林 捷，王云柳，黃 輝，陳少懷，蔡安銘

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自動電壓控制下的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功運行狀態(tài)評估指標體系

林 捷1，王云柳2，黃 輝1，陳少懷1，蔡安銘1

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515041;2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗(重慶大學)，重慶 400044)

為從電壓無功協(xié)調(diào)控制角度評估地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功運行狀態(tài)，并量化造成運行狀態(tài)不佳的原因，針對采用自動電壓控制的地區(qū)電網(wǎng)，提出了一套電壓無功運行狀態(tài)評估指標體系。該指標體系以電網(wǎng)實際量測值為基礎數(shù)據(jù)，基于地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功考核標準和控制策略，構建出三類評估指標：區(qū)域電源母線電壓合格程度及其不合格原因評估指標、區(qū)域關口無功合格程度及其不合格原因評估指標、區(qū)域負荷無功平衡程度及其不平衡原因評估指標。通過對廣東汕頭地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功運行狀態(tài)進行評估，驗證了所提指標的正確性和有效性。所得結果可為地區(qū)電網(wǎng)運行參數(shù)設置、控制策略優(yōu)化和無功補償設備配置提供建議。

地區(qū)電網(wǎng)；自動電壓控制；電壓無功控制；協(xié)調(diào)性；評估指標

0 引言

近年來，智能電網(wǎng)技術高速發(fā)展，為在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，確保區(qū)域電壓高水平運行，并盡量實現(xiàn)區(qū)域無功的分層分區(qū)就地平衡，國內(nèi)多家地區(qū)調(diào)度主站采用自動電壓控制(Automatic voltage control，AVC)系統(tǒng)實現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)電壓無功的協(xié)調(diào)控制[1-4]。

地區(qū)調(diào)度主站AVC系統(tǒng)采用無功優(yōu)化確定各子區(qū)域中樞點電壓控制目標時，調(diào)壓設備能力限制會影響無功優(yōu)化效果，地調(diào)量測系統(tǒng)較弱、調(diào)壓設備閉鎖等問題會使中樞點電壓無法準確跟蹤控制目標，從而導致地區(qū)電網(wǎng)電壓無功合格性和運行經(jīng)濟性較低這兩類問題[5-7]。首先，為使電壓無功運行狀態(tài)滿足合格性要求，當區(qū)域電壓普遍偏低(高)時，需協(xié)調(diào)區(qū)域樞紐廠站電壓無功控制設備，以盡可能實現(xiàn)區(qū)域電壓合格程度最大化，避免控制設備振蕩調(diào)節(jié)；當區(qū)域關口無功不合格時，需協(xié)調(diào)整個區(qū)域內(nèi)的無功補償裝置以滿足關口功率因數(shù)的考核要求。其次，為提升電網(wǎng)運行經(jīng)濟性，AVC應盡量實現(xiàn)區(qū)域間無功分區(qū)平衡，區(qū)域內(nèi)無功分層平衡，各廠站無功就地平衡。綜上兩點，如何精細化評估自動電壓控制下地區(qū)電網(wǎng)電壓無功運行的合格性和經(jīng)濟性，追蹤并量化造成不合格和不經(jīng)濟的原因，并以此為依據(jù)調(diào)整AVC運行參數(shù)、進行控制策略優(yōu)化和補償容量配置已成為一個亟待解決的關鍵問題。

為評估電網(wǎng)的電壓無功運行狀態(tài)，現(xiàn)有研究成果針對不同對象建立了相應的導則和評估指標體系?，F(xiàn)有電壓無功導則和規(guī)定[8-10]明確了各級電壓和功率因數(shù)的合格范圍，由此可對各級電網(wǎng)的電壓和功率因數(shù)合格率進行計算。為更精細的評估高壓配電網(wǎng)的無功運行狀態(tài)，文獻[11]提出了可對高壓配網(wǎng)電壓無功的合格程度、無功補償容量的充裕程度、分接頭和電容器的動作次數(shù)等進行評估和量化，并可追蹤導致運行狀態(tài)不佳主變的評估指標體系。與其相比，地區(qū)電網(wǎng)還包含220 kV和110 kV電壓等級的輸電系統(tǒng)，其電壓無功控制需要考慮上下級和同級間的協(xié)調(diào)，控制策略更為復雜。為測試AVC系統(tǒng)對地區(qū)電網(wǎng)電壓無功的控制效果，文獻[12-13]建立了可對地區(qū)電網(wǎng)技術性和經(jīng)濟性進行評估的指標，但其沒有涉及電壓不合格原因的追蹤，更未涉及無功合格性和平衡性的評估。

