摘要：无功优化对降低电网损耗、提高电压质量、保证电力系统安全经济运行具有重要作用。现阶段，AVC系统在国内各省网中广泛投入使用，优化电压质量，提高系统安全水平等方面起到积极作用。在目前调度管理体系下，省网多采用多级AVC系统上下协调的电压控制模式。电网AVC系统通过省调在线设定地调关口的功率因数来对地调进行考核，从而实现发电机组无功的合理分配和厂站母线电压在合格范围内。
关键词：变电站；AVC系统；交替迭代优化；联合优化
自动电压控制(AVC)系统的投入极大地改善了省级电网的无功电压控制特性。然而，自顶向下的AVC系统控制方法难以达到理论上的整体最优。在分析现有省调AVC控制模式和变电站中自动电压控制方式的基础上，采用变电站AVC系统对各离散变量的具体控制方式，进行省调—地调联合无功优化计算。以网损和电压越界最小为目标函数，功率平衡和元件运行边界为约束，建立非线性无功优化模型，并将连续变量和离散变量进行交替迭代。此方法计及变电站的具体调节特性进行迭代优化，理论上能达到整体最优。通过某省级电网实际案例，验证了该方法的可行性。
一、AVC系统
1.省调AVC控制模式。当前，国内外省调AVC系统控制主要有三种模式：三级电压控制模式、两级电压控制模式和“软”三级电压控制模式。其中，三级电压控制模式多应用于国外电网，国内电网无应用实例。目前我国各省调AVC采用基于软分区的三级电压控制模式的居多。“软”三级电压控制模式采用自上而下的开放式控制方式，完成省网的自动电压控制。基于目前我国的调度管理体系，省调调度中心主要控制500kV、220kV电网。地调调度中心控制200kV以下的电网。
2.变电站电压无功控制。变电站自动电压无功控制系统中，针对无功补偿设备的投切以及变压器分接头的调节，国内外提出了主要的几种自动控制方法：1）利用各种调节判据的变化，包括功率因数、电压、电压—时间复合等来进行电容器组的自动投切，使得调节判据维持在合理范围之内。这种方法操作容易，但是并没有进行变压器分接头升降的调节，容易使得电容器组投切频繁，无功补偿效果不佳。2）传统的九区图法是变电站电压控制的基本调节方法。该方法是按照电压和变电站进线端功率因数上下限将电压—无功平面划分为9个区域，各个区域对应不同的控制策略。实际运行时，系统会将实时采集的电压、无功数据，根据调节判据得出不同区域的控制方法，通过调节有载变压器分接头档位、并联电容器组的投切状态，保持电压合格和无功平衡。针对传统九区图法在电压控制中的一些不足，许多学者在此基础上又提出了一些改进的九区图法。3）基于人工智能的调节法是采用人工智能的方法，得到变电站中电容器组投切和变压器分接头档位的最佳调节方式。从而使得电压和功率因数满足某一整定范围内的前提下，电容器组的投切次数和变压器分接头的动作次数最小。4）由于电力系统的不断发展，变电站的电压控制越来越复杂，有些方面难以用传统九区图控制方法来实现。因此，一些学者提出了基于人工智能的九区图法，将人工智能法和九区图法结合起来，完成变电站的自动电压控制。
二、省网无功优化
1.交替迭代优化计算。针对省网目前采用的“软”三级电压控制模式而言，220kV以下的变电站是由地调AVC系统进行调节控制的。由于变电站自动电压控制系统对离散变量实际控制方法的限制，这种自上而下的控制方式不会恰好达到省网最优，存在一定的误差。因此，为了达到省网的整体最优值，理论上要采用上下级AVC系统交替迭代优化计算来实现。
