朱文灏，郭其一，王杰（.同济大学电子与信息工程学院，上海　20804；2.上海施耐德低压终端电器有限公司，上海　2009；.国电南瑞科技股份有限公司，江苏　南京　2006）

基于设备动作诊断的智能电网AVC控制策略研究

朱文灏1，2，郭其一1，王杰3
（1.同济大学电子与信息工程学院，上海201804；2.上海施耐德低压终端电器有限公司，上海201109；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210061）

在传统AVC分级分区控制策略的基础上，加设了负荷预测环节和考虑设备当前状态电气控制属性诊断环节，使控制策略更加具有预见性，并根据设备的运行状态实现超前控制，减小了设备动作延时。此系统已投入电网实际运行，实验结果表明该系统对提高地区智能电网电压合格率、优化无功有较好的效果。新系统优化了设备动作次数，显著减小了因设备频繁动作导致的设备损坏事故，提高了设备使用寿命。

AVC；负荷预测；超前控制；动作诊断

1　引言

电压质量是反应电力系统运行状况的重要参考因素［1］，同时，电压质量对整个电网中工作的设备都有影响。随着电力系统自动化及通信技术的快速发展，基于EMS/SCADA系统的电网自动电压控制（AVC）技术应用日益普遍，对电力系统进行实时有效的无功补偿，从而构建出能够保证智能化电网安全高效运行的技术方法［2］。

目前，在传统的电网AVC中，主要是针对电力系统当前时间断面的状态，没有考虑历史经验和未来变化趋势［3-4］。因此，不可避免地出现设备频繁投切、设备利用率不高等现象，设备动作次数不能得到优化。文献［5］给出了一种考虑负荷变化趋势的电压无功控制思路，但其并未考虑设备的动作状态以及最大动作次数的约束。文献［6］主要研究了采用加速和惰性因子，来进行分析无功持续越限时间、连续动作时间间隔以及电压，最终提出了应用判定设备运行状况的诊断函数（可动作或者不可动作）的方法，这种方法有效的防止了变压器分接头和电容器/电抗器组频繁开关动作，但该方法产生了至少十分钟的延时，不利于AVC实时有效的无功电压控制。

综合自动化系统在当前的变电所应用更加的广泛，这就方便实现电网监测的实时化，并且能够在相应的阶段将历史负荷数进行存储。此外，综合自动化系统的推广能够实现超短和短时间内的负荷预测。本文研究在传统分级分区控制策略的基础上，综合考虑负荷变化趋势并加入考虑变压器分接头和电容器/电抗器组当前状态电气控制属性诊断环节，提出一种基于设备动作诊断的AVC控制策略，使控制策略具有预见性，根据设备的运行状态实现超前控制，在整个时间序列上优化设备动作次数，提高设备利用率和设备使用寿命。

2　无功优化模型

完整的动态无功优化模型的构建应当计及变压器分接头和电容器/电抗器等补偿装置投切开关的动作次数约束，同时，需要结合设备在工作过程中存在的变量离散特性，该特性实际上属于混合非线性整数规划范畴的研究问题。

在系统中假设共有节点的数目为n，有载调压变压器的台数为u，可调发电机的台数为m，同时，可投切电容器/电抗器组装设在r个不同的节点上。按照每五分钟为1段的标准，从而对整个电网母线的全天有功无功变化曲线进行划分，按照该标准共划分287段，于是以系统全天电能损耗最小为目标的无功优化模型可以描述为［7］:

式中:f（x1（t），x2（t），x3（t））为第t个时间段的电网有功损耗；g（x1（t），x2（t），x3（t））=0为第t个时间段的节点功率平衡方程，g（x1（t），x2（t），x3（t））∈R（2n）；x1（t）=为第t个时间段由离散变量构成的列向量x1（t）∈R（p），p=r+u；QC（t）为第t个时间段可投切电容器/电抗器组的无功出力列向量，QC（t）∈R（r）；为第 t个时段有载调压变压器的变比列向量，为第t个时间段由连续变量构成的列向量，x2（t）∈R（q），q=m+n；QG（t）为第t个时间段发电机的无功出力构成的列向量，QG（t）∈R（m）；U（t）为第t个时间段各节点电压幅值构成的列向量，U（t）∈R（n）；x3（t）=［PG（t），θ（t）］T，x3（t）∈Rq，q=m +n，PG（t）为第t个时间段发电机的有功出力构成的列向量，PG（t）∈Rm，θ（t）为第t个时间段各节点与平衡节点相位差构成的列向量，θ（t）∈R（n），x3（t）∈Rq。Cx1为由控制设备（有载调压变压器和电容器/电抗器）最大动作次数约束值构成的列向量，Cx1∈Rp；Sx1为对角矩阵，其对角元素分别对应于电容器/电抗器组无功出力或有载调压变压器变比的调节步长，Sx1∈R（p×p）。

