一种适用于地区电网的电压无功预先控制方法

1、一种适用于地区电网的电压无功预先控制方法发明名称一种适用于地区电网的电压无功预先控制方法摘要地区电网的电压无功控制问题一直以来就是电力系统研究的技术难题，在理论上提出了许多新方法，但如何达到实用化应该是研究的关键。为提高地区电网的电压无功调节能力，本发明对地区电网电压无功控制方式进行了研究，提出了基于系统负荷预测和母线负荷预测的控制方案。在该方案中，将负荷预测的结果按负荷变化趋势划分，根据负荷趋势确定电压和关口无功上下限的压缩量，以及无功设备的调节方向。将该方法应用于实际电网进行闭环控制，有效地提高了电压和关口功率因数的合格率，并避免了无功设备的频繁反复调节，起到了为防止电压和关口功率因数越限

2、而提前进行控制的作用，切实改善了地区电网的电压无功水平。技术领域本发明涉及一种在地区电网电压无功控制中提高电压和关口功率因数合格率、减少频繁反复调节无功设备的方法。背景技术电压与无功功率有着密切的关系，为了维持电压水平，就必须提供与之相应的无功功率，由此产生的电压无功控制问题一直以来就是电力系统研究的技术难题。电压是否合格直接影响到电网运行的安全性及经济性。大的电压偏差不仅会对用电设备造成威胁和损害，严重时可能引起电压崩溃，造成大面积停电。随着经济和社会的快速发展，电力需求急剧上升，电网结构越来越复杂，电能质量要求越来越高。另一方面，随着城市电网的电缆化改造，地区电网的电缆化率越来越高，而感性

3、无功调节手段较弱，轻负荷时的无功倒送及高电压现象较为严重，电压质量有待进一步提高。如何综合利用厂站内的各种电压无功调节设备，在保证电网安全、稳定运行的同时，有效提高电网的电压质量，降低电力传输中的能量损耗是地区电网面临的一项重要任务。就我国目前的电网结构和调度体系而言，地区电网的结构是辐射状的，在高压侧（一般是220kV关口变电站）形成环网，而220kV以下的电网解环运行。即以220kV关口为根生成供电区域，一个220kV关口对应一个供电区域，自高电压等级向低电压等级形成树状结构来供电。保证母线电压和关口功率因数合格是地区电网电压无功控制的重要目标。然而，地区电网的电压无功调节手段以有载调压变

4、压器抽头和电容电抗器为主。主变抽头及电容电抗器均为离散调节设备，其频繁调节将严重影响设备的使用寿命，在实际运行中对同一设备相临两次调整的时间间隔和一天内的允许操作次数均有明确的限制，并希望在保证母线电压和关口功率因数合格的基础上尽可能地减少其调节次数。目前地区电网的自动电压控制(Automatic Voltage Control，AVC)系统的控制方式多是在发现母线电压或关口功率因数越限后，启动算法进行控制，将越限量拉回到合理的运行范围内。这种控制方式滞后于越限量而动作，属于被动控制，无法从本质上提高母线电压和关口功率因数的合格水平，甚至可能出现由于负荷的正常波动导致无功设备的频繁反复调节，影

5、响设备甚至电网安全。为此，本发明探索一种体现地区电网电压无功控制前瞻性和智能性的控制方式，即根据电网运行状态和负荷变化趋势，提前控制可能发生越限的变量，尽可能防止越限量的出现，从本质上提高母线电压和关口功率因数的合格率，并在此基础上减少设备的动作次数。发明内容在电网的实际运行中，由于负荷是时刻变化的，相应地母线电压幅值也会随之波动，如果电压靠近考核边界运行，则可能因为正常的负荷波动而导致越限，有效的解决方法是在进行电压控制时根据负荷变化趋势对电压上下限进行不同程度的压缩，避免电压靠近考核边界运行，以提高电压合格率。同理，当电网负荷波动时，关口变电站的下传有功、无功也将变化，即功率因数将发生变化

6、。为保证关口功率因数不因负荷的波动而越限，应根据负荷变化趋势适当压缩关口下传无功限值。从地区电网的角度来看，避免离散设备频繁调节的关键是使离散设备的调节与负荷的变化趋势一致。典型地，一天的负荷变化具有明显的峰谷特征（两峰两谷或三峰三谷）。在负荷的爬峰时段，随着有功负荷的上升，无功负荷也随之上升，电网电压有下降的趋势，地区AVC系统应该只允许切电抗、投电容、升档位，在负荷的滑坡时段则应进行相反的操作。从地区电网AVC系统的调节情况来看，电压无功调节设备的频繁调节大多是由于AVC系统的控制策略没有与负荷的变化趋势保持一致，导致离散设备调整后较短时间内即因负荷的变化而进行相反的操作。因此可以考虑利用

