無功電壓調(diào)控失配風(fēng)險(xiǎn)評估及其系統(tǒng)開發(fā)*

李峰 張勇軍? 張豪 楊銀國 管霖 許亮

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院∥廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640;2.廣東電網(wǎng)公司，廣東 廣州 510600)

作為智能電網(wǎng)中智能無功調(diào)度的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)電壓控制(AVC)已逐漸成為電壓調(diào)控的主要手段.然而，由于上下層電網(wǎng)分別歸屬省地兩級調(diào)度調(diào)控，上下層電網(wǎng)的無功電壓調(diào)控的目標(biāo)、對象、手段、信息等都不一致，而調(diào)控結(jié)果卻相互影響.因此，往往在工程實(shí)際中形成了一種非合作的博弈局面，給AVC 運(yùn)行帶來了很大的挑戰(zhàn)［1-9］.

特別在極端運(yùn)行方式下，AVC 常常難以保證充分利用220 kV 變電站無功電壓控制設(shè)備來兼顧上下層電網(wǎng)無功電壓調(diào)控的需求.此時(shí)雖然變低側(cè)電壓和關(guān)口無功處在控制策略的合格區(qū)間，變電站存在可用無功資源，但AVC 系統(tǒng)卻無作為，導(dǎo)致變高側(cè)電壓仍出現(xiàn)了偏高或偏低的調(diào)控失配現(xiàn)象［1-11］.從而造成電網(wǎng)無功功率無序流動(dòng)和電壓區(qū)域性失衡，難以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無功電壓的全局趨優(yōu)控制.具體表現(xiàn)為:

(1)無功無序流動(dòng)——由于超高壓電網(wǎng)容性無功相對過剩而中低壓電網(wǎng)容性無功相對缺乏，不可避免地要讓部分無功逐層下送，而由于現(xiàn)有AVC 策略的局限性，在運(yùn)行方式變化時(shí)，下層傾向于首先向上層倒送(或索要)無功，以致上層無功盈余(或緊缺);

(2)區(qū)域電壓失衡——上層無功盈余(或緊缺)，導(dǎo)致區(qū)域電壓偏高(或偏低)，現(xiàn)行AVC 控制下，下層缺乏啟用無功資源的動(dòng)力，加劇了無功的無序流動(dòng)，形成惡性循環(huán).

國外AVC 策略側(cè)重于發(fā)揮動(dòng)態(tài)無功資源如發(fā)電機(jī)的調(diào)控優(yōu)勢［3-5，12］，是否適用于我國離散調(diào)節(jié)設(shè)備為主的無功電壓調(diào)控現(xiàn)狀存疑.文獻(xiàn)［6］提出構(gòu)建VQC 多目標(biāo)優(yōu)化決策模型，以獲得分散控制理念下AVC 的最優(yōu)控制策略.文獻(xiàn)［7，13］則選擇將協(xié)調(diào)變量和協(xié)調(diào)約束考慮進(jìn)AVC 協(xié)調(diào)控制的數(shù)學(xué)模型中，通過求解來獲得協(xié)調(diào)方案.這些研究雖然涉及具體實(shí)施辦法，但由于缺乏評估指標(biāo)和方法，因而在去失配效果、調(diào)控潛力等方面仍有待研究.

因此，迫切需要對運(yùn)行管理中引起的省地兩級電網(wǎng)無功電壓調(diào)控失配風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評估，然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)高低來指導(dǎo)去失配的調(diào)控操作.當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)沒有超過閾值時(shí)，維持現(xiàn)有AVC 策略，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)超過閾值時(shí)，啟動(dòng)去失配策略，以解決由于省調(diào)與地調(diào)兩級電網(wǎng)控制策略配合不當(dāng)而發(fā)生無功電壓調(diào)控失配進(jìn)而影響大電網(wǎng)運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性的問題，從而優(yōu)化全網(wǎng)無功潮流，改善系統(tǒng)各級電壓水平.

鑒于此，文中提出了一種無功電壓調(diào)控失配風(fēng)險(xiǎn)評估模型，并通過開發(fā)無功電壓調(diào)控組合分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備臺賬管理、潮流分析、無功電壓調(diào)控失配風(fēng)險(xiǎn)分析和去失配策略控制.

