基于软分区的三级无功电压优化控制系统-清华大学科技开发部.PDF

基于软分区的三级无功电压优化控制系统 多年来，我国电网的运行和控制一直是 “重有功频率”而 “轻无功电压”。 随着“西电东送、全国联网”重大工程的实施，我国电网进入了高速发展期，其 无功电压问题日益突出。如何研究开发出适合我国电网的全局无功电压优化控制 系统，保障我国电网的安全经济运行，已经成为当务之急。 从全局来看，目前我国电网的无功电压运行并不是最优的，降低网损存在着 较大的技术空间。要改变当前的这种现状，光是靠增加无功补偿设备，增加变电 站VQC 和发电厂AVC 调压比例，并不能从根本上改变目前这种无序的调压状态。 必须在我国电网建立一个调压 “大脑”及传输命令的 “神经”通道。即在调度中 心建设一个调压的控制中心并沟通控制中心到各调压设备的命令传输，以使电网 在调度中心集中分析电网运行状态、确定调压策略，通过命令传输通道实现远程 操作目标调压设备。只有这样才能真正实现电网无功电压优化运行。 全局无功电压优化控制系统集安全和经济于一体，通过对发电机无功出力等 控制量的实时闭环优化控制，在保障大电网电压合格和无功充裕的前提下，使大 电网的网损降到最低，这对提高大电网运行的安全性和经济性具有重大意义。 与大电网现有的有功频率控制系统相比，全局无功电压优化控制的难度更 大，主要的特殊困难有：（1）需要监控的电压点多，监控复杂性高；（2 ）无功电 压的非线性强，机理复杂；（3 ）电压控制设备的作用和特点不同，在协调上存在 困难，如发电机无功出力属于连续变量，而电容器投退属于0-1 变量且有操作次 数限制等等。（4 ）无功不能远距离输送，存在局域性的电压安全质量问题。 本项成果充分借鉴了本领 域国内外最先进的研究成果。 目前国际上应用比较多也比 较成功的电压分级控制方案 包括三个层次，见右图。 显然图中每一层控制都 有其各自的目标，低层控制接 受上层的控制信号作为自己的控制目标，并向下一层发出控制设定值。三级电压 控制分别为： 一级电压控制为本地控制 （local control ），只用到本地的信息。控制器由本 区域内控制发电机的自动电压调节器 （AVC ）、变电站内的VQC （控制有载调压 分接头 （OLTC ）及可投切的电容器）等组成。对发电厂AVC 而言，控制时间常 数一般为几秒钟。在这级控制中，发电厂内控制设备AVC 通过保持输出变量尽 可能的接近设定值来补偿电压的快速、随机的变化；变电站内VQC 控制，保证 下一电压等级在合理范围内，同时保证无功的就地补偿和局部平衡。 二级电压控制的时间常数约为几十钟到分钟级，控制的主要目的是保证中枢 母线 （Pilot Node ）电压等于设定值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级 电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定参考值，二级电压 控制是一种区域控制 （Region Control ），只用到本区域内的信息。 三级电压控制是其中的最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑 电压稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使 用。在三级电压控制中要充分考虑到协调的因素，利用整个系统 （System-wide ） 的信息来进行优化计算，一般来说它的时间常数在十几分钟到小时级。 但是，我国电网的发展迅猛，运行工况也大幅变化，以硬件形式固定下来的 区域控制器难以适应，同时研制地理上分布的区域控制器，投资也很大。因此， 在我国网省调，欧洲这种三级组织模式在实现上是有困难的。 考虑到这种困难，同时也考虑到我国实际的电力调度管理体制和自动化的软 硬件基础，本项目提出了基于 “在线软分区”的全局电压优化控制的体系结构。 在该结构中，毋需建设“硬”区域电压控制器，而是在调度中心的能量管理系统 （EMS ）基础上，建设 “软”二级控制和 “软”三级控制，以软件方式来实现全 局电压控制的时空解耦，这种新的控制模式适合发展中的我国电网。 一个更好的理解三级电压控制的方法是把它和已经比较成熟的频率控制做 一个类比，频率控制和电压控制在分级上比较类似，所不同的是频率控制的控制 对象是整个系统唯一的频率值，而电压控制则不止一个对象，需要对所有中枢点 的电压进行监测和控制。一级电压控制利用AVR 等调节手段，类似于一次调频 中发电机的调速器等装置的自动动作；二次调频中使用的AGC 利用一定的控制 手段来使区域控制误差不断减小为零，可以类比于二级电压控制对中枢点电压偏 差的校正；而三次调频中通过经济调度 EDC 来设定 AGC