一种面向多级目标的配网全局电压无功协调控制方法

摘要

本发明涉及一种面向多级目标的配网全局电压无功协调控制方法，包括下述步骤：A、对县调系统的网络结构进行实时拓扑分析，根据实际情况将其分成若干个关口区域，各关口区域内包含下级电网的若干个调控单元；B、确定各关口区域内每个调控单元运行在AVQC改进九域图中的位置，形成调控单元的电容器和变压器档位调节策略，进而形成调控单元的最优和次优调节方案；C、各关口区域根据电容器和变压器档位调节策略形成组合协调控制方案。该方法采用面向多级控制目标的分层分区电压无功控制策略，在满足所辖区域内电压无功控制要求的同时，配合和满足上级电网的电压无功控制要求，实现上级和下级电网电压无功的协调控制，优化整个电网的电压无功运行水平。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统全局电压无功优化领域，具体涉及一种面向多级目标的配网全局电 压无功协调控制方法。

背景技术

电力系统中，电压质量是一个很重要的安全性指标，无功优化则是实现电力系统的经济 运行的重要方面，无功更是支撑网络电压水平的重要因素，因此为了保证电力系统安全、稳 定和优质地运行，VQC电压无功调节受到了广泛的重视。电力系统中的电压无功控制方式有 三类，第一类是变电站电压无功控制，包括调度自动化系统基于九域图的无功电压控制、变 电站无功自动补偿装置两种，仅以变电站内的无功电压水平为判断依据进行调节；第二类是 区域电压无功控制，以南京河海电力软件有限公司地区电网电压无功优化运行闭环控制系统 为代表，采用分布式二级控制；第三类是大电网中的动态无功优化，主要通过调节发电机励 磁装置等来改变并网运行的发电机对大电网的无功供给，动态优化大电网的无功。目前在配 电网中应用较广的是第一类和第二类电压无功控制方式。

我国电力系统根据调度的范围将调度分为五级：国调、网调、省调、地调和县调（目前 正在向县调一体化的方向发展），这种调度方法可以方便的实现对电网的分层调度。但电网是 个整体，为实现电网运行的优化控制，需要上下级电网之间联合协调控制，尤其在电压无功 控制领域，这样的要求更加明显。随着我国电压无功控制软件在现场的广泛应用，上下级电 网的电压无功联合协调控制成为电压无功控制的新需求。通过上下级电网间的电压无功优化 联合控制，可以优化上级电网的电压无功控制水平，为下级电网提供更好的电压质量。下级 电网在更好的电压水平的基础上，可以减少电压无功控制设备的动作次数，优化自身的电压 无功控制。所以上下级电网之间的电压无功控制相互促进，相互影响，共同提高电网的电压 质量，改善无功功率分布。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种面向多级目标的配网全局电压无功协调控制方法， 该方法采用面向多级控制目标的分层分区电压无功控制策略，在满足所辖区域内电压无功控 制要求的同时，配合和满足上级电网的电压无功控制要求，从而实现上级电网和下级电网电 压无功的协调控制，优化整个电网的电压无功运行水平。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种面向多级目标的配网全局电压无功协调控制方法，其改进之处在于，所述方法包括 下述步骤：

A、对县调系统的网络结构进行实时拓扑分析，根据实际情况将其分成若干个关口区域， 各关口区域内包含下级电网的若干个调控单元；

B、确定各关口区域内每个调控单元运行在AVQC改进九域图，形成调控单元的电容器 投切和变压器档位调节策略，进而形成调控单元的最优和次优调节方案；

C、所述各关口区域根据全局电压无功控制需要形成调控单元组合协调控制方案。

其中，所述方法在无功电压协调控制时达到的三级控制目标包括：关口区域变电站电压 控制目标、关口功率因数控制目标和关口区域变电站内无功控制目标。

其中，所述关口区域变电站内母线电压控制在预警上限和预警下限（地级调度每季度给 县级调度下发电压合格指标，县级调度在此区间内设定每个变电站母线电压的上、下限以及 理想上、下限值，预警上限位于上限与理想上限之间，一般取其中间值，预警下限位于下限 与理想下限之间，同样一般取其中间值）之间，所述关口区域变电站电压控制目标即为AVQC 的一级控制目标。

