基于软分区的三级电压自动控制系统在山东电网的应用

张冰，傅磊，王小波，李新，武诚，马琳琳，连晓华

（1.山东电力调度控制中心，济南250001；2.国网山东省电力公司威海供电公司，山东威海264200）

基于软分区的三级电压自动控制系统在山东电网的应用

张冰1，傅磊1，王小波1，李新1，武诚1，马琳琳1，连晓华2

（1.山东电力调度控制中心，济南250001；2.国网山东省电力公司威海供电公司，山东威海264200）

自动电压控制（AVC，Automatic Voltage Control）是电力系统调度不可或缺的环节，山东电网采用了基于软分区的三级自动电压控制系统。介绍AVC基本原理和相关概念及其在山东电网的应用效果，重点探讨厂厂协调和厂站协调的问题。实际运行情况表明，AVC可以有效划分无功分区、降低网损，解决厂厂协调、厂站协调等自动电压控制难题，提高电网运行的经济性、可靠性。

自动电压控制；厂厂协调；厂站协调

0 引言

自动电压控制是现代电力系统调度不可或缺的基本功能。自动电压控制的主流模式按照控制层次可以划分为3种。

第一种是二级控制，最优潮流（OPF）的优化计算结果直接发到各电厂的一级电压控制器进行控制，典型的代表是德国RWE电力公司［1］。该控制模式的主要缺点是AVC完全依赖OPF，对全网数据要求极高，另外AVC的响应速度不够，动态控制效果不好。

第二种是基于硬分区的三级电压控制，每个控制区设置二级电压控制，协调该区域内的多个一级控制器的控制行为，各区域的二级电压控制由1个总的三级电压控制，其典型代表是法国EDF公司［2］。这是国际最先进的自动电压控制系统，得到了广泛的应用，其缺点在于二级区域的划分是一成不变的，即硬分区，难以适应快速发展下的电力系统。

第三种是清华大学提出的基于软分区的三级电压控制［3］。该模式充分吸收了EDF控制模式的优势，以软件方式实现了控制的时空解耦，克服了EDF三级控制与生俱来的硬分区缺陷，根据电网的运行方式及时调整分区，确保了分区的有效性。这种控制模式与快速发展的中国电网相适应，因此在中国得到了广泛的应用，另外在北美PJM中也得到了应用［4］。

结合山东电网发展的实际情况，山东电网AVC采用第三种控制模式，取得了很好的效果。介绍该控制系统的基本原理和相关模型，对其在山东电网的实际应用进行了分析，然后重点讨论了厂厂协调和厂站协调方法及其应用，并通过电网实际运行情况分析验证了山东AVC系统的应用效果。

1 基于软分区的三级自动电压控制系统

1.1 控制体系架构

基于软分区的三级自动电压控制系统由“三级”控制组成。

“三级电压控制模块”位于控制系统最顶层，一般以10~60 min运行1次，根据负荷预测值，结合全网可用无功调节设备，进行全网无功优化，并依据运行实际进行无功分区的划分及中枢节点的选择，计算结束后将中枢节点电压设定值下发至各分区的二级电压控制模块，三级控制模块的关键问题是全网无功优化问题和软分区划分。

“二级电压控制模块”分布在各区域的控制中心，一般控制周期为10~60 s，根据中枢节点的调节目标，确定区内各厂站合理的一级控制器定制并下发到各厂站执行，考虑到区内节点耦合程度较高，二级控制模块需充分考虑区内节点间调节行为的相互影响。

“一级电压控制模块”为各厂站的本地控制，通过就地调节发电机励磁、有载调压变压器分接头及无功补偿设备保持本节点电压尽可能接近二级电压控制模块给定的目标值，控制时间常数为秒级。

1.2 三级电压控制模块

1.2.1 全局电压无功优化计算

三级电压控制本质上是全网最优潮流，依据在线超短期负荷预报得到下一周期的基态潮流，在满足电网安全约束的条件下，综合考虑电厂、变电站以及备用情况，以网损最小为优化目标进行无功优化计算，给出全网最优的无功电压优化目标值。

为说明三级电压控制降损效果，分别选取具有代表性的负荷高峰与低谷断面进行优化计算。高峰时刻取2013-12-25 T 10∶01∶00时刻断面，低谷时刻取2013-12-25 T 04∶07∶00时刻断面，OPF计算结果分别如表1、表2所示。

表1 典型高峰时刻无功优化计算结果

表2 典型低谷时刻无功优化计算结果

由表1、表2可以看出，三级电压控制的无功优化计算能有效利用无功补偿设备，降低电网损耗水平，提高电网运行的经济性。

1.2.2 在线自适应无功电压软分区

适时合理分区，实现电网空间解耦，是实现基于“软分区”三级电压控制的关键，直接关系到控制效果，合理的分区需满足：各子区域有足够的无功源用于电压调节；各子区域的控制行为相互影响很小。基于此，山东电网AVC根据发电机、电容器等无功源的控制能力与母线电压等被控量之间的关系，构造了无功源控制空间，根据各节点在该空间中的坐标，定义节点间的电气距离，在此基础上通过聚类分析实现无功电压软分区。

