多级自动电压无功控制系统AVC协调控制方法

摘要

本发明提供了一种多级自动电压无功控制系统AVC协调控制方法，针对特高压和500kV大规模互联电网电压无功控制要求和500kV电网AVC系统现状，提出一种多级AVC系统协调控制方案，即承担联网和大范围输电任务的特高压电网建设一级AVC系统，执行特高压电压等级电网的AVC控制任务，通过合理的分层控制与已有500kV电网AVC系统实现协同控制。应用本发明可以实现特高压层面和500kV电网层面的无功实时分层平衡控制，显著降低网损，提高电网运行经济效益；同时可实现特高压电网AVC系统和省级电网AVC系统的有效衔接，尽量减少对已有省级电网AVC系统的升级改造工作，大大节约电网投资。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种多级自动电压无功控制系统AVC 协调控制方法。

背景技术

在保证电网安全稳定运行的基础上，为提高电网运行经济效益，减少有功网 损和投资，各种无功优化算法和电压无功自动控制装置得到了极大发展，发挥 了很好的作用。目前的研究主要基于最优潮流等全局优化算法或分区的协调优 化算法，理论上均可取得较好的控制效果，但在工程应用上还存在难以适应联 网规模扩大后计算规模的爆炸式增长，复杂网络下难以寻得全局最优解等问题。

目前的AVC系统基本为两级控制、三级控制两种模式，其中三级控制又可以 分为硬分区和软分区两类，我国电网应用较为普遍的是基于软分区的三级控制 模式。

两级电压控制模式的主要特点是：电网的调度控制中心依据电网运行情况， 制定统一的电压无功控制决策，控制指令直接下发到各控制设备，如电厂、变 电站等，各控制设备按照控制指令进行电压无功调节，进而完成整个电网的电 压无功调控。这种模式其实质就是在线最优潮流OPF，结构简单，易于实施，但 也存在收敛性以来状态估计结果、计算时间较长难以满足实时控制要求等问题。

考虑到电压无功控制具有一定的就地性和可解耦性，法国电力公司(EDF) 最早提出三级电压控制模式：整个控制系统由一级电压控制、二级电压控制、 三级电压控制组成，通过电压无功解耦将电网分为若干二级控制区，各控制区 选择1个或多个中枢母线和多台控制发电机，在各二级控制区进行分布式无功 电压优化，大大提高了最优潮流的计算速度。但是仍存在分区困难、子系统合 并为大系统后收敛性困难等问题。

电网处于飞速发展阶段，网架结构变化频繁，EDF的硬分区模式难以适应我 国电网实际情况，基于软分区的三级电压控制模式应运而生，并在江苏电网得 到了实际应用。随即在无功电压分区算法方面展开了大量研究，诸如模糊聚类、 Tabu搜索、免疫-中心点聚类、映射分区、遗传算法等等，从理论上均能取得较 好的控制效果。该模式存在的问题在于面对海量数据时分区算法的有效性和快 速性、以及分区无功优化的结果与整体无功优化结果的能效比对等。

随着特高压电网的逐步建设，特高压变电站逐步深入部分省级电网，并将 实现大区电网的特高压交直流混联，整个电网覆盖面积广，运行方式复杂。基 于电网分区的电压无功自动控制手段将面临各特高压分区间电压无功耦合性较 强难以实现有效分区的问题，同时随着互联电网规模的急剧扩大，AVC系统数据 处理量激增，对OPF程序的收敛性、快速性等方面均提出了更高要求。基于电 网分区的电压无功控制方法将在智能分区技术的支撑下，将特高压电网分为一 定数量的二次电压控制区域，并将这些特高压电网并入该二次电压控制区域内 原有的500kV电网AVC系统统一进行控制，不但面临全部500kV电网已有AVC 系统改造升级问题，同时若形成的新的二级电压控制区包括原有的多个500kV 电网AVC系统，则实现多个同级AVC系统的协同也将是面临的技术和管理难题。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种多级自动电压无功控制系统AVC协调控 制方法，即承担联网和大范围输电任务的特高压电网建设一级AVC系统，执行 特高压电压等级电网的AVC控制任务，通过合理的分层控制与已有500kV电网 AVC系统实现协同控制。

