基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺的制作方法
本發明涉及無功補償技術領域，特別是涉及基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺。
背景技術：
隨著發電與輸配電分開、新型電力市場改革的實施,從整體上進行全配電網的優化調度功能要求越來越嚴，對實時進行補償能力要求也增強，影響到整個系統的供電質量和經濟利益,更關系到電網能否安全正常運行。目前我國大部分運行的電網系統都屬于有功電源過甚,無功電源不足的狀況，無功優化可以減小網絡損耗，減少了資源消耗和發輸電成本。對配電網無功電壓進行優化有助于改善電壓質量，供電可靠性以及降低損耗，另一方面以最少的投資獲得最多的效益。
長期以來,我國對高壓輸電網絡的無功電壓優化投資較大,已有很多較成熟的控制系統,比如調度自動化系統(SCADA)，能量管理系統(EMS)，大部分地區還有AVC系統。但對10kV以下配電網的無功電壓優化國內外研究都較少，可進行參考的也不多見。隨著配電網負荷增長愈來愈快,尤其是旋轉電機負荷,農村空調負荷與日俱增,導致配電網電壓過低。
對10kV及以下配電網，特別是農村電網進行技術改造，是一個十分突出的社會問題。
傳統電壓無功控制多為本地自動控制，通過監測本地采集的電壓、有功、無功，調節變壓器檔位或電容器開關使電壓及無功位于合格范圍內：其中變電站的電壓無功綜合控制多采用九區圖或改進的九區圖進行判斷，對于越限情況，變電站按九區圖進行VQC(電壓無功控制)調控，一般每個變電站的分析和控制是獨立運行，采用的設備多數為自動分組投切，部分發達地區采用了壓控調容補償和磁控電抗器+電容的MCR(磁閥式可控電抗器)補償方式，三相共補方式；10kV線路無功補償設備一般是按照無功定值、功率因數定值、電壓定值或者其組合定值進行判斷，同樣也是每臺設備的分析控制是獨立運行，不涉及到相互協調，采用的設備大多是自動分組投切，三相共補方式；配變無功補償設備情況基本同線路無功一樣，區別主要是部分設備采用了三相共補+分補的方式。這種本地運行方式可以實現局部優化控制，但是由于沒有考慮到各站之間的有機聯系，整體技術性、經濟性仍有提高的余地。
基于全網監視的無功補償管理系統無功優化可提高配電網運行經濟性，對降低網絡損耗、改善電壓質量具有重要意義。為減少人工操作，節約運行成本，實現數據、圖形、計算、管理的一體化，提供較為準確的在線無功優化調度決策支持，滿足無功規劃計算需求。但是，目前尚沒有具體的可執行的無功補償管理平臺，主要工作還是人為的查看及分析，一方面增加了工作量，另一方面也無法滿足電子化信息的需求，效率低下且存在較大的判斷誤差。
綜上所述，現有技術中對于配電網的智能無功補償的管理平臺問題，尚缺乏有效的解決方案。
技術實現要素：
為了解決現有技術的不足，本發明提供了基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺，包括：主控程序模塊、數據庫模塊、SCADA系統接口模塊；
SCADA系統接口模塊，用于實現無功電壓優化服務器從調度中心的SCADA系統采集10kV配網首端的狀態參數，包括電壓、無功功率、有功功率，把這些數據放到數據庫模塊中；
主控程序模塊，用于實現主控程序從數據庫模塊的內存數據庫中取得這些數據后進行一系列的計算處理之后生成綜合的調節電容器和分接頭的指令，再把這些指令填到內存數據庫中；接口程序再從內存數據庫中取得這些指令交給SCADA去執行；
同時結合線路動態無功補償裝置發來的各節點數據，對數據按潮流分析和前面建立的目標函數優化分析處理，進行無功優化分析、電壓優化分析、無功電壓綜合優化操作后，形成10kV線路動態無功補償裝置調節指令和并聯電容器操作命令，無功補償設備投切命令及相關控制信息，然后將控制信息發送給各控制器件執行操作。
進一步的，基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺還包括實時數據監控模塊，采集參數是前端采集設備動態無功補償裝置傳輸上來的實時采集數據；
實時采集數據包括配變的運行數據:三相電壓、電流、功率因數，有功功率、無功功率、配變負載率、配變損耗數據；
配變電能量數據:配變總有功、無功電量數據，峰值、平、谷、有功無功電量數據；
配變電能質量的數據包括:三相電壓、電壓合格率、電流諧波畸變率、電流2--19次諧波含有率，電流不平衡度，供電可靠率，以及還包括電容器投切記錄，記錄數據包括電容器投切時間、投切前后電壓和無功的情況，每組電容器每日動作次數、總動作次數，每組電容器投運時間、投運率。
進一步的，基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺還包括無功設備運行管理模塊，主要是對無功設備運行情況進行記錄和統計，數據來源于動態無功補償裝置傳回到監控中心的后臺數據庫的實時數據，可按照不同設備的類型分別進行記錄和統計；可以監測無功以及調壓設備是否按照要求進行調壓，以便能夠及時準確采取有效措施來提高系統電壓合格率和功率因數，同時也可及時發現無功設備及調壓運行中存在的問題，以防止無功及調壓設備運行不當而造成損壞和帶來的經濟損失。
