自動電壓控制中考慮降壓減載的協調控制方法

潘凱巖 李綏榮 王玉琴

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

自動電壓控制中考慮降壓減載的協調控制方法

潘凱巖 李綏榮 王玉琴

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

處理電網中設備過載或錯峰的傳統方法是通過自動負荷控制的方法，切除優先級較低的負荷，其缺點是最終會導致部分用戶停電。本文在傳統的自動電壓控制及考慮負荷電壓特性的基礎上，通過建立負荷的 ZIP模型及計算變電站有功負荷和負荷母線電壓之間的靈敏度，從而實現通過投切電容或調節變壓器檔位的方法來調節電壓，最終達到通過AVC來減載的目的，從而達到了AVC與降壓減載的協調控制。現場運行情況表明，本文提出的方法是有效的，可以通過調節電壓的方法達到減載的目的從而保證了供電質量。

自動電壓控制；負荷特性；降壓減載；靈敏度

近年來，自動電壓控制（AVC）技術得到了充分的發展，成熟的 AVC技術逐步應用到各級電網中。AVC從全網角度分層、分區對電壓和無功進行協調優化控制，是提高電壓質量、優化無功潮流分布、降低網損、減輕勞動強度的有效手段[1]。

在電網系統運行過程中，對于超計劃用電或設備重載運行的情況，文獻[2-4]通過負荷轉移的方法來實現消除設備過載的情況，該方法的缺點是如果轉供后依然有設備過載，則不能達到消除設備過載的目的。文獻[5]提出通過負荷自動切除的方法來實現消除過載的情況，該方法的缺點是短時間內會引起用戶停電。

目前對于地區電網負荷特性的分析較少涉及，而且這些研究主要是調研普查性質，較少進行定量分析，未對變電站負荷特性進行深入分析，分析結果較為粗略。

文獻[6]通過計算地區的典型負荷特性指標的方法分析了地區負荷特性變化規律，文獻[7]分析了影響電網負荷特性的主要因素，并提出了加強典型行業和用戶負荷特性的調研等相應建議。文獻[8]針對廣域電力系統中負荷節點面廣量大的困難提出了基于日負荷曲線的統計綜合方法，得出各負荷節點中行業用電構成的負荷比例。

目前文獻通常對負荷特性進行獨立研究，本文通過對地區電網的靜態負荷特性及負荷點的動態特性進行分析，并與自動電壓控制系統（AVC）的實際調節相結合：根據自動電壓控制系統得到檔位及無功補償設備的動作情況，實時啟動相關數據的記錄統計分析過程，最終得到短期各變電站有功功率跟隨負荷母線電壓急劇變化的相關數據，去除負荷本身的變化量后，從而得到實時的PV靈敏度系數，同時通過分析變電站負荷的ZIP模型進一步從理論上驗證計算出的 PV靈敏度系數的合理性。最后根據負荷的 PV靈敏度系數及用戶需要切除的負荷量計算出需要調節的電壓量，通過調節檔位或投切電容的方法來實現調節電壓，最終實現降壓減載的目的。

1 地區電網傳統的自動電壓控制策略

九區圖法是最早被應用到 VQC的一種控制策略。是通過實時監測變壓器低壓側母線電壓和變壓器高壓側無功功率（或功率因數），并以此作為控制狀態量，根據其工作點在各運行區間的對應邏輯關系，得出調節分接頭和投切電容器的控制指令。

