220kV变电站无功电压调控去失配方法

摘要

本发明提供的220kV变电站无功电压调控去失配方法，对运行管理中引起的省地两级电网无功电压调控失配风险进行定量评估，当风险超过阈值时，启动去失配策略，用于解决由于省调与地调两级电网控制策略配合不当而发生无功电压调控失配进而影响大电网运行安全和经济性的问题，填补了工程界的空白。该方法具体步骤如下：首先监测220kV变电站的状态变量；接着分别计算相应的失配指标和运行失配度指标

说明书

技术领域

本发明涉及大电网省地无功电压调控配合的运行管理技术，具体涉及220 kV变电站无功电压调控去失配方法。

背景技术

自动电压控制(Automatic Voltage Control，简称AVC)已逐渐成为无功 电压调控的主要手段。常规运行方式下，省调可以利用AVC，通过现有AVC策略， 在较少的无功电压调节代价下，实现电网无功电压的区域调控和就地校正。然 而实践中发现，在极端运行方式下，现有的AVC策略存在局限，往往难以保证 充分利用220kV变电站无功电压控制设备来兼顾省地两级电网无功电压调控 的需求，难以实现电网无功电压的全局趋优控制。此时虽然变压器低压侧电压 V_L和关口无功Q_H处在控制策略的合格区间，变电站存在可用无功资源但无功电 压控制系统却无作为，导致变压器高压侧电压V_H仍出现了偏高或偏低的调控失 配现象。

对下层电网而言，调节220kV变电站主变压器分接头进行区域电压调控是 其协调控制策略的最佳选择，可以整体改善下层电网电压质量而且操作最少， 即便该下层电网仍有可投切无功资源，也会维持不动。同时，由于电容器、电 抗器、主变压器分接头等属于有限次数的离散调节设备，需考虑调节代价，不 宜过于频繁投切。由于常规运行方式下，某变电站多一次调节或少一次调节对 于电网整体的节能降耗影响不大，以致AVC的无功定值合格区间通常设置较宽， 以致下层无功电压较易达到合格状态而减少调控设备的操作。因此，如果关口 电压高而中低压侧电压不越限，只要高压侧关口无功不越限，下层电网的无功 补偿同样不会做出调控。但这就破坏了无功就地平衡的优化局面，在实际工程 中往往表现为下层电网设备调控次数少，并给上层电网调控带来了较大难度。

对于上层电网，220kV变电站主变压器高压侧电压V_H偏高(或偏低)意味 着该区域无功富余(或紧缺)，若由上层电网来吸收(或下送)，难度将随着系 统负荷水平变轻(或变重)而增大。而从全网无功优化的角度来看，由远方发 电厂或者500kV变电站进行无功控制比起各220kV变电站无功就地平衡不利于 节能降耗。因此，实际上上层电网是希望先着手区域无功调控力求无功就地平 衡，最后进行区域电压调控。更何况，220kV主变压器调压的结果会导致上下 层的无功潮流进一步恶化。尤其在极端运行方式下，随着下层电网倒送(或消 耗)无功的增多，下层电网过分依赖上层电网的调控，电网损耗增大，严重时 将影响电网的电压安全稳定。此时需要下层电网适当吸收(发出)无功功率以 支撑上层电网调控。

因此，迫切需要对运行管理中引起的省地两级电网无功电压调控失配风险 进行定量评估。当风险没有超过阈值时，维持现有AVC策略，当风险超过阈值 时，启动去失配策略，以解决由于省调与地调两级电网控制策略配合不当而发 生无功电压调控失配进而影响大电网运行安全和经济性的问题。以优化全网无 功潮流，改善系统各级电压水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种220kV变电站无功电压调控去失配方法，对运 行管理中引起的省地两级电网无功电压调控失配风险进行定量评估，当风险超 过阈值时，启动去失配策略，用于解决由于省调与地调两级电网控制策略配合 不当而发生无功电压调控失配进而影响大电网运行安全和经济性的问题。

本发明的220kV变电站无功电压调控去失配方法，包括步骤：

(1)监测220kV变电站各时刻的状态变量，即主变压器高压侧电压V_H、 主变压器低压侧电压V_L、关口无功Q_H和站内可用无功补偿容量Q_C；

(2)计算上述变量的失配指标，包括主变压器高压侧电压失配度λ_VH、主 变压器低压侧电压失配度λ_VL、关口无功失配度λ_QH、站内可用无功资源失配度 λ_QC；

