配电网混成电压控制系统指标体系设计与应用

王哲， 陈颖， 梅生伟， 李锐

(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084)

0 引言

随着国民经济的增长，我国的电力工业发展迅速，无论是装机总量还是网架建设都取得了长足的进步。然而，用户对高质量、不间断服务电能的需求越来越高，同时供电企业的利润空间受到电价政策和供电区域市场容量的限制。如何在确保系统的安全与稳定和电能质量的同时，提高经济效益，是电力系统的运行面临的新挑战。

配电网作为向用户供应和分配电能的重要环节，直接体现了整个电力系统对用户的供电能力和质量。因此，加强配电网的建设与管理，对于经济发展和社会稳定都具有非常重要的意义。目前许多国家在关注智能的、自动化的配电网［1－2］，以期利用各种先进的自动化技术、通信技术、信息技术以及现代管理理念和手段，实现系统安全、经济和优质的多目标优化运行。

为了实现上述目标，需要对系统的安全性、经济性水平和电能质量进行有效的衡量与评估。本文在考虑系统安全性、经济性和电能质量等控制目标的基础上，构建了针对配电网多目标趋优电压控制的指标体系。由此指标体系出发，可判断混成控制中的事件是否发生，进而驱动控制逻辑，使得系统始终处于多目标趋优运行状态。

1 混成电力控制系统基本原理

如果把现有电力系统中所有的控制目标和约束条件综合考虑，将得到一个非常复杂的多目标优化问题，很难直接用纯数学的方法求解。混成自动控制理论为解决上述问题提供了新的途径，其基本思想是:将一切不满足要求和不满意的状态都分类地定义为事件，评定事件类型，通过控制使得系统回归至无事件状态，则系统的各项指标一定是足够满意的。

混成电力控制系统的基本结构如图1所示。这种基于事件驱动的概念和方法在电力系统中得到了实际应用，并取得很好的效果［3－5］。

图1 混成电力控制系统结构示意图Fig．1 Frame of hybrid control in power system

指标体系在混成控制的决策和执行过程中扮演着重要的角色，其作用主要体现在以下几个方面:首先，对于决策层，如何选取评价指标，将直接影响事件的触发判断，进而影响后续的控制行为;其次，对于操作层，指标要作为优化模型的目标函数，其选取和计算将影响到整个优化问题的求解过程和结果;再次，对于执行层，为了验证控制的效果，在控制设备执行完操作指令后，还需要对系统新状态的指标进行校验;此外，通过指标在一段时间内的统计信息，还可找出电网运行中的薄弱点，从而有针对性地进行改造建设，尽可能达到电网整体效益的最大化。

文献［3，5］分别提出了无功/电压和有功/频率两类混成电力控制系统，同时为了适应事件驱动的要求，构建了用于各类事件触发判断的指标体系。这些工作主要针对输电网而提出。

相对输电网络，配电网有其自身特点，例如①配电网的网络结构呈辐射状，其电压控制要分区分层进行，要协调兼顾不同区域之间和不同电压等级之间的相互影响;②配电网中需要更加关注网损和电压质量问题;③配电网的主要控制设备是可投切电容/电抗器和有载调压变压器分接头，均为离散调节设备，时间常数大，且不可频繁动作;④配电网的自动化和信息化水平不高，往往会导致量测数据质量较差等。因此，构建配电网混成电压控制系统，不能完全照搬输电网的经验，必须构建一套有针对性的、合理的指标体系。

2 配电网混成电压控制指标体系设计

2.1 基本思路

配电网混成电压控制指标体系包括安全稳定性、电压质量、经济性三个方面。为了更加适应配电网混成自动控制的需要，确保事件判断与控制决策的正确性、合理性，指标体系的构建遵循如下基本思路:

第一步，指标的选取。每一个控制目标都有多种评价指标可供选择，在混成控制中，指标作为事件触发的在线判据，首先应强调实时性，要便于测量、计算简单，另外指标与控制量之间的关系要直接明确，因此那些难于量测、计算复杂度高或者与控制量之间关系不确切的指标都不适合。

