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　　0引言
　　
　　隨著地區(qū)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，用戶對于電能質(zhì)量的要求也日益提高。隨著電力市場機(jī)制的引入，采取有效手段降低網(wǎng)損、改善系統(tǒng)電壓水平，已經(jīng)成為直接關(guān)系電力企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)效益的課題。電力系統(tǒng)電壓和無功功率控制是一個關(guān)系到保證供電質(zhì)量、滿足用戶無功功率需求和系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的問題，同時也是減少線損、提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的十分有效的措施，因此一直得到電力系統(tǒng)運(yùn)行人員和研究人員的重視[1，2]。
　　
　　我國目前大多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)采用分散調(diào)整的方式實施無功電壓控制，即在各變電站內(nèi)利用本身所具有的無功資源實施對變電站電壓／無功控制，比較常用的方法是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)在九區(qū)域圖上所處的位置來決定相應(yīng)的控制方案，調(diào)節(jié)變壓器的分接頭擋位或者投切電容器，從而保證一定的電壓合格率和功率因數(shù)[3]。這種方法相對簡單，但是難以*實現(xiàn)全范圍的無功電壓*控制。就單個站而言，提高了電壓合格率和電容器利用率，但是在二級有載調(diào)壓電網(wǎng)會出現(xiàn)電壓頻繁調(diào)整，容易造成電壓調(diào)節(jié)不合理現(xiàn)象。
　　
　　隨著城網(wǎng)改造的進(jìn)行，越來越多的電網(wǎng)中的有載調(diào)壓分接開關(guān)和電容器補(bǔ)償裝置投入使用。為了充分發(fā)揮此類設(shè)備的作用，必須從當(dāng)前的人工調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槔脤＜覜Q策系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的方式。隨著調(diào)度自動化系統(tǒng)（SCADA／EMS）的日益普及，如能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的再擴(kuò)充，發(fā)展電網(wǎng)閉環(huán)無功控制系統(tǒng)，不但可以提高系統(tǒng)的電壓合格率，降低系統(tǒng)網(wǎng)損，而且可以使SCADA／EMS的效益變得更加明顯、直觀。
　　
　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　本文研究和開發(fā)的地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化及實時控制系統(tǒng)基于EMS的狀態(tài)估計和在線潮流功能。SCADA將實時的數(shù)據(jù)斷面發(fā)送給EMS，在狀態(tài)估計和在線潮流運(yùn)行之后，EMS利用遺傳算法求解整個電網(wǎng)的無功優(yōu)化問題，并根據(jù)優(yōu)化解給出控制方案，再通過SCADA系統(tǒng)的下行命令通道執(zhí)行優(yōu)化控制方案，完成閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。
　　
　　在本系統(tǒng)中，zui關(guān)鍵的有以下兩部分：①無功優(yōu)化的核心算法，用來給出一個優(yōu)化控制方案；②實時控制部分，用來解決如何執(zhí)行優(yōu)化算法所給出的控制方案的問題。在系統(tǒng)的設(shè)計上，一方面利用SCADA的“四遙”功能，來完成數(shù)據(jù)的采集和控制方案的執(zhí)行；另一方面利用EMS的狀態(tài)估計和在線潮流功能，來進(jìn)行全網(wǎng)的潮流分析，在此基礎(chǔ)上，完成以降低網(wǎng)損和減少越限為目標(biāo)的無功優(yōu)化計算。這樣，綜合了這兩套系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，可以更加充分地發(fā)揮現(xiàn)有調(diào)度自動化系統(tǒng)的功能。這套系統(tǒng)可以存在開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種運(yùn)行方式。在開環(huán)控制情況下，系統(tǒng)給出優(yōu)化方案，供調(diào)度人員參考。調(diào)度人員可以根據(jù)自己的經(jīng)驗，在優(yōu)化方案基礎(chǔ)上手工進(jìn)行無功電壓控制，整個過程需要調(diào)度員的人工干預(yù)。經(jīng)過一段時間的磨合，在整個系統(tǒng)開環(huán)工作正確的前提下，系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制，即給出方案后直接下達(dá)SCADA執(zhí)行，整個過程不需要調(diào)度人員進(jìn)行干預(yù)。
　　
　　2無功優(yōu)化算法
　　
　　無功優(yōu)化是通過對無功潮流的分布進(jìn)行調(diào)整，來改善電壓質(zhì)量和減少網(wǎng)絡(luò)的有功損耗。
