區(qū)域網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化集中控制技術(shù)及其有效性評(píng)價(jià)

摘要：近年來(lái)，電力系統(tǒng)的無(wú)功、電壓在線集中優(yōu)化控制已經(jīng)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，但是目前尚缺少對(duì)其有效性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)方面的研究。介紹了電力系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)及其約束條件，構(gòu)建了無(wú)功電壓優(yōu)化控制技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；基于北京順義地區(qū)的無(wú)功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐，評(píng)價(jià)了無(wú)功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行性能的改善。結(jié)果表明無(wú)功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠有效提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

關(guān)鍵詞：區(qū)域網(wǎng)；無(wú)功電壓；優(yōu)化控制；有效性評(píng)價(jià)

作者簡(jiǎn)介：寧愛(ài)華（1982-），女，北京人，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院碩士研究生，國(guó)網(wǎng)北京順義供電公司，政工師。（北京 102206）

劉楠（1982-），男，北京人，國(guó)網(wǎng)北京順義供電公司，工程師。（北京 101300）

中圖分類號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）33-0204-02

無(wú)功電壓作為衡量電網(wǎng)運(yùn)行水平的重要指標(biāo)，其不僅關(guān)系著電網(wǎng)的電能質(zhì)量，更關(guān)系著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。近年來(lái)，無(wú)功電壓自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)引起了電網(wǎng)運(yùn)行人員和電力科研工作者的廣泛重視。目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為電力系統(tǒng)電壓無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題屬于最優(yōu)潮流（Optimal Power Flow，OPF）范疇，其主體思想是以電網(wǎng)網(wǎng)損最小作為目標(biāo)，以系統(tǒng)可以人為改變和調(diào)節(jié)的物理量（發(fā)電機(jī)端電壓、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和可調(diào)變壓器分接頭）作為控制變量，以節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角等物理量作為狀態(tài)變量，以系統(tǒng)的功率供需平衡作為等式約束，以系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求、安全指標(biāo)以及穩(wěn)定水平作為不等式約束的最優(yōu)化問(wèn)題。

在無(wú)功電壓優(yōu)化控制技術(shù)的理論探索外，國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)行了無(wú)功電壓優(yōu)化控制實(shí)踐，并取了一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在過(guò)去的幾年中，德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)等電力發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)著力進(jìn)行在線全局無(wú)功最優(yōu)控制實(shí)踐，并取得了較好的效果。[1]我國(guó)也越來(lái)越意識(shí)到無(wú)功電壓優(yōu)化控制對(duì)改善電網(wǎng)的運(yùn)行控制的重要性，國(guó)家電網(wǎng)公司要求電力系統(tǒng)配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)能保證在系統(tǒng)有功負(fù)荷高峰和負(fù)荷低谷運(yùn)行方式下，分（電壓）層和分（供電）區(qū)的無(wú)功平衡。目前，華北電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、東北電網(wǎng)等區(qū)域電網(wǎng)以及諸多省級(jí)電網(wǎng)公司陸續(xù)進(jìn)行了無(wú)功電壓優(yōu)化建設(shè)。[2-6]

雖然無(wú)功電壓優(yōu)化控制技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)進(jìn)步并進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐，然而目前學(xué)術(shù)界對(duì)于電力系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制的有效性評(píng)價(jià)還鮮有研究。本文針對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制技術(shù)的有效性評(píng)價(jià)問(wèn)題，開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

一、無(wú)功電壓優(yōu)化控制的技術(shù)指標(biāo)體系

無(wú)功優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的重要手段之一，實(shí)際上在進(jìn)行無(wú)功電壓優(yōu)化控制時(shí)往往要考慮多種因素，并力爭(zhēng)使各種因素協(xié)調(diào)起來(lái)。在進(jìn)行電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化過(guò)程中，控制的目標(biāo)通常考慮電網(wǎng)網(wǎng)損、電壓質(zhì)量、系統(tǒng)的功率因數(shù)等幾個(gè)方面。

1.系統(tǒng)的網(wǎng)損

無(wú)功功率的傳輸與電力系統(tǒng)的網(wǎng)損關(guān)系密切，因此合理分配無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備，減小電力系統(tǒng)網(wǎng)損是無(wú)功電壓優(yōu)化控制的主要目標(biāo)之一。以下以輸電線路為例介紹無(wú)功優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損的影響。

如圖1所示，當(dāng)?shù)墓β柿鬟^(guò)輸電線路時(shí)，其在輸電線路上產(chǎn)生的電能損耗如式（1）所示：

（1）

式中，P、Q為流過(guò)線路的有功、無(wú)功功率，R為線路上的電阻，U為線路的額定電壓。

由式（1）可知，輸電線路的電能損耗與流過(guò)該線路的無(wú)功功率密切相關(guān)，若減小流過(guò)的無(wú)功功率，進(jìn)行無(wú)功功率的分區(qū)分層就地補(bǔ)償將會(huì)在一定程度上減小有功損耗，基于無(wú)功就地補(bǔ)償降耗可描述如下：

