張曉陽，王朝明，馬春生

（1.陜西省電力公司調(diào)度中心，陜西西安710004；2.東南大學(xué)，江蘇南京210096；3.南京軟核科技有限公司，江蘇南京210019）

電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、大型聯(lián)合電網(wǎng)的出現(xiàn)以及電壓穩(wěn)定性問題的日益突出，使得以全系統(tǒng)或整個區(qū)域的安全經(jīng)濟(jì)運行為指標(biāo)、以保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性為目的的協(xié)調(diào)電壓控制系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必要。目前許多地方采用無功/電壓自動控制（VQC）裝置，按電壓上下限和功率因數(shù)分為9個區(qū)域?qū)τ休d調(diào)壓變壓器分接頭和電容器組進(jìn)行分級控制。然而這種方法沒有兼顧全局優(yōu)化，在實際運用中會導(dǎo)致設(shè)備頻繁動作?；谌W(wǎng)電壓無功優(yōu)化原理的自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)很好地克服了VQC的缺點。在優(yōu)化算法方面，當(dāng)規(guī)模達(dá)到1000 個節(jié)點時，內(nèi)點算法對于連續(xù)變量的優(yōu)化，已經(jīng)控制在秒級；而遺傳算法對于離散變量的優(yōu)化也控制在分鐘級別以內(nèi)，這使得實際的工程運用成為現(xiàn)實。陜西省的電源分布于陜北和陜南兩塊，而負(fù)荷主要集中于關(guān)中的西安、咸陽、寶雞地區(qū)。陜北、陜南分別通過兩條雙回路輸電線路向關(guān)中地區(qū)供電。多數(shù)情況下，關(guān)中地區(qū)的電網(wǎng)對這2條輸電線路的依賴較大，從而導(dǎo)致在多重事故情況下存在負(fù)荷大范圍轉(zhuǎn)移及電壓崩潰等問題。在線穩(wěn)定裕度計算、故障評估與篩選和電壓穩(wěn)定控制是在線靜態(tài)電壓穩(wěn)定監(jiān)視和預(yù)防控制系統(tǒng)的三大功能模塊。自動生成提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的預(yù)防控制策略是電壓穩(wěn)定分析和評估的最終目的。在無功優(yōu)化的同時，考慮電壓穩(wěn)定的需要，具有十分現(xiàn)實的工程意義。

1 適合陜西電網(wǎng)的分級電壓控制

目前，電力系統(tǒng)中電壓和無功潮流的控制一共有3種控制模式。

（1）在三級電壓控制模式下，電網(wǎng)被劃分成彼此解耦的若干區(qū)域，每個區(qū)域選擇一個或多個樞紐節(jié)點；由AVC主站根據(jù)全網(wǎng)最優(yōu)的目標(biāo)，給出二級電壓控制的各區(qū)域樞紐節(jié)點電壓設(shè)定值；由二級電壓控制層確定電壓控制策略，實現(xiàn)對本區(qū)域樞紐節(jié)點電壓的閉環(huán)控制；由一級電壓控制層控制具體設(shè)備。

（2）在二級電壓控制模式下，取消了二級電壓控制層，AVC主站基于全網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行電壓控制的優(yōu)化決策，并直接將決策結(jié)果下發(fā)到各相關(guān)廠站。

（3）在軟三級控制模式下，AVC系統(tǒng)首先進(jìn)行軟分區(qū)，選取中樞節(jié)點設(shè)定電壓，穩(wěn)定中樞節(jié)點的電壓，最后進(jìn)行全網(wǎng)的無功優(yōu)化計算下發(fā)控制命令，控制各個設(shè)備。

三級控制模式控制比較強健，在二級控制器與主站的通信通道臨時閉塞時，仍可由二級區(qū)域控制對各地區(qū)無功電壓進(jìn)行控制。但這種模式需要為數(shù)不少的區(qū)域控制器，對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的依賴性強。由于國內(nèi)電網(wǎng)并無以硬件形式存在的二級控制，而且陜西電網(wǎng)在“十一五”期間明確了以“四縱兩橫三環(huán)網(wǎng)”的目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為建設(shè)發(fā)展目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化較大，故不宜采用三級控制模式。

陜西省網(wǎng)以環(huán)網(wǎng)模式運行，由于軟三級控制模式需要將電網(wǎng)解耦，而環(huán)網(wǎng)模式會導(dǎo)致解耦出的區(qū)域并不完全獨立，這樣部分解耦后的區(qū)域在選取中樞節(jié)點后再進(jìn)行無功優(yōu)化算法的時候計算結(jié)果不準(zhǔn)確，所以軟三級模式也不適于陜西電網(wǎng)。

