基于交流特高壓電網(wǎng)電壓波動的自動電壓控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

張?jiān)?李玉齊， 張碩， 時國瑜， 支曉晨

(1. 淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠， 安徽 淮南 232000；2. 上海明華電力科技有限公司， 上海 200090)

0 引言

交流特高壓電力傳輸具有線路損耗低、 傳輸距離遠(yuǎn)、 傳輸容量大、 有效利用輸電走廊的特點(diǎn)[1－2]， 但特高壓電網(wǎng)的功率損耗和線路上的電壓損耗， 使電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動難以控制。

“皖電東送” 有兩座電廠從500 kV 電網(wǎng)割接至特高壓電網(wǎng)運(yùn)行， 電廠機(jī)組通過500 kV 升壓變壓器接入特高壓站， 并接入1 000 kV 特高壓電網(wǎng)。 當(dāng)特高壓線路輸送潮流達(dá)到5 000 MW 時， 近區(qū)1 000 kV電壓分鐘級波動程度達(dá)到10 kV。 電廠機(jī)組自動電壓控制(automatic voltage control， AVC)系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行后， 基本能夠響應(yīng)華東調(diào)度主站的控制指令， 但難以對1 000 kV 特高壓電網(wǎng)電壓進(jìn)行直接控制， 有待尋求對特高壓電網(wǎng)進(jìn)行無功電壓控制的有效途徑[3－4]。 華東特高壓1 000 kV 電網(wǎng)與500 kV 電網(wǎng)的電磁環(huán)網(wǎng)解開之后， 經(jīng)常面臨被華東電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)考核AVC 合格率的問題。 針對此問題， 有必要對電廠接入特高壓電網(wǎng)存在的電壓波動問題進(jìn)行優(yōu)化， 在解決電廠被調(diào)度機(jī)構(gòu)考核AVC 合格率的同時抑制華東交流特高壓電網(wǎng)的電壓波動。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 AVC 控制原理

AVC 系統(tǒng)具有多種電壓控制模式[5－6]， 盡管模式各異， 不同控制模式最終都是按照一級電壓控制結(jié)構(gòu)的設(shè)備來執(zhí)行策略。 在AVC 控制模式下， 根據(jù)約束條件執(zhí)行控制策略并計算一級電壓控制器無功電壓目標(biāo)值， 協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制各級調(diào)節(jié)無功電壓的控制設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)無功電壓控制合理分配無功與電壓穩(wěn)定。

1.2 特高壓電網(wǎng)電壓波動原理

電力網(wǎng)絡(luò)傳輸線路上的電壓損耗受傳輸電力潮流波動的影響， 交流特高壓電網(wǎng)也具有相同特征，傳輸線路兩端電壓也隨之波動。 特高壓傳輸線路的電壓損耗[7－8]可描述為:

式中，R表示線路電阻；X表示線路電抗；U表示線路端電壓；P、Q分別表示特高壓電網(wǎng)線路傳輸?shù)挠泄β省?無功功率。

設(shè)傳輸線路運(yùn)行時的功率因數(shù)角為φ， 則用φ表達(dá)式代替Q， 式(1) 轉(zhuǎn)換如下:

式中，R、X、U在特高壓電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)時確定為定值， 令f(φ) ＝ (R＋Xtanφ) /U， 將f(φ) 代入式(2)， 再對等式對兩邊求導(dǎo)， 得:

式(3) 描述了傳輸線路電壓損耗變化量ΔU與線路運(yùn)行傳輸時功率因數(shù)角φ、 有功潮流P變化量的關(guān)系。 可知， 相同有功潮流P變化引起的電壓損耗變化量ΔU， 隨線路運(yùn)行傳輸有功P的增大而減小， 隨線路運(yùn)行傳輸時功率因數(shù)角φ的減小而減小。

2 華東特高壓電網(wǎng)無功控制體系

2.1 特高壓交流電網(wǎng)三級電壓控制

特高壓AVC 系統(tǒng)， 是華東區(qū)域電網(wǎng)AVC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動電壓控制的重要組成部分。 AVC 控制模式的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[9]。

