基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制

針對目前地區電網電壓無功控制的現狀，提出了基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制方案，該方案借助地區電網調度自動化系統或集控站自動化系統采集的電網數據和遙控遙調手段，以各個變電站內的有載調壓分接頭、無功補償設備和地方小電廠的發電機勵磁電流作為控制對象，采用多區圖控制策略，實現全網電壓無功優化的自動控制，可以有效地提高全網各個節點的電壓合格率、降低網損。本文還討論了實現上的若干技術問題，包括控制參數整定、無功調節量的大小、地方小電廠如何參與調節、長輸電線中的網損影響等，結合實例分析了多區圖控制的控制效果。
　　關鍵詞：無功優化；電壓；EMS

Control over Optimization of Voltage and Reactive Power in the Regional Power Network Based on the Multi region Chart Control Strategy

Luo Yi, Tu Guangyu, Jin Yanyun, Ding Li，Wu Jixiang

(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China)

　　ABSTRACT: A control scheme for optimization of voltage and reactive power in the regional power network based on the multiregion chart control strategy is proposed to cope with the status quo of the control over voltage and reactive power in the regional power network. Automatic control of the voltage of the entire network and optimization of reactive poser is realized using the power network data gathered by the dispatch automation system of the regional power network or the automatic system of the centralized control station and by means of telecontrol and telemetry and with on-load voltage regulation taps and reactive power compensation installations in all substations and the exciting current of generators in small local power plants as the control objects. The adoption of the multiregion chart control strategy for the automatic control of the optimization of the voltage and reactive power of the entire power network has made it possible to effectively increase the rate of acceptable voltage at all the nodes on the entire power network and reduce network loss. Also discussed are some technical problems in implementation, such as the setting of control parameters, the magnitude of the amount of reactive power regulation, the way small local power plants take part in the regulation, the influence of network loss in long transmission lines. The effect of control with the multiregion chart strategy is discussed with examples.?
　　KEY WORDS: Optimization of Reactive Power；Voltage；EMS

0 引言
　　我國地區電網經過幾年的城農網改造后，供電可靠性大大提高，有些地方的供電可靠性已經達到99.9%，基本上可以滿足目前大多數用戶供電可靠性的要求。在此前提條件下，當前地區電網電壓質量（特別是電壓合格率）問題就顯得特別突出，并且越來越受到各級供電部門的重視。影響地區電網電壓合格率的因素主要有兩個方面：一方面是無功電源配置不合理，這可以在地區電網的電壓無功優化計算的基礎上配以適量的建設資金逐步解決；另一方面是沒有能夠實現全網的電壓無功優化協調控制。當前在地區電網中很多變電站都裝設有電壓無功綜合自動控制裝置（VQC），只采集變電站內部信息，控制目標為變電站低壓母線電壓和變電站消耗的無功功率，不能實現全網的協調控制。有些地區電網EMS中裝設有電壓無功優化計算軟件，從理論上說計算結果可以用于實現全網電壓無功優化控制，但由于存在一些難以解決的技術問題而使應用受到限制，這些問題包括收斂性問題、當系統數據不全或出現局部壞數據后計算失敗、遠動數據的異步性等帶來的較大誤差直接影響控制的效果等。因此，迫切需要提出新的控制原理和控制方法解決地區電網電壓無功協調控制問題，提高地區電網的電壓合格率。
　　國內外很多學者對此進行了眾多研究。例如文獻[1]提出了一種全網無功電壓優化集中自動控制系統，該系統不是進行單純的電網潮流計算，而是建立符合全網網損盡可能小、電壓合格的優化及控制判斷規則，這些規則對控制效果的改進明顯。文獻[2]提出了一種適用于110kV及以上電網的自動電壓控制方法，該方法基于經濟壓差優化電壓無功潮流程序，對解決EMS中裝設的電壓無功優化計算軟件的收斂性問題有一定幫助。
　　本文提出了一種基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制的控制理論和控制方法。利用從EMS或集控站SCADA系統中采集的電網數據及地區電網的網絡拓撲圖，不須進行地區電網電壓無功優化計算，通過構建的電網多區圖控制規則，對各個變電站進行相應的控制，能較好地解決地區電網電壓無功協調控制問題。