（2）

式中，為補(bǔ)償前的損耗；為補(bǔ)償后的損耗；為無(wú)功補(bǔ)償容量。

2.系統(tǒng)的電壓質(zhì)量

節(jié)點(diǎn)電壓值是評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，電壓質(zhì)量的好壞對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低用電損耗等都有直接影響。電網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制應(yīng)確保電力系統(tǒng)電壓水平在各種運(yùn)行方式下滿足要求，保證電壓質(zhì)量，使電壓偏移在規(guī)定的范圍內(nèi)。

仍以圖1所示輸電線路為例，介紹無(wú)功傳輸對(duì)系統(tǒng)電壓的影響。當(dāng)輸電線路上流過(guò)P+jQ的功率時(shí)，引起的線路電壓降落幅度可計(jì)算如下：

（3）

對(duì)于輸電線路而言，其電抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻值，可以近似認(rèn)電壓損耗的大小由流過(guò)輸電線路的無(wú)功功率決定。因此，可以通過(guò)減小輸電線路上的無(wú)功潮流，實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量的目的，其計(jì)算表達(dá)式如下：

（4）

其中為調(diào)節(jié)后電壓，為調(diào)節(jié)前電壓值，為進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后減小流經(jīng)輸電線路的無(wú)功功率值。

3.電網(wǎng)的功率因數(shù)

功率因數(shù)也是評(píng)價(jià)無(wú)功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于視在功率為S的電氣設(shè)備，功率因數(shù)反映了有功功率占設(shè)備總?cè)萘康谋戎担?/p>

（5）

在電源供給負(fù)載的總功率中，由于存在著有功功率做功，無(wú)功功率不做功，在視在功率相同的情況下，如果做功越多，表明有功功率占的比重就越大，對(duì)電力設(shè)備的利用率就越高。因此，在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中總是希望功率因數(shù)越高越好。如果通過(guò)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行合理分配，減小無(wú)功功率的遠(yuǎn)距離傳輸，則能在一定程度上提高電力設(shè)備的因數(shù)，提高設(shè)備的有效利用率。因此，對(duì)功率因數(shù)的優(yōu)化控制也是電力系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化的重要目標(biāo)之一。

二、無(wú)功電壓優(yōu)化控制目標(biāo)及其約束條件

無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題屬于電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流范疇，具體來(lái)說(shuō)就是在系統(tǒng)運(yùn)行方式和控制變量確定的情況下，通過(guò)選取合適的控制變量以使系統(tǒng)在滿足約束條件下盡可能達(dá)到某些目標(biāo)的最優(yōu)，其數(shù)學(xué)模型一般可以用式（6）表示：[7]

（6）

1.無(wú)功電壓優(yōu)化的控制目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)用于反映電網(wǎng)運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)無(wú)功電壓的質(zhì)量要求，用于反映某一種或多種指標(biāo)最優(yōu)，因此通常有多種選擇。從經(jīng)濟(jì)性角度而言其目的是以盡可能少的無(wú)功設(shè)備投入提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損等；從電能質(zhì)量的要求來(lái)說(shuō)，則是使電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓偏離額定值的偏差盡可能小，其目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)描述可分別如式（7）、（8）所示：

（7）

（8）

式中，n表示電力系統(tǒng)內(nèi)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Ui、Uj分別表示節(jié)點(diǎn)i、j的電壓值，Gij表示節(jié)點(diǎn)i、j間的導(dǎo)納值，表示節(jié)點(diǎn)i、j間相角差；表示節(jié)點(diǎn)i的額定電壓水平。

2.無(wú)功電壓優(yōu)化的控制的約束條件

受限于電力系統(tǒng)功率供需平衡及各個(gè)電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行極限，因此在保障無(wú)功電壓優(yōu)化控制目標(biāo)的同時(shí)需要滿足一些等式約束條件和不等式約束條件，相應(yīng)約束條件如下：

節(jié)點(diǎn)電壓約束：

（9）

式中，Vi為節(jié)點(diǎn)i的母線電壓，Vmin指節(jié)點(diǎn)電壓的最小值，Vmax指節(jié)點(diǎn)電壓的最大值。

功率因數(shù)約束：

（10）

為節(jié)點(diǎn)i的功率因數(shù)，、分別表示節(jié)點(diǎn)i的允許的功率因數(shù)下限及上限值。

有載調(diào)壓分接頭檔數(shù)調(diào)節(jié)約束：

（11）

式中，Ti表示第i臺(tái)變壓器的分接頭檔位；、分別表示變壓器分接頭檔位的上下限。

設(shè)備動(dòng)作次數(shù)約束：主要用于限定電容器、電抗器、有載調(diào)壓分接頭動(dòng)作上限，確保設(shè)備的運(yùn)行壽命，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

（12）

式中，Ni表示第i臺(tái)可調(diào)節(jié)設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)，Nimax表示設(shè)備的動(dòng)作上限值。

