电网电压无功优化控制系统的优化和设计

叶坚荆

[摘要]随着电力市场机制的引人,客户对电能质量的要求日益提高,采取有效手段降低网损、改善系统电压水平,已成为直接关系电力企业自身经济效益的课题。随着电力系统规模的不断扩大,电力系统的复杂程度也不断提高,使得电压无功优化控制问题更加突出。原来仅在变电站侧装设电压无功自动控制装置(VQC)进行无功补偿,现已远远不能满足需要。地区电网无功优化控制系统可从整个电网角度出发,实现地区电网综合电压无功闭环控制,达到全局电网最优地改善各节点电压水平和减少网损的目的。

[关键词]电网电压；无功优化控制系统；设计全局电网电压/无功优化的综合控制系统依据两层闭环控制的原理,采用先进的多层控制设计原理和分散协调的优化算法,实现电网分层、分区的电压无功在线双层闭环控制,在确保电网安全的前提下,满足电网经济运行、提高电压质量的同时,建立一套实用的电压安全预警体系,并给出紧急状态下的控制措施。

一、系统的设计思想

1，确保全局电网优化。控制系统采用分散协调的优化算法,充分考虑工程实际中最优解、次优解以及约束条件松弛等问题。系统在无功优化计算时,所有的220kv和110kv变电站都参与优化计算。对参与优化计算的变电站可设定不同的优化控制方式,用户可根据需要设定变电站是否参与优化控制,不参与优化控制的变电站设备(有载调压变压器、电容、电抗)不可调节；用户也可设定具体的设备是否参与优化控制,即该设备是否可调节。控制系统根据用户设定的变电站和设备的控制方式,进行全局电网的无功优化计算,得出满足母线电压约束的网损最小的控制策略。变电站、设备是否参与优化控制,可根据工程的实施范围和变电站VQC的配置情况决定。在初期,可先选定范围较小的试点区域实施优化控制,而后逐步扩展至全局电网。

2，满足逆调压方式。不同调压方式(逆调压、顺调压、常调压)的要求可通过母线(节点)的电压约束体现。控制系统可按时段为母线设置不同的电压限值约束,以满足用户对调压方式的要求。例如,按逆调压的要求,在电压合格范围内,在高峰负荷时电压偏上限运行,在低谷负荷时电压偏下限运行,则设置母线电压限值约束时,对高峰负荷时段、低谷负荷时段的电压限值进行适当收缩,以满足逆调压的要求。

3，引入闭锁控制,保证电网安全。控制系统应在保证电网安全的基础上提高运行效益。因而控制系统必须对电网故障、异常情况有充分的应对措施。当异常情况发生时,控制系统实施闭锁。异常情况的发生可对应于遥信变位(如保护动作)、遥测越限,控制系统在运行过程中检测到用户定义的需要闭锁的异常事件发生时,立即执行闭锁。闭锁的目标可以是设备闭锁(该设备不可调节)、变电站闭锁(该变电站的所有设备不可调节)、系统闭锁(控制系统不再进行优化控制)。

4，减少设备动作。当采取全局电网优化控制时,控制系统进行全局的优化协调控制,避免了各变电站孤立、局部的调节控制,可更有效地控制设备的操作和变电站间的协调配合,保证设备动作的效果,减少全局电网总的设备动作数量。另外,控制系统还提供其他手段以提高动作效率,避免无谓的操作。

为母线设置不同的电压限值约束,以满足用户对调压方式的要求。

例如,按逆调压的要求,在电压合格范围内,在高峰负荷时电压偏上限运行,在低谷负荷时电压偏下限运行,则设置母线电压限值约束时,对高峰负荷时段、低谷负荷时段的电压限值进行适当收缩,以满足逆调压的要求。

二、系统性能特点

该系统从设计思想、优化方式以及控制方式的选择上,均与国内的同类电压无功系统有较大的差别,其优异的性能主要体现在下述几方面。

1，在设计思想上,该系统依据两层闭环控制原理,采用了区域间电压无功协调调整的方式,实现了在正常情况下主站按优化目标统一协调各子站VQC的控制;在异常情况下,各子站VQC可依据分散控制原理独立完成当地电压无功控制,这种方式更符合电压无功分层、分布的特点。传统的电压无功调节方式仅是依靠子站或主站的装置进行调整,未将两者统一起来进行协调调整。

