基于实时潮流算法的AVC系统优化控制策略

许 恺，郭 猛，胡文丽，周锦哲，刘 超，陈骥群

(国网河北省电力有限公司保定供电分公司，河北 保定 071051)

0 引言

2012年国家电网有限公司全面开展“三集五大”体系建设，使监控业务更加集中化，从而导致了调控中心人员力量严重不足，因而对自动化系统提出了更高的要求。基于D5000调度自动化平台的自动电压控制(Automatic Voltage Control，AVC)系统是大运行建设实施的重要保障体系之一，可实现对电网内各变电站的有载调压装置和无功补偿设备的集中监视、统一管理和自动在线控制[1-3]。

随着AVC系统全面闭环运行，电压管理实现了从经验型到智能型的转变，电压及无功调整人工干预逐步减少[4-6]。AVC系统智能化极大地减轻了电网调控人员对电压监控的工作强度，提高了输电网用户用电的效率、可靠性，为保证电网安全、稳定经济运行，降低电压崩溃事故而引起的大规模停电风险发挥了有效作用。然而，在电网的实际运行中，AVC系统所存在的问题也逐步显现出来[7-9]。

a.AVC系统控制策略过于简单，未考虑负荷高峰期间高限和低谷期间低限对于电压的特殊要求，个别时段的受端电压存在高峰时越下限运行，低谷时越上限运行的现象，仅靠AVC自动调压，电网电压的合格率较低，造成人工干预调压工作量大。

b.未能解决提高AVC系统动作灵敏度与降低动作次数之间的矛盾[6-9]。监控人员通常为了减少电容器投切次数与主变压器分接头调节次数，而扩大其电压整定值范围，导致AVC系统调节灵敏度偏低，不利于电网的安全稳定运行。

为了解决这些问题，介绍了电网九区图法调压原理，并基于实时潮流算法，提出了一种AVC系统优化控制策略，由低压侧母线的实际带载情况及高压侧母线的电压要求，通过计算得到此时低压母线的电压限值，并结合低压侧母线电压控制范围，最终确定AVC系统电压动作限值。该控制策略有效提高了AVC系统动作灵敏度，对保证电网安全稳定运行，减少客户投诉率具有重要意义。

1 九区图法调压原理

地区电网AVC系统控制策略通常以九区图法为原理。九区图控制法原理是调节有载调压变压器分接头及投切电容器，使系统尽量运行于区域0，如图1所示。

图1 九区图法示意

各区域决定的9种运行状态的控制规则分析如下[10]：

a.区域0，电压与无功均满足要求，为稳定工作区，此时AVC不动作。

b.区域1，电压越上限，无功正常。此时应调节变压器分接头降压至电压正常。若分接头档位已上调至最高挡，而电压仍高于上限，则强行切除部分电容器。

c.区域2，电压越上限，无功越上限。此时优先调变压器分接头降压，若分接头档位已上调至最高挡，而电压仍高于上限，则强行切除部分电容器。

d.区域3，电压合格，无功越上限。此时应投入电容器使无功正常。

e.区域4，电压越下限，无功越上限。此时优先投入电容器，若无电容器可投或电容器组投完后电压仍越下限，则调节变压器分接头升压至电压正常。

f.区域5，电压越下限，无功正常。此时应调节变压器分接头升压至电压正常。若分接头档位已调至最低挡，而电压仍低于下限，则强行投入部分电容器。

g.区域6，电压越下限，无功越下限。此时优先调节变压器分接头升压。若分接头档位已调至最低挡，而电压仍低于下限，则强行投入部分电容器。

h.区域7，电压合格，无功越下限。此时应切除电容器使无功正常。

i.区域8，电压越上限，无功越下限。此时优先切除电容器，若无电容器可切或电容器组切完后电压仍越上限，则调节变压器分接头降压至电压正常。

2 AVC系统控制策略的优化

2.1 传统AVC系统控制策略

地区电网通常根据九区图法的调压原理设置AVC系统控制策略。传统的AVC系统控制策略是将电压动作限值预设为固定值，如图2所示。监控人员为了减少电容器投切次数与主变压器分接头调节次数，通常将扩大其电压动作限值范围，导致AVC系统调节灵敏度偏低，不利于电网的安全稳定运行。