針對以上問題，二級電壓控制模式不需要將電網(wǎng)完全解耦，只要將控制節(jié)點加入無功優(yōu)化算法中進(jìn)行集中優(yōu)化。同時，陜西電網(wǎng)330kV/110kV的電壓等級模式使得二級電壓控制模式在擴(kuò)展實施的時候也更為簡便。因此，建議陜西電網(wǎng)采用二級控制模式。

2 電壓穩(wěn)定裕度對AVC系統(tǒng)的約束

2.1 電壓穩(wěn)定對AVC的約束及相應(yīng)的動態(tài)無功儲備的限制

從系統(tǒng)的運行實踐和經(jīng)驗來說，當(dāng)全網(wǎng)的電壓水平足夠高時，一般能保證系統(tǒng)在正常和預(yù)想故障方式下具有所期望的電壓穩(wěn)定裕度。隨著電壓水平的下降，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度逐漸減小，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)在某一預(yù)想故障條件下電壓穩(wěn)定裕度不足甚至出現(xiàn)電壓失穩(wěn)。

相對于并聯(lián)補償?shù)碾娙萜?電抗器，發(fā)電機(jī)的動態(tài)無功具有響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)無功平穩(wěn)等優(yōu)勢，所以保留足夠的發(fā)電機(jī)動態(tài)無功儲備是一種預(yù)防系統(tǒng)故障后電壓崩潰事故突發(fā)的有效措施。然而保留過多的發(fā)電機(jī)動態(tài)無功儲備，不充分利用已有的發(fā)電機(jī)無功容量也是不經(jīng)濟(jì)和不合理的?？赏ㄟ^電壓穩(wěn)定分析，給出系統(tǒng)在正常和所有故障方式下滿足期望電壓穩(wěn)定裕度的最小無功儲備。

一般來說，發(fā)電機(jī)無功出力越大，無功儲備減少，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度就越少。故障后，如果并聯(lián)電容器不能及時投入，則發(fā)電機(jī)動態(tài)無功儲備將決定電壓穩(wěn)定的程度。在電網(wǎng)的實際運行中，發(fā)電機(jī)動態(tài)無功儲備可分為兩部分：一部分是為保證電網(wǎng)的安全運行而預(yù)留的必需的無功儲備；另一部分則可能是由于電網(wǎng)的當(dāng)前實際無功需求不足而多出來的不必要的無功儲備。

在計算發(fā)電機(jī)最小動態(tài)無功儲備時應(yīng)剔除不必要的無功儲備。根據(jù)這一思想，可在發(fā)電機(jī)機(jī)端添加虛擬的無功負(fù)荷，以吸收多余的無功儲備，并保證在所有預(yù)想故障條件下，僅依靠發(fā)電機(jī)的動態(tài)無功儲備，就能滿足期望的電壓穩(wěn)定裕度。

電壓穩(wěn)定的計算對AVC的控制起到一定的指導(dǎo)作用。這體現(xiàn)在2個方面，一是提出一些關(guān)鍵節(jié)點（母線）的控制電壓下限，保證系統(tǒng)電壓不會失穩(wěn)，二是機(jī)組預(yù)留的無功儲備，保證電壓穩(wěn)定控制的需要。AVC母線控制電壓下限和機(jī)組預(yù)留無功儲備的方案可以由以下流程確定。（1）通過連續(xù)潮流計算獲得N-1最嚴(yán)重故障方式下的崩潰點潮流斷面。（2）以控制母線在崩潰斷面下的電壓幅值和運行導(dǎo)則中設(shè)置的較大者作為該母線AVC控制電壓的下限。（3）機(jī)組預(yù)留無功儲備計算，獲得崩潰點潮流斷面下的各臺發(fā)電機(jī)組其出力上限與無功出力的差值，并將該差值與出力上限的比值作為儲備系數(shù)。

2.2 在線電壓穩(wěn)定和AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)

協(xié)調(diào)在線電壓穩(wěn)定監(jiān)視與控制和AVC的目的是在AVC控制模型中引入電壓穩(wěn)定性約束條件，保證給出的AVC策略在電網(wǎng)的正常運行和預(yù)想故障條件下，都能滿足期望的電壓穩(wěn)定裕度。

通過電壓穩(wěn)定分析，給出滿足多預(yù)想故障電壓穩(wěn)定約束的AVC控制電壓和動態(tài)無功儲備的下限值，并提交給AVC系統(tǒng)，AVC系統(tǒng)則在相應(yīng)電壓范圍內(nèi)搜索控制策略并下發(fā)。