進一步的，基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺還包括電壓偏差監測模塊，主要功能是用于實時監測電網的主要監測點的電壓偏差情況，其數據主要來源動態無功補償裝置，客戶端電壓數據來源于電壓監測點的電壓監測儀的監測數據，實現對數據進行集中的處理，對電網主要監測點電壓偏差進行實時監測，當電網電壓偏差超過上限和超下限運行時，給出告警信號。
進一步的，所述動態無功補償裝置包括自動調節控制器，所述自動調節控制器的輸入端分別與采集三相線中的C相線電流的電流互感器TA、分別采集兩組電容器電流電流互感器TA1及電流互感器TA2、采集三相線中的B、C相線電壓的電壓互感器相連，所述自動調節控制器根據接收的信號進行處理后得到電壓、電流、功率因數、有功和無功數據,并將上述數據與設置值進行比較，所述自動調節控制器根據比較結果通過控制回路控制高壓接觸器實現對兩組并聯電容器的投切控制。
進一步的，所述兩組并聯電容器分別通過各自對應的高壓接觸器與相應的兩組電阻相連。
進一步的，所述兩組電阻均連接至三相線，所述三相線還與跌落式熔斷器相連。
進一步的，所述三相線還與跌落式熔斷器的輸出端還通過避雷器接地。
進一步的，所述自動調節控制器將配電線路的實時數據采用GPRS將數據傳輸到上位機控制系統。
進一步的，所述電容器采用單星形布線方式，用高壓接觸器進行投切,避免采用電力電子設備投切引入諧波。
進一步的，所述電流互感器采用非接入式高壓電流互感器,這種新式的互感器能夠很精確地把一次側電流變換成為二次側的電壓輸出,因而,很好的解決了二次側在開路時產生高電壓的風險,體積小,重量輕,安裝方便。
進一步的，所述電壓互感器采樣線電壓,主要供給配電線路電壓信號,同時為自動調節控制器和控制回路供給能量。
進一步的，所述電流互感器TA采樣C相電流,根據三相對稱得出A、B相電流，經轉換之后得到采樣信號,信號由A/D轉換后得出電壓、電流、功率因數、有功和無功。
進一步的，所述電流互感器TA1和TA2采樣電容器電流,用來判斷真空接觸器是否投切成功,并為電容器的保護提供硬件支持。
進一步的，應用于配電網的智能無功補償裝置適應于10kV線路。
進一步的，所述主控程序模塊，包括：
10kV配電網無功優化模型的建立模塊，以10kV配電網無功優化補償后所取得的綜合經濟效益最大作為目標建立配電網無功優化的數學模型，求解該模型可得到無功補償裝置的并聯電容器的補償容量；
配網潮流計算模塊，采用以支路網損為狀態量的前推回代型算法計算配電網的潮流，從而求解出狀態變量；
無功補償點的選擇模塊，綜合考慮網絡結構和負載分布情況，利用矩陣計算得到各節點的靈敏度數值，最終確定無功補償點，補償點的補償容量通過遺傳算法確定；
無功優化策略模塊，根據輸入的配電網原始數據，基于遺傳算法獲得補償點的補償容量。
進一步的，所述10kV配電網無功優化模型的建立模塊中，建立無功優化補償數學模型的目標函數如下：
min C＝CC-CS
式中，CS表示無功補償裝置使用期間配電網網損降低而節約費用的資金現值，單位：元；Cc表示無功補償裝置的總投資費用，單位：元；β表示平均售電電價，單位：元/kWh；ΔPS表示補償前的系統有功網損，單位：kW；ΔP′S表示補償后的系統有功網損，單位：kW；(ΔPS-ΔP′S)表示補償后系統減少的網損，單位：kW；τ表示年運行小時數，單位：h；r表示折現率；n表示補償裝置的經濟使用期，單位：年；F表示補償裝置的安裝費用，單位：元；A表示單位容量電容器的投資造價，單位：元/kvar；Qstep表示每組補償電容器的容量，單位：kvar；mi表示補償點安裝的電容器組數，單位：組；x表示補償的節點數；
ΔPS系統有功網損的計算公式：
采用罰函數的方式進行處理節點電壓越限和功率因數越限，從而將目標函數擴展為：
minC＝Cc-Cs+Fp
Fp為越限罰函數；
lv為懲罰系數，Vilim為狀態變量，Vi的上限或者下限，規定如下式：
Cc lim為配變低壓側功率因數Cci的上限，規定如下：
可以看出，如果電壓幅值Vi和功率因數Cci都沒有越限，罰函數為零，對目標函數不起作用；當兩者中任何一個越限后，罰函數將是一個正數，而且乘以一個數值很大(數量級在106～109之間)的懲罰系數lv，則罰函數的數值足以對目標函數造成影響，從而造成目標函數值過大，使得遺傳算法在搜索過程中首先舍棄目標值較大的值，從而舍棄了電壓幅值Vi或功率因數Cci越限的值，潮流方程：
狀態變量約束：
Uimin≤Ui≤Ui max
控制變量約束：
Qc minQC≤QCmax
以上各式中，PGi，QGi表示節點i上注入的有功和無功功率；PDi，QDi表示節點i上有功和無功負荷功率；Ui表示節點i的電壓幅值；θij表示節點i，j電壓的相角差；Ui、Uimax、Uimin分別表示節點電壓的幅值、電壓幅值的上限和下限；QC、QCmax、Qcmin分別表示無功補償裝置可投切補償容量、補償容量的上限和下限。
