电网二级电压控制的现状分析和发展方向

刘 利

天津三美电机有限公司，天津 300163

电网二级电压控制的现状分析和发展方向

刘 利

天津三美电机有限公司，天津 300163

本文结合我国现在的国情，重点阐述了二级电压控制对我国的重要性，以及他的基本特性和控制模式，总结了当今的现状和今后的发展方向。

二级电压；最优控制；协调控制

1 概述

我国幅员辽阔，电力系统结构庞大。已建成的跨省电力系统有5个，即华东系统、东北系统、华中系统、华北系统和西北系统。对于如此庞大而复杂的电网系统随联网容量的增大和输电电压的提高，输电功率变化和高压线路的投切都将引起很大的无功功率变化，系统对无功功率和电压的调节和控制能力的要求越来越高。

另一方面，由于受电力市场化变革的影响以及来自环境、经济和技术方面的制约，为了充分利用系统资源，现代电网越来越接近于其极限运行状态，这使得电网缺乏灵活的调节能力，特别是在某些紧急运行情况下，电网更加脆弱。

近几十年来，国内外电力系统由于电压稳定破坏问题，曾发生多次大面积停电事故，对国民经济造成极大危害。例如，2008年1月的 我国南方雪灾，2008年5月的汶川地震，等重大事件加快了我国朝着超高压、远距离输电、大区互联和电力市场化的方向发展，电压稳定问题也将会威胁电网的安全稳定运行，对电压稳定问题及措施的研究必须给予高度的重视。

自动电压控制AutomaticVoltageCona'ol——简称AVC，是第27届中国电网调度运行会议上提出的现代电网调度新技术的发展方向之一。而法国的三级电压控制模式的研究和实施始于上世纪70年代，经历了近40年的研究、开发和应用，是目前国际上公认为最先进的电压控制系统。该模式由三级控制组成：即一级电压控制（Primary Voltage Control），二级电压控制（Secondary Voltage Control）和三级电压控制（Tertiary Voltage Control）。一级电压控制由具有一定无功电压支撑能力的厂（站）自动控制装置组成，属本地控制，仅用本地的信息。如同步发电机的自动电压调节器（AVR），并联电容器控制时间常数一般为几秒。在这级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能地接近设定值来补偿电压的快速和随机的变化。二级电压控制由不同的层组成，层内也可能分区，也可能不分区，通过修改一级控制器的设定值来协调区域内一级控制器的行为。控制时间常数为几十秒到分钟级，控制的主要目的是保证层内引导节点（Point Node）电压等于设定值。三级电压控制是AVC的最高层，以控制中心EMS作为决策支持系统，以全系统的经济运行为优化目标，在满足系统安全约束条件下，给出层间联系设定值（电压或无功潮流），供二级电压控制使用。3级电压控制模式更加适合现阶段中国电网的特点和需求。电力系统无功电压控制是保证现代电力系统正常运行的重要环节。无功电压控制主要是合理安排和充分利用电网中的无功功率补偿容量和调节能力。随时保持正常运行情况下和事故情况后电网中各枢纽节点的电压在正常水平，确保电网的安全稳定运行。

2 重要性

2.1 二级电压

二级电压控制在整个分级控制模型中承上启下，是重要的一环。它的主要任务是以某种协调的方式重新设置区域内各自动电压调节器（一级电压控制）的参考值或设定值，以达到系统范围内的良好运行性能。它首先将整个系统分解成若干控制区域（control zone），在每个控制区域中选出其最关键的对区域内其他节点有重要影响的电压母线为“中枢母线”（pilot node），并根据中枢母线的电压偏差，按照某种预定的控制方式协调，有效的调整区域内各控制发电机（control generators）的AVR的参考电压设定值或其他无功源的设定值，从而使中枢母线的电压基本保持不变，进而维持整个区域的电压水平，并使无功分布在一个良好的状态。

2.2 基本特性

本文的二级电压控制的基本原理，体现了其“区域性”和“协调性”。二级控制器的输入信号为先导节点的电压偏差，反映出本区域的电压水平；二级电压控制器的区域无功信号在各台控制发电机单元之间的分配以及对发电机无功越限的处理则体现了控制的协调性。本文的二级电压控制器在系统发生电压扰动期间，能够从区域电压稳定的角度出发，调整各一级电压控制器的电压参考值，从而调整其无功出力，为系统提供所需的电压支持，使得本区域的负荷电压水平维持在较好的状态，并且在一定程度上提高了系统的电压稳定性。

可以采用协调二级电压控制（CSVC，C00rdinated Secondar，bltage CoIm01）策略在电网安全、经济和优质之间进行有效的协调。

2.3 二级电压控制与切负荷的协调

为保证二级电压控制的可靠性，必须对上一节的复杂问题进行合理简化。事实上，电容器／电抗器的投切主要起到无功补偿的作用，其目标是维持无功电压的分层分区基本平衡，对整个电网起一个基础的无功支撑，与发电机无功相比，电容电抗器直接从负荷侧对无功变化进行补偿，避免无功经过较长的传输路径从发电机送到负荷侧，可以将发电机无功保持在上调、下调均有较大裕度的中间位置，从而保证应对紧急情况的动态无功储备，提高大电网的动态安全性。为此，我们在发电机和电容电抗器的协调控制中考虑以下原则：