結合地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功控制目標和運行特點，本文提出了自動電壓控制下的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功運行狀態(tài)評估指標體系。該指標體系可精細化評估地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)各區(qū)域的電壓合格程度、無功合格程度和無功平衡程度，并可對造成區(qū)域電壓無功不合格、區(qū)域無功不平衡的原因進行追蹤和量化，從而為實際系統(tǒng)的運行參數(shù)設置、控制策略優(yōu)化和補償容量配置提供參考。通過對實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行評估分析，證明了所提指標體系的合理性和有效性。

1 自動電壓控制下的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功運行狀態(tài)評估指標

地區(qū)調(diào)度主站的AVC系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構將整個地區(qū)電網(wǎng)分為若干個以220 kV樞紐變電站為中心的子區(qū)域，為降低AVC系統(tǒng)控制復雜性，地調(diào)為縣級電網(wǎng)下達電壓無功考核指標后常將其作為負荷處理[5]。因此，本文的評估對象為地區(qū)電網(wǎng)各子區(qū)域內(nèi)110 kV線路和與之直接相連的220 kV、110 kV變電站組成的輸電網(wǎng)絡。各區(qū)域220 kV變電站的高壓側(cè)母線為區(qū)域關口。注入110 kV線路的功率都由220 kV變電站控制母線流出，其相當于110 kV線路電源，故將220 kV變電站稱為電源站，其控制母線稱區(qū)域電源母線。110 kV變電站關口為其高壓母線，將110 kV變電站及其后所接配網(wǎng)等效為變電站關口上連接的負荷，故將110 kV變電站稱為負荷站，其關口母線又稱區(qū)域負荷母線。

1.1 評估指標的體系結構

本文建立的評估指標體系如圖1所示。整個指標體系由區(qū)域電源母線電壓合格程度及其不合格原因評估指標、區(qū)域關口無功合格程度及其不合格原因評估指標和區(qū)域負荷無功平衡程度及其不平衡原因評估指標三類一級指標構成。每類一級指標下分別包含合格程度評估指標、平衡程度評估指標、不合格原因追蹤指標和不平衡原因追蹤指標四類二級指標中的兩類。各類二級指標下包含的多類三級指標均為對整個考核時段的電壓無功運行狀態(tài)進行統(tǒng)計和量化后得出的結果。

圖1 自動電壓控制下的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功運行狀態(tài)評估指標體系結構

1.2 區(qū)域電源母線電壓合格程度及不合格原因評估指標

(1) 區(qū)域電源母線電壓合格程度評估指標

區(qū)域電源母線與負荷母線的電壓調(diào)節(jié)是由上至下的，上級調(diào)壓設備動作會影響整個下級區(qū)域電壓，因此需根據(jù)區(qū)域負荷母線電壓的整體合格程度評估區(qū)域電源母線滿足負荷需求的效果。

為避免調(diào)節(jié)電壓無功控制設備使部分負荷母線電壓合格時，引起更大范圍電壓越限。當負荷母線電壓偏高、偏低率過半時才認為電源母線電壓不合格。故電源母線電壓偏高(低)區(qū)域電壓不合格率為

