電網(wǎng)二級電壓控制的現(xiàn)狀分析和發(fā)展方向

劉 利

天津三美電機有限公司，天津 300163

電網(wǎng)二級電壓控制的現(xiàn)狀分析和發(fā)展方向

劉 利

天津三美電機有限公司，天津 300163

本文結合我國現(xiàn)在的國情，重點闡述了二級電壓控制對我國的重要性，以及他的基本特性和控制模式，總結了當今的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展方向。

二級電壓；最優(yōu)控制；協(xié)調控制

1 概述

我國幅員遼闊，電力系統(tǒng)結構龐大。已建成的跨省電力系統(tǒng)有5個，即華東系統(tǒng)、東北系統(tǒng)、華中系統(tǒng)、華北系統(tǒng)和西北系統(tǒng)。對于如此龐大而復雜的電網(wǎng)系統(tǒng)隨聯(lián)網(wǎng)容量的增大和輸電電壓的提高，輸電功率變化和高壓線路的投切都將引起很大的無功功率變化，系統(tǒng)對無功功率和電壓的調節(jié)和控制能力的要求越來越高。

另一方面，由于受電力市場化變革的影響以及來自環(huán)境、經濟和技術方面的制約，為了充分利用系統(tǒng)資源，現(xiàn)代電網(wǎng)越來越接近于其極限運行狀態(tài)，這使得電網(wǎng)缺乏靈活的調節(jié)能力，特別是在某些緊急運行情況下，電網(wǎng)更加脆弱。

近幾十年來，國內外電力系統(tǒng)由于電壓穩(wěn)定破壞問題，曾發(fā)生多次大面積停電事故，對國民經濟造成極大危害。例如，2008年1月的 我國南方雪災，2008年5月的汶川地震，等重大事件加快了我國朝著超高壓、遠距離輸電、大區(qū)互聯(lián)和電力市場化的方向發(fā)展，電壓穩(wěn)定問題也將會威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，對電壓穩(wěn)定問題及措施的研究必須給予高度的重視。

自動電壓控制AutomaticVoltageCona'ol——簡稱AVC，是第27屆中國電網(wǎng)調度運行會議上提出的現(xiàn)代電網(wǎng)調度新技術的發(fā)展方向之一。而法國的三級電壓控制模式的研究和實施始于上世紀70年代，經歷了近40年的研究、開發(fā)和應用，是目前國際上公認為最先進的電壓控制系統(tǒng)。該模式由三級控制組成：即一級電壓控制（Primary Voltage Control），二級電壓控制（Secondary Voltage Control）和三級電壓控制（Tertiary Voltage Control）。一級電壓控制由具有一定無功電壓支撐能力的廠（站）自動控制裝置組成，屬本地控制，僅用本地的信息。如同步發(fā)電機的自動電壓調節(jié)器（AVR），并聯(lián)電容器控制時間常數(shù)一般為幾秒。在這級控制中，控制設備通過保持輸出變量盡可能地接近設定值來補償電壓的快速和隨機的變化。二級電壓控制由不同的層組成，層內也可能分區(qū)，也可能不分區(qū)，通過修改一級控制器的設定值來協(xié)調區(qū)域內一級控制器的行為。控制時間常數(shù)為幾十秒到分鐘級，控制的主要目的是保證層內引導節(jié)點（Point Node）電壓等于設定值。三級電壓控制是AVC的最高層，以控制中心EMS作為決策支持系統(tǒng)，以全系統(tǒng)的經濟運行為優(yōu)化目標，在滿足系統(tǒng)安全約束條件下，給出層間聯(lián)系設定值（電壓或無功潮流），供二級電壓控制使用。3級電壓控制模式更加適合現(xiàn)階段中國電網(wǎng)的特點和需求。電力系統(tǒng)無功電壓控制是保證現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)。無功電壓控制主要是合理安排和充分利用電網(wǎng)中的無功功率補償容量和調節(jié)能力。隨時保持正常運行情況下和事故情況后電網(wǎng)中各樞紐節(jié)點的電壓在正常水平，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2 重要性

2.1 二級電壓

二級電壓控制在整個分級控制模型中承上啟下，是重要的一環(huán)。它的主要任務是以某種協(xié)調的方式重新設置區(qū)域內各自動電壓調節(jié)器（一級電壓控制）的參考值或設定值，以達到系統(tǒng)范圍內的良好運行性能。它首先將整個系統(tǒng)分解成若干控制區(qū)域（control zone），在每個控制區(qū)域中選出其最關鍵的對區(qū)域內其他節(jié)點有重要影響的電壓母線為“中樞母線”（pilot node），并根據(jù)中樞母線的電壓偏差，按照某種預定的控制方式協(xié)調，有效的調整區(qū)域內各控制發(fā)電機（control generators）的AVR的參考電壓設定值或其他無功源的設定值，從而使中樞母線的電壓基本保持不變，進而維持整個區(qū)域的電壓水平，并使無功分布在一個良好的狀態(tài)。

