趙美蓮，賴業(yè)寧，董愛芹

（1.南京工程學(xué)院，江蘇南京211167；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003；3.安陽優(yōu)創(chuàng)電力設(shè)計院有限責(zé)任公司，河南安陽455000）

電力系統(tǒng)的快速發(fā)展使得電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式也變得日益復(fù)雜，這對電網(wǎng)的安全分析和運行監(jiān)控都帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。作為提高電壓質(zhì)量、降低系統(tǒng)網(wǎng)損和提高電壓穩(wěn)定水平的重要手段，近年來自動電壓控制（AVC）技術(shù)備受電業(yè)業(yè)界所重視。明確要求新一代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)（EMS）建設(shè)中應(yīng)包含AVC系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，各網(wǎng)省主站系統(tǒng)應(yīng)具備AVC系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能，并加大研究省地AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。無功電壓控制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其基本原理是分層分區(qū)控制[1-3]。以往一般采用局部、分散、人工的控制方式，缺乏全局協(xié)調(diào)，這勢必影響了控制的時效性和準(zhǔn)確性，難以獲得良好的控制效果。隨著調(diào)度自動化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展以及電能質(zhì)量要求的不斷提高，無功電壓分析與在線控制技術(shù)得到了快速發(fā)展和工程實用化，各網(wǎng)省級調(diào)度中心和地區(qū)級調(diào)度中心紛紛建設(shè)并投入了AVC系統(tǒng)[4-8]。

1 省地AVC協(xié)調(diào)控制總體方案

1.1 基本原理

從物理本質(zhì)上看，省調(diào)AVC系統(tǒng)和地調(diào)AVC系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制可等效為電源側(cè)和負荷側(cè)之間的無功電壓協(xié)調(diào)控制，如圖1所示。省調(diào)主站AVC系統(tǒng)是全網(wǎng)無功電壓協(xié)調(diào)控制的核心，主要通過基于全網(wǎng)的電壓校正與無功優(yōu)化算法，且綜合考慮各種控制變量約束，計算出合理的無功電壓控制策略。省調(diào)主站AVC系統(tǒng)直接控制管轄范圍內(nèi)的直調(diào)電廠機組無功出力、投切500 kV變電站低壓無功補償設(shè)備及主變分接頭調(diào)整等，使各個區(qū)域內(nèi)樞紐母線電壓在規(guī)定范圍或按最優(yōu)運行。與此同時，省調(diào)主站AVC系統(tǒng)向地調(diào)子站AVC系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的關(guān)口母線（一般選擇220 kV變電站高壓母線）電壓控制目標(biāo)值，實現(xiàn)省調(diào)主站與地調(diào)子站之間的協(xié)調(diào)控制。地調(diào)AVC系統(tǒng)控制策略則是以220 kV及以上主網(wǎng)安全穩(wěn)定運行為前提，基于省調(diào)下發(fā)的目標(biāo)值進行子站控制策略的分析和計算。

圖1 省地AVC協(xié)調(diào)控制原理示意圖

1.2 總體方案

全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般采用 “集中決策—分層控制”模式，以安全性和經(jīng)濟性為約束，實現(xiàn)分層分區(qū)控制。分層主要是指按電壓等級進行無功平衡控制，可分為3個級控制層。一級控制通常是快速反應(yīng)的閉環(huán)控制，響應(yīng)時間為1 s至幾s內(nèi)，如發(fā)電機組（包括調(diào)相機）的無功功率控制、靜止無功補償器的控制，以及快速自動投切電容器和電抗器等；二級控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)一個區(qū)域內(nèi)一級控制設(shè)備的工作，響應(yīng)時間為分鐘級；三級控制則協(xié)調(diào)、優(yōu)化二級控制系統(tǒng)，指導(dǎo)值班人員的干預(yù)，除安全監(jiān)視及控制外，經(jīng)濟問題主要在三級控制中考慮，以按安全和經(jīng)濟運行原則協(xié)調(diào)優(yōu)化運行狀態(tài)；三級電壓控制的目標(biāo)是實現(xiàn)全網(wǎng)電壓無功的協(xié)調(diào)控制，可根據(jù)離線分析經(jīng)驗或?qū)＜蚁到y(tǒng)設(shè)定各控制區(qū)的主導(dǎo)節(jié)點電壓。從三級電壓控制體系看，相互間的協(xié)調(diào)是取得全局優(yōu)化效果的關(guān)鍵。省地協(xié)調(diào)電壓控制技術(shù)方案如圖2所示。

