500kV主網(wǎng)電壓集中控制模式下的調(diào)壓方法

蔣宇，張勇,胡鶴軒

(1.江蘇電力調(diào)度控制中心，江蘇南京210024；2.河海大學(xué)能源電氣學(xué)院，江蘇南京210098)

隨著2011年“大運行”體系建設(shè)的完成，江蘇500kV主網(wǎng)無功電壓的調(diào)節(jié)模式在全國率先發(fā)生了根本性的變革。主網(wǎng)無功電壓控制從原有的以500kV樞紐變電站為獨立控制單元的分散調(diào)壓方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦蛹s化、扁平化、專業(yè)化的采用遠(yuǎn)方集中調(diào)壓控制的運行管理模式，由省調(diào)直接對全省所有500kV變電站的并聯(lián)電容器、電抗器進(jìn)行監(jiān)控。在江蘇500kV電網(wǎng)電壓管理控制結(jié)構(gòu)發(fā)生歷史性變革的背景下，針對江蘇500kV電網(wǎng)電壓控制的流程、權(quán)限、現(xiàn)狀特點，提出了實用性、適用性、專業(yè)性很強(qiáng)的無功電壓控制新方法。該方法的應(yīng)用可以為后續(xù)全網(wǎng)域（AVC）系統(tǒng)的建立提供技術(shù)和經(jīng)驗支持。

1 電網(wǎng)無功電壓工程控制方法

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電壓控制方法日臻成熟。在諸多電壓控制的算法中，常用的方法是以全局最優(yōu)作為目標(biāo)函數(shù)，采用最優(yōu)解或線性規(guī)劃的技術(shù)手段，可用于在線、離線分析下的多種工程場景。由于在電壓的實際工程控制中，電壓與有功功率、相角之間并不存在真正的完全解耦關(guān)系。因此，對于系統(tǒng)無功電壓的調(diào)節(jié)會引起機(jī)組出力、系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性等多方面的相應(yīng)變化。其次，目前對于電壓調(diào)節(jié)的某些手段（如發(fā)電機(jī)進(jìn)相運行）的研究還有待深入和完善?？紤]上述原因，目前江蘇500kV電網(wǎng)主網(wǎng)的調(diào)壓控制并沒有采用AVC模式，而仍然采用傳統(tǒng)的基于運行經(jīng)驗的調(diào)度模式。

1.1 國外無功電壓控制工程技術(shù)

目前國際上得到成熟應(yīng)用的無功電壓控制技術(shù)包括以德國電力公司（RWE）為代表的兩級電壓控制系統(tǒng)和以法國電力公司（EDF）為代表的三級電壓控制系統(tǒng)。在德國RWE的電壓控制系統(tǒng)中，將最優(yōu)潮流（OPF）的優(yōu)化計算結(jié)果直接發(fā)到各電廠，在調(diào)度控制中心，OPF基于狀態(tài)估計和穩(wěn)態(tài)測量實時運行在EMS的最高層次上，直接實現(xiàn)考慮運行約束以網(wǎng)損最小為目標(biāo)的全局無功優(yōu)化控制。在EDF的三級電壓控制系統(tǒng)中一級電壓控制為本地控制，控制時間常數(shù)一般為幾秒鐘；二級電壓控制的時間常數(shù)為分鐘級，控制的主要目的是保證中樞母線電壓等于設(shè)定值；三級電壓控制是其中的最高層，以全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行為優(yōu)化目標(biāo)，并考慮穩(wěn)定性指標(biāo)，最后給出中樞母線電壓幅值的設(shè)定參考值，供二級電壓控制使用[1，2]。

1.2 國內(nèi)無功電壓控制工程技術(shù)

國內(nèi)無功電壓自動控制技術(shù)的應(yīng)用，主要集中在省級電網(wǎng)的220kV網(wǎng)架，且采用的控制模式也分為二級和三級兩種控制系統(tǒng)，如福建電力公司、河南電力公司、江蘇電力公司、安徽電力公司的AVC系統(tǒng)。在已經(jīng)運行的電壓自動控制系統(tǒng)中，參與自動調(diào)壓的設(shè)備主要是省、地兩級調(diào)度管轄的無功補償裝置和統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成[3]。

因此相對跨省的500kV主網(wǎng)系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的無功、電壓自動控制系統(tǒng)不論是在容量上，還是在對大系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響上都相對較弱。

