邱陶歆 廣東電網(wǎng)公司 潮州供電局，廣東 潮州 521011
[摘 要]分析了目前廣東電網(wǎng)電壓無功控制存在的不足，介紹了分布式電壓無功全局優(yōu)化控制系統(tǒng)的結構原理、技術難點。系統(tǒng)由主站系統(tǒng)、變電站電壓無功實時控制子系統(tǒng)(VQC)和通信子系統(tǒng)構成。各子站系統(tǒng)的電壓和無功控制范圍通過全網(wǎng)離散無功優(yōu)化計算獲得，可實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓無功全局優(yōu)化和分布式實時控制。
[關鍵詞] 電壓無功控制；全局優(yōu)化；分布式控制；主站系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信
電壓的穩(wěn)定可以確保各種電氣設備的正常運行并延長其使用壽命，控制電網(wǎng)合理的無功潮流可以降低網(wǎng)損，從而達到電網(wǎng)經(jīng)濟運行的目的，因此在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)電壓無功優(yōu)化控制具有廣泛和重要的經(jīng)濟效益和社會效益。
基于電網(wǎng)全局無功優(yōu)化計算的實時無功最優(yōu)控制集安全性和經(jīng)濟性于一體，可以保證全網(wǎng)電壓質量和滿足安全性約束的經(jīng)濟性的閉環(huán)控制，被認為是電力系統(tǒng)調度發(fā)展的最高階段。目前，在國內市級電網(wǎng)實現(xiàn)這種無功控制的實例較少，國內常見電網(wǎng)電壓無功控制屬于變電站級電壓無功分散控制，這種分散控制方式是以變電站為中心，通過調節(jié)有載調壓變壓器的分接頭位置或其它電壓調節(jié)器，控制無功補償設備如并聯(lián)電容器組或電抗器的工作狀態(tài)，維持受控母線電壓和注入電網(wǎng)的無功功率在規(guī)定的范圍內。自20世紀70年代以來，國內外對此有大量研究。國內已有不少變電站級電壓無功自動調節(jié)裝置開發(fā)成功，并在35～220 kV變電站得到了廣泛的應用，如廣東電網(wǎng)公司在110 kV變電站普遍裝設了電壓無功實時控制子系統(tǒng)（VQC）系列電壓無功局部優(yōu)化綜合控制裝置。這種變電站級電壓無功局部優(yōu)化綜合控制技術已比較成熟，但仍有不足：
a)只能實現(xiàn)局部的優(yōu)化，不能實現(xiàn)全系統(tǒng)的最優(yōu)控制。并且僅能保證受控母線電壓合格，不能達到全網(wǎng)功率損耗最小的目的。
b)VQC裝置的調節(jié)控制是基于給定的電壓無功上下限值，電壓無功上下限值的確定要依賴維護人員的經(jīng)驗，缺少一套有效的計算方法。如果上下限值給定不合理，無論調節(jié)措施多么完美，都不可能得到合理的控制。
c)閉鎖問題是指VQC裝置在檢測并判斷到在變電所或系統(tǒng)異常以及裝置本身出現(xiàn)異常的情況下，能及時停止自動調節(jié)，它也是VQC裝置能否投運的最大問題。如果VQC裝置沒有完善的閉鎖系統(tǒng)或閉鎖速度達不到運行要求時，就會對變電所的安全運行帶來嚴重威脅。VQC裝置的閉鎖功能必須達到以下幾個要求：①閉鎖條件必須全面：一般來說，VQC應考慮的主要閉鎖條件有：主變保護動作；電容器保護動作；PT斷線；系統(tǒng)電壓異常；主變并列運行時的錯檔；裝置故障；電容器開關或主變分接開關日動作次數(shù)達到最大值；目標對象拒動；主變滑檔；遠動信號指令或手動閉鎖等。②閉鎖限值設置必須合理。③閉鎖速度應足夠快。
d)VQC的人機界面對運行和管理人員十分重要。VQC的人機界面不友好或不完善，則可能造成使用不方便或不當。一般來說，VQC人機界面應滿足以下要求：
