兼顾电压稳定的互联电网电压_无功协调控制_张安安

１ 互联电网电压／无功协调控制
设有如图 １ 所 示 的 互 联 电 网 ， 区域电网 Ａ 以 ， 节点 ｍ 条联 络 线 与 区 域 电 网 Ｂ 相 连 如 图 １ 所 示 ， ， ｉ ｈ， ｅ 分别代表区域电网 Ａ 和 Ｂ 的边界节点 。 ｊ，
Ｑ Ｑ Δ Δ · ｊ ｊ （ ｃ ｏ ｓ ｉ ｎα ｓ ∠ α α Δ ｊ ｇ ｊ＝ ｊ＝ ｊ＋ ｊ） ｖ ｖ ｊ ｊ 式中 ： ｖ ｊ 为负荷节点ｊ 的电压幅值 。 ） 则由式 （ 可得 ： ２
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ３ ２ ０ １ ４ ０ ７ １ ６ ０ １ １ ４ － － － － ） ； 国家自然科学基金资助项目 （ 国家重 点 基 础 研 究 ５ １ １ ０ ７ １ ０ ７ ） 。 发展计划 （ 资助项目 （ ９ ７ ３ 计划 ） ２ ０ １ ３ Ｃ Ｂ ２ ２ ８ ２ ０ ３
２ 有功网损与节点无功注入变化量
２ ２］ ： 电网的有功功率损耗可定义如下 ［
ｂ
Ｐ ｌ ｓ ｓ ＝ ｏ
ｉ＝１ ｂ
２ ｆ ｂ ｉ｜ ｉ｜ ＝ ∑Ｒｂ ·
·
ｂ
ｉ＝１
∑Ｒ
·
ｂ ｉ
｜ｆ ｆ ｂ ｂ ｉ ＋Δ ｉ｜ ＝
２
· ０
·
２
ｍ
ｉ＝１
０ ｇ ｉ ｆ ｂ ｉ＋ ｊ ｊΔ ∑Ｒｂ ∑Ｅｉ
（ ） ２
·
ｊ＝１
式中 ： ｍ 和ｂ 分 别 为 电 网 的 节 点 数 和 支 路 数 ； Ｒ ｂ ｉ为
０ 支路ｂ Δ ｆｂ ｆｂ ｉ 的 电 阻； ｉ为 支 路 初 始 电 流 相 量； ｉ为 支 · 路电流 变 化 量 ； Ｅ Δ ｇ ｉ ｊ 为 节 点 注 入 电 流 变 化 量； ｊ为 矩阵 Ｅ 中的元素 ， Ｅ 为根据回路分析法推导的节点 注入 电 流 变 化 量 与 支 路 电 流 变 化 量 间 的 关 系 矩 ２ ２］ 。 阵［ ０ ０ ｒ ｉ 令ｆ ｂ ｂ ｉ 和ｆ ｂ ｉ 分别为支路 ｉ 初始电流矢量的实部 · ｒ ｉ 和 分 别 的 实 部 和 虚 部； 和虚部 ； 为 且Δ Ｅ Ｅｉ Ｅｉ ｇ ｉ ｊ ｊ ｊ ｊ 与节点ｊ 注入无功改变量 Δ Ｑ ｊ 的关系如下式所示 ： ·
当 区 域 电 网 Ａ 进 行 电 压 调 控 时， 其调控 因 此 ， 结果会通过 联 络 线 影 响 区 域 电 网 Ｂ 边 界 节 点 的 电 压或注入无功的变化 ， 进而可能改变区域电网 Ｂ 的 无功分布和 电 压 水 平 。 如 果 区 域 电 网 Ａ 进 行 电 压 调控时已知 区 域 电 网 Ｂ 边 界 节 点 无 功 功 率 变 化 与 区域电网 Ｂ 有功网损和电压稳定指标间的关系 ， 则 区域电网 Ａ 的 控 制 策 略 可 能 兼 顾 本 区 域 电 网 与 相 邻区域电网的电压／无功调节 ， 实现 “ 区域电网电压／ 无功调节水平的提升不以全局或相连电网调控能力 的损失为代价 ” 的协调控制 。
ｂ
） ， 将式 （ 对各节点 Δ 再对 Ｑ ４ ５） ｊ 求偏导可得式（ ， Ｑ Δ ｊ 求偏导 可得有功损耗对节点无功变化量的海 ） 森矩阵如式 （ 所 示。 其 中 的 变 量 说 明 可 参 见 附 录 ６ 。 Ａ的Ａ １节