文獻[9]在九區圖上針對各區域邊界控制上進行了更為細致的劃分得到十七區，本文在基于長期的工程應用總結了更符合實際運行狀況的各區調節模式，策略調節圖如圖1所示。

圖1 十七區圖示意圖

這里以調節設備為電容器或變壓器優先，則不同區的調節策略如下。

1）電壓越上限無功越下限（UHQL），即在區域1內：

（1）切電容器。

（2）如果控制方式為電壓優先，下調分接頭。

（3）區域聯調切電容器。

（4）如果控制方式為電壓優先，強切電容器。

2）電壓越上限無功正常偏低（UHQML），即在區域2內：

（1）切電容器。

（2）如果控制方式為電壓優先，下調分接頭。

3）電壓越上限無功正常（UHQM），即在區域3內：

（1）切電容器。

（2）下調分接頭。

4）電壓越上限無功正常偏高（UHQMH），即在區域4內：

（1）調節設備方式為電容器優先

①切電容器。

②下調分接頭。

③如果控制方式為電壓優先，強切電容器。

（2）調節設備方式為變壓器優先

①下調分接頭。

②如果控制方式為電壓優先，強切電容器。

5）電壓越上限無功越上限（UHQH），即在區域5內：

（1）下調分接頭。

（2）如果控制方式為電壓優先，強切電容器。如果控制方式為無功優先，強投電容器。

（3）如果控制方式為電壓優先，區域聯調切電容器。如果控制方式為無功優先，區域聯調投電容器。

6）電壓正常偏高無功越下限（UMHQL），即在區域6內：

（1）切電容器。

（2）區域聯調切電容器。

7）電壓正常無功越下限（UMQL），即在區域7內：

電壓正常偏低無功越下限（UMLQL）。

（1）調節設備方式為電容器優先

①切電容器。

②判斷上調分接頭升高電壓后有可切的電容器，則上調分接頭。其原理就是先升高電壓，進入UMHQL，然后再在下一輪切電容器。

③如果控制方式為無功優先，強切電容器。

④區域聯調切電容器。

（2）調節設備方式為變壓器優先

①上調分接頭。

②如果控制方式為無功優先，強切電容器。

③區域聯調切電容器。

8）電壓正常無功越上限（UMQH），即在區域8內：

電壓正常偏高無功越上限（UMHQH）。

（1）調節設備方式為電容器優先

①投電容器。

②判斷下調分接頭降低電壓后有可投的電容器，則下調分接頭。其步驟就是先降低電壓，進入UMLQH，然后再在下一輪投電容器。

③如果控制方式為無功優先，強投電容器。

④區域聯調投電容器。

（2）調節設備方式為變壓器優先

①下調分接頭。

②如果控制方式為無功優先，強投電容器。

③區域聯調投電容器。

9）電壓正常偏低無功越上限（UMLQH），即在區域9內：

（1）投電容器。

（2）區域聯調投電容器。

10）電壓越下限無功越下限（ULQL），即在區域10內：

（1）上調分接頭。

（2）如果控制方式為無功優先，強切電容器。如果控制方式為電壓優先，強投電容器。

（3）如果控制方式為無功優先，區域聯調切電容器。如果控制方式為電壓優先，區域聯調投電容器。

11）電壓越下限無功正常偏低（ULQML），即在區域11內：

（1）調節設備方式為電容器優先

①投電容器。

②上調分接頭。

③如果控制方式為電壓優先，強投電容器。

（2）調節設備方式為變壓器優先

①上調分接頭。

②如果控制方式為無功優先，強投電容器。

12）電壓越下限無功正常偏高（ULQMH），即使在區域12內：

（1）投電容器。

（2）如果控制方式為電壓優先，上調分接頭。

13）電壓越下限無功正常（ULQM），即在區域13內：

（1）投電容器。

（2）升檔位。

14）電壓越下限無功偏高：（ULQH），即在區域14內：

（1）投電容器。

（2）如果控制方式為電壓優先，上調分接頭。

（3）區域聯調投電容器。

2 降壓減載建模

2.1 負荷建模

1）靜態綜合負荷模型

綜合負荷模型是指在電力系統分析計算中對負荷特性所作的物理模述或數學描述。本文中對以工業負荷為主的變電站采用ZIP模型。這里負荷建模是以變電站的綜合負荷為最小單位，而不是傳統意義上的單個獨立的負荷。ZIP模型將綜合負荷看成由不同比例的三種基本元件組成的，如圖2所示。

圖2 ZIP模型

變電站綜合負荷的電壓特性用數學公式表述出來，就是對應的負荷電壓數學模型，可用如下二次多項式表示：

式中，VN為額定電壓，PN和QN分別為額定電壓時的有功和無功功率，ap、bp、cp分別為上述三種有功負荷的組成百分比系數，aq、 bq、cq分別為上述三種無功負荷的組成百分比系數。

式（1）和式（2）表明，負荷的有功和無功功率都由三個部分組成，第一部分與電壓平方成正比，代表恒定阻抗消耗的功率，第二部分與電壓成線性關系，代表恒電流負荷對應的功率，第三部分與電壓無關，為恒功率組成部分。可根據實測的電壓－負荷靜態特性使用最小二乘法擬合求解。上述系數應該滿足以下等式約束：

2）動態負荷電壓特性系數

對于變電站的綜合負荷動態模型，由于其用電設備數量很大，各設備的工作狀態帶有一定的隨機性和時間屬性，因此變電站的綜合負荷的模型結構很難確定，難以使用一個簡單的負荷模型結構來描述。而在電壓急劇變化的時候，尤其是此電壓變化是由于變壓器檔位或者無功補償設備的投運和退出引起的較短時間內，絕大多數設備的運行狀態及變電站的運行方式等可以看作是固定不變。在這種情況下，綜合負荷的模型結構基本上是相對穩定和不變化的，因此可以使用靜態綜合負荷模型來描述。此時記錄變電站內變壓器檔位動作和無功補償設備投退后短期內PV連續變化數據，可以使用最小二乘法按擬合求解并得到一個對應的實時負荷模型系數。

