东北电网无功电压多层协调控制研究

李剑峰，张婷婷

(1.辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006;2.锦州供电公司，辽宁 锦州 121000)

1 概述

东北电网是我国率先开展自动电压无功(AVC)控制系统研制的区域电网［1］。现已投入运行的有东北网调HAVC系统、辽宁省省调AVC系统和黑龙江省调AVC系统，吉林省也正在开展AVC系统的研发和建设工作。目前东北网调和三省省调自动电压控制系统都是针对各自直接调度管辖电网内的无功电源或无功设备进行独立控制。每个AVC系统在同一时间可能会有不同的控制目标，比如受到数据质量的影响，某个AVC系统正在按照电压计划调节，其它AVC系统可能正在进行经济性调节。此时，各AVC系统所采取的控制策略大相径庭也是有可能的［2］。这会导致不合理的无功交换和无功储备分布，继而引起网络损耗偏高。

可见，各自独立的AVC控制方式存在很大的局限性。随着AVC系统的不断成熟，在未来数年内将对电网产生越来越大的影响。亟需协调网调以及三省的AVC系统。东北电网的现状是网省AVC系统独立控制分区内的设备，如图1所示。

2 无功电压多层多区协调控制理论

2.1 无功区域协调变量

考察稳态下区域的边界节点上无功/电压的外部特性，即当无功负荷扰动或控制都只发生在外部区域时，该区域在边界节点上注入无功功率与电压幅值之间的变化关系，可以看出注入子区域的无功功率一般随着电压单调变化，且变化范围有限，因此无功/电压特性可以用线性化方法进行近似［3］。

由于联络线电压和无功功率受到两端区域的影响，为了公平地评价省调AVC的工作，有必要制定相应的考核指标衡量协调方案的实现情况，以分辨是哪个区域的负荷变化引起的联络线电压和无功的变化，从而明确应该由谁负责调节。

经过研究提出了与区域电网无功/电压外部特性相对应的无功电压协调量VACE［4］:

在相邻2个区域间有M条联络线的情况下，VACE指标是一个M维的向量。对于本区域的控制系统，可以方便地量测和获取本区域侧的电压和无功，不依赖其它相邻区域或其它层级控制系统的量测信息。

AVC区域控制器之间的耦合主要在于外区域控制变量调整对本区域协调变量的影响，如式(1)所示:

由于相互耦合天然的存在，一般多级控制系统选择的协调变量会使得协调变量对控制变量的灵敏度关系矩阵中非对角块矩阵不为零矩阵。

如果能够恰当构造新的协调变量，使得式(1)变形为

即新协调变量对控制变量的灵敏度关系矩阵中，非对角块矩阵都为零矩阵，则相互耦合的区域控制系统可以实现解耦控制。

VACE指标就是基于这样的思路提出的。

2.2 物理及几何意义解释

为了方便描述和理解，以只有单个边界节点的区域电网为例 (例如辐射状网络，并以其根节点作为边界节点)，结论容易推广到含多个边界节点的区域电网。

当区域电网内不包括任何发电机节点 (PV节点)。此时无论外部电网导致VB如何变化，几乎不变。一般边界节点电压升高会使得区域电网内的无功网损有所下降。因此，该类区域电网无功电压外部特性是一条下降的曲线，几乎垂直于横轴。

当区域电网内包含发电机节点 (PV节点)。此时如果外部电网导致VB变化，区域电网内的发电机为了维持原有的机端设定电压，会通过AVR的调节控制，反向抵抗机端端电压的改变。此时发电机节点无功出力改变的作用会远大于无功网损的变化，因此VB变化引起的无功网损此时可以忽略不计。当VB升高，区域内的发电机会减小无功出力，导致增大;当VB降低，区域内的发电机会增加无功出力，导致～QB减小。因此，该类区域电网无功电压外部特性是一条上升的曲线。

VACE具有如下几个性质。

a.与ACE相同，通过VACE考核标准可以判断无功扰动是发生在区域内还是区域外，每个控制区只负责控制本区内的无功扰动，使得考核是公平的。

b.VACE指标为正，说明本区域的负荷无功增大、电压降低;VACE指标为负，说明本区域的负荷无功减小、电压升高。

c.如果控制后，VACE指标等于0，则说明本区域的负荷无功变化对相邻区域的影响已经消除。

d.给定的Qref反映了对无功支援的协调，Vref反映了对电压控制水平的协调。

e.VACE具有与无功相同的单位，Mvar，物理意义直观。

2.3 协调量实时优化方法

VACE的设定值由网调AVC系统根据事件触发机制计算并下发［5］。

a.如果此时段负荷大幅度变化，则求解多断面优化问题:

式中，Δu为全网范围内待优化的可控设备的无功出力增量或端电压增量，C为控制的成本，xi为系统的状态量 (包括PQ节点的vi和θi、PV节点的θi和Qi、Slack节点的Pi和Qi)，Pi为第i个断面的参数 (包括PQ节点的Pi和Qi、PV节点的Pi和Vi、Slack节点的vi和θi)。

gi(xi，pi，u+Δu)=0 是第 i个断面的全网潮流方程，hj(xj，pj，u+Δu)≤0 是第 i个断面的运行约束 (包括电压上下限、无功上下限等)，umax和umin是可控设备的控制上下限。