ｆ ［（
ｍ０ ｒ ｂ ｉ＋∑ｊ＝１ ｍＱ Ｑ Δ Δ ｊ ｊ ｒ ０ ｉ ｉ ｒ ｉ 燄 Ｅ Ｅ α α α α ｉ ｂ ｉ＋ ｉ ｉ １＋ ｆ ｉ １ ｊ Ｅ ｊ Ｅ ∑ ｖ ｖ ｊ ｊ ｊ＝１
ｂ
（ ） ３
Ｐ ｌ ｓ ｓ ＝ ｏ
ｉ＝１
０ ｒ ｆｂ ｉ ｉ ＋ ∑Ｒｂ ∑
［（
ｊ
ｍ
ｊ＝１
Ｑ Δ ｊ ｒ （ Ｅ ｉ ｎα ｉ ｊ＋ ｊｓ ｖ ｊ
ｍ ｊ＝１
图 １ 互联电网示意图 １ Ｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｏ ｗ ｅ ｒ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｆ ｉ ． ｐ ｙ ｇ
）
（ （
ｍ
） ］ ） ］
（ ） ５
Ｐ ｌ ｓ ｓ ｏ Ｑ Δ ｋ燅 燀
ｂ
Ｒ 燀∑
ｉ＝１
ｂ ｉ
１ ｖ ｋ
ｆ ［（
０ ｒ ｂ ｉ
＋∑
ｊ＝１
Ｑ Ｑ Δ Δ ｊ ｊ ｒ ０ ｉ ｉ ｒ ｉ Ｅ Ｅ α α α α ｉ ｂ ｉ＋ ｉ ｉ ｋ ＋ ｆ ｉ ｋ ｊ Ｅ ｊ Ｅ ∑ ｖ ｖ ｊ ｊ 燅 ｊ＝１
ｌ ． ３ ８ Ｎ ｏ ． １ ４ Ｖ ｏ Ｊ ｕ ｌ ２ ５， ２ ０ １ ４ ｙ
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ７ ５ ０ ０ Ａ Ｅ Ｐ Ｓ ２ ０ １ ３ ０ ７ １ ６ ０ ０ ６
兼顾电压稳定的互联电网电压／ 无功协调控制
张安安１，龚 雪１，刘 鑫２，李红伟１，邓亚文１，方 玮１
（ ） ０ １ ４， ３ ８ １ ４ ２
］ 制的纳什均衡 ； 文献 ［ 也是基于博弈论的思想 ， 通 １ ８ ／无功控制的合作博弈模型 ， 过建立大电网电压 避免 电压调控失配的问题 ； 但对于电力系统这样一个高度 复杂的动态网络 ， 高效率的纳什均衡的求解显然是十 分困难的 ， 还需要不断研究 。 ［ ］ 文献 １ 提出一种区域电压控制偏差 （ Ｃ Ｅ） ９ ＶＡ 指标以代 替 关 口 电 压 或 关 口 功 率 因 数 作 为 协 调 变 量， 能够区分无功扰动发生的区域 ， 但仿照自动发电 控制而设计的 ＶＡ Ｃ Ｅ 指标是否适应区域电压／无功 控制还有待研究 。 文 献 ［ 利 用 有 功、 无功解耦后 ２ ０］ 的网络方程推导出 边 界 节 点 的 最 优 无 功 注 入 方 案 ， 从而实现互联电网 协 调 无 功 控 制 ； 但该方法仅考虑 了单一的网损优化目标 ， 没有考虑到安全性的问题 ， 并且其最优无功注 入 量 的 求 取 也 较 为 复 杂 ， 不利于 实用 。 本文根据 “ 区域电网电压／无功调节水平的提升 不应以全局或相连 电 网 调 控 能 力 的 损 失 为 代 价 ” 的 思想 ， 以互联电网网络方程为基础 ， 分别推导了区域 电网有功网 损 最 小 时 以 及 用 Ｌ 指 标 评 估 的 静 态 电 压稳定度最优时所对应的联络节点无功注入量表达 式 。 进而根据分解 协 调 计 算 思 想 ， 设计了兼顾电压 静态稳定和经济 性 的 互 联 电 网 区 域 电 压／无 功 协 调 控制模型 ， 较好地实 现 了 兼 顾 电 压 稳 定 性 和 经 济 性 的互联电网电压／无功协调控制 。
