無功電壓調控失配風險評估及其系統開發*

李峰 張勇軍? 張豪 楊銀國 管霖 許亮

(1.華南理工大學 電力學院∥廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東 廣州 510640;2.廣東電網公司，廣東 廣州 510600)

作為智能電網中智能無功調度的重要環節，自動電壓控制(AVC)已逐漸成為電壓調控的主要手段.然而，由于上下層電網分別歸屬省地兩級調度調控，上下層電網的無功電壓調控的目標、對象、手段、信息等都不一致，而調控結果卻相互影響.因此，往往在工程實際中形成了一種非合作的博弈局面，給AVC 運行帶來了很大的挑戰［1-9］.

特別在極端運行方式下，AVC 常常難以保證充分利用220 kV 變電站無功電壓控制設備來兼顧上下層電網無功電壓調控的需求.此時雖然變低側電壓和關口無功處在控制策略的合格區間，變電站存在可用無功資源，但AVC 系統卻無作為，導致變高側電壓仍出現了偏高或偏低的調控失配現象［1-11］.從而造成電網無功功率無序流動和電壓區域性失衡，難以實現電網無功電壓的全局趨優控制.具體表現為:

(1)無功無序流動——由于超高壓電網容性無功相對過剩而中低壓電網容性無功相對缺乏，不可避免地要讓部分無功逐層下送，而由于現有AVC 策略的局限性，在運行方式變化時，下層傾向于首先向上層倒送(或索要)無功，以致上層無功盈余(或緊缺);

(2)區域電壓失衡——上層無功盈余(或緊缺)，導致區域電壓偏高(或偏低)，現行AVC 控制下，下層缺乏啟用無功資源的動力，加劇了無功的無序流動，形成惡性循環.

國外AVC 策略側重于發揮動態無功資源如發電機的調控優勢［3-5，12］，是否適用于我國離散調節設備為主的無功電壓調控現狀存疑.文獻［6］提出構建VQC 多目標優化決策模型，以獲得分散控制理念下AVC 的最優控制策略.文獻［7，13］則選擇將協調變量和協調約束考慮進AVC 協調控制的數學模型中，通過求解來獲得協調方案.這些研究雖然涉及具體實施辦法，但由于缺乏評估指標和方法，因而在去失配效果、調控潛力等方面仍有待研究.

因此，迫切需要對運行管理中引起的省地兩級電網無功電壓調控失配風險進行定量評估，然后根據風險高低來指導去失配的調控操作.當風險沒有超過閾值時，維持現有AVC 策略，當風險超過閾值時，啟動去失配策略，以解決由于省調與地調兩級電網控制策略配合不當而發生無功電壓調控失配進而影響大電網運行安全和經濟性的問題，從而優化全網無功潮流，改善系統各級電壓水平.

鑒于此，文中提出了一種無功電壓調控失配風險評估模型，并通過開發無功電壓調控組合分析系統實現了設備臺賬管理、潮流分析、無功電壓調控失配風險分析和去失配策略控制.

1 失配風險評估算法

1.1 上下層電網無功電壓調控失配的定義

盡量實現無功功率分層分區就地平衡是省地兩級電網的無功電壓調控的一個基本原則.然而，隨著運行方式的變化，在離散調節設備為主的無功電壓調控設備控制下，完全達到連續動態的分層分區就地平衡的難度較大.因此，現實的調控往往采取帶寬調控的方式，在節點電壓或者功率因數的指標超出某個帶寬后才響應進行相應的調控操作.帶寬越窄，調控精度越高，但是難度也越大，設備投切越多;帶寬越寬則操作越少，設備運行風險越低，但是容易偏離分層分區就地平衡，造成上下層的調控失配，進而影響整個電網的安全性.

可見，無功電壓調控策略的關鍵在于如何兼顧調控操作頻度與上下層無功功率就地平衡的需求.峰谷差越大的電網，運行方式變化幅度越大，因而要實現無功功率分層分區就地平衡的調控就越多，矛盾就越突出.對于運行方式變化不大的電網，一個相對固定帶寬的調控策略就可以近似實現無功功率分層分區就地平衡，但由于各電網的峰谷差不同，現有的普遍適用型的AVC 參數和策略不可能避免調控的失配，除非補充一套去失配的額外調控策略.