求解该问题得到的Δu就是使得n个断面都能满足电压、无功上下限等约束的解。

b.如果此时段负荷基本平稳，则分析是否发生电压质量、经济性或安全性事件。如果没有事件，则Δu=0。

①如果电压有越限，则根据求解如下线性规划:

求解该问题得到的 Δu就是消除电压越限的解。

如果线性规划无解，求解最小违反约束的解，并给出越限信息。

②如果网损过高，则求解最优潮流:

求解该问题得到的 Δu就是使得网损最小的解。

③如果电压稳定水平偏低，则:

式中，约束η(x，u+Δu)＞εsafe表示控制后系统的稳定裕度需要大于某个阈值。

三省AVC在根据本省目标优化的同时，考虑如下约束:

3 无功电压协调控制系统的实施方案

3.1 网调侧硬件配置方案

为网调AVC主站增加2台HP安腾系列的UNIX服务器，以主备冗余方式运行。科东公司提供各种数据接口标准，提供新EMS系统的实时数据、状态估计结果，清华AVC系统计算出对系统无功调节目标值，将控制命令发送给东北网调新EMS系统，人机界面功能需要清华自行开发，其画面风格应与新EMS系统人机画面风格保持一致。

该方案完全使用了新的硬件，通过接口读取状态估计、发送控制命令，通过新EMS系统的前置子系统发送给控制子站。具体的数据流关系如图2所示。

3.2 网调和省调数据通信方案

实现东北电网无功电压分层分区协调控制系统需要建立三省及网调AVC系统的数据通信平台。该数据通信平台需要建设的主要是网调新EMS、网调HAVC和省调AVC之间的数据通道。这其中包括的数据通信功能如图3所示。

图2 系统数据流图

图3 无功电压多层多区协调控制系统待建数据通信功能

a.第1种数据通信

数据来源:网调新EMS系统CC－2000A

数据接受:网调HAVC主站

功能:获取网调所辖电网以及三省所辖电网的参数和实时数据

b.第2种数据通信

数据来源:网调HAVC主站

数据接受:网调新EMS系统CC－2000A

功能:通过网调新EMS系统向网调直属厂站的AVC子站下发控制指令

c.第3种数据通信

数据来源:网调HAVC主站数据接受:省调AVC主站功能:网调HAVC主站向省调AVC主站下发协调信息

d.第4种数据通信

数据来源:省调AVC主站数据接受:省调HAVC主站功能:省调AVC主站向网调HAVC主站发送本省AVC主站子站信息

3.3 网调侧主站软件体系实施方案

网调侧AC系统软件系统分层进行实现，如图4所示。

基础服务平台，包括服务查找、模块管理、任务调度、日志管理、权限认证等功能，是保证无功电压多层多区协调控制系统方便集成、灵活稳定运行的基础。

图4 无功电压多层多区协调控制系统的软件体系结构 (总图)

核心计算，包括混成自动电压控制子系统、网省AVC协调优化系统以及为实现这些控制系统需要的数据接口和分析计算等工具。

可视化与调度员决策系统，是无功电压多层多区协调控制系统与调度员和其它使用者进行交互的界面。

4 联合测试试验

a.该系统能够有效地协调东北电网直属的无功设备和辽宁、黑龙江省属无功设备，实现经济、安全与优质的控制目标。

b.VACE指标可以分辨无功扰动是否在本区域内，作为无功电压多层多区协调控制的协调变量是有效的。

c.与没有协调的AVC系统相比，协调运行的AVC系统可以优化系统无功潮流，提高电压合格率，降低网损。

5 结束语

根据无功电压多层多区协调的机理并结合电力系统的运行实践，提出了以“电压区域控制偏差(VACE)”为协调变量的控制方案。通过该协调量可以判断无功扰动是发生在区域内还是区域外，每个控制区只负责控制本区域内的无功扰动，使考核公平，同时达到协调控制的目的。通过对东北电网无功电压多层多区协调控制系统的测试结果表明，该系统能够有效地协调东北电网直属的无功设备和辽宁、黑龙江省属无功设备，实现经济、安全与优质的控制目标。

［1］孙宏斌，郭庆来，张伯明.大电网自动电压控制技术的研究与发展［J］.电力科学与技术学报，2007，22(1):7－12.

［2］邹根华，郭玉金，姚诸香，等.大电网省地协调自动电压控制(AVC) 的研究［J］.华中电力，2008，21(3):9－11.

［3］苏家祥，廖亨利，袁文谦，等.地、县两级电网AVC系统分层联合协调控制［J］.继电器，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.罗 毅，等.考虑控制区域间影响的二级电压控制 ［J］.电力系统自动化，2002，26(15):27－32.