高冬那，黃家棟，蔡桂華

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.保定供電公司，河北 保定 071051）

地區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

高冬那1，黃家棟1，蔡桂華2

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.保定供電公司，河北 保定 071051）

分析地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)選擇電壓無(wú)功分層分區(qū)綜合協(xié)調(diào)控制的方案，通過(guò)區(qū)域電壓控制和變電站電壓校正控制協(xié)調(diào)控制保證全網(wǎng)電壓合格，將各分區(qū)關(guān)口功率因數(shù)維持在較高水平，實(shí)現(xiàn)區(qū)域無(wú)功合理分布。根據(jù)經(jīng)濟(jì)壓差原理，比較Q＊X的大小，確定并聯(lián)電容器的投切次序。開(kāi)發(fā)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)并投入各地調(diào)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明該系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于人工調(diào)節(jié)，并且減少了人員投入，有較大的經(jīng)濟(jì)意義。

自動(dòng)電壓控制；經(jīng)濟(jì)壓差；無(wú)功控制；分層分區(qū)

0 引言

電力系統(tǒng)中，電壓是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，保證電壓質(zhì)量合格，是電力系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)供電的首要條件。同時(shí)無(wú)功功率也是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的分層、分區(qū)就地平衡，是降低網(wǎng)損的重要手段。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平逐漸提高。河北省電力調(diào)度中心為了適應(yīng)220 k V及以下等級(jí)變電站無(wú)人值班集中監(jiān)控管理的需要，在河北南網(wǎng)推廣自動(dòng)電壓控制項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)電壓控制系統(tǒng) （AVC）并在各地調(diào)投入運(yùn)行。

該系統(tǒng)采用分層分區(qū)的控制方案，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)以220 k V變電站為根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，從而形成多個(gè)分別包含一個(gè)220 k V變電站及其下屬一個(gè)或幾個(gè)110 k V變電站的分區(qū)，以分區(qū)為單位進(jìn)行電壓無(wú)功綜合協(xié)調(diào)控制，區(qū)域電壓控制與變電站電壓校正控制協(xié)調(diào)控制保證區(qū)域電壓合格，電壓合格的情況下，通過(guò)無(wú)功調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)區(qū)域無(wú)功合理分布，達(dá)到全網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化分布的目標(biāo)。

1 分層分區(qū)

地區(qū)電網(wǎng)110 k V及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行，220 k V等級(jí)以下配網(wǎng)呈樹(shù)狀分布。在這種情況下，可對(duì)地區(qū)電網(wǎng)以220 k V母線(xiàn)為根結(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，從而形成多個(gè)分別包含一個(gè)220 k V變電站及其下屬一個(gè)或幾個(gè)110 k V變電站的分區(qū)，各分區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)為位于分區(qū)關(guān)口的220 k V母線(xiàn)，彼此耦合性大大降低，從而為無(wú)功分區(qū)平衡創(chuàng)造了便利條件。在220 k V主變高壓側(cè)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)和省級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行分層，然后在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行分區(qū)。

如圖1所示，在分區(qū)形成后，可得到若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含一個(gè)220 k V變電站及若干110 k V變電站的大區(qū)域A及以單個(gè)110 k V站為單位的B、C等區(qū)域。對(duì)于A(yíng)區(qū)域，其控制點(diǎn)為關(guān)口220 k V母線(xiàn)，控制對(duì)象為其區(qū)域內(nèi)的所有容抗器；對(duì)于B、C區(qū)域，其控制點(diǎn)為本站的110 k V母線(xiàn)，控制對(duì)象為各自站內(nèi)的容抗器。

圖1 典型地區(qū)電網(wǎng)區(qū)域接線(xiàn)圖Fig.1 Typical wiring diagram of regional power grid

2 電壓控制

電壓控制的目的是及時(shí)調(diào)節(jié)區(qū)域電網(wǎng)中低壓側(cè)電壓以及控制區(qū)域整體電壓水平，使得電壓穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)。AVC系統(tǒng)的電壓控制分為兩部分，即區(qū)域電壓控制和單個(gè)變電站的電壓校正。通過(guò)兩部分調(diào)節(jié)即可以保證所有母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在合格范圍內(nèi)，又有效地減少了設(shè)備控制振蕩。

