電壓無(wú)功自動(dòng)控制策略在地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用

張 玲 劉 簫

（1.西寧供電公司，西寧 810008；2.海東供電公司，青海 平安 814000）

隨著地區(qū)電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，用電負(fù)荷日益增長(zhǎng)，用電客戶要求不斷提高，為保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)電能質(zhì)量提出了更高標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)格的要求。

與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng) EMS平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)的AVC（Automatic Voltage Control）系統(tǒng)為提高電網(wǎng)主網(wǎng)的電壓質(zhì)量，降低主網(wǎng)網(wǎng)損，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行在線控制，減輕值班人員人工調(diào)整電壓的勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了先進(jìn)的技術(shù)力量。

西寧地調(diào)AVC系統(tǒng)已經(jīng)成功在線運(yùn)行，所轄區(qū)內(nèi)已有27所變110變電站納入AVC控制體系，110站AVC覆蓋率已達(dá)到87.97%.隨著工作的開展，覆蓋率還將進(jìn)一步提高，為AVC系統(tǒng)發(fā)揮本身優(yōu)勢(shì)提供了較好的外部條件。

1 AVC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 AVC含義

在自動(dòng)裝置作用和給定電壓約束條件下，借助調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的“四遙”功能和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使發(fā)電廠的勵(lì)磁、變電站、和用戶無(wú)功補(bǔ)償裝置的出力及變壓器的分接頭都能按指令自動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)式調(diào)整，使其注入電網(wǎng)的無(wú)功逐漸接近電網(wǎng)要求的最優(yōu)值，從而使全網(wǎng)有接近最優(yōu)的無(wú)功電壓潮流，達(dá)到電壓好和網(wǎng)損低的目的，這個(gè)過(guò)程叫做自動(dòng)電壓控制，簡(jiǎn)稱AVC[1]。

1.2 AVC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AVC系統(tǒng)采用與EMS平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，從PAS網(wǎng)絡(luò)建模獲取控制模型、從SCADA獲取實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行在線分析和計(jì)算，對(duì)電網(wǎng)內(nèi)各變電所有載調(diào)壓裝置和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、統(tǒng)一管理和在線控制，最終將實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制閉環(huán)運(yùn)行[2，3]。

圖1 AVC系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息流向

2 控制模型和算法

2.1 控制模型

AVC控制不直接追求網(wǎng)損最小，而是盡量使無(wú)功在就地平衡，減少每條支路無(wú)功傳輸，最大程度降低網(wǎng)損，其數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為

1）目標(biāo)函數(shù)

式中，P、R、Q、X、U分別代表電網(wǎng)中各支路有功、電阻、無(wú)功、電抗、電壓。

2）約束條件

電壓滿足限值約束，關(guān)口無(wú)功或功率因數(shù)合格。

3）控制變量

地區(qū)電網(wǎng)可控設(shè)備為電容器和有載調(diào)壓變壓器分接頭。電容器和有載調(diào)壓變壓器分接頭為離散型變量，每天調(diào)節(jié)次數(shù)有限。電容器向系統(tǒng)注入無(wú)功，有載調(diào)壓變壓器可改變無(wú)功分布。

4）控制模型層次

圖2 AVC控制模型層次圖

2.2 控制算法

AVC 在保證算法實(shí)用性基礎(chǔ)上不斷提高先進(jìn)性，采用解析算法與專家規(guī)則混合算法求解，解析算法包括實(shí)時(shí)網(wǎng)損靈敏度優(yōu)化分析計(jì)算等，專家規(guī)則是建立控制規(guī)則專家知識(shí)庫(kù)對(duì)控制指令進(jìn)行分析校核，混合算法保證了控制系統(tǒng)的魯棒性及控制決策的精度、速度和可靠性。

1）實(shí)時(shí)靈敏度優(yōu)化分析

根據(jù)電力系統(tǒng)的解耦特點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)電壓的相位差主要與流經(jīng)節(jié)點(diǎn)間支路的有功功率有關(guān)，而其幅值則主要取決于流經(jīng)支路的無(wú)功功率。選取 PV母線無(wú)功注入QG，PQ母線無(wú)功QD 以及有載調(diào)壓變壓器分接頭T為控制變量，所關(guān)心的狀態(tài)變量有PQ節(jié)點(diǎn)電壓 VD 以及全網(wǎng)網(wǎng)損 PL。靈敏度分析討論控制變量變化將引起狀態(tài)變量多大程度的改變[4]。

