陳天華，杜 磊，栗杰鵬

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)結構和運行方式變得日益復雜，這給電網(wǎng)的運行監(jiān)控及安全分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在無功電壓方面，以往一般采用局部、分散、人工的控制方式，缺乏彼此間的協(xié)調，這勢必影響了控制的時效性和準確性，難以達到良好的優(yōu)化效果。隨著調度自動化系統(tǒng)技術的發(fā)展，無功電壓的優(yōu)化分析與在線控制方面得到了前所未有的重視。最近幾年，自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)[1]在各級電網(wǎng)中得到越來越廣泛的應用。AVC系統(tǒng)對全網(wǎng)無功電壓狀態(tài)進行集中監(jiān)視和分析計算，從全局角度對廣域分散的無功源及無功補償裝置進行協(xié)調優(yōu)化控制，是保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、提升電網(wǎng)電壓品質和整個系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平、提高無功電壓管理水平的重要技術手段。隨著各地自動化水平的提高，AVC系統(tǒng)不僅在省級和地區(qū)級電網(wǎng)得到應用，在有些縣級電網(wǎng)中，AVC系統(tǒng)也逐步接入使用。針對地縣兩級均有AVC系統(tǒng)的地區(qū)電網(wǎng)，為了有效利用電網(wǎng)中各種無功調節(jié)和電壓控制手段，基于無功分布的區(qū)域性特點，結合普遍采用的電網(wǎng)分級管理原則，建立地縣兩級互聯(lián)的地區(qū)全網(wǎng)的AVC系統(tǒng)，由縣級AVC系統(tǒng)直接控制轄區(qū)內的設備，地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)直接控制本級電網(wǎng)的設備，同時間接控制縣級電網(wǎng)。地縣AVC系統(tǒng)協(xié)調控制的實現(xiàn)具有明顯的實用意義。

1 無功優(yōu)化及其模型

1.1 無功優(yōu)化

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化是以滿足系統(tǒng)負荷要求和各種運行約束為前提，通過優(yōu)化算法確定系統(tǒng)中各控制變量的值，以改善全網(wǎng)無功潮流分布，提高電壓質量從而達到降低電網(wǎng)損耗的目的。在理論上，可歸結為面向無功的最優(yōu)潮流問題。無功優(yōu)化具有目標函

1.2 全局優(yōu)化模型

地調AVC以網(wǎng)損最小為無功優(yōu)化[2]目標，以電壓及無功越限為罰函數(shù)，目標函數(shù)可表示為：

電壓與無功的越界值可定義為：

基于以上模型的無功優(yōu)化可得到理論上的最優(yōu)解，然而在一個實際且復雜的電力系統(tǒng)中，上述優(yōu)化結果卻很難在線實現(xiàn)。首先，受實時電網(wǎng)運行方式變化以及大量遙測遙信數(shù)據(jù)采集速度與精度的影響，優(yōu)化算法的收斂性得不到保證；其次即使使用狀態(tài)估計結果能使上述算法的收斂性問題得到一定程度的改善，但狀態(tài)估計結果準確與否仍要依賴于線路、設備參數(shù)的精確度；再次，上述優(yōu)化結果不能完全考慮實際控制過程中的諸多問題，如各種控制變量的動作時序，設備動作時間間隔、動作次數(shù)等。因此，優(yōu)化計算結果直接用于大規(guī)模系統(tǒng)實時控制的可靠性不高，可操作性也不強。本文結合地、縣級電網(wǎng)的特點，對上述優(yōu)化模型進行簡化處理，并在此模型基礎上進行地縣兩級AVC的協(xié)調控制，使控制效果盡量接近最優(yōu)。

1.3 區(qū)域無功控制模型

在110 kV配網(wǎng)解環(huán)運行后，當前大多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構基本上呈輻射型樹狀分布，以一個輻射網(wǎng)絡作為一個控制區(qū)域，即可把整個電網(wǎng)劃分成若干在空間上彼此解耦的控制區(qū)域，各區(qū)域間的耦合性僅體現(xiàn)在關口的根節(jié)點上。結合控制靈敏度理論，可認為對一個區(qū)域內的電容器投切或者有載變壓器分接頭檔位的調節(jié)，只影響本區(qū)域內的無功分布和節(jié)點電壓水平，而對其他區(qū)域沒有影響或影響可以忽略，這樣對全網(wǎng)的無功電壓優(yōu)化控制就可以由整個網(wǎng)絡縮小到對各個獨立區(qū)域分別進行控制，大大簡化了控制模型。

