自律分散式AVC系统在地区电网中的应用

杨洪耕， 马继山， 袁志坚

(1.四川大学电气信息学院， 成都 610065； 2.德阳电业局， 德阳 618000)

自律分散式AVC系统在地区电网中的应用

杨洪耕1， 马继山1， 袁志坚2

(1.四川大学电气信息学院， 成都 610065； 2.德阳电业局， 德阳 618000)

针对传统集中式AVC系统存在的问题，结合自律分散系统的思想，提出正常情况下集中控制与故障情况下自律分散控制相结合的控制模式，构建了地区电网自律分散式AVC系统；在地区电网内部进行分区，将大规模地区电网的无功优化问题分解为若干小规模子系统的优化问题，对粒子群算法进行改进，采用多线程技术实现各区域并行计算；并结合地区电网的实际情况，确立了AVC系统的省地协调控制策略；运行分析表明，该系统可有效地改善电压品质，降低网损，提高经济效益。

自动电压控制； 自律分散控制； 粒子群算法； 多线程并行计算； 协调控制；

电力系统电压无功优化控制关系到保证供电质量、满足用户无功需求, 同时可以降低有功损耗，提高电网运行的经济效益。随着调度自动化系统SCADA(supervisory control and data acquisition)的普及，自动电压控制AVC系统在电网无功电压调节方面发挥着越来越重要的作用。

目前国内地区电网AVC系统常采用集中式控制结构[1～5]，即实时采集全网数据进行分析计算，得出无功电压调整方案后自动下发至各子站执行。集中式控制能实现全网电压无功优化，但在系统可靠性方面存在不足。一旦中心系统因故障原因终止运行，则整个系统不能正常工作。对规模较大的地区电网，由于控制变量数量大、层次多，全网集中优化在计算速度和内存需求方面均难以满足电网在线计算和实时控制的要求[6]。

为解决集中式AVC系统中存在的问题，本文结合自律分散系统的思想[7，8]，利用多线程技术，构建了地区电网自律分散式AVC系统。基于无功优化目标函数中网损与节点电压无功的相关性，对粒子群优化算法(PSO)[9]进行改进，动态自适应调整罚因子，改善了寻优效果。计及省地AVC协调控制要求，确立了省地AVC协调控制策略。

1 自律分散式AVC系统

1.1 系统结构

自律分散式AVC系统由地调AVC系统和县调AVC系统构成，其中地调AVC系统运行在地区调度中心。每个县调集控站运行一套县调AVC系统。省地AVC及地县AVC间采用集中控制与自律分散控制相结合的控制模式，其控制结构见图1。

图1 地区电网自律分散AVC系统控制结构图

地区电网AVC系统除满足本地电网电压无功安全经济运行外，仍须实时追随省调给出的协调变量设定值。若省网AVC系统因故障退出运行，则地区电网AVC系统自动转为就地控制，按照预设限值进行控制。

地县间通讯正常时，AVC系统为地调计算模式，县调AVC系统负责接收地调AVC系统的控制命令，并将其转发至SCADA系统，完成对设备的闭环控制。

若地调AVC系统出现故障,则系统自动将各区域转为县调计算模式。县调AVC系统根据本地实时数据及电网参数直接对所辖电网进行优化计算，将控制策略发至SCADA执行。从而实现故障情况下电网控制权的切换，最大限度地保障了系统安全可靠运行。

地调AVC系统恢复正常后，各县调AVC系统自动转为地调计算模式，同时县调AVC系统将本地数据库更新汇总到地调数据库。

1.2 系统功能体系

地调AVC系统和县调AVC系统作为自律分散系统中的子系统，图2为地调及县调AVC系统主要功能模块和各模块间相互关系。

地调及县调AVC系统均包括自行开发的实时数据库和商用数据库，前者侧重实时数据，访问速度快；后者用于保存静态数据和历史数据，可靠性高。各县调数据库中包含县调集控站所辖本地电网数据，地调数据库则将全网数据库进行汇总，县地间数据库保持同步更新。用户可通过模型维护平台完成系统建模，模型保存在商业数据库中。系统核心为分析计算和用户监控两个模块，包含如图2所示若干子功能。所有控制日志和历史数据都保存在商用数据库中，可通过用户监控平台查询和分析。

图2 地区电网自律分散AVC系统功能体系

2 无功电压优化控制

2.1 目标函数

本文以包含能损费和调节代价的运行费用最小为目标[6]，同时引入对PQ节点电压幅值和省网关口节点注入无功的惩罚项，构成的扩展目标函数为：

(1)

式中：Ploss为系统的有功损耗；NPO、NB、NT、NC分别为PQ节点个数、省网关口节点数、可调变压器数和补偿电容器节点数；Ui、Uimax、Uimin分别为PQ节点电压、电压上限值和下限值；Qi为关口节点无功，Qimax、Qimin为无功上限值和下限值；λvi、λqi分别为电压罚因子和无功罚因子；ΔXTi、CTi分别为变压器抽头变化量和调节成本，ΔXCi、CCi分别为电容器组数变化量和调节成本；同时式(1)要满足潮流平衡方程约束。

2.2 动态调整罚因子

本文根据适应度函数对每个节点电压无功的灵敏度，分别求取其对应的罚因子，实现了罚因子的动态自适应调整。

式(1)中，网损如式(2)所示：

(2)

单独考虑式(1)中第一项和第二项，对电压Ui求偏导，令偏导数为零，以λVi绝对值作为节点i处的电压罚因子，如下所示：

2Ujcosθij)+2λUi(Ui-Uilim)=0

(3)

式中：n为系统节点数目；j∈i表示节点j与i之间有线路相连；Gij为节点i、j间的电导；上式中的(Ui-Uilim)可根据实际需要，设为一个固定值，其值越小，目标函数对电压越限量越敏感。