山东电网的典型无功电压软分区结果如表3所示，共有9个分区，分区名称由分区包含的城市名拼接而成。

表3 山东电网AVC软分区结果

对比表3与山东电网地理接线图可知，分区结果与地理位置有很强的一致性，这是由于地理位置临近的节点往往具备电气距离小、耦合紧密的特征。另外，城市的行政划分和基于电气距离的软分区划分有一定的差异性，若不加以分区，难以充分利用其固有的无功聚类特性，而部分城市名在分区名称中不止一次出现，例如7、8分区中均包含青岛、烟台，这是因为同一城市的节点在无功源空间中电气距离不一定是最近的。

由于500 kV聊城站所带220 kV电厂比较集中，因此该区域的220 kV厂站单独形成了第9个分区，包括500 kV聊城站所带的220 kV厂站部分，以及聊城电厂的220 kV机组；而聊城电厂的500 kV机组被划入了第1个分区，参与500 kV电网分区的控制调节。

1.3 二级电压控制模块

二级电压控制模块通过电厂控制、变电站控制和地调协调控制对关键节点和关口的无功电压进行调节，从而调动了全网的无功调节设备实现三级电压控制的优化目标。限于篇幅，不对二级控制展开详细分析，仅说明其基本原理，并对厂厂协调问题和厂站协调问题两个二级控制中的关键问题进行重点分析。

1.3.1 电厂控制

电厂控制以区域内主要发电厂为控制对象，依据三级控制设定的区域中枢节点电压目标值，结合各电厂的可用无功调节能力，计算发电厂高压母线的控制电压，并下送至一级控制的发电厂子站执行。

1.3.2 变电站控制

变电站控制模块以枢纽变电站为控制对象。与电厂控制类似，依据三级控制设定的区域中枢节点电压目标值，计算区域内所有的可调变电站的电压目标值。不同的是，该目标值不能直接下发用于控制。一方面，变电站无功设备的离散性导致电压控制的非连续性、阶跃性；另一方面，枢纽变电站需综合考虑3侧母线电压的安全约束和调节要求。因此，变电站控制要结合变电站的设备运行情况综合分析，首先确定是否可控，再生成具体设备的控制策略下发给变电站相关的一级控制执行。

1.3.3 地调协调控制

地调协调控制模块的以各地区电网的AVC系统为控制对象，根据三级控制设定的区域中枢节点电压目标值，结合地调AVC上送的各节点可用无功调节能力，计算各关口节点的无功调节需求，并以功率因数的形式下发给地调AVC系统。在山东电网应用中，此关口选在220 kV主变压器的高压侧，即地区电网AVC的控制指令为220 kV主变压器高压侧功率因数。

2 区域紧耦合节点的协调控制

在二级电压控制中，由于各子分区内部节点的相互耦合程度较高，部分节点控制行为的相互影响较大，此时若仅分别独立考虑各可调节点与中枢节点调节目标间的关系，有可能导致区域内无功不合理流动、区内无功备用减少、震荡调节以及电压稳定裕度降低。对此，山东电网AVC对区域内紧耦合节点采取厂厂协调和厂站协调来实现对无功调节设备的协调控制。

2.1 厂厂协调

2.1.1 厂厂协调优化模型

厂厂协调针对分区内耦合紧密的发电厂单元，通过合理调整各电厂母线电压设定值，在保证中枢节点调整目标的前提下，使不协调的电厂恢复到“平衡”状态，削减区域内无功的不合理流动。厂厂协调采用的二次规划数学模型［5］为

式中：ΔQg为发电机无功输出改变量；Cvg、Cg为相关灵敏度；Wp、Wq分别为有功功率和无功功率；Vp、VH分别为中枢节点电压和发电机母线电压；Qg为发电机发出无功功率；εV为无功均衡指标阀值。

2.1.2 厂厂协调实例分析

以嘉祥电厂和运河电厂为例分析山东电网AVC厂厂协调效果，2座电厂同时都直接接入500 kV汶上站，节点相互作用紧密。12月25日22∶25∶02，运河电厂6号机组进相无功29.4 MVar，5号机组进相无功30.4 MVar，嘉祥电厂1号机组迟相无功53.6 MVar，2号机组迟相无功58.1 MVar，需进行无功均衡的厂厂协调校正控制。

在AVC下发电压调整控制指令时，为避免电厂间出现调节振荡，对需减少无功的电厂下发电压保持指令，对需增加无功的电厂下发电压增加指令。实际调节效果如图1~2所示，在13∶40—17∶30时段，以及19∶10—23∶55时段，由于分区内电厂间的无功不均衡，按照上述计算过程，AVC对嘉祥电厂下发维持当前母线电压的目标值，调整后母线电压为531.99 kV，而对运河电厂下发电压升高的目标值，调整后母线电压为532.07 kV，比调整前提高了1.83 kV。该过程实施后，实现了2座电厂中4台机组的无功均衡出力。