(3)通过模糊算子实现上述指标的整合，获得该变电站的电压调控失配 风险，即运行失配度δ_∑；

(4)当运行失配度超过阈值δ₀时，若主变压器高压侧电压V_H偏高，即高 于软约束上限V_Hmax，则退出待切电容器，或投入待投电抗器；若主变压器高压 侧电压V_H偏低，即低于软约束下限V_Hmin，则退出待切电抗器，或投入待投电容 器。

上述方法中，220kV变电站所呈现的无功电压调控失配是指，在较极端运 行方式下，即重载或者轻载，主变压器低压侧电压V_L和关口无功Q_H处在控制策 略的合格区间，变电站存在可用无功资源但无功电压控制系统却无作为，导致 主变压器高压侧电压V_H仍出现了偏高或偏低的调控失配现象。

其中，变电站的相关变量，即主变压器高压侧电压V_H、主变压器低压侧电 压V_L、关口无功Q_H和站内可用无功补偿容量Q_C，反映了形成变电站的无功电压 调控失配现象的各因素。可运用数学工具对各因素引起的失配风险进行量化， 获得相应的变电站运行失配度指标。

本发明中变电站相关运行变量的失配指标，包括主变压器高压侧电压失配 度λ_VH、主变压器低压侧电压失配度λ_VL、关口无功失配度λ_QH站内可用无功 资源失配度λ_QC

(1)主变压器高压侧电压失配度λ_VH的计算：

将主变压器高压侧电压V_H代入式(1)，计算获得主变压器高压侧电压失配 度λ_VH，

${\lambda }_{\mathrm{VH}}=\left(\begin{array}{cc}1& V_H\in \left(\mathrm{0.900,0.987}\right)\\ e^{-{\left(\frac{V_H-0.9870}{0.0215}\right)}^2}& V_H\in \left[\mathrm{0.987,1.050}\right]\\ e^{-{\left(\frac{V_H-1.0700}{0.0072}\right)}^2}& V_H\in \left[\mathrm{1.050,1.070}\right]\\ 1& V_H\in \left(\mathrm{1.070,1.100}\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中主变压器高压侧电压V_H软约束上下限V_Hmax和V_Hmin的标幺值分别为 1.064、1.005，硬约束上下限的标幺值分别为1.070、0.970，所述软约束是变 电站电压无功综合控制(Voltage Quality Control，简称VQC)或自动电压控 制(Automatic Voltage Control，简称AVC)的电压合格区间的上下限值，所 述硬约束是220kV变电站的无功电压调控中主变压器高压侧电压考核合格区 间的上下限值；

式(1)相关参数的选择是考虑到，工程中主变压器高压侧电压V_H在 [1.020，1.060]区间时，电网网损较小，运行经济性较好，若电压偏离该区间 上下限越多，则运行失配风险越高，考虑到主变压器高压侧电压V_H越偏离区间 上限对变电站设备的影响较大，使得量化主变压器高压侧电压V_H所得的失配风 险函数曲线中[1.050，1.070]区间中主变压器高压侧电压失配度λ_VH递增斜率 相对[0.987，1.050]区间的递减斜率绝对值更大；

因此，大方式下，主变压器高压侧电压V_H偏低，主变压器高压侧电压失配 度λ_VH随主变压器高压侧电压V_H的递减而单调递增。当主变压器高压侧电压V_H超出软约束下限时，主变压器高压侧电压失配度λ_VH迅速接近于1，主变压器高 压侧电压V_H标幺值为1.005时，主变压器高压侧电压失配度λ_VH为0.5。小方式 下，主变压器高压侧电压V_H偏高，主变压器高压侧电压失配度λ_VH随主变压器 高压侧电压V_H的递增而单调递增。当主变压器高压侧电压V_H接近软约束上限时， 即1.070时，主变压器高压侧电压失配度λ_VH迅速接近于1，主变压器高压侧电 压V_H标幺值为1.064时，主变压器高压侧电压失配度λ_VH为0.5。当主变压器高 压侧电压V_H在[1.020，1.060]区间时，无功电压调控效果较为理想，此时主变 压器高压侧电压失配度λ_VH接近于0。

(2)主变压器低压侧电压失配度λ_VL和关口无功失配度λ_QH的计算：

将主变压器低压侧电压V_L代入式(2)，计算获得主变压器低压侧电压失配 度λ_VL；将关口无功Q_H代入式(3)，计算获得关口无功失配度λ_QH，

${\lambda }_{\mathrm{VL}}=\left(\begin{array}{cc}1& V_L\in [V_{\min },V_{\max }]\\ 0& V_L\notin [V_{\min },V_{\max }]\end{array}\right)---\left(2\right)$

