地区电网无功电压优化运行集中控制系统运行可行性报告

陈利 国网黑龙江省电力有限公司牡丹江供电公司

1.实施背景

电压合格率是电网最重要的质量指标，电网线损率是电网最重要的经济指标。有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且提高电力系统运行的稳定性和安全性，降低电网电能损耗，提高电网设备输电能力，充分发挥电网运行经济效益。

1.1 国内情况

目前，国内绝大部分变电站采用手动方式，控制变电站有载调压变压器分接开关的调节和电容器的投切。部分变电站采用VQC装置，按照电压上下限和功率因数（“九域图”），进行变电站无功电压自动控制，以保证本变电所的母线电压合格。这种控制只能做到“无功/电压就地最优”，而不能做到“无功/电压全网最优”，即不能综合考虑各个变电站的情况，实现全电网电能损耗最小，电压质量最好。

1.1.1 手动控制存在以下问题

第一，要完成24小时监控，劳动强度大，调度值班人员很难做到；

第二，精度较高的控制很难做到；

第三，多进程实时控制做不到；

第四，无功电压的控制水平受制于调度值班人员的业务素质；

第五，设备动作状态很难做到实时记录。

1.1.2 VQC控制存在以下问题：

第一，不能从全网考虑无功补偿设备是否投入，不能实现无功功率分层平衡；

第二，不能从全网考虑是否调升主变分接开关档位，易造成主变分接开关调节振荡；

第三，未动态预算无功补偿设备投入后母线电压值的变化，易造成无功补偿设备投切振荡；

第四，不能动态地按时段分配主变分接开关动作次数；

第五，不能实时记录设备动作状态；

第六，装置故障率高，维护量大、费用高；

第七，投资大。

从上分析，依靠手动或VQC装置控制变电所调压设备和无功补偿设备，很难实现全网无功电压优化自动控制。

1.2 电网发展情况和最终目的

1.2.1 发展情况

近年来，随着变电站一二次设备的更新改造，调度自动化“四遥”功能已日益完善。利用调度自动化“四遥”功能实现全电网无功电压优化运行实时闭环控制已成为可能。

“地区电网无功电压优化运行集中控制系统”是在现有电网调度SCADA功能的基础上，利用其“四遥”功能，采集全电网实时数据，以电网电能损耗最小为目标，以设备动作次数最少为次目标，以各节点电压合格为约束条件，以调度控制中心(以下简称调控中心)为控制核心的最优化自动控制系统。

该控制系统将包含所有调控中心的大电网为运行分析对象，通过专门的网络通讯程序，以“集中优化、分散控制”为目标，实现各调控中心无功电压协同操作控制。网络版的研制将使得无功电压优化控制系统适用范围从单个县城或小型地级市电网发展到大型、特大型城市电网，具有更显著的运行效果。

1.2.2 最终目的

在确保电网与设备安全运行的前提下，从全网角度进行无功电压优化控制，诗选无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压，实现主变分接开关调节次数最少和电压合格率最高，实现输电网损率最小，从而进一步提高电网调度自动化水平，提高电力系统运行的稳定性和安全性，全面改善和提高电网电压质量，降低电网损耗，提高设备出力。

2.内涵和主要做法

研究内容和预期成果

2.1 无功电压优化的原则

无功电压优化的“四个原则”：

第一，实现全电网最大范围的电压合格（优先条件）；

第二，实现全电网电能损耗尽可能小；

第三，实现全电网设备动作次数尽可能少；

第四，所有的操作符合安规、运规、调规。

这四个原则是一组相互矛盾的目标和条件，所以针对实际电网的无功电压优化运行控制就不是简单的理论计算问题，而是要充分考虑电网实际，坚持理论服从实际，在理论上寻求最优解不切实际的情况下，寻求实际电网运行能接受的次优解。或者说，针对实际电网的无功电压优化就是寻求一个“平衡点”，使得四个矛盾的问题都能得到“妥善”的解决。

2.2 无功电压优化的数学模型

2.2.1 目标函数

（1）、全网电能损耗最小：

n

△ P=minΣf1(Ui,Ki,Qi)，其中 Ui= f2(K1…Ki，Q1…Qi)

i=1

（2）、设备动作次数最少：

n

N=minΣ[f3(Ki-KT)+f4(Qi-Qc)]

i=1

Ui---为变电站母线电压，Ki---为变电站主变分接开关应处档位数

Qi---为变电站应投无功补偿容量，KT---为主变当前分接开关档位数

Qc---为变电站所配电容器容量，n ---为变电站个数

2.2.2 约束条件

（1）母线电压不越限：

Umin≤ |Ui|≤Umax

（2）有载调压开关每天动作次数不越限：

n 24

Σ[Σf3(Kij-KTj)] ≤ NT

i=1 j=1

（3）电容器每天投切次数不越限：

n 24

Σ[Σf4(Qij-Qcj)] ≤ Nc

i=1j=1

（4）供电电源关口功率因数合格：

n

ΣQi=P[tg(arccosφ1)-tg(arccosφ2)]

i=1

2.3 快速求解

对目标函数的快速求解是实现全电网实时闭环控制的前提。对目标函数的直接求解相当复杂，费时费力，无法实现实时控制。我们必须充分利用地区电网是开式电网的运行特性和无功电压控制“专家系统”，对无功电压优化控制数学模型进行简化和分解，再利用潮流计算和专家系统等方法进行求解。