其中，所述关口功率因数的上限和下限即为AVQC的二级控制目标。

其中，在所述AVQC计算过程中，将功率因数指标转化为无功功率指标；当关口无功功 率倒送时，关口功率因数为负值，关口功率因数和关口无功功率Q用下述①和②式表 示：

当关口无功功率未倒送时，关口功率因数为正值，关口功率因数和关口无功功率Q 用下述③和④式表示：

根据关口功率因数上限值下限值及关口有功功率P获得关口无功功率 的上限值Q_max和下限值Q_max，关口无功功率平均值即中间值为Q_mid。

其中，所述关口区域变电站内无功控制目标即为AVQC的三级控制目标。

其中，所述步骤B中，所述改进九域图包括主投区域、备投区域、主切区域、备切区域、 候切区域和调档区域六种。

其中，所述主投区域为优先投入电容器区域；所述备投区域为次优投入电容器区域；所 述主切区域为优先切除电容器区域；所述备切区域为次优切除电容器区域；所述候切区域为 次优切除电容器区域；所述调档区域为调整变压器档位区域。

其中，所述步骤C中，所述形成组合协调控制方案包括下述步骤：

1）变电站调控单元强行切除电容器操作；

2）执行组合电容器投、切策略；

3）执行变压器档位调节策略。

其中，所述步骤1）中，对单个变电站调控单元，其无功倒送容量不得超过规定限值（规 定限值正常控制在调控单元低压端电容器容量的50%以内）；对于无功倒送超过规定限值的变 电站调控单元执行强行切除电容器的操作。

其中，所述步骤2）中，执行组合电容器调节策略包括下述步骤：

a、寻求最优方案的组合满足关口功率因数在上下限范围内；

b、若步骤a无法满足关口功率因数要求，则执行最优方案-次优方案的组合；

c、若步骤b无法满足关口功率因数的要求，在关口区域内所有调控单元方案中选取一个 执行，使得调节后关口无功功率Q最接近Q_mid。

其中，所述步骤3）中，未执行电容器投切策略而电压高于预警上限值或低于预警下限 值的调控单元执行相应的升、降档措施；

执行相应的升、降档措施时遵循电压等级高的上级变压器档位优先调节的原则：当上级 变电站调控单元执行投入电容器或变压器升档的调节策略，则下一级变电站与之相连的调控 单元不产生变压器升档策略；当上一级变电站调控单元执行切除电容器或变压器降档的调节 策略，则下一级变电站与之相连的调控单元不产生变压器降档策略。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提出的三个分级目标，即关口区域变电站电压合格控制、关口功率因数控制、 变电站内无功控制，每级控制目标都以之前控制目标的实现为前提，较传统的VQC无功电压 软件而言，不仅具有全局性，满足地级调度和县级调度进行电压无功联合协调控制的需求， 同时满足电网电压合格的重要性>全局无功优化的重要性>局部无功优化的重要性的原则性 需求，每级控制目标都以之前控制目标的实现为前提，保证控制目标的分级控制。

2、本发明对改进九域图的区域划分进行了二次调整，将改进九域图重新划分为六大类区 域，即主投区域（优先投入电容器区域）、备投区域（次优投入电容器区域）、主切区域（优 先切除电容器区域）、备切区域（次优切除电容器区域）、候切区域（次优切除电容器区域）、 调档区域(仅执行调档策略区域)，形成了新改进九域图。这种划分原则不但考虑了调控单元 电压无功所处区域，更结合考虑了调控单元电容器投切和变压器档位调节资源的情况及其对 电压、无功调控效果，形成了局部优先和局部次优的调节方案，为全局电压无功优化提供了 基础保障。

3、本发明采用了对于面向多目标的协调控制方法，体现在组合策略的形成上：首先，变 电站紧急强切电容器控制是变电站运行规程的要求优先执行；其次，在组合电容器调节策略 的形成上，分步实时估算适合的组合方案，按电压合格、关口功率因数与局部无功水平同时 满足为控制目标，无法实现则降低标准以电压合格、关口功率因数为控制目标，仍无法实现 继续降低标准仅以电压合格为控制目标；最后，执行组合调档策略。该协调控制方法能够实 现多目标的分级控制，避免出现无同时满足三级控制目标解存在而无法给出组合协调控制策 略的情况，具有可根据电网实际运行情况以目标的分级实现为指导提出可行方案的优点。

