特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制策略迭代求解方法研究

郜建良，譚貝斯，賈琳，呂亞洲，劉福鎖,石渠

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，南京211100； 2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司華北分部，北京100053)

0 引 言

我國(guó)自然資源分布不均，各區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不等，一次能源與負(fù)荷呈現(xiàn)逆向分布，為了更大范圍的進(jìn)行能源供需平衡，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域能源合理利用[1-5]。特高壓交流輸電具有經(jīng)濟(jì)性好、容量大、輸送距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，是我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇。但隨著特高壓交流電網(wǎng)建設(shè)過(guò)渡期內(nèi)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定特性日益復(fù)雜，無(wú)功電壓的控制難度[6-11]日趨復(fù)雜。

針對(duì)特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制問(wèn)題，眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，并提出了很多方法。文獻(xiàn)[12]在假設(shè)特高壓線路兩側(cè)變電站電壓不變的條件下，提出了基于經(jīng)濟(jì)壓差的特高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行方法，其結(jié)論在長(zhǎng)距離大容量的特高壓輸電線路中是否適用，仍值得進(jìn)一步研究；文獻(xiàn)[13]針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輸電通道的無(wú)功電壓控制問(wèn)題，提出了基于穿越無(wú)功最小為目標(biāo)的特高壓無(wú)功電壓優(yōu)化控制方法，難以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)狀特高壓交流電網(wǎng)；文獻(xiàn)[14]提出了基于恒電壓控制的特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制方法，但該方法沒(méi)有考慮輸電線的有功損耗。文獻(xiàn)[15]基于AVC已有經(jīng)驗(yàn)，提出了考慮特高壓運(yùn)行方式變化的敏捷電壓優(yōu)化控制方法，但未提出具體的電壓約束制定原則；文獻(xiàn)[16]基于全網(wǎng)有功損耗和靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，提出了采用協(xié)同進(jìn)化算法的特高壓無(wú)功電壓優(yōu)化控制方法，但該方法存在數(shù)據(jù)處理量大等難題。

文中針對(duì)特高壓交流電網(wǎng)無(wú)功電壓?jiǎn)栴}，結(jié)合特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制需求，構(gòu)建了特高壓變電站電壓安全、無(wú)功交換、電網(wǎng)損耗等三方面評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用改進(jìn)層次分析法[17-18](Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)，計(jì)算得到綜合指標(biāo)識(shí)別優(yōu)先調(diào)整控制的特高壓變電站，并通過(guò)迭代計(jì)算，得到綜合考慮多因素的全局優(yōu)化控制策略。

1 特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制要求和評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制要求

(1)特高壓設(shè)備受工藝所限，對(duì)電壓上限的要求非常嚴(yán)格，在無(wú)功電壓控制中應(yīng)盡可能的避免過(guò)電壓發(fā)生；

(2)在實(shí)際特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制中，考慮到特高壓變電站內(nèi)低容低抗的動(dòng)作次數(shù)、動(dòng)作時(shí)間間隔均有一定的限制，應(yīng)盡可能減少低容低抗的動(dòng)作次數(shù)[19]；

(3)在實(shí)際特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制過(guò)程中，應(yīng)遵循無(wú)功電壓的分層分區(qū)、就地平衡原則，應(yīng)盡可能的減少特高壓主變1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)的無(wú)功交換，提高特高壓主變的利用效率[20]；

(4)特高壓變電站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備單組容量較大，一組無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切在某些情況下可能引起較大的電壓波動(dòng)，甚至發(fā)生電壓越限，因此在無(wú)功電壓控制中應(yīng)考慮一定的安全裕度；

(5)通過(guò)無(wú)功電壓控制，應(yīng)保證特高壓變電壓在合理范圍內(nèi)、特高壓電網(wǎng)與超高壓電網(wǎng)無(wú)功交換較小，同時(shí)輸電線路有功損耗較低。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及其建模

