高冬那，黃家棟，蔡桂華

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.保定供電公司，河北 保定 071051）

地區(qū)電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

高冬那1，黃家棟1，蔡桂華2

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.保定供電公司，河北 保定 071051）

分析地區(qū)電網(wǎng)運行特點選擇電壓無功分層分區(qū)綜合協(xié)調(diào)控制的方案，通過區(qū)域電壓控制和變電站電壓校正控制協(xié)調(diào)控制保證全網(wǎng)電壓合格，將各分區(qū)關(guān)口功率因數(shù)維持在較高水平，實現(xiàn)區(qū)域無功合理分布。根據(jù)經(jīng)濟(jì)壓差原理，比較Q＊X的大小，確定并聯(lián)電容器的投切次序。開發(fā)自動電壓控制系統(tǒng)并投入各地調(diào)運行，現(xiàn)場運行情況表明該系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于人工調(diào)節(jié)，并且減少了人員投入，有較大的經(jīng)濟(jì)意義。

自動電壓控制；經(jīng)濟(jì)壓差；無功控制；分層分區(qū)

0 引言

電力系統(tǒng)中，電壓是衡量電能質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，保證電壓質(zhì)量合格，是電力系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)供電的首要條件。同時無功功率也是影響電壓質(zhì)量的一個重要因素，實現(xiàn)無功的分層、分區(qū)就地平衡，是降低網(wǎng)損的重要手段。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化水平逐漸提高。河北省電力調(diào)度中心為了適應(yīng)220 k V及以下等級變電站無人值班集中監(jiān)控管理的需要，在河北南網(wǎng)推廣自動電壓控制項目，開發(fā)了自動電壓控制系統(tǒng) （AVC）并在各地調(diào)投入運行。

該系統(tǒng)采用分層分區(qū)的控制方案，對地區(qū)電網(wǎng)以220 k V變電站為根節(jié)點進(jìn)行區(qū)域劃分，從而形成多個分別包含一個220 k V變電站及其下屬一個或幾個110 k V變電站的分區(qū)，以分區(qū)為單位進(jìn)行電壓無功綜合協(xié)調(diào)控制，區(qū)域電壓控制與變電站電壓校正控制協(xié)調(diào)控制保證區(qū)域電壓合格，電壓合格的情況下，通過無功調(diào)節(jié)實現(xiàn)區(qū)域無功合理分布，達(dá)到全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化分布的目標(biāo)。

1 分層分區(qū)

地區(qū)電網(wǎng)110 k V及以下電壓等級電網(wǎng)解環(huán)運行，220 k V等級以下配網(wǎng)呈樹狀分布。在這種情況下，可對地區(qū)電網(wǎng)以220 k V母線為根結(jié)點進(jìn)行區(qū)域劃分，從而形成多個分別包含一個220 k V變電站及其下屬一個或幾個110 k V變電站的分區(qū)，各分區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)點為位于分區(qū)關(guān)口的220 k V母線，彼此耦合性大大降低，從而為無功分區(qū)平衡創(chuàng)造了便利條件。在220 k V主變高壓側(cè)對地區(qū)電網(wǎng)和省級電網(wǎng)進(jìn)行分層，然后在地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行分區(qū)。

如圖1所示，在分區(qū)形成后，可得到若干區(qū)域，每個區(qū)域包含一個220 k V變電站及若干110 k V變電站的大區(qū)域A及以單個110 k V站為單位的B、C等區(qū)域。對于A區(qū)域，其控制點為關(guān)口220 k V母線，控制對象為其區(qū)域內(nèi)的所有容抗器；對于B、C區(qū)域，其控制點為本站的110 k V母線，控制對象為各自站內(nèi)的容抗器。

