0引言
　　
　　隨著地區電網的不斷發展，電網結構日趨復雜，用戶對于電能質量的要求也日益提高。隨著電力市場機制的引入，采取有效手段降低網損、改善系統電壓水平，已經成為直接關系電力企業自身經濟效益的課題。電力系統電壓和無功功率控制是一個關系到保證供電質量、滿足用戶無功功率需求和系統電壓穩定的問題，同時也是減少線損、提高電網運行經濟性的十分有效的措施，因此一直得到電力系統運行人員和研究人員的重視[1，2]。
　　
　　我國目前大多數地區電網采用分散調整的方式實施無功電壓控制，即在各變電站內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系統當前的運行狀態在九區域圖上所處的位置來決定相應的控制方案，調節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[3]。這種方法相對簡單，但是難以*實現全范圍的無功電壓*控制。就單個站而言，提高了電壓合格率和電容器利用率，但是在二級有載調壓電網會出現電壓頻繁調整，容易造成電壓調節不合理現象。
　　
　　隨著城網改造的進行，越來越多的電網中的有載調壓分接開關和電容器補償裝置投入使用。為了充分發揮此類設備的作用，必須從當前的人工調節方式轉變為利用專家決策系統進行自動調節的方式。隨著調度自動化系統（SCADA／EMS）的日益普及，如能在此基礎上進行功能的再擴充，發展電網閉環無功控制系統，不但可以提高系統的電壓合格率，降低系統網損，而且可以使SCADA／EMS的效益變得更加明顯、直觀。
　　
　　1系統結構
　　
　　本文研究和開發的地區電網無功優化及實時控制系統基于EMS的狀態估計和在線潮流功能。SCADA將實時的數據斷面發送給EMS，在狀態估計和在線潮流運行之后，EMS利用遺傳算法求解整個電網的無功優化問題，并根據優化解給出控制方案，再通過SCADA系統的下行命令通道執行優化控制方案，完成閉環控制。系統結構的示意圖如圖1所示。
　　
　　在本系統中，zui關鍵的有以下兩部分：①無功優化的核心算法，用來給出一個優化控制方案；②實時控制部分，用來解決如何執行優化算法所給出的控制方案的問題。在系統的設計上，一方面利用SCADA的“四遙”功能，來完成數據的采集和控制方案的執行；另一方面利用EMS的狀態估計和在線潮流功能，來進行全網的潮流分析，在此基礎上，完成以降低網損和減少越限為目標的無功優化計算。這樣，綜合了這兩套系統各自的優勢，可以更加充分地發揮現有調度自動化系統的功能。這套系統可以存在開環控制和閉環控制兩種運行方式。在開環控制情況下，系統給出優化方案，供調度人員參考。調度人員可以根據自己的經驗，在優化方案基礎上手工進行無功電壓控制，整個過程需要調度員的人工干預。經過一段時間的磨合，在整個系統開環工作正確的前提下，系統可以轉入閉環控制，即給出方案后直接下達SCADA執行，整個過程不需要調度人員進行干預。
　　
　　2無功優化算法
　　
　　無功優化是通過對無功潮流的分布進行調整，來改善電壓質量和減少網絡的有功損耗。
　　
　　本文的無功優化的數學模型如下：
　　
　　可見，無功優化本質上是一個混合整數的、具有等式和不等式約束的非線性規劃問題。而在實時控制系統中，首先要完成的就是對這樣一個優化問題進行求解，并給出一個控制方案。這要求優化算法能夠滿足如下幾個條件：
　　
　　a．足夠的魯棒性。由于系統是在線運行的，可能遇到各種情況，因此要求算法在絕大多數情況下都能夠計算收斂并給出控制方案，使電網在控制后達到一個比當前更優的狀態。
　　
　　b．足夠的靈活性。為了滿足不同的控制目標，用戶可能需要修改優化目標，針對當前設備的實際狀態，用戶可能需要設定某個設備是否參與控制；針對不同的需要，用戶可能需要改變約束條件。算法應當支持用戶方便地進行這些修改。
　　
　　c．能有效地處理控制變量不連續的情況。本系統針對地區電網，其無功優化的控制手段是電容器的投切和變壓器分接頭擋位的調節，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。
　　
　　對于無功優化問題，已經有一些傳統的非線性優化算法得到了應用，例如Newton法、共軛梯度法、變尺度法、二次規劃法等。但這些方法無法滿足上述幾個條件。尤其是傳統算法只能處理連續變量，較難處理離散的控制變量，而且傳統算法容易局部收斂，難以求得全局*解。
　　
　　近幾年來，隨著人工智能技術的發展，一些基于人工智能思想的新算法已在優化領域得到廣泛應用。作為演化算法的代表之一，遺傳算法已被引入到無功優化的領域之中[4]。本文涉及的基于遺傳算法的無功優化具體實現已經在文獻[5]中有了詳細闡述，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化及實時閉環控制系統的要求。
　　
　　a．遺傳算法適用于解決混合整數優化問題，本身沒有對控制變量的連續性假設的限制，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函數，在處理控制變量和約束條件上也比較靈活，用戶可以根據需要進行定制。而且，用戶可以在優化過程中隨時暫停、繼續或停止計算，相當靈活。
　　
　　c．遺傳算法編碼方式靈活，而本系統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，方便地引人啟發式的搜索。