如果AVC 策略的控制效果形成這樣一種局面，文中稱之為上下層無功電壓調控失配:下層按策略帶寬要求調整到位，沒有越限，但是在下層仍然有調控設備和手段的前提下，因無功交換量超過上層調控的承受能力，造成上層電網無功失衡電壓越限(或者接近越限);反之上層的調控也可能造成下層超出調控能力而電壓越限的情況.根據現有的研究掌握的情況來看，失配基本上是下層策略不當造成上層越限的，因此文中先重點解決這方面的問題.

1.2 失配風險評估模型

由于220 kV 變電站的失配程度與變高側電壓VH、變低側電壓VL、關口無功QH和站內可用無功資源的容量QC的相關性較強.量化這4 個失配因素后得式(1)-(6):

式中，QC0表示單組補償容量.

通過模糊算子進行整合得式(4)，即可對運行管理中引起的省地兩級電網無功電壓調控失配風險δΣ進行定量評估.VH表示變高側電壓失配度、VL表示變低側電壓失配度、QH表示關口無功失配度、QC表示站內可用無功資源失配度.

考慮到VH在［1.020，1.060］區間時，電網網損較小，運行經濟性較好，若電壓偏離該區間上下限越多，則運行失配風險越高，VH越偏離區間上限對變電站設備的影響較大，使得曲線的［1.050，1.070］區間的遞增斜率比［0.987，1.050)區間的遞減斜率絕對值大，如此 VH曲線成為了不對稱的浴盆曲線，通過數據擬合得到式(1);式(2)- (6)中，Vmax和Vmin分別為主變壓器低壓側電壓軟約束的上下限值，Qmax和Qmin分別為主變關口無功的上下限值;對于站內可用無功資源失配度QC，大方式下，采用式(4)獲得，小方式下，則通過式(5)獲得;式(6)中∧和·為模糊算子，∧取各指標中的最小值，·代表普通實數乘法.

可見，關口無功和變低側電壓均合格是運行失配的必要條件，在模型中表現為 QH 和 VL 同為1.)說明，AVC 系統控制下站內存在可用無功資源時，變高側電壓失配度 VH是變電站失配程度的關鍵影響因素.

通過以上建?？芍?，失配風險的閾值δ0為0.5，當評估所得的運行失配度δΣ大于0.5 時，說明該變電站出現調控失配現象，并且隨著失配風險的增大，失配程度越來越大;而當變電站計算所得的δΣ小于0.5 時，該變電站沒有出現調控失配，但隨著失配風險的增加，越接近0.5，發生調控失配的風險越大.

失配風險評估步驟:①監測變電站各時刻狀態變量，即VH、VL、QH和QC;②計算獲得失配風險δΣ;③當δΣ超過閾值δ0時，若主變壓器高壓側電壓VH偏高，則退出待切電容器，或投入待投電抗器;若主變壓器高壓側電壓VH偏低，則退出待切電抗器，或投入待投電容器.

2 無功電壓調控組合分析系統

無功電壓調控組合分析系統基于Visual Studio 2003 集成環境開發，采用VB.Net+Access 語言進行編程并完成了系統的各項功能.系統的架構采用分層式結構，分別為數據訪問層、業務邏輯層和表示層.其中，數據訪問層負責數據庫的訪問.系統各層之間通過接口進行約束，形成相對獨立的功能模塊，提高了系統開發的可重用性和可擴展性.組合系統的計算流程為:①調用電力系統分析軟件包BPA 對電網進行仿真;②根據仿真結果計算某些區域/變電站的無功電壓失配風險;③如存在無功電壓失配風險的將進行去失配方案的仿真分析;④形成最終評估報告.系統界面及失配風險評估結果如圖1 所示.

圖1 失配風險評估結果Fig.1 Risk evaluation result of mismatch

目前，去失配方案主要為AVC 改進21 區圖控制策略.系統架構、去失配仿真及評估報告分別如圖2-4 所示.

圖2 系統架構Fig.2 System framework

圖3 去失配仿真Fig.3 Anti-mismatch simulation

圖4 匯總報告Fig.4 Summary report

3 實例分析

運用本系統對廣東某220 kV 變電站進行組合分析.該變電站供電區域內含有一些小水電，又有礦業和冶金業，負荷波動較大.以電網公司提供的該站#1主變2011 年1 月15 日全天96 個運行點(斷面)為例.

