多控制中心無功電壓協調控制研究綜述

王 悅，方 兵

(1.海南電網公司三亞供電局，海南三亞 572000；2.海南電網公司規劃中心，海南海口 570203)

多控制中心無功電壓協調控制研究綜述

王 悅1，方 兵2

(1.海南電網公司三亞供電局，海南三亞 572000；2.海南電網公司規劃中心，海南海口 570203)

隨著電力系統的發展，不同控制中心間的弱耦合假設不再成立，無功電壓協調控制至關重要。本文對已有的多控制中心無功電壓協調控制方法進行總結，有針對性地提出三種協調控制模式，并說明不同協調控制模式的優缺點及其應用場景。

無功電壓控制；控制中心；協調控制

無功電壓優化控制是提高電壓質量和電壓穩定水平、降低系統網損的重要手段，近年來備受關注[1]。隨著電力系統自動電壓控制技術的推廣，未來網、省、地等各級電網控制中心都將建立無功電壓控制系統。

目前，不同控制中心的無功電壓控制系統往往針對控制區域內的無功調節設備進行獨立調控，其控制區域則按照控制中心對應的調度范圍來劃分。基于無功就地平衡的原則，“獨立調控”模式在區域間電網耦合度弱的情況下能夠滿足互聯電網無功電壓優化控制的要求。然而，按照電網行政管理體制劃分的控制分區在其區域邊界處的耦合可能較大；同時隨著電力系統的發展，各區域以及各層次之間的電網連接日益緊密，各個子系統間的耦合增強。這些因素使得無功分區之間弱耦合的假設難以保證，相互獨立的控制策略間可能存在潛在沖突。如果不進行恰當的協調，不僅大大削弱預想的控制效果，比如各區域的動態無功儲備不合理、網損增加、某些發電機組過早達到限值從而喪失電壓調節能力等，而且可能引發控制振蕩、控制失穩等現象。2000年，CIGRE(International Council on Large Electric Systems國際大電網會議)為此成立了專責小組，研究輸電網與輸電網電壓控制的協調問題[2]。在我國，網、省、地三級控制中心的協調優化電壓控制是電力系統研究的重要課題之一，被列為國家科技部“十一五”863高科技計劃專題課題[3]。

本文對已有的多控制中心無功電壓協調控制研究進行總結和提煉，為無功電壓協調控制的后續研究及系統建設提供參考。首先簡要介紹單控制中心無功電壓控制方法，然后介紹三種比較有代表性的無功電壓協調控制方案，并對無功電壓協調控制模式進行討論，最后給出結論和展望。

1 單控制中心無功電壓控制簡介

對于單控制中心電網而言，無功電壓控制的關鍵在于能夠快速響應區域電網中的電壓波動和無功擾動。1968年，日本Kyushu電力公司首先在單級電網控制區域內引入自動電壓控制功能。1972年，法國電力公司EDF提出了二級電壓控制的概念，通過協調區域內部發電機機端出力設定值，實現該區域內部電壓水平的控制。此項研究在70年代末完成其工程實踐，到80年代中期，其研究成果——二級電壓控制器已被廣泛裝設于法國電網[4]。

二級電壓控制通過協調控制分區內各發電機組的無功出力，來控制分區內先導節點的電壓。各個分區的控制策略是相互獨立的，不能實現整個電力系統的優化協調，具有局限性。因此，電力系統研究者提出多級電壓控制方案。多級電壓控制是指一種在大區域范圍甚至是全網范圍內的電壓調節分配方式，以系統范圍內的安全、經濟運行作為控制目標，是預防和阻止電壓崩潰、實現系統內無功合理分布的有效手段。二級電壓控制或多級電壓控制通過定時啟動觸發，在控制理論上可被劃入“時間基”控制。區別于這種基于“時間基”的多級電壓控制，電力混成控制系統理論[5-9]則采用一種“事件基”的控制方式。以離散事件為驅動，同時考慮多種控制目標和約束，提出了具有可實現性的自動電壓控制理論，以保證電力系統的優質、安全、經濟運行。

2 多控制中心無功電壓協調控制

多區域自動電壓協調控制的基礎仍然是單區域自動電壓控制。為了實現多區域的協調，研究者提出了各種方案，以改造原來的二級、三級電壓控制。下面介紹三種比較有代表性的自動電壓協調控制方案。

2.1 協調二級電壓控制

為了克服區域間耦合加強帶來的問題，20世紀80年代中期，EDF及一些學者開始進行協調二級電壓控制(Coordinated Secondary Voltage Control，CSVC)的研究[9-11]。協調二級電壓控制的原理是把聯系緊密的控制區域合并，通過控制合并后區域內一組主導節點的電壓在設定值附近來維持整個控制區域的電壓水平，同時保證區內的控制設備盡可能保持較多的無功儲備。這實際是在更大范圍的區域內求解優化問題，直接協調各發電機的無功出力。由于可控發電機數量大于先導節點的數量，因此，在滿足先導節點的電壓維持在參考設定值附近的同時，還有一定控制自由度。協調二級電壓控制正是利用這個自由度來達到協調的目的。