${\lambda }_{\mathrm{QH}}=\left(\begin{array}{cc}1& Q_H\in [Q_{\min },Q_{\max }]\\ 0& Q_H\notin [Q_{\min },Q_{\max }]\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，V_max和V_min分别为主变压器低压侧电压软约束的上下限值，Q_max和Q_min 分别为主变压器关口无功的上下限值；

式(2)和式(3)相关参数的选择是考虑到，当主变压器低压侧电压或关口无 功出现越限现象时，可通过变电站VQC或AVC系统进行就地校正，变电站主变压 器低压侧电压或关口无功出现不合格的主要原因是站内无功电压调控资源不 足，而这种失配情况不属于运行失配的范畴，使得变压器低压侧电压、关口无 功在合格区间是运行失配的必要条件。

(3)站内可用无功资源失配度λ_QC的计算：

大方式下，将站内可用无功资源的容量Q_C代入式(4)，获得站内可用无功 资源失配度λ_QC；小方式下，将Q_C代入式(5)，获得站内可用无功资源失配度λ_QC，

${\lambda }_{\mathrm{QC}}=\left(\begin{array}{cc}1& Q_C\ge Q_{C0}\\ 0& Q_C=0\end{array}\right)---\left(4\right)$

${\lambda }_{\mathrm{QC}}=\left(\begin{array}{cc}1& Q_C\le -Q_{C0}\\ 0& Q_C\ge 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

式中Q_C0为单组补偿容量；

式(4)和式(5)相关参数的选择是考虑到，自动电压控制系统控制下，站内 无功资源是否可用反映了变电站的失配程度，大方式下，主变压器高压侧电压 V_H偏低，主变压器高压侧电压失配度λ_VH大于0.5时，站内存在可投电容器但未 投，或有可切电抗器但未切，是无功电压调控运行失配现象的必要条件，否则 不属于运行失配范畴；小方式下，主变压器高压侧电压V_H偏高，主变压器高压 侧电压失配度λ_VH大于0.5时，站内存在可投电抗器但未投，或可切电容器但未 切，是无功电压调控运行失配现象的必要条件，否则不属于运行失配范畴，可 投电容器等价于可切电抗器，可切电容器等价于可投电抗器。

本发明通过模糊算子对相应失配指标进行整合，获得运行失配度指标δ_∑， 可用来表明整个变电站的失配风险：

δ_∑＝(λ_QH∧λ_VL)g(λ_QC∧λ_VH)(6)

式(6)中，∧和·为模糊算子，∧取各指标中的最小值，·代表普通实数乘 法；只有λ_QH和λ_VL同为1，即低压侧电压和关口无功均合格是运行失配的必要 条件；(λ_QC∧λ_VH)说明了在自动电压控制系统控制下站内存在可投切无功补 偿时，主变压器高压侧电压失配度λ_VH是变电站失配程度的关键影响因素。

0.5是本发明所提运行失配度的阈值δ₀，当评估所得的运行失配度δ_∑大 于0.5时，说明该变电站出现调控失配现象，并随着失配风险的增大，失配程 度越来越大；而当变电站计算所得的δ_∑小于0.5时，该变电站没有出现调控失 配，但随着失配风险的增加，越接近0.5，发生调控失配的风险越大。

与现有技术相比，本发明填补了工程界的空白，具有以下优点：

(1)本发明实现了省地两级电网无功电压调控失配风险的定量评估；

(2)本发明强调只在失配风险超过阈值时，才启动去失配策略，使220kV 变电站优先协助上层电网进行区域无功调控，失配风险较小时，220kV变电站 服务于下层电网电压调控需要，而不是任何时候都服务于上层无功调控需求， 避免调控设备的频繁动作；

(3)本发明实现省地上下层电网无功电压调控的协调和优化。以优化全 网无功潮流，改善系统各级电压水平。

附图说明

图1为本发明220kV变电站无功电压调控去失配方法的流程图。

图2为实际运行情况主变压器高压侧关口无功曲线。

图3为实际运行情况主变压器高低压侧电压和运行失配度曲线。

图4为本发明应用后主变压器高低压侧电压和运行失配度曲线。

具体实施方式

以下对广东电网220kV董塘变电站进行实例分析。该变电站供电区域内含 有一些小水电，又有矿业和冶金业，负荷波动较大。

结合图1评估流程，220kV变电站无功电压调控去失配方法包括以下步骤：

(1)监测董塘变电站各时刻的状态变量，即主变压器高压侧电压V_H、主 变压器低压侧电压V_L、关口无功Q_H和站内可用无功补偿容量Q_C；

(2)计算上述变量的失配指标，包括主变压器高压侧电压失配度λ_VH、主 变压器低压侧电压失配度λ_VL、关口无功失配度λ_QH、站内可用无功资源失配度 λ_QC；