以法国意大利23比利时欧洲国家的方式为代表的三级电压控制模式侧重于在空间范围上协调各区域的电压无功水平该模式以中枢母线控制区域为基础其以硬件形式实现的区域控制器在应用于中国这种电力系统发展较快和运行工况实时变化幅度较大的地区时有一定的难度而且当前也越来越难满足其关于区域间无功弱耦合的假设
第３ ４期 ８ 卷 第 １ ２ ０ １ ４年７月２ ５日
） （ １ ０ ５ ０ ０； ２．国网四川省电力公司泸州供电公司 ，四川省泸州市 ６ ４ ６ ０ ０ ０ １．西南石油大学电气信息学院 ，四川省成都市 ６
摘要 ：互联电网各控制中心在进行电压／无功控制时有必要采用协调控制手段 ， 以实现无功的合理 分布 ， 避免控制振荡 。 文中以互联电网 网 络 方 程 为 基 础 ， 分别推导了基于 Ｌ 指标的节点最优无功 注入量和对应电网有功网损最小时的节点最优无功注入量 。 进 而 根 据 分 解 协 调 计 算 思 想 ， 设计了 兼顾电压静态稳定性和经济性的互联电网区域电压／无功 协 调 控 制 模 型 。 最 后 分 别 通 过 两 种 互 联 电网模型的仿真实验 ， 验证了所提出的兼顾电压稳定的互联电网电压／无功协调控制的机理与方法 的正确性与有效性 。 关键词 ：互联电网 ；电压控制 ；无功控制 ；协调控制 ；节点功率 ； Ｌ 指标
０ 引言
基于全局电 网 信 息 进 行 协 调 优 化 的 电 压／无 功 控制是智能电网的 重 要 特 征 之 一 ， 也是高水平电网 调度控制的显著标志 。 电网的调度和控制是分层分 区的 ， 各控制中心往往设置独立的电压／无功控制系 统， 以保证本区域内电网的经济运行与电能质量 ， 然 而电网却是联系在 一 起 的 整 体 ， 两者之间存在着矛 盾 。 因此 ， 如何实现 全 网 无 功 的 合 理 分 配 及 区 域 电 压的协调控制一直是研究的热点 。 ］ ３ １］ ２ ４］ ５］ － 、 、 及 西 班 牙［ 等 意 大 利［ 比 利 时［ 以法国 ［ 欧洲国家的方式为 代 表 的 三 级 电 压 控 制 模 式 ， 侧重 于在空间范围上协调各区域的电压／无功水平 ， 该模 式以中枢母线 、 控 制 区 域 为 基 础 ，其 以 硬 件 形 式 实 现的区域控制器在应用于中国这种电力系统发展较 快和运行工况实时变化幅度较大的地区时有一定的 难度 ， 而且当前也越 来 越 难 满 足 其 关 于 区 域 间 无 功 弱耦合的假设 。 ］ 提出在二级电压控制器上附加联络 文献 ［ ７ ６ － 线无功潮流变化量 的 反 馈 信 号 ， 以抑制区域间无功 的影响 ， 这要求联络 线 无 功 潮 流 变 化 必 须 是 单 调 且 研究了级联 可预测的 ， 否则效果不理想 。 文献 ［ ９］ ８ － 系统中 ， 进行变压器 和 电 容 器 协 调 控 制 以 实 现 无 功 的合理分布及避免 电 压 控 制 振 荡 的 问 题 ， 但其方法 提出了 应用到复杂网 络 时 比 较 困 难 。 文 献 ［ １ １］ １ ０ － 一套实施方案 ： 将大 电 网 按 电 气 耦 合 紧 密 程 度 进 行