为实现上述目的，本发明提供一种多级自动电压无功控制系统AVC协调控 制方法，多级自动电压无功控制系统AVC协调控制方法，其特征在于，所述方 法包括如下步骤：

(1).设定各特高压变电站变压器分接头档位；

(2).计算得到各特高压母线的最佳电压运行值和相邻特高压母线间的最佳电 压差值；

(3).通过控制各特高压变电站站内无功补偿装置和电网发电机动态无功实现 经济压差算法下的无功实时就地平衡；

(4).特高压AVC系统实时向省调AVC系统传递相关省级电网发电机G_HV的机 端电压、无功功率调用情况和动态无功储备情况；省调AVC进行电网电压无功 控制时，仍按已有策略执行，并对G_HV机组的处理上需进行调整。

本发明提供的优选技术方案中，在所述步骤1中，特高压变压器为无励磁 变压器，特高压变压器的分接头位置不能由AVC系统控制调节，应结合大小方 式电压调整的便利性和解并列时的过电压控制要求来综合考虑。

本发明提供的第二优选技术方案中，在所述步骤2中，根据式1计算各特 高压母线的最佳运行电压值：

$\min \Delta U_j=\frac{\mathrm{PR}+\mathrm{QX}}{U}=\frac{\mathrm{PR}}{U}---\left(1\right)$

其中，AU_j为经济压差算法下相邻母线电压差值，P、Q分别为线路传输有 功、无功功率，R、X分别为线路电阻、电抗，U为线路平均电压。

本发明提供的第三优选技术方案中，在所述步骤3中，根据式2至式5实现 各特高压站的无功就地平衡；

Q_com+Q_Hhalf+Q_Mhalf+Q_Tloss+Q_BQM＝0(2)

$Q_{\mathrm{Hhalf}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BH}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{Hrea}}---\left(3\right)$

$Q_{\mathrm{Mhalf}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BM}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Mloss}}+Q_{\mathrm{Mrea}}---\left(4\right)$

$Q_{\mathrm{BQM}}={\Sigma }_{i=1}^H{C}_i{Q}_{\mathrm{iV}}---\left(5\right)$

其中，Q_com为特高压变压器无功补偿投入量；Q_Hhalf为特高压变压器高压侧 所接线路一半长度的充电功率Q_BH、一半长度线路的无功损耗Q_Hloss以及近端高 抗无功消耗Q_Hrea之和；Q_Mhalf为特高压变压器中压侧所接线路一半长度的充电 功率Q_BM、一半长度线路的无功损耗Q_Mloss以及近端高抗无功消耗Q_Mrea之和； Q_Tloss为特高压变压器无功损耗；Q_BQM为动态无功；C_i为相关发电机的电压无 功灵敏度矩阵参数，Q_iV为相关发电机的动态无功储备。本发明提供的第四优选 技术方案中，为实现式(2)的无功就地平衡，需要调节特高压变压器无功补偿 投入量Q_com，并调节电网发电机组G_HV提供动态无功Q_BQM才能实现无功的实时 就地平衡。

本发明提供的第五优选技术方案中，在所述步骤4中，对G_HV机组的处理上 需进行的调整包括：省调AVC调用的G_HV机组动态无功由原有的Q降低Q-G_HV， 即需要为特高压AVC预留控制手段；和省调AVC实时向特高压AVC提供相关G_HV机组无功调用情况和变压器一侧母线电压变化情况，由特高压AVC计算该侧母 线电压变化对特高压层面无功就地平衡的影响，微调G_HV机组实现特高压层面无 功实时分层平衡。

本发明提供的第六优选技术方案中，电网包括：1000kV电网、500kV电网 和220kV电网。

与现有技术比，本发明提供的一种多级自动电压无功控制系统AVC协调控 制方法，针对特高压和500kV大规模互联电网电压无功控制要求和500kV电网 AVC系统现状，提出一种多级AVC系统协调控制方案，即承担联网和大范围输 电任务的特高压电网建设一级AVC系统，执行特高压电压等级电网的AVC控制 任务，通过合理的分层控制与已有500kV电网AVC系统实现协同控制。应用本 发明可以实现特高压层面和500kV电网层面的无功实时分层平衡控制，显著降 低网损，提高电网运行经济效益；同时可实现特高压电网AVC系统和省级电网 AVC系统的有效衔接，尽量减少对已有省级电网AVC系统的升级改造工作，大 大节约电网投资。