圖1 三級電壓控制體系結(jié)構(gòu)

適應(yīng)交流特高壓受端電網(wǎng)的統(tǒng)一無功控制體系，采用基于自適應(yīng)軟分區(qū)的三級電壓控制的控制模式[10－11]。 三級電壓控制根據(jù)當(dāng)前全網(wǎng)系統(tǒng)無功分布實(shí)現(xiàn)全局無功電壓優(yōu)化計算的控制， 最終給出三級電壓控制層級變電站無功電壓控制中樞母線電壓目標(biāo)值， 給二級電壓控制提供參考。 二級電壓控制屬于區(qū)域級控制， 以分鐘為時間單位， 利用本區(qū)域內(nèi)的遙信量與遙測量， 調(diào)控中樞母線電壓趨近目標(biāo)值，將波動盡可能控制在允許范圍內(nèi)。 一級電壓控制以毫秒級的時間單位控制現(xiàn)場設(shè)備， 電廠AVC 子站上位機(jī)根據(jù)下發(fā)的目標(biāo)值， 計算電廠內(nèi)各臺發(fā)電機(jī)的無功目標(biāo)， 通過增減磁指令下發(fā)給AVC 子站下位機(jī)以控制自動電壓調(diào)節(jié)器對機(jī)組進(jìn)行增減磁， 調(diào)節(jié)電廠主變壓器高壓側(cè)母線電壓趨近目標(biāo)值。

2.2 特高壓電壓波動指標(biāo)

2.2.1 電壓波動計算依據(jù)

我國1 000 kV 特高壓電網(wǎng)電壓波動頻繁， 波動幅值大。 根據(jù)交流特高壓電網(wǎng)工程實(shí)踐， 電壓波動超過允許閾值會使AVC 系統(tǒng)子站無法有效實(shí)時響應(yīng)AVC 系統(tǒng)主站的遙調(diào)指令。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326－2008 ?電能質(zhì)量電壓波動和閃變?[12]的要求， 電壓波動的計算公式可描述為:

即:

式中，d(t) 為t時刻電壓變動；U(t) 為t時刻電壓有效值；Uvalid為系統(tǒng)電壓有效值；U(t＋1)為t＋1時刻電壓有效值； ΔU(t) 為t＋1 與t時刻的電壓有效值之差。

非周期單次電壓波動可通過電力負(fù)荷、 系統(tǒng)參數(shù)等估算； 當(dāng)電壓波動呈周期性且頻次低時， 可通過測量電壓有效值U(t) 來評估電壓波動情況。

2.2.2 電壓波動評價方法

根據(jù)文獻(xiàn)[12]， 定義電壓波動以額定電壓為基準(zhǔn)電壓， 僅提供電壓波動的計算方法， 并未涉及電壓波動幅值大時的無功電壓控制目標(biāo)計算。

本文采用將時間閾內(nèi)的電壓波動取均值， 作為基準(zhǔn)評價電壓波動情況。 采用一定時間閾T(如10 s) 內(nèi)電壓波動平均值UAVE定義基準(zhǔn)電壓， 用某時刻t的電壓U(t) 與UAVE的差值ΔUAVE表征t時間間隔內(nèi)的電壓波動， 電壓波動評價計算公式定義為:

式中， ΔUAVE(t) 表示T時間閾內(nèi)的電壓波動；U(t)表示t時刻的電壓值；UAVE表示T時間閾內(nèi)的電壓平均值。

3 優(yōu)化模型與仿真平臺搭建

3.1 特高壓AVC 控制優(yōu)化模型

目前華東特高壓電網(wǎng)AVC 控制旨在通過對特高壓近區(qū)電網(wǎng)500 kV 電廠和500 kV 變電站進(jìn)行協(xié)調(diào)自動電壓控制， 使特高壓1 000 kV 變電站母線電壓合格、 電壓平穩(wěn)、 主變壓器無功交換合理。