1 失配風(fēng)險(xiǎn)評估算法

1.1 上下層電網(wǎng)無功電壓調(diào)控失配的定義

盡量實(shí)現(xiàn)無功功率分層分區(qū)就地平衡是省地兩級電網(wǎng)的無功電壓調(diào)控的一個(gè)基本原則.然而，隨著運(yùn)行方式的變化，在離散調(diào)節(jié)設(shè)備為主的無功電壓調(diào)控設(shè)備控制下，完全達(dá)到連續(xù)動(dòng)態(tài)的分層分區(qū)就地平衡的難度較大.因此，現(xiàn)實(shí)的調(diào)控往往采取帶寬調(diào)控的方式，在節(jié)點(diǎn)電壓或者功率因數(shù)的指標(biāo)超出某個(gè)帶寬后才響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控操作.帶寬越窄，調(diào)控精度越高，但是難度也越大，設(shè)備投切越多;帶寬越寬則操作越少，設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)越低，但是容易偏離分層分區(qū)就地平衡，造成上下層的調(diào)控失配，進(jìn)而影響整個(gè)電網(wǎng)的安全性.

可見，無功電壓調(diào)控策略的關(guān)鍵在于如何兼顧調(diào)控操作頻度與上下層無功功率就地平衡的需求.峰谷差越大的電網(wǎng)，運(yùn)行方式變化幅度越大，因而要實(shí)現(xiàn)無功功率分層分區(qū)就地平衡的調(diào)控就越多，矛盾就越突出.對于運(yùn)行方式變化不大的電網(wǎng)，一個(gè)相對固定帶寬的調(diào)控策略就可以近似實(shí)現(xiàn)無功功率分層分區(qū)就地平衡，但由于各電網(wǎng)的峰谷差不同，現(xiàn)有的普遍適用型的AVC 參數(shù)和策略不可能避免調(diào)控的失配，除非補(bǔ)充一套去失配的額外調(diào)控策略.

如果AVC 策略的控制效果形成這樣一種局面，文中稱之為上下層無功電壓調(diào)控失配:下層按策略帶寬要求調(diào)整到位，沒有越限，但是在下層仍然有調(diào)控設(shè)備和手段的前提下，因無功交換量超過上層調(diào)控的承受能力，造成上層電網(wǎng)無功失衡電壓越限(或者接近越限);反之上層的調(diào)控也可能造成下層超出調(diào)控能力而電壓越限的情況.根據(jù)現(xiàn)有的研究掌握的情況來看，失配基本上是下層策略不當(dāng)造成上層越限的，因此文中先重點(diǎn)解決這方面的問題.

1.2 失配風(fēng)險(xiǎn)評估模型

由于220 kV 變電站的失配程度與變高側(cè)電壓VH、變低側(cè)電壓VL、關(guān)口無功QH和站內(nèi)可用無功資源的容量QC的相關(guān)性較強(qiáng).量化這4 個(gè)失配因素后得式(1)-(6):

式中，QC0表示單組補(bǔ)償容量.

通過模糊算子進(jìn)行整合得式(4)，即可對運(yùn)行管理中引起的省地兩級電網(wǎng)無功電壓調(diào)控失配風(fēng)險(xiǎn)δΣ進(jìn)行定量評估.VH表示變高側(cè)電壓失配度、VL表示變低側(cè)電壓失配度、QH表示關(guān)口無功失配度、QC表示站內(nèi)可用無功資源失配度.

考慮到VH在［1.020，1.060］區(qū)間時(shí)，電網(wǎng)網(wǎng)損較小，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較好，若電壓偏離該區(qū)間上下限越多，則運(yùn)行失配風(fēng)險(xiǎn)越高，VH越偏離區(qū)間上限對變電站設(shè)備的影響較大，使得曲線的［1.050，1.070］區(qū)間的遞增斜率比［0.987，1.050)區(qū)間的遞減斜率絕對值大，如此 VH曲線成為了不對稱的浴盆曲線，通過數(shù)據(jù)擬合得到式(1);式(2)- (6)中，Vmax和Vmin分別為主變壓器低壓側(cè)電壓軟約束的上下限值，Qmax和Qmin分別為主變關(guān)口無功的上下限值;對于站內(nèi)可用無功資源失配度QC，大方式下，采用式(4)獲得，小方式下，則通過式(5)獲得;式(6)中∧和·為模糊算子，∧取各指標(biāo)中的最小值，·代表普通實(shí)數(shù)乘法.

可見，關(guān)口無功和變低側(cè)電壓均合格是運(yùn)行失配的必要條件，在模型中表現(xiàn)為 QH 和 VL 同為1.)說明，AVC 系統(tǒng)控制下站內(nèi)存在可用無功資源時(shí)，變高側(cè)電壓失配度 VH是變電站失配程度的關(guān)鍵影響因素.