4、本发明组合变压器档位调节策略是电压合格控制的重要组成部分，坚持电压的分层调 节，上级调节优先，具有避免上下两级间同向调节措施产生效果的叠加到的优点。

5、在提高关口区域内所有电容器资源利用率方面，选择在组合协调控制的过程中，借助 使用时间先后以及容量大小两项指标，实时筛选适合动作的电容器资源，具有能够充分利用 所有电容器资源的优点。

6、通过对调控单元电容器投入的无功限值（电容器投入后调控单元无功倒送容量不得超 过该限值）和调控单元强行切除电容器的无功倒送限值（调控单元无功倒送超过该限值必须 强制执行切除电容器的操作）的差别设置，允许变电站内无功存在一定的波动空间，具有避 免站内的电容器不断投切的震荡现象的优点。

附图说明

图1是本发明提供的AVQC（无功电压优化自动控制）关口区域结构图；

图2是本发明提供的AVQC新改进九域图及其区域分类示意图；

图3是本发明提供的AVQC协调控制方法流程图；

图4是本发明提供的AVQC组合协调控制方案形成过程详细图解。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明是全局电压无功控制的AVQC，本着分层分区、就地补偿的原则，与上级调度进 行电压、无功的协调控制，在保证各级电压水平的前提下，实现区域无功的就地平衡，从而 降低网络有功损耗，提高用电效率。本发明提供的AVQC协调控制方法流程如图3所示，该 方法包括下述步骤：

A、对县调系统的网络结构进行实时拓扑分析，根据实际情况并将其分成若干个关口区 域，各关口区域内包含下级电网的若干个调控单元；

AVQC的三级控制目标：

目前要求地级调度自动化系统和县级调度自动化系统实现对上、下级电网的无功电压联 合控制，实际情况是：在无功功率方面，上级调度只能获得两极电网间的交换功率及下级电 网的无功调节能力的相关数据，在电压水平方面，上级调度无法观测下级电网的电压情况， 造成上、下级调度系统在协调控制的过程中，地调仅考虑上、下级电网交换功率的限制而形 成无功电压实时优化指导方案，无法顾及下级电网的电压状况，而电压水平是电网安全稳定 的重要指标，因此下级调度自动化系统必须在配合上级电网进行功率调节的同时主动调整区 域内电压水平，然后才能考虑为进一步降低区域内网络损耗而优化下级电网区域内局部无功 功率水平。

上级电网下发的针对交换功率的调节指标是以功率因数上、下限的形式给出的，其原因 在于：对上级电网来说，在下级配电网吸收有功功率一定的情况下，无功功率消耗越少则功 率因数越高，这不仅实现了对上级电网电压水平的支撑，同时可缩小上级电网相邻节点间功 率因数的差值，降低上级电网功率损耗，从而有助于上级电网的经济运行。所需电能完全由 上级电网直接供给；县调下级电网呈辐射状结构，在上级电网220KV等级变电站的35KV、 110KV出线侧设立关口，分别往下拓扑，可获得相互独立的若干区域，名为关口区域，流通 于关口的交换功率即关口区域吸收的总功率，关口区域结构图如图1所示。

本发明提供了下级电网在与上级电网实现无功电压协调控制时的三级控制目标：区域电 压水平作为一级控制目标，区域关口功率因数作为二级控制目标，区域变电站内无功功率作 为三级控制目标，根据电网电压合格的重要性>全局无功优化的重要性>局部无功优化的重要 性的原则，每级控制目标都以之前控制目标的实现为前提，保证控制目标的分级控制。

I、关口区域变电站电压控制目标：

关口区域变电站内的电压要求控制在预警上限和预警下限之间，这也是AVQC的一级控 制目标。预警上限和预警下限指的是地级调度每季度给县级调度下发电压合格指标，县级调 度在此区间内设定每个变电站母线电压的上、下限以及理想上、下限值，预警上限位于上限 与理想上限之间，一般取其中间值，预警下限位于下限与理想下限之间，同样一般取其中间 值

