基于分层分区的地区电网电压无功优化控制

高冬那

摘 要：根据地区电网辐射状运行的特点与无功分层分区平衡就地补偿的原则提出了地区电网电压和无功分层分区域综合协调控制的方法。通过电压区域控制与电压校正控制协调控制的方法实现电网电压合格。在电压合格的前提下，通过区域无功控制、变电站站无功控制、主变无功控制三重控制策略使各厂站功率因数维持在较高的水平，实现无功合理分布。现场运行情况表明所提的控制方案能够保证电压合格，无功合理分布，有效降低网损。

关键词：分层分区；九区图；灵敏度；地区电网；电压无功控制

引言

电力系统的无功分布情况也直接影响着电力系统的安全和稳定并且与系统网损有着直接的关系。总之系统电压合格、无功合理分布对提高电力系统运行的经济性、安全性和重要性有着重要意义。

地区电网电压无功优化控制主要是通过调节有载变压器分接头和无功补偿装置来实现的。目前关于地区电网的电压无功控制理论有很多种，一是基于潮流算法的，如快速解耦法、灵敏度分析法、最优潮流法等；二是基于控制理论的，如模糊逻辑理论、模糊决策树理论、专家系统等。三是基于区图控制的，如九区图等。但是这些理论在计算速度、实时性等方面仍存在一些不足之处。

文章利用地区电网辐射状供电特点，采用分层分区综合协调控制的方法实现电压无功优化控制。将地区电网划分为以220kV厂站为“根节点”的若干个辐射状的控制区域，通过区域电压控制和单站电压校正控制协调控制实现点烟合格，电压合格后通过区域无功控制、单站无功控制、主变无功控制三重无功控制策略实现无功最优分布。

1 基本原理

1.1 九区图原理

九区图控制策略是按照固定的电压和无功上限和下限将电压和无功划分为九个区域，按照变电站的电压和无功所在的区域确定调节方法。U是变压器低压侧的母线电压，Q是变压器高压侧的无功功率。Q越下限表示变电站向电网倒送无功，Q越上限表示电网的无功不足，Q上限与下限之差应大于一组电容器的容量。

1.2 灵敏度分析

对于地区电网的无功优化问题，就是要确定各母线进线无功的变化对系统有功网损的灵敏度系数，选择灵敏度较高的母线作为无功补偿的优先候选母线。

2 控制方案

2.1 分层分区

在110kV及以下电压等级的电网解环以后，220kV等级以下的配电网呈树状分布。这种情况下，可以将地区电网以220kV母线为根结点划分成若干个分别包含一个220kV变电站及其下属一个或几个110kV变电站的区域，各分区之间的联络点为位于分区关口的220kV母线，每个分区之间的耦合性大大降低，从而为无功分区平衡创造了便利条件。在220kV主变高压侧对地区电网和省级电网进行分层，然后在地区电网内部进行分区。

2.2 电压控制

文章采用的电压控制方案分为区域电压控制和单个变电站的电压校正两部分。通过这两部分的协调控制，可以保证系统所有的母线电压稳定在合格范围之内，又可以有效减少设备的控制震荡。

区域电压控制就是从整体上调节各个电气分区的母线电压水平，使电压处在一个合理的范围之内。首先扫描每个区域内中压侧的母线电压水平，通过比较当前的母线电压和设定的母线电压，统计出每个区域中压侧母线电压的合格率（s%）。然后用此电压合格率和设定的合格率限值（-d%）比较，如果s>=d，则对应的区域内电压整体水平相对合理，不需要调整。反之，区域内电压水平不合理，然后通过具体的电压情况来调节区域根节点的电压水平，从而使本区域内电压整体水平趋于合理。

单个变电站电压校正控制采用九区图控制原理。根据变电站电压和无功所在的分区确定控制方案，通过调节变压器分接头和投切电容器的方法来调节低压侧母线电压水平，使母线电压稳定在合理的范围之内。在调节分接头和投切电容器这两种调节手段上，文章采用的做法是通过投入有限的电容器来调节母线电压。

两种控制电压的方法不是孤立的，两种方法有轻重先后之分。系统载入电网模型之后，先进行区域电压控制。分别判断各个区域电压的整体水平，然后对需要调节的区域进行区域电压控制，当区域内各节点电压质量达到一个合理的水平时，再依次对区域内的各个变电站进行电压校正控制，最后达到系统内全部母线电压合格的目的。

2.3 无功优化控制

电网分区形成以后，就可以分别按照区域控制无功。但是在实际的电力系统中，将各个区域关口的母线注入或者流出的无功功率值始终控制在零是无法实现的，难以做到真正的无功优化。一种工程上可靠、成熟的方法就是将关口母线的功率因数值控制在一个比较高的水平上。文章采用无功的次优化分布，即在尽可能小的范围内实现无功按分区平衡。

依次循环各区域，得到分区的关口母线（一般为220kV变电站高压侧母线），形成一个以220kV母线为根节点的拓扑结构，依次通过主变无功控制、区域无功控制、单站无功控制三重无功控制策略，确保区域内各场站功率因数合格，在尽可能小的范围内实现无功按分区平衡。

3 现场应用情况

文章提出的电压无功综合协调控制方案已经应用到地调自动电压控制（AVC）系统中，下面通过电压、功率因数和网损情况比较AVC调节和人工调节的优缺点。

现场应用情况表明AVC系统调节电网电压质量的合格率明显高于人工调节；AVC系统调节在功率因数上比人工控制有一定的优势，尤其是在傍晚和凌晨电力系统负荷水平比较低的时候，AVC系统能够使电网功率因数保持在较高的水平；某地调投入AVC后主网线损率比投入前下降了0.02%，可见AVC系统降低了网供线损。

4 结束语

文章对地区电网采用分层分区域综合协调控制的方案，使电压和无功在时间上解耦，通过大区域电压控制和单个变电站电压校正控制的方法保证电网电压合格，在电力系统电压质量合格的基础上进行无功优化控制保证电网无功合理分布。通过各地调AVC系统运行情况可以看出，该方案能有保证系统电压合格、无功合理分布，并能有效降低网损。

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