根據(jù)特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制要求，對(duì)于特高壓電網(wǎng)無(wú)功控制評(píng)價(jià)的三個(gè)指標(biāo)包括變電站電壓安全性指標(biāo)、無(wú)功交換指標(biāo)、電網(wǎng)損耗指標(biāo)。

(1)變電站電壓安全指標(biāo)。

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，各特高壓變電站電壓運(yùn)行限值存在差異。如相同的電壓越限幅度下，不同的變電站越限程度不相同，難以用調(diào)整前后電壓有名值評(píng)價(jià)控制策略的優(yōu)劣。

為了便于統(tǒng)一計(jì)算和反應(yīng)電壓安全程度，文中制定變電站電壓安全量化指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同特高壓變電站電壓越限程度的統(tǒng)一量化。

定義第i個(gè)電壓安全指標(biāo)函數(shù)的正常邊界(電壓上下限值)為(Umii，Umai)，嚴(yán)重越限限值為Umaxi和Umini，即電壓Ui落在區(qū)間(Umii，Umai)時(shí)表示電壓正常(N)，而大于Umai或小于Umii表示電壓越限(FL1),電壓安全指示梯形圖如圖1所示。

(i=1、2...n)

(1)

圖1 電壓安全指標(biāo)梯形圖

(2)無(wú)功交換指標(biāo)。

在特高壓電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制過(guò)程中遵循分層分區(qū)、就地平衡原則，且盡可能的減少特高壓電網(wǎng)與超高壓電網(wǎng)的無(wú)功交換，提高特高壓主變的利用效率。通過(guò)運(yùn)用無(wú)功交換指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前各特高壓變電站1 000 kV側(cè)與500 kV側(cè)的無(wú)功交換情況的統(tǒng)一量化，計(jì)算方程如下:

FL2i=

(2)

Qmax=Max{Qi}(i=1、2...n)

(3)

式中QL為特高壓變電站低壓電抗器容量；QC為特高壓變電站低壓電容器容量；Qi為第i個(gè)特高壓變電站1 000 kV側(cè)與500 kV側(cè)當(dāng)前無(wú)功交換量；Qmax為各變電站1 000 kV側(cè)與5 00 kV側(cè)中當(dāng)前最大無(wú)功交換量。

(3)電網(wǎng)損耗指標(biāo)。

考慮到在電網(wǎng)潮流一定時(shí)，電網(wǎng)變電站母線電壓越高，電網(wǎng)傳輸電流越低，電網(wǎng)的有功損耗越小，因此在各運(yùn)行方式下，在保證電壓不越限的前提下，適度的提高變電站運(yùn)行電壓可在一定程度上降低特高壓電網(wǎng)的有功損耗。

由于各變電站電壓限值的差異性，通過(guò)應(yīng)用電網(wǎng)損耗指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電壓水平的量化，指標(biāo)越大，電壓水平越低，電網(wǎng)有功損耗越大，因此應(yīng)保證電壓不越限的前提下，適度的提高變電站運(yùn)行電壓水平，具體計(jì)算如式(4)所示。

FL3i=

(4)

式中Ui為第i個(gè)變電站當(dāng)前電壓，Umii為第i個(gè)變電站電壓下限，Umai為第i個(gè)變電站電壓上限。

2 基于AHP的特高壓變電站無(wú)功電壓控制需求分析

本次采用文獻(xiàn)[20]提出的改進(jìn)層次分析法，運(yùn)用最優(yōu)傳遞矩陣，構(gòu)建經(jīng)過(guò)修正的判斷矩陣，避免對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的問(wèn)題，提高了獲得權(quán)重矩陣的速度，減少了工作量。特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制的層次結(jié)構(gòu)包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層三個(gè)層次,其中目標(biāo)層為特高壓無(wú)功電壓控制策略；準(zhǔn)則層以特高壓變電站電壓安全、無(wú)功交換、特高壓電網(wǎng)有功損耗3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合衡量;方案層為不同特高壓變電站無(wú)功電壓控制措施。特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制層次分析法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制層次分析法結(jié)構(gòu)