根據(jù)三級電壓控制體系結(jié)構(gòu)， 華東特高壓電壓AVC 控制主要包括: 三級電壓控制是AVC 系統(tǒng)控制的最高層級， 在控制范圍內(nèi)進(jìn)行全局無功優(yōu)化計算。 無功電壓控制以經(jīng)濟(jì)性、 安全性為約束條件，計算中樞母線電壓目標(biāo)值， 給出特高壓電網(wǎng)各變電站主變壓器高壓側(cè)母線電壓優(yōu)化目標(biāo)值， 下發(fā)至下一級電壓控制。

基于最優(yōu)潮流的無功電壓優(yōu)化算法具有經(jīng)濟(jì)性好、 安全性高的特點(diǎn)， 是AVC 系統(tǒng)在三級電壓控制領(lǐng)域的最佳方案。 三級電壓控制模式下的無功優(yōu)化最優(yōu)潮流計算具有電網(wǎng)損耗最小的特點(diǎn)， 目前應(yīng)用成熟的交叉逼近算法是最優(yōu)潮流算法的主流計算方法， 其主要優(yōu)點(diǎn)是計算效率高， 一般在幾個分解潮流計算周期內(nèi)便可收斂。 根據(jù)文獻(xiàn)[13－14]，最優(yōu)潮流無功優(yōu)化模型可作如下描述:

式中，f是目標(biāo)函數(shù)， minf代表損耗最低。

1) 有功功率P、 無功功率Q滿足如下約束:

式中，i＝1， 2， …，N， 且N為節(jié)點(diǎn)數(shù)；Pi、Qi分別表示節(jié)點(diǎn)i處注入的有功功率、 無功功率；Gij、Yij分別表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的等效電導(dǎo)、 等效電納；θi j表示節(jié)點(diǎn)i電壓與節(jié)點(diǎn)j電壓的相位差；Vi、Vj分別為節(jié)點(diǎn)i、 節(jié)點(diǎn)j的電壓；PGi、PDi分別為節(jié)點(diǎn)i的直連機(jī)組有功出力、 節(jié)點(diǎn)i有功負(fù)荷；QGi、QDi分別為節(jié)點(diǎn)i的直連機(jī)組無功出力、 節(jié)點(diǎn)i無功負(fù)荷；QCi為無功設(shè)備補(bǔ)償容量。

2) 無功電源出力上下限約束，P、Q節(jié)點(diǎn)電壓上下限滿足如下約束:

式中，QG，j，min、QG，j，max是無功電源出力下限、 上限，j屬于無功源出力節(jié)點(diǎn)；Vi，min、Vi，max是母線節(jié)點(diǎn)電壓幅值的下限、 上限，i屬于P、Q節(jié)點(diǎn)。

該模型的控制策略在于求解滿足無功電壓控制約束條件下全局最優(yōu)解， 是電網(wǎng)損耗最小的最優(yōu)運(yùn)行方式， 此時無功流動也是最為合理的。

實(shí)現(xiàn)最優(yōu)潮流計算采用主流的交叉逼近算法[15－17]， 電力系統(tǒng)中無功分量、 有功分量之間具有弱耦合的特征。 交叉逼近算法根據(jù)部分對偶與凸對偶理論， 借助前述特征對有功、 無功進(jìn)行解耦，以實(shí)現(xiàn)交叉逼近的最優(yōu)潮流算法， 計算流程如圖2所示。

圖2 交叉逼近法算流程

其中， 當(dāng)KPQ＝0 時執(zhí)行有功P子問題迭代循環(huán)， 否則執(zhí)行無功Q子問題迭代循環(huán)。JUDP＝1 表示有功收斂，JUDQ＝1 表示無功收斂。 當(dāng)有功P、無功Q兩個子問題均收斂時， 滿足JUDP＋JUDQ＝2，此時最優(yōu)潮流計算完成， 否則返回迭代(判斷KPQ是否為0)。

