CN102761128B - 一种在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，属于电力系统自动控制领域。该方法包括数据准备阶段、混合协调计算阶段以及设备实时自动协调控制阶段。本方法通过对系统的运行状态进行监控，结合电网的实际运行情况，实现了对无功优化的控制设备变压器分接头档位的调整和补偿设备开关的投切，以及通过对主变各侧开关的开合调整实现各个变电站的控制运行方式的改变；本发明降低了全网损耗，提高了电网抵御电压和负荷波动异常的能力，使电网运行更加合理，解决了无功优化混合变压器经济运行的实时自动协调控制的问题。

Description

一种在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法

一、技术领域

本发明涉及一种变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，属于电力系统自动控制领域。

二、技术背景

长期以来，对电力系统无功电压优化的研究一直是围绕固定的网络拓扑模型下的无功优化，提出了许多的算法和策略，但是考虑不同网络拓扑模型下的无功优化的研究却很少，特别是考虑和变压器在线经济运行计算进行结合的协调控制至今没有见到。

变压器经济运行在策略上只考虑了单个变电站的经济性但是没有考虑到全网的经济性，同时变压器经济运行也没有考虑到诸如电压质量等问题，而无功优化虽然从全网角度考虑了潮流的最优分布，考虑了节点的电压约束，节点的无功等约束等，但是没有考虑在不同的网络拓扑变化情况下的电网最优潮流分布，特别是当电网中出现电压和负荷有异常波动的时候如果还是按固定运行方式进行无功优化计算往往无法得到满意的结果，但是如果在无功优化的计算中考虑了单站的在线变压器经济运行计算，以变压器经济运行的计算结果作为无功优化计算的基础那么将会在很大程度上提高电网的经济性，同时也能提高算法在异常情况下的收敛性增强电网抵御异常情况的能力。

本改进发明就是在前人提出和使用的各种计算方法的基上，提出一种将无功优化和在线变压器经济运行混合的协调自动控制方法，并将这种方法应用到实际在线控制中去，以解决电力系统无功电压优化控制中的问题。

三、发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对背景技术中存在的缺陷而提出一种成本低、检修维护量小的无功优化和变压器经济运行混合协调控制的实时自动控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，包括数据准备步骤、协调计算步骤和实时自动控制步骤，具体步骤如下：

A.数据准备步骤：

A-1，采用TCP/IP通信协议从调度自动化系统采集得到电网的实时数据；

A-2，对步骤A-1采集的实时数据进行数据筛选挑选出满足基本潮流计算的数据；

A-3，将步骤A-2得到的数据进行逻辑上的互相判断，完成实时数据的可靠性校验，同时剔除数据不刷新的死数据和误数据；

A-4，当步骤A-3中数据校验结果正常，则直接进入步骤B-6；

当步骤A-3中数据校验不正常，则进入步骤B-5；

B.协调计算步骤：

B-5，通过对数据的简单校验和判断，对数据进行修正；

B-6，对电网的模型和数据进行潮流计算；

B-7：判断潮流计算后的精度N是否符合高级应用的精度要求，当结果符合精度要求则转入步骤B-8，如果结果不符合精度要求则转入步骤C-16；

B-8：通过协调计算获得控制命令，如果协调计算有控制命令产生则转入步骤C-9；如果协调控制失败则转入步骤C-16；

C.实时自动控制步骤：

C-9：获得协调计算中变电站内变压器各侧的开关、变压器间母联的开关控制命令；

C-10：获得协调计算中的控制命令，控制命令包括：变压器主变分接头档位的调整，补偿设备开关的投切，发电厂高压侧母线电压的控制目标值；

C-11：判断控制命令中涉及的控制设备是否处于闭环控制状态，即是否由计算机自动控制设备投切，如果是，则进入步骤C-13；如果不是，则进入步骤C-12；

C-12：当控制设备不满足闭环自动控制要求时，系统给出该设备的实时的建议命令；

C-13：执行控制命令方案，将控制命令下发到控制设备；

C-14：判断控制命令是否执行成功，如果控制命令执行成功则转到步骤C-16，否则转到步骤C-15；

C-15：根据实际执行情况的反馈信息给出本次执行失败的原因；

C-16：将控制结果信息用文字形式显示出来；

C-17：对控制失败或其他异常信息给出语音报警提示；

C-18：将控制结果保存到数据库进行存档；

循环以上所有步骤，保证系统能周期、自动运行。

进一步的，本发明的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，步骤A-2中所述满足基本潮流计算的数据包含电网模型、各个变电站中母线上的电压，电力变压器、输电线路、电容器、电抗器等器件的有功、无功电流以及各个开关的开合状态；

进一步的，本发明的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，步骤B-6中采用的潮流计算方法为牛顿-拉夫逊潮流计算法。

进一步的，本发明的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，步骤B-7中所述精度的计算方法是：

(i节点潮流计算前电压标幺值-i节点潮流计算后电压标幺值|/i节点潮流计算前电压标幺值)，其中n代表在线变压器的数量，n取自然数。

进一步的，本发明的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，步骤B-7中高级应用的精度要求为精度N≤1.5％。

