潘凱巖 李綏榮 王玉琴

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

自動電壓控制中考慮降壓減載的協(xié)調(diào)控制方法

潘凱巖 李綏榮 王玉琴

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

處理電網(wǎng)中設(shè)備過載或錯峰的傳統(tǒng)方法是通過自動負荷控制的方法，切除優(yōu)先級較低的負荷，其缺點是最終會導(dǎo)致部分用戶停電。本文在傳統(tǒng)的自動電壓控制及考慮負荷電壓特性的基礎(chǔ)上，通過建立負荷的 ZIP模型及計算變電站有功負荷和負荷母線電壓之間的靈敏度，從而實現(xiàn)通過投切電容或調(diào)節(jié)變壓器檔位的方法來調(diào)節(jié)電壓，最終達到通過AVC來減載的目的，從而達到了AVC與降壓減載的協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)場運行情況表明，本文提出的方法是有效的，可以通過調(diào)節(jié)電壓的方法達到減載的目的從而保證了供電質(zhì)量。

自動電壓控制；負荷特性；降壓減載；靈敏度

近年來，自動電壓控制（AVC）技術(shù)得到了充分的發(fā)展，成熟的 AVC技術(shù)逐步應(yīng)用到各級電網(wǎng)中。AVC從全網(wǎng)角度分層、分區(qū)對電壓和無功進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，是提高電壓質(zhì)量、優(yōu)化無功潮流分布、降低網(wǎng)損、減輕勞動強度的有效手段[1]。

在電網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中，對于超計劃用電或設(shè)備重載運行的情況，文獻[2-4]通過負荷轉(zhuǎn)移的方法來實現(xiàn)消除設(shè)備過載的情況，該方法的缺點是如果轉(zhuǎn)供后依然有設(shè)備過載，則不能達到消除設(shè)備過載的目的。文獻[5]提出通過負荷自動切除的方法來實現(xiàn)消除過載的情況，該方法的缺點是短時間內(nèi)會引起用戶停電。

目前對于地區(qū)電網(wǎng)負荷特性的分析較少涉及，而且這些研究主要是調(diào)研普查性質(zhì)，較少進行定量分析，未對變電站負荷特性進行深入分析，分析結(jié)果較為粗略。

文獻[6]通過計算地區(qū)的典型負荷特性指標的方法分析了地區(qū)負荷特性變化規(guī)律，文獻[7]分析了影響電網(wǎng)負荷特性的主要因素，并提出了加強典型行業(yè)和用戶負荷特性的調(diào)研等相應(yīng)建議。文獻[8]針對廣域電力系統(tǒng)中負荷節(jié)點面廣量大的困難提出了基于日負荷曲線的統(tǒng)計綜合方法，得出各負荷節(jié)點中行業(yè)用電構(gòu)成的負荷比例。

目前文獻通常對負荷特性進行獨立研究，本文通過對地區(qū)電網(wǎng)的靜態(tài)負荷特性及負荷點的動態(tài)特性進行分析，并與自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）的實際調(diào)節(jié)相結(jié)合：根據(jù)自動電壓控制系統(tǒng)得到檔位及無功補償設(shè)備的動作情況，實時啟動相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄統(tǒng)計分析過程，最終得到短期各變電站有功功率跟隨負荷母線電壓急劇變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，去除負荷本身的變化量后，從而得到實時的PV靈敏度系數(shù)，同時通過分析變電站負荷的ZIP模型進一步從理論上驗證計算出的 PV靈敏度系數(shù)的合理性。最后根據(jù)負荷的 PV靈敏度系數(shù)及用戶需要切除的負荷量計算出需要調(diào)節(jié)的電壓量，通過調(diào)節(jié)檔位或投切電容的方法來實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓，最終實現(xiàn)降壓減載的目的。