通過以上建模可知，失配風(fēng)險(xiǎn)的閾值δ0為0.5，當(dāng)評估所得的運(yùn)行失配度δΣ大于0.5 時(shí)，說明該變電站出現(xiàn)調(diào)控失配現(xiàn)象，并且隨著失配風(fēng)險(xiǎn)的增大，失配程度越來越大;而當(dāng)變電站計(jì)算所得的δΣ小于0.5 時(shí)，該變電站沒有出現(xiàn)調(diào)控失配，但隨著失配風(fēng)險(xiǎn)的增加，越接近0.5，發(fā)生調(diào)控失配的風(fēng)險(xiǎn)越大.

失配風(fēng)險(xiǎn)評估步驟:①監(jiān)測變電站各時(shí)刻狀態(tài)變量，即VH、VL、QH和QC;②計(jì)算獲得失配風(fēng)險(xiǎn)δΣ;③當(dāng)δΣ超過閾值δ0時(shí)，若主變壓器高壓側(cè)電壓VH偏高，則退出待切電容器，或投入待投電抗器;若主變壓器高壓側(cè)電壓VH偏低，則退出待切電抗器，或投入待投電容器.

2 無功電壓調(diào)控組合分析系統(tǒng)

無功電壓調(diào)控組合分析系統(tǒng)基于Visual Studio 2003 集成環(huán)境開發(fā)，采用VB.Net+Access 語言進(jìn)行編程并完成了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能.系統(tǒng)的架構(gòu)采用分層式結(jié)構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層.其中，數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問.系統(tǒng)各層之間通過接口進(jìn)行約束，形成相對獨(dú)立的功能模塊，提高了系統(tǒng)開發(fā)的可重用性和可擴(kuò)展性.組合系統(tǒng)的計(jì)算流程為:①調(diào)用電力系統(tǒng)分析軟件包BPA 對電網(wǎng)進(jìn)行仿真;②根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算某些區(qū)域/變電站的無功電壓失配風(fēng)險(xiǎn);③如存在無功電壓失配風(fēng)險(xiǎn)的將進(jìn)行去失配方案的仿真分析;④形成最終評估報(bào)告.系統(tǒng)界面及失配風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果如圖1 所示.

圖1 失配風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果Fig.1 Risk evaluation result of mismatch

目前，去失配方案主要為AVC 改進(jìn)21 區(qū)圖控制策略.系統(tǒng)架構(gòu)、去失配仿真及評估報(bào)告分別如圖2-4 所示.

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System framework

圖3 去失配仿真Fig.3 Anti-mismatch simulation

圖4 匯總報(bào)告Fig.4 Summary report

3 實(shí)例分析

運(yùn)用本系統(tǒng)對廣東某220 kV 變電站進(jìn)行組合分析.該變電站供電區(qū)域內(nèi)含有一些小水電，又有礦業(yè)和冶金業(yè)，負(fù)荷波動(dòng)較大.以電網(wǎng)公司提供的該站#1主變2011 年1 月15 日全天96 個(gè)運(yùn)行點(diǎn)(斷面)為例.

將現(xiàn)行AVC 策略下實(shí)際運(yùn)行情況(見圖5)和采用去失配策略的無功電壓調(diào)控效果(見圖6)進(jìn)行了對比，其中VH0、VL0、VH1、VL1中的0 表示實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，1 表示去失配狀態(tài).AVC 策略的閾值見表1.去失配策略(即21 區(qū)圖)是在十七區(qū)圖策略的基礎(chǔ)上新增表2 所示策略［14］.表中，VHmax和VHmin分別表示變電站電壓無功綜合控制或自動(dòng)電壓控制的電壓合格區(qū)間的上下限值.