(2) 區(qū)域電源母線電壓不合格原因追蹤指標

當電源母線電壓偏高引起區(qū)域電壓不合格時，需降低本區(qū)域的電源母線電壓。若此時電源站高壓母線電壓偏低或關口無功欠補，則只能降低電源站主變檔位，故應追蹤主變檔位過高的原因是變比達到下限還是變比控制策略不當。若此時電源站高壓母線電壓合格或偏高，且關口無功合格或過補，則可通過協(xié)調(diào)電源站主變檔位和無功補償設備以達到降低電源母線電壓的目的。故應追蹤電源母線電壓過高的原因是變比已達下限且沒有可切除的電容器和可投入的電抗器，還是控制策略不當。由此構建電源母線電壓偏高區(qū)域電壓不合格的原因性指標：變比極值區(qū)域負荷母線電壓偏高率指標、變比控制策略不當區(qū)域負荷母線電壓偏高率指標、調(diào)壓設備極值區(qū)域負荷母線電壓偏高率指標和調(diào)壓設備控制策略不當區(qū)域負荷母線電壓偏高率指標。上述指標均可由整個考核時段內(nèi)相應原因發(fā)生的時刻數(shù)、、和除以總的時刻數(shù)得到。

同理，電源母線電壓偏低區(qū)域電壓不合格時，需升高區(qū)域電源母線電壓。在電源站高壓母線電壓偏高或關口無功過補時，只能調(diào)高電源站主變檔位，此時需構建變比極值區(qū)域負荷母線電壓偏低率指標和變比控制策略不當區(qū)域負荷母線電壓偏低率指標。而在電源站高壓母線電壓合格或偏低，且關口無功合格或欠補時，可協(xié)調(diào)電源站調(diào)壓設備提高電源母線電壓，需構建調(diào)壓設備極值區(qū)域負荷母線電壓偏低率指標和調(diào)壓設備控制策略不當區(qū)域負荷母線電壓偏低率指標。

1.3 區(qū)域關口無功合格程度及不合格原因評估指標

(1) 區(qū)域關口無功合格程度評估指標

區(qū)域無功控制的考核對象是區(qū)域關口無功，即區(qū)域內(nèi)所有電源站高壓母線的注入功率因數(shù)，其可表征地區(qū)電網(wǎng)各控制區(qū)域間無功的分區(qū)平衡程度。區(qū)域內(nèi)可能存在一條或多條注入電源站高壓母線的線路，任一線路注入功率不合格，則區(qū)域關口無功不合格。分別統(tǒng)計各區(qū)域關口無功合格、過補、欠補的時刻數(shù)、和，除以采樣時刻數(shù)，即可求得整個考核時段的區(qū)域關口無功合格率、過補率和欠補率。

(2) 區(qū)域關口無功不合格原因追蹤指標

負荷站與電源站的無功協(xié)調(diào)是由下至上的，AVC區(qū)域無功控制要求協(xié)調(diào)整個220 kV區(qū)域內(nèi)的所有容抗器使區(qū)域關口功率因數(shù)合格。

(4)

在滿足電源站和負荷站主變進線側(cè)功率因數(shù)約束的前提下，時刻區(qū)域內(nèi)所有變電站的感(容)性無功總可調(diào)容量計算方法如下

(6)

(7)

(10)

(12)

(13)

1.4 區(qū)域負荷無功平衡程度及不平衡原因評估指標

(1) 區(qū)域負荷無功平衡程度評估指標

(15)

(16)

區(qū)域負荷平均功率因數(shù)可用于評估區(qū)域內(nèi)的無功是否分層平衡。若滿足負荷站關口功率因數(shù)范圍，說明區(qū)域負荷對上級區(qū)域有較好的無功支撐作用。統(tǒng)計考核時段內(nèi)合格、越上限和越下限的時刻數(shù)，除以總的考核時刻數(shù)，即可求得區(qū)域負荷平均功率因數(shù)合格率、偏高率和偏低率。

區(qū)域內(nèi)各負荷站無功應就地平衡，一般情況下不允許倒送無功。根據(jù)負荷站關口功率因數(shù)范圍對所有考核時刻功率因數(shù)合格、越上限、越下限和倒送無功的負荷母線條數(shù)分別進行求和，再除以區(qū)域負荷母線條數(shù)和考核時刻數(shù)的乘積，即可求得整個考核時段內(nèi)區(qū)域負荷站關口無功合格率、過補率、欠補率和倒送率，由此實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)負荷站無功就地平衡整體情況的評估。

