電網(wǎng)三級(jí)電壓控制模式研究

1、電網(wǎng)無功優(yōu)化原則電網(wǎng)的無功優(yōu)化是在以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)的前提下，通過優(yōu)化計(jì)算得到無功的最優(yōu)潮流，最優(yōu)無功潮流對(duì)于發(fā)電廠來說體現(xiàn)為最優(yōu)無功出力，對(duì)于變電所則是無功最優(yōu)負(fù)荷。無功優(yōu)化的結(jié)果規(guī)定了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化電壓，在此電壓下運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處于最優(yōu)無功潮流狀態(tài)。電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)原則是“分層分區(qū)，就地平衡”，即避免無功在線路中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無功的就地消耗和補(bǔ)償。將無功就地平衡作為AVC運(yùn)行的基本原則，實(shí)際上就體現(xiàn)了無功優(yōu)化的要求。當(dāng)不能實(shí)現(xiàn)無功就地平衡時(shí)，應(yīng)實(shí)施無功就近平衡的原則，無功就近平衡不是指在地理位置分布上的就近平衡，而是指無功在由電氣聯(lián)系比較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)組成的區(qū)域內(nèi)平衡。對(duì)于一個(gè)受控點(diǎn)來講，可以

2、通過電壓無功靈敏度分析的方法來確定離該點(diǎn)電氣距離最近的若干個(gè)無功可控點(diǎn)。按照電氣距離近的無功可控站點(diǎn)優(yōu)先調(diào)節(jié)的原則，依次調(diào)整其無功出力對(duì)電壓受控點(diǎn)進(jìn)行控制，就是無功就近平衡的體現(xiàn)。AVC在應(yīng)用電壓靈敏度分析方法時(shí)，充分利用電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)潮流數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)對(duì)任何一個(gè)電壓受控點(diǎn)列出對(duì)其進(jìn)行無功調(diào)節(jié)站點(diǎn)的優(yōu)先順序，這個(gè)優(yōu)先順序按照電氣距離離電壓受控點(diǎn)近者優(yōu)先調(diào)節(jié)的原則在無功可控點(diǎn)間進(jìn)行排序，然后按照這個(gè)順序依次調(diào)節(jié)無功電源，最終使得電壓受控點(diǎn)的電壓得到控制。由于電網(wǎng)的負(fù)荷總是在不停地變化，電網(wǎng)各個(gè)站點(diǎn)的無功平衡狀態(tài)可能隨時(shí)被打破，因此電網(wǎng)無功優(yōu)化必須不間斷地進(jìn)行。在電網(wǎng)無功優(yōu)化中，AVC系統(tǒng)將會(huì)把優(yōu)

3、化得到的各個(gè)站點(diǎn)的無功分量轉(zhuǎn)換成各個(gè)站點(diǎn)的相應(yīng)電壓，各個(gè)站點(diǎn)以此電壓為控制目標(biāo)協(xié)調(diào)該區(qū)域內(nèi)無功資源的出力，而不是直接將無功分量作為控制指標(biāo)下發(fā)給各個(gè)子站調(diào)整，這樣就避免了由各個(gè)站點(diǎn)不同工況、無功資源配置和其他調(diào)節(jié)引起的約束?？傊珹VC采用的電網(wǎng)無功優(yōu)化技術(shù)重視的是最終的控制效果，而不是控制過程。只要各個(gè)站點(diǎn)的電壓滿足了無功優(yōu)化得到的最優(yōu)電壓控制目標(biāo)，自然會(huì)滿足全網(wǎng)整體無功優(yōu)化布局的要求，至于各個(gè)站點(diǎn)內(nèi)部無功電壓如何進(jìn)行調(diào)整，就由各站點(diǎn)當(dāng)?shù)氐腁VC子站系統(tǒng)的二級(jí)電壓控制來處理。地區(qū)電網(wǎng)電壓無功控制自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control-AVC）是第27屆中國電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)

