東北電網無功電壓多層協調控制研究

李劍峰，張婷婷

(1.遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006;2.錦州供電公司，遼寧 錦州 121000)

1 概述

東北電網是我國率先開展自動電壓無功(AVC)控制系統研制的區域電網［1］。現已投入運行的有東北網調HAVC系統、遼寧省省調AVC系統和黑龍江省調AVC系統，吉林省也正在開展AVC系統的研發和建設工作。目前東北網調和三省省調自動電壓控制系統都是針對各自直接調度管轄電網內的無功電源或無功設備進行獨立控制。每個AVC系統在同一時間可能會有不同的控制目標，比如受到數據質量的影響，某個AVC系統正在按照電壓計劃調節，其它AVC系統可能正在進行經濟性調節。此時，各AVC系統所采取的控制策略大相徑庭也是有可能的［2］。這會導致不合理的無功交換和無功儲備分布，繼而引起網絡損耗偏高。

可見，各自獨立的AVC控制方式存在很大的局限性。隨著AVC系統的不斷成熟，在未來數年內將對電網產生越來越大的影響。亟需協調網調以及三省的AVC系統。東北電網的現狀是網省AVC系統獨立控制分區內的設備，如圖1所示。

2 無功電壓多層多區協調控制理論

2.1 無功區域協調變量

考察穩態下區域的邊界節點上無功/電壓的外部特性，即當無功負荷擾動或控制都只發生在外部區域時，該區域在邊界節點上注入無功功率與電壓幅值之間的變化關系，可以看出注入子區域的無功功率一般隨著電壓單調變化，且變化范圍有限，因此無功/電壓特性可以用線性化方法進行近似［3］。

由于聯絡線電壓和無功功率受到兩端區域的影響，為了公平地評價省調AVC的工作，有必要制定相應的考核指標衡量協調方案的實現情況，以分辨是哪個區域的負荷變化引起的聯絡線電壓和無功的變化，從而明確應該由誰負責調節。

經過研究提出了與區域電網無功/電壓外部特性相對應的無功電壓協調量VACE［4］:

在相鄰2個區域間有M條聯絡線的情況下，VACE指標是一個M維的向量。對于本區域的控制系統，可以方便地量測和獲取本區域側的電壓和無功，不依賴其它相鄰區域或其它層級控制系統的量測信息。

AVC區域控制器之間的耦合主要在于外區域控制變量調整對本區域協調變量的影響，如式(1)所示:

由于相互耦合天然的存在，一般多級控制系統選擇的協調變量會使得協調變量對控制變量的靈敏度關系矩陣中非對角塊矩陣不為零矩陣。

如果能夠恰當構造新的協調變量，使得式(1)變形為

即新協調變量對控制變量的靈敏度關系矩陣中，非對角塊矩陣都為零矩陣，則相互耦合的區域控制系統可以實現解耦控制。

VACE指標就是基于這樣的思路提出的。

2.2 物理及幾何意義解釋

為了方便描述和理解，以只有單個邊界節點的區域電網為例 (例如輻射狀網絡，并以其根節點作為邊界節點)，結論容易推廣到含多個邊界節點的區域電網。

當區域電網內不包括任何發電機節點 (PV節點)。此時無論外部電網導致VB如何變化，幾乎不變。一般邊界節點電壓升高會使得區域電網內的無功網損有所下降。因此，該類區域電網無功電壓外部特性是一條下降的曲線，幾乎垂直于橫軸。

當區域電網內包含發電機節點 (PV節點)。此時如果外部電網導致VB變化，區域電網內的發電機為了維持原有的機端設定電壓，會通過AVR的調節控制，反向抵抗機端端電壓的改變。此時發電機節點無功出力改變的作用會遠大于無功網損的變化，因此VB變化引起的無功網損此時可以忽略不計。當VB升高，區域內的發電機會減小無功出力，導致增大;當VB降低，區域內的發電機會增加無功出力，導致～QB減小。因此，該類區域電網無功電壓外部特性是一條上升的曲線。

VACE具有如下幾個性質。

a.與ACE相同，通過VACE考核標準可以判斷無功擾動是發生在區域內還是區域外，每個控制區只負責控制本區內的無功擾動，使得考核是公平的。

b.VACE指標為正，說明本區域的負荷無功增大、電壓降低;VACE指標為負，說明本區域的負荷無功減小、電壓升高。

c.如果控制后，VACE指標等于0，則說明本區域的負荷無功變化對相鄰區域的影響已經消除。

d.給定的Qref反映了對無功支援的協調，Vref反映了對電壓控制水平的協調。

e.VACE具有與無功相同的單位，Mvar，物理意義直觀。

2.3 協調量實時優化方法

VACE的設定值由網調AVC系統根據事件觸發機制計算并下發［5］。

a.如果此時段負荷大幅度變化，則求解多斷面優化問題:

式中，Δu為全網范圍內待優化的可控設備的無功出力增量或端電壓增量，C為控制的成本，xi為系統的狀態量 (包括PQ節點的vi和θi、PV節點的θi和Qi、Slack節點的Pi和Qi)，Pi為第i個斷面的參數 (包括PQ節點的Pi和Qi、PV節點的Pi和Vi、Slack節點的vi和θi)。

gi(xi，pi，u+Δu)=0 是第 i個斷面的全網潮流方程，hj(xj，pj，u+Δu)≤0 是第 i個斷面的運行約束 (包括電壓上下限、無功上下限等)，umax和umin是可控設備的控制上下限。