進一步的，所述配網潮流計算模塊中，針對配電網結構為木梳狀，有
其中，Vi表示節點電壓；Ri、Xi表示線路i的阻抗；Pi、Qi表示節點流過的功率；PLi、QLi表示節點的負荷功率；LPi、LQi表示線路i的功率損耗；
節點流過的功率可表示為：
線路的功率損耗為：
線路流過的電流和節點電壓為：
以上各式構成了前推回代的基本方法，通過迭代計算，可以求出系統各節點的電壓，線路流過的電流、有功功率、無功功率以及支路的有功損耗、無功損耗。
進一步的，所述無功補償點的選擇模塊中，具體過程為：
有功損耗計算公式：
N為全網節點個數；Pi為節點i、j的電壓幅值；Gij為支路ij之間的電導；θij為節點i、j間的相位差；
靈敏度系數指以狀態變量表征的系統運行狀況對控制變量和擾動變量的變化的敏感性程度，對于無功優化問題，就是要求配電網中節點無功變化對系統有限網損的靈敏度系數，選靈敏度較高的節點作為無功補償的候選節點，從而縮小配電網無功補償的搜索空間；
網損靈敏度計算公式為：
式中，Q、U和θ分別為配電網節點注入無功、節點電壓幅值和相角向量，
經變換可推得
所以得到配電網有功網損無功靈敏度矩陣計算公式為：
SPQ為公式(3)等號右邊雅克比矩陣逆矩陣的子矩陣，并且，對于節點i，由公式(1)可知
公式(4)中即為系統網損對于節點注入無功的靈敏度，它反映了節點i注入單位無功功率對全網有功網損的影響大小，一般為負，說明無功補償使得系統損耗減少，傳統的靈敏度分析方法即選取但由于網絡節點間的相互影響，一些節點受周圍節點影響，成為虛假的高靈敏度點，從而造成選點比較集中，這顯然不符合無功補償分散補償的原則，使得補償效果達不到預期。針對這種情況，本文對電網中負荷點得靈敏度稍作改進，即令
式(6)右邊的對角線矩陣由網絡中負荷節點的無功負荷同系統總有功網損的比值構成，為i節點修正后的靈敏度數值。由于不僅考慮到了電網的支路結構，還考慮到了網絡節點的負載水平，使得這一數值具備全局性，能更好地反映節點無功功率改變對全網有功網損的影響，故根據這一指標來選點更加合理，降損更顯著。
進一步的，所述無功優化策略模塊中，具體過程為：
配電網無功優化問題的求解具體步驟可歸納如下：
(1)輸入配電網絡的原始數據，等式約束和不等式約束：包括支路數b、節點數n、負荷節點數、以及支路參數，包括電阻Ri，電抗Xi，節點負荷參數，包括有功Pdi及無功Qdi；遺傳算法GA參數和變量，包括種群規模、染色體長度、初始的交叉率、變異率、遺傳代數；
(2)進行初始潮流計算，進行靈敏度分析，計算出
(3)對進行排序，選出靈敏度較大的數個節點作為無功補償節點；
(4)將控制變量即補償組數進行編碼，隨機產生初始種群，NIND個；
(5)按照步驟(4)生成的初始種群修正網絡參數，按照不同負荷水平(最大負荷、最小負荷和平均負荷水平)分別計算配電網潮流；
(6)計算各個體適應度，并排序；
(7)選擇、交叉、變異操作：采用輪盤賭選擇方式將步驟(6)中排序后適應度值最大的前NIND*GGAP個個體(GAAP＝0.9)作為子代進行交叉、變異操作；再計算交叉變異后子代個體的適應度值并進行排序，按適應度值重插入子代到種群中，用子代代替父代并返回結果種群；
(8)根據新產生的種群重新修改網絡參數，進行潮流計算；
(9)收斂條件判斷：達到最優個體保留代數時，停止迭代，輸出最優解；或在雖然沒有達到最優個體保留代數，但達到最大遺傳迭代次數，也停止迭代，輸出次優解，否則，轉至步驟(6)，繼續迭代。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明通過用戶用電信息采集系統、10kV配變無功補償設備運行監控主站系統(基于GPRS無線通訊通道)、10kV線路無功補償設備運行監控主站系統(基于GPRS無線通訊通道)、縣自動化系統(SCADA)系統采集的10kV線路出線節點遙測遙信量等實時數據，進行電壓無功優化計算，并根據計算結果形成對有載調壓變壓器分接開關的調節、無功補償設備投切等控制指令，實現對配網內各公配變、無功補償設備、主變的集中管理、分級監視和分布式控制，實現全配網電壓無功優化運行控制，最大程度上解決“低電壓”問題，同時兼顧功率因數的提高和降低網損。為了保證系統故障或者通訊中斷時的電壓無功控制可靠性，各臺公配變、線路無功補償設備、主變在通信中斷是可以實現就地自動控制運行。
對10kV線路及以下無功補償裝置進行監控，采集配電臺區運行數據及無功補償裝置運行狀態。通過EMS、配網自動化系統接入10kV線路各節點運行數據，進行潮流計算，得出線路各節點電壓、有功、無功的分布，通過無功策略控制，使線路運行在最優狀態。通過遺傳算法制定無功優化策略，確定補償點、補償容量等，實現對配網內各無功補償設備進行控制，實現全配網無功優化運行控制。