1 地區(qū)電網(wǎng)傳統(tǒng)的自動電壓控制策略

九區(qū)圖法是最早被應(yīng)用到 VQC的一種控制策略。是通過實時監(jiān)測變壓器低壓側(cè)母線電壓和變壓器高壓側(cè)無功功率（或功率因數(shù)），并以此作為控制狀態(tài)量，根據(jù)其工作點在各運行區(qū)間的對應(yīng)邏輯關(guān)系，得出調(diào)節(jié)分接頭和投切電容器的控制指令。

文獻[9]在九區(qū)圖上針對各區(qū)域邊界控制上進行了更為細致的劃分得到十七區(qū)，本文在基于長期的工程應(yīng)用總結(jié)了更符合實際運行狀況的各區(qū)調(diào)節(jié)模式，策略調(diào)節(jié)圖如圖1所示。

圖1 十七區(qū)圖示意圖

這里以調(diào)節(jié)設(shè)備為電容器或變壓器優(yōu)先，則不同區(qū)的調(diào)節(jié)策略如下。

1）電壓越上限無功越下限（UHQL），即在區(qū)域1內(nèi)：

（1）切電容器。

（2）如果控制方式為電壓優(yōu)先，下調(diào)分接頭。

（3）區(qū)域聯(lián)調(diào)切電容器。

（4）如果控制方式為電壓優(yōu)先，強切電容器。

2）電壓越上限無功正常偏低（UHQML），即在區(qū)域2內(nèi)：

（1）切電容器。

（2）如果控制方式為電壓優(yōu)先，下調(diào)分接頭。

3）電壓越上限無功正常（UHQM），即在區(qū)域3內(nèi)：

（1）切電容器。

（2）下調(diào)分接頭。

4）電壓越上限無功正常偏高（UHQMH），即在區(qū)域4內(nèi)：

（1）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為電容器優(yōu)先

①切電容器。

②下調(diào)分接頭。

③如果控制方式為電壓優(yōu)先，強切電容器。

（2）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為變壓器優(yōu)先

①下調(diào)分接頭。

②如果控制方式為電壓優(yōu)先，強切電容器。

5）電壓越上限無功越上限（UHQH），即在區(qū)域5內(nèi)：

（1）下調(diào)分接頭。

（2）如果控制方式為電壓優(yōu)先，強切電容器。如果控制方式為無功優(yōu)先，強投電容器。

（3）如果控制方式為電壓優(yōu)先，區(qū)域聯(lián)調(diào)切電容器。如果控制方式為無功優(yōu)先，區(qū)域聯(lián)調(diào)投電容器。