附图说明

图1为实例计算中得到的特高压电网经济压差下电压跌落与线路长度关系 图。

图2为实例计算中作为对比样本的电网初始潮流分布情况图。

图3为实例计算中应用本发明后得到的经济压差潮流分布情况图。

图4为多级自动电压无功控制系统AVC)协调控制方法的流程图。

具体实施方式

一种多级自动电压无功控制系统(AVC)协调控制方法的具体步骤如下：

(1)通过对特高压规划网架的各条线路的解并列过电压计算分析提出初步 的各特高压变电站变压器分接头档位方案；通过对典型大、小负荷方式电压调 整和无功分层平衡控制灵活性计算分析，进一步确定各特高压变电站变压器分 接头档位方案；变压器分接头档位作为边界条件计入AVC控制系统，在AVC系 统控制过程中变压器分接头不能再进行调整；

(2)在电网OPF分析计算中引入式(1)，计算各特高压母线的最佳运行电 压值；

$\min \Delta U_j=\frac{\mathrm{PR}+\mathrm{QX}}{U}=\frac{\mathrm{PR}}{U}$

图1所示为单回特高压线路在不同负载功率下的相邻母线电压最优差值，通 过确定特高压送端母线电压水平即可逐级确定受端母线电压水平；从图1可以 看出，当单回特高压线路输送功率不超过5000MW时，每传输100km线路两端 的经济压差不超过4.3kV，按照基准电压1050kV计算其电压跌落不超过0.4％。

按照从送端至末端的顺序、结合特高压落点各500kV电网目前电压调控范围， 可以设定各特高压母线电压控制范围。以送端锡盟1000kV母线为例，结合大小 方式电压调整的便利性和解并列时的过电压控制要求约束其电压最高不超过 1080kV；以通道中间的石家庄站为例，石家庄站同时承担向河北南网供电和转 供大量功率的任务，考虑潮流方向其母线电压应按照经济压差略低于送端的蒙 西和晋北母线电压，其电压运行范围可控制在[1070，1040]kV；其他母线电压运 行控制范围可沿潮流输送方向按照经济压差对照图1逐次类推。

(3)为实现步骤(2)，必须实现各特高压站的无功就地平衡，即下式：

Q_com+Q_Hhalf+Q_Mhalf+Q_Tloss+Q_BQM＝0

以特高压石家庄站为例。当晋北-石家庄、石家庄-济南线路上的功率分别为 5586、2526MW时，为实现经济压差AVC系统计算得到的需要石家庄站低压侧 和500kV侧提供的无功补偿容量为2311Mvar，其中由低压侧常规电容器提供 1620Mvar，由500kV电网机组提供691Mvar(其中，沧东电厂机组195Mvar， 沧东二电厂机组496Mvar)，从而可以实现上式的无功实时平衡；其他站点的控 制方式类似。

(4)对于目前的省级电网AVC系统来说，进行电压无功优化计算时，仍按 照原有策略进行，仅需要略为调整G_HV机组无功可调范围即可。

图2为特高压两横两纵网架下某初始方式潮流图，图3为采用经济压差后 的潮流图，对比可以看出：(1)采用经济压差后，各特高压站母线电压控制范 围更为明确，同时通过变压器分接头调整很好地适应了目前500kV电网的电压 无功控制实际情况；(2)采用经济压差后，特高压电网与500kV电网之间基本 可实现无功分层平衡，特高压电网层面的有功损耗可从423MW降低至367MW， 降低约13％。

通过以下实施例对多级自动电压无功控制系统AVC协调控制方法作进一步 说明。

针对特高压和500kV大规模互联电网电压无功控制要求和500kV电网AVC 系统现状，提出一种多级AVC系统协调控制方案，即承担联网和大范围输电任 务的特高压电网建设一级AVC系统，执行特高压电压等级电网的AVC控制任务， 通过合理的分层控制与已有500kV电网AVC系统实现协同控制。