进一步的，本发明的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，步骤B-8中协调计算具体步骤如下：

B-8-1：判断当前电网是否有母线电压越线，如果有母线电压越线发生则转入步骤B-8-2，如果没有电压越线发生则转入步骤B-8-3；

B-8-2：进行电压校正计算：如果校正计算结果成功则保存本次计算结果，转入B-8-8，如果校正计算失败则转入步骤B-8-2-1；

B-8-2-1：判断是否有电压异常波动，如果有电压异常波动则转入步骤B-8-2-2，否则转入步骤B-8-8；

B-8-2-2：进行单站变压器经济运行计算；

B-8-2-3：得到单站经济运行调整方案；

B-8-2-4：读取站内开关的动作次数，如果动作次数在设定范围内转入步骤B-8-2-5，否则转入步骤B-8-8；

B-8-2-5：通过单站经济运行调整方案后带到全网进行拓扑分析，得到新的电网运行方式，重新执行步骤B-8-2的校正计算，如果校正计算成功则转入步骤B-8-4否则转入步骤B-8-8；

B-8-3：进行无功优化计算，如果优化计算成功转入步骤B-8-3-1，否则转入步骤B-8-8；

B-8-3-1：读取单站负荷实时和负荷预测数据；

B-8-3-2：判读是否有负荷异常波动情况，如果判断有异常波动则转入步骤B-8-3-3，否则转入步骤B-8-5；

B-8-3-3：进行单站变压器经济运行计算，得到计算结果；

B-8-3-4：读取站内开关的动作次数，如果动作次数在设定范围内转入步骤B-8-3-5，否则转入步骤B-8-5；

B-8-3-5：通过单站经济运行调整方案后带到全网进行拓扑分析，得到新的电网运行方式，重新进行无功优化计算，如果无功优化计算成功则转入步骤B-8-4否则转入步骤B-8-5；

B-8-4：得到新的控制方案，转入步骤B-8-6；

B-8-5：保持本次优化方案，转入步骤B-8-6；

B-8-6：潮流校验本次方案，如果潮流校验成功则转入步骤B-8-7，否则转入步骤B-8-8；

B-8-7：得到最终控制方案；

B-8-8：本次计算结束。

本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：

本发明结合电网的实际运行情况，实现了对无功优化的控制设备变压器分接头档位的调整和补偿设备开关的投切，通过对主变各侧开关的开合调整实现各个变电站的控制运行方式的改变：特别是在电网遇到电压和负荷异常波动的情况下，系统通过混合计算和协调控制不但保证了电网的经济性而且提高了算法在异常情况下的收敛能力，加大了电网抵御异常事故的能力。本发明降低了全网损耗，减少了设备投资成本以及检修和维护的工作量，提高了电网抵御电压和负荷波动异常的能力，使电网运行更加安全和经济。

附图说明

图1是本发明的方法总体流程图。

图2是混合协调计算方法的详细说明流程图。

图3是实时自动控制系统与电网接口示意图。

图4是一个变电所内两台以上变压器并列运行的接线图。

图5是一个变电所内两个变压器线路组在其负载侧有联络开关相连的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述。

如图1所示是本发明方法的总体流程图，具体步骤如下：

步骤1：程序开始后，利用电网实时运行数据采集模块从调度自动化的SCADA/EMS渠道采集得到实时数据；

步骤2：利用数据接口模块转换步骤1中采集的全网实时数据进行数据整合，该数据包含电网模型，各个变电站中母线上的电压，电力变压器、线路、电容器、电抗器等器件的有功、无功、电流以及各个开关的开合状态；

步骤3：通过遥信和遥测数据逻辑上的互相判断来检测实时数据的可靠性同时判断数据不刷新的死数据和误数据，例如：1)当开关状态为断开，但此时可检测到有功和无功值，则说明数据不正常；2)当出现零阻抗支路，则说明支路数据有误；

步骤4：当步骤3中数据校验符合计算要求，即数据正常，则进入步骤6；当步骤3中数据校验不正常，则进入步骤5；

步骤5：通过对数据的简单校验和判断进行数据的修正；例如：对数据出现异常的标幺值用当前电压等级的平均值替代，对零阻抗支路用近似小阻抗数据替代。

步骤6：对电网的模型和数据进行潮流计算，主要采用牛顿-拉夫逊潮流计算法；

步骤7：判断潮流计算后的精度N是否符合高级应用的计算要求，这里精度的计算方法是：

(|i节点潮流计算前电压标幺值-i节点潮流计算后电压标幺值|/i节点潮流计算前电压标幺值)，这里要求N＜＝1.5％，当结果符合精度则转入步骤8，如果结果不符合精度要求则转入步骤16。

