用智能工具优化配电系统
发布时间：2010-06-18 www.cechina.cn
与传统未经协调的局部控制方法不同，电压和无功优化（VVO）使用实时信息和在线系统模型对多源网状不平衡配电网络提供离散优化和协调控制。配电公司通过尽量提高供电效率和优化尖峰需求，能够大幅度实现增效节能，并取巨大的节约效果。通过全年不断优化无功资源和电压控制性能，VVO有助于实现上述目标。
你是否考虑过全世界消耗了多少电能，或者从发电厂到最终用户的传输中损耗了多少电能？同时，你是否还考虑过，如果这些电能损耗减少一小部分，能节省多少能源或减少多少温室气体排放？在开发新技术、减少电能损耗和降低配电系统需求方面，ABB可以帮助客户实现增效节能和优化需求管理，其中VVO是用于智能电网的最新产品。
电能损耗
世界对电能的需求巨大，每年耗电数万亿千瓦时，而且随着更多国家实现工业化，这一数字还会继续攀升。1980~2006年，世界电力消耗每年增长 3.1%。预计到2030年，世界电力消耗将达到333000亿kWh（见图1），几乎是2008年（167900亿kWh）的两倍。
当前，发电厂生产的电能大约10%损失在输配电环节。电能损耗中的约40%发生在配电网中（见图2）。仅2006年，总损耗和配电损耗大约分别为 16?380亿kWh和6550亿kWh。也就是说，只要配电损耗减少10%，每年就可节电650亿kWh。这比750万瑞士人2008年总的耗电量还要多，相当于燃煤电厂排放了3900万tCO2。
随着电力需求的增长，必须建设新电厂以满足最高尖峰负荷，并留出一定余量应对不可预见的事件。系统中的尖峰负荷通常持续时间不超过5%（每年仅几百小时）。就是说，在尖峰负荷时段，才需要某些发电厂，相对而言,它们的潜能很少得到利用。
而通过主动管理配电系统的需求，以及需求响应和VVO，可以降低整个电网的尖峰需求。这样可以省去配电、输电和发电系统方面的巨额开支。即使尖峰需求降低不多，也会带来巨大的经济效益。例如，2008年美国的尖峰负荷需求为790GW，当尖峰需求每降低1%，就可少建一个7900MW的发电厂（见图 3）。
配电系统损耗
配电网将电力从变电站输送至消费者。配电网包括中压（50kV以下）电力线、变电站变压器、杆架式或垫式变压器、低压配电线路及电表。电力公司配电系统拥有数百个变电站和成千上万个部件，统一由配电管理系统（DMS）进行管理。
配电系统中发生的损耗，大多是电流通过导体时产生的电阻损耗。对配电网中的任何导体而言，流经的电流可分为两部分：有功电流和无功电流。
无功功率补偿装置用于减少或消除电流中的无功成分，减少电流，从而降低能源损耗。根据系统中负荷类型及组合方式，馈线电压分布也能影响电流分配，因此也会影响功率损耗，但影响是间接的，且程度较小。
电压和无功控制装置
电压控制装置通常安装在变电站和馈线上。变电站变压器可配备抽头转换开关，根据馈线负载状况调整变电站馈线电压。具有分压抽头转接开关的特殊变压器称之为稳压器，安装在馈线的各个位置上，在馈线的特定点位提供电压微调功能。
无功补偿装置，即电容器组，用于减少通过配电网络的无功潮流。电容器组可安装在变电站或者馈线上。
传统控制电压和无功优化（VVO）
传统的电压和无功控制装置根据当地所获取的电压或电流测量值进行调节。在配备多种稳压和无功补偿装置的馈线上，每一装置独立控制，且不考虑其他控制装置的作用。这种做法经常在局部区域内产生明显的控制作用，但在更广阔的层面上效果并不理想。
理想的情况是信息应该为所有的电压和无功控制装置所共享。通过全面评估控制策略，使各项措施产生的结果能与最佳控制目标一致。变电站自动化系统或配电管理系统可以实现这一目标。这种方法普遍称之为集成化VVO。
过去几年，由于加速采用了变电站自动化（SA）和馈线自动化（FA）技术，并广泛应用了先进的计量基础设施（AMI），通过提供必要的传感器和执行器，以及现场与配电系统控制中心可靠的双向通信功能，为实现集中控制方法奠定了基础。
直到最近，成功开发的一项关键技术，可以充分利用先进的传感、通信和远程执行功能，不断优化电压和无功功率。在这之前，不能建立大型复杂供电系统模型是阻碍VVO技术发展的原因，并且其解决方案在质量、稳健性和速度方面的性能也不令人满意。
VVO的作用
VVO是一种先进的应用软件，可在配电系统或变电站自动化系统的控制中心定期进行，或应操作人员的需求而运行。结合双向通信基础设施和电容器组，以及调压变压器的遥控功能，VVO利用实时信息优化配电系统的供电效率（见图4）。
VVO可尽量减少网状、多相、多源、不平衡配电系统中的功率损耗，以及需求和电压/电流超限。VVO可用的控制变量，是切换电容器和调压变压器抽头转换开关的控制设定值。