第二步，指标的归一化。传统的指标，都是定性给出系统状态合格或者不合格，而无法给出具体的量化信息。利用模糊理论，能够更全面、真实、自然、量化地反映电能质量的性质［6－7］。本文借鉴这种思想，把所有的指标均转化为模糊理论中的满意度，取值范围在0～1之间，于是在进行事件判断时，不再是简单给出满意或不满意，而是具体的给出满意度大小。这样一方面可以消除各物理量之间量纲不一致的问题，将不同优化控制目标统一到相同的尺度进行度量和评估，提高指标对不同系统的适应性;另一方面，当系统处于满意和不满意之间的“过渡状态”时，可以根据情况选择是否进行控制，这在一定程度上能够减少不必要的设备动作，降低设备损耗。

2.2 安全稳定性指标

与输电网相比，配电系统电压等级低、动态元件少，一般认为配电网稳定问题主要是静态电压稳定。目前关于静态电压稳定性指标的研究已有很多工作［8－10］。其中，文献［8］提出了一种易于计算的电压稳定性指标，母线i的稳定性定义为

将指标(1)归一化，得到安全稳定性指标

式中 i=1，2，…，n。

综上，IS指标的计算只需要用到雅克比矩阵相关元素和母线电压，非常方便，并且在不同的种负荷水平下都能保持良好的鲁棒性［8］，因而适合作为配电网的安全稳定指标。

2.3 电压质量指标

针对配电网中最关心的电压质量问题，采用文献［6］的评价指标作为电压质量指标:

1)母线电压满意度。传统的调度控制方式主要关心母线电压越限的情况，而忽略了母线电压接近上限或下限运行的状态。单个母线i的电压满意度为

其中:V表示母线实测电压;VL1、VH1分别为电压的下限和上限;VL2、VH2分别为接近下限和上限的给定值。系统电压正常时，满意度为1;当电压接近上下限时，满意度逐渐下降;当电压越过上下限时，满意度降为0。

2)整体电压满意度。在单个母线电压满意度的基础上，可进一步得到系统的整体电压满意度为

其中，Q(Vi)是母线i的电压满意度;λi是对应的权重系数，反映了用户对该母线关注的程度。一般而言，在配电网中，运营方更关心带有负荷的低压侧母线电压，因此这类母线权重系数较大。

2.4 经济性指标

网损是衡量电网运行经济性的主要指标，合理调节系统的电压和无功水平，能有效降低线损，对提高系统的经济性具有非常重要的意义。

将网损进行归一化，选取经济性指标为

其中:IE为运行经济性指标;PL为实际网损;PLopt为该断面的最优网损。通过以网损最小为目标的最优潮流(optimal power flow，OPF)计算得到，PLmax是可接受的最大网损。

该指标采用当前潮流断面的实际网损与理论最优网损之间的差距来衡量电力系统运行的经济性。对配电网而言，若网损偏离最优点超过10%以上(即PLmax=1.1PLopt)，认为此状态不可接受。

2.5 指标的评判标准

在配电网混成电压控制系统中，上述各类指标及其评判标准如表1所示。表中各指标的事件触发阈值是参考值，在实际运行过程中可根据情况和历史经验来设置调整，以确保事件能够在恰当的实际被触发，这样形成的控制指令才能更加及时有效。

3 配电网混成电压控制逻辑求解

应用指标体系对系统状态进行判断，若产生事件，则需要启动事件处理流程。针对某一类事件所产生的控制策略，在执行调节的过程中可能会影响其他的指标，使其恶化，严重的情况下甚至会引发生成其他类型的事件，这种顾此失彼的调节显然是没有意义的。

为了综合考虑调节对各种指标带来的不同影响，尤其是当有多个事件同时产生的情况，需构建多目标优化问题的数学模型并求解，这方面的算法研究工作有很多［11－13］。然而，这些算法求解速度较慢，难以在线应用，因此，提出了的实用的多目标趋优求解思路。

