陳利 國網黑龍江省電力有限公司牡丹江供電公司

1.實施背景

電壓合格率是電網最重要的質量指標，電網線損率是電網最重要的經濟指標。有效的電壓控制和合理的無功補償，不僅能保證電壓質量，而且提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，降低電網電能損耗，提高電網設備輸電能力，充分發(fā)揮電網運行經濟效益。

1.1 國內情況

目前，國內絕大部分變電站采用手動方式，控制變電站有載調壓變壓器分接開關的調節(jié)和電容器的投切。部分變電站采用VQC裝置，按照電壓上下限和功率因數（“九域圖”），進行變電站無功電壓自動控制，以保證本變電所的母線電壓合格。這種控制只能做到“無功/電壓就地最優(yōu)”，而不能做到“無功/電壓全網最優(yōu)”，即不能綜合考慮各個變電站的情況，實現(xiàn)全電網電能損耗最小，電壓質量最好。

1.1.1 手動控制存在以下問題

第一，要完成24小時監(jiān)控，勞動強度大，調度值班人員很難做到；

第二，精度較高的控制很難做到；

第三，多進程實時控制做不到；

第四，無功電壓的控制水平受制于調度值班人員的業(yè)務素質；

第五，設備動作狀態(tài)很難做到實時記錄。

1.1.2 VQC控制存在以下問題：

第一，不能從全網考慮無功補償設備是否投入，不能實現(xiàn)無功功率分層平衡；

第二，不能從全網考慮是否調升主變分接開關檔位，易造成主變分接開關調節(jié)振蕩；

第三，未動態(tài)預算無功補償設備投入后母線電壓值的變化，易造成無功補償設備投切振蕩；

第四，不能動態(tài)地按時段分配主變分接開關動作次數；

第五，不能實時記錄設備動作狀態(tài)；

第六，裝置故障率高，維護量大、費用高；

第七，投資大。

從上分析，依靠手動或VQC裝置控制變電所調壓設備和無功補償設備，很難實現(xiàn)全網無功電壓優(yōu)化自動控制。

1.2 電網發(fā)展情況和最終目的

1.2.1 發(fā)展情況

近年來，隨著變電站一二次設備的更新改造，調度自動化“四遙”功能已日益完善。利用調度自動化“四遙”功能實現(xiàn)全電網無功電壓優(yōu)化運行實時閉環(huán)控制已成為可能。

“地區(qū)電網無功電壓優(yōu)化運行集中控制系統(tǒng)”是在現(xiàn)有電網調度SCADA功能的基礎上，利用其“四遙”功能，采集全電網實時數據，以電網電能損耗最小為目標，以設備動作次數最少為次目標，以各節(jié)點電壓合格為約束條件，以調度控制中心(以下簡稱調控中心)為控制核心的最優(yōu)化自動控制系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)將包含所有調控中心的大電網為運行分析對象，通過專門的網絡通訊程序，以“集中優(yōu)化、分散控制”為目標，實現(xiàn)各調控中心無功電壓協(xié)同操作控制。網絡版的研制將使得無功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)適用范圍從單個縣城或小型地級市電網發(fā)展到大型、特大型城市電網，具有更顯著的運行效果。

1.2.2 最終目的

在確保電網與設備安全運行的前提下，從全網角度進行無功電壓優(yōu)化控制，詩選無功補償設備投入合理和無功分層就地平衡與穩(wěn)定電壓，實現(xiàn)主變分接開關調節(jié)次數最少和電壓合格率最高，實現(xiàn)輸電網損率最小，從而進一步提高電網調度自動化水平，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，全面改善和提高電網電壓質量，降低電網損耗，提高設備出力。

2.內涵和主要做法

研究內容和預期成果

2.1 無功電壓優(yōu)化的原則

無功電壓優(yōu)化的“四個原則”：

第一，實現(xiàn)全電網最大范圍的電壓合格（優(yōu)先條件）；

第二，實現(xiàn)全電網電能損耗盡可能小；

第三，實現(xiàn)全電網設備動作次數盡可能少；

第四，所有的操作符合安規(guī)、運規(guī)、調規(guī)。

這四個原則是一組相互矛盾的目標和條件，所以針對實際電網的無功電壓優(yōu)化運行控制就不是簡單的理論計算問題，而是要充分考慮電網實際，堅持理論服從實際，在理論上尋求最優(yōu)解不切實際的情況下，尋求實際電網運行能接受的次優(yōu)解?；蛘哒f，針對實際電網的無功電壓優(yōu)化就是尋求一個“平衡點”，使得四個矛盾的問題都能得到“妥善”的解決。