II、关口功率因数控制目标：

地调实时下发给县调的关口功率因数调节上限和下限即为AVQC的二级 控制目标。为了更直接地利用区域内可调控的电容器资源，AVQC在计算过程中，将功率因 数指标转化为无功功率指标，具体方式如下：

有功功率是从上级电网流向下级电网，而无功功率则不然，用电负荷特性对其影响较大。 例如在实际配电网络中，白天高峰时段关口无功功率由地调流向县调，可能出现关口功率因 数偏小，电力网络中电压水平偏低的现象，需要县调系统及时就地进行无功补偿；而到晚上， 关口的无功功率流向相反，有出现倒送的情况，造成电力网络中电压水平过高，需要县调系 统及时切除电容器，协助系统及时消纳过剩的无功。关口功率因数关口无功功率Q和 关口有功功率P的换算方式根据关口无功的流动方向的不同，具有一定的差异。当关口无功 功率倒送时，关口功率因数为负值，关口功率因数和关口无功功率Q用下述①和②式表 示：

当关口无功功率未倒送时，关口功率因数为正值，关口功率因数和关口无功功率Q 用下述③和④式表示：

根据关口功率因数上限值下限值及关口有功功率P获得关口无功功率 的上限值Q_max和下限值Q_max，关口无功功率平均值即中间值为Q_mid。

III、变电站内无功控制目标：

关口区域变电站内的调控单元[1]无功的最佳位置是在改进九域图[1]的中间位置，因为无功 功率处在该区域是，局部网损最小，这也是AVQC的第三级控制目标。

B、确定各关口区域内每个调控单元运行在AVQC改进九域图中的位置，形成调控单元 的电容器和变压器档位调节策略，进而形成调控单元的最优和次优调节方案；

（1）AVQC系统中调控单元的区域划分：

AVQC的无功电压调节资源即关口区域内所有调控单元的电容器投、切资源及有载调压 变压器的档位调节资源。本发明在改进九域图的区域划分基础上，结合考虑调控单元调控资 源的情况及其调节效果，将其改进九域图重新划分为六大类区域，提出来新改进九域图，如 图2所示，六大类区域包括主投区域、备投区域、主切区域、备切区域、候切区域和调档区 域。其中，在判断调控单元是否具有可投入电容器资源时，增加对调控单元电容器投入的无 功限值（电容器投入后调控单元无功倒送容量不得超过该限值）的设置，且和调控单元强行 切除电容器的无功倒送限值（调控单元无功倒送超过该限值必须强制执行切除电容器的操作） 有所差别。如调控单元电容器投入的无功限值设置为40%，无功倒送强切上限设置为50%， 那么估算投入后将导致调控单元无功倒送超40%的电容器将不作为可投入电容器资源，而当 调控单元无功倒送超过50%时将强行切除处于投入状态的电容器资源。如此允许变电站内无 功存在一定的波动空间，可避免出现站内电容器不断投切的震荡现象。

主投区域（优先投入电容器区域）：对应改进九域图2中的1区和2区。其中处在1区的 调控单元，电压低于预警下限值且吸收较多无功，因此投入电容器是兼顾一级电压控制目标 和三级局部无功控制目标的最优单元调节方案，升高变压器档位是仅满足一级电压控制目标 的次优单元调节方案；处在2区的调控单元，电压正常但吸收较多无功，变压器可降档，因 此先投入电容器后降档是兼顾一级电压控制目标和三级局部无功控制目标的最优单元调节方 案，不调节维持电压的正常水平则是仅满足一级电压控制目标的次优单元调节方案。

备投区域（次优投入电容器区域）：对应改进九域图2中的3区。处在3区的调控单元， 电压无功水平都处于最佳区域，具有可投入的电容器资源，变压器可降档，不调节维持电压 和无功的正常水平是兼顾一级电压控制目标和三级局部无功控制目标的最优单元调节方案， 先投入电容器后降档则是仅满足一级电压控制目标的次优单元调节方案。

主切区域（优先切除电容器区域）：对应改进九域图2中的4区。处在4区的调控单元， 电压高于预警上限值且吸收较少无功，因此切除电容器是兼顾一级电压控制目标和三级局部 无功控制目标的最优单元调节方案，降低变压器档位是仅满足一级电压控制目标的次优单元 调节方案。