本發明針對現有補償設備的不足，結合配網的特點,為包含兩組電容器的動態無功補償裝置，采用計算機技術實現自動控制,能夠彌補以往裝置的不足,同時兩組電容器共用一套保護裝置,大大節省了開發費用。
采用TI公司C2000系列TMS320F2812作為主控元件，能夠快速精確的采集和處理數據。
采用GPRS進行實時無線通信,將所采集的數據信號傳輸給上位機,避免采用線路傳輸的不穩定性。這種方式還能夠提供公用變壓器低壓側缺少無功補償的弊端,避免大量無功的沿線傳輸；不需要另外架設電桿,減少投資,特別適用于線路過長,無功得不到合理補償的線路,經濟效益相當明顯,在配電網中將會有廣泛的應用前景。
本發明的上述管理平臺在顯示設備中對不同控制器所控制的節點電壓、變壓器電流、電容器補償容量、母線開關狀態、功率因數等數據信息實現顯示，同時按照顯示的信息展開分析，遠程實現對各控制器行為的控制，在分析過程中可根據實際需要對整個過程進行保存記錄，為后續的分析提供數據基礎。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為梳狀配電網結構圖；
圖3配電網無功優化流程圖；
圖4無功補償管理系統整體架構；
圖5無功補償管理系統功能架構。
具體實施方式
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
正如背景技術所介紹的，現有技術中存在配電網的智能無功補償管理系統不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺。
無功補償管理系統的設計應該遵循方便、快速、穩定、安全、靈活的原則展開，借助良好的設計界面，在顯示設備中對不同控制器所控制的節點電壓、變壓器電流、電容器補償容量、母線開關狀態、功率因數等數據信息實現顯示，同時按照顯示的信息展開分析，遠程實現對各控制器行為的控制，在分析過程中可根據實際需要對整個過程進行保存記錄，為后續的分析提供數據基礎。
配電網規劃是一個非線性、多條件約束的復雜組合優化問題。針對配電網現有的補償水平,本申請為基于多數據分析的配電網無功優化系統及方法，無功優化配置主要包括兩個方面，一是補償點位置的選取，二是補償容量的確定。
對10kV配電網中各個節點無功變化對系統有功網損的靈敏度系數進行分析計算，以靈敏度高的節點作為無功補償點，然后引入遺傳算法，進行無功優化確定補償容量，實現有限補償資源下的系統網損最小化。
如圖4所示，基于全網監視無功補償技術的節能管理平臺，包括三大功能層，分別為決策控制層、數據接口層以及實際應用層。
數據接口層主要完成的功能是為內部及外部平臺提供開放的數據接口，便于系統未來的擴展，本系統主要依托以太網接口來完成各類數據的交互訪問，同時使用開放的DDE接口來實現其余兩個層次對數據的直接訪問，這種方式非常方便快速，也非常有利于在各類協議間實現轉換。數據接口層包含有不同的數據體系，此處沒有使用典型的數據庫管理系統來實現，而是采取層級訪問的數據管理模式，用歷史、實時和內存的思路來自主完成設計，這在一定程度上提升了對數據的提供速度。
同時能夠看到，本系統的實際應用層主要完成對操作者和系統交互的功能，實現的主要功能如下：
一是數據庫的管理功能，可通過圖形界面讓管理人員實現對各種數據的維護、修改等主要功能，所有用戶都能夠借助界面來實現對配電網節點電壓、無功補償容量、各種功率及其因素的查看與分析，從而實現對電壓無功運行狀態的全方位檢測，如果存在不合格的節點，能夠進行及時顯示，包括顯示其節點名稱、具體電壓值等數據，并提示可采用的無功調節方法。
二是實現對各種參數的設置，參數是本系統實現的重要基礎，此處主要包含的參數包括有功能參數、運行模式兩類，功能參數主要是在遺傳算法的基礎上進行的，具體設置的參數有電壓最大最小值、交叉概率、變異概率、次數最大值限制、時間設置等；運行模式參數則主要針對不同運行模式的設置，如開環建議、閉環控制等模式，由于所有的控制設備都有運行、故障和維修等基本狀態，所以對于能夠參與無功補償優化的控制設備，必須保證其處于開環建議或閉環控制狀態中，每個使用人員都可以按照配電網的實際，對單獨的設備進行運行模式的控制。
三是實現對典型事件的記錄功能，典型事件的記錄可根據不同的分類來實現，如系統事件、報警事件以及調節事件等，對于所有事件的操作時間、行為以及結果都進行詳細記錄，特別是針對無功優化的一些典型實踐，對其無功補償設備進行開關的主要時間、次數都實現記錄，這為將來對無功補償設備的檢修提供了基礎；同時一些配電網的報警事件記錄可以為檢修、運行和調度部門提供每個設備的運行異常狀況，幫助他們較好的做出決策。
四是報表分析與查詢，本系統根據配電網無功補償的具體應用，能夠依靠報表的方式分析并顯示出節點電壓圖、有功和無功負荷圖、電壓變動曲線圖、功率因素圖等，所有這些報表圖形的產生，都能夠根據有關的數據信息自動生成并顯示，這有助于操作人員對各種數據參數的直觀分析與查詢。