在潮流計(jì)算中很容易采用攝動(dòng)法[5]計(jì)算各狀態(tài)變量和控制變量之間的靈敏度，可以與用公式計(jì)算的靈敏度相比較。攝動(dòng)法具體而言就是對(duì)逐個(gè)對(duì)電容器投/切掃描計(jì)算，對(duì)變壓器升/降掃描計(jì)算，并形成靈敏度二維因子表見表 1，便于優(yōu)化分析和專家知識(shí)庫(kù)使用。

表1 靈敏度二維因子表

2）經(jīng)濟(jì)壓差原理

對(duì)于支路潮流計(jì)算有下列公式

輸電損耗：ΔP = R×P2/U2 +R×Q2/U2

線路壓降：ΔU≈P×R+Q×X）/U

式中，R為線路電阻，X為線路電抗，P為輸送有功功率，Q為輸送無(wú)功功率，U為母線電壓。分析上述公式可以得出：U越大，Q越小，則輸電損耗和線路壓降越小，Q=0時(shí)，線路無(wú)功分點(diǎn)恰好位于中點(diǎn)，此時(shí) ΔU稱為經(jīng)濟(jì)壓差。經(jīng)濟(jì)壓差原理是高電壓水平下無(wú)功分層分區(qū)平衡原則極限狀態(tài)的定量表示。

3）分層分區(qū)原理

根據(jù)無(wú)功平衡的局域性和分散性，AVC對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓無(wú)功分層分區(qū)控制，使其自動(dòng)控制在空間上解耦。AVC數(shù)據(jù)庫(kù)模型定義了廠站、電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)（母線）、控制設(shè)備（電容器、變壓器）等記錄，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)跟蹤方式變化，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分區(qū)，以330kV樞紐變電站為中心，將整個(gè)電網(wǎng)分成若干彼此間無(wú)功電壓電氣耦合度很弱的區(qū)域電網(wǎng)。

典型的地區(qū)電網(wǎng)區(qū)域接線圖如圖3所示。

圖3 地區(qū)電網(wǎng)區(qū)域接線圖

AVC中的區(qū)域是動(dòng)態(tài)的概念，最小區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)廠站，最大區(qū)域則為全網(wǎng)。AVC分區(qū)支持自適應(yīng)區(qū)域嵌套劃分，該圖中可劃分出A、B、C、BC、ABC等5個(gè)區(qū)域。AVC控制僅僅使地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功在關(guān)口滿足功率因數(shù)要求、達(dá)到平衡是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為優(yōu)化無(wú)功平衡狀態(tài)，必須在盡可能小的區(qū)域范圍內(nèi)使無(wú)功就地平衡。AVC自動(dòng)拓?fù)浞謪^(qū)支持自適應(yīng)區(qū)域嵌套劃分，首先盡量使小區(qū)域無(wú)功就地平衡，如果該區(qū)域無(wú)功就地平衡無(wú)法得到滿足，則將該區(qū)域范圍擴(kuò)大到相鄰廠站，在此擴(kuò)大區(qū)域內(nèi)使無(wú)功得到就地平衡。

3 控制策略

AVC 采用廠站/區(qū)域兩級(jí)控制體系，可自行設(shè)置廠站按本地控制或按區(qū)域控制。本地控制時(shí)根據(jù)九區(qū)圖基本原理[6]動(dòng)作，區(qū)域控制時(shí)參與全網(wǎng)優(yōu)化協(xié)調(diào)。AVC具備區(qū)域電壓控制、就地電壓控制和區(qū)域無(wú)功控制三種控制模式，并根據(jù)無(wú)功電壓分布狀態(tài)自動(dòng)選擇控制模式并使各種控制模式自適應(yīng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)優(yōu)化電壓調(diào)節(jié)。優(yōu)先順序是“區(qū)域電壓控制”＞“電壓校正控制”＞“區(qū)域無(wú)功控制”。區(qū)域電壓偏低（高）時(shí)采用“區(qū)域電壓控制”，快速校正或優(yōu)化群體電壓水平；越限狀態(tài)下采用“電壓校正控制”，保證節(jié)點(diǎn)電壓合格；全網(wǎng)電壓合格時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，采用“區(qū)域無(wú)功控制”。