(2) 區(qū)域負荷無功不平衡原因追蹤指標

區(qū)域負荷平均功率因數(shù)偏低(高)的原因是區(qū)域負荷站感(容)性無功整體支撐不足。整個考核時段內(nèi)區(qū)域負荷站的感(容)性無功支撐平均不足量為

2 算例分析

2.1 算例參數(shù)

本文以廣東汕頭地區(qū)典型負荷日2014年9月5日近5 min一個斷面，共284個采樣時刻的SCADA數(shù)據(jù)為對象進行自動電壓控制下地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功運行狀態(tài)評估與分析。該地區(qū)電網(wǎng)當日共有14座220 kV變電站和57座110 kV變電站投入運行。通過拓撲分區(qū)方法，將該地區(qū)電網(wǎng)分為13個220 kV控制區(qū)域，各220 kV控制區(qū)域內(nèi)包含1~2個220 kV變電站和2~8個110 kV變電站，控制區(qū)內(nèi)的變壓器均為有載調(diào)壓。

依據(jù)汕頭供電局的相關規(guī)定，指標中AVC運行參數(shù)上下限值如表1所示。

由表1可知，當日高峰時段共177個，占所有時段的62.3%，低谷時段107個，占所有時段的37.7%。

表1 汕頭地區(qū)AVC運行參數(shù)表

2.2 區(qū)域電源母線電壓合格程度及其不合格原因追蹤評估指標結果

本文根據(jù)表1中規(guī)定的高峰、低谷時段和電壓上下限對汕頭地區(qū)電網(wǎng)的區(qū)域電源母線電壓合格程度進行了評估，并在全天內(nèi)對區(qū)域電源母線電壓不合格的原因進行了追蹤。存在區(qū)域電源母線電壓不合格問題的控制區(qū)域評估結果如表2所示。

區(qū)域3、5、7和12存在不同程度的區(qū)域負荷母線電壓越下限問題，其中區(qū)域7全天的，即全天內(nèi)有多達130個時刻區(qū)域負荷母線電壓偏低率超過50%。區(qū)域3、5和12所有的電源母線電壓偏低區(qū)域電壓不合格問題和區(qū)域7內(nèi)44.4%的電源母線電壓偏低區(qū)域電壓不合格問題均發(fā)生在高峰時段，說明高峰時段區(qū)域電源母線不能為下級電網(wǎng)提供足夠的電壓支持。通過表2中的不合格原因追蹤可知，該考核日內(nèi)引起電源母線電壓偏低區(qū)域電壓不合格的原因均為調(diào)壓設備控制策略不當，即現(xiàn)有AVC控制策略無法適應高峰低谷時段的調(diào)壓要求，需要通過調(diào)整區(qū)域電源站內(nèi)主變變比和容抗器控制策略以保證整個區(qū)域的負荷母線電壓合格率。

2.3 區(qū)域關口無功合格程度評估及其不合格原因追蹤評估指標結果

根據(jù)表1中的功率因數(shù)上下限對汕頭地區(qū)電網(wǎng)各區(qū)域關口在高峰、低谷時段的功率因數(shù)合格程度進行了評估，并在全天內(nèi)對區(qū)域關口無功不合格的原因進行了追蹤。13個區(qū)域的關口無功合格程度評估及其不合格原因追蹤結果如表3所示。

表2 區(qū)域電源母線電壓合格程度及其不合格原因追蹤評估指標結果

表3 區(qū)域關口無功合格程度評估及其不合格原因追蹤評估指標結果

區(qū)域3和10在高峰時段出現(xiàn)了關口無功欠補問題，造成2個區(qū)域關口無功欠補的原因均為控制策略不當，即，要改善此問題需優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的容抗器投切策略。