地調AVC可根據(jù)網(wǎng)絡連接關系和設備參數(shù)建立各分區(qū)的靜態(tài)模型，并利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）在線監(jiān)測功能來讀取刀閘變位，實時跟蹤電網(wǎng)運行方式，實現(xiàn)動態(tài)分區(qū)。區(qū)域關口位于地調所管轄的220 kV變電站，當主變并列運行時，分區(qū)關口設定為該站220 kV母線；當主變分列運行時，分區(qū)關口位于220 kV主變高壓側。一個分區(qū)內包含一個220 kV變電站和若干個110 kV和35 kV變電站。對于每一分區(qū)，地調AVC也并不直接追求網(wǎng)損最小，而是盡量提高各母線節(jié)點的電壓并減少各支路上的無功傳輸，在盡可能小的區(qū)域內做到無功就地平衡。

（1）目標函數(shù)。其數(shù)學模型[3]可表達為：

式（5）中：P，Q 為支路傳輸?shù)挠泄蜔o功；R，X 為支路的電阻和阻抗；U為計算節(jié)點的電壓。

當支路傳輸有功一定且支路參數(shù)不變的情況下，要使目標函數(shù)達到最小，應使Q=0，U靠近上限。

（2）約束條件。電壓滿足限值約束，關口無功或功率因數(shù)合格。

（3）控制變量。地區(qū)電網(wǎng)可控設備為并聯(lián)電容器/電抗器和變壓器分接頭。并聯(lián)電容器/電抗器和變壓器分接頭為離散型變量，每天調節(jié)次數(shù)有限。前者向系統(tǒng)注入或者吸收無功，后者可改變無功分布。

分區(qū)建立后，地調AVC系統(tǒng)實時掃描各分區(qū)關口電壓無功，并綜合考慮區(qū)域內各站電壓水平、無功備用和設備狀態(tài)等情況，采用該分區(qū)靈敏度矩陣預判設備動作對關口無功、母線電壓的影響，并最終給出控制指令。上述計算過程不依賴于全網(wǎng)潮流計算結果，具有計算速度快、簡單可靠、各分區(qū)間并行計算的特點。

2 協(xié)調控制原理

根據(jù)目前普遍的調度體系特點，縣調管轄35 kV和部分110 kV站，地調管轄220 kV及部分110 kV站，如圖1所示。在區(qū)域控制模型中，同一個區(qū)域中的設備可能分屬于不同的調度系統(tǒng)，地縣協(xié)調控制的關鍵在于如何協(xié)調隸屬于不同管理范圍的變量。

地調AVC主站系統(tǒng)是地區(qū)全網(wǎng)無功電壓協(xié)調控制的核心，可直接控制地調管轄內的變電站低壓無功補償設備及主變分接頭，但對于縣調AVC系統(tǒng)管轄內的110 kV變電站，地調AVC只能根據(jù)各分區(qū)計算結果對其關口（聯(lián)絡線或變壓器）下發(fā)無功或者功率因數(shù)范圍目標值，并對相應高壓側母線下發(fā)電壓合格范圍作為約束條件，縣調AVC系統(tǒng)控制策略應以110 kV及以上等級電壓安全穩(wěn)定為前提，以地調下發(fā)值為目標值二次計算得出。

3 協(xié)調控制方案

為了適應地縣兩級電網(wǎng)無功電壓管理權限的特點，地縣兩側AVC系統(tǒng)要實現(xiàn)在空間和時間上的協(xié)調控制。

3.1 空間協(xié)調

地調AVC主站基于地區(qū)全網(wǎng)的模型進行無功電壓計算，對于地調直接控制的變電站，通過直接下發(fā)電容器/電抗器投切和分接頭調節(jié)等控制命令，保證直轄內各重要變電站的電壓質量和無功合理分布。對于縣調控制的變電站，地調AVC主站通過下發(fā)聯(lián)絡線或變壓器關口的功率因數(shù)或無功目標以及關口母線電壓范圍給縣調AVC系統(tǒng)，引導縣級電網(wǎng)的電壓和無功控制方向。

縣調AVC系統(tǒng)基于縣調的控制模型，并實時接收地調下發(fā)的各關口控制目標，按照地調的目標計算各變電站的控制策略。地縣兩級AVC系統(tǒng)耦合于模型的關口點，進行數(shù)據(jù)交互，達到空間上的協(xié)調。在協(xié)調過程中還需進行數(shù)據(jù)安全范圍驗證和實時性辨識，以保證協(xié)調控制的安全性。

