南方电网协调电压控制模式研究(v3[1].0)_南方电网管控模式

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南方电网协调电压控制模式研究

陈江澜1，王 彬1，郭庆来1，孙宏斌1

（1．清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京市 海淀区100084；2．中国南方电网电力调度通

信中心 广州市510623)Coordinated Voltage Control Method For Central China Power Grid

CHEN Jiang-lan1, GUO Qing-lai1，SUN Hong-bin1(1.State Key Lab.of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian

District, Beijing 100084, China;

2.South China Power Dispatching and Communication Center, Guangzhou, 510623,Guangdong Province,China)ABSTRACT: Firstly, the characteristics of voltage control of South China Grid(SCG)was analyzed, which involves the iue about coordination between SCG direct control grid and its subordinate provincial and area grid.A novel voltage control scheme for SCG is presented, in which the SCG and its subordinate provincial and area grid do optimal voltage control according to their own dispatching privilege, and at the same time, the boundary coordinated variables are selected for coordination.Based on the architecture presented in this paper, the SCG AVC system is going to realized in near future.KEY WORDS：AVC, South China Grid, coordinated voltage control 摘要： 本文首先分析了南方电网在无功电压控制方

质和经济运行方面已在发挥重要作用，国内外均取得丰富的研究成果和有效应用[1-6]。然而对于中国南方电网此类大型区域级电网，网内调度权限复杂，对全网的无功电压协调优化控制提出了新的挑战。本文分析了南方电网无功电压控制的特点和难点，并在此基础上设计了适用于南方电网的协调电压控制方案。AVC仿真平台能够在初始数据断面基础上，对控制策略进行连续计算，分析控制策略执行后对电网的影响，并进一步分析控制策略的正确性。本文设计的南方电网协调电压控制模式亦通过AVC仿真平台验证了其有效性。南方电网无功电压特点分析

2.1

总体特点 面的特点，该区域内涉及到南网直调和下各省、区中调电网之间的协调。在此基础上，本文提出了适用于南方电网的自动电压控制方案，南方电网以及所辖各省、区调按照各自的调度权限进行优化电压控制，并通过边界上选取的协调变量进行协调。基于本文设计的自动电压控制系统即将在南方电网得到实际应用

关键词：自动电压控制，南方电网，协调电压控制

国家杰出青年科学基金（51025725）、国家自然科学基金（50807025，50877043）资助项目；This work was supported in part by National Science Fund for Distinguished Young Scholars(51025725)and National Science Foundation of China(50807025，50877043)1 引言

基于时间、空间和目标三个维度的协调的自动电压控制(AVC)系统在实现电网电压安全、电压优

目前南方电网直调和各省（区）级电网运行人员采用下发月计划曲线或电压考核范围的方式来指导各所辖调度范围内电厂和变电站进行调压。各厂站根据计划曲线或电压考核范围进行人工或自动控制。

南网直调电网整个联网500kV线路充电无功补偿度为105%，达到全补偿，但充电无功补偿分布不平衡，存在较多厂站充电无功补偿不足，低谷段电压偏高，调控困难的情况。全网及各省500kV系统的容性无功均有一定的盈余，存在粤南少部分地区有容性无功缺额，出现220kV以下电网从500kV系统吸收较多容性无功，导致高峰时段调压存在一定困难的情况。2.2 调度管理权限复杂

不同调度层级的电网拥有各自的控制责任范围，但其控制的物理对象是一个密不可分的整体，他们之间的调压策略将会相互影响[7-8]。

从控制范围来看，当前南方电网覆盖了广东、广西、云南、贵州、海南五省区，其中南网总调主要负责西电东送500kV主网架的控制，各中调负责本省内500kV/220kV电网控制，不同中调的调度范围也不尽相同，比如广东、云南、贵州还要负责本省内500kV电网的控制，而广西，海南中调则只负责本省内220kV电网的控制。

从无功电压调控管理界面来看，南网总调和各省（区）中调基本按照厂站的调度管辖范围划分，即总调直调厂站的电压调控由总调负责，500kV变电站500kV主变35kV侧的无功补偿设备、500kV主变分接头由总调调管。各省（区）中调的管理界面也基本参照各自的调度管辖范围划分。

同时，南网下属省（区）调AVC系统观测和控制的电网只是整个南方电网中的局部，由于调度体制和权限的原因，全局范围内的无功电压合理分布难以依靠各省调AVC系统独立的、分散的优化控制来实现，因此容易出现500kV/220kV分层无功交换过大、跨区联络线无功流动过大、220kV侧母线电压不合理的现象，难以显著降低网损[11]。例如，云南-广西交界面连接线罗百I线存在跨省区域联络线上流动的无功过大的问题。

