廣東清遠電網自動電壓控制策略研究

廣東電網公司清遠供電局 卞 超

自動電壓控制技術（Automatic Voltage Control，以下簡稱AVC）的總體控制方案是對電網進行分層分區控制，使AVC控制在空間上協調作用。分層一般根據電壓等級劃分；分區是根據無功平衡的局域性，以一個220kV的變電站為中心，將該廠站和其所屬下級廠站及設備化為一個分區，必要時以電氣距離遠近進行理論分區并作校正。AVC根據電網電壓無功空間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，對電網內各變電站的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，從全局的角度對廣域分散的電網無功裝置進行協調優化控制，實現全網無功電壓優化控制閉環運行。

1.分層分區

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220kV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[1]。

典型的地區電網區域接線圖如圖1所示。

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，如圖1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。

2.電壓控制策略

2.1 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。具體措施如下：對一個區域內所有10kV母線的電壓進行判斷（只對電壓在9-11kV的母線統計，停運或電壓不正常的母線不計入統計，但非閉環站納入計算），如果60%的母線電壓越（上下）限（清遠地區上下限定值設為10.3--10.55kV），則相應的（向下上）調節區域內220kV站主變抽頭，從而達到全局控制，避免了區域內多站投切電容或調整檔位操作。同時還可以避免關口無功的波動，增大了AVC可控對象裕度。

2.2 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。具體控制策略如圖2所示。

2.3 電壓控制的選擇與約束條件

圖2中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、10kV越限母線進行電壓調節，上述220kV電壓均指被調節的母線所在分區內的根節點220kV母線電壓。對35kV和6kV母線，只有就地電壓控制模式，其控制策略與圖2中針對110kV和10kV母線的策略一致。不論是區域電壓控制模式或是就地電壓控制模式，為實現調壓目的而對主變檔位進行升降或對電容器進行投切操作時，均考慮以下約束條件：

針對電容器，投入電容器前進行以下預判：

a)投入電容器時該廠站主變或所在區域內220kV主變無功倒流。若某110kV站主變閉鎖且10kV母線電壓越下限，為保證該10kV母線電壓，在不造成區域220kV關口無功倒流的情況下，可暫時忽略本110kV站主變高壓側的無功，強投電容。清遠電網由于存在較多地方電，特別是三連一陽地區小水電集中，在豐水期必然存在關口無功倒送的情況，這時在控制策略里面分片對各關口允許合理限值的無功倒送220kV電網；

b)該時段電容器動作次數越限，一般根據各站負荷特性，分峰谷時段設定允許電容動作次數，防止電容器頻繁投切增大設備故障風險；

c)該電容器已投入；

d)該電容器被切除后時間小于5分鐘，避免電容未充分放電投入運行；

如以上4個條件成立則不投入電容器，電容器優先投入動作被過濾。

針對主變，調整主變檔位前也進行以下預判：

a)主變并列運行檔位相差大（大于等于2檔），目前清遠電網AVC相差1檔則自動調節一致。

b)主變檔位動作次數越限，清遠地區有較多重工業（如大型鐵廠），該類變電站電壓特性呈寬幅鋸齒狀，若不限制檔位動作次數，每日調檔可達50次，對變壓器運行產生極為不利影響。對于寬幅鋸齒狀電壓特性的站，應盡量將時段分得更細，日運行動作總次數一般不高于10次。

c)主變處于極限檔位（最高檔/最低檔）。

d)主變距上次調整時間小于2分鐘，避免頻繁調檔引起脫扣。

如以上4個條件成立則不進行檔位調節，主變檔位優先動作被過濾。

對于并列主變調節時考慮如下策略：

a)根據基于開關刀閘狀態的拓撲算法判斷是否并列運行，如果主變無負荷即輕載情況下，主變不在AVC控制范圍內。

b)檔位調整時同步調節，保證檔位的一致性；若并列主變中一臺調節成功，另一臺調節失敗，則不將已調節成功的主變檔位調節回去，并提示并列主變檔位不一致。

c)對于7檔、17檔等不同變比并列運行的主變，根據人工填寫AVC并列檔位對照表，以使系統調節時能自動對齊使變比一致。

3.無功控制策略

3.1 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[2]。

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。

3.2 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Q×X。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220kV 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Q×X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Q×X，若切除后Q×X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。

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Q×X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.設備閉鎖策略及安全措施

針對以下情形，AVC可將設備閉鎖并自動觸發生成AVC告警信號：

1)通過設置關聯SCADA保護信號，AVC可檢測到設備的保護動作并自動閉鎖對該設備的控制，同時發告警信號。一個設備可關聯多個保護信號，同時一個保護信號也可關聯多個設備，信號之間以“或”的關系進行處理，只要設備關聯的其中一個保護信號動作即閉鎖該設備。

2)如果對某個設備的控制連續兩次均無響應，則閉鎖對該設備的控制，并發出設備拒動的告警信號。

3)在220kV主網電壓過低(系統默認為213kV)的情況下，系統自動閉鎖上調220kV主變分接開關，防止造成主網電壓崩潰。

4)出現主變滑檔情況時，系統自動閉鎖對主變分接頭的控制，并發滑檔告警。

5)系統自動計算電容器和主變分接頭的動作次數，當達到該時段動作次數限值后，自動閉鎖該設備，并發設備動作次數越限的告警信號。

6)在AVC沒有下發指令時，如果檢測到有電容器開關遙信變位或主變檔位調整的情況，則判為手工操作，AVC閉鎖對該設備的控制，并發手工操作的告警信號。

7)主變或電容器掛牌時，AVC自動讀取掛牌標志并閉鎖相關設備。

8)當主變高壓側的無功或電流大于(小于)定值時(定值在變壓器控制表中設定)，閉鎖該主變調壓。

9)當母線電壓越事故限值時(默認高于11.9、低于9.0)，閉鎖該母線調壓，并發母線過電壓或母線欠電壓的告警信號。

10)當母線電壓因各種原因發生異常時，母線電壓越限±20%自動閉鎖該母線的AVC控制，當母線電壓處于額定電壓±20%以內時，任意運行主變在600秒內發生同一方向上連續調壓3次，則對該主變自動硬閉鎖，并由運行人員確認調壓原因后，手動解鎖恢復該主變的AVC運行。

11)對同一段母線上的電容器當日動作次數進行分析，將同一段母線上年度動作次數最少的電容優先受控，并根據動作次數對電容受控序列排序，避免了AVC控制時會出現對某一電容器次數較多而另一電容器次數較少的不對稱現象。

[1]賴永生,劉明波.電力系統動態無功優化問題的快速解耦算法[J].中國電機工程學報,2008,28(7):32-39.

[2]何仰贊,溫增銀.電力系統分析(第三版)[M].武漢:華中科技大學出版社,2002.