基于實時潮流算法的AVC系統優化控制策略

許 愷，郭 猛，胡文麗，周錦哲，劉 超，陳驥群

(國網河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071051)

0 引言

2012年國家電網有限公司全面開展“三集五大”體系建設，使監控業務更加集中化，從而導致了調控中心人員力量嚴重不足，因而對自動化系統提出了更高的要求。基于D5000調度自動化平臺的自動電壓控制(Automatic Voltage Control，AVC)系統是大運行建設實施的重要保障體系之一，可實現對電網內各變電站的有載調壓裝置和無功補償設備的集中監視、統一管理和自動在線控制[1-3]。

隨著AVC系統全面閉環運行，電壓管理實現了從經驗型到智能型的轉變，電壓及無功調整人工干預逐步減少[4-6]。AVC系統智能化極大地減輕了電網調控人員對電壓監控的工作強度，提高了輸電網用戶用電的效率、可靠性，為保證電網安全、穩定經濟運行，降低電壓崩潰事故而引起的大規模停電風險發揮了有效作用。然而，在電網的實際運行中，AVC系統所存在的問題也逐步顯現出來[7-9]。

a.AVC系統控制策略過于簡單，未考慮負荷高峰期間高限和低谷期間低限對于電壓的特殊要求，個別時段的受端電壓存在高峰時越下限運行，低谷時越上限運行的現象，僅靠AVC自動調壓，電網電壓的合格率較低，造成人工干預調壓工作量大。

b.未能解決提高AVC系統動作靈敏度與降低動作次數之間的矛盾[6-9]。監控人員通常為了減少電容器投切次數與主變壓器分接頭調節次數，而擴大其電壓整定值范圍，導致AVC系統調節靈敏度偏低，不利于電網的安全穩定運行。

為了解決這些問題，介紹了電網九區圖法調壓原理，并基于實時潮流算法，提出了一種AVC系統優化控制策略，由低壓側母線的實際帶載情況及高壓側母線的電壓要求，通過計算得到此時低壓母線的電壓限值，并結合低壓側母線電壓控制范圍，最終確定AVC系統電壓動作限值。該控制策略有效提高了AVC系統動作靈敏度，對保證電網安全穩定運行，減少客戶投訴率具有重要意義。

1 九區圖法調壓原理

地區電網AVC系統控制策略通常以九區圖法為原理。九區圖控制法原理是調節有載調壓變壓器分接頭及投切電容器，使系統盡量運行于區域0，如圖1所示。

圖1 九區圖法示意

各區域決定的9種運行狀態的控制規則分析如下[10]：

a.區域0，電壓與無功均滿足要求，為穩定工作區，此時AVC不動作。

b.區域1，電壓越上限，無功正常。此時應調節變壓器分接頭降壓至電壓正常。若分接頭檔位已上調至最高擋，而電壓仍高于上限，則強行切除部分電容器。

c.區域2，電壓越上限，無功越上限。此時優先調變壓器分接頭降壓，若分接頭檔位已上調至最高擋，而電壓仍高于上限，則強行切除部分電容器。

d.區域3，電壓合格，無功越上限。此時應投入電容器使無功正常。

e.區域4，電壓越下限，無功越上限。此時優先投入電容器，若無電容器可投或電容器組投完后電壓仍越下限，則調節變壓器分接頭升壓至電壓正常。

f.區域5，電壓越下限，無功正常。此時應調節變壓器分接頭升壓至電壓正常。若分接頭檔位已調至最低擋，而電壓仍低于下限，則強行投入部分電容器。

g.區域6，電壓越下限，無功越下限。此時優先調節變壓器分接頭升壓。若分接頭檔位已調至最低擋，而電壓仍低于下限，則強行投入部分電容器。

h.區域7，電壓合格，無功越下限。此時應切除電容器使無功正常。

i.區域8，電壓越上限，無功越下限。此時優先切除電容器，若無電容器可切或電容器組切完后電壓仍越上限，則調節變壓器分接頭降壓至電壓正常。

2 AVC系統控制策略的優化

2.1 傳統AVC系統控制策略

地區電網通常根據九區圖法的調壓原理設置AVC系統控制策略。傳統的AVC系統控制策略是將電壓動作限值預設為固定值，如圖2所示。監控人員為了減少電容器投切次數與主變壓器分接頭調節次數，通常將擴大其電壓動作限值范圍，導致AVC系統調節靈敏度偏低，不利于電網的安全穩定運行。

