基于多區(qū)圖控制策略的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制

針對目前地區(qū)電網(wǎng)電壓無功控制的現(xiàn)狀，提出了基于多區(qū)圖控制策略的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制方案，該方案借助地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)或集控站自動化系統(tǒng)采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)和遙控遙調(diào)手段，以各個(gè)變電站內(nèi)的有載調(diào)壓分接頭、無功補(bǔ)償設(shè)備和地方小電廠的發(fā)電機(jī)勵磁電流作為控制對象，采用多區(qū)圖控制策略，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化的自動控制，可以有效地提高全網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓合格率、降低網(wǎng)損。本文還討論了實(shí)現(xiàn)上的若干技術(shù)問題，包括控制參數(shù)整定、無功調(diào)節(jié)量的大小、地方小電廠如何參與調(diào)節(jié)、長輸電線中的網(wǎng)損影響等，結(jié)合實(shí)例分析了多區(qū)圖控制的控制效果。
　　關(guān)鍵詞：無功優(yōu)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(qū)電網(wǎng)經(jīng)過幾年的城農(nóng)網(wǎng)改造后，供電可靠性大大提高，有些地方的供電可靠性已經(jīng)達(dá)到99.9%，基本上可以滿足目前大多數(shù)用戶供電可靠性的要求。在此前提條件下，當(dāng)前地區(qū)電網(wǎng)電壓質(zhì)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(qū)電網(wǎng)電壓合格率的因素主要有兩個(gè)方面：一方面是無功電源配置不合理，這可以在地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)上配以適量的建設(shè)資金逐步解決；另一方面是沒有能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)的電壓無功優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。當(dāng)前在地區(qū)電網(wǎng)中很多變電站都裝設(shè)有電壓無功綜合自動控制裝置（VQC），只采集變電站內(nèi)部信息，控制目標(biāo)為變電站低壓母線電壓和變電站消耗的無功功率，不能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。有些地區(qū)電網(wǎng)EMS中裝設(shè)有電壓無功優(yōu)化計(jì)算軟件，從理論上說計(jì)算結(jié)果可以用于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制，但由于存在一些難以解決的技術(shù)問題而使應(yīng)用受到限制，這些問題包括收斂性問題、當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)不全或出現(xiàn)局部壞數(shù)據(jù)后計(jì)算失敗、遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)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(qū)電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制問題，提高地區(qū)電網(wǎng)的電壓合格率。
　　國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了眾多研究。例如文獻(xiàn)[1]提出了一種全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化集中自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不是進(jìn)行單純的電網(wǎng)潮流計(jì)算，而是建立符合全網(wǎng)網(wǎng)損盡可能小、電壓合格的優(yōu)化及控制判斷規(guī)則，這些規(guī)則對控制效果的改進(jìn)明顯。文獻(xiàn)[2]提出了一種適用于110kV及以上電網(wǎng)的自動電壓控制方法，該方法基于經(jīng)濟(jì)壓差優(yōu)化電壓無功潮流程序，對解決EMS中裝設(shè)的電壓無功優(yōu)化計(jì)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(qū)圖控制策略的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制的控制理論和控制方法。利用從EMS或集控站SCADA系統(tǒng)中采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)及地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，不須進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化計(jì)算，通過構(gòu)建的電網(wǎng)多區(qū)圖控制規(guī)則，對各個(gè)變電站進(jìn)行相應(yīng)的控制，能較好地解決地區(qū)電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)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(qū)電網(wǎng)電壓無功多區(qū)圖的控制思想，特定義一些基本概念如下：
　　終端子網(wǎng)：在地區(qū)電網(wǎng)中，電氣上連通的某一電壓等級的設(shè)備及其配供電的設(shè)備所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)成為終端子網(wǎng)。
　　伴隨終端子網(wǎng)：終端子網(wǎng)加上向終端子網(wǎng)供電的變壓器所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
　　終端子網(wǎng)電壓：終端子網(wǎng)中最高電壓等級的電壓。
　　終端子網(wǎng)無功：向終端子網(wǎng)供電的變壓器上流通的無功功率。