VVO的主要优点
对于配电系统运营商而言，VVO的主要优点如下：
提高了能源效率，降低了温室气体排放；
减少了尖峰需求，降低了供电公司的尖峰需求成本。
VVO的一般问题定义
VVO要解决的问题表现为如下形式：
受制于各种工程约束条件，VVO必须实现能源损耗+MW负荷+电压超限+电流超限加权总和的最小化。
电力潮流方程（多相、多源、不平衡、网状系统）；
电压约束（相位与零线或相位与相位）；
电流约束（电缆、架空导线、变压器、零线、接地电阻）；
分压抽头转换约束（运行范围）；
并联电容器变换约束（运行范围）。
优化控制变量包括：
可开关并联设备（联动或非联动）；
变压器/稳压器的可控分压抽头（联动或非联动）；
分布式发电。
技术难题
实质上，VVO是一个综合性优化问题，具有如下特点：
整数决策（控制）变量—电容器组开关状态和调节变压器分压抽头位置都是整数变量；
非线性目标是决策变量的隐函数—能源损耗或尖峰负荷是控制变量的隐函数；
高阶非线性约束—在多相系统模型中有数以千计的电力潮流方程；
非凸目标和解集；
高阶搜索空间—非联动控制使控制变量数达到电容器组开关数和调节变压器数的2~3倍。
解决过优化问题的任何人都会告诉你，混合整数非线性和非凸（MINLP-NC）问题是最难解决的问题。
开发解决大型问题的有效优化算法，是主要难题。由于评估一个特定控制解决方案的电能损耗与需求（一次函数评估）需要一定的计算量（即CPU时间），所以在寻找最佳解决方案时，对于能够达到同一目标所需函数评估次数较少的算法，要比需要函数评估次数较多的算法效率高。
使用VVO时，一次函数评估涉及到解一组非线性方程、不平衡潮流和数千个状态变量。VVO问题的非线性、非凸综合性质加上高阶性（大量状态变量），使VVO成为行业内的长期难点。过去10年，许多研究机构开始重点尝试元启发式（meta-heuristic）算法，如遗传算法、模拟退火、粒子群优化等，以避开建模复杂性。在解决小规模问题及不需要在线性能的离线应用方面，元启发式算法具有有限的学术价值。
下一代ABB的VVO
2008年，ABB开发出了新一代VVO，能够以在线应用速度优化超大型复杂配电网。这是一种创新性的解决方法，可建立配电系统中设备系统和连接的详细精确模型。它采用先进的混合整数优化算法，能够快速从数百万，甚至数亿个运行可能性中识别最佳电压和无功运行策略。
新一代VVO原型已经开发出来了，可直接与ABB的DMS集成。它在实验室实际供电系统的配电网络模型试验中效果非常好，控制优化方案的质量和速度稳健性均能满足或超过在线应用的设计标准（见图5）。
试验系统中，每个电路有1600~ 7800个节点和1600~8100个支路。优化降低了损耗，损耗降幅为2.5%~67%，需求降低幅为1.4%~5.8%。
图6扼要说明了ABB的VVO技术与先前其他方法的主要区别。为准确建立配电网运行模型，需要使用详细的网络模型。基于三相的模型可表现出每个网络元件，负荷或电容器组采用三角（见图7a）或星形连接（见图7b）。
变压器可采用各种三角/星形连接，超前或滞后的二次侧接线，有或无接地电阻，具有初级或次级调节功能（见图8）。
电压和无功控制可以是联动或非联动。这种方法可适用于放射状网络或网状网络，配备一个电源或多个电源。而且，可对每一相均实施电压控制，采用相与地或相与相之间的电压，具体视负荷连接类型而定。
随着对先进传感器网络、智能计量基础设施及遥控功能的加速采用，对类似VVO那样可优化配电系统运行的智能应用软件的需要也在不断增长。新一代 VVO技术的开发，展示了ABB服务客户智能电网技术的实力。
能源耗损
能源损耗是由导体内的电阻造成的，损耗与电阻和电流平方乘积成正比。因此，通过降低电阻或电流大小，或者既降低电阻也降低电流大小，就可以减少损耗。导体电阻取决于制造导体所用材料的电阻率、截面面积和长度等。在现有配电网络中，其中任何一项都不太容易改变，但消除配电网中的无功电流，可以减少电流的大小。
有功和无功功率
一般而言，交流电路上的电压和电流波形是正弦波，在“理想线路”中二者完全同步。但在现实中，二者之间在时间上经常存在滞后。这种时间滞后由附加设备（以及线路本身）的电容和电感性质造成。
任何时间的瞬间功率是瞬间电流和电压的乘积。该功率平均值小于没有时间滞后的功率值（对相同的电压和电流大小而言）。事实上，电力甚至会短暂地朝“错误”方向流动。
曲线间的时间滞后越大，输送的电能就越少，因此这种滞后（表示为相位角）应该尽量减少。单位时间输送的平均电能称为有效功率（以W为测量单位），无功功率（以VAr为测量单位）是对线路上流动的、但又不能有效利用的另一种额外功率的度量。