電網(wǎng)二級電壓控制的現(xiàn)狀分析和發(fā)展方向

劉 利

天津三美電機有限公司，天津 300163

電網(wǎng)二級電壓控制的現(xiàn)狀分析和發(fā)展方向

劉 利

天津三美電機有限公司，天津 300163

本文結(jié)合我國現(xiàn)在的國情，重點闡述了二級電壓控制對我國的重要性，以及他的基本特性和控制模式，總結(jié)了當(dāng)今的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展方向。

二級電壓；最優(yōu)控制；協(xié)調(diào)控制

1 概述

我國幅員遼闊，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大。已建成的跨省電力系統(tǒng)有5個，即華東系統(tǒng)、東北系統(tǒng)、華中系統(tǒng)、華北系統(tǒng)和西北系統(tǒng)。對于如此龐大而復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)隨聯(lián)網(wǎng)容量的增大和輸電電壓的提高，輸電功率變化和高壓線路的投切都將引起很大的無功功率變化，系統(tǒng)對無功功率和電壓的調(diào)節(jié)和控制能力的要求越來越高。

另一方面，由于受電力市場化變革的影響以及來自環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)方面的制約，為了充分利用系統(tǒng)資源，現(xiàn)代電網(wǎng)越來越接近于其極限運行狀態(tài)，這使得電網(wǎng)缺乏靈活的調(diào)節(jié)能力，特別是在某些緊急運行情況下，電網(wǎng)更加脆弱。

近幾十年來，國內(nèi)外電力系統(tǒng)由于電壓穩(wěn)定破壞問題，曾發(fā)生多次大面積停電事故，對國民經(jīng)濟造成極大危害。例如，2008年1月的 我國南方雪災(zāi)，2008年5月的汶川地震，等重大事件加快了我國朝著超高壓、遠距離輸電、大區(qū)互聯(lián)和電力市場化的方向發(fā)展，電壓穩(wěn)定問題也將會威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，對電壓穩(wěn)定問題及措施的研究必須給予高度的重視。

自動電壓控制AutomaticVoltageCona'ol——簡稱AVC，是第27屆中國電網(wǎng)調(diào)度運行會議上提出的現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度新技術(shù)的發(fā)展方向之一。而法國的三級電壓控制模式的研究和實施始于上世紀70年代，經(jīng)歷了近40年的研究、開發(fā)和應(yīng)用，是目前國際上公認為最先進的電壓控制系統(tǒng)。該模式由三級控制組成：即一級電壓控制（Primary Voltage Control），二級電壓控制（Secondary Voltage Control）和三級電壓控制（Tertiary Voltage Control）。一級電壓控制由具有一定無功電壓支撐能力的廠（站）自動控制裝置組成，屬本地控制，僅用本地的信息。如同步發(fā)電機的自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），并聯(lián)電容器控制時間常數(shù)一般為幾秒。在這級控制中，控制設(shè)備通過保持輸出變量盡可能地接近設(shè)定值來補償電壓的快速和隨機的變化。二級電壓控制由不同的層組成，層內(nèi)也可能分區(qū)，也可能不分區(qū)，通過修改一級控制器的設(shè)定值來協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)一級控制器的行為?？刂茣r間常數(shù)為幾十秒到分鐘級，控制的主要目的是保證層內(nèi)引導(dǎo)節(jié)點（Point Node）電壓等于設(shè)定值。三級電壓控制是AVC的最高層，以控制中心EMS作為決策支持系統(tǒng)，以全系統(tǒng)的經(jīng)濟運行為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足系統(tǒng)安全約束條件下，給出層間聯(lián)系設(shè)定值（電壓或無功潮流），供二級電壓控制使用。3級電壓控制模式更加適合現(xiàn)階段中國電網(wǎng)的特點和需求。電力系統(tǒng)無功電壓控制是保證現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)。無功電壓控制主要是合理安排和充分利用電網(wǎng)中的無功功率補償容量和調(diào)節(jié)能力。隨時保持正常運行情況下和事故情況后電網(wǎng)中各樞紐節(jié)點的電壓在正常水平，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2 重要性

2.1 二級電壓

二級電壓控制在整個分級控制模型中承上啟下，是重要的一環(huán)。它的主要任務(wù)是以某種協(xié)調(diào)的方式重新設(shè)置區(qū)域內(nèi)各自動電壓調(diào)節(jié)器（一級電壓控制）的參考值或設(shè)定值，以達到系統(tǒng)范圍內(nèi)的良好運行性能。它首先將整個系統(tǒng)分解成若干控制區(qū)域（control zone），在每個控制區(qū)域中選出其最關(guān)鍵的對區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點有重要影響的電壓母線為“中樞母線”（pilot node），并根據(jù)中樞母線的電壓偏差，按照某種預(yù)定的控制方式協(xié)調(diào)，有效的調(diào)整區(qū)域內(nèi)各控制發(fā)電機（control generators）的AVR的參考電壓設(shè)定值或其他無功源的設(shè)定值，從而使中樞母線的電壓基本保持不變，進而維持整個區(qū)域的電壓水平，并使無功分布在一個良好的狀態(tài)。

