考虑电压稳定的AVC系统的研究

张晓阳，王朝明，马春生

（1.陕西省电力公司调度中心，陕西西安710004；2.东南大学，江苏南京210096；3.南京软核科技有限公司，江苏南京210019）

电力互联网络的发展、大型联合电网的出现以及电压稳定性问题的日益突出，使得以全系统或整个区域的安全经济运行为指标、以保证系统电压稳定性为目的的协调电压控制系统成为电力系统发展的必要。目前许多地方采用无功/电压自动控制（VQC）装置，按电压上下限和功率因数分为9个区域对有载调压变压器分接头和电容器组进行分级控制。然而这种方法没有兼顾全局优化，在实际运用中会导致设备频繁动作。基于全网电压无功优化原理的自动电压控制（AVC）系统很好地克服了VQC的缺点。在优化算法方面，当规模达到1000 个节点时，内点算法对于连续变量的优化，已经控制在秒级；而遗传算法对于离散变量的优化也控制在分钟级别以内，这使得实际的工程运用成为现实。陕西省的电源分布于陕北和陕南两块，而负荷主要集中于关中的西安、咸阳、宝鸡地区。陕北、陕南分别通过两条双回路输电线路向关中地区供电。多数情况下，关中地区的电网对这2条输电线路的依赖较大，从而导致在多重事故情况下存在负荷大范围转移及电压崩溃等问题。在线稳定裕度计算、故障评估与筛选和电压稳定控制是在线静态电压稳定监视和预防控制系统的三大功能模块。自动生成提高系统电压稳定性的预防控制策略是电压稳定分析和评估的最终目的。在无功优化的同时，考虑电压稳定的需要，具有十分现实的工程意义。

1 适合陕西电网的分级电压控制

目前，电力系统中电压和无功潮流的控制一共有3种控制模式。

（1）在三级电压控制模式下，电网被划分成彼此解耦的若干区域，每个区域选择一个或多个枢纽节点；由AVC主站根据全网最优的目标，给出二级电压控制的各区域枢纽节点电压设定值；由二级电压控制层确定电压控制策略，实现对本区域枢纽节点电压的闭环控制；由一级电压控制层控制具体设备。

（2）在二级电压控制模式下，取消了二级电压控制层，AVC主站基于全网状态进行电压控制的优化决策，并直接将决策结果下发到各相关厂站。

（3）在软三级控制模式下，AVC系统首先进行软分区，选取中枢节点设定电压，稳定中枢节点的电压，最后进行全网的无功优化计算下发控制命令，控制各个设备。

三级控制模式控制比较强健，在二级控制器与主站的通信通道临时闭塞时，仍可由二级区域控制对各地区无功电压进行控制。但这种模式需要为数不少的区域控制器，对电网结构的依赖性强。由于国内电网并无以硬件形式存在的二级控制，而且陕西电网在“十一五”期间明确了以“四纵两横三环网”的目标网架结构作为建设发展目标，网络结构变化较大，故不宜采用三级控制模式。

陕西省网以环网模式运行，由于软三级控制模式需要将电网解耦，而环网模式会导致解耦出的区域并不完全独立，这样部分解耦后的区域在选取中枢节点后再进行无功优化算法的时候计算结果不准确，所以软三级模式也不适于陕西电网。

针对以上问题，二级电压控制模式不需要将电网完全解耦，只要将控制节点加入无功优化算法中进行集中优化。同时，陕西电网330kV/110kV的电压等级模式使得二级电压控制模式在扩展实施的时候也更为简便。因此，建议陕西电网采用二级控制模式。

2 电压稳定裕度对AVC系统的约束

2.1 电压稳定对AVC的约束及相应的动态无功储备的限制

从系统的运行实践和经验来说，当全网的电压水平足够高时，一般能保证系统在正常和预想故障方式下具有所期望的电压稳定裕度。随着电压水平的下降，系统的电压稳定裕度逐渐减小，最终可能导致系统在某一预想故障条件下电压稳定裕度不足甚至出现电压失稳。

相对于并联补偿的电容器/电抗器，发电机的动态无功具有响应快速、调节无功平稳等优势，所以保留足够的发电机动态无功储备是一种预防系统故障后电压崩溃事故突发的有效措施。然而保留过多的发电机动态无功储备，不充分利用已有的发电机无功容量也是不经济和不合理的。可通过电压稳定分析，给出系统在正常和所有故障方式下满足期望电压稳定裕度的最小无功储备。

