束增加了无功优化的难度，必须从时间整体上来考虑这些设备的动作，使原本基于单个时间断面的静态无功优化必须从时间整体上来考虑全局优化。
解决上述问题的主要办法是将负荷的变化趋势细分为早高峰爬坡段、早高峰下坡段、晚高峰爬坡段、晚高峰下坡段、低谷爬坡段、低谷下坡段六个典型时段。同时只在典型时段内离散设备(包括主变、并联补偿设备)才参与控制，而连续时段只有发电机参与无功电压的控制(如无发电机则不参与无功电压的控制)。
具体处理方法是在为遗传算法挑选控制变量时，先判断负荷时段，如是爬坡段只将可投的电容器、可切的电抗器作为控制变量，已运行的电容器与已切下的电抗器不作为控制变量。同理，在负荷下坡段只将可切的电容器、可投的电抗器作为控制变量，已停运的电容器与已运行的电抗器不作为控制变量。
(三)本发明的控制方法是结合以下计算机程序流程图来实施的下面结合流程图详细介绍本发明的实施流程步骤2-步骤13为本发明控制方法的第一层决策层-调度中心；步骤14、15、16为第二层监控层-监控站；步骤17-20为第三层最低层-变电站；在流程图中，步骤2、3为电网的实时运行数据采集模块，它从主站调度自动化或者省网调度自动化的SCADA二个渠道得到实际数据；步骤4为数据接口模块，转换步骤2、3中采集的全网实时数据，它包含各个变电站中母线上的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素的参数大小，有载电力变压器的分接头位置，电容器、电抗器的出线开关位置信号及与有载电力变压器、电容器、电抗器有关的继电保护信号；步骤5检测检测点功率因素是否越限或者节点电压是否越限？如果是，则进行步骤6或者7的操作；如果没有，则进行步骤8的操作；步骤6是当用户要检测功率因素指标时，显示当前的指标和希望的指标，对功率因素实施校正；当前的指标指用户通过安装在检测点的功率因素表检测到的数值；希望的指标指用户整定功率因素的数值，一般取0.85-1.0之间。校正是指通过电容器、电抗器的投切，有载调压分接头档数的调节使得当前的指标向着希望的指标逼近，力求达到希望值；步骤7是当用户要检测检测点节点电压指标时，显示当前的指标和希望的指标，对节点电压实施校正；当前的指标指用户通过安装在检测点的电压表检测到的数值，希望的指标指用户整定电压10KV母线的数值，一般取10.0KV-10.7KV之间。校正概念同上；步骤8指当系统的功率因素指标或者节点电压指标都满足要求时，可以进行全网无功优化的计算和操作，以达到全网损耗尽可能少的优化目标，提高系统运行的经济性；步骤9是当校正功率因素时，形成优化方案；步骤10是进行全网无功优化的计算时，求得一个收敛优化算法，如果能求得，直接去步骤13；这里的收敛优化算法是指改进遗传算法；步骤11是在节点电压越限后，要求校正算法能够尽快给出方案，选择了基于灵敏度直接法的分析方法(解释见后)；步骤12是针对步骤10当得不出一个收敛的最优算法时，可以采用逆调压处理的方法，即在系统高峰负荷时系统实施电压下限运行，而在系统底谷负荷时系统实施电压上限运行的方式；步骤13是对步骤9、10、11、12四种状态进行因果决策，形成对应的控制命令或者目标；步骤14、15、16是本发明控制方法的第二层监控层-监控站；所有在第一层形成的命令或者目标都要以遥控遥调命令的形式通过这些监控站下发出去，接着又把从各个变电站反馈回来的新的遥测遥信数据收集和传递给步骤21；步骤17、18、19、20是本发明控制方法的第三层最低层-变电站；它执行各个监控站下达的遥控遥调命令，操作对应设备，以满足系统的目标函数和约束条件的要求；步骤21是新的遥测遥信数据库；重复步骤4-21；经过信息流步骤22，，形成一个闭环系统，循环往复，以保证系统能周期、自动运行。
要说明的是上述监控站和变电站的个数可以增加或减少，各监控站之间、各变电站之间信息可以互通，图中双箭头表示反馈的数据流。
