李峰 张勇军† 张豪 杨银国 管霖 许亮

(1.华南理工大学 电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 510640;2.广东电网公司，广东 广州 510600)

作为智能电网中智能无功调度的重要环节，自动电压控制(AVC)已逐渐成为电压调控的主要手段.然而，由于上下层电网分别归属省地两级调度调控，上下层电网的无功电压调控的目标、对象、手段、信息等都不一致，而调控结果却相互影响.因此，往往在工程实际中形成了一种非合作的博弈局面，给AVC 运行带来了很大的挑战［1-9］.

特别在极端运行方式下，AVC 常常难以保证充分利用220 kV 变电站无功电压控制设备来兼顾上下层电网无功电压调控的需求.此时虽然变低侧电压和关口无功处在控制策略的合格区间，变电站存在可用无功资源，但AVC 系统却无作为，导致变高侧电压仍出现了偏高或偏低的调控失配现象［1-11］.从而造成电网无功功率无序流动和电压区域性失衡，难以实现电网无功电压的全局趋优控制.具体表现为:

(1)无功无序流动——由于超高压电网容性无功相对过剩而中低压电网容性无功相对缺乏，不可避免地要让部分无功逐层下送，而由于现有AVC 策略的局限性，在运行方式变化时，下层倾向于首先向上层倒送(或索要)无功，以致上层无功盈余(或紧缺);

(2)区域电压失衡——上层无功盈余(或紧缺)，导致区域电压偏高(或偏低)，现行AVC 控制下，下层缺乏启用无功资源的动力，加剧了无功的无序流动，形成恶性循环.

国外AVC 策略侧重于发挥动态无功资源如发电机的调控优势［3-5，12］，是否适用于我国离散调节设备为主的无功电压调控现状存疑.文献［6］提出构建VQC 多目标优化决策模型，以获得分散控制理念下AVC 的最优控制策略.文献［7，13］则选择将协调变量和协调约束考虑进AVC 协调控制的数学模型中，通过求解来获得协调方案.这些研究虽然涉及具体实施办法，但由于缺乏评估指标和方法，因而在去失配效果、调控潜力等方面仍有待研究.

因此，迫切需要对运行管理中引起的省地两级电网无功电压调控失配风险进行定量评估，然后根据风险高低来指导去失配的调控操作.当风险没有超过阈值时，维持现有AVC 策略，当风险超过阈值时，启动去失配策略，以解决由于省调与地调两级电网控制策略配合不当而发生无功电压调控失配进而影响大电网运行安全和经济性的问题，从而优化全网无功潮流，改善系统各级电压水平.

鉴于此，文中提出了一种无功电压调控失配风险评估模型，并通过开发无功电压调控组合分析系统实现了设备台账管理、潮流分析、无功电压调控失配风险分析和去失配策略控制.

1 失配风险评估算法

1.1 上下层电网无功电压调控失配的定义

尽量实现无功功率分层分区就地平衡是省地两级电网的无功电压调控的一个基本原则.然而，随着运行方式的变化，在离散调节设备为主的无功电压调控设备控制下，完全达到连续动态的分层分区就地平衡的难度较大.因此，现实的调控往往采取带宽调控的方式，在节点电压或者功率因数的指标超出某个带宽后才响应进行相应的调控操作.带宽越窄，调控精度越高，但是难度也越大，设备投切越多;带宽越宽则操作越少，设备运行风险越低，但是容易偏离分层分区就地平衡，造成上下层的调控失配，进而影响整个电网的安全性.

可见，无功电压调控策略的关键在于如何兼顾调控操作频度与上下层无功功率就地平衡的需求.峰谷差越大的电网，运行方式变化幅度越大，因而要实现无功功率分层分区就地平衡的调控就越多，矛盾就越突出.对于运行方式变化不大的电网，一个相对固定带宽的调控策略就可以近似实现无功功率分层分区就地平衡，但由于各电网的峰谷差不同，现有的普遍适用型的AVC 参数和策略不可能避免调控的失配，除非补充一套去失配的额外调控策略.