區(qū)域控制就是整體調(diào)節(jié)每一個(gè)電氣分區(qū)的電壓水平，使之處在一個(gè)合理范圍內(nèi)。掃描每個(gè)區(qū)域中壓側(cè)母線(xiàn)電壓水平，通過(guò)取當(dāng)前母線(xiàn)電壓和設(shè)定的母線(xiàn)電壓上下限作比較，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域中壓側(cè)母線(xiàn)的電壓合格率（s%）。然后用此合格率和設(shè)定的合格率限值（d%）比較，如果s＞＝d，說(shuō)明對(duì)應(yīng)區(qū)域整體電壓水平相對(duì)合理，不需要調(diào)整。如果s＜d，表明區(qū)域電壓整體不合理，然后通過(guò)判斷具體越限情況，調(diào)節(jié)區(qū)域根節(jié)點(diǎn)使得本區(qū)域整體電壓水平趨于合理。

單個(gè)變電站電壓校正類(lèi)似于VQC設(shè)備的控制原理。通過(guò)調(diào)節(jié)主變分頭和投切電容器來(lái)調(diào)節(jié)低壓側(cè)母線(xiàn)電壓，使得母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)。在調(diào)節(jié)分頭和投切電容器兩種調(diào)節(jié)手段取舍上，做法是有限投入電容器來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

兩種電壓控制手段之間有先后輕重之分。本文采用的做法是載入電網(wǎng)模型之后，首先進(jìn)入?yún)^(qū)域電壓調(diào)整程序。分別判斷每個(gè)區(qū)域的整體電壓水平，對(duì)需要調(diào)節(jié)的區(qū)域啟動(dòng)區(qū)域電壓調(diào)整程序，只有當(dāng)區(qū)域電壓水平達(dá)到一個(gè)合理水平時(shí)，再依次對(duì)每個(gè)變電站進(jìn)行電壓校正，最后達(dá)到母線(xiàn)電壓全部合格的目的。

3 無(wú)功控制

3.1 經(jīng)濟(jì)壓差原理

對(duì)于支路潮流計(jì)算有下列公式：

式中：R為線(xiàn)路電阻；X為線(xiàn)路電抗；P為輸送有功功率；Q為輸送無(wú)功功率，U為母線(xiàn)電壓。

分析上述公式可以得出：U越大，Q越小，則線(xiàn)路輸電損耗和線(xiàn)路壓降越小。當(dāng)Q＝0時(shí)，線(xiàn)路無(wú)功分點(diǎn)恰好位于中點(diǎn)，此時(shí)線(xiàn)路輸送無(wú)功功率在本線(xiàn)路電抗上產(chǎn)生的電壓損耗為0，ΔU稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)壓差。對(duì)于給定線(xiàn)路，在經(jīng)濟(jì)壓差條件下運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)路傳輸無(wú)功造成的有功損耗最小，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。

3.2 無(wú)功控制策略

分區(qū)形成后，即可按區(qū)域進(jìn)行無(wú)功控制。但在實(shí)際電網(wǎng)中，由于負(fù)荷變化的連續(xù)性及波動(dòng)性，將各區(qū)域關(guān)口母線(xiàn)的注入或流出無(wú)功功率始終控制為零也是不現(xiàn)實(shí)的。本文將該值盡量控制為一較小值，即將關(guān)口母線(xiàn)的功率因數(shù)控制在較高水平上。另外，由于各區(qū)域內(nèi)無(wú)功儲(chǔ)備容量存在差異，而且B、C等區(qū)域內(nèi)容抗器需同時(shí)參與A區(qū)域與本區(qū)域的無(wú)功調(diào)節(jié)，實(shí)際中很難使A、B、C等區(qū)域同時(shí)達(dá)到無(wú)功分區(qū)就地平衡，區(qū)域B、C的控制目標(biāo)與位于其上級(jí)的區(qū)域A關(guān)口存在一定的矛盾。因此，A、B、C各區(qū)域存在控制順序上的先后關(guān)系，A區(qū)域優(yōu)先級(jí)高于B、C區(qū)域，B、C等區(qū)域地位等同。

根據(jù)廠(chǎng)站功率因數(shù)上下限值和當(dāng)前關(guān)口的有功值，計(jì)算得到相應(yīng)無(wú)功的上下限值范圍。當(dāng)前無(wú)功值在此范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為無(wú)功合理；當(dāng)前無(wú)功值大于計(jì)算所得上限時(shí)，認(rèn)為無(wú)功欠補(bǔ)，區(qū)域內(nèi)需投入電容器；當(dāng)前無(wú)功值小于計(jì)算所得下限時(shí)，認(rèn)為無(wú)功過(guò)補(bǔ)，區(qū)域內(nèi)需切除電容器。

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)，需切除或投入?yún)^(qū)域內(nèi)電容器，分析判斷指標(biāo)即上述經(jīng)濟(jì)壓差原理的Q＊X。其中，Q為線(xiàn)路上流動(dòng)或穿過(guò)主變的無(wú)功，X為線(xiàn)路或主變阻抗。

下面以圖1所示地區(qū)電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)為例，來(lái)說(shuō)明地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)區(qū)域無(wú)功控制流程。