4、行會(huì)議上提出的現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度新技術(shù)的發(fā)展方向之一。電力系統(tǒng)的無功電壓控制是保證現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要保障，由于電壓與無功的關(guān)系密切，維持系統(tǒng)的電壓水平要通過安裝足夠的無功電源和無功補(bǔ)償裝置以彌補(bǔ)系統(tǒng)負(fù)荷的無功需求與傳輸線路無功損耗。而對(duì)電壓的控制也主要通過控制無功功率的產(chǎn)生、流動(dòng)和消耗來實(shí)現(xiàn)。無功功率控制的原則是“分層分區(qū)，就地平衡”，即盡量減少無功功率在線路上的流動(dòng)以避免由此引起的電壓質(zhì)量和電能損耗問題。合理地利用系統(tǒng)無功補(bǔ)償容量和調(diào)節(jié)能力，嚴(yán)格確保系統(tǒng)在正常情況下和故障后各中樞節(jié)點(diǎn)的電壓處于正常水平，才能保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變電站電壓無功功率綜合控制是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜的非線性

5、控制問題，受到了電壓、武功、時(shí)間、負(fù)荷率、負(fù)荷電壓靜態(tài)特性、運(yùn)行方式、OLTC分接頭檔位和電容器組投切狀態(tài)等諸多因素的影響，其控制規(guī)律難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述。7.1電壓控制的基本方式二級(jí)電壓控制原理二級(jí)電壓控制是分層電壓控制中最重要的一環(huán)，其主要任務(wù)是協(xié)調(diào)控制區(qū)域的無功電源和電壓控制設(shè)備，使得區(qū)域內(nèi)無功不向外部流動(dòng)。二級(jí)電壓控制的基本概念二級(jí)電壓控制作為聯(lián)系三級(jí)電壓控制與一級(jí)電壓控制的中間環(huán)節(jié)，按照一定的協(xié)調(diào)控制規(guī)律，對(duì)區(qū)域內(nèi)各一級(jí)電壓控制裝置的控制器提供整定值，從而平衡系統(tǒng)的無功流動(dòng)和電壓波動(dòng)。二級(jí)電壓控制需要將整個(gè)電力系統(tǒng)按照電氣距離的遠(yuǎn)近劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，而二級(jí)電壓控制的目標(biāo)即是

6、這些分區(qū)之間電氣距離相對(duì)較遠(yuǎn)，近似實(shí)現(xiàn)了電氣解耦，從而使得無功更好地就地平衡。每一個(gè)二級(jí)電壓控制區(qū)域中都要選定一個(gè)中樞節(jié)點(diǎn)，中樞節(jié)點(diǎn)的選擇原則是該節(jié)點(diǎn)的電壓變化能夠反映整個(gè)區(qū)域內(nèi)所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓變化情況，而且當(dāng)整個(gè)區(qū)域的負(fù)荷電壓水平受干擾發(fā)生變化后，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓恢復(fù)可以帶動(dòng)其他節(jié)點(diǎn)的電壓恢復(fù)至正常水平。整個(gè)二級(jí)電壓控制的目標(biāo)就是該中樞節(jié)點(diǎn)的電壓按照三級(jí)電壓控制層經(jīng)最優(yōu)潮流計(jì)算所分配的電壓參考值穩(wěn)定運(yùn)行。第三級(jí)中的電壓控制算法第三級(jí)電壓控制作為最高一層電壓控制，以全網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為優(yōu)化目標(biāo)，并考慮各種安全穩(wěn)定性指標(biāo)，通過優(yōu)化算法最終給出各區(qū)域中樞母線幅值的最優(yōu)參考值。第三級(jí)電壓控制實(shí)際上就是一

7、種最優(yōu)潮流，只不過其目標(biāo)函數(shù)和約束條件比較特殊。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度是指系統(tǒng)的發(fā)電量與負(fù)荷需求不平衡時(shí)，將功率缺額優(yōu)化地分配給各發(fā)電機(jī)組，從而達(dá)到全系統(tǒng)的燃料消耗量或發(fā)電費(fèi)用最小。這種經(jīng)濟(jì)調(diào)度實(shí)際上就是電網(wǎng)調(diào)頻，只涉及了有功功率的優(yōu)化調(diào)度，而沒有對(duì)有功、無功進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，因此優(yōu)化的結(jié)果可能會(huì)破壞系統(tǒng)安全約束。并且，由于經(jīng)濟(jì)調(diào)度只考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)靜態(tài)安全性重視不足，容易引起系統(tǒng)安全隱患問題。最優(yōu)潮流是同時(shí)考慮了靜態(tài)安全性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的一種優(yōu)化問題，它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為基本模型，可以處理大量的等式和不等式約束。與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法相比，它將安全與經(jīng)濟(jì)等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描述，從而把經(jīng)濟(jì)調(diào)度