(1) 參數(shù)設置方便，對用戶開放的參數(shù)要足夠充分和全面。有關部門對變電所電壓無功的考核常常會有新的要求，有時甚至對峰谷時段的定義都會有變化。VQC參數(shù)若不能方便設置，則會使廠方和用戶都感到麻煩。
(2) 閉鎖條件應能在人機界面中反映出來：VQC是一項涉及面頗廣的
自動化裝置，變電所的許多異常和變化都會引起它的閉鎖。如果VQC的閉鎖情況和閉鎖原因不能在人機界面上反映出來，則會使用戶對它的閉鎖分析變得十分困難。
(3) VQC動作記錄應全面：詳細的VQC動作記錄有利于VQC的運行和故障分析。
為了解決上述幾方面問題，提高電網(wǎng)電壓無功控制水平，相關部門組織研制了分布式電壓無功全局優(yōu)化控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)意義上的集中控制方式不同的是，本項目在實現(xiàn)變電站級電壓無功局部優(yōu)化綜合控制的基礎上，探索全局電壓無功在線優(yōu)化計算及分散協(xié)調控制的理論和方法，實現(xiàn)電網(wǎng)的電壓無功分散協(xié)調控制。
該系統(tǒng)具有很好的開放性和可擴展性，具有較大的推廣應用價值，可以考慮用于整個地區(qū)供電網(wǎng)絡的電壓無功控制。
1系統(tǒng)總體思路
本項目的基本思路是：建立主站系統(tǒng)，根據(jù)未來一天各母線有功和無功負荷曲線（由短期負荷預測獲得）及開關狀態(tài)
信息，以控制整個電網(wǎng)節(jié)點電壓在允許范圍內和有功損耗最小為優(yōu)化目標，進行地區(qū)電網(wǎng)離散無功優(yōu)化計算，并以此為基礎計算出各VQC的控制范圍（限值）。利用技術上已成熟的VQC裝置，研究可支持全網(wǎng)優(yōu)化控制和本地控制模式的VQC控制策略，即建立變電站電壓無功實時控制子系統(tǒng)，負責監(jiān)控變壓器和電容器狀態(tài)、采集電網(wǎng)運行參數(shù)及根據(jù)主站系統(tǒng)提供的電壓無功限值（或自定義的電壓無功限值）實施電壓無功控制，并可實現(xiàn)在全網(wǎng)優(yōu)化狀態(tài)下和本地狀態(tài)下電壓無功控制模式的切換。建立通信子系統(tǒng)（也可以利用現(xiàn)有調度
自動化系統(tǒng)的通信通道），以實現(xiàn)主站系統(tǒng)后臺程序與子站系統(tǒng)VQC控制程序之間的數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)可應用于整個地區(qū)電網(wǎng)的電壓無功控制，也可用于地區(qū)電網(wǎng)的某一個區(qū)域的電壓無功控制。
參考歐美國家的全網(wǎng)電壓無功三級控制方式，本控制系統(tǒng)在功能上包含二級和三級控制。主站系統(tǒng)屬于二級控制，根據(jù)電網(wǎng)近期內的歷史負荷水平，預測短期內的電網(wǎng)負荷，以保證電網(wǎng)內各節(jié)點電壓在允許范圍內；以實現(xiàn)全網(wǎng)有功損耗最小為系統(tǒng)優(yōu)化目標，計算各節(jié)點電壓、無功分布并轉換為實際控制定值。主站在實際運行中包括優(yōu)化計算模塊、電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模塊、實時拓撲模塊和控制定值計算模塊。系統(tǒng)中的子站系統(tǒng)實現(xiàn)三級控制，以傳統(tǒng)九區(qū)域控制原理為算法核心，實時監(jiān)測電網(wǎng)數(shù)據(jù)，執(zhí)行主站系統(tǒng)的控制定值，是整個系統(tǒng)安全運行的關鍵。
2主要理論研究
系統(tǒng)研制過程中主要的理論研究有以下兩方面：
a)全電網(wǎng)離散無功優(yōu)化計算方法