步骤8：在线变压器经济运行和无功优化协调控制模块，具体步骤见图2；如果协调控制成功有控制命令产生则转入步骤9和步骤10；如果协调控制失败则转入步骤16；

步骤9：发出协调控制中无功优化计算出的控制命令结果，控制命令包括：变压器主变分接头档位的调整，补偿设备开关的投切，发电厂高压侧母线的控制目标值；

步骤10：发出协调控制中通过变压器经济运行计算出的控制命令结果，控制命令主要通过改变变电站内部的运行方式从而达到经济运行的结果，主要控制设备包括：变压器各侧的开关和变压器间母联的开关的开合；

步骤11：通过电网控制设备的控制状态判断控制命令中的控制设备是否处于实时自动自动控制状态，即计算机自动控制设备投切，如果是，则进入步骤13；如果不是，则进入步骤12；

步骤12：当不满足实时自动控制时，系统给出实时的控制命令的建议方案；

步骤13：执行控制命令方案，控制命令下发到控制设备；

步骤14：控制命令是否执行成功，如果控制命令执行成功则转到步骤16，否则如果控制命令执行失败则转到步骤15；

步骤15：当控制命令执行失败时根据步骤14通过系统对执行命令的实际执行情况的反馈信息给出本次执行失败的原因；

步骤16：把步骤7，步骤12，步骤14，步骤15得到的信息用文字形式显示出来。

步骤17：将步骤7，步骤12或者步骤15中的部分重要的异常信息给出语言提示；

步骤18：将计算的结果保存到数据库进行存档，然后结束；

在上述步骤中，步骤1～4为数据准备阶段，步骤5～18为在线变压器经济运行混合无功优化协调实时自动控制阶段，重复步骤1～18，形成一个实时自动系统，循环往复，以保证系统能周期、自动运行。

为了更清楚的说明本发明，下面将对相关内容进行展开说明。

(一)系统接驳原理

如图3所示，考虑在线变压器经济运行的混合无功优化协调自动控制系统与电网通过SCADA/EMS系统进行接驳获得电网实时数据和模型，通过和电厂侧AVC系统以及变电站QAVC系统的接驳获得实时的遥测和遥信数据作为SCADA/EMS数据的补充，通过和电能表集抄系统的接驳获得电网的有功无功电量数据，作为SCADA/EMS数据的补充。因其主要由调度值班人员用于实时调整可控设备包括变压器分接头档位，无功补偿设备，以及电网运行方式，从而降低电网损耗，特别是在电网电压和负荷发送异常波动的情况下通过协调控制保证电网安全，系统直接接入SCADA/EMS系统，与电厂侧AVC系统，变电站QAVC系统，电能表集抄系统、方式工作站、无功专职工作站、WEB终端工作站接口均通过二次防护系统隔离。

(二)混合协调计算

如图2所示是本发明方法的协调控制的流程图，具体步骤如下：

步骤1：协调处理模块开始后，判断当前是否有电压越线的节点，如果有电压越线的节点则转入步骤2，如果没有电压越线的节点则转入步骤11；

步骤2：电压校正模块，根据当前电网可控设备对电压越线节点的电压进行校正，如果校正成功则转入步骤3，如果校正失败则转入步骤4；

步骤3：如果校正电压越线成功则保存本次校正的调节方案；

步骤4：是否出现电压异常波动的情况，例如：电压在短时间内出现大幅的下降或上升，如果出现电压异常波动则转入步骤5，如果没有出现电压异常波动则结束本次计算；

步骤5：调用变压器在线经济运行模块，当采用传统的校正调节手段无法实现校正目的的时候，同时电压出现异常波动的时候采用实时计算单站的变压器经济运行策略。

步骤6：通过变压器在线经济运行计算的结果，得到站内变压器可控开关和母联开关的控制命令；

步骤7：读取变电站内可控变压器开关和母联开关的动作次数；

步骤8：判断可控开关和母联开关的动作次数是否达到动作的上限，如果开关控制次数已经达到规定上限说明本段时间内设备将不能动作则本次计算结束，否则如果没有达到规定动作次数上限则转入步骤9；

步骤9：将变电站的变压器经济运行计算结果带入全网模型中，得到新的电网下的运行方式和新的节点负荷数据；

步骤10：在新的电网运行方式下再次做电压校正，如果电压校正成功则转入步骤20，如果电压校正失败则结束计算；

步骤11：进行全网无功优化计算，如果无功优化计算失败则结束本次计算，如果无功优化计算成功则转入步骤12；

步骤12：读取单站变压器带的负荷数据；

步骤13：判断当前负荷情况，如果负荷短时间内出现较大异常波动则执行步骤14，如果负荷短时间内变化不大则执行步骤21；

步骤14：在负荷异常波动的情况下，调用变压器经济运行模块带入实时数据进行在线计算；

步骤15：通过实时的变压器经济运行在线计算得到计算结果；

步骤16：读取变电站内可控变压器开关和母联开关的动作次数；

步骤17：判断可控开关和母联开关的动作次数是否达到动作的上限，如果开关控制次数已经达到规定上限说明本段时间内设备将不能动作则转入步骤21，否则如果没有达到规定动作次数上限则转入步骤18；