“ ， 软分区 ” 并由上 级 电 网 调 度 中 心 通 过 协 调 变 量 来 指导和考核各下级电网调度中心 。 下级电网的电压 控制系统除了满足 本 级 电 网 的 控 制 目 标 外 ， 还需要 实时跟踪由上级电 网 给 出 的 协 调 变 量 的 设 定 值 ， 在 实际中协调变量多 选 用 关 口 电 压 或 关 口 功 率 因 数 ； 该方案区域间信息 交 换 很 少 ， 不涉及各级电压控制 系统的具体逻辑 ， 具有较高的实用性 。 但有时电压／ 无功控制系统的管 理 区 域 已 事 先 给 定 ， 并不能保证 完全符合 “ 软分区 ” 的要求 ； 同时 ， 用由多个区域共同 影响的关口电压或无功作为指标来指导并考核单个 区域可能是不公平 、 不合理的 ， 且仍可能存在控制振 荡和无功储备不均衡的问题 。 ］ 文献 ［ 基 于 传 统 的 省、 地电网自动电压控制 １ ２ （ 系统 ， 提出了适合中国省级电网的最优潮流 、 Ｃ） Ａ Ｖ 三维分解等协调模式 ， 但是传统的 Ａ Ｃ 系统通常是 Ｖ 单方向 、 集中式控制结构 ， 存在互动性和可靠性不足 ］ 提出正常情况下 的问题 。 针 对 此 问 题 ， 文 献［ １ ４ １ ３ － 集中控制与故障情况下自律分散控制相结合的控制 实现了 模式 ， 构建了地区电网自律分散式 Ａ Ｃ 系统 ， Ｖ 不同状态下的协调优化控制 ， 有效提高了系统的可靠 性 。 然而 ， 大电网发展的耦合化 、 容性化和复杂化使 得电压调控的难度越来越大 ， 具体表现为省 、 地电网 ］ 根据省地电压调控 间的电压调控失配 。 文献［ １ ６ １ ５ － 失配问题的机制 ， 从空间 、 时间与目标 ３ 个维度 上剖 ， 析省地调控配合的关系 并提出引入关口电压判据 ， 驱动 Ａ 实现上下层 Ｃ 动作投入电容器的解决策略 ， Ｖ 电网协调控制 ， 但是对于省级电网这样的复杂系统 ， 该解决策略的可靠性还有待验证 ， 且可能经济成本较 ］ ／ 大 。 文献 ［ 提出通过各电压 无功控制中心共享数 １ ７ ／无功的协调控制 ， 据， 实现多区域电压 并达到全局控 — ５ ５ —
）
ｍ
— ５ ６ —
· 学术研究 · 张安安 ， 等 兼顾电压稳定的互联电网电压／无功协调控制
） （ Ｅｓ ｉ ｎα ） ）］
ｉ ｉ ｊ ２
ｉ ０ ｉ Ｅ ｏ ｓ α ｉ ｂ ｉ＋ ｊ） ＋ ｆ ｊｃ ∑
２
Ｑ Δ ｊ ｒ （ Ｅ ｃ ｏ ｓ α ｉ ｊ＋ ｊ ｖ ｊ
（ ） ４
解耦有功 、 无功后网络节点电压 、 无功间的关系 ［ ２ １］ 如式 （ 所示 ， Ｂ 为 电 网 的 电 纳 矩 阵， Ｕ 为节点 １） Δ 。 为节点注入无功变化量 电压变化量 ， Δ Ｑ （ ） Ｕ ＝Δ １ －Ｂ Δ Ｑ 熿 １ Ｐ ｌ ｓ ｓ ｏ 熿 燄 Ｒ ｂ ｉ ∑ ｖ １ Ｑ１ Δ ｉ＝１ ＝２