在圖2的控制框架中，省級AVC系統(tǒng)進行全網(wǎng)無功優(yōu)化，實時計算出地區(qū)電網(wǎng)中協(xié)調(diào)變量的最優(yōu)設(shè)定值，然后通過調(diào)度數(shù)據(jù)通信網(wǎng)下發(fā)。在地區(qū)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制決策中，除了滿足本級電網(wǎng)的控制目標(biāo)外，還需要實時跟蹤由省級電網(wǎng)給出的協(xié)調(diào)變量的最優(yōu)設(shè)定值。

圖2 省地協(xié)調(diào)電壓控制的框架圖

1.3 協(xié)調(diào)控制流程及其安全性機制

基于省地?zé)o功電壓控制的安全性需求，設(shè)計的協(xié)調(diào)控制流程如下：

（1）全網(wǎng)無功優(yōu)化。以全網(wǎng)有功網(wǎng)損最小化為目標(biāo)進行全網(wǎng)無功優(yōu)化，計算出控制母線的目標(biāo)期望值。在滿足220 kV母線電壓合格的前提下，省調(diào)AVC盡量控制220 kV變電所主變關(guān)口無功負荷滿足220 kV線路無功達到經(jīng)濟分布。

（2）控制目標(biāo)下發(fā)。省調(diào)AVC系統(tǒng)向地調(diào)AVC系統(tǒng)下達每個220 kV變電所無功目標(biāo)期望值指令。

（3）控制指令校核與執(zhí)行。地調(diào)AVC系統(tǒng)接收到省調(diào)下發(fā)的控制目標(biāo)指令后，首先進行指令的有效性校核，校核通過后立即執(zhí)行，若校核通不過，則閉鎖遠方控制并發(fā)報警。

（4）地調(diào)AVC系統(tǒng)具備遠方/本地2種運行模式，其開環(huán)/閉環(huán)狀態(tài)應(yīng)及時上傳省調(diào)AVC系統(tǒng)。遠方模式下按省調(diào)指令運行，本地模式下按本地考核指標(biāo)運行。在規(guī)定時間內(nèi)接收不到省調(diào)AVC系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)，則閉鎖遠方控制并發(fā)報警，切換到本地模式運行；收到省調(diào)AVC系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)后，應(yīng)自動恢復(fù)正常，切換到遠方模式。

（5）為了細化上下級之間的控制策略與調(diào)度管理，地調(diào)AVC系統(tǒng)應(yīng)將必要的信息通過SCADA上傳省調(diào)，其中包括各臺電容器的投切狀態(tài)、受控狀態(tài)、閉鎖狀態(tài)及實際的可控?zé)o功容量；各臺有載變壓器分頭位置、受控狀態(tài)及閉鎖狀態(tài)；各廠站閉環(huán)控制狀態(tài)。

2 協(xié)調(diào)控制策略

2.1 協(xié)調(diào)變量的選擇

根據(jù)目前我國省地電網(wǎng)調(diào)度職能劃分，可考慮選擇220 kV主變高壓側(cè)無功功率（功率因數(shù)）作為協(xié)調(diào)變量。將該協(xié)調(diào)變量作為可調(diào)變量，并加以嚴格的約束條件，在約束條件中綜合考慮無功分層平衡原則和地調(diào)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。然后將該控制變量及其約束條件加入省級三級電壓控制的無功優(yōu)化模型中進行統(tǒng)一求解，以保證省地AVC之間協(xié)調(diào)策略的匹配。