此外，本系統的決策控制層是以潮流計算為基礎的，借助改進的遺傳算法得到對無功補償的優化與控制，并完成決策。運行監控能夠實現在存在故障的狀態下系統的穩定閉鎖：無功補償功能則是進行優化的過程，在配電網的實際規劃中，依據負荷的分布情況和有功電源情況來確定無功補償優化的方式，所以，無功補償管理系統就需要在SCADA基礎上實現對各類信號的實時采集、傳輸，進而實現對無功補償電容器組的最合理的投切操作及次數設置，同時對有載調壓變壓器進行參數改變，最終實現對電壓的穩定、電能質量的提升以及電網損耗的降低。
決策控制層涉及的技術主要有：
10kV配電網無功優化模型的建立：以10kV配電網無功優化補償后所取得的綜合經濟效益最大作為目標，目標函數中考慮了有關技術和經濟因素。凈現值法是一種意義十分明確、應用相當普遍的方法，應用時要考慮計算年限的問題。對于電力系統無功規劃來說，應用凈現值法比較合理，本文在10kV配電網無功優化補償模型中，采用凈現值法作為經濟評價標準。
凈現值(NPV)是指項目(或方案)在壽命期內各年的凈現金流量(CI－CO)t，按照一定的折現率i，折現到期初時點的現值之和。
凈現值指標是反映項目投資獲利能力的指標。
決策標準：
凈現值≥0 方案可行；
凈現值＜0 方案不可行；
凈現值均＞0 凈現值最大的方案為最優方案。
建立無功優化補償數學模型的目標函數如下：
min C＝CC-CS
式中，CS表示無功補償裝置使用期間配電網網損降低而節約費用的資金現值，單位：元；Cc表示無功補償裝置的總投資費用，單位：元；β表示平均售電電價，單位：元/kWh；ΔPS表示補償前的系統有功網損，單位：kW；ΔP′S表示補償后的系統有功網損，單位：kW；(ΔPS-ΔP′S)表示補償后系統減少的網損，單位：kW；τ表示年運行小時數，單位：h；r表示折現率；n表示補償裝置的經濟使用期，單位：年；F表示補償裝置的安裝費用，單位：元；A表示單位容量電容器的投資造價，單位：元/kvar；Qstep表示每組補償電容器的容量，單位：kvar；mi表示補償點安裝的電容器組數，單位：組；x表示補償的節點數；
ΔPS系統有功網損的計算公式：
罰函數設置：本文采用罰函數的方式進行處理節點電壓越限和功率因數越限，從而將目標函數擴展為：
minC＝Cc-Cs+Fp
Fp為越限罰函數。
lv為懲罰系數，Vilim為狀態變量，Vi的上限或者下限，規定如下式：
Cc lim為配變低壓側功率因數Cci的上限，規定如下：
可以看出，如果電壓幅值Vi和功率因數Cci都沒有越限，罰函數為零，對目標函數不起作用；當兩者中任何一個越限后，罰函數將是一個正數，而且乘以一個數值很大(數量級在106～109之間)的懲罰系數lv，則罰函數的數值足以對目標函數造成影響，從而造成目標函數值過大，使得遺傳算法在搜索過程中首先舍棄目標值較大的值，從而舍棄了電壓幅值Vi或功率因數Cci越限的值。系統潮流方程：
狀態變量約束：
Uimin≤Ui≤Ui max
控制變量約束：
Qc minQC≤QC max
以上各式中，PGi，QGi表示節點i上注入的有功和無功功率；PDi，QDi表示節點i上有功和無功負荷功率；Ui表示節點i的電壓幅值；θij表示節點i，j電壓的相角差；Ui、Uimax、Uimin分別表示節點電壓的幅值、電壓幅值的上限和下限；QC、QCmax、Qcmin分別表示無功補償裝置可投切補償容量、補償容量的上限和下限。
以上各式組成了配電網無功優化的數學模型，求解該模型可得到并聯電容器的補償容量。
配網潮流計算：求解無功優化模型時，通過控制變量的輸入求出狀態變量(節點電壓)，則需要計算配電網的潮流從而求解出狀態變量。由于配電網多為輻射型樹狀結構、節點和支路數目多，且支路參數R/X的比值比較大，在輸電網中比較有效的潮流算法，如牛頓-拉夫遜法，基本不適用于配電網。本文中采用以支路網損為狀態量的前推回代型算法，該算法具有簡單、易于編程、計算速度快、收斂性好等優點，能夠滿足配電網無功優化對潮流算法的要求。
一般配電網結構為木梳狀，如圖2所示：圖中，Vi表示節點電壓；Ri、Xi表示線路i的阻抗；Pi、Qi表示節點流過的功率；PLi、QLi表示節點的負荷功率；LPi、LQi表示線路i的功率損耗。
經推導，有
節點流過的功率可表示為：
線路的功率損耗為：
線路流過的電流和節點電壓為：
以上各式構成了前推回代的基本方法。通過迭代計算，可以求出系統各節點的電壓，線路流過的電流、有功功率、無功功率以及支路的有功損耗、無功損耗。
算法具體步驟如下：
1)讀入系統數據：饋線端電壓V0，各支路電阻Ri，電抗Xi，各節點負荷功率PLi，QLi(i＝1,2,，…，n)
2)建立樹；
3)置迭代次數k＝0，選取迭代精度ε；
4)令所有的支路損耗為0，即
5)通過公式計算各節點流過的功率
6)通過公式從饋線端節點開始計算各點的電壓幅值
7)通過公式計算各支路的損耗
8)通過公式迭代計算支路電流和節點電壓實部和虛部；
9)計算
10)判斷max|ΔLPi|＜ε且max|ΔLQi|＜ε，則停止計算輸出結果；否則繼續下一步；
11)判斷是否到達最大迭代次數，如果達到則停止計算，輸出結果；否則迭代次數加一，即k＝k+1，從步驟(5)循環執行，直到滿足條件。