因此，只有网调、省（区）调AVC系统基于共同的控制目标实现相互之间的协调控制，才能有效解决以上问题。这也是研究南方电网协调自动电压控制模式的必要性所在。南方电网协调电压控制模式设计

文献[12]提出了大区电网电压控制的研究主线，本文结合上节分析的南方电网特点，进一步对南方电网电压控制模式进行了详细设计。

3.1 控制区域划分

区域电网AVC系统区别于普通省（区）级电网AVC系统的最关键特征在于：区域电网不仅要具备对直控电网无功电压的自动闭环控制功能，同时还必须要对省（区）网AVC系统进行协调[11]。南方电网电压控制模式可以直观表示为“横切加纵切模式”，其示意图如下图所示：

云南贵州广西广东海南500KV500KV500KV500KV500KV云南贵州广西广东海南220KV220KV220KV220KV220KV 图1 南方电网网省协调控制模式图

Fig.1 Scheme for South China Grid coordinated voltage control

for regional level and provincial level

按照此控制模式，南网直调负责控制广西、云南电网500kV网络（包括500kV变电站和接入500kV的电厂），与省（区）调控制边界为500kV主变关口。广东、云南、贵州500kV电网仍然按照现有调度运行管理体制委托各省中调控制，控制边界为相关电网接入直调电网的500kV联络线。

各省（区）调AVC系统负责控制本省（区）内的220kV电网，广东、云南、贵州还负责本省500kV电网，通过优化计算和闭环控制实现各省（区）网架的无功电压合理分布，同时计算本区域内关口的协调变量的运行期望以及无功调节能力，并上送南网直调AVC。南网直调AVC在考虑下级AVC提出的协调变量期望值和控制能力的情况下，通过优化计算和闭环控制，实现直调电网的无功电压合理分布，同时下发下属各省（区）500/220kV主变的关口无功（功率因数）设定值以及联络线的功率因数优化设定值。各省（区）中调追随南网直调下发的关口无功（功率因数）设定值，保证其控制目标与网调优化目标相匹配，最终实现500kV/220kV的无功分层平衡以及分区平衡。该模式能实现南方电网全局的协调优化控制，同时对现有调度运行管理模式又不构成大的冲击。

三级最优潮流[5]和二级协调控制[11]的计算方法已有文献详细阐述，这里不再赘述。仿真算例

4.1

AVC仿真控制平台原理

AVC仿真控制平台可以通过给定一个系统的断面数据启动，模拟系统的连续控制和响应过程。通过改变系统的负荷类型，中枢母线的选择，三级优化计算策略等，分析比较各种状态下控制策略的可靠性和有效性，为控制策略的实际应用提供有效的参考。图2给出了仿真系统与实际电力系统中实时运行的AVC系统的对应关系： 实际控仿真控制系统制系统控制指模拟控实令下发制指令仿际真电核心AVC控制计算电力(共用)力系统状态估计(共用)系实际系统断面数据统SCADA采集SCADA采集电网模型发电/负荷曲线运行方式变化

图2 AVC仿真系统与实际系统比较

Fig.2 Comparison of AVC simulation system and real system

它们的区别主要在于数据获取和控制指令执行的方式不同。实际AVC系统用到的电网实时数据来自于SCADA系统；而仿真程序则是仿真系统的SCADA数据来源是截取的某个（或连续某几个）电网运行方式的数据断面。实际电网中控制指令是由电厂执行的，其控制指令给定的是电厂高压母线的电压的变化值（增量），在实际的AVC控制中，电厂侧装有AVC控制子站，子站接收到设定电压的增量后，计算得到各可调机组的控制指令，并向控制各个发电机组的下位机发送，下位机通过调整发电机的励磁实现电压的变化。

而仿真平台则根据实际电厂控制子站系统所采用的“小步长、多轮次”连续控制的方法，模拟对机端电压进行多次调节，直到高压母线满足要求。

为直观地观察控制效果，仿真控制系统可实时记录电网的所有运行状态数据（包括潮流、电压等可测量和系统网损等不可测量），并通过曲线板界面实时更新显示；而真实的电力系统中，必须依赖于状态估计才能得到全网的运行状态数据。

4.2 网省协调控制仿真

仿真计算选择关口如图3所示，实验分为3个阶段：第一阶段于00:00:00，达到一个基态，此时网调应产生降压指令；第二阶段，网调AVC和省调AVC分别根据各自的控制策略计算结果独立进行控制；第三阶段，网调AVC和省调AVC进行协调控制；

第一阶段：于00:00:00达到基态，此时北郊站附近的电压越上限，网调产生降压指令；

第二阶段：网调AVC和省调AVC进行独立控

制，在这一阶段，网损降低，500kV流向220kV的无功先下降再升高，然后再次下降；此阶段无功流动和电压在局部都出现了波动，可以看出网调优化目标和省调优化目标不一致时可能产生一定幅度的震荡。