2.2 考慮潮流預測的分散協調控制

對于區域電壓控制來說，控制區域之間的相互影響主要體現在聯絡線無功潮流的變化。文獻[12-13]為了消除聯絡線潮流變化對原有二級電壓控制的影響，提出在二級電壓控制器上附加聯絡線無功潮流變化量的反饋信號，可在一定程度上抑制控制區域間的影響，如圖1所示。

圖1 基于聯絡線潮流預測反饋的改進二級電壓控制

該方案本質上是通過快速調節本區域可控發電機的無功輸出，補償聯絡線無功注入變化對區域電壓的影響。因此要保持控制器良好的性能，可控發電機應有充足的無功儲備。另外，在實現該方案時需要保證聯絡線無功潮流變化必須是單調且可預測的，否則效果不理想。

2.3 基于協調變量的多級自動電壓控制系統

[56]LeszekBuszynski, Soviet Foreign Policy and Southeast Asia, London & Sydney: Croom Helm, 1986, p.18.

目前，我國各級電網的AVC系統紛紛投入運行，實現網、省、地三級協調的電壓優化控制成為亟待解決的重要課題。目前，網、省、地各級AVC系統間的協調嘗試已有文獻報道。這些協調控制方法的思路通常為[14]：預先指定一些電氣量作為上下級電壓無功控制系統間的協調變量，通過上級電網的優化計算，給出下級電網的協調變量設定值，并下發給下級電網的無功電壓控制系統；下級電網的無功電壓控制系統除了要滿足本級電網的控制目標外，還要實時跟蹤上級電網給出的協調變量設定值。在此過程中，下級電網還需實時上傳本區域電網的實際無功調節能力，并在本區域無調節手段時向上級AVC 系統申請調節上級廠站。文獻[15]指出，工程實踐中協調變量一般選擇關口電壓、關口無功(功率因數)。下級地區電網通常為開環運行，關口功率因數主要由下一級電網控制，上一級電網的控制策略對關口功率因數的影響較小。因此，省調與地調、地調與縣調之間采用關口無功或功率因數作為上下級協調變量更為合理。此外，文獻[16]研究了實際設備動作速度不一致可能造成的監控節點電壓或機組無功出力越限情況，并提出了控制動作順序的優化問題。這對于協調多個AVC控制動作的順序，減小對系統的沖擊有一定借鑒意義。

3 無功電壓協調控制模式討論

目前，各控制中心之間存在著不同程度的信息壁壘，系統的模型參數和狀態數據不能完全共享。同時，電網可控設備的調度權歸屬關系復雜。這些因素都給不同控制中心無功電壓控制間的協調帶來了困難。控制模式主要有3種，分別是完全集中式控制、完全分散式控制及部分集中/分散式控制。

3.1 完全集中式的控制模式

由同一個控制中心對所有可控資源進行統一的優化控制稱為完全集中式的控制模式。這種模式適合對本區域內直接管轄的可控設備進行協調調控，可以實現本區域的最優運行。但是，完全集中式的控制存在可靠性的問題。如果集中控制中心通信癱瘓或者控制系統軟硬件出現故障，則整個系統都將失去控制。

對屬于不同行政管轄范圍的多區域電網來說，采用完全集中式的控制模式在具體實施中會遇到諸多問題：(1)調度中心之間的信息壁壘。這一方面是由于電力市場化帶來的體制因素；另一方面則是由于電網的靜態數據和動態數據規模都很龐大，跨區域的數據傳輸及電網模型拼接技術還不成熟。(2)優化問題過于龐大復雜，計算周期較長；加上通信數據量較大，可能造成控制時延過長。(3)在實施過程中會遇到不同電網單位所轄機組調度權的問題。另外，在電力市場化的環境下，不同電力運營商之間的信息并非完全開放和透明。(4)如果采用完全集中式的控制，原來已經建成并投入使用的控制系統、控制裝置將不得不退出運行，造成資源的浪費。(5)完全集中式的控制還存在可靠性的問題。如果能夠實現分布式的優化計算，則前三個問題可以基本解決。然而采用分布式的優化計算無法回避第四個問題以及集中式控制的可靠性問題。