(3)通过模糊算子实现上述指标的整合，获得该变电站的电压调控失配 风险，即运行失配度δ_∑；

(4)当运行失配度超过0.5时，若主变压器高压侧电压V_H偏高，即高于软 约束上限V_Hmax，则退出待切电容器，或投入待投电抗器；若主变压器高压侧电 压V_H偏低，即低于软约束下限V_Hmin，则退出待切电抗器，或投入待投电容器。

以小方式下电网公司提供的该站#1主变压器2011年1月15日全天96个运行 点(断面)为例，该主变压器配置有2组容量为7.8Mvar的电容器和2组容量为 8Mvar的电抗器，图2示出了各运行点主变压器关口无功曲线，图3示出了各运 行点主变压器高低压侧电压和运行失配度曲线。将现行AVC策略下实际运行情 况(图2和图3)和采用本发明后的无功电压调控效果(图4)进行了对比，各 变量的下标中0表示实际运行状态，1表示去失配状态。AVC策略的阈值如表1 所示。

表1策略定值

#1主变压器原投入电容器一组。在现行AVC策略控制下，虽然一天96点内 变压器低压侧电压V_L和高压侧的关口无功Q_H处于合格区间，但从19点开始，关 口无功Q_H为负，功率因数接近1.0，且主变压器高压侧电压V_H偏高，高于234.0 kV，甚至反复高于允许值235.4kV，即图3中的1.07p.u.，说明此时上层电网对 下层电网无功电压调控援助的需求强烈，而该主变压器当天却一直维持着一组 电容器的投入状态，不能利用站内可用的无功调控设备来支援上层电网，发生 了本发明所述的无功电压调控失配现象。

此时若将电容器退出，将对全系统有利：既保证了上层电网的无功就地平 衡的局面，又降低过电压带来的站内设备和电网运行风险。这就表明了现有的 地区AVC策略在小方式下缺少为上层电网调控负责任的动力。此时运行失配度 δ_∑较高，多次达到1.0。

而采用本发明后，可于第19点将一组电容器退出。退出后，主变压器高压 侧电压V_H仍偏高，但运行失配度δ_∑明显降低，低于0.5。随后依据策略将在第 49和54点相继投入两组电抗器，关口下送无功增多，有效支援了上层电网无功 电压调控，运行失配度δ_∑虽然高于0.5，但比图3的低。第54至73点由于已无 电抗器可投，即使主变压器高压侧电压超过234kV，此时站内无功电压调控资 源不足，不属于本发明所解决的问题，站内可用无功资源失配度λ_QC为零，因 此运行失配度为零。待到第74点时，随着一组电抗器的退出，站内可用无功资 源失配度λ_QC恢复为1.0，主变压器高压侧电压V_H已回到中上水平，但此时主变 压器低压侧电压V_L越下限，依据策略将退出一组电抗器。第90点时，由于关口 无功Q_H越上限，将再退出一组电抗器。

由图4可见，采用本发明后全天的主变压器低压侧电压V_L和关口无功Q_H均满 足原有AVC判据，而且避免了主变压器高压侧电压V_H高于允许值235.4kV，即硬 约束，的越限情况，系统电压质量和设备安全性得到了改善，运行失配度明显 降低。虽然当天无功调节设备的动作次数有所增多，但是每台设备也就最多投 退了各一次，调节代价小，是完全允许的。

采用本发明后，图4相对图3运行失配度δ_∑明显降低。但由于单个站的去 失配调控对上层电网无功电压水平的影响力有限，致使在49至74点，上层电网 无功盈余电压偏高时，本站的去失配调控没能避免运行失配度δ_∑高于0.5的运 行点。因此，为改善上层电网无功电压水平，需考虑在区域多个变电站中采用 本发明，才能在区域中实现下层电网对上层电网的有效支援，最终改善区域无 功电压水平。

可见，本发明可对任何时刻下策略欠缺或者不当引起的省地两级电网无功 电压调控失配风险进行定量评估，使得常规方式220kV变电站优先协助下层电 网进行区域电压调控，失配风险超过阈值时，220kV变电站优先协助上层电网 进行区域无功调控，从而最终实现省地上下层电网无功电压调控的协调和优 化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之 内。