步骤11中灵敏度直接法的原理是系统稳定时的运行方程可以写成F(X，U)＝0其在平衡处线性化处理后对上式可以得出
上式中，X为控制变量，U为状态变量。
Pu就是电压控制灵敏度矩阵，它反映了电压控制区域内控制变量与状态变量之间的变化关系。
ΔU当前运行状态与平衡点状态的差量。
通俗地讲，就是根据计算结果，获得状态变量对控制变量的灵敏数值大小，指出那一状态变量对控制变量的灵敏程度，从而决定先动作那些设备来达到校正的目的。
本发明方法借助于分级递阶控制的技术，整体计算、递阶决策、分级控制、协调管理，较好地解决了调度中心/监控中心结构模式下的无功电压优化运行自动控制的问题。
四
附图一种分级递阶无功电压优化控制方法的计算机程序流程框图。
五、实施案例本发明提出的“一种分级递阶无功电压优化控制方法”已经在福建省福州供电公司调度中心获得应用，收到了很好的效果，从而证明了提出本发明的的实际应用水平及价值。
1.福州地调电网管理结构表1为福州地调电网管理结构，地调设立一个调度中心，下设5个监控中心站，分别是通湖、新港、晋安、马尾、仓山，每个监控中心站又分别管理若干个变电站。
表1监控中心站变电
经过对福州全网接线图的分析，可以得知(1).各监控中心站的监控范围是按照行政区域划分的，而不是按照电网的结构来划分的。
(2).有些变电所完全分开运行。如新港变1#变压器和2#变压器分开运行，新港变2#变压器虽然属于新港中心站监控，但却是由北郊变1#变压器供电；五四变1#和2#主变由通湖中心站监控，但此时却是由东郊变供电。
(3).110kV变电所由哪个220kV变电所供电是由电网实际运行状况决定的。
2.全网整体优化计算(1)利用改进遗传算法进行全网无功优化的计算，并由计算提出220kv对110kv连接点在各个时间段满足省局对功率因素考核要求的下一层优化控制目标。
(2)进行不同变电所的电容器投切和有载变压器分接档位调节影响各节点电压及全网网损的灵敏度分析。
(3)进行全网范围内电容器、电抗器和有载变压器调节的动作优先级排队。
(4)当10Kv节点电压在合格范围内时，并不仅仅满足这一目标，而是进行潮流二次计算，调节各个电容器投切状态，尽量使全网各点实现逆调压，达到总线损率最小的目的。
3.递阶决策与控制(1).根据潮流和无功优化计算的结果，依据分级递阶无功电压控制方案，采用专家系统和模糊理论建立符合全网网损尽量小，电压合格率尽量高的优化及控制判断规则；由福州市调度主站向各个监集控中心中心站下发下一层优化控制目标，(2).在各监控中心中心站内，借助于本站内调度系统自动化系统的遥调、遥控功能，实施电容器投切和有载变压器分接档位调节的控制，以达到福州市调主站下发优化控制目标的目的，4.控制效果比较表2为2003-3-23全天电容器投切和有载变压器分接档位调节操作成功历史命令；表3为2003-3-2310kV母线电压合格率。由表可见，十三个变电站一天中电容器投切和有载变压器分接档位调节总次数不超过33次，而带来的效果是所有10Kv母线一天中的电压合格率达到100％，以达到全网优化控制的目标。
表2、2003-3-23全天设备操作成功历史命令
表3、2003-3-23 10kV母线电压合格率。
5、协调管理各个监控中心站控制系统作为服务方，福州市调度中心浏览器为客户方，，调度中心能浏览各个中心站有关本系统的所有控制信息，并能通过本系统直接对各个监控中心站的电压质量、设备动作次数、功率因数进行考核。同时各个监控中心站之间又互为服务方和客户方的关系，所以凡是与本系统有关的信息资源可以实现共享与管理。
6.结论调度中心/监控中心站结构的无功电压优化运行自动控制模式中采用分级递阶理论和技术，较好地解决了这一管理模式下的调度权与监控权分开、各中心站具有独立的控制权模式情况下实施无功电压优化运行自动控制遇到的问题，既不改变大、中型调度中心现有的管理模式，又能实施无功电压优化控制，是值得研究与实践的新技术。