3.2 完全分散式的控制模式

在完全分散式的協調方式下，沒有一個所謂的“全局控制中心”。 各個分散的控制子系統是完全自治的，通過預測其他子系統的動作以及直接和其他子系統通信進行協調[17]。目前大多數自動電壓控制系統只負責本區域的電壓和無功控制，外部電網被處理成等效發電機或等效負荷。這對于整個互聯電網來說，相當于采用了完全分散式的控制模式。

此外，變電站的VQC裝置也是一種分散式控制，它可作為完全集中式的區域自動電壓控制的補充。目前，在變電站運用較多的無功電壓分散控制方式是九區圖和改進九區圖(十七區圖)[18-19]。

圖2 變電站十七區圖

圖3 基于多Agent的電壓控制

如圖2所示，將變電站的運行狀態表示為二維平面上的一個點，其中橫坐標代表變電站高壓側的無功功率大小(功率因數)；縱坐標代表低壓側電壓幅值的大小。當變電站狀態處于第0號區域時認為運行狀態正常，否則根據預設的規則進行相應的控制，將運行狀態拉回到第0號區域。這種控制方法本質上是基于規則邏輯的方法。

在完全分散的控制模式中引入通訊實現協調可以采用多Agent方式[20-21]。如圖3所示，Agent是能根據自身資源、狀態、知識規則以及獲取的外部環境信息，通過規劃、推理和決策實現問題求解，并作出反應，自主地完成特定任務和實現預定目標的具有高度自治能力的實體。多個Agnet之間相互通信，進行協調或者協作，就形成了多Agnet系統。多Agent系統通過任務分解和任務協調提高整體解決問題的能力，克服了單個Agent知識不完全、處理信息不準確的缺點。各Agent組之間和組內各Agent之間均為分布式結構，各Agent組或Agent無主次之分，處于平等地位。Agent是否被激活以及激活后做什么動作取決于系統狀況、周圍環境、自身狀況以及當前擁有的數據。此結構中可以存在多個中介服務機構，為Agent成員尋求協作伙伴時提供服務。這種結構的優點是：增加了靈活性、穩定性，控制的瓶頸問題也能得到緩解。但仍有不足之處：因每個Agent組或Agent的運作受限于局部和不完整的信息(如局部目標、局部規劃)，很難保證Agent成員之間目標、意愿和行為的一致性。由于沒有經過全局優化計算，完全分散式的協調能夠解決控制沖突以及事故下相互支援的問題，但難以實現全局的趨優運行。

3.3 部分集中/分散式的協調控制模式

在部分集中/分散式的協調方式下，各個控制子系統仍然保留各自的控制權限、控制目標，但存在一個集中的控制中心(一般是最上級電網的控制中心)，對各個控制子系統進行協調。在自動電壓控制領域，針對我國多級調度的體制，文獻[2,14]提出：由上級電網調度中心通過協調變量來指導和考核各下級電網調度中心；下級電網AVC系統除滿足本級電網的控制目標外，還需要實時跟蹤由上級電網給出的協調變量的設定值。上述方案通過協調變量對不同區域、不同等級的自動控制系統的控制責任進行了劃分，交換信息量少，不涉及各控制系統的具體控制邏輯，因此在工程上是可行的。由于協調的效果必須通過協調變量的給定、追蹤、考核來實現，因此協調變量的選取十分關鍵。

現有做法是選取關口電壓或關口無功(功率因數)作為協調變量。這一做法存在以下問題：(1)關口電壓或關口無功由多個互聯系統的行為共同決定，需用多個區域共同影響的變量指導并考核單個區域是否足夠公平、合理；(2)采用關口電壓或關口無功作為協調變量，并不能解決前述控制振蕩和無功儲備不均衡的問題。

而根據協調變量計算所需的下級電網信息獲取方式的不同，又將部分集中/分散式的協調模式分為以下兩個子類。

(1)單向的協調控制模式。該模式假設上級控制中心已經掌握了下級電網的模型、實時數據以及下級控制系統的設備容量和可控狀態，以保證上級控制中心下發的協調變量設定值對于下級控制系統來說一定是可行的。單向協調控制模式如圖4所示。

圖4 單向的協調控制模式

這種協調控制模式一般適用于上下級電網耦合比較緊密且調度通信中心之間信息壁壘較小的情形。例如500kV/220kV電網及發電廠的調度權分別屬于網調和省調。網調和省調分別管轄的電網范圍并非完全按照電壓等級劃分，所屬關系較復雜。而網調建模和監視的電網模型覆蓋了所有的500kV及220kV網架，盡管有些廠站不屬于網調的直調廠站，不能直接從網調側控制。同時，500kV/220kV聯絡變壓器數目眾多，且存在部分電磁環網，相互耦合較緊密。因此，網調與省調AVC之間采用單向的協調控制模式是適用的。

