廖俊先

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名電白供電局,廣東茂名，525000）

基于最優(yōu)控制理論的配網(wǎng)自動化應(yīng)用研究

廖俊先

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名電白供電局,廣東茂名，525000）

在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最優(yōu)控制理論可以對各種方案進(jìn)行優(yōu)化，從而使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動化、智能化發(fā)展。本文從最優(yōu)控制理論出發(fā)對配網(wǎng)自動化的相關(guān)問題進(jìn)行分析和探討。

最優(yōu)控制理論；配網(wǎng)自動化；電力系統(tǒng)

0 引言

配網(wǎng)自動化是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，合理、安全、穩(wěn)定的自動化控制，是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要途徑，隨著現(xiàn)代控制理論的深入研究，最優(yōu)控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，最優(yōu)控制理論是根據(jù)已經(jīng)建立起來的被控對象的數(shù)時域或者頻域數(shù)學(xué)模型，從各種控制方案中找出最優(yōu)方案的學(xué)科，是現(xiàn)代控制理論的一個重要組成部分。從數(shù)學(xué)角度來講，最優(yōu)控制理論是要對帶有約束條件的函數(shù)問題進(jìn)行求解，屬于變分學(xué)的理論范疇。但是數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的經(jīng)典變分理論只能解決容許控制屬于開集的一類問題，在很多工程領(lǐng)域中，所遇到的問題都是容許控制屬于閉集的，所以經(jīng)典的變分理論并不能產(chǎn)生相應(yīng)作用。在基礎(chǔ)上產(chǎn)生了現(xiàn)代變分理論，在配網(wǎng)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用更具有針對性。

1 最優(yōu)控制理論在配電網(wǎng)規(guī)劃領(lǐng)域中的應(yīng)用

配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)涉及很多領(lǐng)域，也涉及很多復(fù)雜的變量和約束條件，要求要對新建的變電站的建設(shè)時間、建設(shè)地點(diǎn)、變電站的容量大小等進(jìn)行最優(yōu)選擇，以滿足未來變電站使用過程中的符合增長需求，同時，所選擇的規(guī)劃方案還應(yīng)該要滿足變電站容量、電壓降落、輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等約束。在具體的規(guī)劃過程中，可以根據(jù)已知的規(guī)劃水平對變電站的負(fù)荷水平進(jìn)行預(yù)測，還可以根據(jù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)以及給定的參數(shù)，對新建的線路進(jìn)行合理地布局，從而使得輸電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性更好，能夠滿足安全運(yùn)行的要求和經(jīng)濟(jì)性要求，在這種前提下，最常用的一個方案就是對配電網(wǎng)的分段開關(guān)進(jìn)行合理設(shè)計。隨著電力市場的不斷改革，電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性受到的關(guān)注程度越來越高，關(guān)于電力系統(tǒng)的可靠性研究，其目標(biāo)函數(shù)一般為可靠性邊際成本與可靠性邊際效益之和?？煽啃赃呺H成本指的是每當(dāng)增加一個單位可靠性水平所需要增加的投資成本，可靠性邊際效益則指的是每當(dāng)增加了一個單位可靠性水平而獲得的經(jīng)濟(jì)效益或者因?yàn)樵黾涌煽啃远鴾p少的缺電成本。分段開關(guān)優(yōu)化配置就是在原來的配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上對配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造和建設(shè)的過程，可靠性邊際成本包括分段開關(guān)的投資費(fèi)用和運(yùn)行維修費(fèi)用，可靠性邊際效益是因?yàn)殡娏┙o不足所造成的用戶停電損失，在這個系統(tǒng)中，開關(guān)投資費(fèi)用、運(yùn)行維修費(fèi)用以及用戶停電損失費(fèi)用是整個系統(tǒng)的總費(fèi)用。

圖1 主饋線系統(tǒng)中分段開關(guān)裝設(shè)位置

如圖1所示，這是一個主饋線系統(tǒng)，假設(shè)這個系統(tǒng)中有n條主饋線，饋線的總長度以及總的負(fù)荷分別為l和PL，第i段主饋線的長度和負(fù)荷分別為il和LiP線路的平均故障率為λ，平均修復(fù)時間為tr；分段開關(guān)的倒閘操作時間指的是對故障點(diǎn)進(jìn)行定位以及隔離的時間，用t1表示；聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘操作時間指的是故障點(diǎn)的定位時間以及對聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行切換的時間，用t2表示，忽略系統(tǒng)中的變壓器、斷路器以及開關(guān)本身的故障，可以得到缺供電量的計算公式：

不同的分段開關(guān)配置模式所對應(yīng)的可靠性指標(biāo)是不相同的，在傳統(tǒng)的經(jīng)典概念中，可靠性指標(biāo)包括平均故障率、平均停運(yùn)連續(xù)時間以及平均年停運(yùn)時間，但是這幾個指標(biāo)并不能完全表示出電力系統(tǒng)停運(yùn)的嚴(yán)重程度。上述公式中的缺供電量指標(biāo)適用于對可靠性進(jìn)行綜合評價，在最優(yōu)控制理論中，可以利用缺電量作為評價函數(shù)，進(jìn)行建模分析，對不同的開關(guān)配置方案的優(yōu)劣程度進(jìn)行評價和分析。

2 配電網(wǎng)故障定位研究

在電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種故障，必須要及時對各種故障進(jìn)行定位分析，找到故障原因所在，并且及時排除各種故障，才能確保電力配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

圖2 典型饋線系統(tǒng)