6）電壓正常偏高無功越下限（UMHQL），即在區(qū)域6內(nèi)：

（1）切電容器。

（2）區(qū)域聯(lián)調(diào)切電容器。

7）電壓正常無功越下限（UMQL），即在區(qū)域7內(nèi)：

電壓正常偏低無功越下限（UMLQL）。

（1）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為電容器優(yōu)先

①切電容器。

②判斷上調(diào)分接頭升高電壓后有可切的電容器，則上調(diào)分接頭。其原理就是先升高電壓，進入UMHQL，然后再在下一輪切電容器。

③如果控制方式為無功優(yōu)先，強切電容器。

④區(qū)域聯(lián)調(diào)切電容器。

（2）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為變壓器優(yōu)先

①上調(diào)分接頭。

②如果控制方式為無功優(yōu)先，強切電容器。

③區(qū)域聯(lián)調(diào)切電容器。

8）電壓正常無功越上限（UMQH），即在區(qū)域8內(nèi)：

電壓正常偏高無功越上限（UMHQH）。

（1）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為電容器優(yōu)先

①投電容器。

②判斷下調(diào)分接頭降低電壓后有可投的電容器，則下調(diào)分接頭。其步驟就是先降低電壓，進入UMLQH，然后再在下一輪投電容器。

③如果控制方式為無功優(yōu)先，強投電容器。

④區(qū)域聯(lián)調(diào)投電容器。

（2）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為變壓器優(yōu)先

①下調(diào)分接頭。

②如果控制方式為無功優(yōu)先，強投電容器。

③區(qū)域聯(lián)調(diào)投電容器。

9）電壓正常偏低無功越上限（UMLQH），即在區(qū)域9內(nèi)：

（1）投電容器。

（2）區(qū)域聯(lián)調(diào)投電容器。

10）電壓越下限無功越下限（ULQL），即在區(qū)域10內(nèi)：

（1）上調(diào)分接頭。

（2）如果控制方式為無功優(yōu)先，強切電容器。如果控制方式為電壓優(yōu)先，強投電容器。

（3）如果控制方式為無功優(yōu)先，區(qū)域聯(lián)調(diào)切電容器。如果控制方式為電壓優(yōu)先，區(qū)域聯(lián)調(diào)投電容器。

11）電壓越下限無功正常偏低（ULQML），即在區(qū)域11內(nèi)：

（1）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為電容器優(yōu)先

①投電容器。

②上調(diào)分接頭。

③如果控制方式為電壓優(yōu)先，強投電容器。

（2）調(diào)節(jié)設(shè)備方式為變壓器優(yōu)先

①上調(diào)分接頭。

②如果控制方式為無功優(yōu)先，強投電容器。

12）電壓越下限無功正常偏高（ULQMH），即使在區(qū)域12內(nèi)：

（1）投電容器。

（2）如果控制方式為電壓優(yōu)先，上調(diào)分接頭。

13）電壓越下限無功正常（ULQM），即在區(qū)域13內(nèi)：

（1）投電容器。

（2）升檔位。

14）電壓越下限無功偏高：（ULQH），即在區(qū)域14內(nèi)：

（1）投電容器。

（2）如果控制方式為電壓優(yōu)先，上調(diào)分接頭。

（3）區(qū)域聯(lián)調(diào)投電容器。

2 降壓減載建模

2.1 負荷建模

1）靜態(tài)綜合負荷模型

綜合負荷模型是指在電力系統(tǒng)分析計算中對負荷特性所作的物理模述或數(shù)學(xué)描述。本文中對以工業(yè)負荷為主的變電站采用ZIP模型。這里負荷建模是以變電站的綜合負荷為最小單位，而不是傳統(tǒng)意義上的單個獨立的負荷。ZIP模型將綜合負荷看成由不同比例的三種基本元件組成的，如圖2所示。

圖2 ZIP模型

變電站綜合負荷的電壓特性用數(shù)學(xué)公式表述出來，就是對應(yīng)的負荷電壓數(shù)學(xué)模型，可用如下二次多項式表示：

式中，VN為額定電壓，PN和QN分別為額定電壓時的有功和無功功率，ap、bp、cp分別為上述三種有功負荷的組成百分比系數(shù)，aq、 bq、cq分別為上述三種無功負荷的組成百分比系數(shù)。

式（1）和式（2）表明，負荷的有功和無功功率都由三個部分組成，第一部分與電壓平方成正比，代表恒定阻抗消耗的功率，第二部分與電壓成線性關(guān)系，代表恒電流負荷對應(yīng)的功率，第三部分與電壓無關(guān)，為恒功率組成部分。可根據(jù)實測的電壓－負荷靜態(tài)特性使用最小二乘法擬合求解。上述系數(shù)應(yīng)該滿足以下等式約束：

2）動態(tài)負荷電壓特性系數(shù)

對于變電站的綜合負荷動態(tài)模型，由于其用電設(shè)備數(shù)量很大，各設(shè)備的工作狀態(tài)帶有一定的隨機性和時間屬性，因此變電站的綜合負荷的模型結(jié)構(gòu)很難確定，難以使用一個簡單的負荷模型結(jié)構(gòu)來描述。而在電壓急劇變化的時候，尤其是此電壓變化是由于變壓器檔位或者無功補償設(shè)備的投運和退出引起的較短時間內(nèi)，絕大多數(shù)設(shè)備的運行狀態(tài)及變電站的運行方式等可以看作是固定不變。在這種情況下，綜合負荷的模型結(jié)構(gòu)基本上是相對穩(wěn)定和不變化的，因此可以使用靜態(tài)綜合負荷模型來描述。此時記錄變電站內(nèi)變壓器檔位動作和無功補償設(shè)備投退后短期內(nèi)PV連續(xù)變化數(shù)據(jù)，可以使用最小二乘法按擬合求解并得到一個對應(yīng)的實時負荷模型系數(shù)。