通過對離散變量構造函數(shù)并將其直接嵌入到非線性原對偶內點法中形成擴展內點算法。其原理詳見文獻[1，2]。
b)變電站電壓無功控制范圍的整定計算方法
利用上述全網(wǎng)離散無功優(yōu)化計算結果，計算出每個變電站變壓器高壓側無功功率和低壓側母線電壓的最佳變化曲線。通過跟蹤無功和電壓最佳變化曲線，確定變壓器高壓側無功功率和低壓側母線電壓的上下限值。
3系統(tǒng)結構
該系統(tǒng)由主站系統(tǒng)、變電站電壓無功實時控制子站系統(tǒng)(VQC)和通信子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)構成。系統(tǒng)結構原理圖見圖1。
圖1 分布式電壓無功全乙實時優(yōu)化控制系統(tǒng)結構原理圖
通信子系統(tǒng)實現(xiàn)主站系統(tǒng)與子站系統(tǒng)VQC控制程序之間的數(shù)據(jù)通信，主站系統(tǒng)通過通信子系統(tǒng)與各變電站的電壓無功實時控制子系統(tǒng)聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)傳遞和控制。
主站系統(tǒng)通過由子站系統(tǒng)采集并按一定時間間隔上送的220 kV及110 kV變電站低壓側（10 kV側）有功和無功負荷的實時數(shù)據(jù)及開關狀態(tài)
信息，進行全電網(wǎng)離散無功優(yōu)化計算，然后根據(jù)優(yōu)化計算結果，形成每個變電站的無功功率上下限（指變壓器高壓側從系統(tǒng)吸收的無功功率）及低壓側電壓上下限的控制策略表，并通過通信子系統(tǒng)傳到變電站電壓無功實時控制子系統(tǒng)。
系統(tǒng)中的子站系統(tǒng)以傳統(tǒng)九區(qū)域控制原理為算法核心，實時監(jiān)測電網(wǎng)數(shù)據(jù)，執(zhí)行主站系統(tǒng)的控制定值，是整個系統(tǒng)安全運行的關鍵。子站系統(tǒng)存放在各變電站，各子站系統(tǒng)裝置負責監(jiān)控變壓器和電容器狀態(tài)，采集電網(wǎng)運行參數(shù)，并根據(jù)主站系統(tǒng)提供的電壓無功限值按九區(qū)分割圖實施具體控制策略。子站系統(tǒng)在原有變電站VQC的基礎上進行了改進，支持按全網(wǎng)優(yōu)化電壓無功限值和本地電壓無功限值兩種模式控制，當通信中斷或電網(wǎng)出現(xiàn)異常時，子站系統(tǒng)將自動切換控制狀態(tài)，即從執(zhí)行全網(wǎng)優(yōu)化電壓無功限值自動轉換成執(zhí)行本地預設的電壓無功限值，保證電網(wǎng)安全運行。
4應用
4.1應用環(huán)境介紹 把主站系統(tǒng)放置在市級調度中心，每個變電站（包括220KV、110 kV變電站）都安裝了子站系統(tǒng)，整個分布式電壓無功全局優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制范圍為從220 kV變電站的進線端到110 kV變電站的10 kV側出線端。
4.2幾種數(shù)據(jù)刷新頻率
在系統(tǒng)運行過程中，主站存在以下幾種數(shù)據(jù)刷新頻率：
a)遙信數(shù)據(jù)
遙信數(shù)據(jù)包括斷路器開關量數(shù)據(jù)、電容器投切開關狀態(tài)
信息，采用子站實時主動上傳、子站同時存儲的開關事件發(fā)生數(shù)據(jù)以供歷史查詢。
b)遙測數(shù)據(jù)
遙測數(shù)據(jù)包括變壓器電壓、電流、無功、有功數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不主動上傳，由主站根據(jù)系統(tǒng)設定向子站定時查詢，也提供實時數(shù)據(jù)查詢。
