500kV主網電壓集中控制模式下的調壓方法

蔣宇，張勇,胡鶴軒

(1.江蘇電力調度控制中心，江蘇南京210024；2.河海大學能源電氣學院，江蘇南京210098)

隨著2011年“大運行”體系建設的完成，江蘇500kV主網無功電壓的調節模式在全國率先發生了根本性的變革。主網無功電壓控制從原有的以500kV樞紐變電站為獨立控制單元的分散調壓方式轉變為更加集約化、扁平化、專業化的采用遠方集中調壓控制的運行管理模式，由省調直接對全省所有500kV變電站的并聯電容器、電抗器進行監控。在江蘇500kV電網電壓管理控制結構發生歷史性變革的背景下，針對江蘇500kV電網電壓控制的流程、權限、現狀特點，提出了實用性、適用性、專業性很強的無功電壓控制新方法。該方法的應用可以為后續全網域（AVC）系統的建立提供技術和經驗支持。

1 電網無功電壓工程控制方法

隨著電力系統的發展，電壓控制方法日臻成熟。在諸多電壓控制的算法中，常用的方法是以全局最優作為目標函數，采用最優解或線性規劃的技術手段，可用于在線、離線分析下的多種工程場景。由于在電壓的實際工程控制中，電壓與有功功率、相角之間并不存在真正的完全解耦關系。因此，對于系統無功電壓的調節會引起機組出力、系統電壓穩定性、系統安全穩定性等多方面的相應變化。其次，目前對于電壓調節的某些手段（如發電機進相運行）的研究還有待深入和完善。考慮上述原因，目前江蘇500kV電網主網的調壓控制并沒有采用AVC模式，而仍然采用傳統的基于運行經驗的調度模式。

1.1 國外無功電壓控制工程技術

目前國際上得到成熟應用的無功電壓控制技術包括以德國電力公司（RWE）為代表的兩級電壓控制系統和以法國電力公司（EDF）為代表的三級電壓控制系統。在德國RWE的電壓控制系統中，將最優潮流（OPF）的優化計算結果直接發到各電廠，在調度控制中心，OPF基于狀態估計和穩態測量實時運行在EMS的最高層次上，直接實現考慮運行約束以網損最小為目標的全局無功優化控制。在EDF的三級電壓控制系統中一級電壓控制為本地控制，控制時間常數一般為幾秒鐘；二級電壓控制的時間常數為分鐘級，控制的主要目的是保證中樞母線電壓等于設定值；三級電壓控制是其中的最高層，以全系統的經濟運行為優化目標，并考慮穩定性指標，最后給出中樞母線電壓幅值的設定參考值，供二級電壓控制使用[1，2]。

1.2 國內無功電壓控制工程技術

國內無功電壓自動控制技術的應用，主要集中在省級電網的220kV網架，且采用的控制模式也分為二級和三級兩種控制系統，如福建電力公司、河南電力公司、江蘇電力公司、安徽電力公司的AVC系統。在已經運行的電壓自動控制系統中，參與自動調壓的設備主要是省、地兩級調度管轄的無功補償裝置和統調發電機組構成[3]。

因此相對跨省的500kV主網系統而言，現有的無功、電壓自動控制系統不論是在容量上，還是在對大系統穩定性的影響上都相對較弱。

2 電壓控制在新模式下的變化

2.1 江蘇主網調壓模式的變化

江蘇電網故有的電壓調整模式是按照網、省調設備管轄區域采用分層分區的平衡、調節模式。220kV及以下的無功電壓控制采用發電廠AVC系統、變電站VQC系統分別調整控制。而500kV系統主網的電壓控制管轄權屬于網調，其電壓控制流程如圖1所示，是以單個500kV變電站為調節單元的分散、低效、孤立的母線電壓控制。

圖1 江蘇電網主網原調壓模式

在國家電網公司大幅度提高管理水平和運營效率的要求下，江蘇省電力調控中心的監控業務作為大運行業務試點，于2011年6月28日12時正式運轉。至此江蘇省電網的無功電壓調整控制權，統一、集中到省調控中心管轄范圍，改革后的電壓控制流程如圖2所示。從而實現了對500kV電網調壓從分散控制到集中監視、協調控制的轉變，也使得江蘇境內全網域的無功電壓集中、分層自動控制的實現成為可能。

圖2 江蘇電網主網現調壓模式

2.2 江蘇電網集控模式下的新問題

江蘇電網原有調壓模式下，各個500kV樞紐變電站只是根據本站的母線電壓進行無功補償裝置的操作，并不考慮對相鄰變電站母線電壓的影響，也不考慮無功補償裝置的最優控制。而在新的調壓模式下，省調監控原則是從區域電網全局的角度來考慮電網電壓的平衡。在某一地區無功補償調節能力用盡的情況下，采用鄰近電網區域協助調壓的方法成為常用技術手段。因此采用先進的AVC技術替代值班員的人工調壓操作，成為江蘇電網調壓控制的最優方案。