式（4）为可投切电容器/电抗器组和有载调压变压器分接头在一天内的动作次数约束。可投切电容器/电抗器组（或有载调压变压器分接头）在每一时间段的动作次数能够解释为以下内容:在某一时刻的结束点和开始点的无功出力绝对差值，再除以相应的调节步长［8］。

3　AVC控制模式

以上叙述的模型中存在诸多的不等式和等式约束，同时还包括离散变量，属于复杂的非线性规划问题。文献［7-9］均采用原对偶内点法，以求获得无功优化的全局最优解。然而，在实际中无功控制手段存在差异性，同时受到作用效果非线性和分布局部性的影响，获得无功优化结果较为困难，不能采用类似于传统等网损微增率问题处理方式，这就影响了实际应用效果。本文中的地区电网AVC借鉴了传统分级分区思想，以实现提高电压合格率、降低网络损失为目标，建立计及设备动作次数约束的控制模型。

AVC系统根据电力系统电压无功空间的分布状态通过PAS网络建模进行分级分区，控制模式优先考虑先“区域电压优化控制”的模式，如果该控制不符合要求就可以采用“各级电压校正控制”的模式，若以上两种模式均不符合要求，就可以使用“区域无功优化控制”模式。区域电压较低或较高时，首先采用“区域电压优化控制”模式，快速优化校正系统中枢点母线电压水平；若各级电压越限，则采用各级“电压校正控制”模式，首先保证节点电压水平合格；全网的电压水平合格时再考虑经济运行，采用“区域无功优化控制”模式［11］，如图1所示。

根据以往的电压调整情况分析，优化区域电压控制与就地电压控制策略相互配合，通过动作一次中枢变电站的调压设备来实现整个片区电压合格，避免下级子站分别动作，可以有效地减少分区中下级站设备的动作次数。

图1　AVC控制模式工作图

4　加设环节

4.1负荷预测环节

自动化控制系统能够促进变电所的工作质量，同时，由于具备大存储和再见检测的特点，这就能够实现更加准确的掌控电网负荷数据，给出电网负荷未来的变化趋势［12］。

设无功补偿控制装置的动作延时定值为Ts，则电压无功越限后，就可以借助采用预测获得负荷曲线，计算出在分析中电压无功越限持续时间ΔT。并且，通过计算出持续时间ΔT，按照该值的大小进行评估投切电容器/电抗器组以及变压器分接头是否需要调整。IEEE中针对电能质量和电磁现象进行了详细的归类划分［13-14］，根据这些数据可知，通常认为短时电压变动范围为3s～1min，则可以令TS等于60s，在此过程中不需要考虑变压器分接头调节对无功的作用，然而，当持续时间小于60s，此时的变压器分接头就不需要产生任何动作；如果无功和电压越界持续时间都小于60s时，此种情况下电容器/电抗器组暂不动作［5］。

表1　设备动作判据分析

基于全天各时段负荷水平以及变化趋势等辨识结果，研究超前控制策略，使多时间断面的设备动作前后协调，过滤电压无功的抖动，在满足电压无功运行目标的前提下减少设备动作次数和动作延时。

4.2设备电气属性诊断环节

为了防止设备动作太频繁而过早地失去调控能力，提出设备动作次数均衡环节。在设备动作均衡环节，文献［6］把设备最大允许日动作次数Nmax在一天内进行了24时段的等距分配，未考虑实际负荷的变化情况以及变压器分接头与电容器/电抗器等不同设备的调压特性。本文则根据实际的电网运行状况，选择合适的控制对象和优先级，将Nmax在一天内根据负荷预测的变化情况进行权重分配。

图2　日无功负荷曲线图

由图2可以看出，一般情况日无功负荷分为低谷和高峰负荷时间段，其中，低估负荷时间段为在当天晚上23点值第二天早八点，相应地，高峰负荷时期为早上8点到晚上23点。同时，考虑到低谷负荷时期实现系统容性无功的平衡，就可以同时投入多组的电抗器，因此电抗器组在低谷负荷期分得的动作次数应该多一些。类似地，高峰负荷时期也应投入多组电容器。所以，电容器组在高峰负荷期分得的动作次数应该多一些。本文将权重比取为4∶1，即在高峰（低谷）负荷时期，电容器组（电抗器组）的动作次数占全天动作次数的80%。

