考虑安全约束条件的电网运行损耗优化控制系统设计

陶用伟

（贵州电网有限责任公司凯里供电局，贵州 凯里 556000）

在国家经济发展水平不断提升的背景下，对于电网供电量的需求越来越大，因此为了控制电网运行中的资源损耗，设计一个电网损耗控制系统。已知现阶段的电力系统由各种电压变电所、输配电线路组成，主要有变电、输电以及配电等工作环节[1]。

传统设计方法的控制系统，由于忽略了约束参数的重要性，导致单一约束条件下系统的运行稳定性较差，使损耗控制效果并不理想，因此文中考虑安全约束条件，设计一个电网运行损耗优化控制系统。该系统充分考虑系统的使用安全性约束条件，通过优化各项控制模量，增强系统在执行控制任务过程中的稳定性，提高抗干扰性，降低电网运行损耗，在很大程度上节约了资源，为国家战略性发展目标的实现提供技术支持[2]。

1 电网运行损耗优化控制系统硬件设计

电网运行损耗优化控制系统中，由于设备种类繁多复杂，且连接位置相对分散，除了变送电外还有许多配置环节，因此为保证系统运行的稳定性，在电网运行损耗优化控制系统中添加了监控模块。电网运行损耗控制系统主要包括4个部分：上位机监控模块、系统控制器、EtherCAT从站以及现场仪表等各类执行机构。为保证控制系统数据的实时监控以及稳定通讯，对传统系统控制器即主站控制器进行替换，图1为主控器实物图[3]。

图1 主控器实物图

主控器作为电网运行损耗优化控制系统的核心设备，能够保证软件平台的运行、程序的运算、控制命令的生成以及数据的存储。文中选用的主控器利用其自身的PC控制技术，实现人机交互性更强的数据采集、存储、处理以及反馈，实现系统硬件运行的稳定和软件的兼容。主控器结合控制平台对电网系统内各分布式电源、各负荷回路展开实时监控和管理，实现系统整体的稳定运行。

2 电网运行损耗优化控制系统软件设计

在系统硬件设置的基础上，在考虑安全约束条件的前提下，设计电网运行损耗优化控制系统的软件，确保所有控制程序在约束条件的限制下，能够在安全的范围内执行损耗优化控制任务，提升系统的稳定性能。

2.1 设定电网运行损耗基本控制规则

电网运行时，其两侧馈线输出的功率分别影响负荷分布和系统阻抗与两侧电压差值；同时，两侧馈线输出的功率是独立存在的，根据上述电网运行的基本特征，设定电网运行损耗基本控制规则。

调节两侧母线电压差，改变电网运行时的循环功率，实现两侧馈线出力的调节。当电力控制系统由开环运行状态转入闭环运行状态时，通过执行合环操作，实现具有保护作用的电网运行损耗控制规则的设定。假设在负荷相对稳定的条件下，忽略其电压特性，设循环功率为ˆ，在电网两侧功率变化量Δp大小相同、方向相反的情况下，得到图2所示的电网运行稳态控制规律等值电路图[4]。

图2 电网运行等值电路图

假定A侧馈线出口处的装置串联补偿电压为Ua，补偿后出口处的电压为Ub，得到循环功率ˆ与串联补偿电压Ua和Ub之间的关系为：

2.2 设置系统安全约束条件

安全约束条件作为保证系统平稳运行的重要参数，直接影响电网的运行效果，因此在电网运行损耗优化控制系统软件设计中，引入其约束条件。根据已经获得的电网控制规则，设定的安全约束条件包括机组运行约束和系统约束两方面[7]。

式中：fi（t）表示机组i在t时刻的出力约束函数；Fi（t）表示机组i在t时刻的连续运行约束函数。系统约束包括功率平衡安全约束和旋转备用安全约束。设B（t）表示t时段内系统B的总负荷；Z（t）表示同时段内系统的旋转备用容量[9]，则功率平衡安全约束和旋转备用安全约束条件可设置为：

式中：n表示约束次数。通过上述公式完成对系统安全约束条件的设置，保证电网运行损耗优化控制系统在上述安全约束条件的限制下平稳运行。

2.3 优化电网运行损耗控制参数

在完成约束条件设置的基础上，优化电网运行损耗控制参数，利用小信号稳定性分析法实现控制参数的优化，使控制系统在遭受小干扰时，可以保持系统同步运行的能力。小信号稳定性分析方法围绕控制系统状态矩阵的基本特征展开，根据状态矩阵得到的系统特征值为：

