東北電網(wǎng)無功電壓多層協(xié)調(diào)控制研究

李劍峰，張婷婷

(1.遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006;2.錦州供電公司，遼寧 錦州 121000)

1 概述

東北電網(wǎng)是我國率先開展自動電壓無功(AVC)控制系統(tǒng)研制的區(qū)域電網(wǎng)［1］?，F(xiàn)已投入運(yùn)行的有東北網(wǎng)調(diào)HAVC系統(tǒng)、遼寧省省調(diào)AVC系統(tǒng)和黑龍江省調(diào)AVC系統(tǒng)，吉林省也正在開展AVC系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)工作。目前東北網(wǎng)調(diào)和三省省調(diào)自動電壓控制系統(tǒng)都是針對各自直接調(diào)度管轄電網(wǎng)內(nèi)的無功電源或無功設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立控制。每個AVC系統(tǒng)在同一時間可能會有不同的控制目標(biāo)，比如受到數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，某個AVC系統(tǒng)正在按照電壓計劃調(diào)節(jié)，其它AVC系統(tǒng)可能正在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性調(diào)節(jié)。此時，各AVC系統(tǒng)所采取的控制策略大相徑庭也是有可能的［2］。這會導(dǎo)致不合理的無功交換和無功儲備分布，繼而引起網(wǎng)絡(luò)損耗偏高。

可見，各自獨(dú)立的AVC控制方式存在很大的局限性。隨著AVC系統(tǒng)的不斷成熟，在未來數(shù)年內(nèi)將對電網(wǎng)產(chǎn)生越來越大的影響。亟需協(xié)調(diào)網(wǎng)調(diào)以及三省的AVC系統(tǒng)。東北電網(wǎng)的現(xiàn)狀是網(wǎng)省AVC系統(tǒng)獨(dú)立控制分區(qū)內(nèi)的設(shè)備，如圖1所示。

2 無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制理論

2.1 無功區(qū)域協(xié)調(diào)變量

考察穩(wěn)態(tài)下區(qū)域的邊界節(jié)點(diǎn)上無功/電壓的外部特性，即當(dāng)無功負(fù)荷擾動或控制都只發(fā)生在外部區(qū)域時，該區(qū)域在邊界節(jié)點(diǎn)上注入無功功率與電壓幅值之間的變化關(guān)系，可以看出注入子區(qū)域的無功功率一般隨著電壓單調(diào)變化，且變化范圍有限，因此無功/電壓特性可以用線性化方法進(jìn)行近似［3］。

由于聯(lián)絡(luò)線電壓和無功功率受到兩端區(qū)域的影響，為了公平地評價省調(diào)AVC的工作，有必要制定相應(yīng)的考核指標(biāo)衡量協(xié)調(diào)方案的實(shí)現(xiàn)情況，以分辨是哪個區(qū)域的負(fù)荷變化引起的聯(lián)絡(luò)線電壓和無功的變化，從而明確應(yīng)該由誰負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)。

經(jīng)過研究提出了與區(qū)域電網(wǎng)無功/電壓外部特性相對應(yīng)的無功電壓協(xié)調(diào)量VACE［4］:

在相鄰2個區(qū)域間有M條聯(lián)絡(luò)線的情況下，VACE指標(biāo)是一個M維的向量。對于本區(qū)域的控制系統(tǒng)，可以方便地量測和獲取本區(qū)域側(cè)的電壓和無功，不依賴其它相鄰區(qū)域或其它層級控制系統(tǒng)的量測信息。

AVC區(qū)域控制器之間的耦合主要在于外區(qū)域控制變量調(diào)整對本區(qū)域協(xié)調(diào)變量的影響，如式(1)所示:

由于相互耦合天然的存在，一般多級控制系統(tǒng)選擇的協(xié)調(diào)變量會使得協(xié)調(diào)變量對控制變量的靈敏度關(guān)系矩陣中非對角塊矩陣不為零矩陣。

如果能夠恰當(dāng)構(gòu)造新的協(xié)調(diào)變量，使得式(1)變形為

即新協(xié)調(diào)變量對控制變量的靈敏度關(guān)系矩陣中，非對角塊矩陣都為零矩陣，則相互耦合的區(qū)域控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)解耦控制。

VACE指標(biāo)就是基于這樣的思路提出的。

2.2 物理及幾何意義解釋

為了方便描述和理解，以只有單個邊界節(jié)點(diǎn)的區(qū)域電網(wǎng)為例 (例如輻射狀網(wǎng)絡(luò)，并以其根節(jié)點(diǎn)作為邊界節(jié)點(diǎn))，結(jié)論容易推廣到含多個邊界節(jié)點(diǎn)的區(qū)域電網(wǎng)。

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)不包括任何發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn) (PV節(jié)點(diǎn))。此時無論外部電網(wǎng)導(dǎo)致VB如何變化，幾乎不變。一般邊界節(jié)點(diǎn)電壓升高會使得區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的無功網(wǎng)損有所下降。因此，該類區(qū)域電網(wǎng)無功電壓外部特性是一條下降的曲線，幾乎垂直于橫軸。

