電壓無功自動控制策略在地區電網中的應用

張 玲 劉 簫

（1.西寧供電公司，西寧 810008；2.海東供電公司，青海 平安 814000）

隨著地區電網的迅速發展，電網結構日趨復雜，用電負荷日益增長，用電客戶要求不斷提高，為保證電網安全、優質和經濟運行，對電能質量提出了更高標準和更嚴格的要求。

與調度自動化系統 EMS平臺一體化設計的AVC（Automatic Voltage Control）系統為提高電網主網的電壓質量，降低主網網損，實現電網運行在線控制，減輕值班人員人工調整電壓的勞動強度，提供了先進的技術力量。

西寧地調AVC系統已經成功在線運行，所轄區內已有27所變110變電站納入AVC控制體系，110站AVC覆蓋率已達到87.97%.隨著工作的開展，覆蓋率還將進一步提高，為AVC系統發揮本身優勢提供了較好的外部條件。

1 AVC系統結構

1.1 AVC含義

在自動裝置作用和給定電壓約束條件下，借助調度自動化系統的“四遙”功能和計算機、網絡通信技術，使發電廠的勵磁、變電站、和用戶無功補償裝置的出力及變壓器的分接頭都能按指令自動進行閉環式調整，使其注入電網的無功逐漸接近電網要求的最優值，從而使全網有接近最優的無功電壓潮流，達到電壓好和網損低的目的，這個過程叫做自動電壓控制，簡稱AVC[1]。

1.2 AVC系統結構

AVC系統采用與EMS平臺一體化設計，從PAS網絡建模獲取控制模型、從SCADA獲取實時采集數據并進行在線分析和計算，對電網內各變電所有載調壓裝置和無功補償設備進行集中監視、統一管理和在線控制，最終將實現全網無功電壓優化控制閉環運行[2，3]。

圖1 AVC系統數據信息流向

2 控制模型和算法

2.1 控制模型

AVC控制不直接追求網損最小，而是盡量使無功在就地平衡，減少每條支路無功傳輸，最大程度降低網損，其數學模型可表達為

1）目標函數

式中，P、R、Q、X、U分別代表電網中各支路有功、電阻、無功、電抗、電壓。

2）約束條件

電壓滿足限值約束，關口無功或功率因數合格。

3）控制變量

地區電網可控設備為電容器和有載調壓變壓器分接頭。電容器和有載調壓變壓器分接頭為離散型變量，每天調節次數有限。電容器向系統注入無功，有載調壓變壓器可改變無功分布。

4）控制模型層次

圖2 AVC控制模型層次圖

2.2 控制算法

AVC 在保證算法實用性基礎上不斷提高先進性，采用解析算法與專家規則混合算法求解，解析算法包括實時網損靈敏度優化分析計算等，專家規則是建立控制規則專家知識庫對控制指令進行分析校核，混合算法保證了控制系統的魯棒性及控制決策的精度、速度和可靠性。

1）實時靈敏度優化分析

根據電力系統的解耦特點，兩節點電壓的相位差主要與流經節點間支路的有功功率有關，而其幅值則主要取決于流經支路的無功功率。選取 PV母線無功注入QG，PQ母線無功QD 以及有載調壓變壓器分接頭T為控制變量，所關心的狀態變量有PQ節點電壓 VD 以及全網網損 PL。靈敏度分析討論控制變量變化將引起狀態變量多大程度的改變[4]。

在潮流計算中很容易采用攝動法[5]計算各狀態變量和控制變量之間的靈敏度，可以與用公式計算的靈敏度相比較。攝動法具體而言就是對逐個對電容器投/切掃描計算，對變壓器升/降掃描計算，并形成靈敏度二維因子表見表 1，便于優化分析和專家知識庫使用。

表1 靈敏度二維因子表

2）經濟壓差原理

對于支路潮流計算有下列公式

輸電損耗：ΔP = R×P2/U2 +R×Q2/U2

線路壓降：ΔU≈P×R+Q×X）/U

式中，R為線路電阻，X為線路電抗，P為輸送有功功率，Q為輸送無功功率，U為母線電壓。分析上述公式可以得出：U越大，Q越小，則輸電損耗和線路壓降越小，Q=0時，線路無功分點恰好位于中點，此時 ΔU稱為經濟壓差。經濟壓差原理是高電壓水平下無功分層分區平衡原則極限狀態的定量表示。