本发明提供了一种多级自动电压无功控制系统(AVC)协调控制方法，该方 法包括如下步骤：

(1)由于特高压变压器为无励磁变压器，因此其分接头位置不能由AVC系 统控制调节，应结合大小方式电压调整的便利性和解并列时的过电压控制要求 来综合考虑；

(2)在电网最有潮流计算(OPF)分析计算中引入式(1)，计算各特高压 母线的最佳运行电压值；

$\min \Delta U_j=\frac{\mathrm{PR}+\mathrm{QX}}{U}=\frac{\mathrm{PR}}{U}---\left(1\right)$

(3)为实现式(1)，必须实现各特高压站的无功就地平衡，即式(2)

Q_com+Q_Hhalf+Q_Mhalf+Q_Tloss+Q_BQM＝0(2)

$Q_{\mathrm{Hhalf}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BH}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Hloss}}+Q_{\mathrm{Hrea}}---\left(3\right)$

$Q_{\mathrm{Mhalf}}=\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{BM}}+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{Mloss}}+Q_{\mathrm{Mrea}}---\left(4\right)$

$Q_{\mathrm{BQM}}={\Sigma }_{i=1}^H{C}_i{Q}_{\mathrm{iV}}---\left(5\right)$

其中，Q_Hhalf为特高压变压器高压侧所接线路一半长度的充电功率、一半长 度线路的无功损耗以及近端高抗无功消耗之和；Q_Mhalf为特高压变压器中压侧所 接线路一半长度的充电功率、一半长度线路的无功损耗以及近端高抗无功消耗 之和；Q_Tloss为特高压变压器无功损耗；C_i为相关发电机的电压无功灵敏度矩阵 参数，Q_iv为相关发电机的动态无功储备；为实现式(2)的无功就地平衡，需 要调节特高压变压器无功补偿投入量Q_com，并调节近区数台500kV电网发电机 组G_HV提供动态无功Q_BQM才能实现无功的实时就地平衡；实际策略为：实时计 算特高压电网所需无功补偿容量，当所需无功容量在一组电容器容量范围内时， 优先由500kV电网发电机提供无功补偿，各台发电机按照电压无功灵敏度C_H分 别提供一定容量的动态无功支撑；当所需无功容量超过一组电容器容量范围时， 由电容器承担主要容量，不足部分由500kV电网发电机提供；从而实现 1000/500kV系统间无功的分层平衡。

(4)特高压AVC系统实时向省调AVC系统传递相关省级电网发电机G_HV的 机端电压、无功功率调用情况和动态无功储备情况；省调AVC需要进行500kV 电网电压无功控制时，仍按已有策略执行，但对G_HV机组的处理上需进行调整： ①省调AVC可调用的G_HV机组动态无功由原有的Q降低Q-G_HV，即需要为特高 压AVC预留控制手段；②省调AVC实时向特高压AVC提供相关G_HV机组无功调 用情况和1000kV变压器500kV侧母线电压变化情况，由特高压AVC计算500kV 侧母线电压变化对特高压层面无功就地平衡的影响，进一步微调G_HV机组实现特 高压层面无功实时分层平衡。

所述一种多级自动电压无功控制系统(AVC)协调控制方法，其特征在于， 所述步骤(2)在电网最有潮流计算(OPF)分析计算中引入下式：

$\min \Delta U_j=\frac{\mathrm{PR}+\mathrm{QX}}{U}=\frac{\mathrm{PR}}{U}$

计算各特高压母线的最佳运行电压值和相邻特高压母线间的合理电压差值。

所述一种多级自动电压无功控制系统(AVC)协调控制方法，其特征在于， 所述步骤(3)在各特高压站实现的无功就地实时平衡，如下式：

Q_com+Q_Hhalf+Q_Mhalf+Q_Tloss+Q_BQM＝0

实时计算特高压电网侧无功消耗(包括线路无功损耗、充电功率)、500kV 电网测无功消耗(包括线路无功损耗、充电功率)、特高压变压器无功损耗，实 时计算得到所需无功补偿容量，通过协调控制特高压变电站无功补偿和500kV 电网发电机动态无功实现无功分层分区实时平衡。

所述一种多级自动电压无功控制系统(AVC)协调控制方法，所述步骤(4) 特高压AVC系统仅控制特高压层面电网，500kV电网AVC系统仍执行其原有控 制策略，由特高压AVC系统实时向500kV电网AVC系统传递相关500kV电网被 调用发电机的机端电压、无功功率调用情况和动态无功储备情况。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方 案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发 明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修 改均在申请待批的保护范围内。