3.1 電壓控制策略

1）區(qū)域電壓控制

區(qū)域群體電壓水平受區(qū)域樞紐廠站無(wú)功設(shè)備控制影響，是區(qū)域整體無(wú)功平衡的結(jié)果。結(jié)合實(shí)時(shí)靈敏度分析和自適應(yīng)區(qū)域嵌套劃分確定區(qū)域樞紐廠站。當(dāng)區(qū)域內(nèi)電壓普遍偏高（低）時(shí)，調(diào)節(jié)樞紐廠站無(wú)功設(shè)備，以盡可能少的控制設(shè)備調(diào)節(jié)次數(shù)，使最大范圍內(nèi)電壓合格或提高群體電壓水平，同時(shí)避免區(qū)域內(nèi)多主變同時(shí)調(diào)節(jié)引起振蕩，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電壓控制的優(yōu)化。

2）就地電壓控制

由實(shí)時(shí)靈敏度分析可知，就地?zé)o功設(shè)備控制能夠最快、最有效校正當(dāng)?shù)仉妷?，消除電壓越限。?dāng)某廠站電壓越限時(shí)，啟動(dòng)該廠站內(nèi)無(wú)功設(shè)備調(diào)節(jié)。該廠站內(nèi)變壓器和電容器按就地電壓策略協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)功綜合優(yōu)化。

3）電壓控制協(xié)調(diào)

根據(jù)電網(wǎng)電壓無(wú)功空間分布狀態(tài)自動(dòng)選擇控制模式，控制模式優(yōu)先順序?yàn)椤皡^(qū)域電壓控制”>“電壓校正控制”。區(qū)域電壓偏低（高）時(shí)采用“區(qū)域電壓控制”，僅個(gè)別廠站母線越限時(shí)采用“電壓校正控制”，自適應(yīng)給出合理的全網(wǎng)電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)措施。

4）具體控制策略（如圖4所示）

注：①無(wú)論是通過(guò)區(qū)域電壓控制模式還是就地電壓控制模式對(duì)110kV或10kV越限母線進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，上述330kV電壓均指被調(diào)節(jié)的母線所在分區(qū)內(nèi)的根節(jié)點(diǎn)330kV母線電壓；②對(duì) 35kV和 10kV母線，只有就地電壓控制模式，其控制策略與上圖中針對(duì)110kV和10kV母線的策略一致。

圖4 地區(qū)電網(wǎng)具體控制策略圖

3.2 無(wú)功控制策略

針對(duì)區(qū)域無(wú)功可能出現(xiàn)的過(guò)補(bǔ)和欠補(bǔ)兩種情況，AVC的無(wú)功控制相應(yīng)地可分為無(wú)功切除、無(wú)功投入兩個(gè)操作方向。在無(wú)功切除或投入時(shí)需對(duì)區(qū)域內(nèi)電容器序列切除和投入，分析判斷指標(biāo)即是根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)壓差原理的QX。其中，Q為線路上流動(dòng)或穿過(guò)主變的無(wú)功，X為線路或主變阻抗。

區(qū)域無(wú)功切除策略

（1）從區(qū)域根結(jié)點(diǎn)330kV A站開始掃描，將當(dāng)前區(qū)域注入無(wú)功與考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，當(dāng)偏差大于所設(shè)定精度（即帶寬）時(shí)，啟動(dòng)區(qū)域無(wú)功切除策略。

（2）將任意結(jié)點(diǎn)（A站、B站、C站均有可能）下屬子區(qū)域已投入電容器放進(jìn)切除隊(duì)列，并按電氣指標(biāo)QX進(jìn)行升序排列。

（3）當(dāng)選擇某站（如 A站）電容器切除時(shí)，計(jì)算切除前后電氣指標(biāo)QX，若切除后QX變小，說(shuō)明切除該電容器不會(huì)使網(wǎng)損增加，確實(shí)應(yīng)該切除；否則，選擇隊(duì)列中的下一個(gè)電容器。

（4）切除電容器時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行預(yù)判，如果切除后電壓可能越下限，則上調(diào)檔位后再切除該電容器（組合策略）。若上調(diào)檔位不成功，則選擇下一個(gè)電容器。

3.3 區(qū)域無(wú)功投入策略

1）從區(qū)域最末端結(jié)點(diǎn)開始掃描，將當(dāng)前區(qū)域注入無(wú)功與考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，當(dāng)無(wú)功不足且偏差大于所設(shè)定精度（即帶寬）時(shí)，啟動(dòng)區(qū)域無(wú)功投入策略。

2）將任意結(jié)點(diǎn)（A站、B站、C站均有可能）下屬子區(qū)域已切除電容器放進(jìn)投入隊(duì)列，并按電氣指標(biāo)QX進(jìn)行降序排列。