2.2 基本特性

本文的二級電壓控制的基本原理，體現(xiàn)了其“區(qū)域性”和“協(xié)調(diào)性”。二級控制器的輸入信號為先導(dǎo)節(jié)點的電壓偏差，反映出本區(qū)域的電壓水平；二級電壓控制器的區(qū)域無功信號在各臺控制發(fā)電機單元之間的分配以及對發(fā)電機無功越限的處理則體現(xiàn)了控制的協(xié)調(diào)性。本文的二級電壓控制器在系統(tǒng)發(fā)生電壓擾動期間，能夠從區(qū)域電壓穩(wěn)定的角度出發(fā)，調(diào)整各一級電壓控制器的電壓參考值，從而調(diào)整其無功出力，為系統(tǒng)提供所需的電壓支持，使得本區(qū)域的負荷電壓水平維持在較好的狀態(tài)，并且在一定程度上提高了系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

可以采用協(xié)調(diào)二級電壓控制（CSVC，C00rdinated Secondar，bltage CoIm01）策略在電網(wǎng)安全、經(jīng)濟和優(yōu)質(zhì)之間進行有效的協(xié)調(diào)。

2.3 二級電壓控制與切負荷的協(xié)調(diào)

為保證二級電壓控制的可靠性，必須對上一節(jié)的復(fù)雜問題進行合理簡化。事實上，電容器／電抗器的投切主要起到無功補償?shù)淖饔?，其目?biāo)是維持無功電壓的分層分區(qū)基本平衡，對整個電網(wǎng)起一個基礎(chǔ)的無功支撐，與發(fā)電機無功相比，電容電抗器直接從負荷側(cè)對無功變化進行補償，避免無功經(jīng)過較長的傳輸路徑從發(fā)電機送到負荷側(cè)，可以將發(fā)電機無功保持在上調(diào)、下調(diào)均有較大裕度的中間位置，從而保證應(yīng)對緊急情況的動態(tài)無功儲備，提高大電網(wǎng)的動態(tài)安全性。為此，我們在發(fā)電機和電容電抗器的協(xié)調(diào)控制中考慮以下原則：

1）電容電抗器作為基礎(chǔ)的無功補償，優(yōu)先進行投切；

2）發(fā)電機無功出力作為動態(tài)電壓支撐和連續(xù)調(diào)節(jié)變量，主要在離散設(shè)備不具備控制能力的情況下進行。

低壓切負荷是解決電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的一種有效的預(yù)防和校正控制措施，在電力系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應(yīng)用和研究。在緊急情況下，可以將部分負荷作為二級電壓控制的對象，將二級電壓控制和切負荷有效地協(xié)調(diào)起來進行控制，防止系統(tǒng)電壓崩潰。

2.4 二級電壓控制和切負荷的協(xié)調(diào)

1）在緊急情況下，二級電壓控制和切負荷可以組合（同時）或者順序進行，以消除電壓不穩(wěn)的狀況。組合協(xié)調(diào)過程是將改變一級電壓控制系統(tǒng)的電壓預(yù)設(shè)值和切負荷同時進行，在每一控制步內(nèi)都需要一級電壓控制系統(tǒng)的調(diào)整量和切負荷量。它另一種二級電壓控制和切負荷的協(xié)調(diào)是順序進行二級電壓控制和切負荷。首先考慮一級電壓控制系統(tǒng)的調(diào)整量，充分利用系統(tǒng)的無功資源，直至系統(tǒng)的可用的無功資源耗盡。然后再考慮切負荷控制。

2）二級電壓控制的控制變量只包括發(fā)電機無功，在二級電壓控制過程中認為電容電抗器的投切狀態(tài)不會發(fā)生改變，但是要保證協(xié)調(diào)變量屹在控制后滿足變電站子站給出的協(xié)調(diào)約束。

（1）電容電抗器的投切可以看作是一種基礎(chǔ)的無功支撐狀態(tài)，每一個電容電抗器動作后相當(dāng)于由一個支撐狀態(tài)過渡到另一個支撐狀態(tài)，但由于電容電抗器的離散性質(zhì)，其控制量為階越量，只能實現(xiàn)一種粗放式的調(diào)節(jié)，因此在當(dāng)前投切狀態(tài)和下一個設(shè)備動作后的狀態(tài)之間有一個控制的空白區(qū)域，這個范圍內(nèi)的控制是無法由變電站的電容電抗器實現(xiàn)的，而二級電壓控制重點正是在這樣的兩次設(shè)備投切之間進行調(diào)節(jié)，目的是利用發(fā)電機無功的連續(xù)調(diào)節(jié)能力實現(xiàn)精細化的調(diào)節(jié)。

（2）當(dāng)電容電抗器全部投入或者退出，變電站電壓或者無功仍然不能滿足要求的情況下，說明此時離散控制設(shè)備的控制能力已經(jīng)耗盡，在這種情況下應(yīng)當(dāng)利用發(fā)電機的動態(tài)無功調(diào)節(jié)能力作為必要的補充