备切区域（次优切除电容器区域）：对应改进九域图2中的5区和6区。处在5区的调控 单元，电压正常，吸收的无功处于正常偏少未超过无功倒送上限的范围内，具有可切除电容 器资源和变压器升档资源，不调节是兼顾一级电压控制目标和三级局部无功控制目标的最优 单元调节方案，先切电容器后升档是仅满足一级电压控制目标的次优单元调节方案。处在6 区的调控单元，电压高于预警上限值，吸收的无功处于正常范围内，具有可切除电容器资源 和变压器降档资源，降低档位是兼顾一级电压控制目标和三级局部无功控制目标的最优单元 调节方案，切除电容器是仅满足一级电压控制目标的次优单元调节方案。

候切区域（次优切除电容器区域）：对应改进九域图2中的3区。处在3区的调控单元， 电压正常，吸收的无功也处于正常范围内，但具有可切除的电容器资源，变压器可升档，因 此不调节维持电压和无功的正常水平是兼顾一级电压控制目标和三级局部无功控制目标的最 优单元调节方案，先切除电容器后升档则是仅满足一级电压控制目标的次优单元调节方案。

调档区域(仅执行调档策略区域)：对应改进九域图中的7、8、9区。处在7区的调控单 元电压偏高，无功处于正常范围，仅进行变压器降档的操作；处在8、9区的调控单元电压偏 低，无功偏高，仅进行变压器升档操作。

C、各关口区域根据电容器和变压器档位调节策略形成组合协调控制方案。

组合协调控制方案总共包含3步，保证电力系统安全运行的基础上实现三级调控目标。

AVQC组合协调控制方案形成过程详细图解如图4所示，图中，Q为关口无功功率估计 值，Qmax、Qmin分别为关口无功功率调节上限、下限，Qmid为Qmax和Qmin的中间值， q为可投入、可切除电容器的额定无功；“主切数组”是对同一关口区域内且电压、无功位于 新改进九域图“主切区域”的调控单元，先按可切除电容器的上一次动作时间先后排序，上 次动作时间差不多的按容量大小进行排序，其余“备切数组”、“候切数组”、“主投数组”、“备 投数组”排序方法相同，其调控单元分别位于“备切区域”、“候切区域”、“主投区域”、“备 投区域”。

1）变电站紧急强切电容器控制：对单个变电站而言，其无功倒送容量不得超过规定限值， 否则影响变电站的安全稳定运行也不符合变电站运行规程。因此，对于无功倒送超过规定限 制的变电站调控单元执行强行切除电容器的操作。

2）组合电容器投、切策略：对于满足三级调控目标，先形成组合电容器调节方案。

a、寻求最优方案的组合（考虑电压-区域无功）以满足关口功率因数在上下限范围内；

b、若步骤a无法满足关口功率因数要求，则执行第二步寻求最优方案（考虑电压-区域 无功）-次优方案（考虑电压）的组合；

c、若步骤b还是无法满足关口功率因数的要求，在所有方案中选取一个执行，使得调节 后关口无功功率Q最接近Q_mid。

3）组合变压器档位调节策略：对于满足三级控制目标，继续执行组合变压器档位调节方 案。对于满足三级控制目标，继续执行组合变压器档位调节方案。对第2)步后，未执行电容 器投切措施而电压高于预警上限值或低于预警下限值的调控单元执行相应的升、将档措施。 期间遵循电压等级高的上级变压器档位优先调节的原则：当上级变电站调控单元执行了投入 电容器或变压器升档的调节措施，则下一级变电站与之相连的调控单元不产生变压器升档策 略；当上一级变电站调控单元执行了切除电容器或变压器降档的调节措施，则下一级变电站 与之相连的调控单元不产生变压器降档策略，以此避免上下两级间同向调节措施产生效果的 叠加。

本发明面向多级目标的配网全局电压无功协调控制方法，不仅具有全局性，为了满足地 级调度和县级调度进行电压无功联合协调控制的需求，同时满足电网电压合格的重要性>全 局无功优化的重要性>局部无功优化的重要性的原则性需求，提出的三个分级目标，即关口区 域变电站电压合格控制、关口功率因数控制、变电站内无功控制，每级控制目标都以之前控 制目标的实现为前提，保证控制目标的分级控制。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。