基于目标规划法的配电台区无功电压优化

2022-03-13唐成年

今日自动化 2022年12期

唐成年

（国网新疆电力有限公司阿勒泰供电公司，新疆阿勒泰 836599）

综合分析我国电力企业发展情况，可以清楚地看到在进行电力调度工作时一直存在着明显的问题。而无功电压优化作为电力企业和用户共同关注的问题，它不仅能保障电网整体安全运行，同时还能提高电力质量和经济效益，但是在进行无功优化作业当中，一直都重视高压，忽略低压，重视主网，忽略配网等问题，促使大量无功功率在配单系统中流动，这不仅增加了网络中的有功损耗，还会降低电压质量。如果在发现以上问题时不对其进行有效解决和制定出针对性解决措施，将在很大程度上影响电力企业发展，也限制了我国电力事业的可持续发展。

1 目标规划法概念分析

目标规划法，其主要本质含义就是在建立一定目标的基础上，通过跨部门或者是跨地区的方式进行长期计划的制定，并且其内在含义上也有着不同层次的界定。一般是分为在原有含义上的大范围推广和小范围推广。大范围推广主要指的就是结合实际情况和基础国情，按照实际的发展局势来制定出科学合理的社会经济发展目标，然后通过详细的指标体系将其进行完善化和具体化，这种理念也是建立在我国综合平衡法的基础上，对其进行更深层次的发展。它能在原有目标基础上对国民经济进行系统化分析，然后将我国社会战略发展目标与总体计划进行相互衔接，加快社会主义战略目标的快速实现与落成。而小范围推广的目标规划法，也被称作是专项规划法和目标纲要法，它主要目的是把整体规划中，超出计划范围内的问题进行单独处理，并结合此问题进行专项规划的制定，从而有目的地落实，并加以解决。

目标规划法在配电台区无功优化中的应用，最早是由国外提出，也可以将其看成是一种多目标优化问题的妥协模型。在进行多个目标问题解决时，会结合每个目标实况来设计一个清晰的目标值，然后进行目标规划，并且主要的目的是将目标函数和预期目标数值的偏差进行最小化处理。在现实问题中，以上每个目标都是独立的个体，并且各个目标不相同，如果要想实现其中任何一个目标，都需要牺牲其他的目标，所以，在完成和实现目标以前根据目标价值和重要程度来创建出优化结构是非常重要的。

2 配电台区无功电压优化模式

2.1 电压无功分散控制模式

电压无功分散控制模式，其主要本质是将变电站作为基础核心，然后通过自动控制的方式对有载调压变压器接头位置以及无功优化装置进行全面掌控。在实际作业时，如果负荷变压器维持负荷端电压在规定的数值以内的话，就可以将此节点的无功达到限定的无功补偿要求，这种控制模式的主要优势就在于可以全面提高变电站供电范围内各个区域电压质量，然后就能对个别网络变压器进行有效掌控，从而降低一些不必要的能源消耗，这种控制方式适合应用在无人看守的变电站中，不仅成本支出少，还能在保障总体质量的前提下充分发挥其实际效益，但是这种控制模式也存在一定的弊端，就是没有充分实现整个系统的全面化控制。

2.2 电压无功集中控制模式

这种控制模式主要是调度中心的计算机系统进行全盘掌管，分别对各个节点以及无功电压优化进行控制，确保每个节点的电压都不会超过限定数值的有效范围，与此同时还能充分保障整个电网的无功能源消耗最少。这种控制模式的最大优势就是可以实现全局掌控，大范围的控制不会直接影响到电压和电力质量，并且可以实现对调压设备和无功设备的集中化控制，确保整个系统内的电压都处在正常数值以内，保障电压长期处在合格范围以内，并且最大限度地降低能源消耗。但是这项控制技术也有一定的缺点，就是需要涉及到大量的系统软件，并且每个软件较为复杂，要尽可能地保障先进科技水平支撑，同时还要有完善的通信渠道，对于技术要求较高，这在一定程度上增加了工作人员负担，也需要投入一定的人才培养资金，再加上控制功能过于集中，具有一定的潜在风险。

2.3 电压无功关联分散控制模式

这种控制模式需要多个节点进行相互配合，然后利用分散设置在变电站内的各个控制装置进行事先调控，最后按照设置好的控制程序进行全程控制。在进行控制时，主要是将整个系统内的固定数值和基础范围作为核心，以此来保障系统的稳定安全和经济效益。在实际作业时，系统可以通过计算机对电压无功优化程序进行计算，这样就可以保障在出现问题、重大事故或者是系统运行模式混乱的情况下，由调度中心直接掌控，或者是调度中心安排下级变电站对其进行维护，保障母线电压以及无功功率固定数值，从而做到真正意义上的安全问题和经济运行。这种控制模式最突出的优点就是具有较强的通信效益，并且通信渠道较为完善，其次就是在对电压无功进行分析判断时，具有完善且优质的控制功能；良好的变电站综合自动化功能和RTU 接口功能；对全局进行控制时操作系统简单，且控制区域较分散，责任划分明确，风险分散，对于通信技术要求较低。但是也存在一定的缺点，就是对硬件要求较高，且涉及到的硬件比较复杂，需要一定的资金支持，成本支出高，在进行软件系统控制时，需要处理复杂的软件程序等，最后就是要有可靠通信渠道作为支撑。截止到当前，仍然有大部分变电站难以满足在线电压无功优化控制要求，其中一部分的原因就在于落实电压无功关联分散控制的技术要求较高，并且比较复杂，再加上需要大量的资金支持；还有就是在进行集中控制时，需要承担较大的风险，相关工作人员难以满足实际需求。

