基于分層分區的地區電網電壓無功優化控制

高冬那

摘 要：根據地區電網輻射狀運行的特點與無功分層分區平衡就地補償的原則提出了地區電網電壓和無功分層分區域綜合協調控制的方法。通過電壓區域控制與電壓校正控制協調控制的方法實現電網電壓合格。在電壓合格的前提下，通過區域無功控制、變電站站無功控制、主變無功控制三重控制策略使各廠站功率因數維持在較高的水平，實現無功合理分布。現場運行情況表明所提的控制方案能夠保證電壓合格，無功合理分布，有效降低網損。

關鍵詞：分層分區；九區圖；靈敏度；地區電網；電壓無功控制

引言

電力系統的無功分布情況也直接影響著電力系統的安全和穩定并且與系統網損有著直接的關系。總之系統電壓合格、無功合理分布對提高電力系統運行的經濟性、安全性和重要性有著重要意義。

地區電網電壓無功優化控制主要是通過調節有載變壓器分接頭和無功補償裝置來實現的。目前關于地區電網的電壓無功控制理論有很多種，一是基于潮流算法的，如快速解耦法、靈敏度分析法、最優潮流法等；二是基于控制理論的，如模糊邏輯理論、模糊決策樹理論、專家系統等。三是基于區圖控制的，如九區圖等。但是這些理論在計算速度、實時性等方面仍存在一些不足之處。

文章利用地區電網輻射狀供電特點，采用分層分區綜合協調控制的方法實現電壓無功優化控制。將地區電網劃分為以220kV廠站為“根節點”的若干個輻射狀的控制區域，通過區域電壓控制和單站電壓校正控制協調控制實現點煙合格，電壓合格后通過區域無功控制、單站無功控制、主變無功控制三重無功控制策略實現無功最優分布。

1 基本原理

1.1 九區圖原理

九區圖控制策略是按照固定的電壓和無功上限和下限將電壓和無功劃分為九個區域，按照變電站的電壓和無功所在的區域確定調節方法。U是變壓器低壓側的母線電壓，Q是變壓器高壓側的無功功率。Q越下限表示變電站向電網倒送無功，Q越上限表示電網的無功不足，Q上限與下限之差應大于一組電容器的容量。

1.2 靈敏度分析

對于地區電網的無功優化問題，就是要確定各母線進線無功的變化對系統有功網損的靈敏度系數，選擇靈敏度較高的母線作為無功補償的優先候選母線。

2 控制方案

2.1 分層分區

在110kV及以下電壓等級的電網解環以后，220kV等級以下的配電網呈樹狀分布。這種情況下，可以將地區電網以220kV母線為根結點劃分成若干個分別包含一個220kV變電站及其下屬一個或幾個110kV變電站的區域，各分區之間的聯絡點為位于分區關口的220kV母線，每個分區之間的耦合性大大降低，從而為無功分區平衡創造了便利條件。在220kV主變高壓側對地區電網和省級電網進行分層，然后在地區電網內部進行分區。

2.2 電壓控制

文章采用的電壓控制方案分為區域電壓控制和單個變電站的電壓校正兩部分。通過這兩部分的協調控制，可以保證系統所有的母線電壓穩定在合格范圍之內，又可以有效減少設備的控制震蕩。

區域電壓控制就是從整體上調節各個電氣分區的母線電壓水平，使電壓處在一個合理的范圍之內。首先掃描每個區域內中壓側的母線電壓水平，通過比較當前的母線電壓和設定的母線電壓，統計出每個區域中壓側母線電壓的合格率（s%）。然后用此電壓合格率和設定的合格率限值（-d%）比較，如果s>=d，則對應的區域內電壓整體水平相對合理，不需要調整。反之，區域內電壓水平不合理，然后通過具體的電壓情況來調節區域根節點的電壓水平，從而使本區域內電壓整體水平趨于合理。

單個變電站電壓校正控制采用九區圖控制原理。根據變電站電壓和無功所在的分區確定控制方案，通過調節變壓器分接頭和投切電容器的方法來調節低壓側母線電壓水平，使母線電壓穩定在合理的范圍之內。在調節分接頭和投切電容器這兩種調節手段上，文章采用的做法是通過投入有限的電容器來調節母線電壓。

兩種控制電壓的方法不是孤立的，兩種方法有輕重先后之分。系統載入電網模型之后，先進行區域電壓控制。分別判斷各個區域電壓的整體水平，然后對需要調節的區域進行區域電壓控制，當區域內各節點電壓質量達到一個合理的水平時，再依次對區域內的各個變電站進行電壓校正控制，最后達到系統內全部母線電壓合格的目的。

2.3 無功優化控制

電網分區形成以后，就可以分別按照區域控制無功。但是在實際的電力系統中，將各個區域關口的母線注入或者流出的無功功率值始終控制在零是無法實現的，難以做到真正的無功優化。一種工程上可靠、成熟的方法就是將關口母線的功率因數值控制在一個比較高的水平上。文章采用無功的次優化分布，即在盡可能小的范圍內實現無功按分區平衡。

依次循環各區域，得到分區的關口母線（一般為220kV變電站高壓側母線），形成一個以220kV母線為根節點的拓撲結構，依次通過主變無功控制、區域無功控制、單站無功控制三重無功控制策略，確保區域內各場站功率因數合格，在盡可能小的范圍內實現無功按分區平衡。

3 現場應用情況

文章提出的電壓無功綜合協調控制方案已經應用到地調自動電壓控制（AVC）系統中，下面通過電壓、功率因數和網損情況比較AVC調節和人工調節的優缺點。

現場應用情況表明AVC系統調節電網電壓質量的合格率明顯高于人工調節；AVC系統調節在功率因數上比人工控制有一定的優勢，尤其是在傍晚和凌晨電力系統負荷水平比較低的時候，AVC系統能夠使電網功率因數保持在較高的水平；某地調投入AVC后主網線損率比投入前下降了0.02%，可見AVC系統降低了網供線損。

4 結束語

文章對地區電網采用分層分區域綜合協調控制的方案，使電壓和無功在時間上解耦，通過大區域電壓控制和單個變電站電壓校正控制的方法保證電網電壓合格，在電力系統電壓質量合格的基礎上進行無功優化控制保證電網無功合理分布。通過各地調AVC系統運行情況可以看出，該方案能有保證系統電壓合格、無功合理分布，并能有效降低網損。

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