赵美莲，赖业宁，董爱芹

（1.南京工程学院，江苏南京211167；2.国网电力科学研究院，江苏南京210003；3.安阳优创电力设计院有限责任公司，河南安阳455000）

电力系统的快速发展使得电网规模不断扩大，电网结构和运行方式也变得日益复杂，这对电网的安全分析和运行监控都带来巨大的技术挑战。作为提高电压质量、降低系统网损和提高电压稳定水平的重要手段，近年来自动电压控制（AVC）技术备受电业业界所重视。明确要求新一代电网调度自动化系统（EMS）建设中应包含AVC系统建设内容，各网省主站系统应具备AVC系统调节功能，并加大研究省地AVC系统协调控制技术。无功电压控制是一项复杂的系统工程，其基本原理是分层分区控制[1-3]。以往一般采用局部、分散、人工的控制方式，缺乏全局协调，这势必影响了控制的时效性和准确性，难以获得良好的控制效果。随着调度自动化系统的技术发展以及电能质量要求的不断提高，无功电压分析与在线控制技术得到了快速发展和工程实用化，各网省级调度中心和地区级调度中心纷纷建设并投入了AVC系统[4-8]。

1 省地AVC协调控制总体方案

1.1 基本原理

从物理本质上看，省调AVC系统和地调AVC系统之间的协调控制可等效为电源侧和负荷侧之间的无功电压协调控制，如图1所示。省调主站AVC系统是全网无功电压协调控制的核心，主要通过基于全网的电压校正与无功优化算法，且综合考虑各种控制变量约束，计算出合理的无功电压控制策略。省调主站AVC系统直接控制管辖范围内的直调电厂机组无功出力、投切500 kV变电站低压无功补偿设备及主变分接头调整等，使各个区域内枢纽母线电压在规定范围或按最优运行。与此同时，省调主站AVC系统向地调子站AVC系统发送相应的关口母线（一般选择220 kV变电站高压母线）电压控制目标值，实现省调主站与地调子站之间的协调控制。地调AVC系统控制策略则是以220 kV及以上主网安全稳定运行为前提，基于省调下发的目标值进行子站控制策略的分析和计算。

图1 省地AVC协调控制原理示意图

1.2 总体方案

全网无功电压优化协调控制系统一般采用 “集中决策—分层控制”模式，以安全性和经济性为约束，实现分层分区控制。分层主要是指按电压等级进行无功平衡控制，可分为3个级控制层。一级控制通常是快速反应的闭环控制，响应时间为1 s至几s内，如发电机组（包括调相机）的无功功率控制、静止无功补偿器的控制，以及快速自动投切电容器和电抗器等；二级控制系统协调一个区域内一级控制设备的工作，响应时间为分钟级；三级控制则协调、优化二级控制系统，指导值班人员的干预，除安全监视及控制外，经济问题主要在三级控制中考虑，以按安全和经济运行原则协调优化运行状态；三级电压控制的目标是实现全网电压无功的协调控制，可根据离线分析经验或专家系统设定各控制区的主导节点电压。从三级电压控制体系看，相互间的协调是取得全局优化效果的关键。省地协调电压控制技术方案如图2所示。

在图2的控制框架中，省级AVC系统进行全网无功优化，实时计算出地区电网中协调变量的最优设定值，然后通过调度数据通信网下发。在地区电网的协调控制决策中，除了满足本级电网的控制目标外，还需要实时跟踪由省级电网给出的协调变量的最优设定值。

图2 省地协调电压控制的框架图

1.3 协调控制流程及其安全性机制

基于省地无功电压控制的安全性需求，设计的协调控制流程如下：

（1）全网无功优化。以全网有功网损最小化为目标进行全网无功优化，计算出控制母线的目标期望值。在满足220 kV母线电压合格的前提下，省调AVC尽量控制220 kV变电所主变关口无功负荷满足220 kV线路无功达到经济分布。

（2）控制目标下发。省调AVC系统向地调AVC系统下达每个220 kV变电所无功目标期望值指令。

（3）控制指令校核与执行。地调AVC系统接收到省调下发的控制目标指令后，首先进行指令的有效性校核，校核通过后立即执行，若校核通不过，则闭锁远方控制并发报警。

（4）地调AVC系统具备远方/本地2种运行模式，其开环/闭环状态应及时上传省调AVC系统。远方模式下按省调指令运行，本地模式下按本地考核指标运行。在规定时间内接收不到省调AVC系统下发数据，则闭锁远方控制并发报警，切换到本地模式运行；收到省调AVC系统下发数据后，应自动恢复正常，切换到远方模式。

（5）为了细化上下级之间的控制策略与调度管理，地调AVC系统应将必要的信息通过SCADA上传省调，其中包括各台电容器的投切状态、受控状态、闭锁状态及实际的可控无功容量；各台有载变压器分头位置、受控状态及闭锁状态；各厂站闭环控制状态。

2 协调控制策略

2.1 协调变量的选择

根据目前我国省地电网调度职能划分，可考虑选择220 kV主变高压侧无功功率（功率因数）作为协调变量。将该协调变量作为可调变量，并加以严格的约束条件，在约束条件中综合考虑无功分层平衡原则和地调电网的调节能力。然后将该控制变量及其约束条件加入省级三级电压控制的无功优化模型中进行统一求解，以保证省地AVC之间协调策略的匹配。