3 基于目标规划法的配电台区无功电压优化措施

3.1 目标函数和控制变量

无功电压优化，其主要本质是一个多目标优化问题，其实际优化时，希望电压偏差较小，且网损率不会太高，但是这两个目标却难以做到同步实现，也无法做到有效相容。其次就是升级的电网无功电压控制目标是确保电压足够安全，各项电压系统运行正常的前提下，将网损率降低最小，但是局部地区内，各级别的电网无功电压控制的最终目标是将10kV 母线的电压合格率进行大幅提升，以及关口变压器功率因数的提升，之后的目标才是降低网损率。而基于配电台区实际情况来说，因为更加接近于用电户，所以，一旦电压发生偏差或者是出现质量安全问题时，会直接影响到用电户设备的安全以及用电体验。因此，配电台区的根本方向是将无功电压优化的目标，进行更新明确，并将电压掌控在合格且更加严格的范围内，然后再进行网损率的降低。然后，为了避免出现台区线损率降低的同时，配变台消耗大幅提升，需要在实际计算过程中将配变损耗融入其中。另外，在实际计算时，要将用户电压的目标范围作为基础核心，以此展开计算，取用户一定数值的最高电压和最低电压，然后要想实现主要目标，就需要极小化用户最高电压与目标范围的正偏差，同时还要极小化用户最低电压与目标范围的负偏差。其次要考虑到网损率的预定数值，将其进行极小化。

3.2 线性规划法

使用线性规划法对配电台区无功电压进行优化，其实质性意义重大，并且带来的积极作用也比较明显，这主要是因为此种方式具有充足且成熟的理论支撑，并且体系完善可靠，整体计算速度较快，能在有效时间内对各种约束因素和条件进行处理。从现实问题出发，虽然无功优化属于非线性的问题，但是可以结合实际情况对其进行线性化，然后再做进一步研究，并在此过程中找到一种线性化的建模方式，这样就能保障模型能在及其准确的因素条件下反映出以往非线性无功优化存在的问题等，之后再使用线性规划来制定解决措施，从而使得优化结果的满意度等方面均符合实际工程需求。这也是线性规划法一直秉持的思想和最根本的落实方式，而且这种方式优势较为突出，也逐渐演变成目前使用较为广泛的一种方式。

3.3 混合整数规划法

这种方式属于一种较为特殊的线性规划方式，主要是因为其中的部分变量为整数，所以被称作整数规划法。它是利用分支定界法，不断的定界缩小可行域，然后逐渐实现全局的最优质解答。在进行电力系统优化计算时，其中不仅包含大量的数据变量，如发电机的输出功率或者是节点电压等，同时还包含着大量的离散变量，如变压器的状态变化、并联电容电抗器组投切等；所以，在此方法中进行无功电压的优化，是一个比较复杂的问题。在对电力系统进行分析时，通过掌握其中控制变量的基础特征，然后结合工程数学问题的特点等，构建出完善的数学模型，并在此基础上引导出更加完整的非线性混合整数对数学模型进行总体规划。在这个过程中，利用分支定界法进行答案求解，然后把连续变量优化的二次规划方式作为其内部核心，这样不仅能减少大量的损失，同时还能保障优化的精确度，从而降低控制量调节次数。这种方式虽然优势突出，但是也存在一定的弊端，如计算的时间属于非多项式类型，如果维数不断增加的话，计算时间也会大幅提升，甚至是瞬时性的。

3.4 非线性规划法

考虑到无功电压优化自身的非线性，因此，可以优先将非线性规划法应用其中，以此来完成电力系统的无功优化。这种优化措施优势突出，特征较为鲜明，它能在保障电力系统经济效益的基础上，提高其整体安全性和质量，所以也受到多方关注和高度重视。它主要的实施方式是在其中设置一定的目标函数，将节点功率平衡作为等式的约束条件，然后采用松弛变量的方式把不等式约束条件转化文等式约束条件。之后，通过拉格朗日乘数法来构建出一个能增广的目标函数，并结合Kuhn-Tucker 条件，将问题转化为求解一组非线性的代数方程组。

非线性规划法，是优化配电台区无功电压最直接有效的方式，主要原因就在于其构建出的数学模型较为清晰直观，并且概念明了，计算条理清晰，能充分保障数值的精确度。但是截至到目前仍没有一个完善且成熟的非线性规划无功优化计算方式，而目前大部分的计算方式，基本上都存在不同程度的问题，主要就是计算量过多、内存需求较大、不具备良好的收敛性、稳定性较差、难以有效处理不等式等，这些问题的存在和出现也在很大程度上限制了应用效益。非线性规划法和线性规划法都有各自的优点和缺点，两种方式都难以反映出变压器分接头的变化，也无法显示出电容器和电抗器投切的离散特性。

3.5 专家系统

专家系统属于最早开发的一项人工智能技术，其经过一定时间的熏陶和实践以后，现在已经比较成熟。其在实际应用时，主要是与其他方式进行结合，并在此基础上将专家经验作为最初的计算数值，然后在后续操作时不断地对控制参数进行调整，直到最终有一个比较优质的解答。近几年，世界上有很多电力系统电压无功控制专家系统被投入到实际运行模式当中，并且逐渐实现了实用化的推广等，同时也取得了比较良好的效果。虽然这种方式发展较为成熟，且实际效益较好，但是也存在一定的弊端和不足之处，比如遇到系统复杂且规模较大规则较多时，就会对推理的速度造成影响，并受到一定限制，这也间接导致大多数的专家系统还只是停留在离线操控状态下，距离在线控制还有一定的距离。