圖1 典型地區(qū)電網(wǎng)區(qū)域接線圖Fig.1 Typical wiring diagram of regional power grid

2 電壓控制

電壓控制的目的是及時調(diào)節(jié)區(qū)域電網(wǎng)中低壓側(cè)電壓以及控制區(qū)域整體電壓水平，使得電壓穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)。AVC系統(tǒng)的電壓控制分為兩部分，即區(qū)域電壓控制和單個變電站的電壓校正。通過兩部分調(diào)節(jié)即可以保證所有母線電壓穩(wěn)定在合格范圍內(nèi)，又有效地減少了設(shè)備控制振蕩。

區(qū)域控制就是整體調(diào)節(jié)每一個電氣分區(qū)的電壓水平，使之處在一個合理范圍內(nèi)。掃描每個區(qū)域中壓側(cè)母線電壓水平，通過取當(dāng)前母線電壓和設(shè)定的母線電壓上下限作比較，分別統(tǒng)計每個區(qū)域中壓側(cè)母線的電壓合格率（s%）。然后用此合格率和設(shè)定的合格率限值（d%）比較，如果s＞＝d，說明對應(yīng)區(qū)域整體電壓水平相對合理，不需要調(diào)整。如果s＜d，表明區(qū)域電壓整體不合理，然后通過判斷具體越限情況，調(diào)節(jié)區(qū)域根節(jié)點使得本區(qū)域整體電壓水平趨于合理。

單個變電站電壓校正類似于VQC設(shè)備的控制原理。通過調(diào)節(jié)主變分頭和投切電容器來調(diào)節(jié)低壓側(cè)母線電壓，使得母線電壓穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)。在調(diào)節(jié)分頭和投切電容器兩種調(diào)節(jié)手段取舍上，做法是有限投入電容器來調(diào)節(jié)電壓。

兩種電壓控制手段之間有先后輕重之分。本文采用的做法是載入電網(wǎng)模型之后，首先進(jìn)入?yún)^(qū)域電壓調(diào)整程序。分別判斷每個區(qū)域的整體電壓水平，對需要調(diào)節(jié)的區(qū)域啟動區(qū)域電壓調(diào)整程序，只有當(dāng)區(qū)域電壓水平達(dá)到一個合理水平時，再依次對每個變電站進(jìn)行電壓校正，最后達(dá)到母線電壓全部合格的目的。

3 無功控制

3.1 經(jīng)濟(jì)壓差原理

對于支路潮流計算有下列公式：

式中：R為線路電阻；X為線路電抗；P為輸送有功功率；Q為輸送無功功率，U為母線電壓。

分析上述公式可以得出：U越大，Q越小，則線路輸電損耗和線路壓降越小。當(dāng)Q＝0時，線路無功分點恰好位于中點，此時線路輸送無功功率在本線路電抗上產(chǎn)生的電壓損耗為0，ΔU稱為經(jīng)濟(jì)壓差。對于給定線路，在經(jīng)濟(jì)壓差條件下運行時，線路傳輸無功造成的有功損耗最小，經(jīng)濟(jì)壓差原理是高電壓水平下無功分層分區(qū)平衡原則極限狀態(tài)的定量表示。

3.2 無功控制策略

分區(qū)形成后，即可按區(qū)域進(jìn)行無功控制。但在實際電網(wǎng)中，由于負(fù)荷變化的連續(xù)性及波動性，將各區(qū)域關(guān)口母線的注入或流出無功功率始終控制為零也是不現(xiàn)實的。本文將該值盡量控制為一較小值，即將關(guān)口母線的功率因數(shù)控制在較高水平上。另外，由于各區(qū)域內(nèi)無功儲備容量存在差異，而且B、C等區(qū)域內(nèi)容抗器需同時參與A區(qū)域與本區(qū)域的無功調(diào)節(jié)，實際中很難使A、B、C等區(qū)域同時達(dá)到無功分區(qū)就地平衡，區(qū)域B、C的控制目標(biāo)與位于其上級的區(qū)域A關(guān)口存在一定的矛盾。因此，A、B、C各區(qū)域存在控制順序上的先后關(guān)系，A區(qū)域優(yōu)先級高于B、C區(qū)域，B、C等區(qū)域地位等同。