然而江蘇500kV主網無功電壓的調控職權在省調層面，而設備管轄權在網調層面；由于電網設備責權的不一致，導致江蘇500kV主網無功電壓自動控制系統在未來很長一段時間內都無法建設，仍然依靠值班人員憑經驗遠方集中手動遙控調壓。因此在新的調壓模式下江蘇省500kV主網出現了如何在短期內實現計及無功補償裝置使用高效性、經濟性、可靠性下進行無功、電壓高效調節的技術問題。

目前由于華東電網內500kV全網域的基于發電廠的AVC系統還沒有建立，且500kV變壓器在常態下不考慮采用有載調壓技術手段，因此江蘇省調監控的調壓手段只有遠方遙控投切500kV變電站并聯電抗器、電容器。

3 基于無功電壓靈敏度的輔助調壓方法

為解決上述問題，提出了基于無功電壓靈敏度的輔助電壓調節方法。當電網中500kV母線電壓越限后，系統根據無功電壓靈敏度自動生成無功電壓操作的最優序列表，監控人員可以據此進行電壓調節的操作。

3.1 機理分析

系統在穩點運行點附近的線性化潮流方程可以描述為[4]：

式中：ΔP為有功功率的增量；ΔQ為無功功率的增量；Δθ為節點電壓相角的增量；ΔV為節點電壓幅值的增量。

從式（1）中可以看出系統電壓的增幅受到P和Q的影響，因此在每個運行點，可以令P為常數，從而得到Q和V之間的增量關系。雖然在公式中忽略了P的增量，但在Q和V的增量關系中還是包含了系統負荷或功率傳送水平變化的影響。因此在式（1）中令ΔP=0，得到：

根據式（2）、式（3）、式（4），就可以計算出描述系統無功電壓靈敏度系數矩陣k，以系數矩陣k中各元素的大小為序。建立如式（5）所示目標函數：

式中：n為達到電壓調節目的至少需要投運的無功裝置臺數；V1，V2分別表示電壓的上、下限值；v為預測的調壓后母線電壓值；α為加權系數。

根據無功電壓靈敏度系數矩陣k的序列，通過求解目標函數F（x）的最小值，就可以得出高效的電壓調節的控制方法。

3.2 輔助調壓系統的實現

當系統中有500kV母線節點電壓越限值，或者有多個變電站母線電壓均逼近電壓控制限額時，輔助調壓系統啟動：

（1）從EMS系統中讀取電網的拓撲結構及遙測、遙信實時數據；

（2）根據電網實時數據，自動生成矩陣JPθ，JPV，JQθ，JQV；

（3）根據式（2）計算出矩陣JR；

（4）根據式（4）計算出系數矩陣k；

（5）根據系數矩陣k中各元素的排序及求解目標函數F（x）的最小值，就可生成無功電壓操作的優化序列表。

4 仿真驗證

文中采用對江蘇500kV主網全系統建模并由南瑞集團研發的穩態仿真平臺（DTS）進行計算分析。算例預想的電壓越限事故為，500kV吳江變母線電壓越控制下限，實時值為500.4kV（控制限：下限500.5kV，上限515kV），相鄰協助調壓站電氣接線如圖3所示。

圖3 相鄰調壓變電站接線

經過文中設計的輔助調壓系統計算，無功電壓操作優化序列如表1所示。從表1中可以看出，應優先考慮投入吳江變本站的電容器，且以331或332電容器為最優選擇。如果此時需要考慮相鄰變電站協助調壓，則以操作石牌變或玉山變電容器為優先選擇。

從表2所示的操作不同電容器的仿真結果可以看出，投入表1中第一序位的吳江變331或332電容取得了最好的調壓效果，而木瀆變需要投入2組電容器，常熟（南）變需要投入3組電容器才能達到調壓目的。

以上仿真結果驗證了基于無功電壓靈敏度輔助調壓方法的正確性，也證明了在采用相鄰變電站輔助調壓手段時效率不同的多種調壓方法同時存在。

表1 電壓操作最優序列

表2 投入不同無功補償裝置的仿真結果

5 結束語

江蘇電網作為國家電網公司“三集五大”改革試點單位，在全國率先完成了以高效化、專業化為方向的轉變過程。電網管理方式的變革必然帶來電網調節技術上的革新，文中針對電網轉型期內超大型、綜合化、智能化的自動調壓系統無法建立的情況，提出了簡單易行、投入少見效快、工程適用性強的基于無功電壓靈敏度的輔助調壓方法。該調壓策略的實施，為今后覆蓋全網的AVC系統的建立提供實踐經驗和工程技術支持。

[1] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.江蘇電網AVC主站系統的研究和實現[J].電力系統自動化，2004，28(22)：89-93.

[2] 孫宏斌，張伯明，郭慶來,等.基于軟分區的全局電壓優化控制系統設計[J].電力系統自動化，2003，27(8)：16-20.

[3] 陸圣芝，胡偉，羅建裕.江蘇電網分層分區研究[J].江蘇電機工程，2000，19(3)：11-13.

[4] 王錫釩.現代電力系統分析[M].北京：科學出版社，2007.