7、负荷预测结果，过滤小幅的负荷波动，预测一天内负荷的大致变化趋势，进而将一天时间划分为多个时段（四至六个时段），并根据该时段的负荷总体变化趋势确定相应时段的电压无功调节方向。可见，电网负荷的变化趋势与母线电压和关口功率因数的合格率、无功设备的调节次数都有着紧密的联系。由于地区电网能量管理系统(Energy Management System，EMS)可实现系统负荷预测和母线负荷预测功能，能够提供较高质量的负荷预测结果。所以，本发明的设计思路是将地区电网AVC系统与系统负荷预测和母线负荷预测相结合，设计方案如下：首先读取EMS系统提供的短期系统负荷预测结果，滤除小幅的负荷波动，根据负荷变化趋势（上

8、升、下降或平稳）将一天24小时划分为数个时段，对每个时段可以给出负荷的变化趋势。然后读取超短期母线负荷预测结果，并根据地区电网的拓扑连接关系计算各AVC供电区域的母线负荷预测总加，从而可以判断各AVC供电区域的当前负荷变化趋势，若根据母线负荷预测获得的关口负荷变化趋势与系统负荷预测的负荷变化趋势一致，则说明预测的负荷趋势可信，否则认为负荷变化不明显，即负荷处于平稳状态。根据各AVC供电区域的负荷变化趋势确定各关口无功控制限值的压缩量和供电区域内各侧母线控制电压的压缩量。当负荷处于平稳状态（或负荷变化趋势不明显）时，母线电压和关口无功的变化速度较慢、变化幅度较小，所以关口无功限值和各侧母线电压限

9、值的上、下压缩量均取较小值；若负荷具有上升趋势，则关口下传无功有增大趋势，供电区域各侧母线电压有下降趋势，较易出现母线电压和关口功率因数越下限的情况，此时应增大关口下传无功上限和母线电压下限的压缩量，以使AVC系统对该供电区域内设备的调节更倾向于投电容、切电抗或升主变档位，尽快阻止关口下传无功的增大和中低压侧的母线电压下降。反之，若负荷具有下降趋势，则关口下传无功有减小趋势，供电区域各侧母线电压有上升趋势，较易出现母线电压和关口功率因数越上限的情况，此时应增大关口下传无功下限和母线电压上限的压缩量，以使AVC系统对该供电区域内设备的调节更倾向于切电容、投电抗或降主变档位，尽快阻止关口下传无功的

10、减小和中低压侧的母线电压上升。该方案对母线电压和关口功率因数的调节方式充分满足逆调压的原则，即负荷高峰时提高母线电压和关口功率因数，负荷低谷时降低母线电压和关口功率因数。具体实施方式为保证电网电压质量，提高电压合格率，AVC控制中对母线电压控制带宽进行压缩，即在电压靠近考核边界时即进行控制，而不是等到电压越限之后才启动控制，使各母线电压相对靠中间运行。为区别于电压考核限值（包括电压考核上限和电压考核下限），这里将压缩后的电压限值称为电压控制限值（包括电压控制上限和电压控制下限）。为说明方便，将AVC控制单元定义为由并列主变和各侧相关补偿设备构成的最小电压无功控制单元。上一电压等级的AVC控制单

11、元下面可能带着多个下一电压等级的AVC控制单元，一般由上级AVC控制单元向下级AVC控制单元供电。由于母线电压变化趋势与AVC控制单元所带负荷（即各并列主变高压侧下传负荷之和）的变化趋势关系密切。总体而言，负荷上升时母线电压有下降趋势，负荷下降时母线电压有上升趋势，负荷平稳时母线电压一般变化不明显。地区电网AVC系统取电压控制上、下限压缩量如表1所示（表中电压基值VB取为相应电压等级的额定电压，如：220kV、110kV、35kV或10kV）：表1 电压压缩量列表负荷变化趋势电压上限压缩量电压下限压缩量上升0.5%*VB1.0%*VB下降1.0%*VB0.5%*VB平稳0.5%*VB0.5%*