基于網損靈敏度計算的無功補償點的選擇：針對配電網節點多、結構復雜、計算困難等特點，在傳統的靈敏度分析選點基礎上作改進，綜合考慮網絡結構和負載分布情況，利用矩陣計算得到各節點的靈敏度數值，最終確定無功補償點，補償點得補償容量通過遺傳算法確定。
本申請從無功補償經濟效益出發，基于靈敏度分析，依照改進過的網損靈敏度指標選擇無功補償點，再利用遺傳算法確定最佳補償容量，以期獲得更好地優化效果。
有功損耗計算公式：
N為全網節點個數；Pi為節點i、j的電壓幅值；Gij為支路ij之間的電導；θij為節點i、j間的相位差。
靈敏度系數指以狀態變量表征的系統運行狀況對控制變量和擾動變量的變化的敏感性程度。對于無功優化問題，就是要求配電網中節點無功變化對系統有限網損的靈敏度系數，選靈敏度較高的節點作為無功補償的候選節點，從而縮小配電網無功補償的搜索空間。
網損靈敏度計算公式為：
式中，Q、U和θ分別為配電網節點注入無功、節點電壓幅值和相角向量。
經變換可推得
所以得到配電網有功網損無功靈敏度矩陣計算公式為：
SPQ為公式(3)等號右邊雅克比矩陣逆矩陣的子矩陣，并且，對于節點i，由公式(1)可知
公式(4)中即為系統網損對于節點i注入無功的靈敏度，它反映了節點i注入單位無功功率對全網有功網損的影響大小。一般為負，說明無功補償使得系統損耗減少。傳統的靈敏度分析方法即選取但由于網絡節點間的相互影響，一些節點受周圍節點影響，成為虛假的高靈敏度點，從而造成選點比較集中，這顯然不符合無功補償分散補償的原則，使得補償效果達不到預期。針對這種情況，本文對電網中負荷點得靈敏度稍作改進，即令
式(6)右邊的對角線矩陣由網絡中負荷節點的無功負荷同系統總有功網損的比值構成。為i節點修正后的靈敏度數值，由于不僅考慮到了電網的支路結構，還考慮到了網絡節點的負載水平，使得這一數值具備全局性，能更好地反映節點無功功率改變對全網有功網損的影響，故根據這一指標來選點更加合理，降損更顯著。
1.基于遺傳算法的無功優化策略設計：編碼
整數編碼方式：由于補償電容器的投切組數均為整數，因此在編碼過程中以電容器的組數編碼，在計算潮流的過程中再折算成相應的補償無功進行計算。
設節點i補償電容的容量為Qci，則：
Qci＝Qstep×mi
2.個體選擇方法：采用輪盤賭法，并加入最優個體保留，以防止在尋優過程中遺失產生過的最優的個體。
3.交叉操作：采用單點交叉。
4.變異操作：采用基本位變異的變異操作。
5.適應度函數：采用形式Fit(f(x))，最后的目標函數形式為：
Cmin＝Cc-Cs+Fp
6.遺傳終止的準則：采用最大世代數作為終止判據。
根據上述遺傳算法的無功優化操作方法，本文配電網無功優化問題的求解具體步驟可歸納如下：
(1)輸入配電網絡的原始數據，等式約束和不等式約束。包括支路數b、節點數n、負荷節點數、以及支路參數(電阻Ri，電抗Xi)，節點負荷參數(有功Pdi，無功Qdi)；遺傳算法GA參數和變量(種群規模、染色體長度、初始的交叉率、變異率、遺傳代數等)；
(2)進行初始潮流計算，進行靈敏度分析，計算出
(3)對進行排序，選出靈敏度較大的數個節點作為無功補償節點；
(4)將控制變量(補償組數)進行編碼，隨機產生初始種群(NIND個)；
(5)按照步驟(4)生成的初始種群修正網絡參數，按照不同負荷水平(最大負荷、最小負荷和平均負荷水平)分別計算配電網潮流；
(6)計算各個體適應度，并排序；
(7)選擇、交叉、變異操作：采用輪盤賭選擇方式將步驟(6)中排序后適應度值最大的前NIND*GGAP個個體(GAAP＝0.9)作為子代進行交叉、變異操作；再計算交叉變異后子代個體的適應度值并進行排序，按適應度值重插入子代到種群中，用子代代替父代并返回結果種群；
(8)根據新產生的種群重新修改網絡參數，進行潮流計算；
(9)收斂條件判斷：達到最優個體保留代數時，停止迭代，輸出最優解；或在雖然沒有達到最優個體保留代數，但達到最大遺傳迭代次數，也停止迭代，輸出次優解。否則，轉至步驟(6)，繼續迭代。流程圖如圖3所示。
本發明上位機與下位機控制器通過GPRS通信,將采集到的數據和SCADA提供的10kV線路首端的數據結合,優化計算生成控制命令,驅動控制裝置控制相關的補償設備動作。
另外，關于動態無功補償裝置，在前人靜態補償裝置的基礎上,采用兩組電容器進行動態補償，投切方式采用循環投切，能夠避免投切振蕩問題。自動調節控制器采用處理數據能力更強的主控芯片,包括DSP復位電路、信號調理電路、鍵盤和顯示電路等。將傳統的九區圖進行擴展,能夠對兩組并聯電容器實時準確投切,先投先切、保證電容器的使用壽命。整個裝置能對配電網龐大的數據能夠更快的進行計算并將數據傳送到服務器。并采用GPRS進行無線傳輸線路信息,最大限度的使后臺客戶端能夠實時跟蹤各節點的電壓變化。以網損最小為目標函數的優化算法確定10kV最優補償節點和補償容量,采用“高峰計算,低谷校驗”或“低谷計算,高峰校驗”確定0.4kV側電容器補償容量。
