摘 要： 為了準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化，構(gòu)建了一種基于GPRS的智能電壓無功優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用改進(jìn)的禁忌搜索算法作為電壓無功優(yōu)化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，采用ADS1.2開發(fā)工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了電壓無功綜合控制功能。
關(guān)鍵詞： 電壓無功優(yōu)化；禁忌搜索； ARM； GPRS
?
長(zhǎng)期以來，我國(guó)電力系統(tǒng)無功匱乏，網(wǎng)損嚴(yán)重。隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入,對(duì)節(jié)能降耗提出了更高的要求。電壓無功綜合控制是電力系統(tǒng)電壓調(diào)整和無功優(yōu)化分配的重要手段，它可以改善電壓質(zhì)量，提高電能質(zhì)量，降低電能損耗，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此,電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化問題的研究很有實(shí)際意義。動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性時(shí)空強(qiáng)耦合的優(yōu)化問題，一段時(shí)間如（1天）內(nèi)的無功優(yōu)化必須考慮負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，具有較高的時(shí)間復(fù)雜性[1]。我國(guó)目前普遍采用分散就地?zé)o功優(yōu)化控制，各優(yōu)化控制裝置運(yùn)行狀況的好壞直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，而如何準(zhǔn)確地判斷優(yōu)化控制裝置的運(yùn)行情況，一直沒有得到很好的解決，因而給監(jiān)控管理和運(yùn)行維護(hù)帶來了困難[2]。
通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，它支持TCP／IP協(xié)議，可直接與Internet網(wǎng)互通。GPRS具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、投資小的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于遠(yuǎn)程測(cè)量與監(jiān)控領(lǐng)域具有無可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)[3]。
本文構(gòu)建了一種基于GPRS的智能電壓無功優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用改進(jìn)的禁忌搜索算法作為電壓無功優(yōu)化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，采用ADS1.2開發(fā)工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)電壓無功綜合控制功能。該系統(tǒng)通過安裝在低壓側(cè)的智能節(jié)點(diǎn)全天候?qū)崟r(shí)采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電參量和節(jié)點(diǎn)自身的運(yùn)行狀況，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包后，通過監(jiān)測(cè)單元的GPRS模塊以無線通信的方式將打包數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理總站?？傉緦?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，再以指令方式通過GPRS對(duì)必要的智能節(jié)點(diǎn)做電壓無功調(diào)節(jié)控制，并可通過對(duì)配電變電站的主機(jī)數(shù)據(jù)庫的查詢,了解電網(wǎng)的歷史運(yùn)營(yíng)狀況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高度自動(dòng)化。
1 電壓無功優(yōu)化控制策略
電力系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器分接頭和投切電容器組實(shí)現(xiàn)電壓無功綜合優(yōu)化控制。已有工作[4-8]都是對(duì)變壓器分接頭以及電容器組在一段時(shí)間內(nèi)的最大動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行限制以避免調(diào)節(jié)過于頻繁。但是如果最大動(dòng)作次數(shù)限制值的設(shè)置偏小，則在負(fù)荷波動(dòng)較大的情況下，有可能得不到最優(yōu)效果；如果最大動(dòng)作次數(shù)限制值的設(shè)置偏大，則在負(fù)荷波動(dòng)較小的情況下，有可能會(huì)造成頻繁調(diào)節(jié)。因此，最大動(dòng)作次數(shù)限制值的選擇十分重要，但是已有文獻(xiàn)均未討論該問題。
本節(jié)提出一種限制調(diào)節(jié)次數(shù)（而不限制調(diào)節(jié)元件的最大動(dòng)作次數(shù)）的禁忌搜索法。這里不再贅述禁忌搜索算法的基本原理，主要論述采用禁忌搜索算法實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓無功優(yōu)化控制中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
1.1 解的構(gòu)成
在考察時(shí)間單元（典型為1天）內(nèi)期望進(jìn)行N次調(diào)整的前提下，將解分為N段，其構(gòu)成如圖1所示。本文用S(k)=[S1(k) S2(k) … SM(k)表示解的第k次迭代結(jié)果。
?