3）基于統(tǒng)計的負荷系數(shù)計算

根據(jù)得到的各負荷變電站額定有功功率 PN和相關(guān)負荷電壓特性歷史存盤數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合法對式（1）進行求解，最終可以求得各變電站的綜合負荷系數(shù)。

2.2 實時PV靈敏度系數(shù)

通過統(tǒng)計AVC在歷史調(diào)節(jié)過程中，以檔位或者無功設(shè)備動作為起點，實時記錄有關(guān)功率與電壓在一定時間內(nèi)的變化情況，可以得到短時間內(nèi)有功隨電壓變化而變化的曲線數(shù)據(jù)。通過多次實測數(shù)據(jù)，可以求得任意時刻選定變電站的負荷母線電壓上單位電壓值變化引發(fā)的有功變化量，該值即為變電站的實時PV靈敏度系數(shù)。得到的PV靈敏度系數(shù)和式（1）得到的模型系數(shù)可以相互驗證，也可以用于預(yù)判和實時計算實時運行態(tài)下變電站負荷母線電壓急劇變化在一定時間有功負荷的變化值。每次得到的預(yù)判值可以通過后續(xù)記錄實測數(shù)據(jù)來進行驗證，這樣同樣也可以對 PV靈敏度系數(shù)再作進一步的修訂和改進。

計算方法如下。

實際應(yīng)用中，PV靈敏度系數(shù)可以通過實測方法來獲取。假設(shè)S為變電站有功負荷對負荷節(jié)點母線電壓的靈敏度系數(shù)，計算公式為

其中

Pt為AVC調(diào)節(jié)操作開始后2min內(nèi)t時刻記錄的變電站有功負荷值。

P0為 AVC調(diào)節(jié)操作下發(fā)時刻記錄的變電站有功負荷值。

Vt為AVC調(diào)節(jié)操作開始后2min內(nèi)t時刻記錄的關(guān)聯(lián)負荷母線電壓值。

V0為 AVC調(diào)節(jié)操作下發(fā)時刻記錄的關(guān)聯(lián)負荷母線電壓值。

3 處理流程

3.1 負荷點有功負荷及其母線電壓的獲取

AVC進行變壓器檔位調(diào)節(jié)或者無功設(shè)備的投退控制時，自動記錄相關(guān)設(shè)備及變電站信息，在預(yù)定時間周期內(nèi)持續(xù)獲取和保存相關(guān)變電站內(nèi)的負荷和負荷點電壓的實時數(shù)據(jù)。

一般來說，地區(qū)電網(wǎng)的AVC的監(jiān)視周期為30s，如果監(jiān)控點電壓連續(xù)3個周期都是越限的，則執(zhí)行遙控處理，即通常的遙控執(zhí)行周期為90s，在進行降壓減載的協(xié)調(diào)控制中，在每次AVC進行執(zhí)行遙控的前后，記錄上述相關(guān)變電站內(nèi)的負荷及負荷點的電壓變化情況作為最終的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。一般來說，以90s為周期進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)量已足夠多，所得數(shù)據(jù)按根據(jù)動作記錄時間分為峰谷平，峰為 8點到 12點以及14點到17點，平為12點到14點以及17點到21點，其他時段為谷。

在 AVC正常運行的情況下記錄一個月數(shù)據(jù)作為最終的統(tǒng)計時間段，然后以時間曲線、數(shù)據(jù)表格及負荷電壓模型分析等多種形式提在檔位調(diào)節(jié)、電容電抗投切后的示變電站有功功率和電壓變化規(guī)律。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了保證最后的分析結(jié)果正常，在真正開始分析前要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)截取兩個過程。數(shù)據(jù)過濾將不合理的數(shù)據(jù)排除在最終的原始數(shù)據(jù)集合中，而數(shù)據(jù)截取則是決定單次操作中數(shù)據(jù)的斷面?zhèn)€數(shù)，將多余的數(shù)據(jù)截除掉。