2.2 基本特性

本文的二級電壓控制的基本原理，體現(xiàn)了其“區(qū)域性”和“協(xié)調性”。二級控制器的輸入信號為先導節(jié)點的電壓偏差，反映出本區(qū)域的電壓水平；二級電壓控制器的區(qū)域無功信號在各臺控制發(fā)電機單元之間的分配以及對發(fā)電機無功越限的處理則體現(xiàn)了控制的協(xié)調性。本文的二級電壓控制器在系統(tǒng)發(fā)生電壓擾動期間，能夠從區(qū)域電壓穩(wěn)定的角度出發(fā)，調整各一級電壓控制器的電壓參考值，從而調整其無功出力，為系統(tǒng)提供所需的電壓支持，使得本區(qū)域的負荷電壓水平維持在較好的狀態(tài)，并且在一定程度上提高了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

可以采用協(xié)調二級電壓控制（CSVC，C00rdinated Secondar，bltage CoIm01）策略在電網(wǎng)安全、經濟和優(yōu)質之間進行有效的協(xié)調。

2.3 二級電壓控制與切負荷的協(xié)調

為保證二級電壓控制的可靠性，必須對上一節(jié)的復雜問題進行合理簡化。事實上，電容器／電抗器的投切主要起到無功補償?shù)淖饔茫淠繕耸蔷S持無功電壓的分層分區(qū)基本平衡，對整個電網(wǎng)起一個基礎的無功支撐，與發(fā)電機無功相比，電容電抗器直接從負荷側對無功變化進行補償，避免無功經過較長的傳輸路徑從發(fā)電機送到負荷側，可以將發(fā)電機無功保持在上調、下調均有較大裕度的中間位置，從而保證應對緊急情況的動態(tài)無功儲備，提高大電網(wǎng)的動態(tài)安全性。為此，我們在發(fā)電機和電容電抗器的協(xié)調控制中考慮以下原則：

1）電容電抗器作為基礎的無功補償，優(yōu)先進行投切；

2）發(fā)電機無功出力作為動態(tài)電壓支撐和連續(xù)調節(jié)變量，主要在離散設備不具備控制能力的情況下進行。

低壓切負荷是解決電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的一種有效的預防和校正控制措施，在電力系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應用和研究。在緊急情況下，可以將部分負荷作為二級電壓控制的對象，將二級電壓控制和切負荷有效地協(xié)調起來進行控制，防止系統(tǒng)電壓崩潰。

2.4 二級電壓控制和切負荷的協(xié)調

1）在緊急情況下，二級電壓控制和切負荷可以組合（同時）或者順序進行，以消除電壓不穩(wěn)的狀況。組合協(xié)調過程是將改變一級電壓控制系統(tǒng)的電壓預設值和切負荷同時進行，在每一控制步內都需要一級電壓控制系統(tǒng)的調整量和切負荷量。它另一種二級電壓控制和切負荷的協(xié)調是順序進行二級電壓控制和切負荷。首先考慮一級電壓控制系統(tǒng)的調整量，充分利用系統(tǒng)的無功資源，直至系統(tǒng)的可用的無功資源耗盡。然后再考慮切負荷控制。

2）二級電壓控制的控制變量只包括發(fā)電機無功，在二級電壓控制過程中認為電容電抗器的投切狀態(tài)不會發(fā)生改變，但是要保證協(xié)調變量屹在控制后滿足變電站子站給出的協(xié)調約束。

（1）電容電抗器的投切可以看作是一種基礎的無功支撐狀態(tài)，每一個電容電抗器動作后相當于由一個支撐狀態(tài)過渡到另一個支撐狀態(tài)，但由于電容電抗器的離散性質，其控制量為階越量，只能實現(xiàn)一種粗放式的調節(jié)，因此在當前投切狀態(tài)和下一個設備動作后的狀態(tài)之間有一個控制的空白區(qū)域，這個范圍內的控制是無法由變電站的電容電抗器實現(xiàn)的，而二級電壓控制重點正是在這樣的兩次設備投切之間進行調節(jié)，目的是利用發(fā)電機無功的連續(xù)調節(jié)能力實現(xiàn)精細化的調節(jié)。

（2）當電容電抗器全部投入或者退出，變電站電壓或者無功仍然不能滿足要求的情況下，說明此時離散控制設備的控制能力已經耗盡，在這種情況下應當利用發(fā)電機的動態(tài)無功調節(jié)能力作為必要的補充