专家系统库除了积累大量的专家提供的知识与经验外，还必须根据实际电网利用电力系统潮流计算方法进行灵敏度校验，并以此产生系统规则库。

2.4 无功电压优化计算流程

无功电压优化系统首先从调度SCADA采集全电网实时运行数据，然后以全电网电能损耗最小为目标函数，利用潮流计算、专家系统、数值分析等方法，求解主变分接开关最佳档位数、电容器最佳投入容量和电网最优运行电压等。再利用已求最优解，求得电容器投切次数和主变分接开关调节次数。

限定全电网电能损耗最小数值范围，在最小数值范围内，多次求得次优解，再计算出电容器与主变分接开关动作次数。当动作次数最少时对应的解即为最优解。然后发出控制指令，执行电容器投切与主变分接开关调节操作。（计算流程图如下）

2.5 整体结构和工作原理

2.5.1 无功电压优化服务器

从调度中心、各调控站SCADA系统采集全网各节点运行电压、无功功率、有功功率等实时运行数据，并采集各工作站“设置参数”，以地区电网电能损耗最小和设备动作次数最少为优化目标，以各节点电压合格为约束条件，遵循安规、运规、调规，进行无功优化计算、电压优化计算、无功电压综合优化计算后，形成有载调压变压器分接开关调节指令、无功补偿设备投切指令及相关控制信息，然后将控制信息发送至各工作站，各工作站再将控制指令交SCADA系统执行，实现地区电网无功电压优化运行自动控制。此后循环往复。

2.5.2 与区域电网AVC实现无缝连接

该控制系统成功实现与“区域电网无功电压优化控制（AVC）系统”无缝连接，可根据区域电网AVC优化结果（控制指令或控制范围），实时调节地区电网无功电压优化控制设备状态，达到整个发输配电网无功电压“优化协调，分层控制，权责明确，效益最大”，为我国省级及以上电网实现无功电压优化控制提供了技术保障。

2.6 地区电网无功电压优化实现功能

2.6.1 全网无功优化补偿功能

当地区电网内各级变电所电压处在合格范围内,控制本级电网内无功功率流向合理，达到无功功率分层就地平衡，提高受电功率因数。

2.6.2 全网电压优化调节功能

当无功功率流向合理，变电站母线电压超上限或超下限运行时，分析同电源、同电压等级变电所和上级变电所电压情况，决定调节哪一级变电所有载主变分接开关。电压合格范围内，实施逆调压。实现减少主变并联运行台数以降低低谷期间母线电压。实施有载调压变压器分接开关调节次数优化分配。

2.6.3 无功电压综合优化功能

当变电所10kV母线电压超上限或下限时，寻求最佳的主变分接开关调整和电容器投切策略，尽可能保证电容器投入量最多。实现预算10kV母线电压，防止无功补偿设备投切振荡。实现双主变经济运行，支持投入10KV电抗器，增加无功负荷，达到降低电压的目的。

2.6.4 电容器最优配置与在线损耗计算功能

根据电网实际负荷，计算各变电站电容器单组或多组容量最优配置值，为改造或新增电容器数量和容量提供理论依据。实现电网电能损耗在线计算，并实时报告，为电网实现经济调度提供理论支持。

2.6.5 控制信息管理功能

设备动作记录表、开关动作次数汇总表、设备动作失败或不正常动作情况表、电压曲线分析表、有功功率、无功功率、功率因数分析表。

2.7 技术的新颖性、先进性

2.7.1 实现全网集中控制与分区分层控制相结合

一般来讲，电力系统无功电压控制可分为三个层面：一是电力用户级，由用户或配网自动化负责控制；二是220kV及以下电网级，由地调、县调负责控制；三是220kV及以上电网、发电厂级，由省调、网调负责控制。该控制系统涉及的是第二种层面的无功电压自动控制，未包括对发电厂的直接控制。在本控制层面内，采用分区分层控制与全网控制相结合，先分区后分层再全网，全网保分区分层的控制策略，来达到无功分区分层就地平衡，稳定全网电压，主变分接开关动作次数最少，电压合格率最高。

