CN101127442A - 10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法，它通过在配电网上设置配电网无功补偿综合测控装置，采集配电网各节点的电压、电流、有功功率、无功功率等参数上传至主控服务器，主控服务器同时取通过SCADA接口服务器接收地区电网无功优化服务器转发过来的变电站变压器的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，进行无功电压优化计算，通过向上调节变电站主变有载分接开关或者向下调节配电网无功补偿综合测控装置投切开关。改变以“确保变电站10kV母线电压合格”为“确保配电网最终用户端电压合格”为电压优化控制目标，实现了输电网与配电网无功电压联合优化控制，实现了真正意义上的无功分层就地平衡。

Description

10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法及系统。

背景技术

电力系统无功电压控制可分为三个层面：一是电力客户级，即10kV及以下配电网；二是220KV及以下输电网级，含电厂；三是220KV及以上电网，不含电厂。目前，10kV及以下配电网承担着巨大的电力客户供电任务。向电力客户提高合格的电能，确保可靠供电，是供电系统的主要职责。电压合格率是配电网最重要的质量指标，配电线损率是配电网最重要的经济指标。有效的电压控制、合理的无功补偿和电能质量的监测治理，不仅能保证电压质量，而且提高电力系统运行的稳定性和安全性，降低电网电能损耗，提高电网设备输电能力，充分发挥配电网运行经济效益。配电网电压不合格对电气设备安全运行、产品质量和生产单耗将带来巨大的损失。10kV及以下配电网中无功电压的控制存在严重的缺陷：

1、10kV及以下配电网中公用配变为无载变，配电网运行电压的合格率取决于集控中心对变电站10KV母线电压的控制水平，集控中心不能做到依据公用配变出口电压或用户端电压高低来对变电站10KV母线电压的进行控制，经常造成变电站电压合格，而客户端电压不合格。

2、目前城区配电网中无功补偿主要靠安装在公用配变处的低压无功补偿自动投切装置进行补偿。这种补偿装置仅靠采集一个公用配变的无功电压值进行投切控制，不能做到一条线路或全配电网的无功电压的综合分析判断和控制，造成补偿容量使用不充分，全线补偿水平低。同时未直接采用线路补偿。

3、现有0.40KV低压无功补偿自动控制装置不能接收远程控制，结构复杂，造价高，故障率高，未考虑低压谐波影响。

近年来，国内对配电网无功电压优化理论研究较多，但几乎是静态的，动态的研究较少，进行全配电网电压无功实时优化和控制的研究未见报道，低压无功补偿装置实现远程受控也未见报道。利用电力客户端电压来进行变电站母线电压控制的理论研究未见报道。国外，从全配电网角度进行配网电压无功实时优化控制未见报导。

过去由于配网自动化和居民集中抄表系统未实施，要实现配电网电压无功优化运行自动控制是很困难的。现在配网自动化和居民集中抄表系统正在逐步实现，使得实现配网无功电压优化控制成为可能。

发明内容

本发明提供一种10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法及系统，它以10kV及以下配电网运行参数为依据，以10kV配电网电能损耗最小为目标，以电力客户端电压合格为约束条件，尽可能减少上级变电站10kV母线电压调整次数，尽可能减少低压无功补偿设备动作次数，进行无功电压优化计算，通过“双向调控指令”即上调变电站主变分接开关，下控0.40kV和10kV线路无功补偿，形成输配电网无功电压联合自动控制。

本发明的技术方案如下：一种10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法，它通过在配电网上设置配电网无功补偿综合测控装置，采集配电网各节点的电压、电流、有功功率、无功功率等参数上传至主控服务器，主控服务器同时取通过SCADA接口服务器接收地区电网无功优化服务器转发过来的变电站变压器的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，进行无功电压优化计算，通过向上调节变电站主变有载分接开关或者向下调节配电网无功补偿综合测控装置投切开关，形成无功电压的输配电网联合控制。

本控制方法以最终电力客户端电压合格为约束条件，以10kV及以下配电网电能损耗最小为目标，进行无功电压优化计算，尽可能减少上级变电站10kV母线电压调整次数和配电网无功补偿综合测控装置投切动作次数：

约束条件：电力客户端电压不越限：

U_min≤|U_i|≤ U_max

U_min、U_max为所允许的电压上限值和电压下限值；

目标函数：

全网电能损耗最小：

$\min f_{\mathrm{loss}}=\min \underset{k=1}{\overset{\mathrm{ZL}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{k(i,j)}[V_i^2+V_j^2-2V_i{V}_j\cos ({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_j\left)\right]$

