省地AVC系統協調控制技術研究及其實現

趙美蓮，賴業寧，董愛芹

（1.南京工程學院，江蘇南京211167；2.國網電力科學研究院，江蘇南京210003；3.安陽優創電力設計院有限責任公司，河南安陽455000）

電力系統的快速發展使得電網規模不斷擴大，電網結構和運行方式也變得日益復雜，這對電網的安全分析和運行監控都帶來巨大的技術挑戰。作為提高電壓質量、降低系統網損和提高電壓穩定水平的重要手段，近年來自動電壓控制（AVC）技術備受電業業界所重視。明確要求新一代電網調度自動化系統（EMS）建設中應包含AVC系統建設內容，各網省主站系統應具備AVC系統調節功能，并加大研究省地AVC系統協調控制技術。無功電壓控制是一項復雜的系統工程，其基本原理是分層分區控制[1-3]。以往一般采用局部、分散、人工的控制方式，缺乏全局協調，這勢必影響了控制的時效性和準確性，難以獲得良好的控制效果。隨著調度自動化系統的技術發展以及電能質量要求的不斷提高，無功電壓分析與在線控制技術得到了快速發展和工程實用化，各網省級調度中心和地區級調度中心紛紛建設并投入了AVC系統[4-8]。

1 省地AVC協調控制總體方案

1.1 基本原理

從物理本質上看，省調AVC系統和地調AVC系統之間的協調控制可等效為電源側和負荷側之間的無功電壓協調控制，如圖1所示。省調主站AVC系統是全網無功電壓協調控制的核心，主要通過基于全網的電壓校正與無功優化算法，且綜合考慮各種控制變量約束，計算出合理的無功電壓控制策略。省調主站AVC系統直接控制管轄范圍內的直調電廠機組無功出力、投切500 kV變電站低壓無功補償設備及主變分接頭調整等，使各個區域內樞紐母線電壓在規定范圍或按最優運行。與此同時，省調主站AVC系統向地調子站AVC系統發送相應的關口母線（一般選擇220 kV變電站高壓母線）電壓控制目標值，實現省調主站與地調子站之間的協調控制。地調AVC系統控制策略則是以220 kV及以上主網安全穩定運行為前提，基于省調下發的目標值進行子站控制策略的分析和計算。

圖1 省地AVC協調控制原理示意圖

1.2 總體方案

全網無功電壓優化協調控制系統一般采用 “集中決策—分層控制”模式，以安全性和經濟性為約束，實現分層分區控制。分層主要是指按電壓等級進行無功平衡控制，可分為3個級控制層。一級控制通常是快速反應的閉環控制，響應時間為1 s至幾s內，如發電機組（包括調相機）的無功功率控制、靜止無功補償器的控制，以及快速自動投切電容器和電抗器等；二級控制系統協調一個區域內一級控制設備的工作，響應時間為分鐘級；三級控制則協調、優化二級控制系統，指導值班人員的干預，除安全監視及控制外，經濟問題主要在三級控制中考慮，以按安全和經濟運行原則協調優化運行狀態；三級電壓控制的目標是實現全網電壓無功的協調控制，可根據離線分析經驗或專家系統設定各控制區的主導節點電壓。從三級電壓控制體系看，相互間的協調是取得全局優化效果的關鍵。省地協調電壓控制技術方案如圖2所示。

在圖2的控制框架中，省級AVC系統進行全網無功優化，實時計算出地區電網中協調變量的最優設定值，然后通過調度數據通信網下發。在地區電網的協調控制決策中，除了滿足本級電網的控制目標外，還需要實時跟蹤由省級電網給出的協調變量的最優設定值。

圖2 省地協調電壓控制的框架圖

1.3 協調控制流程及其安全性機制

基于省地無功電壓控制的安全性需求，設計的協調控制流程如下：

（1）全網無功優化。以全網有功網損最小化為目標進行全網無功優化，計算出控制母線的目標期望值。在滿足220 kV母線電壓合格的前提下，省調AVC盡量控制220 kV變電所主變關口無功負荷滿足220 kV線路無功達到經濟分布。

（2）控制目標下發。省調AVC系統向地調AVC系統下達每個220 kV變電所無功目標期望值指令。

（3）控制指令校核與執行。地調AVC系統接收到省調下發的控制目標指令后，首先進行指令的有效性校核，校核通過后立即執行，若校核通不過，則閉鎖遠方控制并發報警。

（4）地調AVC系統具備遠方/本地2種運行模式，其開環/閉環狀態應及時上傳省調AVC系統。遠方模式下按省調指令運行，本地模式下按本地考核指標運行。在規定時間內接收不到省調AVC系統下發數據，則閉鎖遠方控制并發報警，切換到本地模式運行；收到省調AVC系統下發數據后，應自動恢復正常，切換到遠方模式。

（5）為了細化上下級之間的控制策略與調度管理，地調AVC系統應將必要的信息通過SCADA上傳省調，其中包括各臺電容器的投切狀態、受控狀態、閉鎖狀態及實際的可控無功容量；各臺有載變壓器分頭位置、受控狀態及閉鎖狀態；各廠站閉環控制狀態。

