配电网台区低电压治理的混杂模型构建与仿真

张静+胡翔+李题印+孙亮+杨帅

摘 要：本文建立表征配电网多个关联台区低电压调节变化过程的动态混杂模型，计及配电网台区电压水平约束，将电压偏差、网络损耗和调节费用最小等多个目标函数进行优先排序，综合各种电压调节手段，考虑安全运行约束和目标优先级，设计基于多目标约束模型预测控制的台区电压控制策略。

关键词：低电压；治理措施；动态混杂模型；控制策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.193

1 建立动态混杂模型

以提出的多个措施合理采用的最优控制策略为根据，结合电力系统的实际情况，本文提出了建立一种混杂自动电压控制（HAVC）模型来治理配电台区的低电压问题，以增强台区对电压水平的控制能力，保证台区电压质量的稳定性，同时减少网络的损耗。

1.1 控制模型

根据已有的配电网软件、硬件等基础设施和技术条件，充分利用通信网络和调度自动化系统，本文提出了配电台区的混杂分层自动电压控制模型。该模型主要由最高层，中间层，基层三个控制层构成。三个控制层的控制指令由上而下进行传达，层与层之间有数据交互。调度员可在系统内各层间实时人为干预各控制层的控制指令。系统的运行状态、电压水平等信息以及控制指令均可以记录、存储。以下为各控制层所担负的任务：

（1）最高层。最高层的任务主要是处理、决策、指令的产生与下达。该层首先是利用SCADA系统（监测控制和数据采集系统）配电台区各关键节点的电压状态进行监视，实时储存节点电压信息，并形成动态的数据库，同时统计在某时间段内配电台区各节点电压的合格率；确定关键节点的标准范围，然后形成离散事件控制指令驱动下一层。最高层实时显示电压安全域以及实际运行点的动态位置，为系统调度员提供参考。

（2）中间层。系统，形成包括实时节点电压的动态数据库，并接受最高层离散事件的驱动，处理数据和运算，实时求解非线性方程组；台区内部各控制设备的运行状态，形成各种控制操作决策，通过与层与层之间的接口环节可以实时对操作决策的各种方案进行有效组合，得到最优方案；最后，将该控制方案以指令的形式传达给基层的设备。

（3）基层。基层接受中间层的综合优化控制方案，通过层内控制器的反馈控制，执行控制指令，完成最终的目标。同时中央处理单元可以通过接口环节接受调度人员的操作指令，也可以将中间层传达的控制指令输出显示，以供操作人员储存各种数据信息，实现人机交互。

1.2 控制的特点

混杂自动电压控制具有以下的特点：首先，混杂自动电压控制（HAVC）是针对电力系统的管理与调控分层的性质、控制指令的离散性、“离散事件”的发生与底层运行元件状态量变化的连续性相交互、电压控制问题的多重目标等一系列特征，将混杂系统的理念运用在电力系统电压控制问题之上，建立混杂自动电压控制模型并给出其控制方法及实现方式。

其次，相比于现有的二级电压控制方案HAVC系统及控制方法有以下重要的差异和优势：其一，HAVC系统是由Events进行驱动的，控制指令直接响应于该事件并消除这一事件，而多级电压控制方案是以设定时间来启动的；其二，HAVC系统具有分层的结构，总体控制目标分层实现的特点，最高层与中间层各司其职，因此其各自拥有本层的SCADA系统和数据库以及分析处理软件，降低了分析和处理数据的计算复杂程度，调控速度和有效性大大提高。

第三，事件驱动还有个重要的优点，即能够把不满足复合目标中的任何一种状态都形成具有不同性质的事件；HAVC系统的控制结果消除了该事件，以达到了复合目标控制的目的。因此，所提出的HAVC系统使多目标控制变得切实可行。目前关于电压控制方面的研究难以达到应用HAVC系统的效果

