考慮電壓穩定的AVC系統的研究

張曉陽，王朝明，馬春生

（1.陜西省電力公司調度中心，陜西西安710004；2.東南大學，江蘇南京210096；3.南京軟核科技有限公司，江蘇南京210019）

電力互聯網絡的發展、大型聯合電網的出現以及電壓穩定性問題的日益突出，使得以全系統或整個區域的安全經濟運行為指標、以保證系統電壓穩定性為目的的協調電壓控制系統成為電力系統發展的必要。目前許多地方采用無功/電壓自動控制（VQC）裝置，按電壓上下限和功率因數分為9個區域對有載調壓變壓器分接頭和電容器組進行分級控制。然而這種方法沒有兼顧全局優化，在實際運用中會導致設備頻繁動作。基于全網電壓無功優化原理的自動電壓控制（AVC）系統很好地克服了VQC的缺點。在優化算法方面，當規模達到1000 個節點時，內點算法對于連續變量的優化，已經控制在秒級；而遺傳算法對于離散變量的優化也控制在分鐘級別以內，這使得實際的工程運用成為現實。陜西省的電源分布于陜北和陜南兩塊，而負荷主要集中于關中的西安、咸陽、寶雞地區。陜北、陜南分別通過兩條雙回路輸電線路向關中地區供電。多數情況下，關中地區的電網對這2條輸電線路的依賴較大，從而導致在多重事故情況下存在負荷大范圍轉移及電壓崩潰等問題。在線穩定裕度計算、故障評估與篩選和電壓穩定控制是在線靜態電壓穩定監視和預防控制系統的三大功能模塊。自動生成提高系統電壓穩定性的預防控制策略是電壓穩定分析和評估的最終目的。在無功優化的同時，考慮電壓穩定的需要，具有十分現實的工程意義。

1 適合陜西電網的分級電壓控制

目前，電力系統中電壓和無功潮流的控制一共有3種控制模式。

（1）在三級電壓控制模式下，電網被劃分成彼此解耦的若干區域，每個區域選擇一個或多個樞紐節點；由AVC主站根據全網最優的目標，給出二級電壓控制的各區域樞紐節點電壓設定值；由二級電壓控制層確定電壓控制策略，實現對本區域樞紐節點電壓的閉環控制；由一級電壓控制層控制具體設備。

（2）在二級電壓控制模式下，取消了二級電壓控制層，AVC主站基于全網狀態進行電壓控制的優化決策，并直接將決策結果下發到各相關廠站。

（3）在軟三級控制模式下，AVC系統首先進行軟分區，選取中樞節點設定電壓，穩定中樞節點的電壓，最后進行全網的無功優化計算下發控制命令，控制各個設備。

三級控制模式控制比較強健，在二級控制器與主站的通信通道臨時閉塞時，仍可由二級區域控制對各地區無功電壓進行控制。但這種模式需要為數不少的區域控制器，對電網結構的依賴性強。由于國內電網并無以硬件形式存在的二級控制，而且陜西電網在“十一五”期間明確了以“四縱兩橫三環網”的目標網架結構作為建設發展目標，網絡結構變化較大，故不宜采用三級控制模式。

陜西省網以環網模式運行，由于軟三級控制模式需要將電網解耦，而環網模式會導致解耦出的區域并不完全獨立，這樣部分解耦后的區域在選取中樞節點后再進行無功優化算法的時候計算結果不準確，所以軟三級模式也不適于陜西電網。

針對以上問題，二級電壓控制模式不需要將電網完全解耦，只要將控制節點加入無功優化算法中進行集中優化。同時，陜西電網330kV/110kV的電壓等級模式使得二級電壓控制模式在擴展實施的時候也更為簡便。因此，建議陜西電網采用二級控制模式。

2 電壓穩定裕度對AVC系統的約束

2.1 電壓穩定對AVC的約束及相應的動態無功儲備的限制

從系統的運行實踐和經驗來說，當全網的電壓水平足夠高時，一般能保證系統在正常和預想故障方式下具有所期望的電壓穩定裕度。隨著電壓水平的下降，系統的電壓穩定裕度逐漸減小，最終可能導致系統在某一預想故障條件下電壓穩定裕度不足甚至出現電壓失穩。

相對于并聯補償的電容器/電抗器，發電機的動態無功具有響應快速、調節無功平穩等優勢，所以保留足夠的發電機動態無功儲備是一種預防系統故障后電壓崩潰事故突發的有效措施。然而保留過多的發電機動態無功儲備，不充分利用已有的發電機無功容量也是不經濟和不合理的。可通過電壓穩定分析，給出系統在正常和所有故障方式下滿足期望電壓穩定裕度的最小無功儲備。

