摘 要： 為了準確、可靠地實現動態無功優化，構建了一種基于GPRS的智能電壓無功優化設計。采用改進的禁忌搜索算法作為電壓無功優化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式實時操作系統uC/OS-II，采用ADS1.2開發工具進行編程，實現了電壓無功綜合控制功能。
關鍵詞： 電壓無功優化；禁忌搜索； ARM； GPRS
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長期以來，我國電力系統無功匱乏，網損嚴重。隨著我國可持續發展戰略的不斷深入,對節能降耗提出了更高的要求。電壓無功綜合控制是電力系統電壓調整和無功優化分配的重要手段，它可以改善電壓質量，提高電能質量，降低電能損耗，提高電力系統運行的安全性和經濟性。因此,電力系統動態無功優化問題的研究很有實際意義。動態無功優化是一個非常復雜的非線性時空強耦合的優化問題，一段時間如（1天）內的無功優化必須考慮負荷的動態變化，具有較高的時間復雜性[1]。我國目前普遍采用分散就地無功優化控制，各優化控制裝置運行狀況的好壞直接關系到電力系統運行的穩定，而如何準確地判斷優化控制裝置的運行情況，一直沒有得到很好的解決，因而給監控管理和運行維護帶來了困難[2]。
通用分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service)是一種新的分組數據承載業務。具有覆蓋范圍廣、數據傳輸速度快、通信質量高、永遠在線和按流量計費等優點，它支持TCP／IP協議，可直接與Internet網互通。GPRS具有實時性好、可靠性高、投資小的特點，將其應用于遠程測量與監控領域具有無可比擬的性價比優勢[3]。
本文構建了一種基于GPRS的智能電壓無功優化設計，采用改進的禁忌搜索算法作為電壓無功優化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式實時操作系統μC/OS-II，采用ADS1.2開發工具進行編程，實現了電力系統電壓無功綜合控制功能。該系統通過安裝在低壓側的智能節點全天候實時采集各監測點的電參量和節點自身的運行狀況，對采集數據進行必要的預處理并進行數據打包后，通過監測單元的GPRS模塊以無線通信的方式將打包數據傳輸到數據分析處理總站。總站對數據進行綜合分析后，再以指令方式通過GPRS對必要的智能節點做電壓無功調節控制，并可通過對配電變電站的主機數據庫的查詢,了解電網的歷史運營狀況，實現系統的高度自動化。
1 電壓無功優化控制策略
電力系統通過自動調節變壓器分接頭和投切電容器組實現電壓無功綜合優化控制。已有工作[4-8]都是對變壓器分接頭以及電容器組在一段時間內的最大動作次數進行限制以避免調節過于頻繁。但是如果最大動作次數限制值的設置偏小，則在負荷波動較大的情況下，有可能得不到最優效果；如果最大動作次數限制值的設置偏大，則在負荷波動較小的情況下，有可能會造成頻繁調節。因此，最大動作次數限制值的選擇十分重要，但是已有文獻均未討論該問題。
本節提出一種限制調節次數（而不限制調節元件的最大動作次數）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現電力系統電壓無功優化控制中需要解決的關鍵技術問題。
1.1 解的構成
在考察時間單元（典型為1天）內期望進行N次調整的前提下，將解分為N段，其構成如圖1所示。本文用S(k)=[S1(k) S2(k) … SM(k)表示解的第k次迭代結果。
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1.2 適配值函數
以考察時間單元內降損收益最大為適配值函數，即
式中，AB,i、AO,i分別為第i時間段內優化前和優化后的損耗電量。
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成，可以根據各個負荷的預測曲線及解中描述的調整方式，采用潮流計算方法得出。
1.3 最佳調整次數[9]
考察時間單元(典型為1天)內期望的調整次數N可以根據經驗確定，也可以根據經驗確定考察時間單元內期望的調整次數范圍：(Nmin，Nmax)，并用N1,N2,…,Nk表示侯選的調整次數，然后采用禁忌搜索法分別得出各個調整次數取值下的適配值:f1,f2,…,fk，若fi+1-fi
(1) Nmax=Nmax+1。
(2) 按照調整次數Nmax重新進行搜索。