图2 传统AVC系统控制策略示意

2.2 优化后的AVC系统控制策略

为解决AVC系统在传统控制策略下调节灵敏度不足的问题，提出AVC系统优化控制策略。

图3给出了电网调压原理示意，其中G为发电机;Ua，Ub分别为高压侧、低压侧母线电压;低压母线带负荷SLD=PLD+QLD。

为简化分析，将图3系统参数归算到高压侧，得到如图4所示的调压等效原理示意。

由图4根据电压负荷关系可得：

图3 电网调压原理示意

图4等效调压原理示意

式(2)可看作是关于Ub的一元二次函数，可解得：

由于系统参数R，X，k，Ua恒定，因而式(3)可视为低压受端母线电压关于受端母线所带负荷的函数，即：

假定AVC系统设定的高压侧电压高限值和低限值分别为UaH，UaL，将其带入式(3)可得：

假定低压母线系统电压控制范围为：Uref1～Uref2。根据Uref1，Uref2，UbH，UbL的大小关系来确定AVC系统动作电压限值区。

a.I区(Uref1＜UbL＜UbH＜Uref2) AVC系统动作电压限值区为：[UbL，UbH]。

b.II区(Uref1＜UbL＜Uref2＜UbH) AVC系统动作电压限值区：[UbL，Uref2]。

c.III区(UbL＜Uref1＜UbH＜Uref2)AVC系统动作电压限值区：[Uref1，UbH]

d.IV区(UbL＜Uref1＜Uref2＜UbH;Uref1＜Uref2＜UbL＜UbH;UbL＜UbH＜Uref1＜Uref2)AVC系统动作电压限值区：[Uref1，Uref2]。

综上所述，本控制策略首先根据高压侧母线的电压限值，对低压母线所带负荷进行实时潮流计算，得到对应的低压母线电压计算限值，然后结合低压母线的电压控制范围，最终得到AVC系统的电压整定限值，控制策略流程示意如图5所示。该控制策略提高了AVC系统的动作灵敏性，有利于电网安全稳定运行和电压质量的提高。

图5 优化后AVC系统控制策略流程示意

3 算例分析

为进一步说明控制策略的可行性与有效性，下面列举了5个实施算例，分析在不同情况下的AVC系统调压限值区。

系统等值电阻R=0.4Ω，系统等值电抗X=35Ω，高压侧母线电压高限值UaH=115.5kV，高压侧母线电压低限值UaL=110kV，低压侧母线电压高限值Uref2=10.7kV;低压侧母线电压低限值Uref1=10kV。变压器变比k=112.75kV/11kV。设定设定无功功率最大值Qmax=25 Mvar，无功功率最小值Qmin=15 Mvar。

a.算例1。低压侧母线有功负载PLD1=30 MW，低压侧母线无功负载QLD1=40 MVar，将其带入公式(5)、公式(6)中，可得此时UbH1=9.91kV，UbL1=9.28kV。此时UbL1＜UbH1＜Uref1＜Uref2时，AVC系统动作电压限值区处于IV区，调压上限值为Uref2，调压下限值为Uref1，即AVC系统调压限值为[10kV，10.7kV]。若此时Ua=113kV，由公式(3)可得Ub=9.63kV，此时电压越下限，无功功率越上限，AVC系统动作。根据九区图原理可知，此时优先投入电容器，若无电容器可投或电容器组投完后电压仍越下限，则调节变压器分接头升压至电压正常。

b.算例2。低压侧母线有功负载PLD2=20 MW，低压侧母线无功负载QLD2=30 MVar，将其带入式(5)、公式(6)中，可得此时UbH2=10.29kV，UbL2=9.69kV。此时UbL2＜Uref1＜UbH2＜Uref2，AVC系统动作电压限值区处于III区，调压上限值为UbH2，调压下限值为Uref1，即AVC系统调压限值为[10kV，10.29kV]。若此时Ua=116kV，由公式(3)可得Ub=10.34kV，此时电压越上限，无功功率越上限，AVC系统动作。根据九区图原理可知，此时优先调变压器分接头降压，若分接头档位已上调至最高挡，而电压仍高于上限，则强行切除部分电容器。