由上述实例分析可知，二级电压控制的厂厂协调控制能修正电厂控制目标值，有效提高无功出力的均衡性、削减无功不合理流动、提高区域电压稳定裕度。

图1 嘉祥电厂500 kV 1号母线电压曲线

图2 运河电厂500 kV 1号母线电压曲线

2.2 厂站协调

2.2.1 厂站协调模型

与厂厂协调类似，厂站协调用来协调紧密联系的变电站节点与发电厂节点的无功调节能力，实现合理的区域无功电压调节方案。

仅考虑电厂控制作用时，二级电压对电厂控制的优化模型［6］为

式中：Vp、Vs分别为电厂、变电站母线电压；分别为三级电压控制下发的电厂、变电站母线电压设定值；Qg分别为发电厂无功输出、变电站无功补偿；Cpg、Csg为电厂无功输出和母线电压间的灵敏度关系。

由模型中的第二个约束可知，在电厂控制对发电厂进行调节时，必须同时满足协调变电站的电压限制约束。一般情况下，为变电站母线的电压考核限值，而在AVC考虑厂站协调控制问题时，对于协调变量Vs所对应的约束条件的约束范围由变为，后者是前者的一个子集，是由变电站控制模块根据电网运行“实时”更新的约束范围，该约束范围的变化说明了在厂站协调模式下，发电机的优化空间被压缩。

2.2.2 厂站协调实例分析

以500 kV光州站和500 kV莱州电厂为例分析厂站协调的控制作用，限于篇幅仅对电抗器投入时的厂站协调策略进行分析。

光州站4号主变压器12月17日低压侧无功曲线如图3所示，同期由变电站控制模块下发的光州站母线协调上下限如图4所示，其中，蓝色为电压实时量测值，绿色为实时更新的协调电压限值。

由图4可知，在光州站电抗器投入的时段（21∶00—23∶50），协调母线电压的上限值与量测值基本相同，在该时段内由于给出的协调约束上限与量测值基本相同，因此在变电站电抗器退出前，AVC要求电厂不再增发无功，避免了无功的不合理流动，同时体现了离散无功设备的优先动作。

图3 光州站4号主变压器低压侧无功

图4 光州站500 kV母线协调电压限值

实际运行表明，在二级电压控制厂站协调的作用下，当变电站内的无功设备具备投切能力时，向电厂控制模块发送协调约束，能避免电厂过快增加或减少无功，实现了优先采用变电站离散无功设备进行调节，减少厂站之间不合理的无功流动，提高电厂的无功旋转备用，验证了厂站协调控制策略的有效性。

3 结语

山东电网采用基于软分区的三级电压自动控制系统，实际运行表明，该模式能有效适用于快速发展的山东电网，鲁棒性强，通过高效利用全网的无功调节能力、充分发挥离散设备和连续设备的组合优势，能避免不合理的无功环流，达到降低损耗的目的，同时有利于提高无功调节备用水平和电网电压稳定裕度，对山东电网实现高水平的安全、可靠、经济运行有重要意义。

［1］F.R.Graf.Real time application of an optimal power flow algorithm for reactive power allocation of the RWE energy control center［C］.IEE Colloquium on International Practices in Reactive Power Control，1993.

［2］H.Lefebvre，D.Fragnier，J.Y.Boussion.Secondary coordinated voltage control system：feedback of EDF［C］.IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2000.

［3］孙宏斌，张伯明，郭庆来，等.基于软分区的全局电压优化控制系统设计［J］.电力系统自动化，2003，27（8）：16-20.

［4］张明晔，郭庆来，孙宏斌，等.应用于北美电网的自动电压控制系统设计与实现［J］.电网技术，2013，37（2）：349-355.

［5］石新聪，王彬，陈佩琳.厂厂协调技术在特高压近区自动电压控制中的应用［J］.山西电力，2013（6）：1-5.

［6］郭庆来，孙宏斌，张伯明，等.自动电压控制中连续变量与离散变量的协调方法（二）厂站协调控制［J］.电力系统自动化，2008，32（9）：65-68.

Application of Automatic Voltage Control in Shandong Power Grid

Automatic voltage control is an essential part for power dispatching.The global voltage control strategy based on soft identification of control zones is applied in Shandong.Basic concepts，principles and the application effect in Shandong are briefly introduced.Coordination among power plants and coordination between power plants and substations are discussed in detail.Operation practice shows that AVC can not only reasonably divide the reactive power zones and decrease loss，but also solve the coordination problems among different power plants and substations，thus ensure an efficient and stable power grid.

automatic voltage control；coordination among power plants；coordination between power plants and substations

TM761

：A

：1007－9904（2014）06－0013－04

2014-06-05

张冰（1981），男，高级工程师，从事电力系统运行分析工作；

傅磊（1974），男，高级工程师，从事电力系统运行分析工作；

王小波（1965），男，高级工程师，从事电力系统运行分析工作；

李新（1981），女，工程师，从事电力系统运行分析工作；

武诚（1982），男，工程师，从事电力系统运行分析工作；

马琳琳（1983），女，高级工程师，从事电力系统运行分析工作；

连晓华（1980），男，工程师，从事电力系统运行分析工作。