单独考虑式(1)中第一项和第三项，对电压Ui求偏导，令偏导数为零，如下所示：

(4)

由潮流平衡方程可得：

(5)

将式(5)代入式(4)，以λqi绝对值作为节点i处的无功罚因子。

2.3 地调多区域并行计算

地区电网中各县域电网多为弱环网或辐射状运行，且县域间无功电压存在解耦性。为提高计算速度并适应当前调度管理体制，本文在220 kV主变高压侧对地区电网和省网进行分层，并在地区电网内按集控站所控范围进行分区，分别对各子网进行优化。

本文采用多线程技术实现了各区域并行计算，并利用线程池技术(Thread pool)有效管理服务器中的线程。地调优化计算中多线程处理方式见图3。

图3 多线程优化计算示意图

在线程创建上，采用“一县调一线程”的原则，将AVC分析计算模块进行封装，为每个县调对象创建一个线程，由相应线程来完成优化计算。当任务结束时,该线程并不会被立即销毁，而是在线程池中被标识为暂停状态(Suspended)；若县调对象向线程池发出一个计算请求,则处于暂停状态的线程会被唤醒以完成相关任务。由于程序向线程池发起计算请求的速度远小于一个线程处理优化计算任务的速度,线程池不需要为每个县调对象创建更多线程而一直重用同一个线程，从而有效地控制了创建和销毁线程带来的开销，节约了系统资源。

2.4 省地协调策略

根据现行调度管理体制并结合无功分层原则，本文采用省地间关口，即220 kV主变高压侧功率因数作为协调变量[10]。地调AVC系统定时计算并上传各220 kV变电站供电片区的关口可增/减无功容量，省调侧根据地调上传无功可调节能力，经全网优化后，下发各关口动态功率因数限值。地调AVC系统根据省调下发的限值，对地区电网进行无功优化控制。

一般省调侧电网模型只建设到220 kV主变，110 kV以下电网等值为负荷，由于模型不完备，省调下发关口功率因数限值存在省调侧最优性与地调侧可行性的矛盾。若省调下发关口功率因数可行，地区电网AVC系统则按照省调下发的约束进行优化。若省调下发限值不可行，在正常状态下，采用约束松弛策略，放弃对省调下发关口功率约束的

跟踪，按照原有的地调约束条件进行优化；在紧急状态下，则牺牲地调侧的电压合格率，严格按照省调下发的关口功率因数约束执行，保证系统的电压稳定性。图4为地调AVC协调控制示意图。

图4 AVC系统省地协调控制流程

3 系统运行平台及应用情况

本文开发的自律分散AVC系统与原有的EMS平台分开，运行于单独的AVC服务器上。服务器为双4核CPU配置，适于多线程计算。

目前，该系统于2009年4月开始已在多个地区电网实际运行，结果表明该系统运行稳定，控制效果良好，主要包括以下方面：

1)电压运行曲线更加合理，提高了电压合格率。AVC系统投入闭环后各控制母线电压曲线在高峰时段靠近上限运行，低谷时段靠下限运行，符合逆调压要求，见图5某110 kV母线在两个负荷相似日的电压曲线。

图5 投入AVC前后110kV母线电压对比

2)降低系统网损。投入AVC前后网损对比见图6、7。其中4月11日AVC闭环运行，4月18日AVC开环运行。两天的负荷曲线相当接近，而4月18日的网损曲线有较大幅度的升高。其中，4月11日网损率较4月18日降低了0.057%。

图6 相似日负荷曲线对比

图7 投入AVC前后网损对比

4 结语

本文开发的自律分散AVC系统具有如下特点：

1)分设地调AVC系统和县调AVC系统，可选择性的进行分区控制，电网运行参数可在各县调AVC系统中在线修改，修改后县调AVC数据库自动与地调AVC数据库保持同步更新。具有在线可扩展、在线维护和在线容错能力。

2)首次采用多线程技术对电网进行分区并行优化计算，充分利用系统资源，提高了计算速度。

3)考虑省地AVC系统联合协调控制，在正常和紧急状态下分别采取相应的优化策略，实现了不同状态下的协调优化控制，以最大程度地满足省调下发的协调变量值。

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ApplicationofAutonomousDecentralizedAVCSysteminAreaPowerSystem

YANG Hong-geng1， MA Ji-shan1， YUAN Zhi-jian2

(1.College of Electrical and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China； 2.Deyang Electric Power Bureau, Deyang 618000, China)

Based on the existing problems in current centralized AVC system, an autonomous decentralized AVC system is designed with a combination of the ideas of autonomous decentralized system. This paper presented a control model of centralized control on normal conditions and autonomous decentralized control on fault conditions. The area power system is divided into several control zones, then the optimization problem of the whole large scale area power system is divided into several optimization sub-problems of small scale systems. Parallel computing is applied in several regions with the technology of multithread and modified particle swarm algorithm. An overall scheme of coordinate AVC for area power network and provincial power network is proposed. The operation result shows that the AVC system is effective on improving the quality of voltage, reducing the loss in network, making more profit.

auto voltage control(AVC)； autonomous decentralized control； particle swarm algorithm； multithread parallel computing； coordinate control

2010-05-17；

2010-06-29

TM761

A

1003-8930(2011)06-0131-04

杨洪耕(1949-)，男，教授，博士生导师，主要从事电能质量分析与控制、区域电压无功控制等方面的研究与教学工作。Email:yangsi@mail.sc.cnifo.net 马继山(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统无功优化、电能质量。Email:majishan8341@163.com 袁志坚(1965-)，男，博士，高级工程师，研究方向为自动化与通讯系统管理。Email:yuan-zj@2lcn.com