c.算例3。低压母线有功负载PLD3=10 MW，低压侧母线无功负载QLD3=10 MVar，将其带入公式(5)、公式(6)中，可得此时UbH3=10.96kV，UbL3=10.41kV。此时Uref1＜UbL3＜Uref2＜UbH3，AVC系统动作电压限值区处于II区，调压上限值为Uref2，调压下限值为UbL3，即AVC系统调压限值为[10.41kV，10.7kV]。若此时Ua=109kV，由公式(3)可得Ub=10.31kV，此时电压越下限，无功功率越下限，AVC系统动作。根据九区图原理可知，此时优先调节变压器分接头升压。若分接头档位已调至最低挡，而电压仍低于下限，则强行投入部分电容器。

d.算例4。低压侧母线有功负载PLD4=15 MW，低压侧母线无功负载QLD4=20 MVar，将其带入公式(5)、公式(6)中，可得此时UbH4=10.64kV，UbL4=10.06kV。此时Uref1＜UbL4＜UbH4＜Uref2，AVC动作电压限值区处于I区，调压上限值为UbH4，调压下限值为UbL4，即AVC系统调压限值为[10.06kV，10.64kV]。若此时Ua=114kV，由公式(3)可得Ub=10.48kV，此时电压正常，无功正常，AVC系统不动作。

e.算例5。低压侧母线有功负载PLD5=0 MW，低压侧母线无功负载QLD5=0 MVar，将其带入公式(5)、公式(6)中，可得此时UbH5=11.27kV，UbL5=10.73kV。此时Uref1＜Uref2＜UbL5＜UbH5，AVC系统动作电压限值区处于IV区，调压上限值为Uref2，调压下限值为Uref1，即AVC系统调压限值为[10kV，10.7kV]。若此时Ua=112kV，由公式(3)可得Ub=10.93kV，此时电压越上限，无功功率越下限，AVC系统动作。根据九区图原理可知，此时优先切除电容器，若无电容器可切或电容器组切完后电压仍越上限，则调节变压器分接头降压至电压正常。

综合以上5个算例，可知优化后的控制策略，可实现AVC系统的电压整定限值，随负荷的变动而进行实时调整，从而减小了AVC动作电压限值区，提高了AVC系统的动作灵敏性，有利于电网安全稳定运行和电压质量的提高。不同情况下的AVC系统动作电压限值区示意，见图6。

图6 不同情况下AVC系统动作电压限值区示意

4 仿真验证

4.1 仿真参数

为进一步验证上述分析与研究的正确性，以某110kV变电站系统为例进行仿真分析，系统示意如图7所示。运行方式：110kV与10kV母线分列运行，母联101、501断路器均在分位。分别采用传统AVC控制策略和优化后AVC系统控制策略，进行对比分析，相关仿真参数如表1所示。

图7 110kV变电站系统示意

表1 仿真参数

4.2 仿真结果

图8为10kV母线电压实测值与模型计算值的比较结果示意。

通过对比可知，利用构建的电压计算模型得到的电压值与系统电压实测值基本一致，对比结果验证了所建电压计算模型的正确性和有效性。

图9为AVC系统策略改进前后10kV母线电压周曲线对比示意。

图8 10kV母线电压实测值与计算值的比较示意

图9 10k V母线电压对比示意

通过对比可知，采用优化后控制策略，通过对母线负荷变化的实时跟踪，及时修正AVC系统电压动作限值，提高了其动作灵敏度，母线电压波动明显减小，基本稳定在10.3～10.6kV。现场试验结果验证了所提控制策略可极大提升电网电压合格率，使电压质量得到显著改善。对保证电网安全稳定运行，减少客户投诉率具有重要意义。

5 结论

在深入研究九区图法调压原理的基础上，基于实时潮流算法，提出一种AVC系统优化控制策略。该控制策略通过综合考虑各种因素优选出控制系统的电压整定限值，通过给出的实施算例和搭建的仿真模型对所提控制策略的有效性和可行性进行了验证，结果表明该控制策略：

a.避免了电网个别时段的受端低压母线电压存在的高峰时越下限运行，低谷时越上限运行的现象，提高了AVC系统动作的可靠性，减少了人工干预调压的工作量。

b.提高了AVC系统动作灵敏度，使电网满足电压质量的要求，对保证电网安全稳定运行，减少客户投诉率，提高供电公司企业形象和社会信誉具有重要意义。