ZL---为配电网支路数；G_k(i，j)---为支路k的电导；i，j---为支路k两端的节点号；V_i，V_j---分别为节点i，j的电压值；δ_i，δ_j---分别为节点i，j的电压相角；

动作次数最少：

$N=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[f_3(k_i-k_T)+f_4(Q_i-Q_c)]$

U_i---为电压，K_i---为分接开关档位数

Q_i---为补偿容量，K_T---为当前分接开关档位数

Q_c---为电容器容量，n---为节点数。

本发明根据电网潮流动态方程，运用TABU算法和专家系统，对目标函数进行求解，进行无功电压优化计算，上调变电站主变有载分接开关或者下调配电网无功补偿综合测控装置投切开关。配电网无功补偿综合测控装置包括10KV线路、0.4KV线路、配电网变压器低压侧安装的补偿电容和GPRS无功补偿远程测控终端，GPRS无功补偿远程测控终端通过GPRS通道和GPRS网关服务器采用TCP/IP协议建立长连接，GPRS服务器与主控服务器连接，定时上传数据。

一种10kV及以下配电网无功电压优化运行控制系统，它主要包括

配电网无功补偿综合测控装置，用于采集配电网节点的电压、电流、有功功率、无功功率等实时运行参数，并上传至主控服务器，同时接收主控服务器发出的无功补偿投切指令，进行电压无功补偿；

SCADA接口服务器，用于与地区电网无功优化系统通讯，接收该系统发过来的变电站变压器的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，并发送至主控服务器；

主控服务器，用于接收配电网无功补偿综合测控装置及SCADA接口服务器发送来的电网运行参数，进行无功优化计算，形成配电网无功补偿指令发送到配电网无功补偿综合测控装置，或者形成供电有载变电站变压器分接开关调节指令，通过SCADA接口服务器上调变电站主变有载分接开关。

所述的配电网无功补偿综合测控装置包括10KV线路、0.4KV线路、配电网变压器低压侧安装的补偿电容和GPRS无功补偿远程测控终端，GPRS无功补偿远程测控终端通过GPRS通道和GPRS网关服务器采用TCP/IP协议建立长连接，GPRS服务器与主控服务器连接，定时上传数据，GPRS无功补偿远程测控终端通过投切开关控制线路补偿电容、配电网变压器补偿电容的投切，保证电力客户端电压，配电网电能损耗最小。

配电网无功电压优化运行控制方法，由地区电网无功优化系统、配电网无功补偿综合测控装置采集全配电网节点运行电压、无功功率、有功功率等实时运行数据，以配电网电能损耗最小和设备动作次数最少为优化目标，以客户端电压合格为约束条件，遵循配电网运行规程，进行无功电压综合优化计算，形成0.40kV、10kV无功补偿设备投切指令，形成供电有载调压变压器分接开关调节指令，实现配电网无功电压优化运行自动控制。

本发明的主要创新点如下：1、改变以“确保变电站10kV母线电压合格”为“确保配电网最终用户端电压合格”为电压优化控制目标，并控制上级电网主变有载分接开关调节和配电网无功补偿综合测控装置投切实现这一目标。

2、实现了输电网与配电网无功电压联合优化控制，实现了真正意义上的无功分层就地平衡，提出了整个电力系统无功电压控制层面的划分范围。

3、从“全配电网”角度考虑，不管配电网范围内无功补偿设备数量的多少，都能同时满足全配电网线损率最小、各节点电压合格率最高、上级有载调压变压器分接开关动作次数最少的目的。

