基于多区图控制策略的地区电网电压无功优化控制

基于多区图控制策略的地区电网电压无功优化控制

针对目前地区电网电压无功控制的现状，提出了基于多区图控制策略的地区电网电压无功优化控制方案，该方案借助地区电网调度自动化系统或集控站自动化系统采集的电网数据和遥控遥调手段，以各个变电站内的有载调压分接头、无功补偿设备和地方小电厂的发电机励磁电流作为控制对象，采用多区图控制策略，实现全网电压无功优化的自动控制，可以有效地提高全网各个节点的电压合格率、降低网损。本文还讨论了实现上的若干技术问题，包括控制参数整定、无功调节量的大小、地方小电厂如何参与调节、长输电线中的网损影响等，结合实例分析了多区图控制的控制效果。
　　关键词：无功优化；电压；EMS

Control over Optimization of Voltage and Reactive Power in the Regional Power Network Based on the Multi region Chart Control Strategy

Luo Yi, Tu Guangyu, Jin Yanyun, Ding Li，Wu Jixiang

(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China)

　　ABSTRACT: A control scheme for optimization of voltage and reactive power in the regional power network based on the multiregion chart control strategy is proposed to cope with the status quo of the control over voltage and reactive power in the regional power network. Automatic control of the voltage of the entire network and optimization of reactive poser is realized using the power network data gathered by the dispatch automation system of the regional power network or the automatic system of the centralized control station and by means of telecontrol and telemetry and with on-load voltage regulation taps and reactive power compensation installations in all substations and the exciting current of generators in small local power plants as the control objects. The adoption of the multiregion chart control strategy for the automatic control of the optimization of the voltage and reactive power of the entire power network has made it possible to effectively increase the rate of acceptable voltage at all the nodes on the entire power network and reduce network loss. Also discussed are some technical problems in implementation, such as the setting of control parameters, the magnitude of the amount of reactive power regulation, the way small local power plants take part in the regulation, the influence of network loss in long transmission lines. The effect of control with the multiregion chart strategy is discussed with examples. 
　　KEY WORDS: Optimization of Reactive Power；Voltage；EMS

0 引言
　　我国地区电网经过几年的城农网改造后，供电可靠性大大提高，有些地方的供电可靠性已经达到99.9%，基本上可以满足目前大多数用户供电可靠性的要求。在此前提条件下，当前地区电网电压质量（特别是电压合格率）问题就显得特别突出，并且越来越受到各级供电部门的重视。影响地区电网电压合格率的因素主要有两个方面：一方面是无功电源配置不合理，这可以在地区电网的电压无功优化计算的基础上配以适量的建设资金逐步解决；另一方面是没有能够实现全网的电压无功优化协调控制。当前在地区电网中很多变电站都装设有电压无功综合自动控制装置（VQC），只采集变电站内部信息，控制目标为变电站低压母线电压和变电站消耗的无功功率，不能实现全网的协调控制。有些地区电网EMS中装设有电压无功优化计算软件，从理论上说计算结果可以用于实现全网电压无功优化控制，但由于存在一些难以解决的技术问题而使应用受到限制，这些问题包括收敛性问题、当系统数据不全或出现局部坏数据后计算失败、远动数据的异步性等带来的较大误差直接影响控制的效果等。因此，迫切需要提出新的控制原理和控制方法解决地区电网电压无功协调控制问题，提高地区电网的电压合格率。
　　国内外很多学者对此进行了众多研究。例如文献[1]提出了一种全网无功电压优化集中自动控制系统，该系统不是进行单纯的电网潮流计算，而是建立符合全网网损尽可能小、电压合格的优化及控制判断规则，这些规则对控制效果的改进明显。文献[2]提出了一种适用于110kV及以上电网的自动电压控制方法，该方法基于经济压差优化电压无功潮流程序，对解决EMS中装设的电压无功优化计算软件的收敛性问题有一定帮助。
　　本文提出了一种基于多区图控制策略的地区电网电压无功优化控制的控制理论和控制方法。利用从EMS或集控站SCADA系统中采集的电网数据及地区电网的网络拓扑图，不须进行地区电网电压无功优化计算，通过构建的电网多区图控制规则，对各个变电站进行相应的控制，能较好地解决地区电网电压无功协调控制问题。