3.2 時間協(xié)調

地縣兩級在時間上進行分解協(xié)調的控制，主要體現(xiàn)2點。

（1）對于并聯(lián)電容器/電抗器等具有動作次數(shù)限制的離散控制對象，首先要保證電容/電抗器自身的動作次數(shù)和動作時間間隔要滿足安全約束。另外也要考慮兩級之間相關設備（例如同區(qū)域的并聯(lián)容抗器）的協(xié)調控制。地調AVC系統(tǒng)直接發(fā)出的控制指令和下發(fā)給各縣調AVC的控制策略間應要有合適的時序，避免同一區(qū)域內設備重復動作或無功竄動。

（2）地縣控制周期設為5 min，即每5 min地調向縣調下發(fā)一次關口目標指令。周期內，各系統(tǒng)進行各自獨立的優(yōu)化計算并執(zhí)行各自的控制策略，另外，下發(fā)的目標也必須控制在步長之內，以保證控制的穩(wěn)定性。電壓無功控制就是一個反復交叉迭代、分解協(xié)調控制的過程。對于在線控制系統(tǒng)，不期望通過一次控制策略就使系統(tǒng)網(wǎng)損達到最優(yōu)，而是通過序列調節(jié)滿足電壓水平和減少無功傳輸?shù)牟呗?，逐步接近最?yōu)目標。

4 地縣互聯(lián)的實現(xiàn)

某地調AVC系統(tǒng)基于調度自動化系統(tǒng)（EMS）/SCADA系統(tǒng)一體化設計，同時與5個縣調AVC系統(tǒng)的進行聯(lián)合控制，系統(tǒng)結構如圖2所示。

地調AVC系統(tǒng)擁有本地區(qū)電網(wǎng)全模型數(shù)據(jù)，利用地調SCADA系統(tǒng)的電網(wǎng)模型和實時遙信遙測數(shù)據(jù)進行動態(tài)分區(qū)并按區(qū)域進行電壓無功分析計算，進而得到電網(wǎng)電壓無功調節(jié)策略。然后，將與縣調AVC系統(tǒng)約定的控制信息，通過具有操作簡單且免維護特點的E語言文本方式下發(fā)到各縣調AVC系統(tǒng)中?？h調AVC系統(tǒng)不必考慮管轄范圍外的電網(wǎng)模型，只需實時接受地調AVC的協(xié)調控制指令，結合縣調SCADA系統(tǒng)中獲取的實時數(shù)據(jù)對轄區(qū)內設備進行控制。地縣兩級AVC系統(tǒng)相協(xié)調，從而完成對地區(qū)電網(wǎng)的無功優(yōu)化和自動電壓控制。

地縣聯(lián)調中某110 kV關口的日無功跟蹤曲線如圖3所示。其中間一條曲線為關口實時無功曲線，另外2條曲線為地調下發(fā)的無功上下限曲線。從圖中可看出地調AVC根據(jù)該站上傳的無功備用信息計算出該站無功范圍并以控制目標方式下發(fā)，該站能實時響應并滿足該目標，從而達到了地縣AVC協(xié)調控制的目標。

另外，從該系統(tǒng)2011年初開始實現(xiàn)地縣兩級AVC系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)調控制以來的運行情況來看，能更好地對整個地區(qū)的無功電壓分配，并利用區(qū)域內所有可調設備來進行調控，使調節(jié)結果更優(yōu)，取得了不錯的運行效果，進一步優(yōu)化了無功潮流，降低了網(wǎng)損，減少了由于各自獨立運行時調壓引起的設備調節(jié)振蕩，緩解了地區(qū)電網(wǎng)功率因數(shù)調節(jié)的壓力，減少了地區(qū)電網(wǎng)無功補償設備的投切次數(shù)，大大降低了調度運行人員的工作量。

5 結束語

本文在無功電壓分布區(qū)域性及目前調度分級管理體系的基礎上，提出了地縣AVC系統(tǒng)協(xié)調控制的總體技術方案，并詳細闡述了協(xié)調控制原理及控制方案的實現(xiàn)。實際應用效果表明本文所提出的協(xié)調控制方案是合理和有效的。

[1]黃 華，高宗和，戴則梅，等.基于控制模式的地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)設計及應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(15)：77-80.

[2]趙美蓮，賴業(yè)寧，劉海濤，等.實時無功優(yōu)化研究及其在線實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（23）.

[3]唐寅生，李碧君.電力系統(tǒng)OPF全網(wǎng)最優(yōu)無功的經(jīng)濟壓差△UJ 算法及其應用[J].中國電力，2000，33(9)：42-44.

[4]程 亮，蘇義榮，謝 敏.地縣級電網(wǎng)全局無功優(yōu)化的研究和軟件開發(fā)[J].江蘇電機工程，2005，24(1)：38-40.