針對目前地區(qū)電網(wǎng)電壓無功控制的現(xiàn)狀，提出了基于多區(qū)圖控制策略的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制方案，該方案借助地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)或集控站自動化系統(tǒng)采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)和遙控遙調(diào)手段，以各個變電站內(nèi)的有載調(diào)壓分接頭、無功補(bǔ)償設(shè)備和地方小電廠的發(fā)電機(jī)勵磁電流作為控制對象，采用多區(qū)圖控制策略，實現(xiàn)全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化的自動控制，可以有效地提高全網(wǎng)各個節(jié)點的電壓合格率、降低網(wǎng)損。本文還討論了實現(xiàn)上的若干技術(shù)問題，包括控制參數(shù)整定、無功調(diào)節(jié)量的大小、地方小電廠如何參與調(diào)節(jié)、長輸電線中的網(wǎng)損影響等，結(jié)合實例分析了多區(qū)圖控制的控制效果。
0 引言
我國地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)過幾年的城農(nóng)網(wǎng)改造后，供電可靠性大大提高，有些地方的供電可靠性已經(jīng)達(dá)到99.9%，基本上可以滿足目前大多數(shù)用戶供電可靠性的要求。在此前提條件下，當(dāng)前地區(qū)電網(wǎng)電壓質(zhì)量(特別是電壓合格率)問題就顯得特別突出，并且越來越受到各級供電部門的重視。影響地區(qū)電網(wǎng)電壓合格率的因素主要有兩個方面：一方面是無功電源配置不合理，這可以在地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上配以適量的建設(shè)資金逐步解決;另一方面是沒有能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)的電壓無功優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。當(dāng)前在地區(qū)電網(wǎng)中很多變電站都裝設(shè)有電壓無功綜合自動控制裝置(VQC)，只采集變電站內(nèi)部信息，控制目標(biāo)為變電站低壓母線電壓和變電站消耗的無功功率，不能實現(xiàn)全網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。有些地區(qū)電網(wǎng)EMS中裝設(shè)有電壓無功優(yōu)化計算軟件，從理論上說計算結(jié)果可以用于實現(xiàn)全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制，但由于存在一些難以解決的技術(shù)問題而使應(yīng)用受到限制，這些問題包括收斂性問題、當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)不全或出現(xiàn)局部壞數(shù)據(jù)后計算失敗、遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的異步性等帶來的較大誤差直接影響控制的效果等。因此，迫切需要提出新的控制原理和控制方法解決地區(qū)電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制問題，提高地區(qū)電網(wǎng)的電壓合格率。
國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了眾多研究。例如文獻(xiàn)[1]提出了一種全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化集中自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不是進(jìn)行單純的電網(wǎng)潮流計算，而是建立符合全網(wǎng)網(wǎng)損盡可能小、電壓合格的優(yōu)化及控制判斷規(guī)則，這些規(guī)則對控制效果的改進(jìn)明顯。文獻(xiàn)[2]提出了一種適用于110kV及以上電網(wǎng)的自動電壓控制方法，該方法基于經(jīng)濟(jì)壓差優(yōu)化電壓無功潮流程序，對解決EMS中裝設(shè)的電壓無功優(yōu)化計算軟件的收斂性問題有一定幫助。
本文提出了一種基于多區(qū)圖控制策略的地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制的控制理論和控制方法。利用從EMS或集控站SCADA系統(tǒng)中采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)及地區(qū)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，不須進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化計算，通過構(gòu)建的電網(wǎng)多區(qū)圖控制規(guī)則，對各個變電站進(jìn)行相應(yīng)的控制，能較好地解決地區(qū)電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制問題。
1 控制原理
1.1 電壓無功控制的基本思路
為了理解地區(qū)電網(wǎng)電壓無功多區(qū)圖的控制思想，特定義一些基本概念如下：
終端子網(wǎng)：在地區(qū)電網(wǎng)中，電氣上連通的某一電壓等級的設(shè)備及其配供電的設(shè)備所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)成為終端子網(wǎng)。
伴隨終端子網(wǎng)：終端子網(wǎng)加上向終端子網(wǎng)供電的變壓器所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