2.5 理想化最優(yōu)控制模式

1）分別對應(yīng)秒級（一級電壓控制時間常數(shù)）、分鐘級（二級電壓控制時間常數(shù)）和小時級（三級電壓控制時間常數(shù)）。并保證系統(tǒng)在經(jīng)濟性和安全性目標(biāo)上達到性能最優(yōu)。如果要實現(xiàn)最優(yōu)控制系統(tǒng)，工程應(yīng)用中需具備以下條件。

（1）必須能夠保證可靠求解最優(yōu)控制策略；

（2）必須能夠準(zhǔn)確獲取全網(wǎng)各節(jié)點的狀態(tài)。

2）目標(biāo)解耦性分析，從“安全第一、經(jīng)濟第二”的原則出發(fā)，可以將原有的理想化的最優(yōu)控制模式分解為穩(wěn)定預(yù)防控制和穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制。在實際的應(yīng)用中，對當(dāng)前電力系統(tǒng)進行預(yù)想故障掃描，如果系統(tǒng)處于正常不安全狀態(tài)，進行預(yù)防控制決策計算，提高系統(tǒng)的安全水平電網(wǎng)絕大部分時間處于正常安全運行狀態(tài)，此時進入穩(wěn)態(tài)最優(yōu)控制計算模式，

3 二級電壓控制的發(fā)展方向

3.1 變電站二級電壓自動控制裝置（VQC裝置）

在調(diào)度自動化系統(tǒng)未實用化的時候，地區(qū)電網(wǎng)采用就地平衡、分散調(diào)整的方式使用VQC裝置，實現(xiàn)僅僅面向單個變電站的運行控制。

3.2 主站集中式自動電壓控制系統(tǒng)軟件（AVC）

隨著計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)調(diào)度自動化技術(shù)已經(jīng)基本在地區(qū)級電網(wǎng)都做到了實用化，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了主站集中式自動電壓控制系統(tǒng)軟件（AVC）。

3.3 AVC與VQC裝置聯(lián)合協(xié)調(diào)控制方案探討

考慮到VQC和AVC的特點，國內(nèi)也有專家提出AVC系統(tǒng)和VQC裝置聯(lián)合協(xié)調(diào)控制的技術(shù)思路。

3.4 二級電壓控制的發(fā)展趨勢

電力系統(tǒng)二級電壓控制作為電力系統(tǒng)自動化的一個重要組成部分，具有電力系統(tǒng)控制所固有的復(fù)雜性、非線性、不精確性以及控制要求實時性強等特性，使得其中有些方面難以用傳統(tǒng)盼數(shù)學(xué)模型和控制方法來描述和實現(xiàn)，于是研究人員開始借助人工智能方法解決這些難題，并推動智能控制技術(shù)在電力系統(tǒng)二級電壓控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來，由于基于人工智能技術(shù)的各種智能控制手段具有一些常規(guī)控制所不具備的智能特性，如可以引入專家的經(jīng)驗知識、能夠處理不確定性問題、具有自學(xué)習(xí)和獲取知識的功能、適于處理非線性問題等，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的關(guān)注，獲得了大量的研究成果，成為電力系統(tǒng)中一個重要的研究領(lǐng)域。

4 結(jié)論

二級電壓自動控制是近年來電力工程界的研究熱點，并且有大量成果得到應(yīng)用并且產(chǎn)生了可觀的效益。本文介紹了VQC裝置和AVC系統(tǒng)軟件的發(fā)展。從以上分析可以看出，二級電壓控制由手動控制走向自動控制、由分散控制走向集中式的遞階控制、由無序控制走向優(yōu)化控制、由單機單一控制走向網(wǎng)絡(luò)分級控制，由主網(wǎng)二級電壓控制走向主配網(wǎng)全網(wǎng)二級電壓控制，由區(qū)域優(yōu)化控制走向分層分級聯(lián)合協(xié)調(diào)控制。

[1]郭慶來，孫宏斌，張伯明.協(xié)調(diào)二級電壓控制的研究.電力 系統(tǒng)自動化，2005(23).

[2]張伯明，吳素農(nóng)，蔡斌.電網(wǎng)控制中心安全預(yù)警和決策支 持系統(tǒng)設(shè)計.電力系統(tǒng)自動化，2006(6).

[3]趙洪菊，葉鵬，曾林鎖，孫峰.電力系統(tǒng)最優(yōu)二級電壓控 制，2007.

[4]徐冰.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與二級電壓控制的研究.碩士學(xué)位 論文，2006，2.

[5]華梁.基于多智能系統(tǒng)的二級電壓協(xié)調(diào)控制研究.碩士學(xué)位 論文，2009，6.

[6]Corsi S.The secondary voltage regulation in Italy[c]// IEEE/PES 2000 Summer Meeting.Seattle.Washing- ton.2000：16-20.

[7]Wen J Y,Wu Q H,Turner D R,et a1.Optimal coordi- nated voltage control for power system voltage stability[J].IEEE Trams on Power sysetm，2004，19(2)： 1115-1122.

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1674-6708（2010）28-0088-02