基于目標規劃法的配電臺區無功電壓優化

唐成年

（國網新疆電力有限公司阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰 836599）

綜合分析我國電力企業發展情況，可以清楚地看到在進行電力調度工作時一直存在著明顯的問題。而無功電壓優化作為電力企業和用戶共同關注的問題，它不僅能保障電網整體安全運行，同時還能提高電力質量和經濟效益，但是在進行無功優化作業當中，一直都重視高壓，忽略低壓，重視主網，忽略配網等問題，促使大量無功功率在配單系統中流動，這不僅增加了網絡中的有功損耗，還會降低電壓質量。如果在發現以上問題時不對其進行有效解決和制定出針對性解決措施，將在很大程度上影響電力企業發展，也限制了我國電力事業的可持續發展。

1 目標規劃法概念分析

目標規劃法，其主要本質含義就是在建立一定目標的基礎上，通過跨部門或者是跨地區的方式進行長期計劃的制定，并且其內在含義上也有著不同層次的界定。一般是分為在原有含義上的大范圍推廣和小范圍推廣。大范圍推廣主要指的就是結合實際情況和基礎國情，按照實際的發展局勢來制定出科學合理的社會經濟發展目標，然后通過詳細的指標體系將其進行完善化和具體化，這種理念也是建立在我國綜合平衡法的基礎上，對其進行更深層次的發展。它能在原有目標基礎上對國民經濟進行系統化分析，然后將我國社會戰略發展目標與總體計劃進行相互銜接，加快社會主義戰略目標的快速實現與落成。而小范圍推廣的目標規劃法，也被稱作是專項規劃法和目標綱要法，它主要目的是把整體規劃中，超出計劃范圍內的問題進行單獨處理，并結合此問題進行專項規劃的制定，從而有目的地落實，并加以解決。

目標規劃法在配電臺區無功優化中的應用，最早是由國外提出，也可以將其看成是一種多目標優化問題的妥協模型。在進行多個目標問題解決時，會結合每個目標實況來設計一個清晰的目標值，然后進行目標規劃，并且主要的目的是將目標函數和預期目標數值的偏差進行最小化處理。在現實問題中，以上每個目標都是獨立的個體，并且各個目標不相同，如果要想實現其中任何一個目標，都需要犧牲其他的目標，所以，在完成和實現目標以前根據目標價值和重要程度來創建出優化結構是非常重要的。

2 配電臺區無功電壓優化模式

2.1 電壓無功分散控制模式

電壓無功分散控制模式，其主要本質是將變電站作為基礎核心，然后通過自動控制的方式對有載調壓變壓器接頭位置以及無功優化裝置進行全面掌控。在實際作業時，如果負荷變壓器維持負荷端電壓在規定的數值以內的話，就可以將此節點的無功達到限定的無功補償要求，這種控制模式的主要優勢就在于可以全面提高變電站供電范圍內各個區域電壓質量，然后就能對個別網絡變壓器進行有效掌控，從而降低一些不必要的能源消耗，這種控制方式適合應用在無人看守的變電站中，不僅成本支出少，還能在保障總體質量的前提下充分發揮其實際效益，但是這種控制模式也存在一定的弊端，就是沒有充分實現整個系統的全面化控制。

2.2 電壓無功集中控制模式

這種控制模式主要是調度中心的計算機系統進行全盤掌管，分別對各個節點以及無功電壓優化進行控制，確保每個節點的電壓都不會超過限定數值的有效范圍，與此同時還能充分保障整個電網的無功能源消耗最少。這種控制模式的最大優勢就是可以實現全局掌控，大范圍的控制不會直接影響到電壓和電力質量，并且可以實現對調壓設備和無功設備的集中化控制，確保整個系統內的電壓都處在正常數值以內，保障電壓長期處在合格范圍以內，并且最大限度地降低能源消耗。但是這項控制技術也有一定的缺點，就是需要涉及到大量的系統軟件，并且每個軟件較為復雜，要盡可能地保障先進科技水平支撐，同時還要有完善的通信渠道，對于技術要求較高，這在一定程度上增加了工作人員負擔，也需要投入一定的人才培養資金，再加上控制功能過于集中，具有一定的潛在風險。