1　控制原理
1.1 电压无功控制的基本思路
　　为了理解地区电网电压无功多区图的控制思想，特定义一些基本概念如下：
　　终端子网：在地区电网中，电气上连通的某一电压等级的设备及其配供电的设备所构成的网络成为终端子网。
　　伴随终端子网：终端子网加上向终端子网供电的变压器所构成的网络。
　　终端子网电压：终端子网中最高电压等级的电压。 
　　终端子网无功：向终端子网供电的变压器上流通的无功功率。
　　终端子网无功调节约束：在终端子网中调节无功补偿设备时，应该保证终端子网无功在给定的范围内变化，该限制条件称为终端子网无功调节约束。
　　地区电网电压无功控制的总原则是在保证电压合格的前提条件下，使电网网损达到最小。为了使电网网损达到最小，应尽可能减小电网中传输的无功功率，并适当地提高电网运行电压。因此若各级终端子网内部的无功功率能尽可能平衡，就可以达到网损最小的目标。但是，要求每一级终端子网的无功功率都能就地平衡是不可能的，也是没有必要的，这样必须装设很多无功补偿设备，经济上也不合理。
　　实际上，对城区电网而言，终端子网覆盖的地域范围很小，线路损耗一般可以忽略不计，网损主要来自降压变压器，只要降低流过变压器的无功功率至最小值即可达到网损最小的目标。这样，就要求同一电压等级电网中的无功功率能够平衡，而同一电压等级电网中各个变电站的无功功率可以相互传输，不会造成太大的网损，电压也比较容易满足要求。
　　对农村电网而言，各级终端子网覆盖的地域范围差别较大，输电线路的线径选择也不尽相同，很多情况下必须考虑输电线路损耗的影响。因此，不仅要考虑降低流过变压器的无功功率至最小值，而且当局部无功负荷较大时，同一电压等级电网中各个变电站的无功功率的相互支援应该按照电气距离最小的原则实现，即在潮流允许的条件下，距无功负荷电气距离小的无功补偿设备优先投切或调整。这样才能保证整个网损最小。这一原则当然也可以用于城区电网，只是效果不太明显，除非系统中存在限流电抗器等大电抗设备。
　　改变各个变电站的有载调压变压器分接头，可以改变该变压器中低压侧终端子网的电压，进而改变电网的无功功率。一般降低有载调压变压器分接头可以提高变压器中低压侧终端子网的电压，使无功负荷增大；调高有载调压变压器分接头可以降低变压器中低压侧终端子网的电压，使无功负荷减少。但有载调压变压器分接头的调整次数不能太频繁，应该有限制地调整。当终端子网无功不足时，终端子网中各点的电压普遍偏低，不允许局部采用降低有载调压变压器分接头的办法抬高电压，这样会引起整个电网的无功缺额更大，必须先补偿无功，此时，可以先投入运行电压较低和无功有缺额的变电站的电容器组，或切除运行电压较低和无功有缺额的变电站的电抗器，再增大发电厂的无功出力。当终端子网无功过剩时，终端子网中各点的电压普遍偏高，一般应降低无功出力，此时，可以先切除运行电压较高和无功有剩余的变电站的电容器组，或投入运行电压较高和无功有剩余的变电站的电抗器，再降低发电厂的无功出力。
　　如果要投切某一级终端子网内的无功补偿设备，必须先检查其伴随终端子网无功是否会越限。只有当伴随终端子网无功不发生越限时才能进行操作。
1.2 多区图控制策略
　　从电网运行的角度讲，电网各个节点电压和无功都应在一定的范围内，即电压和无功都有上下限要求。若计UH、UL、QH、QL为电压上限、电压下限、无功上限、无功下限，用横坐标表示终端子网的无功，纵坐标表示终端子网的电压，则得到图1所示的多区图。