如圖2所示，該結(jié)構(gòu)是典型的配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，S3是聯(lián)絡(luò)開關(guān)，是處于長期打開的狀態(tài)，由變電站A和B進(jìn)行供電，如果發(fā)生故障的位置是開關(guān)S1和開關(guān)S2之間，則線路出口保護(hù)會使得斷路器B1發(fā)生相應(yīng)的動作，將故障線路切除。在傳統(tǒng)線路控制中，對于出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理是通過重合器和分段器之間的多次重合配合，實(shí)現(xiàn)故障隔離并且恢復(fù)供電，但需要注意的是，由于重合器的多次重合，也會對配電系統(tǒng)造成干擾，因此這種方法并不是最理想的。為了實(shí)現(xiàn)具有更好性能的饋線自動化，在控制開關(guān)上安裝了智能終端，并且可以通過通信系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)饋線自動化，這種饋線自動化的基本原理是，當(dāng)S1和S2兩個開關(guān)之間出現(xiàn)故障的時候，線路保護(hù)裝置會啟動，使得斷路器B1發(fā)生相應(yīng)的動作，即將故障線路切除，同時，在開關(guān)S1處裝設(shè)的檢測器檢測到故障電流但是裝設(shè)在開關(guān)S2處的裝置沒有檢測到故障電流，系統(tǒng)會自動認(rèn)為故障是發(fā)生在S1和S2之間，會快速跳開S1和S2這兩個開關(guān)，并且合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3，實(shí)現(xiàn)對未發(fā)生故障的區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)供電。這種依賴通信系統(tǒng)以及檢測裝置實(shí)現(xiàn)的饋線自動化是配網(wǎng)自動化過程中的一個重要基礎(chǔ)，對于配電網(wǎng)運(yùn)行過程中的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控是很有必要的。

3 配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)

對配電網(wǎng)的故障進(jìn)行定位處理，是一個實(shí)時在線的過程，處理的信息大多是來自于戶外的各種通信裝置，這些通信裝置所處的環(huán)境比較惡劣、溫差較大，而且很多都是安裝在電力柱上或者配電柜內(nèi)的，受到外界的干擾較多。加上配電網(wǎng)的通信點(diǎn)一般比較分散，數(shù)量較多，很難采用同一種通信方式對這些問題進(jìn)行解決。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，一般都會采用混合通信方式，加上開關(guān)節(jié)點(diǎn)的松動、通信裝置本身的誤判因素，會導(dǎo)致配電網(wǎng)的故障信息受到干擾或者信息丟失。如果出現(xiàn)誤判，將會使得停電時間延長，同時還會降低供電的可靠性，因此在配電網(wǎng)中應(yīng)該要研究一種具有較強(qiáng)容錯性的算法，即當(dāng)反饋回來的故障信息有一些誤差時，系統(tǒng)還是能夠?qū)收蠀^(qū)域做出準(zhǔn)確的判斷。這種尋優(yōu)算法在速度上要慢于矩陣算法，實(shí)質(zhì)上是為了找出網(wǎng)絡(luò)中的各個設(shè)備的狀態(tài)，比如是否出現(xiàn)了故障。配電網(wǎng)故障定位的尋優(yōu)算法，也是一個組合優(yōu)化的問題，目的是為了要找到一個包含配電網(wǎng)中各個設(shè)備狀態(tài)的最佳組合情況，從而使得設(shè)備的故障狀態(tài)和通信裝置所反映出來的故障信息是吻合的。

4 配電網(wǎng)優(yōu)化及重構(gòu)

配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)指的是當(dāng)配電網(wǎng)正常運(yùn)行的時候，能夠根據(jù)符合的實(shí)時分布情況對配電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的理想運(yùn)行方式進(jìn)行選擇，并且要對開關(guān)的操作情況進(jìn)行決策。在執(zhí)行開關(guān)操作的時候，應(yīng)該要調(diào)整配電網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)，也就是要強(qiáng)制改變各個符合的供電路徑，使得配電網(wǎng)處于優(yōu)化的狀態(tài)。配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)可以有效地降低配電網(wǎng)的損耗，節(jié)約能源，并且能夠提高供電質(zhì)量和供電的可靠性，延長電力設(shè)備的使用壽命。通過對配電網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu)，一方面可以使得各種負(fù)荷實(shí)現(xiàn)平衡，消除過載的現(xiàn)象，另一方面還能降低損耗，提高配電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性。從數(shù)學(xué)角度來看，配電網(wǎng)的重構(gòu)優(yōu)化是一個多目標(biāo)、多約束、非線性的組合問題，一個配電網(wǎng)中有很多個開關(guān)，所產(chǎn)生的信息量巨大，因此必須要采用信息簡化措施，當(dāng)前在配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)過程中所采用的方法有數(shù)學(xué)優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法、近全局尋優(yōu)方法、人工智能方法等。

5 結(jié)語

在電力行業(yè)的發(fā)展過程中由于人們對電力產(chǎn)品的需求越來越大，對配電網(wǎng)的運(yùn)行要求也越來越高，在配電網(wǎng)自動化過程中，應(yīng)該要根據(jù)最有控制理論，對配電網(wǎng)的各環(huán)節(jié)的性能進(jìn)行提升，從而使得配電網(wǎng)的運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定。

[1]楊宏宇.有關(guān)最優(yōu)控制理論在電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動化中應(yīng)用研究[J].電子世界，2013（22）.

[2]邱燕軍.最優(yōu)控制理論在電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動化中的應(yīng)用概述[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013（06）.

[3]俞利峰.最優(yōu)控制理論在電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動化中的應(yīng)用[J].中國科技投資，2013（A15）.

Research on the application of network automation based on optimal control theory

Liao Junxian
(Guangdong power grid co., LTD,Maoming Guangdong,525000)

The optimal control theory can be optimized in the power system, so that the operation of power system can be automated and intelligently developed This paper analyzes and discusses the related problems of network automation from the optimal control theory

optimal control theory; Network automation; The power system