2.3 電壓無功關聯分散控制模式

這種控制模式需要多個節點進行相互配合，然后利用分散設置在變電站內的各個控制裝置進行事先調控，最后按照設置好的控制程序進行全程控制。在進行控制時，主要是將整個系統內的固定數值和基礎范圍作為核心，以此來保障系統的穩定安全和經濟效益。在實際作業時，系統可以通過計算機對電壓無功優化程序進行計算，這樣就可以保障在出現問題、重大事故或者是系統運行模式混亂的情況下，由調度中心直接掌控，或者是調度中心安排下級變電站對其進行維護，保障母線電壓以及無功功率固定數值，從而做到真正意義上的安全問題和經濟運行。這種控制模式最突出的優點就是具有較強的通信效益，并且通信渠道較為完善，其次就是在對電壓無功進行分析判斷時，具有完善且優質的控制功能；良好的變電站綜合自動化功能和RTU 接口功能；對全局進行控制時操作系統簡單，且控制區域較分散，責任劃分明確，風險分散，對于通信技術要求較低。但是也存在一定的缺點，就是對硬件要求較高，且涉及到的硬件比較復雜，需要一定的資金支持，成本支出高，在進行軟件系統控制時，需要處理復雜的軟件程序等，最后就是要有可靠通信渠道作為支撐。截止到當前，仍然有大部分變電站難以滿足在線電壓無功優化控制要求，其中一部分的原因就在于落實電壓無功關聯分散控制的技術要求較高，并且比較復雜，再加上需要大量的資金支持；還有就是在進行集中控制時，需要承擔較大的風險，相關工作人員難以滿足實際需求。

3 基于目標規劃法的配電臺區無功電壓優化措施

3.1 目標函數和控制變量

無功電壓優化，其主要本質是一個多目標優化問題，其實際優化時，希望電壓偏差較小，且網損率不會太高，但是這兩個目標卻難以做到同步實現，也無法做到有效相容。其次就是升級的電網無功電壓控制目標是確保電壓足夠安全，各項電壓系統運行正常的前提下，將網損率降低最小，但是局部地區內，各級別的電網無功電壓控制的最終目標是將10kV 母線的電壓合格率進行大幅提升，以及關口變壓器功率因數的提升，之后的目標才是降低網損率。而基于配電臺區實際情況來說，因為更加接近于用電戶，所以，一旦電壓發生偏差或者是出現質量安全問題時，會直接影響到用電戶設備的安全以及用電體驗。因此，配電臺區的根本方向是將無功電壓優化的目標，進行更新明確，并將電壓掌控在合格且更加嚴格的范圍內，然后再進行網損率的降低。然后，為了避免出現臺區線損率降低的同時，配變臺消耗大幅提升，需要在實際計算過程中將配變損耗融入其中。另外，在實際計算時，要將用戶電壓的目標范圍作為基礎核心，以此展開計算，取用戶一定數值的最高電壓和最低電壓，然后要想實現主要目標，就需要極小化用戶最高電壓與目標范圍的正偏差，同時還要極小化用戶最低電壓與目標范圍的負偏差。其次要考慮到網損率的預定數值，將其進行極小化。

3.2 線性規劃法

使用線性規劃法對配電臺區無功電壓進行優化，其實質性意義重大，并且帶來的積極作用也比較明顯，這主要是因為此種方式具有充足且成熟的理論支撐，并且體系完善可靠，整體計算速度較快，能在有效時間內對各種約束因素和條件進行處理。從現實問題出發，雖然無功優化屬于非線性的問題，但是可以結合實際情況對其進行線性化，然后再做進一步研究，并在此過程中找到一種線性化的建模方式，這樣就能保障模型能在及其準確的因素條件下反映出以往非線性無功優化存在的問題等，之后再使用線性規劃來制定解決措施，從而使得優化結果的滿意度等方面均符合實際工程需求。這也是線性規劃法一直秉持的思想和最根本的落實方式，而且這種方式優勢較為突出，也逐漸演變成目前使用較為廣泛的一種方式。