一般来说，发电机无功出力越大，无功储备减少，系统的电压稳定裕度就越少。故障后，如果并联电容器不能及时投入，则发电机动态无功储备将决定电压稳定的程度。在电网的实际运行中，发电机动态无功储备可分为两部分：一部分是为保证电网的安全运行而预留的必需的无功储备；另一部分则可能是由于电网的当前实际无功需求不足而多出来的不必要的无功储备。

在计算发电机最小动态无功储备时应剔除不必要的无功储备。根据这一思想，可在发电机机端添加虚拟的无功负荷，以吸收多余的无功储备，并保证在所有预想故障条件下，仅依靠发电机的动态无功储备，就能满足期望的电压稳定裕度。

电压稳定的计算对AVC的控制起到一定的指导作用。这体现在2个方面，一是提出一些关键节点（母线）的控制电压下限，保证系统电压不会失稳，二是机组预留的无功储备，保证电压稳定控制的需要。AVC母线控制电压下限和机组预留无功储备的方案可以由以下流程确定。（1）通过连续潮流计算获得N-1最严重故障方式下的崩溃点潮流断面。（2）以控制母线在崩溃断面下的电压幅值和运行导则中设置的较大者作为该母线AVC控制电压的下限。（3）机组预留无功储备计算，获得崩溃点潮流断面下的各台发电机组其出力上限与无功出力的差值，并将该差值与出力上限的比值作为储备系数。

2.2 在线电压稳定和AVC系统的协调

协调在线电压稳定监视与控制和AVC的目的是在AVC控制模型中引入电压稳定性约束条件，保证给出的AVC策略在电网的正常运行和预想故障条件下，都能满足期望的电压稳定裕度。

通过电压稳定分析，给出满足多预想故障电压稳定约束的AVC控制电压和动态无功储备的下限值，并提交给AVC系统，AVC系统则在相应电压范围内搜索控制策略并下发。

3 陕西电网AVC控制策略

3.1 总体控制策略

一方面，AVC所需要的数据，均来自能量管理系统（EMS），另一方面AVC所发出的电压调节和离散设备动作控制信号，全部是通过数据采集与监控系统（SCADA）中的调节与控制输出发送。对于具有开放式人机交互界面接口的能量管理系统（或调度自动化系统），同样能在此基础上实现AVC的人机交互界面。AVC与EMS接口是通过IEC61970的CIM模型来实现的。IEC61970是一种通用的电力系统模型的标准，这种标准的优点在于各个不同的厂家可以遵循统一的标准，保证了相互间接口的规范性和通用性。使用IEC61970标准能够实现系统间的无缝接驳，保证了系统间接驳的安全性和稳定性；正由于IEC61970的传输和解析都是毫秒级的，所以完全能满足在线控制的实时性。

AVC系统根据电网实时信息进行周期性计算：如果电压越限，则调用校正计算模块，使电压达到合格范围；若电压不越限，则调用优化计算模块，以达到降低系统网损的目标。同时，当负荷下降时，系统采用逆调压控制，并将AVC控制点目标电压送回EMS。

AVC系统总体控制策略示意见图1。

图1 AVC系统总体控制策略示意

省调EMS直接将发电厂和330kV变电站的控制点目标电压下发到SCADA，当地设备（变压器档位及电容器等）进行控制。

3.2 主站系统闭环控制程序流程

（1）用无功优化算法可以进行电压校正，但不收敛的情况较多，计算速度较慢，而且动作设备是全网的控制变量，这样从控制的经济性和调度经验方面考虑都是不可行的。

（2）将优化模块与校正模块分离，在电压正常时优化对全网进行优化，考虑降损并实现逆调压。由于优化模块实现了逆调压，可以最大限度地保证电压不越限。

（3）在检测到电压越限的情况下，启动校正模块。校正算法在控制区内根据灵敏度顺序选择控制变量进行校正，只需根据灵敏度准则动作对越限值影响最大的几个设备。使用基于最小二乘理论的直接校正算法，速度只需几秒钟，更加贴近工程实际的需要。