8、和安全監(jiān)控有效地結(jié)合起來。作為電網(wǎng)調(diào)度的高級(jí)管理目標(biāo)，最優(yōu)潮流已逐漸成為能量管理系統(tǒng)EMS的核心軟件之一。一、 最優(yōu)潮流的數(shù)學(xué)模型最優(yōu)潮流數(shù)學(xué)模型可以描述成如下的非線性規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)型：式中： u為控制變量；x為狀態(tài)變量；h為潮流方程；g為不等式約束。1. 控制變量和狀態(tài)變量最優(yōu)潮流的控制變量往往是與實(shí)際電氣控制設(shè)備相對(duì)應(yīng)的；而其余的變量都由控制變量確定，稱為狀態(tài)變量。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由控制變量和狀態(tài)變量來確定。常見的控制變量包括：（1） 有功出力為， ，為有功電源總數(shù)。（2） 有功出力為， ，為無功電源總數(shù)。（3） 有功出力為， ，為無功電源總數(shù)。（4） 有載調(diào)壓變壓器變比，。（5） 并聯(lián)電容器組投

9、切狀態(tài)。最常見的狀態(tài)變量包括：（1） 節(jié)點(diǎn)電壓幅值，（2） 節(jié)點(diǎn)電壓相角，其中若無功電源的電壓視為控制變量，則相應(yīng)的可視為狀態(tài)變量；另外電壓相角中有一參考相角，為節(jié)點(diǎn)數(shù)。2. 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)可以是任何一個(gè)有物理意義的標(biāo)量函數(shù)。不同的目標(biāo)函數(shù)可以按特定的應(yīng)用目的定義。最常見的目標(biāo)函數(shù)有:（1） 發(fā)電機(jī)運(yùn)行費(fèi)用極小化（2） 有功網(wǎng)損極小化（3） 最小偏移目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)潮流問題還有其他類型的目標(biāo)函數(shù)，如控制設(shè)備調(diào)節(jié)量最小，無功規(guī)劃時(shí)有時(shí)還可以以投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用總和最小為目標(biāo)。3. 等式約束最優(yōu)潮流的等式約束即節(jié)點(diǎn)潮流方程：是列向量中的第S個(gè)分量。4. 不等式約束不等式約束分為關(guān)于控制變量、狀態(tài)變量

10、的不等式約束和關(guān)于變量函數(shù)的不等式約束。簡(jiǎn)單變量不等式約束有：（1） 有功電源出力上下限約束： （2） 無功電源出力上下限約束： （3） 有載調(diào)壓變壓器變比上下限約束： （4） 節(jié)點(diǎn)電壓幅值上下限約束： 常見的函數(shù)不等式約束包括：（1） 線路首末兩端節(jié)點(diǎn)電壓相角差限制：（2） 輸電線路的電流或視在功率限制：（3） 線路有功潮流限制：（4） 線路無功潮流限制： 目標(biāo)函數(shù)與約束條件的不同組合方式就構(gòu)成了側(cè)重點(diǎn)不同的最優(yōu)潮流問題。二、最優(yōu)潮流的交叉逼近算法此算法利用了電力系統(tǒng)中普遍存在的有功與無功弱耦合的關(guān)系，根據(jù)凸對(duì)偶和部分對(duì)偶理論，創(chuàng)立了一套先進(jìn)的有功無功解耦交叉逼近的最優(yōu)潮流算法。以和代表與有

11、功和無功關(guān)系密切的變量，則一般的最優(yōu)的最優(yōu)潮流問題即可描述為：主要包括發(fā)電機(jī)有功出力和節(jié)點(diǎn)電壓相角；主要包括無功電源出力、節(jié)點(diǎn)電壓幅值V和有載調(diào)壓變壓器變比t；和分別為節(jié)點(diǎn)、無功潮流方程；和分別為與有功分量、無功分量關(guān)系密切的不等式約束條件。傳統(tǒng)變電站電壓無功功率自動(dòng)控制裝置變電站電壓無功功率綜合控制是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜非線性控制問題，受到電壓、無功、時(shí)間、負(fù)荷率、負(fù)荷電壓靜態(tài)特性、運(yùn)行方式、OLTC分接頭檔位和電容器組狀態(tài)等諸多因素的影響。其控制規(guī)律難以用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型描述。1. VQC的控制目標(biāo)及控制模式變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)通常取主變低壓側(cè)母線電壓和主變高壓側(cè)注入無功功率作為電

