賴旬陽，呂旭軍，鄭 彧，葉小暉，劉宏偉

（1.國網(wǎng)浙江德清縣供電有限公司，浙江 德清 313200；2.中國電力科學研究院，北京 100192；3.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

電力系統(tǒng)無功的調節(jié)對減小系統(tǒng)有功損耗，維持電壓穩(wěn)定有重要作用。相較于發(fā)展成熟的基于AGC（自動發(fā)電控制）的有功頻率調節(jié)[1]，針對無功電壓調節(jié)的AVC（自動電壓控制）存在諸多困難，如：需要電壓調節(jié)的節(jié)點數(shù)目眾多；無功調節(jié)設備特性各異且分布廣泛；控制理論上屬于離散-連續(xù)混合控制范疇，在混雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究方面需要構造的多Lyapounov函數(shù)缺乏一般性的方法，在混雜系統(tǒng)最優(yōu)控制方面常轉化為混合二次規(guī)劃問題，其求解方法尚不成熟等[2]。近些年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模增大，電壓等級的提升，針對因無功產(chǎn)生的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題逐漸受到廣泛關注[3]。因此對AVC系統(tǒng)的仿真建模，在研究其電壓調節(jié)機理，制定電壓控制策略，改善電壓質量，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有重大意義?？紤]到電壓穩(wěn)定過程較長、時間尺度較大，傳統(tǒng)的機電暫態(tài)模型和仿真算法難以滿足要求。在此借助中國電科院PSD-FDS平臺建立二級電壓控制中長期仿真模型，模擬二級電壓控制調節(jié)過程。

常見的AVC控制系統(tǒng)主要有以下幾類：

（1）EDF（法國電力公司）于 1972年提出的三層電壓控制策略，將電網(wǎng)的電壓控制分為一級、二級、三級電壓控制，在控制間隔上分別為秒級、分鐘級、小時級，實現(xiàn)無功調節(jié)的時間上解耦；在實現(xiàn)方法方面，提出了以選取先導節(jié)點、劃分控制區(qū)域為核心的思路實現(xiàn)無功調節(jié)在空間上的解耦；20世紀80年代，EDF公司就區(qū)域內發(fā)電機無功出力的協(xié)調問題，提出CSVC（二級電壓控制）并投入運行。該策略后來被廣泛應用于法國、西班牙、意大利電力系統(tǒng)中。

（2）德國RWE電力公司采用兩層電壓控制系統(tǒng)，將OPF（最優(yōu)潮流）無功優(yōu)化結果直接發(fā)送至各廠站，依靠一級電壓控制取得良好效果。

（3）20世紀末中國開始展開AVC的研究，在法國三層電壓控制的基礎上結合中國電網(wǎng)的特點提出了基于EMS（能量管理系統(tǒng)）、SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）、RTU（遠程終端單元）的“軟分區(qū)”三層電壓控制，該方案于2003年首次在江蘇電網(wǎng)運行成功，并在全國逐步推廣。近些年來東南亞、非洲等地區(qū)也展開了AVC的研究，多以三層電壓控制為主。

根據(jù)AVC系統(tǒng)的發(fā)展狀況和研究現(xiàn)狀，考慮到參與AVC調節(jié)的無功設備眾多、控制理論復雜，此處主要針對由發(fā)電機參與的AVC無功調節(jié)建模。忽略諸如調節(jié)變壓器變比、投入電容器等措施所涉及到的離散變量控制問題。對三層電壓控制的核心——二級電壓控制，提出基于PI調節(jié)器的二級電壓控制基本框架，分別對發(fā)電機、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、過磁限制、負荷特性建模，并根據(jù)無功裕度最大原則計算發(fā)電機參與因子，協(xié)調發(fā)電機無功出力，最后采用算例驗證了模型的有效性。

1 三層電壓控制的基本原理

三層自動電壓控制，目前得到廣泛應用，見圖1。該系統(tǒng)大體上可分為主站、子站兩部分。

主站包括三級電壓控制和網(wǎng)側二級電壓控制環(huán)節(jié)，主站SCADA系統(tǒng)接收RTU上傳的電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過EMS系統(tǒng)對全網(wǎng)的無功分布情況進行在線動態(tài)優(yōu)化，并將優(yōu)化結果以先導節(jié)點電壓Vpref的形式，通過SCADA系統(tǒng)下發(fā)至二級電壓控制端，該過程的執(zhí)行周期約30 min左右。先導節(jié)點電壓偏差信號經(jīng)網(wǎng)側NPI（比例積分調節(jié)器）、協(xié)調無功控制環(huán)節(jié)輸出廠站無功控制信號。