1　控制原理
1.1 電壓無功控制的基本思路
　　為了理解地區電網電壓無功多區圖的控制思想，特定義一些基本概念如下：
　　終端子網：在地區電網中，電氣上連通的某一電壓等級的設備及其配供電的設備所構成的網絡成為終端子網。
　　伴隨終端子網：終端子網加上向終端子網供電的變壓器所構成的網絡。
　　終端子網電壓：終端子網中最高電壓等級的電壓。?
　　終端子網無功：向終端子網供電的變壓器上流通的無功功率。
　　終端子網無功調節約束：在終端子網中調節無功補償設備時，應該保證終端子網無功在給定的范圍內變化，該限制條件稱為終端子網無功調節約束。
　　地區電網電壓無功控制的總原則是在保證電壓合格的前提條件下，使電網網損達到最小。為了使電網網損達到最小，應盡可能減小電網中傳輸的無功功率，并適當地提高電網運行電壓。因此若各級終端子網內部的無功功率能盡可能平衡，就可以達到網損最小的目標。但是，要求每一級終端子網的無功功率都能就地平衡是不可能的，也是沒有必要的，這樣必須裝設很多無功補償設備，經濟上也不合理。
　　實際上，對城區電網而言，終端子網覆蓋的地域范圍很小，線路損耗一般可以忽略不計，網損主要來自降壓變壓器，只要降低流過變壓器的無功功率至最小值即可達到網損最小的目標。這樣，就要求同一電壓等級電網中的無功功率能夠平衡，而同一電壓等級電網中各個變電站的無功功率可以相互傳輸，不會造成太大的網損，電壓也比較容易滿足要求。
　　對農村電網而言，各級終端子網覆蓋的地域范圍差別較大，輸電線路的線徑選擇也不盡相同，很多情況下必須考慮輸電線路損耗的影響。因此，不僅要考慮降低流過變壓器的無功功率至最小值，而且當局部無功負荷較大時，同一電壓等級電網中各個變電站的無功功率的相互支援應該按照電氣距離最小的原則實現，即在潮流允許的條件下，距無功負荷電氣距離小的無功補償設備優先投切或調整。這樣才能保證整個網損最小。這一原則當然也可以用于城區電網，只是效果不太明顯，除非系統中存在限流電抗器等大電抗設備。
　　改變各個變電站的有載調壓變壓器分接頭，可以改變該變壓器中低壓側終端子網的電壓，進而改變電網的無功功率。一般降低有載調壓變壓器分接頭可以提高變壓器中低壓側終端子網的電壓，使無功負荷增大；調高有載調壓變壓器分接頭可以降低變壓器中低壓側終端子網的電壓，使無功負荷減少。但有載調壓變壓器分接頭的調整次數不能太頻繁，應該有限制地調整。當終端子網無功不足時，終端子網中各點的電壓普遍偏低，不允許局部采用降低有載調壓變壓器分接頭的辦法抬高電壓，這樣會引起整個電網的無功缺額更大，必須先補償無功，此時，可以先投入運行電壓較低和無功有缺額的變電站的電容器組，或切除運行電壓較低和無功有缺額的變電站的電抗器，再增大發電廠的無功出力。當終端子網無功過剩時，終端子網中各點的電壓普遍偏高，一般應降低無功出力，此時，可以先切除運行電壓較高和無功有剩余的變電站的電容器組，或投入運行電壓較高和無功有剩余的變電站的電抗器，再降低發電廠的無功出力。
　　如果要投切某一級終端子網內的無功補償設備，必須先檢查其伴隨終端子網無功是否會越限。只有當伴隨終端子網無功不發生越限時才能進行操作。
1.2 多區圖控制策略
　　從電網運行的角度講，電網各個節點電壓和無功都應在一定的范圍內，即電壓和無功都有上下限要求。若計UH、UL、QH、QL為電壓上限、電壓下限、無功上限、無功下限，用橫坐標表示終端子網的無功，縱坐標表示終端子網的電壓，則得到圖1所示的多區圖。

　　每個區域的控制策略如下：?
　　區域1——電壓越上限，無功合格。調節分接頭降壓，但受三繞組變壓器的低壓側電壓限制閉鎖。
　　區域2——先調節分接頭降壓，若無功仍越下限，則在終端子網無功調節約束下投入電容器。
　　區域3——在終端子網無功調節約束下投入電容器。
　　區域4——先在終端子網無功調節約束下投入電容器，若電壓仍越下限，調節分接頭升壓。
　　區域5——調節分接頭升壓，但受三繞組變壓器的低壓側電壓限制閉鎖。
　　區域6——先調節分接頭升壓，若無功仍越上限，則在終端子網無功調節約束下切除電容器。
　　區域7——在終端子網無功調節約束下切除電容器。
　　區域8——先在終端子網無功調節約束下切除電容器，若電壓仍越上限，則調節分接頭降壓。
　　 3S、7S兩區為防振區，一般不加控制。區域0的電壓無功均合格。
　　上述策略中“在終端子網無功調節約束下”的含義是：只有在滿足終端子網無功調節約束的情況下才允許調節操作，否則，不允許調節操作?！笆苋@組變壓器的低壓側電壓限制閉鎖” 的含義是：如果操作會引起三繞組變壓器的低壓側電壓越限，則閉鎖該操作。
1.3 多區圖控制過程
　　多區圖的控制過程如圖2所示。