圖2 傳統AVC系統控制策略示意

2.2 優化后的AVC系統控制策略

為解決AVC系統在傳統控制策略下調節靈敏度不足的問題，提出AVC系統優化控制策略。

圖3給出了電網調壓原理示意，其中G為發電機;Ua，Ub分別為高壓側、低壓側母線電壓;低壓母線帶負荷SLD=PLD+QLD。

為簡化分析，將圖3系統參數歸算到高壓側，得到如圖4所示的調壓等效原理示意。

由圖4根據電壓負荷關系可得：

圖3 電網調壓原理示意

圖4等效調壓原理示意

式(2)可看作是關于Ub的一元二次函數，可解得：

由于系統參數R，X，k，Ua恒定，因而式(3)可視為低壓受端母線電壓關于受端母線所帶負荷的函數，即：

假定AVC系統設定的高壓側電壓高限值和低限值分別為UaH，UaL，將其帶入式(3)可得：

假定低壓母線系統電壓控制范圍為：Uref1～Uref2。根據Uref1，Uref2，UbH，UbL的大小關系來確定AVC系統動作電壓限值區。

a.I區(Uref1＜UbL＜UbH＜Uref2) AVC系統動作電壓限值區為：[UbL，UbH]。

b.II區(Uref1＜UbL＜Uref2＜UbH) AVC系統動作電壓限值區：[UbL，Uref2]。

c.III區(UbL＜Uref1＜UbH＜Uref2)AVC系統動作電壓限值區：[Uref1，UbH]

d.IV區(UbL＜Uref1＜Uref2＜UbH;Uref1＜Uref2＜UbL＜UbH;UbL＜UbH＜Uref1＜Uref2)AVC系統動作電壓限值區：[Uref1，Uref2]。

綜上所述，本控制策略首先根據高壓側母線的電壓限值，對低壓母線所帶負荷進行實時潮流計算，得到對應的低壓母線電壓計算限值，然后結合低壓母線的電壓控制范圍，最終得到AVC系統的電壓整定限值，控制策略流程示意如圖5所示。該控制策略提高了AVC系統的動作靈敏性，有利于電網安全穩定運行和電壓質量的提高。

圖5 優化后AVC系統控制策略流程示意

3 算例分析

為進一步說明控制策略的可行性與有效性，下面列舉了5個實施算例，分析在不同情況下的AVC系統調壓限值區。

系統等值電阻R=0.4Ω，系統等值電抗X=35Ω，高壓側母線電壓高限值UaH=115.5kV，高壓側母線電壓低限值UaL=110kV，低壓側母線電壓高限值Uref2=10.7kV;低壓側母線電壓低限值Uref1=10kV。變壓器變比k=112.75kV/11kV。設定設定無功功率最大值Qmax=25 Mvar，無功功率最小值Qmin=15 Mvar。

a.算例1。低壓側母線有功負載PLD1=30 MW，低壓側母線無功負載QLD1=40 MVar，將其帶入公式(5)、公式(6)中，可得此時UbH1=9.91kV，UbL1=9.28kV。此時UbL1＜UbH1＜Uref1＜Uref2時，AVC系統動作電壓限值區處于IV區，調壓上限值為Uref2，調壓下限值為Uref1，即AVC系統調壓限值為[10kV，10.7kV]。若此時Ua=113kV，由公式(3)可得Ub=9.63kV，此時電壓越下限，無功功率越上限，AVC系統動作。根據九區圖原理可知，此時優先投入電容器，若無電容器可投或電容器組投完后電壓仍越下限，則調節變壓器分接頭升壓至電壓正常。

b.算例2。低壓側母線有功負載PLD2=20 MW，低壓側母線無功負載QLD2=30 MVar，將其帶入式(5)、公式(6)中，可得此時UbH2=10.29kV，UbL2=9.69kV。此時UbL2＜Uref1＜UbH2＜Uref2，AVC系統動作電壓限值區處于III區，調壓上限值為UbH2，調壓下限值為Uref1，即AVC系統調壓限值為[10kV，10.29kV]。若此時Ua=116kV，由公式(3)可得Ub=10.34kV，此時電壓越上限，無功功率越上限，AVC系統動作。根據九區圖原理可知，此時優先調變壓器分接頭降壓，若分接頭檔位已上調至最高擋，而電壓仍高于上限，則強行切除部分電容器。