1）电容电抗器作为基础的无功补偿，优先进行投切；

2）发电机无功出力作为动态电压支撑和连续调节变量，主要在离散设备不具备控制能力的情况下进行。

低压切负荷是解决电力系统电压稳定性的一种有效的预防和校正控制措施，在电力系统中得到了比较广泛的应用和研究。在紧急情况下，可以将部分负荷作为二级电压控制的对象，将二级电压控制和切负荷有效地协调起来进行控制，防止系统电压崩溃。

2.4 二级电压控制和切负荷的协调

1）在紧急情况下，二级电压控制和切负荷可以组合（同时）或者顺序进行，以消除电压不稳的状况。组合协调过程是将改变一级电压控制系统的电压预设值和切负荷同时进行，在每一控制步内都需要一级电压控制系统的调整量和切负荷量。它另一种二级电压控制和切负荷的协调是顺序进行二级电压控制和切负荷。首先考虑一级电压控制系统的调整量，充分利用系统的无功资源，直至系统的可用的无功资源耗尽。然后再考虑切负荷控制。

2）二级电压控制的控制变量只包括发电机无功，在二级电压控制过程中认为电容电抗器的投切状态不会发生改变，但是要保证协调变量屹在控制后满足变电站子站给出的协调约束。

（1）电容电抗器的投切可以看作是一种基础的无功支撑状态，每一个电容电抗器动作后相当于由一个支撑状态过渡到另一个支撑状态，但由于电容电抗器的离散性质，其控制量为阶越量，只能实现一种粗放式的调节，因此在当前投切状态和下一个设备动作后的状态之间有一个控制的空白区域，这个范围内的控制是无法由变电站的电容电抗器实现的，而二级电压控制重点正是在这样的两次设备投切之间进行调节，目的是利用发电机无功的连续调节能力实现精细化的调节。

（2）当电容电抗器全部投入或者退出，变电站电压或者无功仍然不能满足要求的情况下，说明此时离散控制设备的控制能力已经耗尽，在这种情况下应当利用发电机的动态无功调节能力作为必要的补充

2.5 理想化最优控制模式

1）分别对应秒级（一级电压控制时间常数）、分钟级（二级电压控制时间常数）和小时级（三级电压控制时间常数）。并保证系统在经济性和安全性目标上达到性能最优。如果要实现最优控制系统，工程应用中需具备以下条件。

（1）必须能够保证可靠求解最优控制策略；

（2）必须能够准确获取全网各节点的状态。

2）目标解耦性分析，从“安全第一、经济第二”的原则出发，可以将原有的理想化的最优控制模式分解为稳定预防控制和稳态最优控制。在实际的应用中，对当前电力系统进行预想故障扫描，如果系统处于正常不安全状态，进行预防控制决策计算，提高系统的安全水平电网绝大部分时间处于正常安全运行状态，此时进入稳态最优控制计算模式，

3 二级电压控制的发展方向

3.1 变电站二级电压自动控制装置（VQC装置）

在调度自动化系统未实用化的时候，地区电网采用就地平衡、分散调整的方式使用VQC装置，实现仅仅面向单个变电站的运行控制。

3.2 主站集中式自动电压控制系统软件（AVC）

随着计算机技术和通讯技术的迅速发展，电力系统调度自动化技术已经基本在地区级电网都做到了实用化，在此基础上出现了主站集中式自动电压控制系统软件（AVC）。

3.3 AVC与VQC装置联合协调控制方案探讨

考虑到VQC和AVC的特点，国内也有专家提出AVC系统和VQC装置联合协调控制的技术思路。

3.4 二级电压控制的发展趋势

电力系统二级电压控制作为电力系统自动化的一个重要组成部分，具有电力系统控制所固有的复杂性、非线性、不精确性以及控制要求实时性强等特性，使得其中有些方面难以用传统盼数学模型和控制方法来描述和实现，于是研究人员开始借助人工智能方法解决这些难题，并推动智能控制技术在电力系统二级电压控制领域广泛应用。近年来，由于基于人工智能技术的各种智能控制手段具有一些常规控制所不具备的智能特性，如可以引入专家的经验知识、能够处理不确定性问题、具有自学习和获取知识的功能、适于处理非线性问题等，在电力系统中得到了广泛的关注，获得了大量的研究成果，成为电力系统中一个重要的研究领域。

4 结论

二级电压自动控制是近年来电力工程界的研究热点，并且有大量成果得到应用并且产生了可观的效益。本文介绍了VQC装置和AVC系统软件的发展。从以上分析可以看出，二级电压控制由手动控制走向自动控制、由分散控制走向集中式的递阶控制、由无序控制走向优化控制、由单机单一控制走向网络分级控制，由主网二级电压控制走向主配网全网二级电压控制，由区域优化控制走向分层分级联合协调控制。

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1674-6708（2010）28-0088-02