2.5 理想化最優(yōu)控制模式

1）分別對應秒級（一級電壓控制時間常數(shù)）、分鐘級（二級電壓控制時間常數(shù)）和小時級（三級電壓控制時間常數(shù)）。并保證系統(tǒng)在經濟性和安全性目標上達到性能最優(yōu)。如果要實現(xiàn)最優(yōu)控制系統(tǒng)，工程應用中需具備以下條件。

（1）必須能夠保證可靠求解最優(yōu)控制策略；

（2）必須能夠準確獲取全網(wǎng)各節(jié)點的狀態(tài)。

2）目標解耦性分析，從“安全第一、經濟第二”的原則出發(fā)，可以將原有的理想化的最優(yōu)控制模式分解為穩(wěn)定預防控制和穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制。在實際的應用中，對當前電力系統(tǒng)進行預想故障掃描，如果系統(tǒng)處于正常不安全狀態(tài)，進行預防控制決策計算，提高系統(tǒng)的安全水平電網(wǎng)絕大部分時間處于正常安全運行狀態(tài)，此時進入穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制計算模式，

3 二級電壓控制的發(fā)展方向

3.1 變電站二級電壓自動控制裝置（VQC裝置）

在調度自動化系統(tǒng)未實用化的時候，地區(qū)電網(wǎng)采用就地平衡、分散調整的方式使用VQC裝置，實現(xiàn)僅僅面向單個變電站的運行控制。

3.2 主站集中式自動電壓控制系統(tǒng)軟件（AVC）

隨著計算機技術和通訊技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)調度自動化技術已經基本在地區(qū)級電網(wǎng)都做到了實用化，在此基礎上出現(xiàn)了主站集中式自動電壓控制系統(tǒng)軟件（AVC）。

3.3 AVC與VQC裝置聯(lián)合協(xié)調控制方案探討

考慮到VQC和AVC的特點，國內也有專家提出AVC系統(tǒng)和VQC裝置聯(lián)合協(xié)調控制的技術思路。

3.4 二級電壓控制的發(fā)展趨勢

電力系統(tǒng)二級電壓控制作為電力系統(tǒng)自動化的一個重要組成部分，具有電力系統(tǒng)控制所固有的復雜性、非線性、不精確性以及控制要求實時性強等特性，使得其中有些方面難以用傳統(tǒng)盼數(shù)學模型和控制方法來描述和實現(xiàn)，于是研究人員開始借助人工智能方法解決這些難題，并推動智能控制技術在電力系統(tǒng)二級電壓控制領域廣泛應用。近年來，由于基于人工智能技術的各種智能控制手段具有一些常規(guī)控制所不具備的智能特性，如可以引入專家的經驗知識、能夠處理不確定性問題、具有自學習和獲取知識的功能、適于處理非線性問題等，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的關注，獲得了大量的研究成果，成為電力系統(tǒng)中一個重要的研究領域。

4 結論

二級電壓自動控制是近年來電力工程界的研究熱點，并且有大量成果得到應用并且產生了可觀的效益。本文介紹了VQC裝置和AVC系統(tǒng)軟件的發(fā)展。從以上分析可以看出，二級電壓控制由手動控制走向自動控制、由分散控制走向集中式的遞階控制、由無序控制走向優(yōu)化控制、由單機單一控制走向網(wǎng)絡分級控制，由主網(wǎng)二級電壓控制走向主配網(wǎng)全網(wǎng)二級電壓控制，由區(qū)域優(yōu)化控制走向分層分級聯(lián)合協(xié)調控制。

[1]郭慶來，孫宏斌，張伯明.協(xié)調二級電壓控制的研究.電力 系統(tǒng)自動化，2005(23).

[2]張伯明，吳素農，蔡斌.電網(wǎng)控制中心安全預警和決策支 持系統(tǒng)設計.電力系統(tǒng)自動化，2006(6).

[3]趙洪菊，葉鵬，曾林鎖，孫峰.電力系統(tǒng)最優(yōu)二級電壓控 制，2007.

[4]徐冰.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與二級電壓控制的研究.碩士學位 論文，2006，2.

[5]華梁.基于多智能系統(tǒng)的二級電壓協(xié)調控制研究.碩士學位 論文，2009，6.

[6]Corsi S.The secondary voltage regulation in Italy[c]// IEEE/PES 2000 Summer Meeting.Seattle.Washing- ton.2000：16-20.

[7]Wen J Y,Wu Q H,Turner D R,et a1.Optimal coordi- nated voltage control for power system voltage stability[J].IEEE Trams on Power sysetm，2004，19(2)： 1115-1122.

TM7

A

1674-6708（2010）28-0088-02