2.2 省調(diào)側(cè)的策略考慮

根據(jù)無功就地平衡的原則，在正常情況下不希望出現(xiàn)省調(diào)與地調(diào)之間出現(xiàn)大的無功流動，尤其在220 kV電網(wǎng)電壓正常的情況下，不希望地調(diào)側(cè)向省調(diào)側(cè)倒送無功，這主要是因為地調(diào)側(cè)統(tǒng)計的可投總?cè)萘渴侵袎簜?cè)輻射電網(wǎng)的總加，其傳輸必然要經(jīng)過一定的路徑，由這部分容量來支持省調(diào)的無功需求是不經(jīng)濟的。而在省調(diào)模型中也無需考慮地區(qū)電網(wǎng)的內(nèi)部細節(jié)，因此，有必要在地調(diào)側(cè)設(shè)定一個分層平衡點，這可以通過對220 kV主變中壓側(cè)無功功率（從主網(wǎng)流入主變?yōu)檎┦┘右粋€限制來實現(xiàn)：為接近0的正數(shù)。但在緊急情況下，若220 kV電網(wǎng)電壓越限，且發(fā)電廠失去調(diào)節(jié)能力的情況下，此時只能利用地調(diào)側(cè)作為無功支撐，此時不再考慮就地?zé)o功平衡，取消約束，即令為一個比較大的負數(shù)，以地調(diào)側(cè)的全部實際控制能力為準(zhǔn)。

實時優(yōu)化計算地調(diào)220 kV變電站高壓側(cè)無功的控制目標(biāo)，在正常情況下盡量維持220 kV主變無功就地平衡；在220 kV電網(wǎng)電壓越限，且發(fā)電廠失去調(diào)節(jié)能力情況下，犧牲地調(diào)電網(wǎng)的無功平衡參與主網(wǎng)調(diào)壓；對地調(diào)AVC下發(fā)220 kV變電站關(guān)口無功目標(biāo)指令。

2.3 地調(diào)側(cè)的策略考慮

為加強上下級的協(xié)調(diào)性，地調(diào)AVC系統(tǒng)上傳對220 kV電壓的期望值，該期望值表明從地調(diào)側(cè)調(diào)壓的角度出發(fā)所期望的省網(wǎng)側(cè)220 kV電壓值，作為省網(wǎng)AVC系統(tǒng)進行全局優(yōu)化時的參考。

地調(diào)AVC系統(tǒng)將每個220 kV變電站可投切電容器容量、變壓器分接頭位置及其所轄110 kV電網(wǎng)可投切電容器容量上傳至省調(diào)AVC；在不違反自身約束的條件下，地調(diào)AVC控制220 kV以下變電站的電容器和變壓器分接頭，滿足省調(diào)AVC下發(fā)的220 kV變電站關(guān)口無功目標(biāo)指令。

地調(diào)AVC系統(tǒng)上傳無功量應(yīng)分為2個部分：關(guān)口廠站正常無功可調(diào)范圍和緊急無功可調(diào)范圍。地調(diào)AVC系統(tǒng)對從220 kV變電站向下輻射的電網(wǎng)進行實時的掃描，生成這2個無功可調(diào)范圍，并上傳給省調(diào)AVC系統(tǒng)。

3 省地協(xié)調(diào)的通信方案設(shè)計

省地協(xié)調(diào)的通信模式可根據(jù)當(dāng)?shù)卣{(diào)度中心的通道情況、數(shù)據(jù)質(zhì)量而采用不同的方式，但其主要設(shè)計基點都是實時性和安全性要求。

（1）使用現(xiàn)有的上、下行通道，或者采用數(shù)據(jù)網(wǎng)，二者互為備用。通信規(guī)約在現(xiàn)有規(guī)約基礎(chǔ)上修改，報文格式如圖3所示。

圖3 AVC通信報文格式

報文中通道標(biāo)志00表示正常，01表示中斷。使用現(xiàn)有省地調(diào)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）/EMS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能實現(xiàn)控制指令傳遞，實現(xiàn)容易，即在地調(diào)SCADA數(shù)據(jù)庫中建立遙信、遙測轉(zhuǎn)發(fā)表，接收省調(diào)下行指令，并上傳控制狀態(tài)?？刂凭纫话闳閰^(qū)域電網(wǎng)中電容器容量平均值（一般為5～10 MVar）。