AVC系统主站闭环控制流程见图2。

图2 AVC系统主站闭环控制流程

3.3 省调与地调的协调策略

省调AVC系统用于实现对省网的全局电压控制，地调AVC系统实现对地区电网的全局电压控制。地调AVC系统通过与省网AVC系统的信息交互，实现省、地AVC系统的协调控制，可有效提高全网的无功电压控制效果。

地调AVC系统向省调AVC系统上报各关口110kV主变压器（简称主变）的无功可调范围，省调AVC系统则在此基础上计算各关口110kV主变高压侧的功率因数，从而将省、地调AVC独立运行时关口功率因数的控制替换为省、地调AVC系统协调控制时关口功率因数的控制。

此外，也可以在省调AVC侧在线计算有功网损及边界母线电压对关口无功功率的灵敏度，以及期望的关口功率因数范围，并发下发给地调AVC系统，地调AVC系统根据上述信息对地调管辖范围内的设备进行优化控制。

4 数学模型

4.1 无功电压控制目标函数

在线实时无功优化控制系统模型中，目标值为系统网损最小和电压水平最合理。如式（1）所示：

式中：N是发电厂高压侧母线节点的集合；ω1，ω2是目标权重。

4.2 电压稳定约束电压下限

利用连续潮流法可以求取电压临界点，并以此作为电压下限取值，具体计算流程如图3所示。将通过连续潮流法计算得出的电压下限，与其他约束条件连列，得出无功电压控制的约束条件。

图3 连续潮流计算流程

4.3 无功电压控制的约束条件

在进行无功控制时，需满足以下等式和不等式约束条件：

式中：Vi为节点电压；Qgi为发电机无功出力；Ti为有载调压分接头档数；Ii为支路电流；Ni为设备动作次数限制；等式为潮流方程约束。

4.4 组合无功优化算法

将内点理论与遗传算法相结合，用“基于非线性原对偶内点法”和“改进遗传算法”的组合算法来求解无功优化问题。利用非线性原对偶内点法快速寻优、收敛快等优点处理模型中的连续变量；同时采用小生境遗传算法来确定离散变量的优化值。小生境遗传算法克服了简单遗传算法随计算规模的扩大而使收敛速度减慢、容易落入局部极值的缺陷，能够以较大概率求得全局最优。在无功电压优化计算中，具体利用改进遗传算法来求解电容、电抗器投切组容量、有载变压器分接头档位等离散变量，利用非线性原对偶内点法来处理发电机端电压。组合算法流程如图4所示。

图4 组合算法流程

5 AVC系统在陕西电网的投运情况

目前，陕西电网有60%的330kV变电站投运了VQC装置。但是，VQC装置的控制策略不合理，仅考虑到了本变电站的无功潮流或功率因数情况，无法进行全网无功补偿设备的合理投运和全网无功潮流的最佳协调和控制。所以，在安装并投运AVC系统后，VQC仅作为AVC系统信息中断故障时的备用。

图5是AVC系统接入陕西现有系统的示意图。AVC系统通过SCADA得到远端信息，进行优化计算，得到相应的控制信息，并发送给各控制端，对电网的运行进行优化调整。

目前，在陕西电网中，有3个电厂安装了AVC系统，分别是：宝鸡2×30MW，灞桥2×30MW，渭河2×30MW。从投运后的结果来看，AVC系统取得了良好的效果。

图5 AVC系统接入图

6 结束语

结合陕西电网，提出了考虑电压稳定约束的AVC系统的应用方法。选择了适合于陕西电网的控制模式，即二级电压控制模式。这种方法能够协调全网各类无功可控设备，在满足全网电压安全稳定的条件下实现经济运行，满足全局无功电压最优控制的全局、实时、优化和闭环等几个重要特征，同时能满足陕西电网长远发展的需要。

[1] 郭庆来，孙宏斌，张伯明，等.江苏电网AVC主站系统的研究和实现[J].电力系统自动化，2004，28（22）：83-87.

[2] 郭庆来，孙宏斌，张伯明，等.协调二级电压控制的研究[J].电力系统自动化，2005，29（23）：19-24.

[3] 孙宏斌，吴文传，张伯明，等.IEC61970标准的扩展在调度控制中心集成化中的应用[J].电网技术，2005，29（16）：21-25.

[4] 盛戈皞，江秀臣，曾奕.考虑网络传输延迟的二级电压控制[J].电力系统自动化，2007，31（15）：30-34.