以上部分阐述了配电台区混杂自动电压控制模型和实现方式。下面将介绍如何中实现对电压质量和稳定性以及经济性的保证。

1.2.1 电压质量的保证

控制过程中，首先要找出关键节点，其能够反映台区电压水平，给予其电压约束，并形成控制预警环节。若电压超出标准范围，最高层将生成控制指令并下达给中间层；中间层接受上层指令，实时进行数据处理，得出控制策略，通过下接口下达给基层；基层接受指令后，调节有载调压变压器分接头、低压无功补偿设备，保证能够将台区电压维持在一定水平。

1.2.2 电压稳定性的保证

在混杂自动电压控制系统中，电压的稳定性始终占有重要位置。最小模特征值的幅值是最高层中形成离散事件的主要因素。该控制系统以求解的最小模特征值为依据对台区电压水平稳定域范围进行描绘，并形成相应控制预警环节。

1.2.3 网络损耗最小的保证

实际运行中的电力系统，为了提高设备的使用寿命，减少控制设备的投切次数以及减少操作人员的劳动程度，系统将设置一个最低的损耗值：当时，也就是电力系统实际的网损与最优潮流计算得到的网损之差超过一定限值时，系统才产生指令，逼近优化潮流并保证电压的稳定性及电压质量合格。于此同时，能够实时显示并且存储系统的网损。

2 仿真研究

首先必须要对混杂自动电压控制方案进行仿真实验以验证其是否可靠、有效，验证之后才能将其安装运用到实际的配电台区之中。

2.1 静态电压控制仿真

基于混杂系统的理念研究静态电压控制问题。首先要构造静态混杂电压分层控制模型。以该模型为基础，分别设计出了各层的控制器。其中最高层可以对电力系统进行分析并判断电压稳定性，并考虑了电压安全性和系统经济性两个优化目标，若指标超过限额，将会构造离散事件；然后利用形成的离散事件去驱动控制环节形成电压的控制指令并且传送给中间层；中间层依据接收的最高层的控制指令建立优化指标函数，通过求解得到底层无功补偿器节点和发电机节点的控制量，以及调压变压器的变比改变量，再由通信系统将这些控制量送到基层；最后由基层的各元件的控制器实现对系统电压状态的调控。

进行仿真研究时采用的系统是IEEE-22母线系统，其结构如图2所示。

在静态电压控制中，将常规二级电压控制和混杂自动电压控制的输出结果进行了对比研究。在静态混杂自动电压控制中，控制目的在于减少线路损耗的前提下将最小模特征值的幅值从5.08增加到5.4，从而得到各控制节点的控制量。常规控制目的是使关键节点的电压与混杂控制后的节点电压值相等，进而得到该控制方法所对应的控制节点的控制量。

静态混杂自动电压控制的稳定性较比初始状态有了较大幅度的提高，最小模特征值的幅值增加了6.386%，而且较常规二级电压控制相比效果更佳；同时，有效地减少了系统的网损，有功损耗也分别减少了13.27%，提高了电力系统运行的经济效益。

2.2 动态混杂电压控制仿真

建模所采用的研究对象选择的是彭州地调局域电网。该模型中包含了发电机、线路、变压器及负荷等模型。该模型共有43个母线节点，覆盖了五个电压等级。其中500kV节点1个、220kV节点3个、110kV节点12个、35kV节点4个、10kV节点14个、中性节点9个。该模型包含输电线路15条、三绕组变压器9台、两绕组变压器14台、负荷11个、电容器44台、电抗器1台。220kV变电站内分别配有并联运行220/110/10三绕组变压器2台，高压侧配17档有载调压分接头开关。该电网模型中的10kV母线处配置了多台电容器组以及电抗器组。

在动态混杂电压控制研究中，将节点光明、天彭、繁江、三邑、太和、红旗、五块石处负荷以10s为时间间隔为均匀加大2.0（标幺值）的无功功率，从0开始到60s为止，并保持60s时刻的负荷不变。以此为前提条件并对变电站低压侧电抗器的投切加以考虑，对比研究了三种控制方案：①发电机组均采用常规励磁的电压控制；②发电机组均采用常规二级电压控制；③发电机组均采用混杂自动电压控制方案。

本文系吉林省发改委产业创新专项资金项目（2016C074）和吉林市科技局科技发展规划项目（20156406）成果之一。