2，在控制方式的选择上,该系统采用了先进的多层控制设计原理,结合地区电网的实际情况,设计为两层实时闭环反馈控制结构,符合电网结构和调度运行特点,适合各种大小电网的运行特点,运行更加可靠、安全,能更充分地保证提高电网的电能质量。而国内的一些系统仅仅是依靠主站的一层闭环控制,无法做到子站本身的自动闭环控制,这就降低了系统的安全可靠性。此外,该系统可自动对子站的执行情况进行分析,在执行故障情况下自动进行调整,真正形成了有反馈输入的闭环控制系统。

3，在优化算法上,该系统将传统的最优潮流理论融入实际的全局电网电压无功调节上,突破了优化计算难于寻找工程解的难题,采用分散协调的优化算法,充分考虑了工程实际中最优解、次优解以及约束条件松弛等问题,适合地区电网优化求解。这种方式比依靠专家规则进行电压无功调节的同类系统能更显著地提高电压和功率因数的合格率,大幅降低网损,提高电能质量。

4,在该系统子站VQC上采用了模糊控制算法,考虑了电压波动、功率因数摇摆、谐波和事故闭锁等因素,实现了系统主站进行电压无功调整的同时,充分对电网的谐波信息进行分析处理,建立了一套电能质量分析和调整的自动闭环分析调节系统。

三、系统运行分析

根据优化算法实施对系统电压无功的调节,电压无功优化控制的基本控制过程：主站系统启动电压无功优化计算(周期/事件触发/手工启动),确定各变电站的电压、功率因数的区域无功定值,下发至变电站的VQC——VQC按接收的区域无功定值,监视控制当地变电站的电压、功率因数在给定的定值范围内——主站系统计算新的区域无功定值发送至VQC,以适应电网状态的变化,保证网损最小——在VQC启动后,首先按当地定值运行,直至接收到区域无功定值——主站系统可以撤销VQC当前的区域无功定值,此后VQC按当地定值运行直至接收到区域无功定值——当VQC按区域无功定值运行时,若有影响电网拓扑结构的遥信变位发生,主站系统首先撤销VQC的区域无功定值,然后重新计算定值发送至VQC——VQC监视主站系统下行通道的通信是否正常,通信中断时,改为当地定值控制。

主站系统投运以来,实时采集了各变电站主变压器各侧的有功、无功、电压、电流等参数,同时采集了电容器投退、变压器档位及相关闭锁条件等运行状态。在调度中心可监视各主要监控点的电压及无功分布情况,实现了各种记录的存储、统计、查询及各种图形、报表的生成及打印。通过系统分析,每半小时对系统的数据进行无功优化计算,给出优化策略及最佳调控方案。

系统投运后产生的效果：采用地区电网电压无功综合分析系统后,贺村片供电区域调控效果明显,提高了电压质量,取得了良好的社会效益；提高了地区受电功率因数,增加了输电设备的出力；降低了网损,取得了良好的经济效益；系统控制模式安全可靠；减少了有载调压开关的操作次数。

结语地区电网电压无功优化控制系统的设计方案合理、技术新颖、运行可靠。为了更好地利用已有的系统资源,将VQC系统与调度自动化系统进行资源整合,并能在全局电网广泛应用该系统。在一期应用的基础上,对整体系统功能进行了扩展和完善,利用现场的VQC,对变电站内的母线电压、各支路及出线的P、Q、I谐波数据进行监测,通过通信网将数据上传到主站系统进行分析,并以波形、频谱趋势图及报表的形式输出各种数据。该系统扩大了使用范围,已经在变电站推广应用,收到了改善电能质量、降低网损、提高企业经济效益的明显效果。

参考文献[1]滕福生.电力系统的调度自动化和能量管理系统【M】，成都科技大学出版社，1994.[2]厉吉文等.变电所电压和无功自动调节判据的研究【J】，中国电力,2000,(7).