AVC子站通過RTU獲取廠站無功調節(jié)信息，RTU發(fā)送指令作用于二級電壓控制的發(fā)電機側GPI（比例-積分調節(jié)器）以及變電站的VQC（電壓無功控制）系統(tǒng)（不考慮變電站的無功調節(jié)過程），GPI輸出折合在機勵磁系統(tǒng)側的電壓偏差量，由屬于一級電壓控制的AVR（自動電壓調節(jié)器）改變發(fā)電機勵磁電流，促使發(fā)電機無功出力跟隨指令變化，完成整個調節(jié)過程。

圖1 三級電壓控制原理

2 二級電壓控制仿真模型

自動電壓控制作為電力系統(tǒng)無功電壓調節(jié)的主要措施，對電壓支撐，維持故障情景下電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有重大意義。鑒于二級電壓控制在AVC系統(tǒng)承前啟后的作用，在重點對二級電壓控制建模的同時，分別對三級電壓控制進行模擬，給出了一級電壓控制發(fā)電機勵磁的簡單模型。

2.1 三級電壓控制模擬

在AVC系統(tǒng)中，三級電壓控制通過EMS在線無功優(yōu)化，下發(fā)先導節(jié)點電壓預設指令。為了在控制層面上真實模擬三級電壓控制過程，推薦參考同時間段在線電壓數(shù)據(jù)，編制未來24 h的先導節(jié)點電壓數(shù)據(jù)，以擬合的電壓曲線作為二級電壓控制的輸入，如圖2所示。

圖2 三級電壓控制下發(fā)的電壓曲線

2.2 二級電壓控制框圖

2.3 二級電壓控制先導節(jié)點的選取、區(qū)域劃分

二級電壓控制的突出特點在于：以控制先導節(jié)點電壓水平替代對系統(tǒng)每個節(jié)點電壓的控制，以區(qū)域劃分的思路實現(xiàn)無功控制在空間上的解耦，從而使無功控制問題得以簡化。因此對先導節(jié)點的選取，區(qū)域的劃分，對電壓無功控制效果有重大影響。

先導節(jié)點的選擇多從定義出發(fā)，即存在一個先導節(jié)點集合，通過調節(jié)無功使該集合中先導節(jié)點電壓維持定值，而其他負荷節(jié)點電壓偏差最小，最終歸結為優(yōu)化問題[4-5]，在計算方法上有啟發(fā)式算法，進化優(yōu)化算法[6-7]。區(qū)域劃分主要有基于電氣距離的聚類算法[8]、FCM（模糊聚類算法）和偶圖分析法[9-11]。

圖3 基于PI調節(jié)器的二級電壓控制示意

2.4 協(xié)調二級電壓控制建模

位于主站的網(wǎng)側二級電壓控制器NPI給出了區(qū)域內發(fā)電機無功調節(jié)總量，協(xié)調各個發(fā)電機無功出力的關鍵在于選取合適的發(fā)電機參與因子。

考慮到不同機組參數(shù)不同、運行特性各異，因此發(fā)出無功的能力差別很大。同時無功分配時必須滿足發(fā)電機定子電流約束、轉子電流約束、端電壓約束以及對穩(wěn)定裕度的要求。常見的發(fā)電機間無功優(yōu)化分配方法有按容量成比例原則、等功率因數(shù)原則、等微增率法和無功裕度最大原則[12]。

發(fā)電機無功約束：

區(qū)域內發(fā)電機無功儲備總量在發(fā)電機正常運行時：

采用按無功最大原則，協(xié)調區(qū)域內發(fā)電機無功出力，當無功改變量ΔQref＞0時，發(fā)電機的參與因子為：

當無功改變量ΔQref＜0時，發(fā)電機的參與因子為：

2.5 一級電壓控制建模

由于電壓問題涉及的動態(tài)過程較長，因此一級電壓控制建模不僅要對發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)建模，還需要考慮發(fā)電機過磁限制，負荷特性等問題。