　　
　　本文的無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下：
　　
　　可見，無功優(yōu)化本質(zhì)上是一個混合整數(shù)的、具有等式和不等式約束的非線性規(guī)劃問題。而在實時控制系統(tǒng)中，首先要完成的就是對這樣一個優(yōu)化問題進(jìn)行求解，并給出一個控制方案。這要求優(yōu)化算法能夠滿足如下幾個條件：
　　
　　a．足夠的魯棒性。由于系統(tǒng)是在線運(yùn)行的，可能遇到各種情況，因此要求算法在絕大多數(shù)情況下都能夠計算收斂并給出控制方案，使電網(wǎng)在控制后達(dá)到一個比當(dāng)前更優(yōu)的狀態(tài)。
　　
　　b．足夠的靈活性。為了滿足不同的控制目標(biāo)，用戶可能需要修改優(yōu)化目標(biāo)，針對當(dāng)前設(shè)備的實際狀態(tài)，用戶可能需要設(shè)定某個設(shè)備是否參與控制；針對不同的需要，用戶可能需要改變約束條件。算法應(yīng)當(dāng)支持用戶方便地進(jìn)行這些修改。
　　
　　c．能有效地處理控制變量不連續(xù)的情況。本系統(tǒng)針對地區(qū)電網(wǎng)，其無功優(yōu)化的控制手段是電容器的投切和變壓器分接頭擋位的調(diào)節(jié)，這些控制變量都是離散量，要求算法能可靠地處理離散控制變量的情況。
　　
　　對于無功優(yōu)化問題，已經(jīng)有一些傳統(tǒng)的非線性優(yōu)化算法得到了應(yīng)用，例如Newton法、共軛梯度法、變尺度法、二次規(guī)劃法等。但這些方法無法滿足上述幾個條件。尤其是傳統(tǒng)算法只能處理連續(xù)變量，較難處理離散的控制變量，而且傳統(tǒng)算法容易局部收斂，難以求得全局*解。
　　
　　近幾年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，一些基于人工智能思想的新算法已在優(yōu)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為演化算法的代表之一，遺傳算法已被引入到無功優(yōu)化的領(lǐng)域之中[4]。本文涉及的基于遺傳算法的無功優(yōu)化具體實現(xiàn)已經(jīng)在文獻(xiàn)[5]中有了詳細(xì)闡述，在此不再贅述。以下僅簡要說明為什么遺傳算法可以符合無功優(yōu)化及實時閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求。
　　
　　a．遺傳算法適用于解決混合整數(shù)優(yōu)化問題，本身沒有對控制變量的連續(xù)性假設(shè)的限制，可以方便地處理離散控制變量。
　　
　　b．遺傳算法可以方便地處理多目標(biāo)函數(shù)，在處理控制變量和約束條件上也比較靈活，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行定制。而且，用戶可以在優(yōu)化過程中隨時暫停、繼續(xù)或停止計算，相當(dāng)靈活。
　　
　　c．遺傳算法編碼方式靈活，而本系統(tǒng)采用的混合編碼方案更加符合問題的自然描述，所以可以方便地考慮對控制變量的約束，方便地引人啟發(fā)式的搜索。
　　
　　d．由于本系統(tǒng)采用了保留本代*解的簡單遺傳算法（SGA），從數(shù)學(xué)上可以證明這種遺傳算法可以以概率收斂到全局*解[6]。而且，由于保留了當(dāng)前*解，優(yōu)化目標(biāo)值在演化過程中一直單調(diào)下降，至少不會上升，這就保證了算法至少能夠給出一個比當(dāng)前狀態(tài)更優(yōu)的解，從而保證了系統(tǒng)的魯棒性。
　　
　　e．由于遺傳算法可以從多個初始值開始搜索，所以能夠以較大的概率收斂到全局*解。
　　
　　3實時控制
　　
　　本文介紹的無功電壓實時控制系統(tǒng)的目標(biāo)是：在地調(diào)中心利用EMS應(yīng)用軟件對變電站中的變壓器分接頭和電容器組進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，實現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其控制流程如圖2所示。
　　
　　作為一個實時控制系統(tǒng)，不僅要保證得到足夠好的優(yōu)化解，同時也要保證優(yōu)化解所對應(yīng)的控制方案的可執(zhí)行性。因此，除了要解決理論和算法的問題，還要解決工程實施中的大量技術(shù)問題，其中包括約束條件的處理、啟動方式、動作死區(qū)處理、安全考慮和方案執(zhí)行等。
　　
　　3．1約束條件的處理
　　
　　在上面提到的優(yōu)化算法中，已經(jīng)考慮了無功優(yōu)化模型中提到的等式約束和不等式約束，但是，如果要把優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)用于實時控制，就必須額外考慮一些其他的約束和要求。這些約束是從延長現(xiàn)場設(shè)備的壽命和保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定角度提出的，主要包括以下約束：
　　
　　a．變壓器分接頭開關(guān)連續(xù)調(diào)整范圍應(yīng)該在3擋每日每臺變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)應(yīng)不超過
　　
　　c．為防止電容器頻繁投退，應(yīng)設(shè)立電容器投退時間間隔；
　　
　　d．并列變壓器應(yīng)該同步調(diào)節(jié)，避免環(huán)流；