迭代优化的过程可以是：1）省调AVC系统中，经过优化计算模块进行自身管辖范围内电网的无功优化计算后，将计算结果下发给地调AVC系统。2）地调AVC系统将省调下发的指令作为约束条件，以地区电网网损最小，所控变电站中主变分接头开关调节次数最少为目标，进行优化计算。得到变电站无功设备的投切和变压器分接头的调整结果；将计算结果返回给省调AVC系统。3）省调AVC系统接收到地调AVC传来的各种数据信息后，与自身所管辖的电网模型合并，再进行优化计算，修正之前所下发的控制指令信息。然后再返回步骤2），进行反复迭代优化。直至实现全网最优。上下级AVC系统通过交替迭代优化计算，虽然理论上可以达到省网最优，但是，对于目前实际省网调度体系而言，由于该优化方法计算量较大以及上下级AVC系统信息交互的传输通道建设不足等原因，在实际电网中尚无法实现。
2.联合优化计算。针对两级AVC系统交替迭代优化计算可能带来的问题，采用了省调AVC系统和地调AVC系统联合优化计算方法，完成省网的整体无功优化。联合优化计算模型包括省调AVC管辖的500kV、220kV电网和地调AVC管辖的220kV以下电网，即大规模省网范围内的全部电网。联合优化计算的具体思路如下：1）将省调AVC和地调AVC优化计算中控制的所有变量，包括无功补偿设备的投切状态、有载调压变压器（OLTC）分接头档位以及发电机的无功出力全部整合在一起，作为联合优化的控制对象。所述联合优化计算中的无功补偿设备是变电站中的并联电容器和并联电抗器。2）将整合后的所有控制变量按照变量特性分为离散变量和连续变量两种类型后，用不同的优化算法分别进行处理。3）将处理后的离散变量和连续变量再进行交替迭代，直到使省网整体达到最优。在联合优化计算中，同样运用了交替迭代过程。但是，其迭代优化方式与所述的上下两级AVC系统独自进行优化计算后，再进行两级系统之间的交替迭代不同。联合优化是针对计算模型中所有的控制变量，包括连续变量和离散变量而言，通过不同变量间的交替迭代完成了整个优化过程。此方法改善了上下级AVC系统交替迭代处理带来的计算过程繁琐、计算量过大等问题，实现起来相对比较容易。
三、待求变量的求取方法
3.离散变量的求取。在实际电网中，并联电容器、并联电抗器无功补偿设备和有载调压变压器（OLTC）调压设备都是由省网中各个变电站调节控制的。变电站的无功电压控制是一个多目标、多约束的复杂问题。在相同的目标下，采用不同的变电站AVC控制方式，得到的离散变量虽然大体一致，但是细节上会有所差别。在优化计算中，如果使用某一种特定的方法得到各离散变量的值，得到的优化结果与实际电网的运行情况可能会产生一定的误差。将优化的结果运用到实际电网中后，得到的可能不是省网整体最优值。因此，为了保证实际省网能达到最优，提出的联合优化计算中，在进行离散变量的求取时，充分考虑到了实际电网中变电站AVC系统的控制特性。采用所述的变电站AVC系统对并联电容器、并联电抗器的投切状态以及变压器分接头档位值的具体调节方法，确定联合优化中的各离散变量。该做法提高了联合优化的可靠性，保证了各个变电站通过联合优化的结果进行无功设备和调压设备的调节后，理论上能够达到省网最优值。
2.连续变量的求取。用于非线性规划问题的拟牛顿法是牛顿法的简化。该方法避免了二阶海森阵的计算，仍具有较好的收敛性。因此，选取拟牛顿法求解优化算式，确定发电机的无功出力。
结语：针对大规模省级电网的无功优化，采用了省调-地调AVC系统联合优化计算方法实现。并计及了变电站AVC系统的调节特性，将变电站AVC对各个离散变量的具体控制方式作为联合优化计算中离散变量的求取方法。
参考文献：
［1］李庆坤.电力系统无功优化问题研究综述.2018.
［2］周少萍.浅谈计及变电站AVC调节特性的省网无功优化分析.2018.