式中：φ表示描述系统特征值的参数；I表示离散参数；k表示系统状态矩阵[10]。引入优化指标重新整理式（4），得到全新的特征参数：

式中：β表示离散后引入的约定参数；λ表示振荡幅值。已知该特征值φ所对应的振荡模式可描述为式（6）的形式：

其中：hφ表示特征值φ的振荡模量；ω表示权重指数；t表示振荡时段；ε表示特约参量。当λ＜0时，特征值实部对应振荡幅值，虚部对应振荡频率，则有：

根据时间的变化特性，当振荡的幅值趋近于0时，振荡呈现衰减状态，则衰减速度的阻尼比为：

其中：Wn表示n个振荡模式的参与状态。根据振荡频率，结合式（8）和式（9），计算振荡幅值的灵敏度指标为：

式中：f[*]表示灵敏度计量函数；e表示常数值。当s≥0.95时，实现对控制参数λ的优化[12]。

2.4 设计电网运行损耗分层控制模式

根据控制规则、安全约束条件以及优化后的控制参数，设计电网运行损耗分层控制模式。分层控制模式可分为两大类，包括有功功率分配和无功功率分配[13]。

已知现有条件下，电网系统在稳态运行中所有逆变器的运行频率相同，即存在：

根据电网运行损耗一般控制方程，得出有功功率分配控制模式：

但由于电网中的逆变器与系统公共母线之间在线路阻抗上存在电压不同、负荷分布不均匀的问题，导致逆变器虚拟输出电压也不相同，图3为优化阻尼比后，两电网并联运行的等效模型示意图[14]。

图3中，优化后的控制参数和设置的安全约束条件在一定程度上抵消了干扰数据，因此得到无功率分配控制方程为：

图3 电网并联运行的等效模型

式中：Q0表示初始运行功率；Qn表示所有逆变器的总运行功率；x表示分配系数；Δx表示约束后的分配值；μ表示分批基准[15]。通过上述两个层面的电网功率分配模式设计，实现对电网运行损耗的分层控制，至此在考虑安全约束条件下，电网运行损耗优化控制系统设计完毕。

3 实验测试

为验证设计的优化控制系统的稳定性，提出实验测试要求，检验考虑安全约束条件下，所设计优化控制系统的稳定性。为了让实验测试结果更具有说服力，将该系统与传统控制系统进行对比，根据对比分析结果，得出具体实验结论。

3.1 实验准备

建立实验测试平台，将监控设备、主站控器、从站控制器、逆变器以及各个通讯器，与测试计算机之间建立连接，搭建的实验测试环境如图4所示。

图4 实验测试环境

实验测试系统，从主站服务器的实时数据库中将电网运行损耗数据提取至工作站，确保系统控制程序在工作站中正常运行。设置实时测试数据提取程序，按照该程序得出两个电网运行损耗控制系统的测试结果。实验共分成两组进行，其中A组为测试实验组，B组为测试对照组，每一组均进行3次损耗控制实验测试，每次实验测试时间分别设定为12小时、24小时和48小时。

3.2 结果分析

设置文中设计的控制系统为实验A组，传统设计方法下的控制系统为对照B组，图5为实验测试对比结果。

根据上述3组测试结果可知，文中设计的电网运行损耗优化控制系统，在3个运行时段的测试下，其稳定性指标一致保持相对平稳的状态。而传统设计方法下的电网运行损耗控制系统，在0～48小时的3段检测内，其稳定性曲线波动越来越剧烈，只在12小时测试内，有较为稳定的测试结果，超出该时段后，该系统波动较大，无法控制自身运行的稳定性，导致无法合理控制电网运行损耗。上述结果说明，文中设计系统的控制稳定性较好，能够实现电网运行损耗的优化控制[16]。这是由于该系统根据优化后的控制参数和设置的安全约束条件，在一定程度上抵消了干扰数据，从而提高了控制结果的稳定性。

为了进一步验证文中设计系统的应用效果，以抗干扰性为实验指标，对传统系统和文中设计系统进行比较，结果如图6所示。其中，抗干扰性用数值进行表示，数值越大，表示抗干扰性能越好。

图6 抗干扰性实验测试对比结果

分析图6可知，文中设计的系统在实验测试时间内，抗干扰系数明显高于传统系统，并且变化波动较小，相比较之下，传统系统的波动较大，说明文中设计的系统能够抵御外界干扰因素带来的影响，保障电网的稳定运行，进一步说明了考虑安全约束条件的电网运行损耗优化控制系统的有效性。

4 结束语

文中设计的电网运行损耗控制系统，在传统系统设计的基础上，通过设定一系列稳定性指标或因素，增加系统在执行控制任务时的运行稳定性，使系统可以处在一个长时间稳定的工作状态，实现了系统的运行安全，保证电网运行损耗的有效控制。但设计的系统没有着重说明软件的兼容性，在今后的研究工作中，可以针对这一问题展开讨论。