步骤18：将变电站的变压器经济运行计算结果带入全网模型中，得到新的电网下的运行方式和新的节点负荷数据；

步骤19：在电网新的运行方式和节点负荷数据的改变情况下再次进行全网的无功优化计算，如果计算收敛成功则转入步骤20，如果计算结果发散则转入步骤21；

步骤20：通过步骤10或步骤19得到成功的协调控制方案；

步骤21：保存无功优化收敛后的最优控制方案；

步骤22：对步骤20或步骤21的协调控制方案进行潮流校验，如果潮流校验成功则转入步骤23，如果潮流校验失败则结束本次计算；

步骤23：得到潮流校验通过的本次协调控制的最终控制方案；

(三)混合协调自动控制

I.混合协调自动控制策略

由于协调控制命令中会有变压器档位的调节命令和变电站运行方式变化的命令，所以控制就有了优先级次序。在出现了变电站运行方式变化和变压器档位都需要调整的时候应先考虑档位的变化，然后再考虑运行方式的调整，下面就几种方式的情况做一下说明。

如果是单台变压器运行转换至两台变压器并列运行的情况。协调控制前的状态如下：A和B为同一型号变压器且参数相同，A变压器运行档位是4档，B变压器停运档位是3档，如果此时协调控制命令是本变电站变压器由单台运行转换成两台变压器并列运行，同时档位调到5档，那么首先根据最后的两台变压器调整的档位信息先将调整备用电力变压器B的档位由3档调至5档，接着将运行中电力变压器A的档位信息由4档调至5档，使两台变压器的档位相同；其次，按照电力变压器的操作顺序，发出电力变压器B高压侧断路器闭合命令，如果执行成功，继续执行电力变压器B低压侧断路器闭合命令，否则停止发送命令。当电力变压器B低压侧断路器闭合命令发出，且执行成功后，说明电力变压器B顺利投入运行；如果低压侧命令执行失败，此时反向执行电力变压器B高压侧断路器断开命令，使其恢复为原来状态。以上命令执行成功与失败均需遥信和遥测值进行验证判断。

如果是两台变压器并列运行转换至单台变压器运行的情况。协调控制前的状态如下：A和B为同一型号变压器且参数相同，A变压器运行档位是4档，B变压器运行档位是4档，如果此时协调控制命令是本变电站两台变压器并列运行转换至单台变压器运行，同时档位调到5档，那么首先先执行两台变压器并列运行转换至单台变压器运行的操作，系统发出切除电力变压器A低压侧断路器断开命令，如果执行成功，继续发出切除高压侧断路器命令，否则停止发送命令。当切除电力变压器A高压侧断路器断开命令发出，且执行成功后，说明顺利切除电力变压器A；如果电力变压器A高压侧断路器命令执行失败，此时反向执行命令，将已经断开的电力变压器A低压侧断路器恢复为闭合状态。以上命令执行成功与失败均需遥信和遥测值进行验证判断。其次，当以上命令执行成功后系统再发出调档命令，将运行变压器的档位由4档调至5档。

如果是一台变压器运行转换至另一台变压器运行的情况。协调控制前的状态如下：A和B为同一型号变压器且参数相同，A变压器运行档位是4档，B变压器运行档位是4档，A变压器运行，B变压器备用。如果此时的协调命令将A变压器由运行转为备用，B变压器由备用转为运行。首先，根据单台变压器运行转换至两台变压器并列运行的控制方法，将两台电力变压器并列运行，即电力变压器B也投入运行；其次，待电力变压器A和B并列运行成功，再按照两台变压器并列运行转换至单台变压器运行的操作顺序，即切除原来运行中的电力变压器A。

II.控制命令执行策略

1)改变运行方式的控制命令执行策略

由于各个设备执行遥控命令时间有所不同，这就需要人为设定发出下条控制命令的时间间隔。如果间隔时间较短，就会造成前一条命令没有执行成功而后一条命令已经发出的情况，从而在经过遥信和遥测判断后，误认为前条命令执行失败，最终造成电力变压器运行方式调整失败。如果间隔时间较长，会造成命令迟迟不执行的假象。解决上述问题的关键在于正确判断命令执行时间，包括命令发出至设备操作成功后的反校时间；

2)变压器档位调节控制命令执行策略

变压器档位调节中可能会出现滑档的情况发生，一旦出现滑档的情况发生，应首先立即报警处理，其次如果能够读取到滑档后的档位值且允许回调档位，应立刻根据档位实测值和目标值的差值重新下发新的档位值将当前档位值调回到目标档位值。

3)补偿设备开关控制命令执行策略

在补偿设备开关的控制命令执行中会出现命令执行失败的情况，一种情况为控制命令的反校失败情况，这时应进行多次重发来执行命令。如果在规定的重发次数内依旧执行失败，则停止发出命令给出报警信息。另一种情况为控制命令反校成功而实际执行失败，这种情况可能是设备硬件出现问题，应立刻闭锁该设备在下次计算中该设备不带入模型进行计算，同时给出告警提示监视人员进行必要的设备检查和处理。