3）分層分區原理

根據無功平衡的局域性和分散性，AVC對地區電網電壓無功分層分區控制，使其自動控制在空間上解耦。AVC數據庫模型定義了廠站、電壓監測點（母線）、控制設備（電容器、變壓器）等記錄，并根據網絡拓撲實時跟蹤方式變化，進行動態分區，以330kV樞紐變電站為中心，將整個電網分成若干彼此間無功電壓電氣耦合度很弱的區域電網。

典型的地區電網區域接線圖如圖3所示。

圖3 地區電網區域接線圖

AVC中的區域是動態的概念，最小區域為一個廠站，最大區域則為全網。AVC分區支持自適應區域嵌套劃分，該圖中可劃分出A、B、C、BC、ABC等5個區域。AVC控制僅僅使地區電網無功在關口滿足功率因數要求、達到平衡是遠遠不夠的。為優化無功平衡狀態，必須在盡可能小的區域范圍內使無功就地平衡。AVC自動拓撲分區支持自適應區域嵌套劃分，首先盡量使小區域無功就地平衡，如果該區域無功就地平衡無法得到滿足，則將該區域范圍擴大到相鄰廠站，在此擴大區域內使無功得到就地平衡。

3 控制策略

AVC 采用廠站/區域兩級控制體系，可自行設置廠站按本地控制或按區域控制。本地控制時根據九區圖基本原理[6]動作，區域控制時參與全網優化協調。AVC具備區域電壓控制、就地電壓控制和區域無功控制三種控制模式，并根據無功電壓分布狀態自動選擇控制模式并使各種控制模式自適應協調配合，實現全網優化電壓調節。優先順序是“區域電壓控制”＞“電壓校正控制”＞“區域無功控制”。區域電壓偏低（高）時采用“區域電壓控制”，快速校正或優化群體電壓水平；越限狀態下采用“電壓校正控制”，保證節點電壓合格；全網電壓合格時考慮經濟運行，采用“區域無功控制”。

3.1 電壓控制策略

1）區域電壓控制

區域群體電壓水平受區域樞紐廠站無功設備控制影響，是區域整體無功平衡的結果。結合實時靈敏度分析和自適應區域嵌套劃分確定區域樞紐廠站。當區域內電壓普遍偏高（低）時，調節樞紐廠站無功設備，以盡可能少的控制設備調節次數，使最大范圍內電壓合格或提高群體電壓水平，同時避免區域內多主變同時調節引起振蕩，實現區域電壓控制的優化。

2）就地電壓控制

由實時靈敏度分析可知，就地無功設備控制能夠最快、最有效校正當地電壓，消除電壓越限。當某廠站電壓越限時，啟動該廠站內無功設備調節。該廠站內變壓器和電容器按就地電壓策略協調控制，實現電壓無功綜合優化。

3）電壓控制協調

根據電網電壓無功空間分布狀態自動選擇控制模式，控制模式優先順序為“區域電壓控制”>“電壓校正控制”。區域電壓偏低（高）時采用“區域電壓控制”，僅個別廠站母線越限時采用“電壓校正控制”，自適應給出合理的全網電壓優化調節措施。

4）具體控制策略（如圖4所示）

注：①無論是通過區域電壓控制模式還是就地電壓控制模式對110kV或10kV越限母線進行電壓調節，上述330kV電壓均指被調節的母線所在分區內的根節點330kV母線電壓；②對 35kV和 10kV母線，只有就地電壓控制模式，其控制策略與上圖中針對110kV和10kV母線的策略一致。

圖4 地區電網具體控制策略圖

3.2 無功控制策略

針對區域無功可能出現的過補和欠補兩種情況，AVC的無功控制相應地可分為無功切除、無功投入兩個操作方向。在無功切除或投入時需對區域內電容器序列切除和投入，分析判斷指標即是根據上述經濟壓差原理的QX。其中，Q為線路上流動或穿過主變的無功，X為線路或主變阻抗。

區域無功切除策略

（1）從區域根結點330kV A站開始掃描，將當前區域注入無功與考核標準進行比較，當偏差大于所設定精度（即帶寬）時，啟動區域無功切除策略。

（2）將任意結點（A站、B站、C站均有可能）下屬子區域已投入電容器放進切除隊列，并按電氣指標QX進行升序排列。

（3）當選擇某站（如 A站）電容器切除時，計算切除前后電氣指標QX，若切除后QX變小，說明切除該電容器不會使網損增加，確實應該切除；否則，選擇隊列中的下一個電容器。