3）基于統計的負荷系數計算

根據得到的各負荷變電站額定有功功率 PN和相關負荷電壓特性歷史存盤數據，利用最小二乘法擬合法對式（1）進行求解，最終可以求得各變電站的綜合負荷系數。

2.2 實時PV靈敏度系數

通過統計AVC在歷史調節過程中，以檔位或者無功設備動作為起點，實時記錄有關功率與電壓在一定時間內的變化情況，可以得到短時間內有功隨電壓變化而變化的曲線數據。通過多次實測數據，可以求得任意時刻選定變電站的負荷母線電壓上單位電壓值變化引發的有功變化量，該值即為變電站的實時PV靈敏度系數。得到的PV靈敏度系數和式（1）得到的模型系數可以相互驗證，也可以用于預判和實時計算實時運行態下變電站負荷母線電壓急劇變化在一定時間有功負荷的變化值。每次得到的預判值可以通過后續記錄實測數據來進行驗證，這樣同樣也可以對 PV靈敏度系數再作進一步的修訂和改進。

計算方法如下。

實際應用中，PV靈敏度系數可以通過實測方法來獲取。假設S為變電站有功負荷對負荷節點母線電壓的靈敏度系數，計算公式為

其中

Pt為AVC調節操作開始后2min內t時刻記錄的變電站有功負荷值。

P0為 AVC調節操作下發時刻記錄的變電站有功負荷值。

Vt為AVC調節操作開始后2min內t時刻記錄的關聯負荷母線電壓值。

V0為 AVC調節操作下發時刻記錄的關聯負荷母線電壓值。

3 處理流程

3.1 負荷點有功負荷及其母線電壓的獲取

AVC進行變壓器檔位調節或者無功設備的投退控制時，自動記錄相關設備及變電站信息，在預定時間周期內持續獲取和保存相關變電站內的負荷和負荷點電壓的實時數據。

一般來說，地區電網的AVC的監視周期為30s，如果監控點電壓連續3個周期都是越限的，則執行遙控處理，即通常的遙控執行周期為90s，在進行降壓減載的協調控制中，在每次AVC進行執行遙控的前后，記錄上述相關變電站內的負荷及負荷點的電壓變化情況作為最終的統計數據。一般來說，以90s為周期進行統計數據量已足夠多，所得數據按根據動作記錄時間分為峰谷平，峰為 8點到 12點以及14點到17點，平為12點到14點以及17點到21點，其他時段為谷。

在 AVC正常運行的情況下記錄一個月數據作為最終的統計時間段，然后以時間曲線、數據表格及負荷電壓模型分析等多種形式提在檔位調節、電容電抗投切后的示變電站有功功率和電壓變化規律。

3.2 數據預處理

為了保證最后的分析結果正常，在真正開始分析前要進行數據預處理。

預處理主要包括數據過濾和數據截取兩個過程。數據過濾將不合理的數據排除在最終的原始數據集合中，而數據截取則是決定單次操作中數據的斷面個數，將多余的數據截除掉。

1）數據過濾

對獲取的數據進行分析前要將不合理的數據過濾。不合理數據主要是指那些在記錄過程中完全無變化、或者變化超出正常情況的數據。導致異常數據發生的主要原因有：①在數據收集時 SCADA出現了死數的情況；②調壓/無功調節操作未正確完成也會導致不合理數據的出現。

2）數據截取

每次AVC動作保存數據的周期必須足夠長，以保證保存的數據比最后分析需要的要多，因此在存盤時會保存很多多余的數據。多余的數據如果不在分析前截取，會影響分析，甚至導致不能得到正確的結果。由于每個變電站的數據反應速度有差異，數據截取根據各變電站的實際數據曲線進行。

3.3 數據查詢和展示

數據查詢包括可以查詢負荷節點母線實測電壓值隨時間變化的情況，即 V/t曲線，變電站有功功率隨時間變化的曲線，即 P/t曲線，以及一個時間段內靈敏度隨時間變化的曲線等。

3.4 求解負荷變電站的額定有功功率PN

將日期劃分為工作日、周末、節假日等類型，同一類型日期再劃分為高峰、低谷及平谷三個時間。根據日期與時間段劃分，對現有統計歷史數據進行分類、過濾及分析、對負荷變電站求解相應日期時間類型的額定有功功率 PN。額定有功功率 PN主要用于ZIP模型求解，其含義為節點負荷母線電壓為額定電壓時對應的變電站有功功率。