(四)改进牛顿-拉夫逊潮流计算

牛顿-拉夫逊法是常用的解非线性方程组的方法，也是当前广泛采用的计算潮流的方法。

I.潮流计算功率方程和等式约束条件

${\stackrel{g}{U}}_i\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{*}{Y}}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{*}{U}}_j=P_i+j{Q}_i$

将Y_ij＝G_ij+jB_ij，代入得：

$(e_i+j{f}_i)\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}-j{B}_{\mathrm{ij}})(e_i-{\mathrm{jf}}_i)=P_i+j{Q}_i$

将实数部分和虚数部分分列：

$\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}[e_i(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+f_i(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)]=P_i$

$\underset{j=1}{\overset{j=n}{\mathrm{\Σ}}}\left[f_i(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-e_i(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)\right]=Q_i$

对于PV节点

$e_i^2+f_i^2=U_i^2$

其中：-节点i电压；-节点i和j之间互导纳的共轭值；-节点j电压的共轭值；P_i-节点i注入有功功率；Q_i-节点i注入无功功率；G_ij-节点i和j之间的互电导；B_ij-节点i和j之间的互电纳；e_i-节点i电压实部；f_i-节点i电压虚部；e_j-节点j电压实部；f_j-节点j电压虚部；j为复数计算中的字母，无实际意义。

II.对牛顿-拉夫逊法潮流计算的改进

1).平衡机的选择

①系统平衡机电站尽量选在电网的电气重心处，即到各母线的电气距离尽量接近。

②平衡母线选择在电站高压侧；不直接放在发电机端，以避免受到发电机升压变压器的容量限制。

2)P-V母线的选择

①全网P-V母线不需要选择过多，但按地区在网络上要均匀分布，因为P-V母线不吸收不平衡的无功功率，而无功功率不能向远方传送，否则会引起过大的电压降。

②在一个厂站内最好仅选一条高压母线做P-V母线，不应该在邻近的母线上设多个P-V母线，因为相邻阻抗值极小，一旦P-V母线电压不合理(包括量测误差)都会引起两母线的极大无功潮流。

3)不平衡功率的预处理

一般的潮流逻辑是先计算潮流后做功率调整，这样遇到初始不平衡功率过大时平衡机吸收功率过多，基本潮流无法收敛。显然，若进行不平衡功率的预处理再进行潮流计算便可以改善潮流的收敛性。

4)由于小阻抗支路对节点电压影响较大，所以对其在满足工程要求的前提下，对所涉及到的节点初值做相应处理。

5).根据电网实际运行情况，对于遥信和遥测信息有误的节点，在拓扑时做出处理，达到大电网到几个相对较小电网的简化，使其满足收敛条件。

综上，本发明方法借助无功优化计算，电力变压器经济运行与牛顿-拉夫逊法潮流技术，整体计算，统一决策，协调控制，较好解决了无功优化和变压器经济运行协调自动控制问题。

(五)无功优化模型

特定运行断面的电压无功优化在本质上是一个最优潮流问题，数学上可用一个非线性优化模型来描述。一般以电网运行的安全性作为约束条件，以提高电网运行的经济性作为优化目标，实现全网无功的综合优化。其数学模型可简要描述如下：

minf(V，θ，B，T)

s.t：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Li}}-\underset{j\&Element;S_N}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_{\mathrm{ij}}(V,\mathrm{\&theta;},B,T)=0& i\&Element;S_N\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Li}}-\underset{j\&Element;S_N}{\mathrm{\&Sigma;}}{Q}_{\mathrm{ij}}(V,\mathrm{\&theta;},B,T)=0& i\&Element;S_n\\ {\underset{\&OverBar;}{Q}}_{\mathrm{Gi}}<Q_{\mathrm{Gi}}<{\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_{\mathrm{Gi}}& i\&Element;S_G\\ {\underset{\&OverBar;}{B}}_i<B_i<{\stackrel{\&OverBar;}{B}}_i& i\&Element;S_C\\ {\underset{\&OverBar;}{T}}_i<T_i<{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_i& i\&Element;S_T\\ {\underset{\&OverBar;}{V}}_i<V_i<{\stackrel{\&OverBar;}{V}}_i& i\&Element;S_N\end{array}\right.$

s.t表示约束条件

式中，f(V，θ，B，T)为目标函数，多数情况下为系统的有功网损；V_i、θ_i、P_Gi、Q_Gi、P_Li和Q_Li分别表示节点i的电压幅值、电压相位、电源有功注入、电源无功注入、有功负荷和无功负荷；Q_Gi表示发电机无功量，Q_Gi表示发电机无功约束上限，表示发电机无功约束下限；B_i为并联补偿设备i的并联电纳，B _i表示并联电纳约束下限，表示并联电纳约束上限；T_i为有载调压变压器抽头i的标幺变比，T _i表示变压器抽头变比的下限，表示变压器抽头变比的上限；V_i表示节点的电压幅值，V _i表示节点电压幅值的上限，表示节点电压幅值的下限；S_N为所有节点的集合；S_G为机组的集合；S_G为并联补偿设备的集合；S_T为有载调压变压器抽头的集合。