3.3 混合整數規劃法

這種方式屬于一種較為特殊的線性規劃方式，主要是因為其中的部分變量為整數，所以被稱作整數規劃法。它是利用分支定界法，不斷的定界縮小可行域，然后逐漸實現全局的最優質解答。在進行電力系統優化計算時，其中不僅包含大量的數據變量，如發電機的輸出功率或者是節點電壓等，同時還包含著大量的離散變量，如變壓器的狀態變化、并聯電容電抗器組投切等；所以，在此方法中進行無功電壓的優化，是一個比較復雜的問題。在對電力系統進行分析時，通過掌握其中控制變量的基礎特征，然后結合工程數學問題的特點等，構建出完善的數學模型，并在此基礎上引導出更加完整的非線性混合整數對數學模型進行總體規劃。在這個過程中，利用分支定界法進行答案求解，然后把連續變量優化的二次規劃方式作為其內部核心，這樣不僅能減少大量的損失，同時還能保障優化的精確度，從而降低控制量調節次數。這種方式雖然優勢突出，但是也存在一定的弊端，如計算的時間屬于非多項式類型，如果維數不斷增加的話，計算時間也會大幅提升，甚至是瞬時性的。

3.4 非線性規劃法

考慮到無功電壓優化自身的非線性，因此，可以優先將非線性規劃法應用其中，以此來完成電力系統的無功優化。這種優化措施優勢突出，特征較為鮮明，它能在保障電力系統經濟效益的基礎上，提高其整體安全性和質量，所以也受到多方關注和高度重視。它主要的實施方式是在其中設置一定的目標函數，將節點功率平衡作為等式的約束條件，然后采用松弛變量的方式把不等式約束條件轉化文等式約束條件。之后，通過拉格朗日乘數法來構建出一個能增廣的目標函數，并結合Kuhn-Tucker 條件，將問題轉化為求解一組非線性的代數方程組。

非線性規劃法，是優化配電臺區無功電壓最直接有效的方式，主要原因就在于其構建出的數學模型較為清晰直觀，并且概念明了，計算條理清晰，能充分保障數值的精確度。但是截至到目前仍沒有一個完善且成熟的非線性規劃無功優化計算方式，而目前大部分的計算方式，基本上都存在不同程度的問題，主要就是計算量過多、內存需求較大、不具備良好的收斂性、穩定性較差、難以有效處理不等式等，這些問題的存在和出現也在很大程度上限制了應用效益。非線性規劃法和線性規劃法都有各自的優點和缺點，兩種方式都難以反映出變壓器分接頭的變化，也無法顯示出電容器和電抗器投切的離散特性。

3.5 專家系統

專家系統屬于最早開發的一項人工智能技術，其經過一定時間的熏陶和實踐以后，現在已經比較成熟。其在實際應用時，主要是與其他方式進行結合，并在此基礎上將專家經驗作為最初的計算數值，然后在后續操作時不斷地對控制參數進行調整，直到最終有一個比較優質的解答。近幾年，世界上有很多電力系統電壓無功控制專家系統被投入到實際運行模式當中，并且逐漸實現了實用化的推廣等，同時也取得了比較良好的效果。雖然這種方式發展較為成熟，且實際效益較好，但是也存在一定的弊端和不足之處，比如遇到系統復雜且規模較大規則較多時，就會對推理的速度造成影響，并受到一定限制，這也間接導致大多數的專家系統還只是停留在離線操控狀態下，距離在線控制還有一定的距離。

4 結束語

基于目標規劃法的配電臺區無功電壓優化，需要結合實際情況來優先建立框架結構，盡可能保障電壓在掌控范圍以內，之后再對網損率進行極小化。要適當地調解用戶電壓的目標范圍，能科學合理調解電壓偏差小和網損率低這兩個主要目標。要注意負荷靜態電壓的特性，網損率小和網損小有著本質區別，需要進行分別對待。