子站二級電壓控制器GPI輸出電壓控制信號VERR與發(fā)電機機端電壓測量值疊加，作為勵磁系統(tǒng)輸入，該勵磁系統(tǒng)模型包括自動電壓調節(jié)器AVR等值超前滯后環(huán)節(jié)，綜合放大環(huán)節(jié)，并考慮了勵磁機的飽和系數(shù)SE，自勵磁系數(shù)KE，時間常數(shù)TE，并采用勵磁電壓EFD軟反饋改善整個勵磁調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性[13-15]，如圖4所示，其中TB與TC為勵磁調節(jié)器的固有等值時間常數(shù)，TA與KA為綜合放大環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和增益，VF為勵磁電壓反饋環(huán)節(jié)的輸出，VR為直流勵磁機的勵磁電壓。

圖4 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)模型

發(fā)電機采用3階模型，為簡化模型只對負荷進行靜態(tài)建模，不考慮負荷的動態(tài)特性如電動機負荷，過勵限制采用等效發(fā)熱反時限特點建模[15]。

3 New England 10機39節(jié)點案例仿真

3.1 案例一仿真情景

下面采用IEEE標準39節(jié)點案例，在中國電力科學研究院開發(fā)的PSD-FDS程序基礎上建立基于PI調節(jié)器的二級電壓控制模型。借鑒FCM（模糊聚類）法將系統(tǒng)劃分為以下3個區(qū)域[9]：

區(qū)域一：{1，2，3，9，18，17，25，26，27，28，29， 30， 39， 37， 38}.

區(qū)域二：{4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，31，32}.

區(qū)域三：{15，16，19，20，21，22，23，24，33，34， 35， 36}.

先導節(jié)點：{26，7，15}.

為了驗證模型的有效性，現(xiàn)分別對以下情景進行仿真模擬。

Case1：區(qū)域三內節(jié)點21無功負荷增加。

Case2：區(qū)域一內發(fā)電機30在t=40 s時無故障退出運行。

3.2 案例一仿真結果

Case1的仿真結果如圖5所示，節(jié)點21無功負荷增加，區(qū)域內節(jié)點電壓均有不同程度降低，采用AVC無功調節(jié)后，電壓質量明顯改善。

圖5 節(jié)點21增加無功負荷AVC調節(jié)前后區(qū)域內電壓質量對比

值得注意的是節(jié)點21無功負荷增加結束（t=300 s），一段時間（t=1 000 s）后出現(xiàn)電壓跌落（見圖6），30號發(fā)電機出現(xiàn)過勵，在勵磁限制作用下迫使發(fā)電機勵磁電流減?。ㄒ妶D7）。

圖6 節(jié)點21無功負荷增加AVC調節(jié)前后電壓質量對比

Case2仿真結果如圖8所示，發(fā)電機GEN30無故障切機后，經(jīng)AVC調節(jié)，區(qū)域一內電壓普遍提升。

3.3 案例二仿真

案例二采用西北電網(wǎng)數(shù)據(jù)，驗證基于PI調節(jié)器的AVC模型對實際大規(guī)模系統(tǒng)的適用性[16]。該網(wǎng)絡包含1萬多個節(jié)點，發(fā)電機節(jié)點近千個，針對陜西區(qū)域內的無功電壓現(xiàn)象進行模擬。模擬情景為：陜西區(qū)域內無功負荷在15 s內增長10%，根據(jù)實際網(wǎng)架結構選取363 kV陜北郊母線為先導節(jié)點，陜渭河，陜寶二，陜蒲城等23臺機組參與AVC的調節(jié)。圖9—12為仿真結果。

圖7 節(jié)點21無功負荷增加AVC發(fā)電機31勵磁電流調節(jié)前后對比

圖8 發(fā)電機GEN30切機AVC調節(jié)前后區(qū)域內電壓質量對比

圖9 先導節(jié)點電壓控制效果

（1）先導節(jié)點電壓控制效果。

如圖9所示，圖例V0p為無AVC參與，僅依靠發(fā)電機AVR調節(jié)發(fā)電機端電壓，增加無功出力的效果，類似于AVG的一次調頻，此處可稱之為AVC的一次調壓結果；Vpref為先導節(jié)點電壓給定值，VAP為二次調壓結果?？梢娊?jīng)過二次調壓，先導節(jié)點電壓可在負荷擾動結束時刻17 s后達到給定值，動作迅速。

（2）負荷節(jié)點電壓控制效果。

選取區(qū)域內3個有代表性的負荷節(jié)點，分析AVC的調節(jié)效果，圖11為負荷節(jié)點無功功率變化情況，對應圖10可見，若僅有一級電壓控制動作，節(jié)點電壓隨著無功負荷的增加而減少，當采用二級電壓控制后，區(qū)域內電壓水平明顯提高。