本申請的一種典型的實施方式中，如圖1所示，提供了應用于配電網的智能無功補償裝置，設計一種10kV線路補償裝置,采用擴展的九區圖對兩組并聯電容器進行投切控制，主控芯片能夠快速處理配電線路的實時數據,并采用GPRS將數據傳輸到上位機控制系統。
智能無功投切裝置的研制，對于線路補償裝置，目前沒有統一的標準，但主要部分基本相同，包含跌落式熔斷器、避雷器、控制部分、電容器和其他一些開關設備。本發明的裝置如圖1所示,在線路補償裝置中,采用并聯電容器組,基于其體積小可以按照容量進行定制,優越性明顯,電容器采用單星形布線方式,用高壓接觸器進行投切,避免采用電力電子設備投切引入諧波。電流互感器采用非接入式高壓電流互感器,這種新式的互感器能夠很精確地把一次側電流變換成為二次側的電壓輸出,因而,很好的解決了二次側在開路時產生高電壓的風險,體積小,重量輕,安裝方便。電壓互感器采樣線電壓,主要供給電壓信號,同時為控制器和控制回路供給能量。電流互感器TA采樣C相電流,根據三相對稱得出A、B相電流,經轉換之后得到采樣信號,信號由A/D轉換后得出電壓、電流、功率因素、有功和無功,與系統設置值進行比較,生成電容器投切命令控制電容器的投切。TA1和TA2采樣電容器電流,用來判斷真空接觸器是否投切成功,并為電容器的保護提供硬件支持。避雷器和熔斷器的作用分別是防雷保護和電容器短路保護。
通過無功補償管理平臺，可實現對無功補償設備的遠程控制，這使得本系統與其它的自動化系統相比，必須具有更高的安全性，如當該系統在閉環控制的環境中運行時，系統中所有輸入輸出會遭受系統誤差和其它因素的干擾，那么系統必須能夠保證這些條件下的可靠穩定運行，鑒于SCADA控制系統的特點，本次設計進行了以下四方面的安全設計。
一是投運安全設計。系統的穩定性基本要求是保持電網的安全穩定運行，在此基礎上，實現將電網系統中的所有調節設備依次接入，并對各設備的狀態進行分級別的控制，這使得系統具有較高的安全性。系統接入需要按照變電站運行的當前狀態，選擇閉環或者開環的模式，無論何種方案都需要操作人員通過系統實現控制方案的選擇，并可在兩種模式中實現切換與自動控制。
二是數據安全設計。無功補償管理系統的數據非常重要，這不僅僅是對當前各狀態數據的考驗，同時也是對配電網歷史數據的考驗。因此系統在數據安全設計時，綜合采用了主、副服務器的備份策略，數據庫采用了完全備份、差異備份，同時實現了異地備份與移動存儲備份等；此外，對于系統中的數據，實現了各站點的同步更新，保證所有工作站的時間與數據都同步，實現處理的及時響應。
三是控制安全設計。本系統的實現是在對一系列設備的控制基礎上完成的，因此在系統設計時，必須綜合考慮這些被控設備能夠達到的安全運行條件，這些條件包括有被控設備的最大允許次數、被控設備的使用年限以及一些特殊的設備運行注意事項等。
四是處理安全設計。此處的處理主要是指系統運行過程中對接收到的異常事件處理時的安全，通常的異常事件一般通過閉鎖來處理，那么要求系統在運行時對發生的異常事件能夠實現準確判斷并進行閉鎖，這在一定程度上增加了系統自動化的水平，也減少了操作人員的手動干預。
本系統利用通信模塊，把無功補償裝置采集到的數據傳送到數據庫服務器。對數據庫服務器數據的處理，在終端上可以進行相應的數據查詢和數據的處理，完成相應的遠程控制和實時監測。
如圖5所示，本平臺主要由三大部分組成，數據處理和實時監控部分、系統管理部分。數據處理部分則可以歷史數據查看、圖形查看和報表幾個部分。歷史數據查看部分可以很方便的查詢到具體的某一臺配電變壓器在具體的一天的整點的各相電流、電壓、功率因數、有功電能、無功電能、負載率、不平衡度等數據，同時還可以統計在具體一天、某一月的各相電流、電壓、功率因數、有功電能、無功電能、負載率、不平衡度的最大、最小值及出現時間以及總的有功電能和無功電能、平均功率因數。報表部分可以讓用戶有選擇的進行打印，如果用戶需要某臺配電變壓器的某一天的運行數據報表，可以選擇日報表進行相應的操作后就可以達到目的打印出來，以供存檔或是上報領導，同樣的道理可以打印出月報表和電能報表。
實時監控功能部分的主要功能是能夠根據用戶的設定定時或由用戶控制的數據，在客戶端顯示各條饋線的電流、電壓、功率等各項參數。同時對各種設備進行管理和監控。
系統管理部分是管理系統的用戶、權限、基礎參數、日志、數據庫等，主要包括用戶與權限管理、日志管理、數據備份與恢復、基礎參數設置、接口管理等子功能模塊。
實時數據監控
采集參數是前端采集設備無功補償裝置傳輸上來的實時采集數據。采集的數據是本系統的基礎原始數據，由它們計算得到系統展示、分析所需要的各類指標數據。
采集的數據包括配變的運行數據:三相電壓、電流、功率因數，有功功率、無功功率、配變負載率、配變損耗等數據。
配變電能量數據:配變總有功、無功電量數據，峰值、平、谷、有功無功電量等數據。
配變電能質量的數據包括:三相電壓、電壓合格率、電流諧波畸變率、電流2--19次諧波含有率，電流不平衡度，供電可靠率。以及還包括電容器投切記錄，記錄數據包括電容器投切時間、投切前后電壓和無功的情況；每組電容器每日動作次數、總動作次數，每組電容器投運時間、投運率。用戶在系統軟件中，能進行查詢、打印數據的采集情況。