1）數(shù)據(jù)過濾

對獲取的數(shù)據(jù)進行分析前要將不合理的數(shù)據(jù)過濾。不合理數(shù)據(jù)主要是指那些在記錄過程中完全無變化、或者變化超出正常情況的數(shù)據(jù)。導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)發(fā)生的主要原因有：①在數(shù)據(jù)收集時 SCADA出現(xiàn)了死數(shù)的情況；②調(diào)壓/無功調(diào)節(jié)操作未正確完成也會導(dǎo)致不合理數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

2）數(shù)據(jù)截取

每次AVC動作保存數(shù)據(jù)的周期必須足夠長，以保證保存的數(shù)據(jù)比最后分析需要的要多，因此在存盤時會保存很多多余的數(shù)據(jù)。多余的數(shù)據(jù)如果不在分析前截取，會影響分析，甚至導(dǎo)致不能得到正確的結(jié)果。由于每個變電站的數(shù)據(jù)反應(yīng)速度有差異，數(shù)據(jù)截取根據(jù)各變電站的實際數(shù)據(jù)曲線進行。

3.3 數(shù)據(jù)查詢和展示

數(shù)據(jù)查詢包括可以查詢負荷節(jié)點母線實測電壓值隨時間變化的情況，即 V/t曲線，變電站有功功率隨時間變化的曲線，即 P/t曲線，以及一個時間段內(nèi)靈敏度隨時間變化的曲線等。

3.4 求解負荷變電站的額定有功功率PN

將日期劃分為工作日、周末、節(jié)假日等類型，同一類型日期再劃分為高峰、低谷及平谷三個時間。根據(jù)日期與時間段劃分，對現(xiàn)有統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)進行分類、過濾及分析、對負荷變電站求解相應(yīng)日期時間類型的額定有功功率 PN。額定有功功率 PN主要用于ZIP模型求解，其含義為節(jié)點負荷母線電壓為額定電壓時對應(yīng)的變電站有功功率。

3.5 負荷變電站的ZIP模型求解

根據(jù) 3.2求解得到的各負荷變電站額定有功功率PN數(shù)據(jù)和相關(guān)負荷電壓特性歷史存盤數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合法對公式（1）進行求解，最終求得不同日期時間類型下的ap、bp、cp。

得到所有變電站的 ZIP模型參數(shù)后，再通過SCADA實時采集數(shù)據(jù)進行修訂和驗證。即在 AVC的統(tǒng)計周期內(nèi)基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算得到ap、bp、cp后，再通過SCADA實時采集的負荷有功及相應(yīng)的母線電壓，代入到式（1），以驗證ap、bp、cp的合理性，如果通過 ap、bp、cp的及實采的電壓計算得到的負荷有功與實際采集的負荷有功的誤差過大，則說明ap、bp、cp存在問題，需要重新對ap、bp、cp進行統(tǒng)計計算。

3.6 靜態(tài)電壓穩(wěn)定及動態(tài)電壓穩(wěn)定校核

根據(jù)負荷的負荷特性來通過調(diào)節(jié)電壓的方法來進行錯峰或消除設(shè)備過載的持續(xù)時間比較短，所以通常不會引起靜態(tài)電壓穩(wěn)定及動態(tài)電壓穩(wěn)定問題，如果地區(qū)電網(wǎng) EMS應(yīng)用軟件配有在線電壓穩(wěn)定計算模塊，則可以將預(yù)調(diào)節(jié)信息及整個電網(wǎng)信息傳給電壓穩(wěn)定模塊[10]，由電壓穩(wěn)定計算系統(tǒng)判斷是否會引起電壓失穩(wěn)的問題，如果最終計算會導(dǎo)致電壓失穩(wěn)，則不能通過降壓減載的方法來進行錯峰處理，只能按傳統(tǒng)的方法切除部分負荷以保證電網(wǎng)安的全穩(wěn)定運行，如果地區(qū)沒有配置電壓穩(wěn)定模塊，則應(yīng)根據(jù)母線電壓與調(diào)節(jié)的控制設(shè)備（變壓器檔位、投切電容）的靈敏度關(guān)系，計算得到應(yīng)調(diào)節(jié)的檔位或最大投切量，以保證經(jīng)過調(diào)節(jié)后母線電壓不出現(xiàn)越限情況，如果母線電壓越限，則應(yīng)立刻進行閉鎖以保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