第一步，判断是否产生事件。根据系统初始状态计算各个指标，判断是否有事件发生，并将当前发生的事件集合记作

其中，ES，EQ，EE分别代表安全稳定性事件，电压质量事件，和经济性事件。通过指标体系和系统状态判断系统中是否有事件发生，若发生电压质量事件，则EQ=1，反之EQ=0(ES和EE类似);

第二步，建立描述事件的优化问题。若有事件生成，即E≠{0，0，0}，则建立多目标优化问题模型为

其中目标函数是各类事件对应的指标;X为待求解的控制变量，包括电容/电抗器的投切量和变压器分接头的档位等;G(X)是潮流方程的等式约束;H(X)是变量上下限所要满足的不等式约束;

第三步，求解优化问题以消除事件。由于IS，IQ，IE均为无量纲的满意度指标，且取值范围都在0～1之间，可采用满意度最大法进行求解:定义变量λ，在保证所有指标都不小于λ的前提下，使得λ尽可能最大化，即将原优化问题式(7)转化为式(8)，即

当λ尽可能大，则能保证多个指标同时满足一定要求，从而实现整体的多目标趋优控制。

4 算例测试

以南方某市一个供电区域的配电网实际系统为例，如图2所示，该系统中共有1个220kV母线(A1)，4 个110kV 母线(A2，B1，C1，D1，E1) 和 10 个10kV母线。控制变量包括所有10kV母线所连的可投切电容器组，以及所有110kV变电站的有载调压变压器分接头。

图2 应用算例网络图Fig．2 Network of testing system

选取某一时刻实际量测作为初始状态进行分析:该状态下系统负荷较轻，系统电压质量较高，安全稳定性指标和电压质量指标都处于满意状态，但经济性指标偏低，故产生经济性事件。若仅考虑改善经济性指标，进行单目标优化控制，则控制后安全稳定性指标和电压质量指标都会下降;若按照式(8)的方法进行协调优化控制，则安全稳定性指标和经济性指标同时得到改善，电压质量指标虽有所下降，但尚处于可接受范围内。表2是不同控制策略的效果比较。

表2 轻负荷状态控制前后指标对比Table 2 Comparison of indicators for light load status

选取另一时刻实际量测作为初始状态进行分析，该状态下系统负荷较重，系统电压质量指标和经济性指标均偏低，同时产生电压质量事件和经济性事件。按照式(8)的方法进行协调优化控制，控制前后结果比较如表3所示，电压质量指标和经济指标均得倒改善，恢复了无事件状态，同时安全稳定性指标也得到了提高。

表3 重负荷状态控制前后指标对比Table 3 Comparison of indicators for heavy load status

进一步，再次调整系统状态，使得系统负荷增加50%。该状态下系统电压质量指标和经济性指标均严重偏低，同时产生电压质量事件和经济性事件。按式(8)的方法进行协调优化控制，控制前后结果比较如表4所示:电压质量指标和经济指标虽得到改善，但电压质量指标依然未能恢复至无事件的满意状态，说明在这种恶劣的情况下，仅靠对现有设备的调节已经不足以支持负荷的增长，系统长期运行在这样的状态将是非常危险的，需加大无功补偿和电网的投资建设。通过安全稳定性指标对应的母线(B3)，可进一步判断出电网安全稳定运行的薄弱区域(变电站B)。

表4 超重负荷状态控制前后指标对比Table 4 Comparison of indicators for overload status

表5给出了在不同负荷状态下，求解协调优化问题得到的各控制变量变化值。

表5 不同状态的控制措施Table 5 Operations of control devices for different status

5 结论

从安全稳定性、电能质量、经济性等控制目标出发，本文建立了用于判断事件和形成控制的配电网混成电压控制系统指标体系。指标的选取以简单易测、便于计算、与控制量关系明确为原则，能够满足工程实用化的需求。所有指标采用无量纲的相对量进行标幺化，取值范围都在0～1之间，使各控制目标能在同一尺度下进行评判和优化。将该指标体系应用于实际配电网混成电压控制系统，测试结果验证了指标体系作为事件触发判据和优化控制目标的正确性和实用性。

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