2.2 無功電壓優(yōu)化的數學模型

2.2.1 目標函數

（1）、全網電能損耗最小：

n

△ P=minΣf1(Ui,Ki,Qi)，其中 Ui= f2(K1…Ki，Q1…Qi)

i=1

（2）、設備動作次數最少：

n

N=minΣ[f3(Ki-KT)+f4(Qi-Qc)]

i=1

Ui---為變電站母線電壓，Ki---為變電站主變分接開關應處檔位數

Qi---為變電站應投無功補償容量，KT---為主變當前分接開關檔位數

Qc---為變電站所配電容器容量，n ---為變電站個數

2.2.2 約束條件

（1）母線電壓不越限：

Umin≤ |Ui|≤Umax

（2）有載調壓開關每天動作次數不越限：

n 24

Σ[Σf3(Kij-KTj)] ≤ NT

i=1 j=1

（3）電容器每天投切次數不越限：

n 24

Σ[Σf4(Qij-Qcj)] ≤ Nc

i=1j=1

（4）供電電源關口功率因數合格：

n

ΣQi=P[tg(arccosφ1)-tg(arccosφ2)]

i=1

2.3 快速求解

對目標函數的快速求解是實現(xiàn)全電網實時閉環(huán)控制的前提。對目標函數的直接求解相當復雜，費時費力，無法實現(xiàn)實時控制。我們必須充分利用地區(qū)電網是開式電網的運行特性和無功電壓控制“專家系統(tǒng)”，對無功電壓優(yōu)化控制數學模型進行簡化和分解，再利用潮流計算和專家系統(tǒng)等方法進行求解。

專家系統(tǒng)庫除了積累大量的專家提供的知識與經驗外，還必須根據實際電網利用電力系統(tǒng)潮流計算方法進行靈敏度校驗，并以此產生系統(tǒng)規(guī)則庫。

2.4 無功電壓優(yōu)化計算流程

無功電壓優(yōu)化系統(tǒng)首先從調度SCADA采集全電網實時運行數據，然后以全電網電能損耗最小為目標函數，利用潮流計算、專家系統(tǒng)、數值分析等方法，求解主變分接開關最佳檔位數、電容器最佳投入容量和電網最優(yōu)運行電壓等。再利用已求最優(yōu)解，求得電容器投切次數和主變分接開關調節(jié)次數。

限定全電網電能損耗最小數值范圍，在最小數值范圍內，多次求得次優(yōu)解，再計算出電容器與主變分接開關動作次數。當動作次數最少時對應的解即為最優(yōu)解。然后發(fā)出控制指令，執(zhí)行電容器投切與主變分接開關調節(jié)操作。（計算流程圖如下）

2.5 整體結構和工作原理

2.5.1 無功電壓優(yōu)化服務器

從調度中心、各調控站SCADA系統(tǒng)采集全網各節(jié)點運行電壓、無功功率、有功功率等實時運行數據，并采集各工作站“設置參數”，以地區(qū)電網電能損耗最小和設備動作次數最少為優(yōu)化目標，以各節(jié)點電壓合格為約束條件，遵循安規(guī)、運規(guī)、調規(guī)，進行無功優(yōu)化計算、電壓優(yōu)化計算、無功電壓綜合優(yōu)化計算后，形成有載調壓變壓器分接開關調節(jié)指令、無功補償設備投切指令及相關控制信息，然后將控制信息發(fā)送至各工作站，各工作站再將控制指令交SCADA系統(tǒng)執(zhí)行，實現(xiàn)地區(qū)電網無功電壓優(yōu)化運行自動控制。此后循環(huán)往復。

2.5.2 與區(qū)域電網AVC實現(xiàn)無縫連接

該控制系統(tǒng)成功實現(xiàn)與“區(qū)域電網無功電壓優(yōu)化控制（AVC）系統(tǒng)”無縫連接，可根據區(qū)域電網AVC優(yōu)化結果（控制指令或控制范圍），實時調節(jié)地區(qū)電網無功電壓優(yōu)化控制設備狀態(tài)，達到整個發(fā)輸配電網無功電壓“優(yōu)化協(xié)調，分層控制，權責明確，效益最大”，為我國省級及以上電網實現(xiàn)無功電壓優(yōu)化控制提供了技術保障。