2 電壓控制在新模式下的變化

2.1 江蘇主網(wǎng)調(diào)壓模式的變化

江蘇電網(wǎng)故有的電壓調(diào)整模式是按照網(wǎng)、省調(diào)設(shè)備管轄區(qū)域采用分層分區(qū)的平衡、調(diào)節(jié)模式。220kV及以下的無功電壓控制采用發(fā)電廠AVC系統(tǒng)、變電站VQC系統(tǒng)分別調(diào)整控制。而500kV系統(tǒng)主網(wǎng)的電壓控制管轄權(quán)屬于網(wǎng)調(diào)，其電壓控制流程如圖1所示，是以單個500kV變電站為調(diào)節(jié)單元的分散、低效、孤立的母線電壓控制。

圖1 江蘇電網(wǎng)主網(wǎng)原調(diào)壓模式

在國家電網(wǎng)公司大幅度提高管理水平和運營效率的要求下，江蘇省電力調(diào)控中心的監(jiān)控業(yè)務(wù)作為大運行業(yè)務(wù)試點，于2011年6月28日12時正式運轉(zhuǎn)。至此江蘇省電網(wǎng)的無功電壓調(diào)整控制權(quán)，統(tǒng)一、集中到省調(diào)控中心管轄范圍，改革后的電壓控制流程如圖2所示。從而實現(xiàn)了對500kV電網(wǎng)調(diào)壓從分散控制到集中監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制的轉(zhuǎn)變，也使得江蘇境內(nèi)全網(wǎng)域的無功電壓集中、分層自動控制的實現(xiàn)成為可能。

圖2 江蘇電網(wǎng)主網(wǎng)現(xiàn)調(diào)壓模式

2.2 江蘇電網(wǎng)集控模式下的新問題

江蘇電網(wǎng)原有調(diào)壓模式下，各個500kV樞紐變電站只是根據(jù)本站的母線電壓進(jìn)行無功補償裝置的操作，并不考慮對相鄰變電站母線電壓的影響，也不考慮無功補償裝置的最優(yōu)控制。而在新的調(diào)壓模式下，省調(diào)監(jiān)控原則是從區(qū)域電網(wǎng)全局的角度來考慮電網(wǎng)電壓的平衡。在某一地區(qū)無功補償調(diào)節(jié)能力用盡的情況下，采用鄰近電網(wǎng)區(qū)域協(xié)助調(diào)壓的方法成為常用技術(shù)手段。因此采用先進(jìn)的AVC技術(shù)替代值班員的人工調(diào)壓操作，成為江蘇電網(wǎng)調(diào)壓控制的最優(yōu)方案。

然而江蘇500kV主網(wǎng)無功電壓的調(diào)控職權(quán)在省調(diào)層面，而設(shè)備管轄權(quán)在網(wǎng)調(diào)層面；由于電網(wǎng)設(shè)備責(zé)權(quán)的不一致，導(dǎo)致江蘇500kV主網(wǎng)無功電壓自動控制系統(tǒng)在未來很長一段時間內(nèi)都無法建設(shè)，仍然依靠值班人員憑經(jīng)驗遠(yuǎn)方集中手動遙控調(diào)壓。因此在新的調(diào)壓模式下江蘇省500kV主網(wǎng)出現(xiàn)了如何在短期內(nèi)實現(xiàn)計及無功補償裝置使用高效性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性下進(jìn)行無功、電壓高效調(diào)節(jié)的技術(shù)問題。

目前由于華東電網(wǎng)內(nèi)500kV全網(wǎng)域的基于發(fā)電廠的AVC系統(tǒng)還沒有建立，且500kV變壓器在常態(tài)下不考慮采用有載調(diào)壓技術(shù)手段，因此江蘇省調(diào)監(jiān)控的調(diào)壓手段只有遠(yuǎn)方遙控投切500kV變電站并聯(lián)電抗器、電容器。

3 基于無功電壓靈敏度的輔助調(diào)壓方法

為解決上述問題，提出了基于無功電壓靈敏度的輔助電壓調(diào)節(jié)方法。當(dāng)電網(wǎng)中500kV母線電壓越限后，系統(tǒng)根據(jù)無功電壓靈敏度自動生成無功電壓操作的最優(yōu)序列表，監(jiān)控人員可以據(jù)此進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的操作。

3.1 機(jī)理分析

系統(tǒng)在穩(wěn)點運行點附近的線性化潮流方程可以描述為[4]：

式中：ΔP為有功功率的增量；ΔQ為無功功率的增量；Δθ為節(jié)點電壓相角的增量；ΔV為節(jié)點電壓幅值的增量。

從式（1）中可以看出系統(tǒng)電壓的增幅受到P和Q的影響，因此在每個運行點，可以令P為常數(shù)，從而得到Q和V之間的增量關(guān)系。雖然在公式中忽略了P的增量，但在Q和V的增量關(guān)系中還是包含了系統(tǒng)負(fù)荷或功率傳送水平變化的影響。因此在式（1）中令ΔP=0，得到：