2 協調控制策略

2.1 協調變量的選擇

根據目前我國省地電網調度職能劃分，可考慮選擇220 kV主變高壓側無功功率（功率因數）作為協調變量。將該協調變量作為可調變量，并加以嚴格的約束條件，在約束條件中綜合考慮無功分層平衡原則和地調電網的調節能力。然后將該控制變量及其約束條件加入省級三級電壓控制的無功優化模型中進行統一求解，以保證省地AVC之間協調策略的匹配。

2.2 省調側的策略考慮

根據無功就地平衡的原則，在正常情況下不希望出現省調與地調之間出現大的無功流動，尤其在220 kV電網電壓正常的情況下，不希望地調側向省調側倒送無功，這主要是因為地調側統計的可投總容量是中壓側輻射電網的總加，其傳輸必然要經過一定的路徑，由這部分容量來支持省調的無功需求是不經濟的。而在省調模型中也無需考慮地區電網的內部細節，因此，有必要在地調側設定一個分層平衡點，這可以通過對220 kV主變中壓側無功功率（從主網流入主變為正）施加一個限制來實現：為接近0的正數。但在緊急情況下，若220 kV電網電壓越限，且發電廠失去調節能力的情況下，此時只能利用地調側作為無功支撐，此時不再考慮就地無功平衡，取消約束，即令為一個比較大的負數，以地調側的全部實際控制能力為準。

實時優化計算地調220 kV變電站高壓側無功的控制目標，在正常情況下盡量維持220 kV主變無功就地平衡；在220 kV電網電壓越限，且發電廠失去調節能力情況下，犧牲地調電網的無功平衡參與主網調壓；對地調AVC下發220 kV變電站關口無功目標指令。

2.3 地調側的策略考慮

為加強上下級的協調性，地調AVC系統上傳對220 kV電壓的期望值，該期望值表明從地調側調壓的角度出發所期望的省網側220 kV電壓值，作為省網AVC系統進行全局優化時的參考。

地調AVC系統將每個220 kV變電站可投切電容器容量、變壓器分接頭位置及其所轄110 kV電網可投切電容器容量上傳至省調AVC；在不違反自身約束的條件下，地調AVC控制220 kV以下變電站的電容器和變壓器分接頭，滿足省調AVC下發的220 kV變電站關口無功目標指令。

地調AVC系統上傳無功量應分為2個部分：關口廠站正常無功可調范圍和緊急無功可調范圍。地調AVC系統對從220 kV變電站向下輻射的電網進行實時的掃描，生成這2個無功可調范圍，并上傳給省調AVC系統。

3 省地協調的通信方案設計

省地協調的通信模式可根據當地調度中心的通道情況、數據質量而采用不同的方式，但其主要設計基點都是實時性和安全性要求。

（1）使用現有的上、下行通道，或者采用數據網，二者互為備用。通信規約在現有規約基礎上修改，報文格式如圖3所示。

圖3 AVC通信報文格式

報文中通道標志00表示正常，01表示中斷。使用現有省地調數據采集與監控（SCADA）/EMS數據轉發功能實現控制指令傳遞，實現容易，即在地調SCADA數據庫中建立遙信、遙測轉發表，接收省調下行指令，并上傳控制狀態。控制精度一般取為區域電網中電容器容量平均值（一般為5～10 MVar）。

（2）基于E語言協議。在這種模式下，省地協調的信息基本流向如圖4所示。

圖4 地協調的信息基本流向示意圖

省調AVC系統和地調AVC系統制定相應的數據交換內容，并通過設置標志文件等機制進行讀寫閉鎖。采用E語言文件方式時，必須通過安全性和正確性校驗，保證文件在傳輸過程中的可靠性。基本方法是在導出端生成校驗碼，接收端根據校驗碼對文件進行校驗。例如采用MD5算法進行文件安全性校核，MD5是國際通用的標準算法，算法穩定可靠，是文件校驗最成熟的算法之一。安全性校驗的具體過程如下：①導出端生成E語言文件。②導出端利用MD5校驗程序對該E語言文件生成一個校驗文件。③導出端同時將兩個文件傳送到接收端。④接收端利用校驗文件對E語言文件進行校驗，正確時進入下一步處理，否則報警。

4 工程應用

以我國某省級電網電壓協調控制的工程應用為例，分析該省調與地調AVC系統的協調控制效果。省調AVC系統經過全網優化計算 （一般采用周期計算模式，每15 min自動計算一次），得出各關口母線的電壓控制目標值，然后以電壓上下限值的帶寬形式下發控制指令。地調AVC系統接受到省調指令后，調節其管轄區域內的無功電壓調節設備，動態跟蹤該目標值。某關口母線電壓在一天內動態跟蹤目標值的運行情況如圖5所示。從圖5可以看出，關口母線電壓能夠較好地跟蹤省調下發的電壓目標值（能嚴格運行在其規定的限值范圍內），且其電壓變化趨勢與省調期望值變化趨勢相一致，表明省調AVC系統和地調AVC系統之間的優化協調控制效果良好。

圖5 關口母線電壓跟蹤曲線

5 結束語

本文結合無功區域性分布特點和當前調度一體化要求，基于電壓三級控制體系架構，提出了省地AVC系統協調控制的總體技術方案。省級AVC系統進行全網無功優化，實時計算出地區電網中協調變量的最優設定值，然后通過調度數據通信網下發。地區電網根據自身的無功電壓調節能力，實時跟蹤由省級電網給出的目標期望值。文中所提出的技術方案和控制策略在實際工程應用中表明，較好地解決了當前省地AVC系統之間的協調控制問題。

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