4、计及负荷电压静态特性，修正标准潮流计算方程，精确计算“预测潮流”，使得精确的优化控制成为可能。

本发明的有益效果如下：(1)提高了10kV线路平均电压合格率3.07个百分点，0.40kV低压用户端电压合格率5.13个百分点。

(2)提高10kV线路输电功率因数0.13，增加输电能力5.3％左右。

(3)降低10kV及以下配电网电能损耗，同比降低线损率2.35个百分点，平均节电9.3万千瓦时/条年，取得了明显的降损节能效益。

(4)10kV供电电源主变有载分接开关动作效率大幅度提高，真正实现保证用户端电压合格，决定是否调节主变分接头。

(5)实现了高网与配网无功电压联合优化控制，实现了全电网无功补偿资源和电压调节手段的优化调度。

附图说明

图1为本发明控制流程图

图2为本发明框图

图3为本发明逻辑结构示意图

图4为本发明实施例的控制系统示意图

具体实施方式

根据图1、图2和图3所示，10kV及以下配电网无功电压优化运行控制系统，它主要包括

配电网无功补偿综合测控装置，用于采集配电网节点的电压、电流、有功功率、无功功率等实时运行参数，并上传至主控服务器，同时接收主控服务器发出的无功补偿投切指令，进行电压无功补偿；

SCADA接口服务器，用于与地区电网无功优化系统通讯，接收该系统发过来的变电站变压器的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，并发送至主控服务器；

主控服务器，用于接收配电网无功补偿综合测控装置及SCADA接口服务器发送来的电网运行参数，进行无功优化计算，形成配电网无功补偿指令发送到配电网无功补偿综合测控装置，或者形成供电有载变电站变压器分接开关调节指令，通过SCADA接口服务器上调变电站主变有载分接开关。

所述的配电网无功补偿综合测控装置包括10KV线路、0.4KV线路、配电网变压器低压侧安装的补偿电容和GPRS无功补偿远程测控终端，GPRS无功补偿远程测控终端通过GPRS通道和GPRS网关服务器采用TCP/IP协议建立长连接，GPRS服务器与主控服务器连接，定时上传数据，GPRS无功补偿远程测控终端通过投切开关控制线路补偿电容、配电网变压器补偿电容的投切，保证电力客户端电压，配电网电能损耗最小。

本发明以最终电力客户端电压合格为约束条件，以10kV及以下配电网电能损耗最小为目标，进行无功电压优化计算，尽可能减少上级变电站10kV母线电压调整次数和配电网无功补偿综合测控装置投切动作次数：

约束条件：电力客户端电压不越限：

U_min≤|U_i|≤U_max

U_min、U_max为所允许的电压上限值和电压下限值；

目标函数：

全网电能损耗最小：

$\min f_{\mathrm{loss}}=\min \underset{k=1}{\overset{\mathrm{ZL}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{k(i,j)}[V_i^2+V_j^2-2V_i{V}_j\cos ({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_j\left)\right]$

ZL---为配电网支路数；G_k(i，j)---为支路k的电导；i，j---为支路k两端的节点号；V_i，V_j---分别为节点i，j的电压值；δ_i，δ_j---分别为节点i，j的电压相角；

动作次数最少：

$N=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[f_3(k_i-k_T)+f_4(Q_i-Q_c)]$

U_i---为电压，K_i---为分接开关档位数

Q_i---为补偿容量，K_T---为当前分接开关档位数

Q_c---为电容器容量，n---为节点数。

对目标函数的快速求解是实现全电网实时闭环控制的前提。必须充分利用配电网是开式电网的运行特性和大量的“专家系统”，对无功电压优化控制数学模型进行简化和分解，再利用潮流计算和专家系统等方法进行求解。

具体优化算法如下：

电网潮流动态方程：

其中 $\left[\begin{array}{c}{V}_0^{\′}\\ V_1^{\′}\\ V_2^{\′}\\ ...\\ V_n^{\′}\end{array}\right]$ 为下个时刻的电压值；P+jQ为流入各节点的负荷功率；

为V&的共轭复数；

Q_Ci为在各个节点处分别投入的电容器总容量；并且令V₀＝U∠0；

U_e为电容器的额定电压；

V_current为当前时刻配电网运行时各节点的电压。

电压差与电容器容量关系方程： $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{1,2}}\\ \mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{2,3}}\\ \mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{3,4}}\\ ...\\ \mathrm{\Δ}{V}_{n-1,n}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{X_1}{U_e}\\ \frac{X_2}{U_e}\\ ...\\ \frac{X_n}{U_e}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Q}_{C1}\\ Q_{C2}\\ Q_{C3}\\ ...\\ Q_{\mathrm{Cn}}\end{array}\right]$

根据上式求[ΔV_i，j]

求[V&]：[U&]的求解，采用TABU迭代法，快速精确地计算出：

此时U的值一旦确定，配电网各个节点处的电压就可以迅速求得。而U的求取可以利用负荷预测的方法或者是 $\mathrm{\ΔU}=\frac{S_d}{u}g{X}_s$ 的方法求得。