（2）基于E語言協(xié)議。在這種模式下，省地協(xié)調(diào)的信息基本流向如圖4所示。

圖4 地協(xié)調(diào)的信息基本流向示意圖

省調(diào)AVC系統(tǒng)和地調(diào)AVC系統(tǒng)制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換內(nèi)容，并通過設(shè)置標(biāo)志文件等機制進行讀寫閉鎖。采用E語言文件方式時，必須通過安全性和正確性校驗，保證文件在傳輸過程中的可靠性?；痉椒ㄊ窃趯?dǎo)出端生成校驗碼，接收端根據(jù)校驗碼對文件進行校驗。例如采用MD5算法進行文件安全性校核，MD5是國際通用的標(biāo)準(zhǔn)算法，算法穩(wěn)定可靠，是文件校驗最成熟的算法之一。安全性校驗的具體過程如下：①導(dǎo)出端生成E語言文件。②導(dǎo)出端利用MD5校驗程序?qū)υ揈語言文件生成一個校驗文件。③導(dǎo)出端同時將兩個文件傳送到接收端。④接收端利用校驗文件對E語言文件進行校驗，正確時進入下一步處理，否則報警。

4 工程應(yīng)用

以我國某省級電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制的工程應(yīng)用為例，分析該省調(diào)與地調(diào)AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制效果。省調(diào)AVC系統(tǒng)經(jīng)過全網(wǎng)優(yōu)化計算 （一般采用周期計算模式，每15 min自動計算一次），得出各關(guān)口母線的電壓控制目標(biāo)值，然后以電壓上下限值的帶寬形式下發(fā)控制指令。地調(diào)AVC系統(tǒng)接受到省調(diào)指令后，調(diào)節(jié)其管轄區(qū)域內(nèi)的無功電壓調(diào)節(jié)設(shè)備，動態(tài)跟蹤該目標(biāo)值。某關(guān)口母線電壓在一天內(nèi)動態(tài)跟蹤目標(biāo)值的運行情況如圖5所示。從圖5可以看出，關(guān)口母線電壓能夠較好地跟蹤省調(diào)下發(fā)的電壓目標(biāo)值（能嚴格運行在其規(guī)定的限值范圍內(nèi)），且其電壓變化趨勢與省調(diào)期望值變化趨勢相一致，表明省調(diào)AVC系統(tǒng)和地調(diào)AVC系統(tǒng)之間的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制效果良好。

圖5 關(guān)口母線電壓跟蹤曲線

5 結(jié)束語

本文結(jié)合無功區(qū)域性分布特點和當(dāng)前調(diào)度一體化要求，基于電壓三級控制體系架構(gòu)，提出了省地AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的總體技術(shù)方案。省級AVC系統(tǒng)進行全網(wǎng)無功優(yōu)化，實時計算出地區(qū)電網(wǎng)中協(xié)調(diào)變量的最優(yōu)設(shè)定值，然后通過調(diào)度數(shù)據(jù)通信網(wǎng)下發(fā)。地區(qū)電網(wǎng)根據(jù)自身的無功電壓調(diào)節(jié)能力，實時跟蹤由省級電網(wǎng)給出的目標(biāo)期望值。文中所提出的技術(shù)方案和控制策略在實際工程應(yīng)用中表明，較好地解決了當(dāng)前省地AVC系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制問題。

[1]孫宏斌，張伯明，郭慶來，等.基于軟分區(qū)的全局電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，25（4）：16-20.

[2]YOKOYAMA R，NIIMURA T,NAKANSHI Y.A Coordinated Control of Voltage and Reactive Power Heuristic Modeling and Approximate Reasoning[J].IEEE Transactions on Power System,1993,8(2)：636-645.

[3]胡 泊，CANLZARES C A，劉明波.基于最優(yōu)潮流的二級和三級電壓控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(13).

[4]鄒根華，郭玉金.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.

[5]盛戈嗥，江秀臣，范習(xí)輝，等.基于多Agent的二級電壓控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及性能分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005(24).

[6]祝項英，沈雅琴.基于分層分控模式的地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].中國電力， 2009，42(12)：45-48.

[7]WEN J Y,WU Q H,TURNER D R,et al.Optimal Coordinated Voltage Control for Power System Voltage Stability[J].IEEE Trans on Power Systems,2004,19(2)：1115-1122.

[8]賈志偉，劉 君，于佰健.基于遺傳算法的改進二級電壓控制的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(1)：37-43.