3.2.1 區(qū)域無(wú)功切除策略

（1）從區(qū)域根節(jié)點(diǎn) （A站）開(kāi)始掃描，將當(dāng)前區(qū)域注入無(wú)功與計(jì)算所得無(wú)功上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)前區(qū)域注入無(wú)功小于計(jì)算所得無(wú)功下限值時(shí)，啟動(dòng)區(qū)域無(wú)功切除策略。 （2）將任意結(jié)節(jié)點(diǎn)（區(qū)域內(nèi)所有廠(chǎng)站均有可能）下屬子區(qū)域已投入的電容器放進(jìn)切除隊(duì)列，并按指標(biāo)Q＊X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)算切除前后判斷指標(biāo)Q＊X，若切除后Q＊X變小，說(shuō)明切除該電容器不會(huì)增加輸電損耗，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）切除電容器對(duì)電壓進(jìn)行預(yù)判，如果切除電容器會(huì)導(dǎo)致電壓越下限，則上調(diào)主變檔位后再切除該電容器。如果沒(méi)有可調(diào)節(jié)主變，則選擇下一個(gè)電容器。

3.2.2 區(qū)域無(wú)功投入策略

（1）從區(qū)域根節(jié)點(diǎn) （A站）開(kāi)始掃描，將當(dāng)前區(qū)域注入無(wú)功與計(jì)算所得無(wú)功上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)前區(qū)域注入無(wú)功大于計(jì)算所得無(wú)功上限值時(shí)，啟動(dòng)區(qū)域無(wú)功投入策略。（2）將任意節(jié)點(diǎn) （區(qū)域內(nèi)所有廠(chǎng)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，并按指標(biāo)Q＊X進(jìn)行降序排列。（3）當(dāng)選擇某站 （如A站）電容器投入時(shí)，判斷投入該電容器是否使區(qū)域根節(jié)點(diǎn) （關(guān)口）無(wú)功越上限，如果不會(huì)導(dǎo)致關(guān)口無(wú)功越限則投入；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，如果投入電容器后電壓可能越上限，則下調(diào)主變檔位后再投入電容器。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

本文設(shè)計(jì)的AVC系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，下面從電壓、功率因數(shù)、無(wú)功優(yōu)化三個(gè)方面比較AVC系統(tǒng)調(diào)節(jié)與人工調(diào)節(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 人工調(diào)節(jié)與AVC調(diào)節(jié)電壓合格率Tab.1 Voltage qualification rate of artificial regulation and AVC adjustment

電壓方面：

表1為人工調(diào)節(jié)與AVC調(diào)節(jié)電壓合格率。通過(guò)表1可知，AVC調(diào)節(jié)電網(wǎng)母線(xiàn)電壓合格率高于人工調(diào)節(jié)。

功率因數(shù)方面：AVC調(diào)節(jié)在功率因數(shù)控制上明顯優(yōu)于人工控制，尤其是在凌晨和傍晚負(fù)荷水平較低的時(shí)候，AVC能夠保證功率因數(shù)保持較高水平。

無(wú)功優(yōu)化方面：AVC控制系統(tǒng)優(yōu)化了系統(tǒng)的無(wú)功分布，盡量減少線(xiàn)路上的無(wú)功流動(dòng)，做到無(wú)功的分層分區(qū)就地平衡，降低了網(wǎng)損，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的AVC系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)電壓合格、功率因數(shù)維持在較高的水平，并且在調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)速度等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工調(diào)節(jié)，而且減少了運(yùn)行監(jiān)控人員的投入，提高了電網(wǎng)的自動(dòng)化水平，對(duì)保證電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行有很大的意義。

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Design and Application of Automatic Voltage Control System of Regional Grid

Gao Dongna1，Huang Jiadong1，Cai Guihua2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Baoding Power Supply Company，Baoding 071051，China）

Analysis the characteristic of regional grid，choose the control scheme of reactive power hierarchical and regional balance.Through the regional voltage control and voltage calibration control coordination control guarantee the voltage qualified.Through make the area pass watt factor at high levels，realize the regional reactive reasonable distribution.Determine the plunge and cutting order of the shunt capacitors by comparing the size of Q＊Xbased on the principle of economic voltage difference.DevelopAVC system and this system has been put into operation in many areas grid，site operation shows that the system adjustment effect significantly better than artificial regulation，and can reduce the staff devotion，there is a lot of economic sense.

automatic voltage control；economic voltage difference；reactive power control；hierarchical and regional balance

T M761

A

2012－04－20。

高冬那 （1987-），女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)分析運(yùn)行與控制的研究，E-mail：wsgaodongna＠163.com。