　　每個調節周期分為兩個階段：
　　首先，判斷地區電網的整體無功水平。若無功過剩或不足，則在地區電網無功調節約束下調節地區電網無功，使之處于合格范圍或當無調節手段時停止第一階段調節。第一階段調節是電網電壓無功協調控制的基礎，如果取消第一階段調節，可能由于無功過?；虿蛔阍斐烧{節振蕩或調節次數過多。在實際的控制過程中，可以考慮對前二三級終端子網先作終端子網無功平衡調節，會產生更好效果。
　　然后，按照多區圖控制策略對各級終端子網進行控制。一般應先控制上一級的終端子網，再控制下一級終端子網，即按電壓等級從高到低控制。為了加速控制過程，可以相互獨立運行的多個終端子網同時進行控制，并統一判斷無功調節約束條件。
1.4控制參數整定
　　控制參數可以通過三種方法進行整定：
　　方法1：時段整定法。先根據電網運行的歷史負荷數據和電網的運行要求計算出各個時段各級終端子網的電壓和無功的要求范圍，用此要求范圍整定各個時段的多區圖。一般時段的步長以分鐘計，間隔可以人為設定。此方法相當于給出了一段時間內統計的電壓曲線和無功曲線，其優點是使用簡單，整定容易；其缺點是當負荷變化是很難作到無功最優。
　　方法2：負荷整定法。負荷整定法是整定各級終端子網在不同負荷下的電壓和無功的要求范圍的方法，整定數據一般用多維鏈表給出，在線進行負荷匹配。此方法要求事先進行無功優化計算，并且得到多維鏈表需要較長計算時間。當系統的運行方式發生變化后，將帶來一定的誤差。
　　方法3：在線整定法。在線整定法是一種準實時整定方法，當系統的運行方式、系統負荷發生變化后，或者每一個整定的時間后（一般為分鐘級），自動進行無功優化計算，并用計算結果調整多區圖的參數，特別是無功上下限，此時無功上下限可以整定為最優無功值附近的一個調節偏差量。即：
　
式中：Q優為無功優化計算出的最優無功值；△Q為無功補償時的最大調節誤差；εQ為調節裕量，εQ >0，εQ整定的越小，調節越頻繁，調節也越能跟蹤最優無功值。可見在線整定法的調節性能最好。但必須選擇收斂性和計算速度都較好的無功優化算法，如經濟壓差方法等。Q優的計算也可能因系統數據不全或出現局部壞數據而失敗，也可能在系統運行方式變化過程中由于遠動數據的異步性等帶來的較大誤差，實際使用中應該判斷Q優的合理性。一種可行的方法是將方法2與方法3結合起來，如果Q優在方法2整定的范圍內，則采用方法3的整定數值，否則，采用方法2的整定數值，這是以犧牲控制計算機內存為代價的。
1.5 幾個特殊問題
　　在地區電網電壓無功多區圖優化控制中存在一些必須考慮的特殊問題，主要是：
　　⑴ 當電壓不合格時一次應該調整多大無功量？一種方法是靈敏度分析法，先離線計算出各種典型運行方式時幾種典型負荷下的無功－電壓靈敏度數值，控制過程中匹配最接近的運行方式和最接近的負荷來選擇應該調整的無功量。另一種方法是具有自學習功能的專家系統法，在控制工程中自動生成各種運行方式時各個階段性負荷時每投切單位無功容量所影響的電壓值（初值也可以采用靈敏度分析法得到），并在控制過程中不停地矯正這些數值。
　　⑵ 充分利用地方小電廠參與調節。很多地區電網都存在小水電廠，其中有些小水電廠具有無功調節能力。小水電機組參與調節受到的限制很多，主要是機端電壓和功率極限圖的限制，但小水電機組具有平滑調節無功功率的能力，并且由于調節造成的運行費用大大低于投切電容器、電抗器造成的開關檢修費用。因此，在無功平衡調節過程中，應該盡可能利用地方小水電廠的調節能力。
　?、?大阻抗元件和重負荷線路的影響及修正。大阻抗元件和重負荷線路將造成較大的電壓和功率損耗，調節過程中應該限制其傳輸的無功功率大小?？梢园凑?.1所述原理根據電氣距離的遠近確定無功補償設備的投切方法。
　?、?如果某變電站無功不足或電壓偏低，但該變電站已經沒有調節手段時，此時可以考慮同一終端子網內其它變電站或電廠支援無功；同理，如果某變電站無功過?；螂妷浩撸撟冸娬疽呀洓]有調節手段時，此時可以考慮同一終端子網內其它變電站或電廠少發無功。此時，應優先保證電壓合格。