一般來說，發電機無功出力越大，無功儲備減少，系統的電壓穩定裕度就越少。故障后，如果并聯電容器不能及時投入，則發電機動態無功儲備將決定電壓穩定的程度。在電網的實際運行中，發電機動態無功儲備可分為兩部分：一部分是為保證電網的安全運行而預留的必需的無功儲備；另一部分則可能是由于電網的當前實際無功需求不足而多出來的不必要的無功儲備。

在計算發電機最小動態無功儲備時應剔除不必要的無功儲備。根據這一思想，可在發電機機端添加虛擬的無功負荷，以吸收多余的無功儲備，并保證在所有預想故障條件下，僅依靠發電機的動態無功儲備，就能滿足期望的電壓穩定裕度。

電壓穩定的計算對AVC的控制起到一定的指導作用。這體現在2個方面，一是提出一些關鍵節點（母線）的控制電壓下限，保證系統電壓不會失穩，二是機組預留的無功儲備，保證電壓穩定控制的需要。AVC母線控制電壓下限和機組預留無功儲備的方案可以由以下流程確定。（1）通過連續潮流計算獲得N-1最嚴重故障方式下的崩潰點潮流斷面。（2）以控制母線在崩潰斷面下的電壓幅值和運行導則中設置的較大者作為該母線AVC控制電壓的下限。（3）機組預留無功儲備計算，獲得崩潰點潮流斷面下的各臺發電機組其出力上限與無功出力的差值，并將該差值與出力上限的比值作為儲備系數。

2.2 在線電壓穩定和AVC系統的協調

協調在線電壓穩定監視與控制和AVC的目的是在AVC控制模型中引入電壓穩定性約束條件，保證給出的AVC策略在電網的正常運行和預想故障條件下，都能滿足期望的電壓穩定裕度。

通過電壓穩定分析，給出滿足多預想故障電壓穩定約束的AVC控制電壓和動態無功儲備的下限值，并提交給AVC系統，AVC系統則在相應電壓范圍內搜索控制策略并下發。

3 陜西電網AVC控制策略

3.1 總體控制策略

一方面，AVC所需要的數據，均來自能量管理系統（EMS），另一方面AVC所發出的電壓調節和離散設備動作控制信號，全部是通過數據采集與監控系統（SCADA）中的調節與控制輸出發送。對于具有開放式人機交互界面接口的能量管理系統（或調度自動化系統），同樣能在此基礎上實現AVC的人機交互界面。AVC與EMS接口是通過IEC61970的CIM模型來實現的。IEC61970是一種通用的電力系統模型的標準，這種標準的優點在于各個不同的廠家可以遵循統一的標準，保證了相互間接口的規范性和通用性。使用IEC61970標準能夠實現系統間的無縫接駁，保證了系統間接駁的安全性和穩定性；正由于IEC61970的傳輸和解析都是毫秒級的，所以完全能滿足在線控制的實時性。

AVC系統根據電網實時信息進行周期性計算：如果電壓越限，則調用校正計算模塊，使電壓達到合格范圍；若電壓不越限，則調用優化計算模塊，以達到降低系統網損的目標。同時，當負荷下降時，系統采用逆調壓控制，并將AVC控制點目標電壓送回EMS。

AVC系統總體控制策略示意見圖1。

圖1 AVC系統總體控制策略示意

省調EMS直接將發電廠和330kV變電站的控制點目標電壓下發到SCADA，當地設備（變壓器檔位及電容器等）進行控制。

3.2 主站系統閉環控制程序流程

（1）用無功優化算法可以進行電壓校正，但不收斂的情況較多，計算速度較慢，而且動作設備是全網的控制變量，這樣從控制的經濟性和調度經驗方面考慮都是不可行的。

（2）將優化模塊與校正模塊分離，在電壓正常時優化對全網進行優化，考慮降損并實現逆調壓。由于優化模塊實現了逆調壓，可以最大限度地保證電壓不越限。

（3）在檢測到電壓越限的情況下，啟動校正模塊。校正算法在控制區內根據靈敏度順序選擇控制變量進行校正，只需根據靈敏度準則動作對越限值影響最大的幾個設備。使用基于最小二乘理論的直接校正算法，速度只需幾秒鐘，更加貼近工程實際的需要。