根據(jù)式（2）、式（3）、式（4），就可以計算出描述系統(tǒng)無功電壓靈敏度系數(shù)矩陣k，以系數(shù)矩陣k中各元素的大小為序。建立如式（5）所示目標(biāo)函數(shù)：

式中：n為達(dá)到電壓調(diào)節(jié)目的至少需要投運的無功裝置臺數(shù)；V1，V2分別表示電壓的上、下限值；v為預(yù)測的調(diào)壓后母線電壓值；α為加權(quán)系數(shù)。

根據(jù)無功電壓靈敏度系數(shù)矩陣k的序列，通過求解目標(biāo)函數(shù)F（x）的最小值，就可以得出高效的電壓調(diào)節(jié)的控制方法。

3.2 輔助調(diào)壓系統(tǒng)的實現(xiàn)

當(dāng)系統(tǒng)中有500kV母線節(jié)點電壓越限值，或者有多個變電站母線電壓均逼近電壓控制限額時，輔助調(diào)壓系統(tǒng)啟動：

（1）從EMS系統(tǒng)中讀取電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及遙測、遙信實時數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，自動生成矩陣JPθ，JPV，JQθ，JQV；

（3）根據(jù)式（2）計算出矩陣JR；

（4）根據(jù)式（4）計算出系數(shù)矩陣k；

（5）根據(jù)系數(shù)矩陣k中各元素的排序及求解目標(biāo)函數(shù)F（x）的最小值，就可生成無功電壓操作的優(yōu)化序列表。

4 仿真驗證

文中采用對江蘇500kV主網(wǎng)全系統(tǒng)建模并由南瑞集團(tuán)研發(fā)的穩(wěn)態(tài)仿真平臺（DTS）進(jìn)行計算分析。算例預(yù)想的電壓越限事故為，500kV吳江變母線電壓越控制下限，實時值為500.4kV（控制限：下限500.5kV，上限515kV），相鄰協(xié)助調(diào)壓站電氣接線如圖3所示。

圖3 相鄰調(diào)壓變電站接線

經(jīng)過文中設(shè)計的輔助調(diào)壓系統(tǒng)計算，無功電壓操作優(yōu)化序列如表1所示。從表1中可以看出，應(yīng)優(yōu)先考慮投入?yún)墙儽菊镜碾娙萜?，且?31或332電容器為最優(yōu)選擇。如果此時需要考慮相鄰變電站協(xié)助調(diào)壓，則以操作石牌變或玉山變電容器為優(yōu)先選擇。

從表2所示的操作不同電容器的仿真結(jié)果可以看出，投入表1中第一序位的吳江變331或332電容取得了最好的調(diào)壓效果，而木瀆變需要投入2組電容器，常熟（南）變需要投入3組電容器才能達(dá)到調(diào)壓目的。

以上仿真結(jié)果驗證了基于無功電壓靈敏度輔助調(diào)壓方法的正確性，也證明了在采用相鄰變電站輔助調(diào)壓手段時效率不同的多種調(diào)壓方法同時存在。

表1 電壓操作最優(yōu)序列

表2 投入不同無功補償裝置的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

江蘇電網(wǎng)作為國家電網(wǎng)公司“三集五大”改革試點單位，在全國率先完成了以高效化、專業(yè)化為方向的轉(zhuǎn)變過程。電網(wǎng)管理方式的變革必然帶來電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)上的革新，文中針對電網(wǎng)轉(zhuǎn)型期內(nèi)超大型、綜合化、智能化的自動調(diào)壓系統(tǒng)無法建立的情況，提出了簡單易行、投入少見效快、工程適用性強(qiáng)的基于無功電壓靈敏度的輔助調(diào)壓方法。該調(diào)壓策略的實施，為今后覆蓋全網(wǎng)的AVC系統(tǒng)的建立提供實踐經(jīng)驗和工程技術(shù)支持。

[1] 郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.江蘇電網(wǎng)AVC主站系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28(22)：89-93.

[2] 孫宏斌，張伯明，郭慶來,等.基于軟分區(qū)的全局電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8)：16-20.

[3] 陸圣芝，胡偉，羅建裕.江蘇電網(wǎng)分層分區(qū)研究[J].江蘇電機(jī)工程，2000，19(3)：11-13.

[4] 王錫釩.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2007.