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，以各個變電站內(nèi)的有載調(diào)壓分接頭、無功補償設備和地方小電廠的發(fā)電機勵磁電流作為控制對象，采用多區(qū)圖控制策略，實現(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)各個節(jié)點的電壓合格率、降低網(wǎng)損。本文還討論了實現(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?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)的電壓無功優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。當前在地區(qū)電網(wǎng)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(nèi)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(xiàn)全網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。有些地區(qū)電網(wǎng)EMS中裝設有電壓無功優(yōu)化計算軟件，從理論上說計算結(jié)果可以用于實現(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)問題而使應用受到限制，這些問題包括收斂性問題、當系統(tǒng)數(shù)據(jù)不全或出現(xiàn)局部壞數(shù)據(jù)后計算失敗、遠動數(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)外很多學者對此進行了眾多研究。例如文獻[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)不是進行單純的電網(wǎng)潮流計算，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明顯。文獻[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)濟壓差優(yōu)化電壓無功潮流程序，對解決EMS中裝設的電壓無功優(yōu)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(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)絡拓撲圖，不須進行地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化計算，通過構(gòu)建的電網(wǎng)多區(qū)圖控制規(guī)則，對各個變電站進行相應的控制，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備及其配供電的設備所構(gòu)成的網(wǎng)絡成為終端子網(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。
　　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)無功補償設備時，應該保證終端子網(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)損達到最小。為了使電網(wǎng)網(wǎng)損達到最小，應盡可能減小電網(wǎng)中傳輸?shù)臒o功功率，并適當?shù)靥岣唠娋W(wǎng)運行電壓。因此若各級終端子網(wǎng)內(nèi)部的無功功率能盡可能平衡，就可以達到網(wǎng)損最小的目標。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，這樣必須裝設很多無功補償設備，經(jīng)濟上也不合理。
　　實際上，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，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到網(wǎng)損最小的目標。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，而且當局部無功負荷較大時，同一電壓等級電網(wǎng)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(xiàn)，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(yōu)先投切或調(diào)整。這樣才能保證整個網(wǎng)損最小。這一原則當然也可以用于城區(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備。
　　改變各個變電站的有載調(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，應該有限制地調(diào)整。當終端子網(wǎng)無功不足時，終端子網(wǎng)中各點的電壓普遍偏低，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，這樣會引起整個電網(wǎng)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(fā)電廠的無功出力。當終端子網(wǎng)無功過剩時，終端子網(wǎng)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(fā)電廠的無功出力。
　　如果要投切某一級終端子網(wǎng)內(nèi)的無功補償設備，必須先檢查其伴隨終端子網(wǎng)無功是否會越限。只有當伴隨終端子網(wǎng)無功不發(fā)生越限時才能進行操作。
1.2 多區(qū)圖控制策略
　　從電網(wǎng)運行的角度講，電網(wǎng)各個節(jié)點電壓和無功都應在一定的范圍內(nèi)，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(wǎng)的無功，縱坐標表示終端子網(wǎng)的電壓，則得到圖1所示的多區(qū)圖。

　　每個區(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。