單向協調控制模式只要求下級子控制系統單向接收上級下發的協調指令，容易對已有的AVC系統進行改造，但對電網基礎自動化水平要求較高。在這種協調控制模式中，下級子控制系統處于完全“被動”的角色。為了保證上級控制系統給出的協調指令不會造成下級子控制系統違反運行約束條件，且不與其本身的優化控制目標有顯著的沖突，上級控制系統必須獲得下級區域電網的模型、實時數據斷面以及下級電網的設備可控信息，并且在全局優化計算模型中加以統籌考慮。

值得注意的是，一般意義下的三級電壓控制模式也可以看作此類單向的協調控制模式。三級電壓控制層根據全網的靜態參數模型和動態狀態數據進行最優潮流計算，得到優化運行方式下的先導節點電壓設定值，下發給二級電壓控制器作為其控制的目標之一。先導節點電壓可以看作上下級交互的協調變量。

(2)雙向的協調控制模式。上述協調控制模式假設上級控制中心已經掌握了下級電網的模型及實時數據，以及下級控制系統的設備容量和可控狀態。但這一條件往往并不具備，例如，省調AVC和地調AVC采用的電網模型一般具有局部性。地級電網多為節點較多的放射狀電網，省調側能量管理系統一般不會進行詳細的建模。常見的省調電網模型一般將220kV主變建為等效負荷，忽略110kV及其以下電網結構；地調側一般只建立與放射電網關系密切的幾個220kV變電站詳細模型，而其他的220kV電網作必要等值[22]。此時采用單向的協調控制模式則不合適。

文獻[23]提出將下級電網的關口調節能力(無功功率)作為協調量上傳給上級控制中心，并應用于地、縣兩級AVC系統的分層協調控制，如圖5所示。下級AVC上傳關口無功的可調范圍后，上級控制系統可將下級放射狀網絡在根節點處等效為一個虛擬的無功可調設備，參與無功優化計算。本文稱此為第I類雙向協調控制模式。下級AVC給出的關口變量可調范圍實際與上級電網的運行狀態有關，例如配電網根節點的電壓主要取決于上層輸電網的無功發電、負荷分布以及變電站分接頭檔位。上級控制系統若不對關口電壓的上下限加以考慮，則很可能出現上級電網的控制調節使得下級電網電壓越限的情況。因此，這種協調控制模式并沒有真正解決上下級協調的問題。

圖5 雙向協調控制模式I

圖6 雙向協調控制模式II

文獻[22]提出了雙向互動的協調電壓控制模式，本文稱此為第II類雙向協調控制模式。如圖6所示，該協調控制模式除上傳關口變量的控制能力外，還需要下級控制系統提供上級電網關口變量控制需求作為上行的協調量，協調代理和上級控制系統一般位于同一個控制中心。以省、地兩級AVC協調控制為例，省調與地調AVC分別以關口電壓與關口無功作為協調變量。地調AVC計算并上傳地調關口無功控制能力上下限、省調關口電壓的控制需求上下限給協調代理，同時從協調代理接收并追蹤關口無功設定值(或作為區間約束條件)；省調AVC計算并上傳省調關口電壓控制能力上下限、地調關口無功的控制需求上下限給協調代理，同時從協調代理接收并追蹤關口電壓設定值(或作為區間約束條件)。因此，該協調控制模式能夠較好地消除未經協調可能出現的電壓越限、動態無功儲備分布不均等問題。但由于協調代理對上下層區域電網的電網結構未知，不能保證給出的協調策略滿足經濟性最優等目標。

在此基礎上，文獻[24]提出了新的雙向協調控制模式：(1)地調側AVC除了上傳控制能力和控制需求信息外，還需要上傳地調優化效益的信息，因此可以協調輸電網和配電網的網損及控制代價等優化目標；(2)省調側AVC實現了“協調代理”的功能，直接接收地調上傳的信息并下發關口設定值(或設定范圍)。由此可以避免計算省調側控制能力和控制需求的過程，省去了多次優化計算，同時能夠直接在省調側AVC優化過程中考慮配電網的優化效益。

4 結論與展望

無功電壓協調控制可有效地改善電壓水平，抑制無功電壓波動，降低系統網損。在現有多控制中心無功電壓協調控制研究的基礎上，應考慮如下幾個問題：(1)進一步完善AVC系統參與協調控制的考核標準，以通過管理的手段提高AVC系統的控制品質；(2)在電網有功和無功弱耦合條件不充分情況下，AVC系統與AGC系統間的協調問題；(3)在協調控制中考慮風電等間歇性能源接入系統所帶來的不確定性問題。

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2014-10-29

王 悅(1989- )，女，吉林四平人，海南電網公司三亞供電局助理工程師，從事電力系統調度自動化研究。

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2095-7602(2014)06-0022-06