3 陜西電網(wǎng)AVC控制策略

3.1 總體控制策略

一方面，AVC所需要的數(shù)據(jù)，均來自能量管理系統(tǒng)（EMS），另一方面AVC所發(fā)出的電壓調(diào)節(jié)和離散設(shè)備動作控制信號，全部是通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）中的調(diào)節(jié)與控制輸出發(fā)送。對于具有開放式人機(jī)交互界面接口的能量管理系統(tǒng)（或調(diào)度自動化系統(tǒng)），同樣能在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)AVC的人機(jī)交互界面。AVC與EMS接口是通過IEC61970的CIM模型來實現(xiàn)的。IEC61970是一種通用的電力系統(tǒng)模型的標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點在于各個不同的廠家可以遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，保證了相互間接口的規(guī)范性和通用性。使用IEC61970標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)間的無縫接駁，保證了系統(tǒng)間接駁的安全性和穩(wěn)定性；正由于IEC61970的傳輸和解析都是毫秒級的，所以完全能滿足在線控制的實時性。

AVC系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)實時信息進(jìn)行周期性計算：如果電壓越限，則調(diào)用校正計算模塊，使電壓達(dá)到合格范圍；若電壓不越限，則調(diào)用優(yōu)化計算模塊，以達(dá)到降低系統(tǒng)網(wǎng)損的目標(biāo)。同時，當(dāng)負(fù)荷下降時，系統(tǒng)采用逆調(diào)壓控制，并將AVC控制點目標(biāo)電壓送回EMS。

AVC系統(tǒng)總體控制策略示意見圖1。

圖1 AVC系統(tǒng)總體控制策略示意

省調(diào)EMS直接將發(fā)電廠和330kV變電站的控制點目標(biāo)電壓下發(fā)到SCADA，當(dāng)?shù)卦O(shè)備（變壓器檔位及電容器等）進(jìn)行控制。

3.2 主站系統(tǒng)閉環(huán)控制程序流程

（1）用無功優(yōu)化算法可以進(jìn)行電壓校正，但不收斂的情況較多，計算速度較慢，而且動作設(shè)備是全網(wǎng)的控制變量，這樣從控制的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)度經(jīng)驗方面考慮都是不可行的。

（2）將優(yōu)化模塊與校正模塊分離，在電壓正常時優(yōu)化對全網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，考慮降損并實現(xiàn)逆調(diào)壓。由于優(yōu)化模塊實現(xiàn)了逆調(diào)壓，可以最大限度地保證電壓不越限。

（3）在檢測到電壓越限的情況下，啟動校正模塊。校正算法在控制區(qū)內(nèi)根據(jù)靈敏度順序選擇控制變量進(jìn)行校正，只需根據(jù)靈敏度準(zhǔn)則動作對越限值影響最大的幾個設(shè)備。使用基于最小二乘理論的直接校正算法，速度只需幾秒鐘，更加貼近工程實際的需要。

AVC系統(tǒng)主站閉環(huán)控制流程見圖2。

圖2 AVC系統(tǒng)主站閉環(huán)控制流程

3.3 省調(diào)與地調(diào)的協(xié)調(diào)策略

省調(diào)AVC系統(tǒng)用于實現(xiàn)對省網(wǎng)的全局電壓控制，地調(diào)AVC系統(tǒng)實現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)的全局電壓控制。地調(diào)AVC系統(tǒng)通過與省網(wǎng)AVC系統(tǒng)的信息交互，實現(xiàn)省、地AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，可有效提高全網(wǎng)的無功電壓控制效果。

地調(diào)AVC系統(tǒng)向省調(diào)AVC系統(tǒng)上報各關(guān)口110kV主變壓器（簡稱主變）的無功可調(diào)范圍，省調(diào)AVC系統(tǒng)則在此基礎(chǔ)上計算各關(guān)口110kV主變高壓側(cè)的功率因數(shù)，從而將省、地調(diào)AVC獨立運行時關(guān)口功率因數(shù)的控制替換為省、地調(diào)AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制時關(guān)口功率因數(shù)的控制。

此外，也可以在省調(diào)AVC側(cè)在線計算有功網(wǎng)損及邊界母線電壓對關(guān)口無功功率的靈敏度，以及期望的關(guān)口功率因數(shù)范圍，并發(fā)下發(fā)給地調(diào)AVC系統(tǒng)，地調(diào)AVC系統(tǒng)根據(jù)上述信息對地調(diào)管轄范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制。