（4）切除電容器時對電壓進行預判，如果切除后電壓可能越下限，則上調檔位后再切除該電容器（組合策略）。若上調檔位不成功，則選擇下一個電容器。

3.3 區域無功投入策略

1）從區域最末端結點開始掃描，將當前區域注入無功與考核標準進行比較，當無功不足且偏差大于所設定精度（即帶寬）時，啟動區域無功投入策略。

2）將任意結點（A站、B站、C站均有可能）下屬子區域已切除電容器放進投入隊列，并按電氣指標QX進行降序排列。

3）當選擇某站（如 C站）電容器投入時，判斷該電容器投入是否使區域根結點（關口）無功越上限，如果不越上限則投入；否則，選擇隊列中的下一個電容器。

4）投入電容器時對電壓進行預判，如果投入后電壓可能越上限，則下調檔位后再投入電容器（組合策略）。

4 AVC系統安全策略

AVC安全策略通過建立由 AVC系統內部產生的異常事件和由外部 SCADA傳遞的異常事件及保護事件庫，濾除輸入輸出環節誤差或“噪聲”的諸多干擾，采用事件觸發-閉鎖機制，遵循以下原則：

1）在330kV主網電壓過低的情況下，AVC不但閉鎖調節 330kV主變分接頭，而且對于 110及35kV變電站盡量投入電容器、禁止上調分接頭，不從主網吸收無功，防止造成主網電壓崩潰。保證控制安全可靠性并減輕運行人員處理異常事件的工作量。

2）考慮設備檢修、備用、控制周期、動作次數、變壓器檔位調節等控制屬性進行閉鎖或控制。

3）建立異常事件和保護事件庫，方便事件庫擴充。異常和保護事件都可根據庫中設置閉鎖相應AVC控制設備。

4）廠站工況退出、遙控遙調通道出現故障或平臺出現其他故障時自動閉鎖。

5）配置用戶AVC應用權限，控制用戶是否能進行 AVC操作及置數，自動記錄參數修改操作信息，保證軟件使用安全性。

6）被控對象控制方式分為“開環”、“閉環”和“監視”，并可對系統、廠站、監控母線、調壓設備分級設置，其優先級是系統＞廠站＞監控母線＞調壓設備。

5 AVC在西寧地調的應用情況

目前，國內許多地調已成功實現地區電網自動電壓控制，AVC系統都達到了設計要求，西寧電網已成功將 AVC納入EMS/SCADA系統中，并已初見成效，表2為AVC系統投運前后6個月母線電壓合格率對比。

表2 AVC投運前后6個月平均母線電壓合格率對比

AVC的應用有效改善了西寧電網各節點電壓水平，提升了電壓合格率，全網35kV和10kV電壓平均合格率都有了顯著提高，電壓波動幅度明顯減小，35kV線路多為用電大客戶，對電壓質量要求較高，電壓質量的提高提升了客戶滿意程度，樹立了公司良好的品牌形象。

6 結論

AVC已經成功應用于西寧地調系統，將為提高西寧地區電壓質量，優化地區電網無功潮流，減輕運行人員負擔發揮巨大作用。目前我國全網AVC閉環控制工程應用仍然處于起步階段，應用更加注重提高實用性，使先進算法研究與具體工程實際相結合，提高應用水平。AVC并不是孤立的技術問題，而是一個各方面相互關聯的問題。隨著電力系統的發展和計算機、自動化技術的提高，地區電網之間的遠程協調也越來越受重視。因此在以后的 AVC發展過程中，將會逐步解決地區電網與其他地區電網之間相互配合協調的問題。

[1]朱軍飛,唐寅生,周全人.電網AVC分層控制[J].2002(3).

[2]殷駿.無功自動調控裝置在 AVC系統中的應用[J].華東電力,2005(9).

[3]吳銀鳳,肖源,鄺先驗.地區電網電壓無功優化閉環控制系統設計[J].電氣應用,2007,26(11):33-36.

[4]孫宏斌,張伯明,相年德.準穩態靈敏度的分析方法[J].電機工程學報,1999(4).

[5]孫衛東.靈敏度關系求取的多變量攝動法及其應用研究[J].系統仿真學報,2001(2).

[6]張利生.電力網電能損耗管理及降損技術[M].北京:中國電力出版社,2005(5).