c.算例3。低壓母線有功負載PLD3=10 MW，低壓側母線無功負載QLD3=10 MVar，將其帶入公式(5)、公式(6)中，可得此時UbH3=10.96kV，UbL3=10.41kV。此時Uref1＜UbL3＜Uref2＜UbH3，AVC系統動作電壓限值區處于II區，調壓上限值為Uref2，調壓下限值為UbL3，即AVC系統調壓限值為[10.41kV，10.7kV]。若此時Ua=109kV，由公式(3)可得Ub=10.31kV，此時電壓越下限，無功功率越下限，AVC系統動作。根據九區圖原理可知，此時優先調節變壓器分接頭升壓。若分接頭檔位已調至最低擋，而電壓仍低于下限，則強行投入部分電容器。

d.算例4。低壓側母線有功負載PLD4=15 MW，低壓側母線無功負載QLD4=20 MVar，將其帶入公式(5)、公式(6)中，可得此時UbH4=10.64kV，UbL4=10.06kV。此時Uref1＜UbL4＜UbH4＜Uref2，AVC動作電壓限值區處于I區，調壓上限值為UbH4，調壓下限值為UbL4，即AVC系統調壓限值為[10.06kV，10.64kV]。若此時Ua=114kV，由公式(3)可得Ub=10.48kV，此時電壓正常，無功正常，AVC系統不動作。

e.算例5。低壓側母線有功負載PLD5=0 MW，低壓側母線無功負載QLD5=0 MVar，將其帶入公式(5)、公式(6)中，可得此時UbH5=11.27kV，UbL5=10.73kV。此時Uref1＜Uref2＜UbL5＜UbH5，AVC系統動作電壓限值區處于IV區，調壓上限值為Uref2，調壓下限值為Uref1，即AVC系統調壓限值為[10kV，10.7kV]。若此時Ua=112kV，由公式(3)可得Ub=10.93kV，此時電壓越上限，無功功率越下限，AVC系統動作。根據九區圖原理可知，此時優先切除電容器，若無電容器可切或電容器組切完后電壓仍越上限，則調節變壓器分接頭降壓至電壓正常。

綜合以上5個算例，可知優化后的控制策略，可實現AVC系統的電壓整定限值，隨負荷的變動而進行實時調整，從而減小了AVC動作電壓限值區，提高了AVC系統的動作靈敏性，有利于電網安全穩定運行和電壓質量的提高。不同情況下的AVC系統動作電壓限值區示意，見圖6。

圖6 不同情況下AVC系統動作電壓限值區示意

4 仿真驗證

4.1 仿真參數

為進一步驗證上述分析與研究的正確性，以某110kV變電站系統為例進行仿真分析，系統示意如圖7所示。運行方式：110kV與10kV母線分列運行，母聯101、501斷路器均在分位。分別采用傳統AVC控制策略和優化后AVC系統控制策略，進行對比分析，相關仿真參數如表1所示。

圖7 110kV變電站系統示意

表1 仿真參數

4.2 仿真結果

圖8為10kV母線電壓實測值與模型計算值的比較結果示意。

通過對比可知，利用構建的電壓計算模型得到的電壓值與系統電壓實測值基本一致，對比結果驗證了所建電壓計算模型的正確性和有效性。

圖9為AVC系統策略改進前后10kV母線電壓周曲線對比示意。

圖8 10kV母線電壓實測值與計算值的比較示意

圖9 10k V母線電壓對比示意

通過對比可知，采用優化后控制策略，通過對母線負荷變化的實時跟蹤，及時修正AVC系統電壓動作限值，提高了其動作靈敏度，母線電壓波動明顯減小，基本穩定在10.3～10.6kV。現場試驗結果驗證了所提控制策略可極大提升電網電壓合格率，使電壓質量得到顯著改善。對保證電網安全穩定運行，減少客戶投訴率具有重要意義。

5 結論

在深入研究九區圖法調壓原理的基礎上，基于實時潮流算法，提出一種AVC系統優化控制策略。該控制策略通過綜合考慮各種因素優選出控制系統的電壓整定限值，通過給出的實施算例和搭建的仿真模型對所提控制策略的有效性和可行性進行了驗證，結果表明該控制策略：

a.避免了電網個別時段的受端低壓母線電壓存在的高峰時越下限運行，低谷時越上限運行的現象，提高了AVC系統動作的可靠性，減少了人工干預調壓的工作量。

b.提高了AVC系統動作靈敏度，使電網滿足電壓質量的要求，對保證電網安全穩定運行，減少客戶投訴率，提高供電公司企業形象和社會信譽具有重要意義。