代入目标函数，求有功网损：

$f_{\mathrm{loss}}=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{ZL}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{k(i,j)}[V_i^2+V_j^2-2V_i{V}_j\cos ({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_j)]$

进入下一个TABU移动，返回。

经过TABU算法，已经找到了在配电网有功网损最小条件下地电容器的状态。将优化后的电容器状态指导下个时刻的各个节点处的各个电容器的投切，从而就达到了配电网无功优化控制的目的。

10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法，取“调度自动化系统”的实时数据，经过“地区电网无功优化系统”优化控制后，由SCADA接口服务器通过地区电网无功优化服务器的RS232串口接收该系统转发过来的包含变电站变压器的电压，电流，有功，无功，功率因数等参数，并上传至主控服务器。配电网无功补偿综合测控装置定时将线路电压、电流、有功、无功等测量值以及配变的有功，无功，电压等等上传至主控服务器。

主控服务器进行如下处理：

一：如果配变的电压低于198V，根据配电网变压器的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“投入配变电容器”的指令或“投入10KV线路电容器”或“申请无功优化系统升高电压”的指令；如果配变的电压超过236V，根据配电网变压器的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“切除配变电容器”的指令或“切除10KV线路电容器”或“申请无功优化系统降低电压”的指令，直到电压满足电压合格范围。

二：如果10KV线路的电压低于10KV时，根据10KV线路的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“投入10KV线路电容器”的指令或“申请无功优化系统升高电压”指令；如果10KV线路的电压超过10.7KV时，根据10KV线路的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“切除10KV线路电容器”的指令或“申请无功优化系统降低电压”指令，直到电压满足电压合格范围。

三：如果配电网变压器的电压低于198V，10KV线路的电压低于10KV时，根据各节点的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“投入配变电容器”的指令或“投入10KV线路电容器”或“申请无功优化系统升高电压”的指令；如果配变的电压超过236V，10KV线路的电压超过10.7KV时，根据各节点的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“切除配变电容器”的指令或“切除10KV线路电容器”或“申请无功优化系统降低电压”的指令，直到电压满足电压合格范围。

四：如果配电网变压器的电压低于198V，10KV线路的电压超过10.7KV时，根据各节点的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“投入配变电容器”的指令和“切除10KV线路电容器”或“申请无功优化系统升高电压”的指令；如果配电网变压器的电压超过236V，10KV线路的电压低于10KV时，根据各节点的有功功率，无功功率，电压的实时数据优化计算后发出“切除配变电容器”的指令和“投入10KV线路电容器”或“申请无功优化系统升高电压”的指令，直到电压满足电压合格范围。

五：如果各节点电压合格，在保证电压合格的基础上，根据计算是否投入电容器，如果倒送无功，根据计算是否切除电容器。

上述处理中如果是调节主变分接开关的指令，则通过SCADA接口服务器向地区电网无功优化系统申请，执行完成；如果是投切“10KV线路电容器”和“0.40KV低压电容器”，无功补偿远程测控终端接收主控服务器的控制指令，驱动相应操作。

上述过程形成一个闭环系统，循环往复，以保证系统能周期自动运行。

图4为姜堰10kV及以下配电网无功电压优化运行控制系统部分示意图，里华变电站输出10KV电压，在10KV线路上设有无功优化补偿电容及GPRS无功补偿远程测控终端，在港口12#、李庄4#、李庄7#变压器输出的0.4KV线路上设有无功优化补偿电容及GPRS无功补偿远程测控终端。该系统的投运产生了巨大的经济效益和社会效益：

(1)提高了10kV线路平均电压合格率3.07个百分点，0.40kV低压用户端电压合格率5.13个百分点。

(2)提高10kV线路输电功率因数0.13，增加输电能力5.3％左右。

(3)降低10kV及以下配电网电能损耗，同比降低线损率2.35个百分点，平均节电9.3万千瓦时/条年，取得了明显的降损节能效益。

(4)10kV供电电源主变有载分接开关动作效率大幅度提高，真正实现保用户端电压合格，决定是否调节主变分接头。

(5)实现了高网与配网无功电压联合优化控制，实现了全电网无功补偿资源和电压调节手段的优化调度。

(6)减轻了配调中心值班人员劳动强度，避免了人为误差，真正实现了全网无功电压实时控制，完善并提高了配电网无功电压管理自动化水平。

本发明的主要功能如下：

1、全配电网电压优化调节功能

根据整个10KV及以下配电网客户端电压高低水平，决定是否调节供电电源主变分接开关。电压合格范围内，实施逆调压。

2、配电网无功电压综合优化功能

当配电网客户端电压超上限或下限时，寻求最佳的主变分接开关调整和电容器投切策略，尽可能保证电容器投入量最多。优化投切“10KV线路电容器”和“0.40KV低压电容器”。