具體計(jì)算步驟如下;

(1)構(gòu)建判斷矩陣。

針對(duì)各變電站電壓安全指標(biāo)、無(wú)功交換指標(biāo)、電網(wǎng)損耗指標(biāo)，通過(guò)各變電站兩兩比較，運(yùn)用九標(biāo)法構(gòu)建電壓越限判斷矩陣A1、無(wú)功交換矩陣A2、電網(wǎng)損耗矩陣A3；

(2)構(gòu)建最優(yōu)傳遞矩陣。

根據(jù)步驟1中構(gòu)建的判斷矩陣計(jì)算對(duì)應(yīng)的最優(yōu)傳遞矩陣。

B=(bij)

(5)

bij=10C

(6)

(7)

式中bij為最優(yōu)傳遞矩陣B第i行第j列元素;aik為判斷矩陣A中第i行第k列元素;ajk為判斷矩陣A中第j行第k列元素;n為判斷矩陣A的階數(shù)。

(3)求解最優(yōu)傳遞函數(shù)B各行元素之積：

(8)

(4)求解各行Mi的n次方根，將其作為特征向量w′的第i個(gè)分量：

(9)

(10)

(6)比較不同特高壓變電站的綜合評(píng)估指標(biāo),值越大,該變電站的調(diào)壓需求度越高。

3 特高壓無(wú)功電壓優(yōu)化控制方法

3.1 特高壓變電站無(wú)功電壓運(yùn)行要求

(1)所有特高壓廠站電壓均在電壓上/下限范圍內(nèi)；

(2)所有特高壓廠站1 000 kV側(cè)與500 kV側(cè)無(wú)功交換量盡可能在一組低壓電容器/低壓電抗器容量范圍內(nèi)。

3.2 特高壓變電站電壓調(diào)節(jié)約束條件

特高壓變電站無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備單組容量較大，投退一組無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備將引起電壓的較大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)疬^(guò)電壓，因此在電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)考慮一定的安全裕度，具體約束條件如下:

(1)當(dāng)變電站的電壓大于電壓上限閾值U上限閾值時(shí)，該站不得投低容或退低抗，電壓上限閾值的表達(dá)式如下：

U上限閾值=U上限-1-Max(ΔUL,ΔUC)

(11)

式中ΔUL為投退一組低抗該特高壓站母線線電壓變化量；ΔUC為投退一組低容該特高壓站母線線電壓變化量，同時(shí)考慮1 kV的安全裕度；

(2)當(dāng)變電站的電壓小于電壓下限閾值U下限閾值，該站不得投低抗或退低容，電壓下限閾值表達(dá)式如下：

U下限閾值=U下限+1+Max(ΔUL,ΔUC)

(12)

式中ΔUL為投退一組低抗該特高壓站母線線電壓變化量；ΔUC為投退一組低容該特高壓站母線線電壓變化量，同時(shí)考慮1 kV的安全裕度；

3.3 超高壓電網(wǎng)對(duì)特高壓電網(wǎng)電壓輔助調(diào)節(jié)策略

在部分極端方式下，單純的依靠特高壓變電站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償裝置不足以對(duì)特高壓電網(wǎng)電壓進(jìn)行控制，此時(shí)需要500 kV超高壓電網(wǎng)進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。其控制策略為：優(yōu)先投退電氣距離近的500 kV站低容/低抗或調(diào)節(jié)電廠無(wú)功，再投退稍遠(yuǎn)的500 kV站低容/低抗或調(diào)節(jié)電廠無(wú)功，如此實(shí)現(xiàn)對(duì)特高壓變電站電壓的輔助調(diào)節(jié)。