4 數(shù)學(xué)模型

4.1 無功電壓控制目標(biāo)函數(shù)

在線實時無功優(yōu)化控制系統(tǒng)模型中，目標(biāo)值為系統(tǒng)網(wǎng)損最小和電壓水平最合理。如式（1）所示：

式中：N是發(fā)電廠高壓側(cè)母線節(jié)點的集合；ω1，ω2是目標(biāo)權(quán)重。

4.2 電壓穩(wěn)定約束電壓下限

利用連續(xù)潮流法可以求取電壓臨界點，并以此作為電壓下限取值，具體計算流程如圖3所示。將通過連續(xù)潮流法計算得出的電壓下限，與其他約束條件連列，得出無功電壓控制的約束條件。

圖3 連續(xù)潮流計算流程

4.3 無功電壓控制的約束條件

在進(jìn)行無功控制時，需滿足以下等式和不等式約束條件：

式中：Vi為節(jié)點電壓；Qgi為發(fā)電機(jī)無功出力；Ti為有載調(diào)壓分接頭檔數(shù)；Ii為支路電流；Ni為設(shè)備動作次數(shù)限制；等式為潮流方程約束。

4.4 組合無功優(yōu)化算法

將內(nèi)點理論與遺傳算法相結(jié)合，用“基于非線性原對偶內(nèi)點法”和“改進(jìn)遺傳算法”的組合算法來求解無功優(yōu)化問題。利用非線性原對偶內(nèi)點法快速尋優(yōu)、收斂快等優(yōu)點處理模型中的連續(xù)變量；同時采用小生境遺傳算法來確定離散變量的優(yōu)化值。小生境遺傳算法克服了簡單遺傳算法隨計算規(guī)模的擴(kuò)大而使收斂速度減慢、容易落入局部極值的缺陷，能夠以較大概率求得全局最優(yōu)。在無功電壓優(yōu)化計算中，具體利用改進(jìn)遺傳算法來求解電容、電抗器投切組容量、有載變壓器分接頭檔位等離散變量，利用非線性原對偶內(nèi)點法來處理發(fā)電機(jī)端電壓。組合算法流程如圖4所示。

圖4 組合算法流程

5 AVC系統(tǒng)在陜西電網(wǎng)的投運情況

目前，陜西電網(wǎng)有60%的330kV變電站投運了VQC裝置。但是，VQC裝置的控制策略不合理，僅考慮到了本變電站的無功潮流或功率因數(shù)情況，無法進(jìn)行全網(wǎng)無功補償設(shè)備的合理投運和全網(wǎng)無功潮流的最佳協(xié)調(diào)和控制。所以，在安裝并投運AVC系統(tǒng)后，VQC僅作為AVC系統(tǒng)信息中斷故障時的備用。

圖5是AVC系統(tǒng)接入陜西現(xiàn)有系統(tǒng)的示意圖。AVC系統(tǒng)通過SCADA得到遠(yuǎn)端信息，進(jìn)行優(yōu)化計算，得到相應(yīng)的控制信息，并發(fā)送給各控制端，對電網(wǎng)的運行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

目前，在陜西電網(wǎng)中，有3個電廠安裝了AVC系統(tǒng)，分別是：寶雞2×30MW，灞橋2×30MW，渭河2×30MW。從投運后的結(jié)果來看，AVC系統(tǒng)取得了良好的效果。

圖5 AVC系統(tǒng)接入圖

6 結(jié)束語

結(jié)合陜西電網(wǎng)，提出了考慮電壓穩(wěn)定約束的AVC系統(tǒng)的應(yīng)用方法。選擇了適合于陜西電網(wǎng)的控制模式，即二級電壓控制模式。這種方法能夠協(xié)調(diào)全網(wǎng)各類無功可控設(shè)備，在滿足全網(wǎng)電壓安全穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運行，滿足全局無功電壓最優(yōu)控制的全局、實時、優(yōu)化和閉環(huán)等幾個重要特征，同時能滿足陜西電網(wǎng)長遠(yuǎn)發(fā)展的需要。

[1] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.江蘇電網(wǎng)AVC主站系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（22）：83-87.

[2] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.協(xié)調(diào)二級電壓控制的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（23）：19-24.

[3] 孫宏斌，吳文傳，張伯明，等.IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展在調(diào)度控制中心集成化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（16）：21-25.

[4] 盛戈皞，江秀臣，曾奕.考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的二級電壓控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（15）：30-34.