12、VB电压控制原则：采用自上而下的原则实现对母线电压的控制，若AVC控制单元中低压侧电压越限或下级AVC控制单元高压侧电压越限时，调节主变分接头进行电压越限控制。当调节主变档位代价过大时，选择有利于改善自身控制单元功率因数的电容电抗器调压，但应保证投入的电容电抗器不会引起关口功率因数越限。若上级AVC控制单元分接头调整时自动闭锁下级AVC控制单元的分接头调节。为提高关口功率因数（无功）合格率，AVC控制中对关口无功控制带宽进行压缩，即在无功靠近考核边界时即进行控制，而不是等到无功越限之后才启动控制。为区别于关口无功考核限值（包括无功考核上限和无功考核下限），这里将压缩后的无功限值称为无功控制限值

13、（包括关口无功控制上限和关口无功控制下限）。总体而言，关口下传有功较大时（即重负荷运行）希望功率因数偏高运行，而关口下传有功较小时（即轻负荷运行）希望功率因数偏低运行，故负荷上升时应增大关口无功上限压缩量，负荷下降时应增大关口无功下限压缩量。若关口无功考核带宽的宽度QB大于40Mvar，则取40Mvar作为基准值，否则取无功考核带宽的宽度QB作为基准值（关口有功倒送时，免考核标准可能为无功正送即为合格，即0+，为避免压缩量过大，这里取基准值不超过40Mvar）。地区电网AVC系统取关口无功控制上、下限压缩量如表2所示：表2 无功压缩量列表负荷变化趋势无功上限压缩量无功下限压缩量上升15%*QB

14、10%*QB下降10%*QB15%*QB平稳10%*QB10%*QB地区电网的可控无功设备主要是电容电抗器和有载调压变压器，这些设备在一天之内有操作次数的限制，两次操作之间也有时间间隔的限制。为避免对设备的频繁反复调节，充分挖掘利用其无功调节能力，除在负荷平稳时段限制设备的调节时间间隔外，还可利用负荷的峰谷特性结合负荷的变化趋势划分负荷的峰谷时段，根据相应时段的负荷变化趋势确定无功设备的调节方向，并闭锁与之相反的调节方向，如表3所示：表3 无功设备调节方向列表负荷趋势 电压趋势 调节手段上升下降投电容、切电抗、升档位下降上升切电容、投电抗、降档位功率因数（无功）控制原则：采用自下而上的原则实现

15、无功的就地平衡，各AVC控制单元的无功监视均以关口功率因数及相应的考核标准为依据，若关口的期望无功调节方向与AVC控制单元自身的期望无功调节方向一致，且AVC控制单元的无功调节不会引起新的电压越限，则调节相应的无功补偿设备，否则再寻找其他设备进行调节。若下级AVC控制单元无功补偿设备调整时，闭锁上级AVC控制单元的无功调整以避免重复调节。本发明的电压无功控制方案应用在基于CC-2000A调控一体化平台的福州电网调度技术支持系统，并将结合负荷预测的功能处理为用户自定义模块，即可根据需要选择AVC系统结合或不结合负荷预测。在连续两周的时间（不包含特殊节假日）里进行闭环控制，第一周选择不结合负荷预测

16、，第二周选择结合负荷预测，运行统计结果如表4和表5所示：表4 不结合负荷预测运行结果时间全天电压合格率全天功率因数合格率全天设备动作次数周一99.01%98.32%125周二99.21%97.21%128周三98.84%98.09%126周四98.96%97.97%129周五99.62%99.14%125周六100%98.89%123周日99.18%99.11%124表5 结合负荷预测运行结果时间 全天电压合格率 全天功率因数合格率全天设备动作次数周一100%100%121周二99.96%99.89%123周三100%100%120周四99.79%100%121周五100%99.68%123周

17、六100%99.77%122周日99.82%100%120因为在每周的同一天内全网负荷曲线基本相同，所以分别对比表4和表5同一天的数据可知：在电网运行方式基本相同的情况下，结合负荷预测后的AVC控制效果在电压合格率和功率因数合格率方面均有明显提高，而且设备的动作次数也有所减少。可见本发明的预先控制方案可在本质上提高母线电压和关口功率因数的合格率，同时也在最大程度上减少了对设备的频繁操作。这是由于控制策略中有效的结合了系统负荷预测和母线负荷预测的结果，根据负荷变化趋势确定电压和无功限值的压缩量，寻找并提前控制有可能发生越限的变量，从而提高了母线电压和关口功率因数的合格率。同时根据负荷变化趋势确定电容电抗器和变压器抽头的调节方向，并闭锁相反的调节方向。即在负荷上升时闭锁切电容、投电抗或降档位的操作，在负荷下降时闭锁投电容、切电抗或升档位的操作。这可保证在同一峰谷时段内对同一设备只能调节一次。而由于全天负荷趋势基本分为两