12、壓、無功考察指標(biāo)，具體的控制目標(biāo)為“保證電壓質(zhì)量合格，在無功基本平衡的前提下，盡量減少有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的投切次數(shù)”。VQC的控制對(duì)象是有載調(diào)壓變壓器的分接頭和并聯(lián)電容器組的投切開關(guān)。VQC控制目標(biāo)（一） 保證電壓質(zhì)量合格主變低壓側(cè)母線電壓必須滿足：（,為規(guī)定的母線電壓上下限值），并盡量使負(fù)荷端電壓偏差達(dá)到最小值。電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于負(fù)荷的波動(dòng)性和運(yùn)行方式的改變，母線電壓也會(huì)隨之發(fā)生改變，因此會(huì)允許各個(gè)電壓中樞點(diǎn)的電壓有一定的偏移范圍，例如10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的（GB 12325-1990電能質(zhì)量供電電壓允許偏差）。（二） 維持無功基本平衡，

13、使系統(tǒng)的功率損耗盡量減小為了保證電壓合格，就必須保證系統(tǒng)無功分層平衡，使通過變壓器的無功功率盡量減小。從變電站電壓無功的控制層面來看，通常要求主變高壓側(cè)注入的無功功率必須滿足：， 越接近0越好，一般情況下應(yīng)使流入變電站的無功功率大于0，即不發(fā)生無功功率到送。（三） 盡量減少控制對(duì)象的動(dòng)作次數(shù)，尤其是減少有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)變壓器在電網(wǎng)中具有極其重要的地位，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。在調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭時(shí)，由于會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的匝間短路產(chǎn)生電弧，不但會(huì)對(duì)分接頭的機(jī)械和電氣性能產(chǎn)生影響，另一方面也會(huì)嚴(yán)重影響變壓器油的性能。經(jīng)驗(yàn)表明，有載調(diào)壓變壓器80%的故障時(shí)由于有載調(diào)壓變壓器分接頭引起，因此

14、各個(gè)變電站都嚴(yán)格設(shè)置了有載調(diào)壓變壓器的日最大調(diào)節(jié)次數(shù)（一般110kV變壓器為10次，35kV變壓器為20次）；并對(duì)總的動(dòng)作次數(shù)作出了限制，一般要求分接頭動(dòng)作次數(shù)3000次后必須停電檢修。此外，為了維護(hù)電容器組的性能和使用壽命，變電站對(duì)電容器組的日最大投切次數(shù)也作出了限制。2. VQC的電壓無功基本控制規(guī)律VQC通過調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和投切電容器組來實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站低壓側(cè)母線電壓和高壓側(cè)無功功率的調(diào)節(jié)，調(diào)檔和投切電容器對(duì)變電站電壓和無功均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此VQC是一個(gè)多參數(shù)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜的非線性控制問題。將變電站各用戶負(fù)荷用等值的綜合負(fù)荷來表示，系統(tǒng)等值電路如圖所示：圖中，表示變電站的綜合

15、負(fù)荷（滯后功率因數(shù)）；變壓器為無阻抗的理想變壓器；為系統(tǒng)的綜合阻抗；忽略線路和變壓器的并聯(lián)支路，歸算至低壓側(cè)的系統(tǒng)總阻抗為：假定在某時(shí)刻VQC裝置動(dòng)作不會(huì)引起由圖中可得：設(shè)投入運(yùn)行的并聯(lián)電容器額定容量為,額定電壓為，則電容器電納:故并聯(lián)電容器實(shí)際發(fā)出的無功功率代入式有從而可以得到：由于穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)中，功角很小可以不計(jì)，因此可以忽略電壓降落的縱分量。而且在高壓電網(wǎng)中由于，故可以忽略。則：按此式可以求出主變高壓側(cè)無功功率。 一、 有載調(diào)壓變壓器1 傳統(tǒng)“九區(qū)圖”控制策略九區(qū)圖控制策略是根據(jù)變電站當(dāng)前的運(yùn)行方式，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電壓及無功（或功率因數(shù)）兩個(gè)判別量構(gòu)成變電站綜合自動(dòng)控制策略，綜合邏輯判