根據(jù)廠站功率因數(shù)上下限值和當(dāng)前關(guān)口的有功值，計算得到相應(yīng)無功的上下限值范圍。當(dāng)前無功值在此范圍內(nèi)時，認(rèn)為無功合理；當(dāng)前無功值大于計算所得上限時，認(rèn)為無功欠補，區(qū)域內(nèi)需投入電容器；當(dāng)前無功值小于計算所得下限時，認(rèn)為無功過補，區(qū)域內(nèi)需切除電容器。

針對區(qū)域無功可能出現(xiàn)的過補和欠補兩種情況，AVC的無功控制相應(yīng)地可分為無功切除、無功投入兩個操作方向。在無功切除或投入時，需切除或投入?yún)^(qū)域內(nèi)電容器，分析判斷指標(biāo)即上述經(jīng)濟(jì)壓差原理的Q＊X。其中，Q為線路上流動或穿過主變的無功，X為線路或主變阻抗。

下面以圖1所示地區(qū)電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)為例，來說明地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)區(qū)域無功控制流程。

3.2.1 區(qū)域無功切除策略

（1）從區(qū)域根節(jié)點 （A站）開始掃描，將當(dāng)前區(qū)域注入無功與計算所得無功上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)前區(qū)域注入無功小于計算所得無功下限值時，啟動區(qū)域無功切除策略。 （2）將任意結(jié)節(jié)點（區(qū)域內(nèi)所有廠站均有可能）下屬子區(qū)域已投入的電容器放進(jìn)切除隊列，并按指標(biāo)Q＊X進(jìn)行升序排列。（3）當(dāng)選擇某站 （如A站）電容器切除時，計算切除前后判斷指標(biāo)Q＊X，若切除后Q＊X變小，說明切除該電容器不會增加輸電損耗，確實應(yīng)該切除；否則，選擇隊列中的下一個電容器。（4）切除電容器對電壓進(jìn)行預(yù)判，如果切除電容器會導(dǎo)致電壓越下限，則上調(diào)主變檔位后再切除該電容器。如果沒有可調(diào)節(jié)主變，則選擇下一個電容器。

3.2.2 區(qū)域無功投入策略

（1）從區(qū)域根節(jié)點 （A站）開始掃描，將當(dāng)前區(qū)域注入無功與計算所得無功上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)前區(qū)域注入無功大于計算所得無功上限值時，啟動區(qū)域無功投入策略。（2）將任意節(jié)點 （區(qū)域內(nèi)所有廠站均有可能）下屬子區(qū)域已切除電容器放進(jìn)投入隊列，并按指標(biāo)Q＊X進(jìn)行降序排列。（3）當(dāng)選擇某站 （如A站）電容器投入時，判斷投入該電容器是否使區(qū)域根節(jié)點 （關(guān)口）無功越上限，如果不會導(dǎo)致關(guān)口無功越限則投入；否則，選擇隊列中的下一個電容器。（4）投入電容器時對電壓進(jìn)行預(yù)判，如果投入電容器后電壓可能越上限，則下調(diào)主變檔位后再投入電容器。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

本文設(shè)計的AVC系統(tǒng)已經(jīng)投入運行，下面從電壓、功率因數(shù)、無功優(yōu)化三個方面比較AVC系統(tǒng)調(diào)節(jié)與人工調(diào)節(jié)的優(yōu)缺點。

表1 人工調(diào)節(jié)與AVC調(diào)節(jié)電壓合格率Tab.1 Voltage qualification rate of artificial regulation and AVC adjustment

電壓方面：

表1為人工調(diào)節(jié)與AVC調(diào)節(jié)電壓合格率。通過表1可知，AVC調(diào)節(jié)電網(wǎng)母線電壓合格率高于人工調(diào)節(jié)。