將現行AVC 策略下實際運行情況(見圖5)和采用去失配策略的無功電壓調控效果(見圖6)進行了對比，其中VH0、VL0、VH1、VL1中的0 表示實際運行狀態，1 表示去失配狀態.AVC 策略的閾值見表1.去失配策略(即21 區圖)是在十七區圖策略的基礎上新增表2 所示策略［14］.表中，VHmax和VHmin分別表示變電站電壓無功綜合控制或自動電壓控制的電壓合格區間的上下限值.

圖5 實際各運行曲線Fig.5 Actual operating curves

圖6 去失配后各運行曲線Fig.6 Operating curves after anti-mismatch

表1 策略定值Table 1 Setting of strategies

表2 新增策略Table 2 New strategies

#1 主變原投入電容器一組.在現行AVC 策略控制下，雖然一天96 點內變低側電壓VL和關口無功QH處于合格區間，但從19 點開始，關口無功QH為負，功率因數接近1.0，且變高側電壓VH偏高，高于234.0 kV，甚至反復高于允許值235.4 kV，即圖5中的1.07 p.u.，系統顯示失配風險δΣ較高，多次達到1.0.說明此時上層電網對下層電網無功電壓調控援助的需求強烈，而該主變當天卻一直維持著一組電容器的投入狀態，不能利用站內可用的無功調控設備來支援上層電網，發生了文中所述的無功電壓調控失配現象.此時若將電容器退出，將對全系統有利:既保證了上層電網的無功就地平衡的局面，又能降低過電壓帶來的站內設備和電網運行風險.

由圖6 可知:根據失配風險采用去失配策略后，可于第19 點將一組電容器退出.退出后，變高側電壓VH仍偏高，但失配風險δΣ明顯降低，低于0.5.隨后依據去失配策略將在第49 和54 點相繼投入兩組電抗器，關口下送無功增多，有效地支援了上層電網無功電壓調控，失配風險δΣ雖然高于0.5，但比圖5的低.第54 至73 點已無電抗器可投，當主變壓器高壓側電壓超過234 kV 時，由于此時站內無功電壓調控資源不足，不屬于文中所討論的失配范疇，站內可用無功資源失配度 QC為零，因此失配風險為零.待到第74 點時，隨著一組電抗器的退出，站內可用無功資源失配度 QC恢復為1.0，變高側電壓VH已回到中上水平，但此時變低側電壓VL越下限，依據去失配策略將退出一組電抗器.第90 點時，由于關口無功QH越上限，將再退出一組電抗器.

由圖6 可見，采用去失配策略后全天的變低側電壓VL和關口無功QH均滿足原有AVC 判據，而且避免了變高側電壓VH高于允許值235.4 kV 的越限情況，系統電壓質量和設備安全性得到了改善，失配風險明顯降低.雖然當天無功調節設備的動作次數有所增多，但是每臺設備也就最多投退了各一次，調節代價?。?4-15］，是完全允許的.

通過系統組合分析發現，采用去失配策略后，相比圖5，圖6 中的運行失配風險δΣ明顯降低，電網無功功率無序流動和電壓區域性失衡的現象得到有效控制.但值得注意的是，由于單個站的去失配調控對上層電網無功電壓水平的影響力有限，致使在49 至74 點，上層電網無功盈余電壓偏高時，本站的去失配調控沒能避免運行失配度δΣ高于0.5 的運行點.因此，為改善上層電網無功電壓水平，需考慮在區域多個變電站中采用本系統進行分析和去失配，才能在區域中實現下層電網對上層電網的有效支援，最終改善區域無功電壓水平.

4 結語

失配風險評估模型實現了省地兩級電網無功電壓調控失配風險的定量評估.在失配風險超過閾值時，啟動去失配策略，有利于優化全網無功潮流，改善系統各級電壓水平.所開發的無功電壓調控組合分析系統，具有以下特點:①友好簡單，界面簡潔，操作方便靈活，圖表輸出簡單易懂，系統便于維護.②實用有效，可使電網無功功率無序流動和電壓區域性失衡的現象得到有效控制.

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