　　
　　d．由于本系統采用了保留本代*解的簡單遺傳算法（SGA），從數學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，由于保留了當前*解，優化目標值在演化過程中一直單調下降，至少不會上升，這就保證了算法至少能夠給出一個比當前狀態更優的解，從而保證了系統的魯棒性。
　　
　　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的目標是：在地調中心利用EMS應用軟件對變電站中的變壓器分接頭和電容器組進行遠方控制，實現地區電網的安全經濟運行。其控制流程如圖2所示。
　　
　　作為一個實時控制系統，不僅要保證得到足夠好的優化解，同時也要保證優化解所對應的控制方案的可執行性。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問題，其中包括約束條件的處理、啟動方式、動作死區處理、安全考慮和方案執行等。
　　
　　3．1約束條件的處理
　　
　　在上面提到的優化算法中，已經考慮了無功優化模型中提到的等式約束和不等式約束，但是，如果要把優化的結果應用于實時控制，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場設備的壽命和保證電網運行的安全穩定角度提出的，主要包括以下約束：
　　
　　a．變壓器分接頭開關連續調整范圍應該在3擋每日每臺變壓器分接頭調節次數應不超過
　　
　　c．為防止電容器頻繁投退，應設立電容器投退時間間隔；
　　
　　d．并列變壓器應該同步調節，避免環流；
　　
　　e．控制方案中涉及的元件不宜過多；
　　
　　f．對負荷側電壓采用逆調壓方式。
　　
　　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。對于約束b和c，只需在控制過程中保存動作的記錄，如果當前時間和電容器的上次動作時間沒有達到應有的間隔，或者分接頭調節次數超過4次，那么在本次計算中該設備將不參與優化控制。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，把動作元件數目看成一種代價，作為多目標優化的一個組成部分參與優化，并可以這個代價在整個目標函數中的權重，這樣，優化計算的本身就體現了減少動作元件數的趨勢，對于約束f，本文采用了動態確定母線電壓上下限的辦法，用戶可以某個時段是高負荷期還是低負荷期。在高負荷時段，將母線電壓下限上移，以保證母線電壓偏上限運行；同理，在低負荷時段，將母線電壓上限下移，以保證母線電壓偏下限運行。
　　
　　3．2啟動方式
　　
　　本文介紹的無功電壓實時控制系統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備進行了控制，使得該設備達到了當天的zui大動作次數，導致該設備無法參與后面的優化計算。
　　
　　b．定點方式，即在每天的固定時刻進行優化控制。當前啟動時刻由用戶來，需要依靠用戶的經驗來決定每天*的控制時間。更加智能化的方法是：一方面，利用歷史負荷曲線和負荷預測提供的未來曲線，在負荷峰點和谷點以及負荷變化zui劇烈的時刻啟動優化計算，以期望收到的效果；另一方面，利用歷*記錄下的優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動作死區處理
　　
　　從保護現場設備的角度，當無功優化程序運行的優化效益并不明顯時，應當避免發遙控、遙調命令，防止電容器和變壓器分接頭開關無謂動作，因此引入了動作死區條件。本文的死區條件是根據優化效益來決定的，包括越限減少量和網損減少量兩部分。只有當有足夠的越限減少量或者網損減少量時，才允許實時控制。
　　
　　3．4安全考慮
　　
　　無功優化和實時控制應在電力系統相對穩定的情況下進行。如果電力系統發生了電氣事故，或者現場情況不宜進行無功優化或實時控制，都要對本系統進行閉鎖。一般說來，閉鎖條件包括以下幾種：
　　
　　a．電網事故閉鎖：當樞紐站頻率超過50H2±0．2H2時，閉鎖整個系統。
　　
　　b．當受控站內保護或自動裝置動作時，受控站閉鎖。
　　
　　c．變壓器保護動作，閉鎖該變壓器及其并列變壓器。
　　
　　d．電容器保護動作：閉鎖該電容器。
　　
　　e．量測不準確、狀態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，都應閉鎖系統。
　　
　　3．5方案執行
　　
　　控制方案給出以后，通過與SCADA系統之間的協議，利用SCADA系統的遙控、遙調功能，將控制方案下達執行。在系統運行的zui初階段，考慮到安全因素，系統可以設置成開環運行，先把控制方案顯示給調度員，zui終的控制方案要在調度員確認后才能通過SCADA執行，在確認的同時，允許調度員對控制方案進行修改。系統的zui終目標是實現閉環控制，即從數據的采集到zui后方案的執行*不需要人工干預，由程序自動執行。
　　
　　4現場情況
　　
　　該系統于2001年上半年開始在九江地調進行調試和試運行，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2001年11月26日22時10分的實時電網運行情況進行了優化計算，達到降損128．898kW，降低網損率為0．043％。