1.2 適配值函數(shù)
以考察時(shí)間單元內(nèi)降損收益最大為適配值函數(shù)，即
式中，AB,i、AO,i分別為第i時(shí)間段內(nèi)優(yōu)化前和優(yōu)化后的損耗電量。
損耗電量由主變壓器損耗（包括鐵損和銅損）和上游輸電線路中的損耗電量構(gòu)成，可以根據(jù)各個(gè)負(fù)荷的預(yù)測(cè)曲線及解中描述的調(diào)整方式，采用潮流計(jì)算方法得出。
1.3 最佳調(diào)整次數(shù)[9]
考察時(shí)間單元(典型為1天)內(nèi)期望的調(diào)整次數(shù)N可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定考察時(shí)間單元內(nèi)期望的調(diào)整次數(shù)范圍：(Nmin，Nmax)，并用N1,N2,…,Nk表示侯選的調(diào)整次數(shù)，然后采用禁忌搜索法分別得出各個(gè)調(diào)整次數(shù)取值下的適配值:f1,f2,…,fk，若fi+1-fi
(1) Nmax=Nmax+1。
(2) 按照調(diào)整次數(shù)Nmax重新進(jìn)行搜索。
(3)若優(yōu)化結(jié)果可以確保各個(gè)時(shí)間段內(nèi)電壓都符合約束條件要求，則退出，最佳調(diào)整次數(shù)為Nmax；否則返回到(1)。
2 基于GPRS的智能電壓無功優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
硬件的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。電壓無功控制裝置的嵌入式CPU采用基于32位的ARM7TDMI-S CPU的嵌入式微控制器LPC2292，其強(qiáng)大的處理功能可滿足嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度較高的需求，并且還可提供大數(shù)據(jù)容量存儲(chǔ)。LPC2292包含了多種通信接口[10]：2個(gè)UART口、2個(gè)SPI口、1個(gè)I2C口和2個(gè)CAN口等。LPC2292具有實(shí)時(shí)性好、精度高、成本低的特點(diǎn)。
硬件部分主要包括：ARM核心模塊、電源模塊、JTAG調(diào)試接口、GPRS/CDMA 通信接口、程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電能量采集模塊、I2C接口、通用I/O口、LCD模塊。
2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集由ATT7022B芯片來實(shí)現(xiàn)。ATT7022B[11]是一塊高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。ATT7022B芯片能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值及功率因數(shù)等參數(shù)。
ATT7022B芯片內(nèi)部集成了1個(gè)串行通信接口SPI，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，并可通過串行外設(shè)接口與ARM的微處理器LPC2292連接。
2.1.2 電壓無功優(yōu)化控制模塊
通過LPC2292的I/O口實(shí)現(xiàn)控制輸出，遙控輸出的電路原理圖如圖3所示。遙控P2.16輸出電平為高時(shí)，NPN三極管Q3導(dǎo)通，繼電器合閘；遙控P2.16輸出電平為低時(shí)，Q3截止，繼電器跳閘。遙控輸出要經(jīng)過光電隔離，以抵御高壓尖峰脈沖、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)靜電、雷擊浪涌的干擾，避免系統(tǒng)干擾造成誤投切，所以每路遙控使用I/O口經(jīng)過光電隔離控制驅(qū)動(dòng)電路NEC2501，最后控制繼電器的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器和補(bǔ)償電容器的調(diào)節(jié)操作。
?