　　終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束：在終端子網(wǎng)中調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，應(yīng)該保證終端子網(wǎng)無功在給定的范圍內(nèi)變化，該限制條件稱為終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束。
　　地區(qū)電網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)損達(dá)到最小。為了使電網(wǎng)網(wǎng)損達(dá)到最小，應(yīng)盡可能減小電網(wǎng)中傳輸?shù)臒o功功率，并適當(dāng)?shù)靥岣唠娋W(wǎng)運(yùn)行電壓。因此若各級終端子網(wǎng)內(nèi)部的無功功率能盡可能平衡，就可以達(dá)到網(wǎng)損最小的目標(biāo)。但是，要求每一級終端子網(wǎng)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(shè)很多無功補(bǔ)償設(shè)備，經(jīng)濟(jì)上也不合理。
　　實(shí)際上，對城區(qū)電網(wǎng)而言，終端子網(wǎng)覆蓋的地域范圍很小，線路損耗一般可以忽略不計(jì)，網(wǎng)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(dá)到網(wǎng)損最小的目標(biāo)。這樣，就要求同一電壓等級電網(wǎng)中的無功功率能夠平衡，而同一電壓等級電網(wǎng)中各個(gè)變電站的無功功率可以相互傳輸，不會造成太大的網(wǎng)損，電壓也比較容易滿足要求。
　　對農(nóng)村電網(wǎng)而言，各級終端子網(wǎng)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(dāng)局部無功負(fù)荷較大時(shí)，同一電壓等級電網(wǎng)中各個(gè)變電站的無功功率的相互支援應(yīng)該按照電氣距離最小的原則實(shí)現(xiàn)，即在潮流允許的條件下，距無功負(fù)荷電氣距離小的無功補(bǔ)償設(shè)備優(yōu)先投切或調(diào)整。這樣才能保證整個(gè)網(wǎng)損最小。這一原則當(dāng)然也可以用于城區(qū)電網(wǎng)，只是效果不太明顯，除非系統(tǒng)中存在限流電抗器等大電抗設(shè)備。
　　改變各個(gè)變電站的有載調(diào)壓變壓器分接頭，可以改變該變壓器中低壓側(cè)終端子網(wǎng)的電壓，進(jìn)而改變電網(wǎng)的無功功率。一般降低有載調(diào)壓變壓器分接頭可以提高變壓器中低壓側(cè)終端子網(wǎng)的電壓，使無功負(fù)荷增大；調(diào)高有載調(diào)壓變壓器分接頭可以降低變壓器中低壓側(cè)終端子網(wǎng)的電壓，使無功負(fù)荷減少。但有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)整次數(shù)不能太頻繁，應(yīng)該有限制地調(diào)整。當(dāng)終端子網(wǎng)無功不足時(shí)，終端子網(wǎng)中各點(diǎn)的電壓普遍偏低，不允許局部采用降低有載調(diào)壓變壓器分接頭的辦法抬高電壓，這樣會引起整個(gè)電網(wǎng)的無功缺額更大，必須先補(bǔ)償無功，此時(shí)，可以先投入運(yùn)行電壓較低和無功有缺額的變電站的電容器組，或切除運(yùn)行電壓較低和無功有缺額的變電站的電抗器，再增大發(fā)電廠的無功出力。當(dāng)終端子網(wǎng)無功過剩時(shí)，終端子網(wǎng)中各點(diǎn)的電壓普遍偏高，一般應(yīng)降低無功出力，此時(shí)，可以先切除運(yùn)行電壓較高和無功有剩余的變電站的電容器組，或投入運(yùn)行電壓較高和無功有剩余的變電站的電抗器，再降低發(fā)電廠的無功出力。
　　如果要投切某一級終端子網(wǎng)內(nèi)的無功補(bǔ)償設(shè)備，必須先檢查其伴隨終端子網(wǎng)無功是否會越限。只有當(dāng)伴隨終端子網(wǎng)無功不發(fā)生越限時(shí)才能進(jìn)行操作。
1.2 多區(qū)圖控制策略
　　從電網(wǎng)運(yùn)行的角度講，電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓和無功都應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，即電壓和無功都有上下限要求。若計(jì)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(biāo)表示終端子網(wǎng)的無功，縱坐標(biāo)表示終端子網(wǎng)的電壓，則得到圖1所示的多區(qū)圖。

　　每個(gè)區(qū)域的控制策略如下：
　　區(qū)域1——電壓越上限，無功合格。調(diào)節(jié)分接頭降壓，但受三繞組變壓器的低壓側(cè)電壓限制閉鎖。
　　區(qū)域2——先調(diào)節(jié)分接頭降壓，若無功仍越下限，則在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下投入電容器。
　　區(qū)域3——在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下投入電容器。
　　區(qū)域4——先在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下投入電容器，若電壓仍越下限，調(diào)節(jié)分接頭升壓。
　　區(qū)域5——調(diào)節(jié)分接頭升壓，但受三繞組變壓器的低壓側(cè)電壓限制閉鎖。
　　區(qū)域6——先調(diào)節(jié)分接頭升壓，若無功仍越上限，則在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下切除電容器。
　　區(qū)域7——在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下切除電容器。
　　區(qū)域8——先在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下切除電容器，若電壓仍越上限，則調(diào)節(jié)分接頭降壓。
　　 3S、7S兩區(qū)為防振區(qū)，一般不加控制。區(qū)域0的電壓無功均合格。
　　上述策略中“在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下”的含義是：只有在滿足終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束的情況下才允許調(diào)節(jié)操作，否則，不允許調(diào)節(jié)操作。“受三繞組變壓器的低壓側(cè)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(cè)電壓越限，則閉鎖該操作。