根据变压器的分接头不同的调整特性，可将变压器的分接头最大允许日动作次数Nmax进行了24时段的等距分配。

对于以下三种情况:

（1）由AVC系统通过遥控接口下达的设备再次动作要求时间差小于设备最短允许间隔时间。

（2）计数器统计的某电气设备的动作次数达到所在时间段所分配的次数。

（3）计数器统计的设备当天动作的总次数达到设备最大允许日动作次数Nmax。

对各变压器分接头，电容器/电抗器组等设备进行电气属性诊断，当出现上述三种情况中的任何一种时，自动闭锁该设备即诊断结果为不可动作。

5　案例分析

将本文加设的负荷预测环节与设备状态诊断环节应用到某市智能电网电压无功优化控制（AVC）系统的设计研发中。AVC系统流程图如图3所示。

AVC与 OPEN3000 EMS平台一体化设计，从SCADA获取实时采集数据，并结合超短期负荷预测值，从PAS网络建模获取控制模型，以电压合格率最高和全网网损最小为目标，以各考核母线的电压、功率合格和电容器/电抗器与变压器分接头两类控制设备的动作次数最少为约束条件，经过计算和分析全网无功电压优化问题，在此过程能够实时发布控制方案，并且能够结合SCADA遥控遥调功能，针对系统中的电容器/电抗器组和变压器分接头的进行闭环控制［15］。

图3　智能电网AVC系统流程图

表2　AVC投入前电网运行结果分析

表3　AVC投入后电网运行结果分析

由表1和表2可见，由于本文加入了负荷预测的超前控制方案，可以有效的过滤掉变化时间很短的负荷“抖动”，显著的减少了设备的动作次数。AVC系统投入后，动作次数优化比例达到30%。

由于加入了设备的电气属性状态诊断环节，合理的根据实际负荷的变化情况以及变压器分接头与电容器/电抗器等不同设备的调压特性分配不同时间段的动作次数，并及时的对设备进行闭锁，可以有效的对设备进行安全的操作。同时，该地区电网的电压和功率因数的合格率也得到了显著提高，这是由于控制策略中有效地结合了系统负荷预测的结果，根据负荷变化趋势确定进行无延时控制。

6　结语

本文通过研究智能电网负荷预测，提出了电压无功超前控制策略，能够根据电网负荷预测进行对符合变化进行自行划分，并根据不同的负荷趋势确定设备最大允许日动作次数在不同时间段的权重系数。同时，通过使用计数器约束了系统动作次数，并且结合了设备实时运行状态的控制属性，建立告警事件和保护事件库，及时的将电气设备自动闭锁。该策略避免了一次设备的频繁动作，优化电气设备的调节次数，降低设备损坏风险，延长使用寿命，体现了控制的智能性。通过在实际电网中的应用，证明该系统能够实现可靠和稳定的工作，并增加智能电网的效益。

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Analysis on Power Grid AVC Control Strategy Based on Equipment Action Diagnosis

ZHU Wen-hao1，2，GUO Qi-yi1，WANG Jie3
（1.Electronics and Insformation College，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Shanghai Schneide Low Voltage Terminal Apparatus Co.，Ltd.，Shanghai 201109，China；3.Nanduan Science and Technology
Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China）

On the basis of hierarchical&zonal control strategy of conventional AVC system，a load predication process and a diagnosis process for current electrical control status were added to enhance the predictability，realizing the advanced control and reducing the equipment action delay comparing to the current status.This system has been put in application of smart grid，and the experimental results shows that the new system possesses a excellent effects in increasing the qualified rate of regional network voltage and in enhancing the reactive power optimization.The new system optimized the equipment action times，and substantially reduced the equipment damage accidents due to the over-frequent actions and thus increasing the equipment life span.

AVC；load prediction；advanced control；action diagnosis

TM71

B

1004-289X（ 2015） 06-0013-05

2014-12-15

朱文灏（1977-），男，高级工程师，博士研究生，研究方向：智能电网用户端信息系统安全性可靠性；郭其一（1961-），男，教授，工学博士，博士生导师.主要研究方向为电气工程及其自动化。