3.2 仿真模擬平臺搭建

通過虛擬調(diào)度環(huán)境的AVC 系統(tǒng)仿真平臺對特高壓AVC 控制全局無功優(yōu)化算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證[18]。仿真電力系統(tǒng)獲取各級電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的實(shí)際調(diào)度模型， 通過模型拆分與拼接得到全網(wǎng)模型， 并根據(jù)數(shù)據(jù)斷面生成潮流數(shù)據(jù)、 全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。 模擬控制中心從仿真電力系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)對電網(wǎng)進(jìn)行控制， 并將控制結(jié)果返回仿真電力系統(tǒng)。 模擬仿真平臺電力系統(tǒng)與模擬控制中心的信息交互結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 仿真平臺電力系統(tǒng)與模擬控制中心信息交互結(jié)構(gòu)

虛擬調(diào)度模擬仿真平臺基于離線環(huán)境， 可模擬AVC 系統(tǒng)計算、 控制、 調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)， 主要分兩大模塊: 模擬控制中心、 仿真電力系統(tǒng)。 該仿真平臺實(shí)物如圖4 所示。

圖4 虛擬調(diào)度模擬仿真平臺實(shí)物圖

模擬控制中心主要包含AVC 子站模擬單元、AVC 主站模擬單元。 AVC 子站模擬單元執(zhí)行主站下發(fā)的指令并將調(diào)節(jié)結(jié)果反饋給仿真電力系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制； AVC 主站模擬單元采用三級電壓控制模式， 模擬調(diào)度機(jī)構(gòu)AVC 主站執(zhí)行無功電壓控制策略與計算， 并將指令下發(fā)給變電站、 電廠側(cè)的AVC 系統(tǒng)。

1) AVC 主站模擬單元。 仿真電力系統(tǒng)從電網(wǎng)調(diào)控中心獲取電網(wǎng)原始模型， 自動匹配相應(yīng)的AVC 主站模型。 AVC 主站模擬單元以月、 周、 日為時間單位人工操作或自動存儲控制模型， 存儲內(nèi)容包括: AVC 三級電壓控制的全局無功優(yōu)化參數(shù)；AVC 二級電壓控制的電廠控制模型、 軟分區(qū)模型、變電站控制模型、 下級協(xié)調(diào)控制模型、 變電站網(wǎng)省協(xié)同控制模型、 母線電壓計劃曲線模型等。 在啟動AVC 主站模擬單元時， AVC 主站根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)模型時間自動搜索接近該時刻的AVC 控制模型， 并將數(shù)據(jù)裝載至AVC 數(shù)據(jù)庫。 AVC 主站模擬單元在獲取電網(wǎng)數(shù)據(jù)后， 根據(jù)目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化計算并將調(diào)節(jié)指令下發(fā)給AVC 子站模擬單元。

2) AVC 子站模擬單元。 仿真電力系統(tǒng)自動搜索定位當(dāng)前電網(wǎng)的AVC 子站模型。 AVC 子站模擬單元經(jīng)內(nèi)部通信， 從仿真電力系統(tǒng)獲得實(shí)時數(shù)據(jù)、 電廠與變電站模型， 便可模擬現(xiàn)場AVC 系統(tǒng)子站接收調(diào)度機(jī)構(gòu)AVC 主站下發(fā)的遙調(diào)目標(biāo)， 并將調(diào)節(jié)后電網(wǎng)的無功電壓傳送至仿真電力系統(tǒng)， 及時更新數(shù)據(jù)。

3) 仿真平臺的控制策略求解方法。 以最優(yōu)潮流為代表的解析類方法求解三級電壓控制問題時計算速度快， 適用于數(shù)據(jù)實(shí)時更新的在線環(huán)境， 滿足計算收斂性、 計算效率和實(shí)時數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求。 虛擬調(diào)度環(huán)境中的AVC 主站模擬單元采用基于交叉逼近的解析類算法來求解仿真平臺中的無功電壓優(yōu)化問題。