3.5 負荷變電站的ZIP模型求解

根據 3.2求解得到的各負荷變電站額定有功功率PN數據和相關負荷電壓特性歷史存盤數據，利用最小二乘法擬合法對公式（1）進行求解，最終求得不同日期時間類型下的ap、bp、cp。

得到所有變電站的 ZIP模型參數后，再通過SCADA實時采集數據進行修訂和驗證。即在 AVC的統計周期內基于統計數據計算得到ap、bp、cp后，再通過SCADA實時采集的負荷有功及相應的母線電壓，代入到式（1），以驗證ap、bp、cp的合理性，如果通過 ap、bp、cp的及實采的電壓計算得到的負荷有功與實際采集的負荷有功的誤差過大，則說明ap、bp、cp存在問題，需要重新對ap、bp、cp進行統計計算。

3.6 靜態電壓穩定及動態電壓穩定校核

根據負荷的負荷特性來通過調節電壓的方法來進行錯峰或消除設備過載的持續時間比較短，所以通常不會引起靜態電壓穩定及動態電壓穩定問題，如果地區電網 EMS應用軟件配有在線電壓穩定計算模塊，則可以將預調節信息及整個電網信息傳給電壓穩定模塊[10]，由電壓穩定計算系統判斷是否會引起電壓失穩的問題，如果最終計算會導致電壓失穩，則不能通過降壓減載的方法來進行錯峰處理，只能按傳統的方法切除部分負荷以保證電網安的全穩定運行，如果地區沒有配置電壓穩定模塊，則應根據母線電壓與調節的控制設備（變壓器檔位、投切電容）的靈敏度關系，計算得到應調節的檔位或最大投切量，以保證經過調節后母線電壓不出現越限情況，如果母線電壓越限，則應立刻進行閉鎖以保證電網穩定運行。

4 應用效果分析

本文提出的在 AVC中綜合考慮降壓減載協調控制系統已經在廣東某供電公司投入運行，在運行過程中首先通過 AVC系統實時記錄相關分析數據（包括變電站綜合有功負荷、母線電壓、檔位、電容器投切）信息等，最終通過最小二乘擬合得到負荷的ZIP模型系數以及負荷的有功電壓靈敏度系數。

某一斷面的相應的峰谷平時段有功靈敏度及ZIP模型系數見表1。從表1可以看出，變電站有功電壓靈敏度實測值最高為7.45，最低為1.49，最高和最低值之間相差5倍，沒有出現數量級上的差別。

表1 典型變電站峰谷平有功靈敏度及模型參數列表

AVC中綜合考慮降壓減載的協調控制系統在負荷高峰時可以分區域、廠站、設備來針對用戶設置的需要切除的負荷進行切除，處理中首先獲取需要切除的負荷總量，最終根據相關變電站的有功電壓靈敏度系數得到需要調節的電壓量，最終由AVC完成相應的檔位或電容投切的方式來實現調壓從而最終達到減載的目的。

5 結論

在 AVC中考慮降壓減載的協調控制方法中通過記錄在調節過程中變電站有功負荷與母線電壓的變化規律，并統計分析得出變電站綜合有功負荷電壓特性及影響因素，得到各變電站有功負荷和負荷母線電壓之間的變化規律曲線和數學表達式。最終得出在變電站負荷相對穩定時電壓變化是否會引起負荷的變化，其變化是否存在相關性以及關鍵因素。同時，通過負荷的ZIP模型來進一步驗證所得出的PV靈敏度系數的合理性，為進一步的降壓減載研究提供理論依據和數據支撐，最終達到節能降損、降壓減載的目的。

在 AVC中綜合考慮降壓減載的協調控制系統里，由于不直接切除負荷，從而提高了供電的可靠性，同時又不影響原來的 AVC的自動電壓控制功能，軟件功能改動較少，易于實現。現場運行結果表明該方法具有一定的通用性，在地區電網中具有一定的推廣價值。

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Application of Voltage-decreasing and Load Shedding based on Load-voltage Characteristics in Automatic Voltage Control

Pan Kaiyan Li Suirong Wang Yuqin
(Dongfang Electronics Corporation,Yantai,Shandong 264000)

It often happens that the power grid runs beyond its schedule or the power device works beyond its safety restriction.The traditional method is to shed some loads by real-time automatic load controlling system.In this paper,a method of soft load shedding is given by the studying the relation of load real active power and its corresponding voltage in the AVC system.The field running results show that this method can meet the real-time demand and supply power to users as much as possible on the basis of power grid safety.

automatic voltage control;load characteristics;voltage-decreasing and load shedding;sensitivity

潘凱巖（1973-），男，碩士，高工，架構師，從事 EMS/DMS系統軟件的研發工作。