2.6 地區(qū)電網無功電壓優(yōu)化實現(xiàn)功能

2.6.1 全網無功優(yōu)化補償功能

當地區(qū)電網內各級變電所電壓處在合格范圍內,控制本級電網內無功功率流向合理，達到無功功率分層就地平衡，提高受電功率因數。

2.6.2 全網電壓優(yōu)化調節(jié)功能

當無功功率流向合理，變電站母線電壓超上限或超下限運行時，分析同電源、同電壓等級變電所和上級變電所電壓情況，決定調節(jié)哪一級變電所有載主變分接開關。電壓合格范圍內，實施逆調壓。實現(xiàn)減少主變并聯(lián)運行臺數以降低低谷期間母線電壓。實施有載調壓變壓器分接開關調節(jié)次數優(yōu)化分配。

2.6.3 無功電壓綜合優(yōu)化功能

當變電所10kV母線電壓超上限或下限時，尋求最佳的主變分接開關調整和電容器投切策略，盡可能保證電容器投入量最多。實現(xiàn)預算10kV母線電壓，防止無功補償設備投切振蕩。實現(xiàn)雙主變經濟運行，支持投入10KV電抗器，增加無功負荷，達到降低電壓的目的。

2.6.4 電容器最優(yōu)配置與在線損耗計算功能

根據電網實際負荷，計算各變電站電容器單組或多組容量最優(yōu)配置值，為改造或新增電容器數量和容量提供理論依據。實現(xiàn)電網電能損耗在線計算，并實時報告，為電網實現(xiàn)經濟調度提供理論支持。

2.6.5 控制信息管理功能

設備動作記錄表、開關動作次數匯總表、設備動作失敗或不正常動作情況表、電壓曲線分析表、有功功率、無功功率、功率因數分析表。

2.7 技術的新穎性、先進性

2.7.1 實現(xiàn)全網集中控制與分區(qū)分層控制相結合

一般來講，電力系統(tǒng)無功電壓控制可分為三個層面：一是電力用戶級，由用戶或配網自動化負責控制；二是220kV及以下電網級，由地調、縣調負責控制；三是220kV及以上電網、發(fā)電廠級，由省調、網調負責控制。該控制系統(tǒng)涉及的是第二種層面的無功電壓自動控制，未包括對發(fā)電廠的直接控制。在本控制層面內，采用分區(qū)分層控制與全網控制相結合，先分區(qū)后分層再全網，全網保分區(qū)分層的控制策略，來達到無功分區(qū)分層就地平衡，穩(wěn)定全網電壓，主變分接開關動作次數最少，電壓合格率最高。

2.7.2 實現(xiàn)集中控制與分步執(zhí)行相結合

近年來，隨著電網調度自動水平的不斷提高和電網一次設備的更新?lián)Q代，特別是計算機運行速度的提高和計算機網絡技術的發(fā)展，使得地區(qū)電網實施全網無功電壓優(yōu)化集中控制硬件上成為可能。該控制系統(tǒng)根據電網運況，集中形成控制指令，然后發(fā)送至各控制點，各控制點并發(fā)執(zhí)行指令，非輪流執(zhí)行和等待，所以該控制系統(tǒng)能用于緊急控制。

2.7.3 實現(xiàn)無功平衡穩(wěn)定電壓與分接開關調節(jié)電壓相結合

該控制系統(tǒng)時刻通過無功功率分層就地平衡來穩(wěn)定電壓，并維持電壓在一定水平，當電壓還達不到要求時，再輔以調節(jié)主變分接開關。所以該控制系統(tǒng)的投入可以確保本地區(qū)無功補償設備的最大投入，對整個電力系統(tǒng)的無功平衡和電壓穩(wěn)定起著基礎性、根本性的作用

2.7.4 實現(xiàn)保電網安全與無功電壓控制相結合

電網安全包括設備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定安全。該控制系統(tǒng)在確保設備安全方面做了充分的考慮，并已作應急處理。例如電容器連續(xù)投切、主變分接開關“滑檔”和雙主變聯(lián)調失敗、PT斷線、低電壓等。

該控制系統(tǒng)對于220kV及以上電網和發(fā)電廠供入地區(qū)電網的供電關口，以省調下達的關口功率因數決定該關口無功功率的攝入量，即決定下級電網無功補償量的合理值，這樣可以充分保證220kV及以上電網和發(fā)電機的安全穩(wěn)定性。