3.4 特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓策略優(yōu)化流程

特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制流程如圖3所示，通過(guò)獲取特高壓交流電網(wǎng)關(guān)鍵電氣量信息，判斷當(dāng)前電網(wǎng)是否滿足特高壓電網(wǎng)電壓運(yùn)行要求。

圖3 程序算法流程

(1)如果不滿足，運(yùn)用層側(cè)分析法對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)各特高壓變電站進(jìn)行無(wú)功電壓需求度分析，明確優(yōu)先調(diào)整控制站點(diǎn)。

(2)考慮特高壓電網(wǎng)電氣距離較近，一個(gè)站點(diǎn)電壓的調(diào)整對(duì)鄰近站點(diǎn)母線電壓的影響難以準(zhǔn)確評(píng)估，因此在無(wú)功電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中，避免多個(gè)變電站同時(shí)調(diào)節(jié)，造成電壓越限。因此在進(jìn)行無(wú)功電壓調(diào)節(jié)中，每次只調(diào)節(jié)一座變電站且每次只進(jìn)行一項(xiàng)調(diào)壓操作，避免發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象。

(3)每次調(diào)節(jié)結(jié)束后均需對(duì)當(dāng)前各特高壓變電站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，如滿足要求則結(jié)束，如不滿足要求則繼續(xù)進(jìn)行上述步驟，直到各變電站運(yùn)行無(wú)功電壓均滿足要求。

通過(guò)采用層次分析法考慮電壓安全、無(wú)功交換和電網(wǎng)損耗的約束條件進(jìn)行無(wú)功電壓控制，在保證特高壓變電站電壓運(yùn)行在上下限值范圍內(nèi)的前提下，最大程度減少特高壓變電站1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)的無(wú)功交換量，提高特高壓主變利用效率，同時(shí)保證各特高壓變電站運(yùn)行在較高的電壓水平，降低特高壓電網(wǎng)有功損耗。

4 算例驗(yàn)證

采用華北電網(wǎng)2019年夏季大方式典型數(shù)據(jù)，對(duì)文中所述算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。2019年華北電網(wǎng)擁有特高壓變電站13座，特高壓輸電線路13回雙回線，2019年華北電網(wǎng)夏季大方式華北電網(wǎng)特高壓變電站初始無(wú)功電壓及主變損耗情況如表1所示。

表1 華北電網(wǎng)特高壓變電站初始無(wú)功電壓及主變損耗情況

初始方式下file:///C:/Users/Administrator/Desktop/DCYQ202211/DCYQ202211.ebook/images/6dddd38922d102ccfb412750c1a77aa50.jpg華北電網(wǎng)特高壓變電站無(wú)電壓越限，但有9座特高壓變電站1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)無(wú)功交換量超過(guò)一組低容/低抗容量，無(wú)功交換絕對(duì)值總量3 626 Mvar。表2為華北電網(wǎng)特高壓電網(wǎng)初始潮流和線路有功損耗情況，由表1和表2可見(jiàn)特高壓電網(wǎng)有功損耗107.737 MW。

表2 華北電網(wǎng)特高壓電網(wǎng)初始潮流和有功損耗情況

根據(jù)華北電網(wǎng)初始方式條件，根據(jù)文中構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)華北電網(wǎng)13座特高壓變電站建立電壓越限矩陣A1、無(wú)功交換矩陣A2、線路損耗矩陣A3以及特高壓電網(wǎng)電壓控制策略判斷矩陣B。其中由于初始方式下未發(fā)生電壓越限，矩陣A1中各元素均為1。在構(gòu)建策略判斷矩陣B時(shí)，考慮到電站電壓越限將影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行；變電站1 000 kV與500 kV側(cè)無(wú)功交換對(duì)變電站效率影響較大；變電站電壓上/下限值的范圍一定，當(dāng)線路潮流一定時(shí)，電壓變化對(duì)線路有功損耗影響有限。因此，電壓越限最重要、無(wú)功交換次之、線路損耗最小，同時(shí)結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷矩陣構(gòu)建。

