摘 要： 為了準確,、可靠地實現(xiàn)動態(tài)無功優(yōu)化，構建了一種基于GPRS的智能電壓無功優(yōu)化設計,。采用改進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時操作系統(tǒng)uC/OS-II,，采用ADS1.2開發(fā)工具進行編程,，實現(xiàn)了電壓無功綜合控制功能。
關鍵詞： 電壓無功優(yōu)化,；禁忌搜索,； ARM； GPRS
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長期以來,，我國電力系統(tǒng)無功匱乏,，網(wǎng)損嚴重。隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入,對節(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)電壓調整和無功優(yōu)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(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性,。因此,電力系統(tǒng)動態(tài)無功優(yōu)化問題的研究很有實際意義,。動態(tài)無功優(yōu)化是一個非常復雜的非線性時空強耦合的優(yōu)化問題，一段時間如（1天）內(nèi)的無功優(yōu)化必須考慮負荷的動態(tài)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(yōu)化控制，各優(yōu)化控制裝置運行狀況的好壞直接關系到電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定,，而如何準確地判斷優(yōu)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(jiān)控管理和運行維護帶來了困難[2],。
通用分組無線業(yè)務GPRS(General Packet Radio Service)是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務,。具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快,、通信質量高,、永遠在線和按流量計費等優(yōu)點，它支持TCP／IP協(xié)議,，可直接與Internet網(wǎng)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(jiān)控領域具有無可比擬的性價比優(yōu)勢[3]。
本文構建了一種基于GPRS的智能電壓無功優(yōu)化設計,，采用改進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時操作系統(tǒng)μC/OS-II,，采用ADS1.2開發(fā)工具進行編程，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)電壓無功綜合控制功能,。該系統(tǒng)通過安裝在低壓側的智能節(jié)點全天候實時采集各監(jiān)測點的電參量和節(jié)點自身的運行狀況,，對采集數(shù)據(jù)進行必要的預處理并進行數(shù)據(jù)打包后，通過監(jiān)測單元的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?shù)據(jù)進行綜合分析后，再以指令方式通過GPRS對必要的智能節(jié)點做電壓無功調節(jié)控制,，并可通過對配電變電站的主機數(shù)據(jù)庫的查詢,了解電網(wǎng)的歷史運營狀況,，實現(xiàn)系統(tǒng)的高度自動化。
1 電壓無功優(yōu)化控制策略
電力系統(tǒng)通過自動調節(jié)變壓器分接頭和投切電容器組實現(xiàn)電壓無功綜合優(yōu)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(nèi)的最大動作次數(shù)進行限制以避免調節(jié)過于頻繁,。但是如果最大動作次數(shù)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(yōu)效果,；如果最大動作次數(shù)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(jié),。因此，最大動作次數(shù)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(jié)提出一種限制調節(jié)次數(shù)（而不限制調節(jié)元件的最大動作次數(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現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓無功優(yōu)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(nèi)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(shù)
以考察時間單元內(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成,，可以根據(jù)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(shù)[9]
考察時間單元(典型為1天)內(nèi)期望的調整次數(shù)N可以根據(jù)經(jīng)驗確定,，也可以根據(jù)經(jīng)驗確定考察時間單元內(nèi)期望的調整次數(shù)范圍：(Nmin，Nmax),，并用N1,N2,…,Nk表示侯選的調整次數(shù),，然后采用禁忌搜索法分別得出各個調整次數(shù)取值下的適配值:f1,f2,…,fk,，若fi+1-fi
(1) Nmax=Nmax+1,。
(2) 按照調整次數(shù)Nmax重新進行搜索。
(3)若優(yōu)化結果可以確保各個時間段內(nèi)電壓都符合約束條件要求,，則退出,，最佳調整次數(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(tǒng)的網(wǎng)絡速度和數(shù)據(jù)存儲速度較高的需求,，并且還可提供大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集由ATT7022B芯片來實現(xiàn),。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(shù)等參數(shù),。
ATT7022B芯片內(nèi)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(shù)以及校表參數(shù)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(yōu)化控制模塊
通過LPC2292的I/O口實現(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,，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(jīng)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(tǒng)干擾造成誤投切,，所以每路遙控使用I/O口經(jīng)過光電隔離控制驅動電路NEC2501,，最后控制繼電器的動作，從而實現(xiàn)對變壓器和補償電容器的調節(jié)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(zhí)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(xiàn)話音,、短信息,、傳真及數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 軟件設計
電壓無功優(yōu)化控制系統(tǒng)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(tǒng)(RTOS)的軟件設計方法,，將程序分為多個任務,，在RTOS的統(tǒng)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(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,，根據(jù)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(shù),、狀態(tài),，通過鍵盤進行參數(shù)設置。
(4)時鐘模塊：提供日期和時間,，記錄,、捕捉投切出現(xiàn)的時間。
(5)GPRS通信模塊：完成網(wǎng)絡鏈接,，包括注冊,、連接GPRS網(wǎng)絡和尋找用戶終端；成功鏈接后,，完成實時數(shù)據(jù)傳輸,。本控制器選用中心呼號工作模式，數(shù)傳單元（DTU）只有在接收到數(shù)據(jù)中心的呼號后,，才登錄GPRS網(wǎng)絡,，成功連接數(shù)據(jù)中心后進行數(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，Q2403再等待數(shù)據(jù)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(yōu)化設計。采用改進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時操作系統(tǒng)(μC/OS-II),，采用ADS1.2開發(fā)工具進行編程，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)電壓無功綜合控制功能,，其電壓無功優(yōu)化控制的準確性,、可靠性和實時性均能夠滿足工業(yè)控制的要求。
參考文獻
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