2.1.3 GPRS通信模塊
GSM模塊采用WAVECOM公司的Q2403。Q2403是雙頻GSM/GPRS MODEM模塊，執(zhí)行ETSI GSM Phase 2+的標(biāo)準(zhǔn)，具備GSM無線通信的全部功能，通過UART接口與MCU連接，并直接使用AT命令就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)話音、短信息、傳真及數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
電壓無功優(yōu)化控制系統(tǒng)功能復(fù)雜，而且要求具有很好的實(shí)時(shí)性、可維護(hù)性、可修改性、可擴(kuò)充性，因此，采用基于?滋C/OS-II[12]實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)的軟件設(shè)計(jì)方法，將程序分為多個(gè)任務(wù)，在RTOS的統(tǒng)一調(diào)度下可靠地運(yùn)行。
(1)信號(hào)采集模塊：通過ATT7022B采集各相和合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)等。
(2)電壓無功優(yōu)化模塊：確定電壓無功優(yōu)化控制策略，判斷控制指標(biāo)，根據(jù)負(fù)荷情況計(jì)算出具體的電壓無功綜合控制方案。
(3)人機(jī)對(duì)話模塊：通過分級(jí)液晶菜單顯示運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)，通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
(4)時(shí)鐘模塊：提供日期和時(shí)間，記錄、捕捉投切出現(xiàn)的時(shí)間。
(5)GPRS通信模塊：完成網(wǎng)絡(luò)鏈接，包括注冊(cè)、連接GPRS網(wǎng)絡(luò)和尋找用戶終端；成功鏈接后，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。本控制器選用中心呼號(hào)工作模式，數(shù)傳單元（DTU）只有在接收到數(shù)據(jù)中心的呼號(hào)后，才登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)，成功連接數(shù)據(jù)中心后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完畢，終止TCP連接，但DTU仍處于數(shù)據(jù)狀態(tài)，必須切換到命令狀態(tài)，通過發(fā)送AT命令使Q2403斷開GPRS網(wǎng)絡(luò)，Q2403再等待數(shù)據(jù)中心的下一次呼號(hào)，進(jìn)行重新登錄及傳輸。
本文構(gòu)建了一種基于GPRS的智能電壓無功優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用改進(jìn)的禁忌搜索算法作為電壓無功優(yōu)化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(μC/OS-II)，采用ADS1.2開發(fā)工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)電壓無功綜合控制功能，其電壓無功優(yōu)化控制的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性均能夠滿足工業(yè)控制的要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 任曉娟，鄧佑滿，趙長(zhǎng)城，等.高中壓配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化算法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003,23(1):31-36.
[2] ?王飛，潘立冬.一種總線式結(jié)構(gòu)的新型低壓無功補(bǔ)償裝置[J].低壓電器,2003(5):43-46.
[3] ?劉翔宇，楊仁剛.基于GPRS的負(fù)控終端遠(yuǎn)程Web監(jiān)控系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(3):76-79.
[4] ?蘇永春，陳星鶯，劉存凱.基于遺傳算法的變電站電壓無功綜合控制[J].繼電器，2002, 30(10):11-14.
[5] ?耿光飛，楊仁剛. 高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)研究[J]. 繼電器，2005,33(24):45-48.
[6] ?顧丹珍，徐瑞德.一種地區(qū)電網(wǎng)多目標(biāo)無功優(yōu)化的新方法——改進(jìn)模擬退火算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，1998,22(1):71-74
[7] ?張文，劉玉田.自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法及其在無功優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006,30(8):19-24.
[8] ?楊銀國(guó)， 張伏生，賀春光，等.基于主動(dòng)禁忌搜索的配電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005, 39(8):895-899.
[9] ?任曉莉，程紅麗，劉健.基于禁忌搜索算法的變電站電壓無功優(yōu)化控制[J].繼電器，2008,36(8):31-34.
[10]?周立功.ARM嵌入式基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
[11]?珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司. ATT7022 manual.2003.
[12]?LABROSSE J J著. ?滋C/OS-II源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)（第1版）[M].邵貝貝,譯．北京：北京航空航天大學(xué)出
?版社，2001．
?