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)包含發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn) (PV節(jié)點(diǎn))。此時如果外部電網(wǎng)導(dǎo)致VB變化，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)為了維持原有的機(jī)端設(shè)定電壓，會通過AVR的調(diào)節(jié)控制，反向抵抗機(jī)端端電壓的改變。此時發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)無功出力改變的作用會遠(yuǎn)大于無功網(wǎng)損的變化，因此VB變化引起的無功網(wǎng)損此時可以忽略不計。當(dāng)VB升高，區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)會減小無功出力，導(dǎo)致增大;當(dāng)VB降低，區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)會增加無功出力，導(dǎo)致～QB減小。因此，該類區(qū)域電網(wǎng)無功電壓外部特性是一條上升的曲線。

VACE具有如下幾個性質(zhì)。

a.與ACE相同，通過VACE考核標(biāo)準(zhǔn)可以判斷無功擾動是發(fā)生在區(qū)域內(nèi)還是區(qū)域外，每個控制區(qū)只負(fù)責(zé)控制本區(qū)內(nèi)的無功擾動，使得考核是公平的。

b.VACE指標(biāo)為正，說明本區(qū)域的負(fù)荷無功增大、電壓降低;VACE指標(biāo)為負(fù)，說明本區(qū)域的負(fù)荷無功減小、電壓升高。

c.如果控制后，VACE指標(biāo)等于0，則說明本區(qū)域的負(fù)荷無功變化對相鄰區(qū)域的影響已經(jīng)消除。

d.給定的Qref反映了對無功支援的協(xié)調(diào)，Vref反映了對電壓控制水平的協(xié)調(diào)。

e.VACE具有與無功相同的單位，Mvar，物理意義直觀。

2.3 協(xié)調(diào)量實(shí)時優(yōu)化方法

VACE的設(shè)定值由網(wǎng)調(diào)AVC系統(tǒng)根據(jù)事件觸發(fā)機(jī)制計算并下發(fā)［5］。

a.如果此時段負(fù)荷大幅度變化，則求解多斷面優(yōu)化問題:

式中，Δu為全網(wǎng)范圍內(nèi)待優(yōu)化的可控設(shè)備的無功出力增量或端電壓增量，C為控制的成本，xi為系統(tǒng)的狀態(tài)量 (包括PQ節(jié)點(diǎn)的vi和θi、PV節(jié)點(diǎn)的θi和Qi、Slack節(jié)點(diǎn)的Pi和Qi)，Pi為第i個斷面的參數(shù) (包括PQ節(jié)點(diǎn)的Pi和Qi、PV節(jié)點(diǎn)的Pi和Vi、Slack節(jié)點(diǎn)的vi和θi)。

gi(xi，pi，u+Δu)=0 是第 i個斷面的全網(wǎng)潮流方程，hj(xj，pj，u+Δu)≤0 是第 i個斷面的運(yùn)行約束 (包括電壓上下限、無功上下限等)，umax和umin是可控設(shè)備的控制上下限。

求解該問題得到的Δu就是使得n個斷面都能滿足電壓、無功上下限等約束的解。

b.如果此時段負(fù)荷基本平穩(wěn)，則分析是否發(fā)生電壓質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性或安全性事件。如果沒有事件，則Δu=0。

①如果電壓有越限，則根據(jù)求解如下線性規(guī)劃:

求解該問題得到的 Δu就是消除電壓越限的解。

如果線性規(guī)劃無解，求解最小違反約束的解，并給出越限信息。

②如果網(wǎng)損過高，則求解最優(yōu)潮流:

求解該問題得到的 Δu就是使得網(wǎng)損最小的解。

③如果電壓穩(wěn)定水平偏低，則:

式中，約束η(x，u+Δu)＞εsafe表示控制后系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度需要大于某個閾值。

三省AVC在根據(jù)本省目標(biāo)優(yōu)化的同時，考慮如下約束:

3 無功電壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)施方案

3.1 網(wǎng)調(diào)側(cè)硬件配置方案

為網(wǎng)調(diào)AVC主站增加2臺HP安騰系列的UNIX服務(wù)器，以主備冗余方式運(yùn)行。科東公司提供各種數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，提供新EMS系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)、狀態(tài)估計結(jié)果，清華AVC系統(tǒng)計算出對系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)目標(biāo)值，將控制命令發(fā)送給東北網(wǎng)調(diào)新EMS系統(tǒng)，人機(jī)界面功能需要清華自行開發(fā)，其畫面風(fēng)格應(yīng)與新EMS系統(tǒng)人機(jī)畫面風(fēng)格保持一致。

該方案完全使用了新的硬件，通過接口讀取狀態(tài)估計、發(fā)送控制命令，通過新EMS系統(tǒng)的前置子系統(tǒng)發(fā)送給控制子站。具體的數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖2所示。