(六)电压校正模型

当系统的电压已经越限或是电压接近越限时，调用校正算法进行计算。数学模型如下：

minf(ΔQ_G，ΔV，S)

$s.t.\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{Q}_G=\mathrm{B\&Delta;V}& \\ \mathrm{\&Delta;}{\underset{\&OverBar;}{Q}}_{\mathrm{Gi}}<\mathrm{\&Delta;}{Q}_{\mathrm{Gi}}<\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_{\mathrm{Gi}}& i\&Element;S_G\\ \mathrm{\&Delta;}{\underset{\&OverBar;}{V}}_i^c-S<\mathrm{\&Delta;}{V}_i<\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}_i^c+S& i\&Element;S_N\\ S\&GreaterEqual;0& \end{array}\right.$

s.t表示约束条件；

其中，B为Q/V灵敏度矩阵即无功对电压的灵敏度矩阵，实用中可直接取导纳矩阵各元素虚部构成的矩阵；ΔQ_G为拓扑点电源总无功注入变化量，ΔQ_Gi表示拓扑点电源总无功注入变化量下限，表示拓扑点电源总无功注入变化量上限；ΔV表示节点电压的变化量，表示节点电压变化量的上限，表示节点变化节点电压变化量的下限；目标函数f(ΔQ_G，ΔV，S)取为半正定二次函数；min表示函数取最小值；S_N为所有拓扑点的集合；S_G为所有机端拓扑点的集合；S表示松弛变量，该模型为凸二次规划模型，可采用原对偶内点法求解，其收敛性在理论上可以得到有效保障。

(七)变压器经济运行计算：

1)并列运行双绕组变压器的经济运行

在一个变电所中，有两台以上变压器并列运行，其接线图如图4所示：

若并列运行的变压器台数为M，则存在着(2^M-1)种组合运行方式。

在相同负载条件下，变压器并列运行的功率损耗不仅与运行方式的组合技术参数有关，而且与变压器间负载的分配有关。所以在分析变压器经济运行方式时，一定要考虑变压器短路阻抗不等和容量不同等因素的影响。

(1)短路阻抗相接近双绕组变压器并列运行的经济运行方式

并列运行变压器短路阻抗相接近的具体条件是：变压器短路阻抗的差值ΔU_k％＜＝5％。即：容量相同变压器并列运行时，认为负载分配是均衡的，对容量不同变压器并列运行时，认为负载是按容量成比例进行分配的。

a.相同台数并列运行变压器组合的经济运行：

有功功率临界负载功率为：

$S_{\mathrm{LP}}^{I~\mathrm{II}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{0\mathrm{iI}}-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{0\mathrm{i\&Pi;}}}{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ki\&Pi;}}}{{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{Ni\&Pi;}}\right)}^2}-\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{kiI}}}{{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{NiI}}\right)}^2}}}$

其中：I，∏——分别指I与∏两种运行方案；

m——并列运行变压器的台数；

P_OiI，P_Oi∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器空载损耗；

P_kiI，P_ki∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器短路损耗；

S_NiI，S_Ni∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器额定容量；

b.不同台数并列运行变压器组合的经济运行；

M台和M+1台并列运行变压器经济运行有功功率临界负载功率：

$S_{\mathrm{LP}}^{M~M+1}=\sqrt{\frac{P_{0(m+1)}}{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ki}}}{{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{Ni}}\right)}^2}-\frac{\underset{i=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ki}}}{{\left(\underset{i=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{Ni}}\right)}^2}}}$

其中：M，M+1——并列运行变压器的台数；

m，m+1——并列运行变压器的序号；

P_O(m+1)——第m+1台变压器空载损耗；

P_ki——第i台变压器短路损耗；

S_Ni——第i台变压器额定容量；

c.并列运行变压器经济运行方式的综合判定；

a)将变压器编号(i：1，2，3…n)；

b)找出P_Oi最小者P_Ok，记住编号(k)；

c)找出(j：和编号组合k相差一位或者位数相等的其他编号的组合，但不包括已经记住的编号或者编号组合。例如：若上一步骤中k＝3则j可为：2，13，34；若上一步k＝234则j可为15，245，1678，1346)中最小者记住这时的编号或者编号组合(l)，如果编号组合包括所有的编号则结束，否则继续下一步；

d)将K：＝l，转入步骤c；

(2)短路阻抗相差较大双绕组变压器并列运行的经济运行方式

a.相同台数并列运行变压器组合的经济运行：

有功功率临界负载功率为：

$S_{\mathrm{LP}}^{I-\mathrm{\&Pi;}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{0\mathrm{iI}}-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{0\mathrm{i\&Pi;}}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{D_{\mathrm{i\&Pi;}}}{S_{\mathrm{Ni\&Pi;}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{ki\&Pi;}}-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{D_{\mathrm{iI}}}{S_{\mathrm{NiI}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{kiI}}}}$