(3)若優化結果可以確保各個時間段內電壓都符合約束條件要求，則退出，最佳調整次數為Nmax；否則返回到(1)。
2 基于GPRS的智能電壓無功優化設計
2.1 硬件設計
硬件的總體設計如圖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，其強大的處理功能可滿足嵌入式系統的網絡速度和數據存儲速度較高的需求，并且還可提供大數據容量存儲。LPC2292包含了多種通信接口[10]：2個UART口、2個SPI口、1個I2C口和2個CAN口等。LPC2292具有實時性好、精度高、成本低的特點。
硬件部分主要包括：ARM核心模塊、電源模塊、JTAG調試接口、GPRS/CDMA 通信接口、程序數據存儲器、電能量采集模塊、I2C接口、通用I/O口、LCD模塊。
2.1.1 數據采集模塊
數據采集由ATT7022B芯片來實現。ATT7022B[11]是一塊高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線的應用。ATT7022B芯片能夠測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，同時還能測量各相電流、電壓有效值及功率因數等參數。
ATT7022B芯片內部集成了1個串行通信接口SPI，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞，并可通過串行外設接口與ARM的微處理器LPC2292連接。
2.1.2 電壓無功優化控制模塊
通過LPC2292的I/O口實現控制輸出，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，NPN三極管Q3導通，繼電器合閘；遙控P2.16輸出電平為低時，Q3截止，繼電器跳閘。遙控輸出要經過光電隔離，以抵御高壓尖峰脈沖、強磁場、強靜電、雷擊浪涌的干擾，避免系統干擾造成誤投切，所以每路遙控使用I/O口經過光電隔離控制驅動電路NEC2501，最后控制繼電器的動作，從而實現對變壓器和補償電容器的調節操作。
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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，執行ETSI GSM Phase 2+的標準，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命令就可以方便簡潔地實現話音、短信息、傳真及數據傳輸。
2.2 軟件設計
電壓無功優化控制系統功能復雜，而且要求具有很好的實時性、可維護性、可修改性、可擴充性，因此，采用基于?滋C/OS-II[12]實時多任務操作系統(RTOS)的軟件設計方法，將程序分為多個任務，在RTOS的統一調度下可靠地運行。
(1)信號采集模塊：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，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數等。
(2)電壓無功優化模塊：確定電壓無功優化控制策略，判斷控制指標，根據負荷情況計算出具體的電壓無功綜合控制方案。
(3)人機對話模塊：通過分級液晶菜單顯示運行參數、狀態，通過鍵盤進行參數設置。
(4)時鐘模塊：提供日期和時間，記錄、捕捉投切出現的時間。
(5)GPRS通信模塊：完成網絡鏈接，包括注冊、連接GPRS網絡和尋找用戶終端；成功鏈接后，完成實時數據傳輸。本控制器選用中心呼號工作模式，數傳單元（DTU）只有在接收到數據中心的呼號后，才登錄GPRS網絡，成功連接數據中心后進行數據傳輸，傳輸完畢，終止TCP連接，但DTU仍處于數據狀態，必須切換到命令狀態，通過發送AT命令使Q2403斷開GPRS網絡，Q2403再等待數據中心的下一次呼號，進行重新登錄及傳輸。
本文構建了一種基于GPRS的智能電壓無功優化設計。采用改進的禁忌搜索算法作為電壓無功優化控制策略，基于ARM的LPC2292微控制器和嵌入式實時操作系統(μC/OS-II)，采用ADS1.2開發工具進行編程，實現了電力系統電壓無功綜合控制功能，其電壓無功優化控制的準確性、可靠性和實時性均能夠滿足工業控制的要求。
參考文獻
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