如果AVC 策略的控制效果形成这样一种局面，文中称之为上下层无功电压调控失配:下层按策略带宽要求调整到位，没有越限，但是在下层仍然有调控设备和手段的前提下，因无功交换量超过上层调控的承受能力，造成上层电网无功失衡电压越限(或者接近越限);反之上层的调控也可能造成下层超出调控能力而电压越限的情况.根据现有的研究掌握的情况来看，失配基本上是下层策略不当造成上层越限的，因此文中先重点解决这方面的问题.

1.2 失配风险评估模型

由于220 kV 变电站的失配程度与变高侧电压VH、变低侧电压VL、关口无功QH和站内可用无功资源的容量QC的相关性较强.量化这4 个失配因素后得式(1)-(6):

式中，QC0表示单组补偿容量.

通过模糊算子进行整合得式(4)，即可对运行管理中引起的省地两级电网无功电压调控失配风险δΣ进行定量评估.VH表示变高侧电压失配度、VL表示变低侧电压失配度、QH表示关口无功失配度、QC表示站内可用无功资源失配度.

考虑到VH在［1.020，1.060］区间时，电网网损较小，运行经济性较好，若电压偏离该区间上下限越多，则运行失配风险越高，VH越偏离区间上限对变电站设备的影响较大，使得曲线的［1.050，1.070］区间的递增斜率比［0.987，1.050)区间的递减斜率绝对值大，如此 VH曲线成为了不对称的浴盆曲线，通过数据拟合得到式(1);式(2)- (6)中，Vmax和Vmin分别为主变压器低压侧电压软约束的上下限值，Qmax和Qmin分别为主变关口无功的上下限值;对于站内可用无功资源失配度QC，大方式下，采用式(4)获得，小方式下，则通过式(5)获得;式(6)中∧和·为模糊算子，∧取各指标中的最小值，·代表普通实数乘法.

可见，关口无功和变低侧电压均合格是运行失配的必要条件，在模型中表现为 QH 和 VL 同为1.)说明，AVC 系统控制下站内存在可用无功资源时，变高侧电压失配度 VH是变电站失配程度的关键影响因素.

通过以上建模可知，失配风险的阈值δ0为0.5，当评估所得的运行失配度δΣ大于0.5 时，说明该变电站出现调控失配现象，并且随着失配风险的增大，失配程度越来越大;而当变电站计算所得的δΣ小于0.5 时，该变电站没有出现调控失配，但随着失配风险的增加，越接近0.5，发生调控失配的风险越大.

失配风险评估步骤:①监测变电站各时刻状态变量，即VH、VL、QH和QC;②计算获得失配风险δΣ;③当δΣ超过阈值δ0时，若主变压器高压侧电压VH偏高，则退出待切电容器，或投入待投电抗器;若主变压器高压侧电压VH偏低，则退出待切电抗器，或投入待投电容器.

2 无功电压调控组合分析系统

无功电压调控组合分析系统基于Visual Studio 2003 集成环境开发，采用VB.Net+Access 语言进行编程并完成了系统的各项功能.系统的架构采用分层式结构，分别为数据访问层、业务逻辑层和表示层.其中，数据访问层负责数据库的访问.系统各层之间通过接口进行约束，形成相对独立的功能模块，提高了系统开发的可重用性和可扩展性.组合系统的计算流程为:①调用电力系统分析软件包BPA 对电网进行仿真;②根据仿真结果计算某些区域/变电站的无功电压失配风险;③如存在无功电压失配风险的将进行去失配方案的仿真分析;④形成最终评估报告.系统界面及失配风险评估结果如图1 所示.

图1 失配风险评估结果Fig.1 Risk evaluation result of mismatch

目前，去失配方案主要为AVC 改进21 区图控制策略.系统架构、去失配仿真及评估报告分别如图2-4 所示.