16、據(jù)是基于給出的電壓和無功的上下限特性，把電壓和無功平面分割成9個(gè)控制區(qū)，各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)不同的控制策略，根據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)電壓、無功，判定當(dāng)前變電站運(yùn)行在哪個(gè)控制區(qū)，再根據(jù)相應(yīng)的控制策略對(duì)分接頭和電容器組進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償，優(yōu)化無功潮流分布，提高全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓合格率，減少網(wǎng)損，從而取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。其中，5區(qū)是滿足要求的理想?yún)^(qū)間，不需要任何調(diào)節(jié)，其他各個(gè)區(qū)間的運(yùn)行參數(shù)都不滿足條件，必須根據(jù)各個(gè)區(qū)間的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以最優(yōu)的控制控制順序和電壓無功設(shè)備組合使運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入無功、電壓均滿足要求的第5區(qū)。電壓控制按照逆調(diào)壓原則，當(dāng)電壓U超出電壓曲線的允許范圍或Q超出其允許范圍時(shí)，根據(jù)整定的偏移量發(fā)出

17、電容器投切指令或變壓器分接頭調(diào)整指令，從而達(dá)到調(diào)整電壓和無功潮流的目的。各區(qū)的動(dòng)作方案如下：變電站電壓無功功率自動(dòng)控制（VQC）九區(qū)圖1區(qū)：電壓超上限，無功超下限（功率因數(shù)超上限）。發(fā)出電容切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，電壓仍高于U上時(shí)，再發(fā)出變壓器分接頭降壓調(diào)節(jié)指令。2區(qū)：電壓超上限，無功（功率因數(shù)）合格。發(fā)出分接頭降壓指令，直至電壓合格，若分接頭檔位已調(diào)制最高檔，而電壓仍高于上限，則強(qiáng)行切除部分并聯(lián)電容器組。3區(qū)：電壓超上限，無功超上限（功率因數(shù)超下限）。先發(fā)出變壓器分接頭降壓指令至電壓合格；當(dāng)有載調(diào)壓已處于下限時(shí)，而電壓仍高于上限，則強(qiáng)行切除電容器。4區(qū)：電壓合格，無功超下限（功率因數(shù)超

18、上限）。發(fā)出電容切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，運(yùn)行點(diǎn)仍在該區(qū)，則維持該運(yùn)行點(diǎn)。5區(qū)：電壓、無功均合格。維持該運(yùn)行點(diǎn)，不發(fā)調(diào)整指令。6區(qū)：電壓合格，無功超上限（功率因數(shù)超上限）。發(fā)出電容投入指令，當(dāng)電容器全部投入后，運(yùn)行點(diǎn)仍維持在該區(qū)，則維持運(yùn)行點(diǎn)。7區(qū)：電壓超下限，無功超下限（功率因數(shù)超上限）。先發(fā)出變壓器分接頭升壓指令，當(dāng)有載調(diào)壓已經(jīng)處于上限時(shí)，電壓仍低于U下時(shí)，再發(fā)出電容器投入指令。8區(qū)：電壓超下限，無功（功率因數(shù)）正常。先發(fā)出變壓器分接頭升壓指令，當(dāng)有載調(diào)壓已處于上限時(shí)，電壓仍低于U下時(shí)，再發(fā)出電容器投入指令。9區(qū)：電壓超下限，無功超上限（功率因數(shù)超下限）。發(fā)出電容投入指令，當(dāng)電容器全部投入后，電壓仍低于U下時(shí)，再發(fā)出變壓器分接頭升壓調(diào)節(jié)指令。在“九區(qū)圖”控制中存在的主要問題是：有載變壓分接頭和電容器組的調(diào)節(jié)都是有級(jí)調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)級(jí)差比較大，難以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，尤其是電容器組的投切對(duì)電網(wǎng)無功注入一個(gè)階躍量，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。九區(qū)圖的某些區(qū)域?qū)τ诳刂频慕Y(jié)果還可能會(huì)產(chǎn)生振蕩動(dòng)作的現(xiàn)象。所謂“振蕩動(dòng)作”是指在調(diào)檔和投切電容時(shí)，不能使運(yùn)行點(diǎn)直