3.2 網(wǎng)調(diào)和省調(diào)數(shù)據(jù)通信方案

實(shí)現(xiàn)東北電網(wǎng)無功電壓分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需要建立三省及網(wǎng)調(diào)AVC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。該數(shù)據(jù)通信平臺需要建設(shè)的主要是網(wǎng)調(diào)新EMS、網(wǎng)調(diào)HAVC和省調(diào)AVC之間的數(shù)據(jù)通道。這其中包括的數(shù)據(jù)通信功能如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

圖3 無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)待建數(shù)據(jù)通信功能

a.第1種數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)來源:網(wǎng)調(diào)新EMS系統(tǒng)CC－2000A

數(shù)據(jù)接受:網(wǎng)調(diào)HAVC主站

功能:獲取網(wǎng)調(diào)所轄電網(wǎng)以及三省所轄電網(wǎng)的參數(shù)和實(shí)時數(shù)據(jù)

b.第2種數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)來源:網(wǎng)調(diào)HAVC主站

數(shù)據(jù)接受:網(wǎng)調(diào)新EMS系統(tǒng)CC－2000A

功能:通過網(wǎng)調(diào)新EMS系統(tǒng)向網(wǎng)調(diào)直屬廠站的AVC子站下發(fā)控制指令

c.第3種數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)來源:網(wǎng)調(diào)HAVC主站數(shù)據(jù)接受:省調(diào)AVC主站功能:網(wǎng)調(diào)HAVC主站向省調(diào)AVC主站下發(fā)協(xié)調(diào)信息

d.第4種數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)來源:省調(diào)AVC主站數(shù)據(jù)接受:省調(diào)HAVC主站功能:省調(diào)AVC主站向網(wǎng)調(diào)HAVC主站發(fā)送本省AVC主站子站信息

3.3 網(wǎng)調(diào)側(cè)主站軟件體系實(shí)施方案

網(wǎng)調(diào)側(cè)AC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)分層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

基礎(chǔ)服務(wù)平臺，包括服務(wù)查找、模塊管理、任務(wù)調(diào)度、日志管理、權(quán)限認(rèn)證等功能，是保證無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方便集成、靈活穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

圖4 無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu) (總圖)

核心計算，包括混成自動電壓控制子系統(tǒng)、網(wǎng)省AVC協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)以及為實(shí)現(xiàn)這些控制系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)接口和分析計算等工具。

可視化與調(diào)度員決策系統(tǒng)，是無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與調(diào)度員和其它使用者進(jìn)行交互的界面。

4 聯(lián)合測試試驗(yàn)

a.該系統(tǒng)能夠有效地協(xié)調(diào)東北電網(wǎng)直屬的無功設(shè)備和遼寧、黑龍江省屬無功設(shè)備，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全與優(yōu)質(zhì)的控制目標(biāo)。

b.VACE指標(biāo)可以分辨無功擾動是否在本區(qū)域內(nèi)，作為無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制的協(xié)調(diào)變量是有效的。

c.與沒有協(xié)調(diào)的AVC系統(tǒng)相比，協(xié)調(diào)運(yùn)行的AVC系統(tǒng)可以優(yōu)化系統(tǒng)無功潮流，提高電壓合格率，降低網(wǎng)損。

5 結(jié)束語

根據(jù)無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)的機(jī)理并結(jié)合電力系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐，提出了以“電壓區(qū)域控制偏差(VACE)”為協(xié)調(diào)變量的控制方案。通過該協(xié)調(diào)量可以判斷無功擾動是發(fā)生在區(qū)域內(nèi)還是區(qū)域外，每個控制區(qū)只負(fù)責(zé)控制本區(qū)域內(nèi)的無功擾動，使考核公平，同時達(dá)到協(xié)調(diào)控制的目的。通過對東北電網(wǎng)無功電壓多層多區(qū)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地協(xié)調(diào)東北電網(wǎng)直屬的無功設(shè)備和遼寧、黑龍江省屬無功設(shè)備，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全與優(yōu)質(zhì)的控制目標(biāo)。

［1］孫宏斌，郭慶來，張伯明.大電網(wǎng)自動電壓控制技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2007，22(1):7－12.

［2］鄒根華，郭玉金，姚諸香，等.大電網(wǎng)省地協(xié)調(diào)自動電壓控制(AVC) 的研究［J］.華中電力，2008，21(3):9－11.

［3］蘇家祥，廖亨利，袁文謙，等.地、縣兩級電網(wǎng)AVC系統(tǒng)分層聯(lián)合協(xié)調(diào)控制［J］.繼電器，2008，36(10):36－39.

［4］H.Lefebvre，D.Fragnier，J.Y.Boussion，et al.Secondary coordinated voltage control system:feedback of EDF.Power Engineering Society Summer Meeting［J］.2000，16－20 July，vol.1:290 －295.

［5］盛戈 ，涂光瑜.羅 毅，等.考慮控制區(qū)域間影響的二級電壓控制 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26(15):27－32.