2.2 省调侧的策略考虑

根据无功就地平衡的原则，在正常情况下不希望出现省调与地调之间出现大的无功流动，尤其在220 kV电网电压正常的情况下，不希望地调侧向省调侧倒送无功，这主要是因为地调侧统计的可投总容量是中压侧辐射电网的总加，其传输必然要经过一定的路径，由这部分容量来支持省调的无功需求是不经济的。而在省调模型中也无需考虑地区电网的内部细节，因此，有必要在地调侧设定一个分层平衡点，这可以通过对220 kV主变中压侧无功功率（从主网流入主变为正）施加一个限制来实现：为接近0的正数。但在紧急情况下，若220 kV电网电压越限，且发电厂失去调节能力的情况下，此时只能利用地调侧作为无功支撑，此时不再考虑就地无功平衡，取消约束，即令为一个比较大的负数，以地调侧的全部实际控制能力为准。

实时优化计算地调220 kV变电站高压侧无功的控制目标，在正常情况下尽量维持220 kV主变无功就地平衡；在220 kV电网电压越限，且发电厂失去调节能力情况下，牺牲地调电网的无功平衡参与主网调压；对地调AVC下发220 kV变电站关口无功目标指令。

2.3 地调侧的策略考虑

为加强上下级的协调性，地调AVC系统上传对220 kV电压的期望值，该期望值表明从地调侧调压的角度出发所期望的省网侧220 kV电压值，作为省网AVC系统进行全局优化时的参考。

地调AVC系统将每个220 kV变电站可投切电容器容量、变压器分接头位置及其所辖110 kV电网可投切电容器容量上传至省调AVC；在不违反自身约束的条件下，地调AVC控制220 kV以下变电站的电容器和变压器分接头，满足省调AVC下发的220 kV变电站关口无功目标指令。

地调AVC系统上传无功量应分为2个部分：关口厂站正常无功可调范围和紧急无功可调范围。地调AVC系统对从220 kV变电站向下辐射的电网进行实时的扫描，生成这2个无功可调范围，并上传给省调AVC系统。

3 省地协调的通信方案设计

省地协调的通信模式可根据当地调度中心的通道情况、数据质量而采用不同的方式，但其主要设计基点都是实时性和安全性要求。

（1）使用现有的上、下行通道，或者采用数据网，二者互为备用。通信规约在现有规约基础上修改，报文格式如图3所示。

图3 AVC通信报文格式

报文中通道标志00表示正常，01表示中断。使用现有省地调数据采集与监控（SCADA）/EMS数据转发功能实现控制指令传递，实现容易，即在地调SCADA数据库中建立遥信、遥测转发表，接收省调下行指令，并上传控制状态。控制精度一般取为区域电网中电容器容量平均值（一般为5～10 MVar）。

（2）基于E语言协议。在这种模式下，省地协调的信息基本流向如图4所示。

图4 地协调的信息基本流向示意图

省调AVC系统和地调AVC系统制定相应的数据交换内容，并通过设置标志文件等机制进行读写闭锁。采用E语言文件方式时，必须通过安全性和正确性校验，保证文件在传输过程中的可靠性。基本方法是在导出端生成校验码，接收端根据校验码对文件进行校验。例如采用MD5算法进行文件安全性校核，MD5是国际通用的标准算法，算法稳定可靠，是文件校验最成熟的算法之一。安全性校验的具体过程如下：①导出端生成E语言文件。②导出端利用MD5校验程序对该E语言文件生成一个校验文件。③导出端同时将两个文件传送到接收端。④接收端利用校验文件对E语言文件进行校验，正确时进入下一步处理，否则报警。

4 工程应用

以我国某省级电网电压协调控制的工程应用为例，分析该省调与地调AVC系统的协调控制效果。省调AVC系统经过全网优化计算 （一般采用周期计算模式，每15 min自动计算一次），得出各关口母线的电压控制目标值，然后以电压上下限值的带宽形式下发控制指令。地调AVC系统接受到省调指令后，调节其管辖区域内的无功电压调节设备，动态跟踪该目标值。某关口母线电压在一天内动态跟踪目标值的运行情况如图5所示。从图5可以看出，关口母线电压能够较好地跟踪省调下发的电压目标值（能严格运行在其规定的限值范围内），且其电压变化趋势与省调期望值变化趋势相一致，表明省调AVC系统和地调AVC系统之间的优化协调控制效果良好。

图5 关口母线电压跟踪曲线

5 结束语

本文结合无功区域性分布特点和当前调度一体化要求，基于电压三级控制体系架构，提出了省地AVC系统协调控制的总体技术方案。省级AVC系统进行全网无功优化，实时计算出地区电网中协调变量的最优设定值，然后通过调度数据通信网下发。地区电网根据自身的无功电压调节能力，实时跟踪由省级电网给出的目标期望值。文中所提出的技术方案和控制策略在实际工程应用中表明，较好地解决了当前省地AVC系统之间的协调控制问题。

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