2.7.2 实现集中控制与分步执行相结合

近年来，随着电网调度自动水平的不断提高和电网一次设备的更新换代，特别是计算机运行速度的提高和计算机网络技术的发展，使得地区电网实施全网无功电压优化集中控制硬件上成为可能。该控制系统根据电网运况，集中形成控制指令，然后发送至各控制点，各控制点并发执行指令，非轮流执行和等待，所以该控制系统能用于紧急控制。

2.7.3 实现无功平衡稳定电压与分接开关调节电压相结合

该控制系统时刻通过无功功率分层就地平衡来稳定电压，并维持电压在一定水平，当电压还达不到要求时，再辅以调节主变分接开关。所以该控制系统的投入可以确保本地区无功补偿设备的最大投入，对整个电力系统的无功平衡和电压稳定起着基础性、根本性的作用

2.7.4 实现保电网安全与无功电压控制相结合

电网安全包括设备安全和系统稳定安全。该控制系统在确保设备安全方面做了充分的考虑，并已作应急处理。例如电容器连续投切、主变分接开关“滑档”和双主变联调失败、PT断线、低电压等。

该控制系统对于220kV及以上电网和发电厂供入地区电网的供电关口，以省调下达的关口功率因数决定该关口无功功率的摄入量，即决定下级电网无功补偿量的合理值，这样可以充分保证220kV及以上电网和发电机的安全稳定性。

2.7.5 实现理论计算与专家系统相结合

该控制系统优化控制首先根据“专家系统”判断执行，当系统无法依据专家系统规则进行判断时，进行理论计算，确定执行规则，所以该控制系统执行效率极高。

2.7.6 实现适应电网运行方式变化

该控制系统除了采集全网电压、功率外，还采集辅助开关量，自动进行电网运行方式判别，实施不同的无功电压优化运行方案。

2.8 主要创新点

第一，优化目标是从“地区电网”的角度考虑,不管地区电网范围内无功补偿设备和有载调压变压器数量的多少,都能达到同时满足全网网率损最小、各节点电压合格率最高、有载调压变压器分接开关动作次数最少的目的。

第二，控制对象是地区电网范围内的所有无功补偿设备投切和变压器分接头档位调节的综合动作。

第三，动态预算10kV母线电压,避免无功补偿设备投切振荡。

第四，无须增加独立的I/O系统，投资少，实施快。

第五，该控制系统已在牡丹江供电公司调控中心投运，运行稳定，动作可靠，效益巨大。

3.实施效果和成效

3.1 经济效益和社会效益分析

该控制系统2014年6月25日在牡丹江供电地区电网投运，其中220kV变电所11座，110kV变电站22座，35kV变电站12座，总变电站个数44座，运行可靠、实用性强，提高了电网电能质量，产生的显著经济效益和社会效益：

第一，减少电网电能损耗，年节电至少5百万千瓦时/年，将取得明显的降损节能效益。

第二，提高地区受电功率因数0.08，增加了输电设备出力500万千瓦。

第三，减少有载调压变压器分接开关动作次数50%，减轻检修劳动强度，延长设备使用寿命。

第四，提高10kV电压合格率1.2个百分点，0.40kV电压合格率0.7个百分点。

第五，克服单个无功电压综合自动控制（又称VQC）装置，局限于“无功-电压就地最优”,而不能做到“无功-电压全网最优”的弊端。

第六，减轻调控中心值班人员劳动强度40-50%，避免人为误差，真正实现全网无功电压实时控制，完善并提高无人值班变电所自动化水平。

第七，投资少。例如：假如一个县调下属20个变电站，同比安装VQC装置，至少节约100万元。 同时，由于该控制系统不增加任何硬件装置，免除了大量的现场硬件维护，节省了大量的维护费用。

第八，环保效益显著。“地区电网无功电压优化运行集中控制系统”能够节能增效，保证供电质量，提高利润，这些都有利于社会的发展，社会效益十分显著。同时节约的电量所增加的供电能力，对环境保护来说，取得投资电厂所不能取得的社会效益，是一项“绿色工程”。

3.2 系统的投入使用，还产生了以下连带效应

第一，准确地掌握了主变分接开关、电容器开关每年每月每日动作次数，为最大限度的发挥设备潜力和设备检修提供了依据；

第二，该控制系统是一套图文声并茂的现场实时培训系统，提高了调度、调控人员运行管理水平；

第三，该控制系统的实施加速了远动设备建设与改造及“四遥”功能的实现，促进了调度自动化SCADA系统数据采集的完善；

第四，该控制系统的实施促进了电容器的配制、电容器开关的更新、有载变覆盖面的扩大及其有载分接开关的性能的提高。

综上所述，从全电网的角度出发，实现地区无功电压优化运行集中控制是今后无功电压实时控制领域的发展趋势，代表着今后我国供电网络无功电压控制方式的方向。该控制系统经过磨练，技术先进、运行可靠、实用性强，提高了电网电能质量，降低了电网电能损耗，增加了输配电设备出力，提高了电力系统运行稳定可靠性。