圖5 實(shí)際各運(yùn)行曲線Fig.5 Actual operating curves

圖6 去失配后各運(yùn)行曲線Fig.6 Operating curves after anti-mismatch

表1 策略定值Table 1 Setting of strategies

表2 新增策略Table 2 New strategies

#1 主變原投入電容器一組.在現(xiàn)行AVC 策略控制下，雖然一天96 點(diǎn)內(nèi)變低側(cè)電壓VL和關(guān)口無功QH處于合格區(qū)間，但從19 點(diǎn)開始，關(guān)口無功QH為負(fù)，功率因數(shù)接近1.0，且變高側(cè)電壓VH偏高，高于234.0 kV，甚至反復(fù)高于允許值235.4 kV，即圖5中的1.07 p.u.，系統(tǒng)顯示失配風(fēng)險(xiǎn)δΣ較高，多次達(dá)到1.0.說明此時(shí)上層電網(wǎng)對下層電網(wǎng)無功電壓調(diào)控援助的需求強(qiáng)烈，而該主變當(dāng)天卻一直維持著一組電容器的投入狀態(tài)，不能利用站內(nèi)可用的無功調(diào)控設(shè)備來支援上層電網(wǎng)，發(fā)生了文中所述的無功電壓調(diào)控失配現(xiàn)象.此時(shí)若將電容器退出，將對全系統(tǒng)有利:既保證了上層電網(wǎng)的無功就地平衡的局面，又能降低過電壓帶來的站內(nèi)設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn).

由圖6 可知:根據(jù)失配風(fēng)險(xiǎn)采用去失配策略后，可于第19 點(diǎn)將一組電容器退出.退出后，變高側(cè)電壓VH仍偏高，但失配風(fēng)險(xiǎn)δΣ明顯降低，低于0.5.隨后依據(jù)去失配策略將在第49 和54 點(diǎn)相繼投入兩組電抗器，關(guān)口下送無功增多，有效地支援了上層電網(wǎng)無功電壓調(diào)控，失配風(fēng)險(xiǎn)δΣ雖然高于0.5，但比圖5的低.第54 至73 點(diǎn)已無電抗器可投，當(dāng)主變壓器高壓側(cè)電壓超過234 kV 時(shí)，由于此時(shí)站內(nèi)無功電壓調(diào)控資源不足，不屬于文中所討論的失配范疇，站內(nèi)可用無功資源失配度 QC為零，因此失配風(fēng)險(xiǎn)為零.待到第74 點(diǎn)時(shí)，隨著一組電抗器的退出，站內(nèi)可用無功資源失配度 QC恢復(fù)為1.0，變高側(cè)電壓VH已回到中上水平，但此時(shí)變低側(cè)電壓VL越下限，依據(jù)去失配策略將退出一組電抗器.第90 點(diǎn)時(shí)，由于關(guān)口無功QH越上限，將再退出一組電抗器.

由圖6 可見，采用去失配策略后全天的變低側(cè)電壓VL和關(guān)口無功QH均滿足原有AVC 判據(jù)，而且避免了變高側(cè)電壓VH高于允許值235.4 kV 的越限情況，系統(tǒng)電壓質(zhì)量和設(shè)備安全性得到了改善，失配風(fēng)險(xiǎn)明顯降低.雖然當(dāng)天無功調(diào)節(jié)設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)有所增多，但是每臺設(shè)備也就最多投退了各一次，調(diào)節(jié)代價(jià)小［14-15］，是完全允許的.

通過系統(tǒng)組合分析發(fā)現(xiàn)，采用去失配策略后，相比圖5，圖6 中的運(yùn)行失配風(fēng)險(xiǎn)δΣ明顯降低，電網(wǎng)無功功率無序流動(dòng)和電壓區(qū)域性失衡的現(xiàn)象得到有效控制.但值得注意的是，由于單個(gè)站的去失配調(diào)控對上層電網(wǎng)無功電壓水平的影響力有限，致使在49 至74 點(diǎn)，上層電網(wǎng)無功盈余電壓偏高時(shí)，本站的去失配調(diào)控沒能避免運(yùn)行失配度δΣ高于0.5 的運(yùn)行點(diǎn).因此，為改善上層電網(wǎng)無功電壓水平，需考慮在區(qū)域多個(gè)變電站中采用本系統(tǒng)進(jìn)行分析和去失配，才能在區(qū)域中實(shí)現(xiàn)下層電網(wǎng)對上層電網(wǎng)的有效支援，最終改善區(qū)域無功電壓水平.

4 結(jié)語

失配風(fēng)險(xiǎn)評估模型實(shí)現(xiàn)了省地兩級電網(wǎng)無功電壓調(diào)控失配風(fēng)險(xiǎn)的定量評估.在失配風(fēng)險(xiǎn)超過閾值時(shí)，啟動(dòng)去失配策略，有利于優(yōu)化全網(wǎng)無功潮流，改善系統(tǒng)各級電壓水平.所開發(fā)的無功電壓調(diào)控組合分析系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn):①友好簡單，界面簡潔，操作方便靈活，圖表輸出簡單易懂，系統(tǒng)便于維護(hù).②實(shí)用有效，可使電網(wǎng)無功功率無序流動(dòng)和電壓區(qū)域性失衡的現(xiàn)象得到有效控制.

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