2 控制效果分析
　　 相比于在多個變電站裝設電壓無功綜合自動控制裝置（VQC）的控制方式而言，基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制實現了全網的電壓無功協調控制，使無功可以達到或接近最優，降低了網損，避免了各個變電站之間可能的調節振蕩，對保證電壓合格率具有重要作用。
　　相比于基于EMS中電壓無功計算軟件的控制方案而言，基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制從根本上解決了計算軟件不收斂、電網異步數據、電網數據不全或局部壞數據造成的不可控的影響，實用性大大增強。但每當電網運行方式發生變化和負荷發生大的變化時，控制過程不是一次完成的，而是有一個調節周期存在，控制過程要比采用基于EMS中電壓無功計算軟件的控制方案時長一些。
　　由于遠動系統自身的原因，地區電網的數據具有異步性，電網同一時刻的數據傳到主站的時間差可能達到幾秒鐘，高級計算軟件可能因此出現很大的誤差，甚至不收斂。但采用多區圖控制時，終端子網無功檢測的是某一個點的無功值，終端子網電壓檢測的是某一個或極少數幾個點的電壓，若出現異步數據偏差較大，將會通過延時再檢測來確認，異步數據影響的是調節的誤差，且這一調節誤差影響將因為電容器容量值的離散性而明顯減弱。
　　如果電網數據不全，基于EMS中電壓無功計算軟件的控制方案由于電壓無功計算軟件往往無法計算而無法正確控制，但采用多區圖控制仍可以達到電網大部分區域協調控制的目標。數據不全的局部區域將會因為其所在的終端子網的控制而改善電壓。
　　如果出現局部壞數據，采用基于EMS中電壓無功計算軟件的控制將出錯，采用多區圖控制時若第一輪控制的反饋數據不對，將引起控制閉鎖，從第二輪控制開始等同于電網數據不全時的控制。

3 實例分析
　　圖3為某地區電網局部簡圖。圖中的變電站和水電廠都已經重新編號。

　　對于110kV所在的終端子網，若110kV各母線電壓偏低或越下限，且變電站1和2的無功功率接近上限或越上限，則可以判斷110kV所在的終端子網無功不足，需要進行無功補償。此時，可以先檢查變電站3、5、6是否有變電站處于4區運行，若有，在相應變電站低壓母線電壓從越下限恢復正常和變電站4的無功功率不倒送的前提下，估算應補償的無功容量，并選擇電容器組投入。若仍不能使變電站1和2的無功功率恢復正常，則適當增大水電廠1的勵磁電流，直到變電站1和2的無功功率恢復正?；蛩姀S1的勵磁電流不能再增加為止。同理，若35kV所在的終端子網無功不足，需要進行無功補償，可以在變電站5、6和水電廠2進行調節補償。
　　完成電網的無功平衡控制后，就可以利用多區圖控制策略進行控制。調節的順序是：首先變電站1、2同時調節；其次變電站3、4同時調節；再次變電站5、6同時調節。
　　若變電站5沒有調節手段后，可以調節水電廠2或變電站6的無功功率實現同級電網的無功相互支援，并優先保證電壓。

4 結論
　　基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制具有如下特點：
　　⑴ 借助地區電網調度自動化系統或集控站自動化系統采集的電網數據和遙控遙調手段，以各個變電站內的有載調壓分接頭、無功補償設備和地方小電廠的發電機勵磁電流作為控制對象，采用多區圖控制策略，實現全網電壓無功優化的協調控制，可以有效地提高全網各個節點的電壓合格率、降低網損。
　?、?由于不進行電壓無功優化計算，不存在軟件不收斂問題，可以適應地區電網的異步數據，當電網數據不全或出現局部壞數據時，仍可以實現電網大部分區域協調控制，實用性大大增強。
　　基于多區圖控制策略的地區電網電壓無功優化控制方法適合于110kV及以下電網電壓無功控制。