其中：I，∏——分别指I与∏两种运行方案；

m——并列运行变压器的台数；

P_OiI，P_Oi∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器空载损耗；

P_kiI，P_ki∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器短路损耗；

S_NiI，S_Ni∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器额定容量；

D_iI，D_i∏——分别指运行方式I与∏中第i台变压器负载分配系数；

b.不同台数并列运行变压器组合的经济运行：

M台和M+1台并列运行变压器经济运行有功功率临界负载功率：

$S_{\mathrm{LP}}^{M~M+1}=\sqrt{\frac{P_{0(m+1)}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{D_{\mathrm{Mi}}}{S_{\mathrm{Ni}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{ki}}-\underset{i=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{D_{(M+1)i}}{S_{\mathrm{Ni}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{ki}}}}$

其中：M，M+1——并列运行变压器的台数；

m，m+1——并列运行变压器的序号；

P_O(m+1)——第m+1台变压器空载损耗；

P_ki——第i台变压器短路损耗；

S_Ni——第i台变压器额定容量；

D_iM，D_i(M+1)——M、M+1台并列运行时第i台变压器负载分配系数；

c.并列运行变压器经济运行方式的综合判定，

d.同变压器阻抗相接近经济运行方式的判定。

2)分列运行变压器线路组的经济运行

变压器线路组分列运行，是指在一个变电所内有两个变压器线路组在其负载侧有联络开关相连。如图5所示；

两个变压器线路组A和B存在着3种运行方式：

变压器线路组A单组运行，S_A与S_B都由A供电；

变压器线路组B单组运行，S_A与S_B都由B供电；

变压器线路组A和B分列运行，S_A与S_B分别由A与B供电；

在供相同负载条件下，在三种运行方式中必然存在着一种损耗最小的运行方式。以下利用负载分配系数法分析，适用于分列运行的两台变压器其功率因数相接近的情况。

(1)单台与两台分列运行方式：

两台容量不同变压器分列运行时，其总的有功功率损耗ΔP_σ(kW)：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{\&sigma;}}=P_{0A}{+P}_{0B}+{\left(\frac{D_A{S}_{\mathrm{\&sigma;}}}{S_{\mathrm{NA}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{\&sigma;kA}}+{\left(\frac{D_B{S}_{\mathrm{\&sigma;}}}{S_{\mathrm{NB}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{\&sigma;kB}}$

其中：S_σ——两台变压器负载功率之和，S_σ＝S_A+S_B，kVA；

S_A，S_B——分别为变压器线路组A和B的负载功率，kVA；

D_A，D_B——分别为变压器线路组A和B的负载分配系数。

P_σkA，P_σkB——分别为变压器线路组A和B的等效额定负载的有功功率损耗(kW)， 其中I_INA，I_INB(A)分别为变压器A和B的一次侧额定电流。

若负载S_σ由A单独供电，则有功功率损耗ΔP_σ(kW)：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{\&sigma;}}=P_{0A}+{\left(\frac{S_{\mathrm{\&sigma;}}}{S_{\mathrm{NA}}}\right)}^2{P}_{\mathrm{\&sigma;kA}}$

单台变压器A与A，B两台分列运行之间有功经济运行的临界负载功率(kVA)：

$S_{\mathrm{\&sigma;LP}}^{A~\mathrm{AB}}=\sqrt{\frac{P_{0B}}{\frac{P_{\mathrm{kA}}}{S_{\mathrm{NA}}^2}-D_A^2\frac{P_{\mathrm{kA}}}{S_{\mathrm{NA}}^2}-D_B^2\frac{P_{\mathrm{kB}}}{S_{\mathrm{NB}}^2}}}$

(2)两种单台运行方式：

单台变压器A和单台变压器B经济运行的临界负载功率(kVA)：

$S_{\mathrm{\&sigma;LP}}^{A~B}=\sqrt{\frac{P_{0A}-P_{0B}}{\frac{P_{\mathrm{kB}}}{S_{\mathrm{NB}}^2}-\frac{P_{\mathrm{kA}}}{S_{\mathrm{NA}}^2}}}$

变压器不能超载的两个约束：S_σ＜S_NA，S_σ＜S_NB。

综上，本发明方法借助无功优化计算，电力变压器经济运行与牛顿-拉夫逊法潮流技术，整体计算，统一决策，协调控制，较好解决了无功优化和变压器经济运行之间的协调自动控制问题，进一步保证了电网的经济性同时也提高了电网抵御异常的能力。

Claims (5)

1.一种在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，其特征在于：包括数据准备步骤、协调计算步骤和实时自动控制步骤，具体步骤如下：