三、無(wú)功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)施效果評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)無(wú)功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)施效果，本文以北京順義地區(qū)的AVC系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐為例評(píng)價(jià)AVC系統(tǒng)對(duì)改善電網(wǎng)運(yùn)行性能的有效性。

1.AVC系統(tǒng)概述及其技術(shù)路線

順義地區(qū)電網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化閉環(huán)控制系統(tǒng)于2007年6月在順義供電公司調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)正式投入使用。目前，北京順義地區(qū)的AVC系統(tǒng)共接入變電站29座，包括110kV變電站18座，35kV變電站11座，電容器70組，變壓器58臺(tái)。其中16座110kV變電站及8座35kV變電站投入閉環(huán)運(yùn)行。

北京順義地區(qū)的AVC系統(tǒng)采用三層控制結(jié)構(gòu)，其在全網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)度自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)采集全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓、無(wú)功功率、有功功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并依據(jù)全網(wǎng)歷史資料，進(jìn)行超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)計(jì)算，以地區(qū)電網(wǎng)電能損耗最少為目標(biāo)，以各節(jié)點(diǎn)電壓合格、設(shè)備動(dòng)作次數(shù)最少為約束條件，進(jìn)行綜合優(yōu)化處理后，形成有載調(diào)壓變壓器分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切控制指令，借助調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的“四遙”功能，通過(guò)調(diào)度控制中心自動(dòng)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行。圖2給出了相應(yīng)的控制流程圖。

2.AVC系統(tǒng)的有效性評(píng)價(jià)

通過(guò)5年多的運(yùn)行，AVC系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都起到了積極的作用，歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：10kV系統(tǒng)電壓合格率明顯上升，且波幅減小；網(wǎng)損率明顯下降；電網(wǎng)初步具備了逆調(diào)壓功能；眾多主變分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)大大減少；系統(tǒng)無(wú)功調(diào)整響應(yīng)快捷，動(dòng)態(tài)性能好，提高了電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

表1給出了相應(yīng)的電壓波動(dòng)數(shù)值情況。由表1可知，AVC系統(tǒng)投運(yùn)之后電力系統(tǒng)的電壓水平得到了較大的改善，其主要集中在10.15kV至10.55kV之間。相反，在AVC系統(tǒng)投運(yùn)之前，系統(tǒng)的電壓波動(dòng)范圍較大（10.05kV～10.75kV），其在一周之內(nèi)出現(xiàn)了3次電壓越限的情況，其母線電壓合格率已經(jīng)提升至99.7%以上。

表1 AVC系統(tǒng)投入前后電力系統(tǒng)電壓水平對(duì)比

電壓水平

kVAVC投運(yùn)前AVC投運(yùn)后

點(diǎn)數(shù)百分比點(diǎn)數(shù)百分比

>10.730.45%00%

[10.6，10.7]71.04%00%

[10.55，10.6]192.83%91.34%

[10.45，10.55]15923.66%14521.58%

[10.25，10.45]41962.35%50174.55%

[10.15，10.25]578.48%172.53%

<10.1581.19%00%

從2007年至2012年順義地區(qū)的各個(gè)月的電壓合格率統(tǒng)計(jì)情況分析來(lái)看，隨著AVC系統(tǒng)的逐漸磨合，其對(duì)電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量的改善效果越來(lái)越明顯。在2007年6月之前，AVC系統(tǒng)尚未投入閉環(huán)運(yùn)行，此時(shí)電力系統(tǒng)的電壓合格率普遍較低（低于99.4%）；2007年6月之后，AVC系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，其對(duì)電壓質(zhì)量的改善效果明顯，在部分月份電壓的合格率甚至接近于100%。此外，AVC系統(tǒng)投入運(yùn)行后，大大提高了地區(qū)受電功率因數(shù)，增加了無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的利用率，相對(duì)于AVC系統(tǒng)投運(yùn)前主網(wǎng)網(wǎng)損下降了1%。

根據(jù)AVC系統(tǒng)投運(yùn)前后一個(gè)月內(nèi)某變壓器分接頭檔位投切次數(shù)分析，AVC系統(tǒng)投運(yùn)前主變分接開(kāi)關(guān)共動(dòng)作145次，AVC系統(tǒng)投運(yùn)后主變分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作40次，平均可減少至1/3左右，明顯減小了變壓器分接頭檔位投切次數(shù)，相應(yīng)地，主變分接開(kāi)關(guān)檢修周期可延長(zhǎng)3倍。

四、結(jié)論

本文針對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制技術(shù)及其有效性評(píng)價(jià)問(wèn)題，構(gòu)建了電力系統(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制的數(shù)學(xué)模型及其有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；基于北京順義地區(qū)AVC系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐，評(píng)價(jià)了AVC系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行性能的改善情況。評(píng)價(jià)結(jié)果表明AVC系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都起到了積極的作用。AVC系統(tǒng)投運(yùn)后系統(tǒng)的網(wǎng)損率明顯下降；10kV系統(tǒng)電壓合格率明顯上升，且波幅減小；主變分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)大大減少。研究工作能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制項(xiàng)目的有效性評(píng)價(jià)提供參考。

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