图2 系统架构Fig.2 System framework

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

图4 汇总报告Fig.4 Summary report

3 实例分析

运用本系统对广东某220 kV 变电站进行组合分析.该变电站供电区域内含有一些小水电，又有矿业和冶金业，负荷波动较大.以电网公司提供的该站#1主变2011 年1 月15 日全天96 个运行点(断面)为例.

将现行AVC 策略下实际运行情况(见图5)和采用去失配策略的无功电压调控效果(见图6)进行了对比，其中VH0、VL0、VH1、VL1中的0 表示实际运行状态，1 表示去失配状态.AVC 策略的阈值见表1.去失配策略(即21 区图)是在十七区图策略的基础上新增表2 所示策略［14］.表中，VHmax和VHmin分别表示变电站电压无功综合控制或自动电压控制的电压合格区间的上下限值.

图5 实际各运行曲线Fig.5 Actual operating curves

图6 去失配后各运行曲线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 主变原投入电容器一组.在现行AVC 策略控制下，虽然一天96 点内变低侧电压VL和关口无功QH处于合格区间，但从19 点开始，关口无功QH为负，功率因数接近1.0，且变高侧电压VH偏高，高于234.0 kV，甚至反复高于允许值235.4 kV，即图5中的1.07 p.u.，系统显示失配风险δΣ较高，多次达到1.0.说明此时上层电网对下层电网无功电压调控援助的需求强烈，而该主变当天却一直维持着一组电容器的投入状态，不能利用站内可用的无功调控设备来支援上层电网，发生了文中所述的无功电压调控失配现象.此时若将电容器退出，将对全系统有利:既保证了上层电网的无功就地平衡的局面，又能降低过电压带来的站内设备和电网运行风险.

由图6 可知:根据失配风险采用去失配策略后，可于第19 点将一组电容器退出.退出后，变高侧电压VH仍偏高，但失配风险δΣ明显降低，低于0.5.随后依据去失配策略将在第49 和54 点相继投入两组电抗器，关口下送无功增多，有效地支援了上层电网无功电压调控，失配风险δΣ虽然高于0.5，但比图5的低.第54 至73 点已无电抗器可投，当主变压器高压侧电压超过234 kV 时，由于此时站内无功电压调控资源不足，不属于文中所讨论的失配范畴，站内可用无功资源失配度 QC为零，因此失配风险为零.待到第74 点时，随着一组电抗器的退出，站内可用无功资源失配度 QC恢复为1.0，变高侧电压VH已回到中上水平，但此时变低侧电压VL越下限，依据去失配策略将退出一组电抗器.第90 点时，由于关口无功QH越上限，将再退出一组电抗器.

由图6 可见，采用去失配策略后全天的变低侧电压VL和关口无功QH均满足原有AVC 判据，而且避免了变高侧电压VH高于允许值235.4 kV 的越限情况，系统电压质量和设备安全性得到了改善，失配风险明显降低.虽然当天无功调节设备的动作次数有所增多，但是每台设备也就最多投退了各一次，调节代价小［14-15］，是完全允许的.

通过系统组合分析发现，采用去失配策略后，相比图5，图6 中的运行失配风险δΣ明显降低，电网无功功率无序流动和电压区域性失衡的现象得到有效控制.但值得注意的是，由于单个站的去失配调控对上层电网无功电压水平的影响力有限，致使在49 至74 点，上层电网无功盈余电压偏高时，本站的去失配调控没能避免运行失配度δΣ高于0.5 的运行点.因此，为改善上层电网无功电压水平，需考虑在区域多个变电站中采用本系统进行分析和去失配，才能在区域中实现下层电网对上层电网的有效支援，最终改善区域无功电压水平.

4 结语

失配风险评估模型实现了省地两级电网无功电压调控失配风险的定量评估.在失配风险超过阈值时，启动去失配策略，有利于优化全网无功潮流，改善系统各级电压水平.所开发的无功电压调控组合分析系统，具有以下特点:①友好简单，界面简洁，操作方便灵活，图表输出简单易懂，系统便于维护.②实用有效，可使电网无功功率无序流动和电压区域性失衡的现象得到有效控制.

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