終端子網(wǎng)電壓：終端子網(wǎng)中最高電壓等級的電壓。
終端子網(wǎng)無功：向終端子網(wǎng)供電的變壓器上流通的無功功率。
終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束：在終端子網(wǎng)中調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償設(shè)備時，應(yīng)該保證終端子網(wǎng)無功在給定的范圍內(nèi)變化，該限制條件稱為終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束。
地區(qū)電網(wǎng)電壓無功控制的總原則是在保證電壓合格的前提條件下，使電網(wǎng)網(wǎng)損達(dá)到最小。為了使電網(wǎng)網(wǎng)損
達(dá)到最小，應(yīng)盡可能減小電網(wǎng)中傳輸?shù)臒o功功率，并適當(dāng)?shù)靥岣唠娋W(wǎng)運(yùn)行電壓。因此若各級終端子網(wǎng)內(nèi)部的無功功率能盡可能平衡，就可以達(dá)到網(wǎng)損最小的目標(biāo)。但是，要求每一級終端子網(wǎng)的無功功率都能就地平衡是不可能的，也是沒有必要的，這樣必須裝設(shè)很多無功補(bǔ)償設(shè)備，經(jīng)濟(jì)上也不合理。
實際上，對城區(qū)電網(wǎng)而言，終端子網(wǎng)覆蓋的地域范圍很小，線路損耗一般可以忽略不計，網(wǎng)損主要來自降壓變壓器，只要降低流過變壓器的無功功率至最小值即可達(dá)到網(wǎng)損最小的目標(biāo)。這樣，就要求同一電壓等級電網(wǎng)中的無功功率能夠平衡，而同一電壓等級電網(wǎng)中各個變電站的無功功率可以相互傳輸，不會造成太大的網(wǎng)損，電壓也比較容易滿足要求。
對農(nóng)村電網(wǎng)而言，各級終端子網(wǎng)覆蓋的地域范圍差別較大，輸電線路的線徑選擇也不盡相同，很多情況下必須考慮輸電線路損耗的影響。因此，不僅要考慮降低流過變壓器的無功功率至最小值，而且當(dāng)局部無功負(fù)荷較大時，同一電壓等級電網(wǎng)中各個變電站的無功功率的相互支援應(yīng)該按照電氣距離最小的原則實現(xiàn)，即在潮流允許的條件下，距無功負(fù)荷電氣距離小的無功補(bǔ)償設(shè)備優(yōu)先投切或調(diào)整。這樣才能保證整個網(wǎng)損最小。這一原則當(dāng)然也可以用于城區(qū)電網(wǎng)，只是效果不太明顯，除非系統(tǒng)中存在限流電抗器等大電抗設(shè)備。
改變各個變電站的有載調(diào)壓變壓器分接頭，可以改變該變壓器中低壓側(cè)終端子網(wǎng)的電壓，進(jìn)而改變電網(wǎng)的無功功率。一般降低有載調(diào)壓變壓器分接頭可以提高變壓器中低壓側(cè)終端子網(wǎng)的電壓，使無功負(fù)荷增大;調(diào)高有載調(diào)壓變壓器分接頭可以降低變壓器中低壓側(cè)終端子網(wǎng)的電壓，使無功負(fù)荷減少。但有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)整次數(shù)不能太頻繁，應(yīng)該有限制地調(diào)整。當(dāng)終端子網(wǎng)無功不足時，終端子網(wǎng)中各點的電壓普遍偏低，不允許局部采用降低有載調(diào)壓變壓器分接頭的辦法抬高電壓，這樣會引起整個電網(wǎng)的無功缺額更大，必須先補(bǔ)償無功，此時，可以先投入運(yùn)行電壓較低和無功有缺額的變電站的電容器組，或切除運(yùn)行電壓較低和無功有缺額的變電站的電抗器，再增大發(fā)電廠的無功出力。當(dāng)終端子網(wǎng)無功過剩時，終端子網(wǎng)中各點的電壓普遍偏高，一般應(yīng)降低無功出力，此時，可以先切除運(yùn)行電壓較高和無功有剩余的變電站的電容器組，或投入運(yùn)行電壓較高和無功有剩余的變電站的電抗器，再降低發(fā)電廠的無功出力。
如果要投切某一級終端子網(wǎng)內(nèi)的無功補(bǔ)償設(shè)備，必須先檢查其伴隨終端子網(wǎng)無功是否會越限。只有當(dāng)伴隨終端子網(wǎng)無功不發(fā)生越限時才能進(jìn)行操作。
1.2 多區(qū)圖控制策略
從電網(wǎng)運(yùn)行的角度講，電網(wǎng)各個節(jié)點電壓和無功都應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，即電壓和無功都有上下限要求。若計UH、UL、QH、QL為電壓上限、電壓下限、無功上限、無功下限，用橫坐標(biāo)表示終端子網(wǎng)的無功，縱坐標(biāo)表示終端子網(wǎng)的電壓，則得到圖1所示的多區(qū)圖。
每個區(qū)域的控制策略如下：
區(qū)域1——電壓越上限，無功合格。調(diào)節(jié)分接頭降壓，但受三繞組變壓器的低壓側(cè)電壓限制閉鎖。
區(qū)域2——先調(diào)節(jié)分接頭降壓，若無功仍越下限，則在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下投入電容器。
區(qū)域3——在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下投入電容器。
區(qū)域4——先在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下投入電容器，若電壓仍越下限，調(diào)節(jié)分接頭升壓。
區(qū)域5——調(diào)節(jié)分接頭升壓，但受三繞組變壓器的低壓側(cè)電壓限制閉鎖。
區(qū)域6——先調(diào)節(jié)分接頭升壓，若無功仍越上限，則在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下切除電容器。
區(qū)域7——在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下切除電容器。
區(qū)域8——先在終端子網(wǎng)無功調(diào)節(jié)約束下切除電容器，若電壓仍越上限，則調(diào)節(jié)分接頭降壓。