2.7.5 實現(xiàn)理論計算與專家系統(tǒng)相結合

該控制系統(tǒng)優(yōu)化控制首先根據“專家系統(tǒng)”判斷執(zhí)行，當系統(tǒng)無法依據專家系統(tǒng)規(guī)則進行判斷時，進行理論計算，確定執(zhí)行規(guī)則，所以該控制系統(tǒng)執(zhí)行效率極高。

2.7.6 實現(xiàn)適應電網運行方式變化

該控制系統(tǒng)除了采集全網電壓、功率外，還采集輔助開關量，自動進行電網運行方式判別，實施不同的無功電壓優(yōu)化運行方案。

2.8 主要創(chuàng)新點

第一，優(yōu)化目標是從“地區(qū)電網”的角度考慮,不管地區(qū)電網范圍內無功補償設備和有載調壓變壓器數量的多少,都能達到同時滿足全網網率損最小、各節(jié)點電壓合格率最高、有載調壓變壓器分接開關動作次數最少的目的。

第二，控制對象是地區(qū)電網范圍內的所有無功補償設備投切和變壓器分接頭檔位調節(jié)的綜合動作。

第三，動態(tài)預算10kV母線電壓,避免無功補償設備投切振蕩。

第四，無須增加獨立的I/O系統(tǒng)，投資少，實施快。

第五，該控制系統(tǒng)已在牡丹江供電公司調控中心投運，運行穩(wěn)定，動作可靠，效益巨大。

3.實施效果和成效

3.1 經濟效益和社會效益分析

該控制系統(tǒng)2014年6月25日在牡丹江供電地區(qū)電網投運，其中220kV變電所11座，110kV變電站22座，35kV變電站12座，總變電站個數44座，運行可靠、實用性強，提高了電網電能質量，產生的顯著經濟效益和社會效益：

第一，減少電網電能損耗，年節(jié)電至少5百萬千瓦時/年，將取得明顯的降損節(jié)能效益。

第二，提高地區(qū)受電功率因數0.08，增加了輸電設備出力500萬千瓦。

第三，減少有載調壓變壓器分接開關動作次數50%，減輕檢修勞動強度，延長設備使用壽命。

第四，提高10kV電壓合格率1.2個百分點，0.40kV電壓合格率0.7個百分點。

第五，克服單個無功電壓綜合自動控制（又稱VQC）裝置，局限于“無功-電壓就地最優(yōu)”,而不能做到“無功-電壓全網最優(yōu)”的弊端。

第六，減輕調控中心值班人員勞動強度40-50%，避免人為誤差，真正實現(xiàn)全網無功電壓實時控制，完善并提高無人值班變電所自動化水平。

第七，投資少。例如：假如一個縣調下屬20個變電站，同比安裝VQC裝置，至少節(jié)約100萬元。 同時，由于該控制系統(tǒng)不增加任何硬件裝置，免除了大量的現(xiàn)場硬件維護，節(jié)省了大量的維護費用。

第八，環(huán)保效益顯著。“地區(qū)電網無功電壓優(yōu)化運行集中控制系統(tǒng)”能夠節(jié)能增效，保證供電質量，提高利潤，這些都有利于社會的發(fā)展，社會效益十分顯著。同時節(jié)約的電量所增加的供電能力，對環(huán)境保護來說，取得投資電廠所不能取得的社會效益，是一項“綠色工程”。

3.2 系統(tǒng)的投入使用，還產生了以下連帶效應

第一，準確地掌握了主變分接開關、電容器開關每年每月每日動作次數，為最大限度的發(fā)揮設備潛力和設備檢修提供了依據；

第二，該控制系統(tǒng)是一套圖文聲并茂的現(xiàn)場實時培訓系統(tǒng)，提高了調度、調控人員運行管理水平；

第三，該控制系統(tǒng)的實施加速了遠動設備建設與改造及“四遙”功能的實現(xiàn)，促進了調度自動化SCADA系統(tǒng)數據采集的完善；

第四，該控制系統(tǒng)的實施促進了電容器的配制、電容器開關的更新、有載變覆蓋面的擴大及其有載分接開關的性能的提高。

綜上所述，從全電網的角度出發(fā)，實現(xiàn)地區(qū)無功電壓優(yōu)化運行集中控制是今后無功電壓實時控制領域的發(fā)展趨勢，代表著今后我國供電網絡無功電壓控制方式的方向。該控制系統(tǒng)經過磨練，技術先進、運行可靠、實用性強，提高了電網電能質量，降低了電網電能損耗，增加了輸配電設備出力，提高了電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠性。