广蓄A厂广蓄B厂沙角厂沙角B厂铜鼓电厂珠海B厂500kV500kV500kV500kV500kV500kV500kV网络北郊站顺德站广南变增城站500kV500kV500kV500kV北郊站顺德站广南变广南变增城站220kV220kV220kV220kV220kV220kV网络220kV网络珠江厂展能厂德胜厂润州Ｂ厂恒运C厂黄埔厂220kV220kV220kV220kV220kV220kV 图3 南网网省协调仿真控制关口示意图

Fig.3 Schematic diagram of coordinated voltage control gate of

SCG AVC simulation control

以北郊站500kV#1母为例，其上限为527kV，基态值为527.23kV高于上限。北郊站500kV#1相邻的500kV电厂为广蓄B厂，在00:00:00至00:17:30内，北郊站500kV#1母电压一直处于越上限状态，同时广蓄B厂.5F机组机端电压一直在下降，控制母线电压总体趋势下降，局部出现小幅回升的现象；另一方面，关口内广东省调机组：珠江厂.1G、展能厂1G、德胜厂.1G的无功出力持续增加，可见此时网调的指令为降压，而省调的AVC指令为升压，由于省调并不知道北郊站电压越限从而持续的抬高电压水平，从而导致网调每次北郊站500kV#1母电压降到位，后又由于省调的升压作用使得北郊500kV#1母电压再次越限（对应于每次北郊500kV#1母电压平稳后再次增高的振荡现象，以及广蓄B厂控制母线的局部小幅回升），网调不得不进行新一轮的降压指令（对应于广蓄B厂控制母线在小幅回升之后的与机端母线一起大幅下降）。

虽然这样的振荡是衰减的，最终达到一个稳态，但随着省调升压，网调再降压的过程反复，无功渐渐从省调流向网调，出现了控制中不希望看到的不协调现象。

图4 系统网损曲线 Fig.4 Curve of system network lo

图5 500kV下网无功曲线

Fig.5 Curve of offline reactive power of 500kV grid

图6北郊站_广南变_顺德站关口省调侧发电机无功出力 Fig.6 Reactive generation of Provincial generators at the gates of Beijiao, Guangnan and Shunde

图7 网调设为越限的母线电压

Fig.7 Over-limit voltage of buses set by grid level

图8 网调侧广蓄B厂控制母线电压

Fig.8 Control bus voltage of Guangxu B Plant at grid level

图9广蓄B厂.5F机组机端电压 Fig.9 Guangxu B Plant 5F generator’s voltage

第三阶段，00:17:30之后，网调AVC和省调AVC进行协调控制，这一阶段可观测到网损略有微小的上升（此时以消除越限为最优先目的），500kV流向220kV的无功单调减少。

北郊站500kV#1母线电压单调下降，很快消除了越限，最终稳定在526.88kV，广蓄B厂控制母线电压保持较低水平（响应网调的降压指令后保持），机端电压单调上升，进相深度大幅下降；省调在关口附近的机组：珠江厂.1G、展能厂1G、德胜厂.1G无功出力持续下降，恢复到合理范围，最终高于基态无功出力是由于网调电压水平有所降低。

综上所述，当网调出现电压越限的母线在省调模型范围之外时，独立控制下省调和网调的控制目标不一致，将会出现控制引起的电压波动以及无功流动不合理现象；通过网省协调电压控制，将网调和省调的控制目标统一起来，避免震荡，可以消除不合理的电压越限和不合理的无功流动。结论

本文研究和分析了南方电网自动电压控制面临的主要难点问题，并有针对性的提出了适用于南方电网的协调电压控制模式，涵盖了南网直调与省（区）中调间的协调，并通过仿真系统验证了其有效性。南网网省协调AVC建成和投运将有效提升运行人员对大型电网的驾驭能力，对实现南方电网的安全、稳定、经济运行具有重大意义。参考文献

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学, 2005.GUO Qinglai.Study on hierarchical reactive power and voltage control system for power networks[D].Beijing: Tsinghua University, 2005.作者简介：

陈江澜，（1986－），男，湖南岳阳人，博士研究生，研究方向是电力系统无功电压控制，chenjl04@mails.tsinghua.edu.cn

王 彬，（1984－），男，河北衡水人，博士研究生，研究方向是电力系统无功电压控制，b-wang@mails.tsinghua.edu.cn

郭庆来，（1979－），男，吉林吉林人，副教授，研究方向为调度自动化和无功电压优化控制，guoqinglai@mail.tsighua.edu.cn；

孙宏斌，（1969－），男，浙江天台人，教授，博士生导师，国家级教学名师，国家杰出青年科学基金获得者，从事调度自动化和配电自动化的研究、教学和开发工作，本文通信作者，shb@tsinghua.edu.cn。

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