权利要求
1.一种递阶无功电压优化控制方法，其特征在于该方法的控制步骤如下步骤2-步骤13为本发明控制方法的第一层决策层-调度中心；步骤14、15、16为第二层监控层-监控站；步骤17-20为第三层最低层-变电站；在程序流程中，步骤2、3为电网的实时运行数据采集模块，它从主站调度自动化或者省网调度自动化的SCADA二个渠道得到实际数据；步骤4为数据接口模块，转换步骤2、3中采集的全网实时数据，它包含各个变电站中的母线上的电压、电流、有功、无功、功率因素的参数大小及有载电力变压器的分接头位置，电容器、电抗器的出线开关位置信号；步骤5检测功率因素是否越限或者节点电压是否越限？如果是，则进行步骤6或者7的操作；如果没有，则进行步骤8的操作；步骤6是当用户要检测功率因素指标时，显示当前的指标和希望的指标，对功率因素实施校正；当前的指标指用户通过安装在检测点的功率因素表检测到的数值；希望的指标指用户整定功率因素的数值，一般取0.85-1.0之间。校正是指通过电容器、电抗器的投切，有载调压分接头档数的调节使得当前的指标向着希望的指标逼近，力求达到希望值；步骤7是当用户要检测检测点节点电压指标时，显示当前的指标和希望的指标，对节点电压实施校正；当前的指标指用户通过安装在检测点的电压表检测到的数值；希望的指标指用户整定10KV母线的电压数值，一般取10.0KV-10.7KV之间，校正概念同上；步骤8指当系统的功率因素指标或者节点电压指标都满足要求时，可以进行全网无功优化的计算和操作，以达到全网损耗尽可能少的优化目标，提高系统运行的经济性；步骤9是当校正功率因素时，形成优化方案；步骤10是进行全网无功优化的计算时，求得一个收敛优化算法，如果能求得，直接去步骤13；这里的收敛优化算法是指改进遗传算法；步骤11是在节点电压越限后，要求校正算法能够尽快给出方案，选择了基于灵敏度直接法的分析方法；步骤12是针对步骤10当得不出一个收敛的最优算法时，可以采用逆调压处理的方法，即在系统高峰负荷时系统实施电压下限运行，而在系统底谷负荷时系统实施电压上限运行的方式；步骤13是对步骤9、10、11、12四种状态进行因果决策，形成对应的控制命令或者目标；步骤14、15、16是本发明控制方法的第二层监控层-监控站；所有在第一层形成的命令或者目标都要以遥控遥调命令的形式通过这些监控站下发出去，接着又把从各个变电站反馈回来的新的遥测遥信数据收集和传递给步骤21；步骤17、18、19、20是本发明控制方法的第三层最低层-变电站；它执行各个监控站下达的遥控遥调命令，操作对应设备，以满足系统的目标函数和约束条件的要求；步骤21是新的遥测遥信数据库；重复步骤4-21；经过信息流步骤22，，形成一个闭环系统，循环往复，以保证系统能周期、自动运行。
全文摘要
本发明公开了一种分级递阶无功电压优化控制方法，它是通过计算机程序进行自动控制，在程序流程中，步骤2－13为本发明控制方法的第一层－调度中心，步骤14－16为第二层监控中心－监控站；步骤17－20为第三层最低层－变电站；调度中心组织对各监控中心进行检测和考核，各监控中心则直接形成和下达控制命令，利用实用的优化判断方法，实时控制各监控中心电网内所有变电站的电容器、电抗器投切和有载变压器分接开关挡位调节、以达到全网网损率最小，各节点电压合格率最高，所有主变压分接头动作次数最少，所有电容器、电抗器投切最合理的目的；从而解决了调度中心/监控中心模式下的无功电压优化运行的自动控制问题。
文档编号H02J3/16GK1937347SQ20061009684
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者丁晓群, 周玲, 马春生, 廖亨利, 丁颖 申请人:河海大学