4 應(yīng)用效果分析

本文提出的在 AVC中綜合考慮降壓減載協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)已經(jīng)在廣東某供電公司投入運行，在運行過程中首先通過 AVC系統(tǒng)實時記錄相關(guān)分析數(shù)據(jù)（包括變電站綜合有功負荷、母線電壓、檔位、電容器投切）信息等，最終通過最小二乘擬合得到負荷的ZIP模型系數(shù)以及負荷的有功電壓靈敏度系數(shù)。

某一斷面的相應(yīng)的峰谷平時段有功靈敏度及ZIP模型系數(shù)見表1。從表1可以看出，變電站有功電壓靈敏度實測值最高為7.45，最低為1.49，最高和最低值之間相差5倍，沒有出現(xiàn)數(shù)量級上的差別。

表1 典型變電站峰谷平有功靈敏度及模型參數(shù)列表

AVC中綜合考慮降壓減載的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在負荷高峰時可以分區(qū)域、廠站、設(shè)備來針對用戶設(shè)置的需要切除的負荷進行切除，處理中首先獲取需要切除的負荷總量，最終根據(jù)相關(guān)變電站的有功電壓靈敏度系數(shù)得到需要調(diào)節(jié)的電壓量，最終由AVC完成相應(yīng)的檔位或電容投切的方式來實現(xiàn)調(diào)壓從而最終達到減載的目的。

5 結(jié)論

在 AVC中考慮降壓減載的協(xié)調(diào)控制方法中通過記錄在調(diào)節(jié)過程中變電站有功負荷與母線電壓的變化規(guī)律，并統(tǒng)計分析得出變電站綜合有功負荷電壓特性及影響因素，得到各變電站有功負荷和負荷母線電壓之間的變化規(guī)律曲線和數(shù)學(xué)表達式。最終得出在變電站負荷相對穩(wěn)定時電壓變化是否會引起負荷的變化，其變化是否存在相關(guān)性以及關(guān)鍵因素。同時，通過負荷的ZIP模型來進一步驗證所得出的PV靈敏度系數(shù)的合理性，為進一步的降壓減載研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，最終達到節(jié)能降損、降壓減載的目的。

在 AVC中綜合考慮降壓減載的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)里，由于不直接切除負荷，從而提高了供電的可靠性，同時又不影響原來的 AVC的自動電壓控制功能，軟件功能改動較少，易于實現(xiàn)。現(xiàn)場運行結(jié)果表明該方法具有一定的通用性，在地區(qū)電網(wǎng)中具有一定的推廣價值。

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Application of Voltage-decreasing and Load Shedding based on Load-voltage Characteristics in Automatic Voltage Control

Pan Kaiyan Li Suirong Wang Yuqin
(Dongfang Electronics Corporation,Yantai,Shandong 264000)

It often happens that the power grid runs beyond its schedule or the power device works beyond its safety restriction.The traditional method is to shed some loads by real-time automatic load controlling system.In this paper,a method of soft load shedding is given by the studying the relation of load real active power and its corresponding voltage in the AVC system.The field running results show that this method can meet the real-time demand and supply power to users as much as possible on the basis of power grid safety.

automatic voltage control;load characteristics;voltage-decreasing and load shedding;sensitivity

潘凱巖（1973-），男，碩士，高工，架構(gòu)師，從事 EMS/DMS系統(tǒng)軟件的研發(fā)工作。