圖10 負荷節(jié)點電壓

（3）發(fā)電機無功出力協(xié)調控制。

二級電壓控制對一級電壓控制具有協(xié)調作用，如圖12所示，發(fā)電機2的無功初始值為128 Mvar，最大無功出力為185.9 Mvar，二級電壓控制SVC調節(jié)前后無功功率分別為135 Mvar與153 Mvar；發(fā)電機1的無功初始值為121 Mvar，最大無功出力為319.6 Mvar，二級電壓控制SVC調節(jié)前后無功功率分別為5 Mvar與224 Mvar。通過設定發(fā)電機的參與因子，可使無功儲備較大的機組多出力，無功儲備小的機組限制出力。

綜上，根據(jù)仿真結果得出以下結論：

（1）AVC具有提升電壓功能。當系統(tǒng)受到擾動時，基于PI調節(jié)器的二級電壓控制，通過對先導節(jié)點的無差調節(jié)，區(qū)域內所有節(jié)點電壓質量均得到改善。

（2）AVC對發(fā)電機無功出力的協(xié)調作用。案例一中的Case1，負荷無功增加時，發(fā)電機GEN31過勵。通過AVC協(xié)調控制，計算協(xié)調因子使無功出力在區(qū)域內發(fā)電機組間合理分配，降低了發(fā)電機運行的潛在風險。

4 結語

基于三層電壓控制的基本框架，提出了基于PI的二級電壓控制建模方法。采用NPI，GPI和協(xié)調控制模塊實現(xiàn)先導節(jié)點無差調節(jié)、發(fā)電機無功出力協(xié)調控制。將AVC的PI調節(jié)器控制分為兩部分，即NPI和GPI。借鑒AGC中的關鍵中間控制變量ACE，提出AVC的關鍵控制變量，按照發(fā)電機無功裕度最大原則計算發(fā)電機參與因子，最后分別用新英格蘭10機39節(jié)點算例和西北電網(wǎng)實際算例從電壓調節(jié)、發(fā)電機無功出力兩個方面驗證了模型的有效性，對改善電壓質量，協(xié)調發(fā)電機無功出力發(fā)揮作用。

參考文獻：

[1]孫耘，丁寧，盧敏，等.等微增率法在廠級AGC節(jié)能負荷分配中的實用化研究[J].浙江電力，2017，36（9）∶57-61.

[2]趙洪山，米增強，田建設，等.混雜系統(tǒng)理論及其在電力系統(tǒng)的應用前景[J].華北電力大學學報，2002，29（2）∶7-11.

[3]陸丹丹，夏紅光，鐘宇軍，等.春節(jié)低負荷時期電網(wǎng)無功倒送問題的分析與應對[J].浙江電力，2017，36（4）∶27-30.

[4]姚小寅，孫元章，王志芳.電力系統(tǒng)無功源最佳配置地點的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，1999，23（3）∶12-13.

[5]孫元章，王志芳，姚小寅.電力系統(tǒng)二級電壓控制的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，1999，23（9）∶10-11.

[6]季敏劍，周武.基于遺傳算法的無功優(yōu)化配置[J].浙江電力，2015，34（9）∶15-18.

[7]MEHDI KARIMIYAN MOHAMMADABADI.Optimal Selection of Voltage Control Areas Using Seeker Algorithm[J].Arab J Sci Eng，2014，39∶2997-3004.

[8]郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.基于無功源控制空間聚類分析的無功電壓分區(qū)[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（10）∶36-37.

[9]許沖沖.基于偶圖分解的電壓控制區(qū)域劃分[D].北京：華北電力大學，2012.

[10]ARVIN MORATTAB，ASBER DALAL，OUASSIMA AKHRIF，et al.Model Predictive Coordinated Secondary Voltage Control of Power Grids[C]//International Conference on Renewable Energies for Developing Countries，2013∶1-6.

[11]BARQUIN J，SOLER D，LARGO O，et al.On the Cost of the Reactive Power Generation and Voltage Support Service[J].Bulk Power System Dynamics and Control IV2 Restructuring Greece∶24-28.

[12]燕福龍.電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制[M].中國水利水電出版社，2013.

[13]王錫凡，方萬良，杜正春.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].科學出版社，2003.

[14]劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機勵磁控制[M].中國電力出版社，2007.

[15]中國電力科學研究院.PSD-FDS電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真程序用戶手冊[R].2014.

[16]賴旬陽.電力系統(tǒng)自動電壓控制建模與仿真[D].北京：華北電力大學，2016.