　　
　　e．控制方案中涉及的元件不宜過多；
　　
　　f．對負(fù)荷側(cè)電壓采用逆調(diào)壓方式。
　　
　　由于遺傳算法相對簡單靈活，本文可以方便地處理這些新的約束條件，對于約束a，在變異算子中加以處理，使分接頭的變化控制在3擋以內(nèi)。對于約束b和c，只需在控制過程中保存動作的記錄，如果當(dāng)前時間和電容器的上次動作時間沒有達(dá)到應(yīng)有的間隔，或者分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)超過4次，那么在本次計算中該設(shè)備將不參與優(yōu)化控制。對于約束d，在染色體編碼時把并列的變壓器映射成染色體中的同一個基因位，這樣，控制方案中并列變壓器的zui終擋位必定是相同的。對于約束e，把動作元件數(shù)目看成一種代價，作為多目標(biāo)優(yōu)化的一個組成部分參與優(yōu)化，并可以這個代價在整個目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重，這樣，優(yōu)化計算的本身就體現(xiàn)了減少動作元件數(shù)的趨勢，對于約束f，本文采用了動態(tài)確定母線電壓上下限的辦法，用戶可以某個時段是高負(fù)荷期還是低負(fù)荷期。在高負(fù)荷時段，將母線電壓下限上移，以保證母線電壓偏上限運(yùn)行；同理，在低負(fù)荷時段，將母線電壓上限下移，以保證母線電壓偏下限運(yùn)行。
　　
　　3．2啟動方式
　　
　　本文介紹的無功電壓實時控制系統(tǒng)的啟動方式分成以下兩種：
　　
　　a．周期方式，即每隔一定的時間啟動一次優(yōu)化控制。一般時間間隔不宜太短。這樣做雖然比較簡單，但容易造成的后果是在前幾次控制中都對某個設(shè)備進(jìn)行了控制，使得該設(shè)備達(dá)到了當(dāng)天的zui大動作次數(shù)，導(dǎo)致該設(shè)備無法參與后面的優(yōu)化計算。
　　
　　b．定點方式，即在每天的固定時刻進(jìn)行優(yōu)化控制。當(dāng)前啟動時刻由用戶來，需要依靠用戶的經(jīng)驗來決定每天*的控制時間。更加智能化的方法是：一方面，利用歷史負(fù)荷曲線和負(fù)荷預(yù)測提供的未來曲線，在負(fù)荷峰點和谷點以及負(fù)荷變化zui劇烈的時刻啟動優(yōu)化計算，以期望收到的效果；另一方面，利用歷*記錄下的優(yōu)化動作時刻及控制后的效益情況等信息，從中提煉出*的控制時刻。
　　
　　本文采用了定點啟動的控制方式。
　　
　　3．3動作死區(qū)處理
　　
　　從保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備的角度，當(dāng)無功優(yōu)化程序運(yùn)行的優(yōu)化效益并不明顯時，應(yīng)當(dāng)避免發(fā)遙控、遙調(diào)命令，防止電容器和變壓器分接頭開關(guān)無謂動作，因此引入了動作死區(qū)條件。本文的死區(qū)條件是根據(jù)優(yōu)化效益來決定的，包括越限減少量和網(wǎng)損減少量兩部分。只有當(dāng)有足夠的越限減少量或者網(wǎng)損減少量時，才允許實時控制。
　　
　　3．4安全考慮
　　
　　無功優(yōu)化和實時控制應(yīng)在電力系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。如果電力系統(tǒng)發(fā)生了電氣事故，或者現(xiàn)場情況不宜進(jìn)行無功優(yōu)化或?qū)崟r控制，都要對本系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖。一般說來，閉鎖條件包括以下幾種：
　　
　　a．電網(wǎng)事故閉鎖：當(dāng)樞紐站頻率超過50H2±0．2H2時，閉鎖整個系統(tǒng)。
　　
　　b．當(dāng)受控站內(nèi)保護(hù)或自動裝置動作時，受控站閉鎖。
　　
　　c．變壓器保護(hù)動作，閉鎖該變壓器及其并列變壓器。
　　
　　d．電容器保護(hù)動作：閉鎖該電容器。
　　
　　e．量測不準(zhǔn)確、狀態(tài)估計程序不收斂或者殘差太大，以及在線潮流程序計算有問題時，都應(yīng)閉鎖系統(tǒng)。
　　
　　3．5方案執(zhí)行
　　
　　控制方案給出以后，通過與SCADA系統(tǒng)之間的協(xié)議，利用SCADA系統(tǒng)的遙控、遙調(diào)功能，將控制方案下達(dá)執(zhí)行。在系統(tǒng)運(yùn)行的zui初階段，考慮到安全因素，系統(tǒng)可以設(shè)置成開環(huán)運(yùn)行，先把控制方案顯示給調(diào)度員，zui終的控制方案要在調(diào)度員確認(rèn)后才能通過SCADA執(zhí)行，在確認(rèn)的同時，允許調(diào)度員對控制方案進(jìn)行修改。系統(tǒng)的zui終目標(biāo)是實現(xiàn)閉環(huán)控制，即從數(shù)據(jù)的采集到zui后方案的執(zhí)行*不需要人工干預(yù)，由程序自動執(zhí)行。
　　
　　4現(xiàn)場情況
　　
　　該系統(tǒng)于2001年上半年開始在九江地調(diào)進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，并于同年11月通過江西省電力公司組織的科技鑒定。在鑒定組的測試過程中，對九江地調(diào)2001年11月26日22時10分的實時電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行了優(yōu)化計算，達(dá)到降損128．898kW，降低網(wǎng)損率為0．043％。