AVC系統主站閉環控制流程見圖2。

圖2 AVC系統主站閉環控制流程

3.3 省調與地調的協調策略

省調AVC系統用于實現對省網的全局電壓控制，地調AVC系統實現對地區電網的全局電壓控制。地調AVC系統通過與省網AVC系統的信息交互，實現省、地AVC系統的協調控制，可有效提高全網的無功電壓控制效果。

地調AVC系統向省調AVC系統上報各關口110kV主變壓器（簡稱主變）的無功可調范圍，省調AVC系統則在此基礎上計算各關口110kV主變高壓側的功率因數，從而將省、地調AVC獨立運行時關口功率因數的控制替換為省、地調AVC系統協調控制時關口功率因數的控制。

此外，也可以在省調AVC側在線計算有功網損及邊界母線電壓對關口無功功率的靈敏度，以及期望的關口功率因數范圍，并發下發給地調AVC系統，地調AVC系統根據上述信息對地調管轄范圍內的設備進行優化控制。

4 數學模型

4.1 無功電壓控制目標函數

在線實時無功優化控制系統模型中，目標值為系統網損最小和電壓水平最合理。如式（1）所示：

式中：N是發電廠高壓側母線節點的集合；ω1，ω2是目標權重。

4.2 電壓穩定約束電壓下限

利用連續潮流法可以求取電壓臨界點，并以此作為電壓下限取值，具體計算流程如圖3所示。將通過連續潮流法計算得出的電壓下限，與其他約束條件連列，得出無功電壓控制的約束條件。

圖3 連續潮流計算流程

4.3 無功電壓控制的約束條件

在進行無功控制時，需滿足以下等式和不等式約束條件：

式中：Vi為節點電壓；Qgi為發電機無功出力；Ti為有載調壓分接頭檔數；Ii為支路電流；Ni為設備動作次數限制；等式為潮流方程約束。

4.4 組合無功優化算法

將內點理論與遺傳算法相結合，用“基于非線性原對偶內點法”和“改進遺傳算法”的組合算法來求解無功優化問題。利用非線性原對偶內點法快速尋優、收斂快等優點處理模型中的連續變量；同時采用小生境遺傳算法來確定離散變量的優化值。小生境遺傳算法克服了簡單遺傳算法隨計算規模的擴大而使收斂速度減慢、容易落入局部極值的缺陷，能夠以較大概率求得全局最優。在無功電壓優化計算中，具體利用改進遺傳算法來求解電容、電抗器投切組容量、有載變壓器分接頭檔位等離散變量，利用非線性原對偶內點法來處理發電機端電壓。組合算法流程如圖4所示。

圖4 組合算法流程

5 AVC系統在陜西電網的投運情況

目前，陜西電網有60%的330kV變電站投運了VQC裝置。但是，VQC裝置的控制策略不合理，僅考慮到了本變電站的無功潮流或功率因數情況，無法進行全網無功補償設備的合理投運和全網無功潮流的最佳協調和控制。所以，在安裝并投運AVC系統后，VQC僅作為AVC系統信息中斷故障時的備用。

圖5是AVC系統接入陜西現有系統的示意圖。AVC系統通過SCADA得到遠端信息，進行優化計算，得到相應的控制信息，并發送給各控制端，對電網的運行進行優化調整。

目前，在陜西電網中，有3個電廠安裝了AVC系統，分別是：寶雞2×30MW，灞橋2×30MW，渭河2×30MW。從投運后的結果來看，AVC系統取得了良好的效果。

圖5 AVC系統接入圖

6 結束語

結合陜西電網，提出了考慮電壓穩定約束的AVC系統的應用方法。選擇了適合于陜西電網的控制模式，即二級電壓控制模式。這種方法能夠協調全網各類無功可控設備，在滿足全網電壓安全穩定的條件下實現經濟運行，滿足全局無功電壓最優控制的全局、實時、優化和閉環等幾個重要特征，同時能滿足陜西電網長遠發展的需要。

[1] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.江蘇電網AVC主站系統的研究和實現[J].電力系統自動化，2004，28（22）：83-87.

[2] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.協調二級電壓控制的研究[J].電力系統自動化，2005，29（23）：19-24.

[3] 孫宏斌，吳文傳，張伯明，等.IEC61970標準的擴展在調度控制中心集成化中的應用[J].電網技術，2005，29（16）：21-25.

[4] 盛戈皞，江秀臣，曾奕.考慮網絡傳輸延遲的二級電壓控制[J].電力系統自動化，2007，31（15）：30-34.