c)報警事件
報警事件包括變壓器、母線、電容器、電抗器等控制對象的故障報警
信息，子站實時主動上傳。
d)控制定值數(shù)據(jù)
控制定值數(shù)據(jù)由主站根據(jù)系統(tǒng)設定向子站定時下傳或實時下傳。實際運行中數(shù)據(jù)傳輸間隔為24 h，即每天定時刷新一次。當電網(wǎng)運行方式發(fā)生改變時，各子站轉為就地優(yōu)化，執(zhí)行預設的就地運行定值。主站需在下一數(shù)據(jù)刷新周期到來后查詢數(shù)據(jù)，重新下行定值。
4.3應用效果 a) 系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，運行效果良好；
b) 該系統(tǒng)實現(xiàn)了全電網(wǎng)在線無功優(yōu)化調度和無功控制裝置的局部優(yōu)化自動控制協(xié)調，改善了整個電網(wǎng)的電壓質量，降低了電網(wǎng)有功損耗；
c) 在系統(tǒng)運行期間，各變電站的電壓合格，調節(jié)動作及時準確，可滿足實際運行需求；
d) 在各變電站的實際運行中，各無功補償設備得到充分利用，有效地降低了變電站在負荷高峰期從系統(tǒng)所吸取的無功，補償了系統(tǒng)無功，同時起到了很好的電壓調節(jié)功能；
e) 在變電站的運行中代替人工調節(jié)工作，實現(xiàn)了變電站電壓無功調節(jié)的
自動化控制，保證了無人值班變電站的電壓無功調節(jié)安全運行；
f) 具有很好的開放性和可擴展性，具有推廣應用價值。
5結束語 本文介紹的分布式電壓無功全局實時優(yōu)化控制系統(tǒng)項目不僅實現(xiàn)了區(qū)域電網(wǎng)的全網(wǎng)電壓無功實時優(yōu)化控制，而且在項目研發(fā)過程中還提出了一套變電站VQC控制范圍的整定計算方法。系統(tǒng)經(jīng)過實踐檢驗，運行穩(wěn)定可靠，效果良好，能滿足電網(wǎng)的全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化協(xié)調控制的要求，有效地降低變電站在負荷高峰期從系統(tǒng)所吸取的無功，補償了系統(tǒng)無功，同時起到很好的電壓調節(jié)功能。該系統(tǒng)可用于某個供電網(wǎng)絡的某一個區(qū)域的電壓無功控制，也可用于整個地區(qū)供電網(wǎng)絡的電壓無功控制，具有較大的推廣應用價值。
參考文獻
�。�1］程瑩，劉明波.含離散控制變量的大規(guī)模電力系統(tǒng)無功優(yōu)化[J]. 中國電機工程學報，2002，22(5)：54—60.
[2］程瑩，劉明波.含離散控制變量的大規(guī)模電力系統(tǒng)無功優(yōu)化[J]. 中國電機工程學報，2002，22(5)：54—60.
�。�3］朱春明，劉明波，裴愛華，等. 變電站電壓無功控制范圍的[LL]整定計算方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8)：70—74.
［4］霍錦強. DWKⅢ型電壓無功綜合控制裝置[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 1999，23(9)：50—50，53.
[5］孫宏斌，張伯明，郭慶來，等. 基于軟分區(qū)的全局電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8)：16—20.
簡歷：邱陶歆，1979年出生，男，漢族，廣東省潮州市，2002年畢業(yè)于華北電力大學動力工程系測控技術及儀器，學士學位，助理工程師，2002年就業(yè)潮州供電局。 