對比表2可知，在區(qū)域關口無功過補較嚴重的情況下，各區(qū)域并未出現(xiàn)電源母線電壓偏高區(qū)域電壓不合格情況，區(qū)域7甚至出現(xiàn)了區(qū)域電壓偏低問題。由此說明為滿足區(qū)域電壓水平，低谷時段關口必需保持較高的功率因數(shù)，故需要對汕頭地區(qū)AVC運行參數(shù)的功率因數(shù)整定值進行優(yōu)化。

2.4 區(qū)域負荷無功平衡程度評估及其不平衡原因追蹤評估指標結果

汕頭地區(qū)電網(wǎng)13個區(qū)域的區(qū)域負荷無功平衡程度評估及其不平衡原因追蹤結果見表4。其中區(qū)域負荷平均功率因數(shù)合格程度分高峰、低谷時段進行評估，區(qū)域負荷站關口無功合格程度、區(qū)域負荷平均功率因數(shù)不合格原因以全天為單位進行評估。

表4 區(qū)域負荷無功平衡程度評估及其不平衡原因追蹤評估指標結果

因此可知，汕頭地區(qū)無功分層、就地控制效果較差，需優(yōu)化區(qū)域內(nèi)所有負荷站的AVC控制策略和補償裝置配置，以提升無功分層和就地平衡效果，進一步減小系統(tǒng)網(wǎng)損。

3 結論

本文提出了一套自動電壓控制下的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功運行狀態(tài)評估指標體系，該指標體系以地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)的各220 kV控制區(qū)域為評估對象，可從區(qū)域電壓合格程度、關口無功合格程度和區(qū)域無功平衡程度的角度對各區(qū)域的電壓無功運行狀態(tài)進行精細化評估，并可對造成不合格和不平衡的原因進行追蹤和量化。利用本文所提評估指標體系中的合格性指標和平衡性指標對廣東汕頭地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功運行狀態(tài)進行評估，評估結果反映了汕頭電網(wǎng)各區(qū)域電壓無功運行中的典型問題。利用指標體系中的原因追蹤指標對引起各類典型問題的原因進行量化，得到的評估結果已被采納為汕頭地區(qū)AVC運行參數(shù)值整定、各區(qū)域無功容量配置和控制策略優(yōu)化的重要依據(jù)。

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(編輯 張愛琴)

An index system for voltage and reactive power operation status evaluation in regional power grid under automatic voltage control

LIN Jie1, WANG Yunliu2, HUANG Hui1, CHEN Shaohuai1, CAI Anming1

(1. Shantou Power Supply Bureau, China Southern Power Grid, Shantou 515041, China; 2. State Key Laboratory of PowerTransmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Chongqing 400044, China)

To evaluate the voltage and reactive power operating status of the regional power grid in the sight of harmony, and give the quantified reason for the operating status not good, an evaluation index system for voltage and reactive power operating status of regional power grid under automatic voltage control (AVC) is proposed. According to the power system measured data, the index system is indicated based on the voltage and reactive power evaluation criteria and AVC control strategy of the regional power grid. The proposed index system includes area power supply bus voltage qualification degree and disqualification reason evaluation index, area gateway reactive power qualification degree and disqualification reason evaluation index, area load reactive power balance level and unbalance reason evaluation index. To verify the rationality and validity of the proposed index system, the evaluation analysis results of the power grid in Shantou of Guangdong Province are given. The assessment results can give some suggestions on the AVC operation parameter set, control strategy optimization, and reactive power compensation planning of the regional power grid.

regional power grid; automatic voltage control; voltage/reactive power control; harmony; evaluation index

10.7667/PSPC151334

中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目(K-GD2014- 0814)

2015-08-01；

2015-11-24

林 捷(1975-)，男，工學學士，高級工程師，從事電力自動化工作；E-mail: 1759924029@qq.com 王云柳(1991-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)無功優(yōu)化及電壓穩(wěn)定；E-mail: yunliu1206@ 163.com 黃 輝(1970-)，男，工學學士，電氣工程師，從事電力調(diào)度及自動化管理工作。E-mail: 1035949489@qq.com