A2=

A3=

經(jīng)對(duì)各判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算，得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，并計(jì)算綜合權(quán)重。得到當(dāng)前最需要進(jìn)行無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的變電站為保定站，退出保定站一組低壓電容器后，保定站電壓為1 043 kV，1 000 kV與500 kV無(wú)功交換量為1 158 Mvar。運(yùn)用層次分析法對(duì)各特高壓站重新分析，尋找當(dāng)前最需要進(jìn)行無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的變電站，迭代計(jì)算，直到將特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制滿足要求為止。

如表3所示，運(yùn)用層次分析法對(duì)華北全網(wǎng)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)結(jié)束后，特高壓變電站無(wú)功電壓控制結(jié)果如表4所示?？梢?jiàn)，除廊坊站1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)無(wú)功交換量超過(guò)一組低容容量外(由于廊坊站電壓低于下限閾值，如退出一組低容或投入一組電抗，廊坊站電壓將低于下限)，其余特高壓變電站1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)無(wú)功交換量均未超過(guò)一組低容，華北電網(wǎng)全網(wǎng)特高壓變電站1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)無(wú)功交換絕對(duì)值總量1 282 Mvar，無(wú)功交換量減少約64%。特高壓變電站大部分電壓均有一定提升，特高壓電網(wǎng)有功損耗102.924 MW，電網(wǎng)有功損耗較無(wú)功電壓調(diào)節(jié)前降低2.71%。表5為華北電網(wǎng)特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)后潮流和有功損耗。

表3 華北電網(wǎng)特高壓變電站無(wú)功層次分析指標(biāo)

表4 華北電網(wǎng)特高壓變電站無(wú)功電壓調(diào)節(jié)后情況

以保定-北岳線為例，運(yùn)用改進(jìn)經(jīng)濟(jì)壓差法進(jìn)行無(wú)功電壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后線路無(wú)功電壓情況如表6所示，與該方法控制結(jié)果相比，文中所提方法控制后電壓略高于該方法所控制結(jié)果、無(wú)功交換量絕對(duì)值也更小、線路損耗也更低。且考慮到在實(shí)際運(yùn)行中，隨著負(fù)荷的波動(dòng)，存在多個(gè)變電站均需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況，如運(yùn)用改進(jìn)經(jīng)濟(jì)壓差法存在超調(diào)的可能，文中所述方法由于每次只針對(duì)當(dāng)前調(diào)節(jié)需求最大的變電站進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此不存在超調(diào)的可能，適應(yīng)性更強(qiáng)。

表5 華北電網(wǎng)特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓調(diào)節(jié)后潮流和有功損耗

表6 基于改進(jìn)經(jīng)濟(jì)壓差控制的保定-北岳無(wú)功電壓情況

綜上所述，采用文中的優(yōu)化方法后，特高壓變電站1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)無(wú)功交換大幅減少，主變等設(shè)備利用效率得到提升，特高壓線路有功損耗略有減少，在一定程度上提高了特高壓電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的基于改進(jìn)層次分析法的特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化控制方法，利用層次分析法的對(duì)不同量綱的多目標(biāo)優(yōu)化決策，能夠給出當(dāng)前最需要進(jìn)行無(wú)功電壓調(diào)節(jié)的變電站，保證了特高壓電網(wǎng)無(wú)功電壓控制的合理性?；谌A北電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證，表明了所提出方法有效性。

文中所述無(wú)功電壓控制方法綜合考慮了電壓安全、無(wú)功交換、電網(wǎng)損耗等指標(biāo)，考慮信息更全面，指導(dǎo)意義更強(qiáng)，更能滿足實(shí)際運(yùn)行需求，且所用算法計(jì)算量較小，更容易軟件實(shí)現(xiàn)，具有推廣意義。