4 華東特高壓電廠AVC 控制優(yōu)化應(yīng)用

4.1 無功電壓控制中樞母線的選擇

在電網(wǎng)電壓控制體系中， 中樞母線電壓控制是重要的一環(huán)[19－20]， 接入華東特高壓電廠AVC 控制優(yōu)化應(yīng)用的電廠主變壓器高壓側(cè)母線如圖5 所示。

與特高壓傳輸線路直連的發(fā)電機(jī)組在特高壓電力傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前期較少， 調(diào)度機(jī)構(gòu)以交流特高壓近區(qū)500 kV 母線作為無功電壓控制中樞母線。 華東電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)AVC 系統(tǒng)主要遙控500 kV 電廠，以特高壓變電站所在主變壓器中壓側(cè)500 kV 母線作為無功電壓控制中樞母線。 接入特高壓電廠出口500 kV 母線經(jīng)升壓變壓器接入1 000 kV 交流特高壓變電站， 調(diào)控500 kV 母線電壓目標(biāo)來間接調(diào)控1 000 kV 特高壓母線電壓， 維持母線電壓穩(wěn)定。

4.2 華東接入特高壓電廠AVC 控制優(yōu)化應(yīng)用

4.2.1 AVC 考核與補(bǔ)償費(fèi)用

根據(jù)?華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則? ?華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則? (簡稱華東電網(wǎng)“兩個細(xì)則” )， AVC 考核與補(bǔ)償費(fèi)用計算如下。

1) AVC 投運(yùn)率考核。 電廠AVC 子站與區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)AVC 主站閉環(huán)運(yùn)行， 且“兩個細(xì)則” 規(guī)定AVC 子站月投運(yùn)率達(dá)到98%時合格， 否則電廠受到AVC 投運(yùn)率考核。

式中，F(xiàn)1為投運(yùn)率考核費(fèi)用；W為該機(jī)組當(dāng)月發(fā)電量；λAVC投運(yùn)為機(jī)組AVC 月投運(yùn)率；αAVC為AVC考核系數(shù)；C機(jī)組為機(jī)組批復(fù)上網(wǎng)電價。

2) AVC 合格率考核。 區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)AVC主站向電廠AVC 子站上位機(jī)下發(fā)無功電壓遙調(diào)令，AVC 子站裝置調(diào)整到目標(biāo)指令范圍內(nèi)不超過180 s為合格。

式中，F(xiàn)2為合格率考核費(fèi)用；W為該機(jī)組當(dāng)月發(fā)電量；λAVC調(diào)節(jié)為機(jī)組AVC 調(diào)節(jié)合格率；αAVC為AVC 考核系數(shù)；C機(jī)組為機(jī)組批復(fù)上網(wǎng)電價。

3) AVC 計算補(bǔ)償費(fèi)用方式。

式中，F(xiàn)3為補(bǔ)償費(fèi)用；tAVC為發(fā)電機(jī)組AVC 投運(yùn)時間；Prated為機(jī)組額定容量；YAVC為補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 AVC 系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用策略及技術(shù)手段

1) 整定遙測參數(shù)變位死區(qū)。 通過整定遙測參數(shù)變位死區(qū)， 對電廠AVC 系統(tǒng)相關(guān)遙測參數(shù)進(jìn)行檢測， 對部分遙測參數(shù)變位死區(qū)進(jìn)行重新整定， 將電廠母線Ⅰ母、 Ⅱ母、 機(jī)組有功功率、 機(jī)組無功功率、 機(jī)組端電壓等遙測變位死區(qū)由之前的2%重新整定為5%， 最大程度地避免電壓波動帶來的AVC子站與主站電壓偏差， 減少系統(tǒng)電壓波動對電廠遙測的影響程度。