3、全配电网无功优化补偿功能

当配电网内各客户端电压处在合格范围内，控制10kV电网内无功功率流向合理，达到10kV与0.40kV无功功率分层就地平衡，提高配电网无功率因数。

Claims (6)

1.一种10kV及以下配电网无功电压优化运行控制方法，它通过在配电网上设置配电网无功补偿综合测控装置，采集配电网各节点的电压、电流、有功功率、无功功率等参数上传至主控服务器，主控服务器同时取通过SCADA接口服务器接收地区电网无功优化服务器转发过来的变电站变压器的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，进行无功电压优化计算，通过向上调节变电站主变有载分接开关或者向下调节配电网无功补偿综合测控装置投切开关，形成无功电压的输配电网联合控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于它以最终电力客户端电压合格为约束条件，以10kV及以下配电网电能损耗最小为目标，进行无功电压优化计算，尽可能减少上级变电站10kV母线电压调整次数和配电网无功补偿综合测控装置投切动作次数：

约束条件：电力客户端电压不越限：

U_min≤|U_i|≤U_max

U_min、U_max为所允许的电压上限值和电压下限值；

目标函数：

全网电能损耗最小：

$\min f_{\mathrm{loss}}=\min \underset{k=1}{\overset{\mathrm{ZL}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{k(i,j)}[V_i^2+V_j^2-{2V}_i{V}_j\cos ({\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\δ}}_j)]$

ZL---为配电网支路数；G_k(i,j)---为支路k的电导；i，j---为支路k两端的节点号；V_i，V_j---分别为节点i，j的电压值；δ_i，δ_j---分别为节点i，j的电压相角；

动作次数最少：

$N=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[f_3(k_i-k_T)+f_4(Q_i-Q_c)]$

U_i---为电压，K_i---为分接开关档位数

Q_i---为补偿容量，K_T---为当前分接开关档位数

Q_c---为电容器容量，n---为节点数。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于它根据电网潮流动态方程，运用TABU算法和专家系统，对目标函数进行求解，进行无功电压优化计算，向上调节变电站主变有载分接开关或者向下调节配电网无功补偿综合测控装置投切开关。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于配电网无功补偿综合测控装置包括10KV线路、0.4KV线路、配电网变压器低压侧安装的补偿电容和GPRS无功补偿远程测控终端，GPRS无功补偿远程测控终端通过GPRS通道和GPRS网关服务器采用TCP/IP协议建立长连接，GPRS服务器与主控服务器连接，定时上传数据。

5.一种10kV及以下配电网无功电压优化运行控制系统，其特征在于它主要包括

配电网无功补偿综合测控装置，用于采集配电网节点的电压、电流、有功功率、无功功率等实时运行参数，并上传至主控服务器，同时接收主控服务器发出的无功补偿投切指令，进行电压无功补偿；

SCADA接口服务器，用于与地区电网无功优化系统通讯，接收该系统发过来的变电站变压器的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，并发送至主控服务器；

主控服务器，用于接收配电网无功补偿综合测控装置及SCADA接口服务器发送来的电网运行参数，进行无功优化计算，形成配电网无功补偿指令发送到配电网无功补偿综合测控装置，或者形成供电有载变电站变压器分接开关调节指令，通过SCADA接口服务器上调变电站主变有载分接开关。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于所述的配电网无功补偿综合测控装置包括10KV线路、0.4KV线路、配电网变压器低压端安装的补偿电容和GPRS无功补偿远程测控终端，GPRS无功补偿远程测控终端通过GPRS通道和GPRS网关服务器采用TCP/IP协议建立长连接，GPRS服务器与主控服务器连接，定时上传数据，GPRS无功补偿远程测控终端通过投切开关控制线路补偿电容、配电网变压器补偿电容的投切，保证电力客户端电压，配电网电能损耗最小。

Images