數據分析：該功能主要作用是對采集的數據進行處理和分析，同時處理是否有電壓、電流等的越限的事件告警。利用曲線分析法，提供配變歷史曲線分析功能，顯示配變日、月負荷，電量變化趨勢曲線，電能質量變化趨勢曲線。計算、統計分析，分析統計出配變運行數據的日、月、年最大值和最小值及出現時間。分析臺區線損，線路線損；統計配變電壓合格率和供電可靠率；統計配變功率因數合格率；分析統計無功補償裝置的投運率、電容器投運率；統計無功補償效益；統計并分析電容器是否失效。
事件告警:電壓、電流的越限告警，配變過載報警，配變缺相、停電、三相不平衡、諧波畸變超標等告警。
用戶可以在軟件系統中對分析的數據進行查看，以便對監測結果做出正確判斷，同時可以查看有事件發生了告警。
報表統計：根據數據分析模塊，對數據處理分析的結果形成各類綜合統計報表，分為設備臺帳報表、無功電壓運行報表、電壓合格率統計報表、功率因數統計報表、綜合統計報表等5大類。能夠滿足電網無功補償監測的需要，使無功補償監測工作實現無筆自動辦公化。系統還可以對各種報表進行匯總統計，用戶可以根據需要對這5類報表進行查詢，導出報表(EXCEL格式、PDF格式等)。
運行設備管理：運行設備管理分為設備臺帳以及設備缺陷兩大部分，其主要目的是建立一套完善有效的有關無功補償管理部分的資料，提高管理效率，使專業管理人員做到對自己所管轄范圍內的設備現狀了如指掌，有計劃、有目的、有步驟地更換和改造老舊設備，并能掌握各個廠家的產品運行情況，為選擇設備型號和定貨提供可靠的運行資料。
設備臺帳以及設備缺陷類型為:變電站有載調壓變壓器臺帳和缺陷記錄；有載調壓開關臺帳和缺陷記錄；變電站電容器臺帳和缺陷記錄；變電站電抗器臺帳和缺陷記錄；變電站自動調壓控制裝置臺帳和缺陷記錄10KV線路無功補償并聯電容器臺帳和缺陷記錄；380V低壓無功動態補償箱臺帳和缺陷記錄；用戶電容器臺帳和缺陷記錄；統計型電壓監測儀臺帳和缺陷記錄。即每一種類型的設備臺帳和設備缺陷類型都可以查看臺賬統計表及缺陷記錄。
設備臺帳和設備缺陷模塊中還具有豐富的查詢功能，可通過設備類型、缺陷類型、生產廠家、生產日期、投運日期等條件或組合條件進行統計和查詢，并能打印相關統計報表。
無功與電壓運行管理：無功設備運行管理模塊主要是對無功設備運行情況進行記錄和統計，數據來源于無功補償裝置傳回到監控中心的后臺數據庫的實時數據，可按照不同設備的類型分別進行記錄和統計，主要記錄的數據有:主變有載調壓開關調檔前(后)、電容器(電抗器)投(切)前(后)、功率因數、主變各側無功功率及母線電壓的運行變化情況；統計每日及累計電容器(電抗器)投切次數、有載調壓開關調檔次數；根據這些記錄，用戶可以監測無功以及調壓設備是否按照要求進行調壓，以便能夠及時準確采取有效措施來提高系統電壓合格率和功率因數，同時也可使生產管理人員能夠及時發現無功設備及調壓運行中存在的問題，以防止無功及調壓設備運行不當而造成損壞和帶來的經濟損失。
電壓偏差監測：電壓偏差監測模塊主要功能是用于實時監測電網的主要監測點的電壓偏差情況。其數據主要來源無功補償監測裝置，380V(220V)客戶端電壓數據來源于電壓監測點的電壓監測儀的監測數據，在此功能模塊中，按照電壓管理的要求，對數據進行集中的處理，對電網主要監測點電壓偏差進行實時監測，主要功能如下:
統計功能:把各系統中監測到的各電壓監測點的電壓數值的瞬時值變為統計值，并按相應要求進行歸類匯總分析，統計每日(月、季、年)電壓允許偏差的合格率、偏上限率、偏下限率；以及各變電站的各種監測點類型的電壓允許偏差合格率、各電壓等級的電壓允許偏差合格率、各變電站的各側母線電壓允許偏差合格率、各電壓監測點的電壓允許偏差合格率。
監測功能:主要功能是對電網主要電壓監測點的電壓偏差情況進行實時監測，當電網電壓偏差超過上限和超下限運行時，給出告警信號，提醒運行人員及時進行調壓。
查詢功能:可以按監測點類型進行查詢；按變電站進行查詢；按電壓等級進行查詢；按時段進行查詢；以及上述條件進行組合查詢。
負荷管理與功率因素統計：電網負荷管理與電網功率因數統計模塊主要功能是用于實時監測電網無功電力平衡情況。在此功能模塊中，根據無功電力管理的需求，對數據進行處理，形成周期性的歷史記錄，為系統無功設備的合理布局、電網線損的理論計算、電網無功優化計算積累原始數據。統計查詢內容如下:
在每日(月、季、年)全網最大(小)有功負荷的情況下，電網各電壓等級的有功負荷、無功負荷、功率因數；每日(月、季、年)各電壓等級的有(無)功峰、平、谷電量、總電量以及相應的功率因數。
在每日(月、季、年)各電力客戶最大(小)有功負荷出現的情況下，無功負荷和功率因數；每日(月、季、年)各電力客戶的有(無)功峰、平、谷電量、總電量以及相應的功率因數。
以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。
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