A．数据准备步骤：

A-1、采用TCP/IP通信协议从调度自动化系统采集得到电网的实时数据；

A-2、对步骤A-1采集的实时数据进行数据筛选挑选出满足基本潮流计算的数据；

A-3、将步骤A-2得到的数据进行逻辑上的互相判断，完成实时数据的可靠性校验，同时剔除数据不刷新的死数据和误数据；

A-4、当步骤A-3中数据校验结果正常，则直接进入步骤B-6；

当步骤A-3中数据校验不正常，则进入步骤B-5；

B．协调计算步骤：

B-5、通过对数据的简单校验和判断，对数据进行修正；

B-6、对电网的模型和数据进行潮流计算；

B-7、判断潮流计算后的精度N是否符合高级应用的精度要求：当结果符合精度要求则转入步骤B-8，如果结果不符合精度要求则转入步骤C-16；所述高级应用的精度要求为精度N≤1.5%；

B-8、通过协调计算获得控制命令，如果协调计算有控制命令产生则转入步骤C-9；如果协调计算没有控制命令产生则转入步骤C-16；

C．实时自动控制步骤：

C-9、获得协调计算中变电站内变压器各侧的开关、变压器间母联的开关控制命令；

C-10、获得协调计算中的控制命令，控制命令包括：变压器主变分接头档位的调整，补偿设备开关的投切，发电厂高压侧母线电压的控制目标值；

C-11、判断控制命令中涉及的控制设备是否处于闭环控制状态，即是否由计算机自动控制设备投切，如果是，则进入步骤C-13；如果不是，则进入步骤C-12；

C-12、当控制设备不满足闭环自动控制要求时，系统给出该设备的实时的建议命令；

C-13、执行控制命令方案，将控制命令下发到控制设备；

C-14、判断控制命令是否执行成功，如果控制命令执行成功则转到步骤C-16，否则转到步骤C-15；

C-15、根据实际执行情况的反馈信息给出本次执行失败的原因；

C-16、将控制结果信息用文字形式显示出来；

C-17、对控制失败或其他异常信息给出语音报警提示；

C-18、将控制结果保存到数据库进行存档；

循环以上所有步骤，保证系统能周期、自动运行。

2.根据权利要求1所述的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，其特征在于：步骤A-2中所述满足基本潮流计算的数据包含电网模型、各个变电站中母线上的电压，电力变压器、输电线路、电容器、电抗器器件的有功、无功电流以及各个开关的开合状态。

3.根据权利要求1所述的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，其特征在于：步骤B-6中采用的潮流计算方法为牛顿-拉夫逊潮流计算法。

4.根据权利要求1所述的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，其特征在于：步骤B-7中所述精度的计算方法是：

N = (|i节点潮流计算前电压标幺值-i节点潮流计算后电压标幺值|/ i节点潮流计算前电压标幺值)，其中代表在线变压器的数量，取自然数。

5.根据权利要求1所述的在线变压器经济运行和无功优化协调自动控制方法，其特征在于：步骤B-8中协调计算具体步骤如下：

B-8-1：判断当前电网是否有母线电压越线，如果有母线电压越线发生则转入步骤B-8-2，如果没有母线电压越线发生则转入步骤B-8-3；

B-8-2：进行电压校正计算：如果校正计算结果成功则保存本次计算结果，转入B-8-8，如果校正计算失败则转入步骤B-8-2-1；

B-8-2-1：判断是否有电压异常波动，如果有电压异常波动则转入步骤B-8-2-2，否则转入步骤B-8-8；

B-8-2-2：进行单站变压器经济运行计算；

B-8-2-3：得到单站经济运行调整方案；

B-8-2-4：读取站内开关的动作次数，如果动作次数在设定范围内转入步骤B-8-2-5，否则转入步骤B-8-8；

B-8-2-5：通过单站经济运行调整方案后带到全网进行拓扑分析，得到新的电网运行方式，重新执行步骤B-8-2的校正计算，如果校正计算成功则转入步骤B-8-4，否则转入步骤B-8-8；

B-8-3：进行无功优化计算，如果优化计算成功转入步骤B-8-3-1，否则转入步骤B-8-8；

B-8-3-1：读取单站负荷实时和负荷预测数据；

B-8-3-2： 判读是否有负荷异常波动情况，如果判断有异常波动则转入步骤B-8-3-3，否则转入步骤B-8-5；

B-8-3-3：进行单站变压器经济运行计算，得到计算结果；

B-8-3-4：读取站内开关的动作次数，如果动作次数在设定范围内转入步骤B-8-3-5，否则转入步骤B-8-5；

B-8-3-5：通过单站经济运行调整方案后带到全网进行拓扑分析，得到新的电网运行方式，重新进行无功优化计算，如果无功优化计算成功则转入步骤B-8-4否则转入步骤B-8-5；

B-8-4：得到新的控制方案，转入步骤B-8-6；

B-8-5：保持本次优化方案，转入步骤B-8-6；

B-8-6：潮流校验本次方案，如果潮流校验成功则转入步骤B-8-7，否则转入步骤B-8-8；

B-8-7：得到最终控制方案；

B-8-8：本次计算结束。