功率因數(shù)方面：AVC調(diào)節(jié)在功率因數(shù)控制上明顯優(yōu)于人工控制，尤其是在凌晨和傍晚負(fù)荷水平較低的時候，AVC能夠保證功率因數(shù)保持較高水平。

無功優(yōu)化方面：AVC控制系統(tǒng)優(yōu)化了系統(tǒng)的無功分布，盡量減少線路上的無功流動，做到無功的分層分區(qū)就地平衡，降低了網(wǎng)損，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文開發(fā)的AVC系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)電壓合格、功率因數(shù)維持在較高的水平，并且在調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)速度等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工調(diào)節(jié)，而且減少了運行監(jiān)控人員的投入，提高了電網(wǎng)的自動化水平，對保證電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可靠運行有很大的意義。

［1］黃華，高宗和，戴則梅，等.基于控制模式的地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29 （15）：77-80.

Huang Hua，Gao Zonghe，Dai Zemei，et al.Design and application of AVC system for district power network based on control modes ［J］.Automation of Electric Power System，2005，29 （15）：77-80.

［2］孫宏斌，張伯明，郭慶來，等.基于軟分區(qū)的全局電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27 （8）：16-20.

Sun Hongbin，Zhang Boming，Guo Qinglai，et al.Design for global optimal voltage control system based on soft dentification of secondary control zones ［J］.Automation of Electric Power System，2003，27 （8）：16-20.

［3］戴彥.自動電壓控制 （AVC）系統(tǒng)控制策略的比較和研究 ［J］.華東電力，2008，36 （1）：92-95.

［4］顏偉，高強，余娟，等.輸電網(wǎng)絡(luò)的分層分區(qū)電壓無功調(diào)節(jié)方法 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35 （2）：71-77.

Yan Wei，Gao Qiang，Yu Juan，et al.An algorithm for hierarchical and partition regulation of voltage and reactive power in transmission network ［J］.Power System Technology，2011，35 （2）：71-77.

［5］李端超，陳實，吳迪，等.安徽電網(wǎng)自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn) ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28 （8）：20-22.

Li Duanchao，Chen Shi，Wu Di，et al.Design and realization of AVC system for Anhui power gride ［J］.Automation of Electric Power System，2004，28 （8）：20-22.

［6］高紅亮，郭金蓮，范曉丹.基于petri網(wǎng)的變電站電壓協(xié)調(diào)控制 ［J］.電力科 學(xué)與工 程，2009，25 （3）：14-17.

Gao Hongliang，Guo Jinlian，F(xiàn)an Xiaodan.Substation voltage intergrated control Based on petri net ［J］.E-lectric Power Science and Engineering，2009，25 （3）：14-17.

［7］賀俊杰，楊靜.安定500k V變電站AVC系統(tǒng)工程設(shè)計及實現(xiàn) ［J］.電 力科學(xué) 與工程，2007，23 （3）：70-72.

He Junjie，Yang Jing.Design and application of AVC system for Anding 500k V substation ［J］.Electric Power Science and Engineering，2007，23 （3）：70-72.

Design and Application of Automatic Voltage Control System of Regional Grid

Gao Dongna1，Huang Jiadong1，Cai Guihua2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Baoding Power Supply Company，Baoding 071051，China）

Analysis the characteristic of regional grid，choose the control scheme of reactive power hierarchical and regional balance.Through the regional voltage control and voltage calibration control coordination control guarantee the voltage qualified.Through make the area pass watt factor at high levels，realize the regional reactive reasonable distribution.Determine the plunge and cutting order of the shunt capacitors by comparing the size of Q＊Xbased on the principle of economic voltage difference.DevelopAVC system and this system has been put into operation in many areas grid，site operation shows that the system adjustment effect significantly better than artificial regulation，and can reduce the staff devotion，there is a lot of economic sense.

automatic voltage control；economic voltage difference；reactive power control；hierarchical and regional balance

T M761

A

2012－04－20。

高冬那 （1987-），女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)分析運行與控制的研究，E-mail：wsgaodongna＠163.com。