求解該問題得到的Δu就是使得n個斷面都能滿足電壓、無功上下限等約束的解。

b.如果此時段負荷基本平穩，則分析是否發生電壓質量、經濟性或安全性事件。如果沒有事件，則Δu=0。

①如果電壓有越限，則根據求解如下線性規劃:

求解該問題得到的 Δu就是消除電壓越限的解。

如果線性規劃無解，求解最小違反約束的解，并給出越限信息。

②如果網損過高，則求解最優潮流:

求解該問題得到的 Δu就是使得網損最小的解。

③如果電壓穩定水平偏低，則:

式中，約束η(x，u+Δu)＞εsafe表示控制后系統的穩定裕度需要大于某個閾值。

三省AVC在根據本省目標優化的同時，考慮如下約束:

3 無功電壓協調控制系統的實施方案

3.1 網調側硬件配置方案

為網調AVC主站增加2臺HP安騰系列的UNIX服務器，以主備冗余方式運行。科東公司提供各種數據接口標準，提供新EMS系統的實時數據、狀態估計結果，清華AVC系統計算出對系統無功調節目標值，將控制命令發送給東北網調新EMS系統，人機界面功能需要清華自行開發，其畫面風格應與新EMS系統人機畫面風格保持一致。

該方案完全使用了新的硬件，通過接口讀取狀態估計、發送控制命令，通過新EMS系統的前置子系統發送給控制子站。具體的數據流關系如圖2所示。

3.2 網調和省調數據通信方案

實現東北電網無功電壓分層分區協調控制系統需要建立三省及網調AVC系統的數據通信平臺。該數據通信平臺需要建設的主要是網調新EMS、網調HAVC和省調AVC之間的數據通道。這其中包括的數據通信功能如圖3所示。

圖2 系統數據流圖

圖3 無功電壓多層多區協調控制系統待建數據通信功能

a.第1種數據通信

數據來源:網調新EMS系統CC－2000A

數據接受:網調HAVC主站

功能:獲取網調所轄電網以及三省所轄電網的參數和實時數據

b.第2種數據通信

數據來源:網調HAVC主站

數據接受:網調新EMS系統CC－2000A

功能:通過網調新EMS系統向網調直屬廠站的AVC子站下發控制指令

c.第3種數據通信

數據來源:網調HAVC主站數據接受:省調AVC主站功能:網調HAVC主站向省調AVC主站下發協調信息

d.第4種數據通信

數據來源:省調AVC主站數據接受:省調HAVC主站功能:省調AVC主站向網調HAVC主站發送本省AVC主站子站信息

3.3 網調側主站軟件體系實施方案

網調側AC系統軟件系統分層進行實現，如圖4所示。

基礎服務平臺，包括服務查找、模塊管理、任務調度、日志管理、權限認證等功能，是保證無功電壓多層多區協調控制系統方便集成、靈活穩定運行的基礎。

圖4 無功電壓多層多區協調控制系統的軟件體系結構 (總圖)

核心計算，包括混成自動電壓控制子系統、網省AVC協調優化系統以及為實現這些控制系統需要的數據接口和分析計算等工具。

可視化與調度員決策系統，是無功電壓多層多區協調控制系統與調度員和其它使用者進行交互的界面。

4 聯合測試試驗

a.該系統能夠有效地協調東北電網直屬的無功設備和遼寧、黑龍江省屬無功設備，實現經濟、安全與優質的控制目標。

b.VACE指標可以分辨無功擾動是否在本區域內，作為無功電壓多層多區協調控制的協調變量是有效的。

c.與沒有協調的AVC系統相比，協調運行的AVC系統可以優化系統無功潮流，提高電壓合格率，降低網損。

5 結束語

根據無功電壓多層多區協調的機理并結合電力系統的運行實踐，提出了以“電壓區域控制偏差(VACE)”為協調變量的控制方案。通過該協調量可以判斷無功擾動是發生在區域內還是區域外，每個控制區只負責控制本區域內的無功擾動，使考核公平，同時達到協調控制的目的。通過對東北電網無功電壓多層多區協調控制系統的測試結果表明，該系統能夠有效地協調東北電網直屬的無功設備和遼寧、黑龍江省屬無功設備，實現經濟、安全與優質的控制目標。

［1］孫宏斌，郭慶來，張伯明.大電網自動電壓控制技術的研究與發展［J］.電力科學與技術學報，2007，22(1):7－12.

［2］鄒根華，郭玉金，姚諸香，等.大電網省地協調自動電壓控制(AVC) 的研究［J］.華中電力，2008，21(3):9－11.

［3］蘇家祥，廖亨利，袁文謙，等.地、縣兩級電網AVC系統分層聯合協調控制［J］.繼電器，2008，36(10):36－39.

［4］H.Lefebvre，D.Fragnier，J.Y.Boussion，et al.Secondary coordinated voltage control system:feedback of EDF.Power Engineering Society Summer Meeting［J］.2000，16－20 July，vol.1:290 －295.

［5］盛戈 ，涂光瑜.羅 毅，等.考慮控制區域間影響的二級電壓控制 ［J］.電力系統自動化，2002，26(15):27－32.