3）當(dāng)選擇某站（如 C站）電容器投入時(shí)，判斷該電容器投入是否使區(qū)域根結(jié)點(diǎn)（關(guān)口）無(wú)功越上限，如果不越上限則投入；否則，選擇隊(duì)列中的下一個(gè)電容器。

4）投入電容器時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行預(yù)判，如果投入后電壓可能越上限，則下調(diào)檔位后再投入電容器（組合策略）。

4 AVC系統(tǒng)安全策略

AVC安全策略通過(guò)建立由 AVC系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的異常事件和由外部 SCADA傳遞的異常事件及保護(hù)事件庫(kù)，濾除輸入輸出環(huán)節(jié)誤差或“噪聲”的諸多干擾，采用事件觸發(fā)-閉鎖機(jī)制，遵循以下原則：

1）在330kV主網(wǎng)電壓過(guò)低的情況下，AVC不但閉鎖調(diào)節(jié) 330kV主變分接頭，而且對(duì)于 110及35kV變電站盡量投入電容器、禁止上調(diào)分接頭，不從主網(wǎng)吸收無(wú)功，防止造成主網(wǎng)電壓崩潰。保證控制安全可靠性并減輕運(yùn)行人員處理異常事件的工作量。

2）考慮設(shè)備檢修、備用、控制周期、動(dòng)作次數(shù)、變壓器檔位調(diào)節(jié)等控制屬性進(jìn)行閉鎖或控制。

3）建立異常事件和保護(hù)事件庫(kù)，方便事件庫(kù)擴(kuò)充。異常和保護(hù)事件都可根據(jù)庫(kù)中設(shè)置閉鎖相應(yīng)AVC控制設(shè)備。

4）廠站工況退出、遙控遙調(diào)通道出現(xiàn)故障或平臺(tái)出現(xiàn)其他故障時(shí)自動(dòng)閉鎖。

5）配置用戶AVC應(yīng)用權(quán)限，控制用戶是否能進(jìn)行 AVC操作及置數(shù)，自動(dòng)記錄參數(shù)修改操作信息，保證軟件使用安全性。

6）被控對(duì)象控制方式分為“開環(huán)”、“閉環(huán)”和“監(jiān)視”，并可對(duì)系統(tǒng)、廠站、監(jiān)控母線、調(diào)壓設(shè)備分級(jí)設(shè)置，其優(yōu)先級(jí)是系統(tǒng)＞廠站＞監(jiān)控母線＞調(diào)壓設(shè)備。

5 AVC在西寧地調(diào)的應(yīng)用情況

目前，國(guó)內(nèi)許多地調(diào)已成功實(shí)現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制，AVC系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，西寧電網(wǎng)已成功將 AVC納入EMS/SCADA系統(tǒng)中，并已初見成效，表2為AVC系統(tǒng)投運(yùn)前后6個(gè)月母線電壓合格率對(duì)比。

表2 AVC投運(yùn)前后6個(gè)月平均母線電壓合格率對(duì)比

AVC的應(yīng)用有效改善了西寧電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓水平，提升了電壓合格率，全網(wǎng)35kV和10kV電壓平均合格率都有了顯著提高，電壓波動(dòng)幅度明顯減小，35kV線路多為用電大客戶，對(duì)電壓質(zhì)量要求較高，電壓質(zhì)量的提高提升了客戶滿意程度，樹立了公司良好的品牌形象。

6 結(jié)論

AVC已經(jīng)成功應(yīng)用于西寧地調(diào)系統(tǒng)，將為提高西寧地區(qū)電壓質(zhì)量，優(yōu)化地區(qū)電網(wǎng)無(wú)功潮流，減輕運(yùn)行人員負(fù)擔(dān)發(fā)揮巨大作用。目前我國(guó)全網(wǎng)AVC閉環(huán)控制工程應(yīng)用仍然處于起步階段，應(yīng)用更加注重提高實(shí)用性，使先進(jìn)算法研究與具體工程實(shí)際相結(jié)合，提高應(yīng)用水平。AVC并不是孤立的技術(shù)問(wèn)題，而是一個(gè)各方面相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)的提高，地區(qū)電網(wǎng)之間的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)也越來(lái)越受重視。因此在以后的 AVC發(fā)展過(guò)程中，將會(huì)逐步解決地區(qū)電網(wǎng)與其他地區(qū)電網(wǎng)之間相互配合協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

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