2) 增加優(yōu)化采集裝置。 在確保電廠電氣安全的前提下采用直流優(yōu)化采集裝置的技術(shù)路線， 與電廠現(xiàn)有的交流采樣互為備用， 可以剔除電壓波動異常值且對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理， 提升電壓穩(wěn)定性。

3) 優(yōu)化電壓指令解析。 優(yōu)化調(diào)度機(jī)構(gòu)AVC 主站下發(fā)的電壓指令， 優(yōu)化前發(fā)的指令為電壓增量值目標(biāo)， 優(yōu)化后采用下發(fā)電壓絕對值目標(biāo)的方式， 電廠接收下發(fā)的目標(biāo)值對母線電壓進(jìn)行調(diào)控， 減少系統(tǒng)電壓波動給電廠母線造成的影響程度， 緩解電壓波動影響計算電壓精度的問題。

4) 雙主機(jī)模式優(yōu)化。 在調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)Ⅰ平面、Ⅱ平面基礎(chǔ)上， 增加電壓指令來源判斷環(huán)節(jié)， 確保正在運(yùn)行的AVC 子站上位機(jī)與主站D5000 系統(tǒng)同步， 且位于同一平面(Ⅰ平面或Ⅱ平面)， 以消除電壓偏差對AVC 調(diào)控的干擾， 以達(dá)到AVC 控制優(yōu)化應(yīng)用的目的。

4.2.3 AVC 合格率排名情況

參與“皖電東送” AVC 考核與補(bǔ)償排名的電廠共10 家， 對比華東試驗(yàn)應(yīng)用電廠(以下簡稱“電廠” ) AVC 優(yōu)化的控制性能， 通過AVC 優(yōu)化前后合格率排名及考核補(bǔ)償情況來體現(xiàn)， AVC 合格率見表1。

由表1 可知， 電廠一期AVC 系統(tǒng)優(yōu)化后月平均合格率增長2.356%， 電廠二期AVC 系統(tǒng)優(yōu)化后月平均合格率增長2.324%。

4.2.4 AVC 系統(tǒng)優(yōu)化前后月平均考核金額與補(bǔ)償費(fèi)用

電廠一期優(yōu)化前后月平均考核金額與補(bǔ)償費(fèi)用如圖6 所示。 電廠一期AVC 系統(tǒng)優(yōu)化后月平均考核金額降低31 485.20 元， 補(bǔ)償費(fèi)用增加13 824.30元。

圖6 電廠一期AVC 系統(tǒng)優(yōu)化前后月平均考核與補(bǔ)償費(fèi)用

電廠二期優(yōu)化前后月平均考核與補(bǔ)償費(fèi)用如圖7 所示。 電廠二期AVC 系統(tǒng)優(yōu)化后月平均考核金額降低34 128.94 元， 補(bǔ)償費(fèi)用增加6 945.50 元。

圖7 電廠二期AVC 系統(tǒng)優(yōu)化前后月平均考核與補(bǔ)償費(fèi)用

電廠一期與二期在AVC 系統(tǒng)優(yōu)化后， 月均總收益為86 383.93 元， 截止至2022 年10 月統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 總收益已達(dá)431 919.67 元。

5 結(jié)語

抑制交流特高壓電網(wǎng)電壓波動影響的AVC 系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用， 有效提升了華東電網(wǎng)接入特高壓電廠AVC 的運(yùn)行合格率， 在增加無功補(bǔ)償收益的同時大幅降低了電廠被調(diào)度機(jī)構(gòu)考核的費(fèi)用。 該策略可在其他接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)AVC 系統(tǒng)的電廠使用， 具有推廣應(yīng)用價值。 在新型電力系統(tǒng)背景下， 各區(qū)域電網(wǎng)新能源并網(wǎng)主體的接入會長期影響特高壓電網(wǎng)電壓波動， 后續(xù)可加強(qiáng)特高壓電廠廠級無功調(diào)節(jié)協(xié)作， 以及新能源并網(wǎng)主體對區(qū)域電網(wǎng)特高壓電壓波動影響的研究。