[align=center]Research on the real-time monitoring and control method of the power system reactive power 朱軍1 盛萬興2 唐寅生3 （1．國家電網(wǎng)公司農(nóng)電工作部 北京 100031；2．中國電力科學(xué)研究院 北京 100085； 3.湖南電力調(diào)度通信中心 長沙 410007） Zhu Jun1， Sheng Wanxing2， Tang Yinsheng3 （1．COUNTRY POWER SUPPLY DEPARTMENT OF THE STATE GRID CORPORATION OF CHINA,BEIJING,100031； 2．CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE,BEIJING,100085； 3.HUNAN ELECTRIC POWER DISPATCHING AND COMMUNICATION CENTER,CHANGSHA,410007）[/align] 摘要： 根據(jù)我國電網(wǎng)存在電壓失穩(wěn)的隱患，本文提出了一種基于經(jīng)濟壓差（△UJ）無功功率優(yōu)化潮流的電力系統(tǒng)無功功率實時監(jiān)測與控制方法，并提出了從此逐步過渡到全網(wǎng)無功功率優(yōu)化運行的實施措施。作為預(yù)防電壓穩(wěn)定破壞事故的第一道防線，本文的方法具有重要的科學(xué)性、實用性、可操作性。 Abstract: Considering the hidden danger of the voltage stability failure in China power system, a real-time monitoring and control method of the power system reactive power flow based on the economic voltage difference （△UJ） theory is discussed. The step-by-step implementation measures to the whole power system reactive power optimization are proposed. As the first defence line against the voltage stability failure, the proposed method is scientific, practical and operable. 關(guān)鍵詞：經(jīng)濟壓差 無功功率優(yōu)化 電壓 實時監(jiān)測與控制 Keywords: economic voltage difference, reactive power optimization, voltage, real-time monitoring and control. 一、背景 如果電力系統(tǒng)中的每一個節(jié)點（母線）的電壓實時值，隨時都靠攏額定值運行，即不超出規(guī)定的電壓上、下限運行，節(jié)點的電壓穩(wěn)定儲備系數(shù)就有最大值，這是預(yù)防電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定破壞事故的根本措施[1]。要使電力系統(tǒng)中的節(jié)點的電壓穩(wěn)定儲備系數(shù)具有最大值，就必須隨時維持節(jié)點無功功率的動態(tài)的就地平衡，因此，要求每個發(fā)電廠、變電站，尤其是那些具有關(guān)鍵意義的節(jié)點，必須裝有足夠的動態(tài)無功補償容量，這個容量應(yīng)該等于穩(wěn)態(tài)無功電壓調(diào)整需要的補償容量，加上事故發(fā)生時應(yīng)對電壓支撐所需要的無功補償容量。中、外電網(wǎng)發(fā)展史上的電壓穩(wěn)定破壞事故都證明了這一點。 雖然我國電網(wǎng)的調(diào)度管理體制比國外優(yōu)越，給防止發(fā)生電壓穩(wěn)定破壞事故提供了先決的良好條件，但是，由于我國電力系統(tǒng)的無功補償基礎(chǔ)比較差：無功就地平衡差，長距離、跨層次輸送無功[2]；高、中、低壓電網(wǎng)中的動態(tài)無功補償容量很少，又基本上沒有可控性，事故時無法及時投入運行；電網(wǎng)末端即需求側(cè)的無功補償更差，用電功率因數(shù)很低，尤其是缺少動態(tài)無功補償，缺少受端電壓支撐，很難應(yīng)對電網(wǎng)高峰負荷、重點是夏季高峰負荷到來時的無功動態(tài)平衡[3]；缺少無功補償?shù)氖鹿蕚溆萌萘�，線路跳閘后，不能有效的減小潮流轉(zhuǎn)移通道上的電壓損失，容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故的擴大[4]。 3年前，清華大學(xué)做的“電力大系統(tǒng)仿真計算的若干問題探討”及“我國電網(wǎng)的安全穩(wěn)定隱患及其對策“的PPT中指出，我國電網(wǎng)防止重點地區(qū)動態(tài)電壓崩潰的局面也很嚴(yán)峻：由于能源、環(huán)保及土地資源的制約，負荷中心的發(fā)電廠越來越少，區(qū)外輸電的比例越來越大；空調(diào)負荷越來越多；使用成組的電容（抗）器補償?shù)亩�，使用動態(tài)補償裝置的少；對電壓變化靈敏度低的負荷越來越多，不利于電壓穩(wěn)定；與此同時，不少調(diào)相機、有些SVC還被撤除。京、滬、穗地區(qū)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定存在潛在威脅。 上述事實，要求人們反思傳統(tǒng)的無功補償設(shè)計方法與無功電壓調(diào)整控制工作，電力系統(tǒng)的運行實際需要無功功率的實時監(jiān)測與控制[5]，目的是為了促進無功補償?shù)脑O(shè)計與調(diào)整控制工作的改進與創(chuàng)新，進一步提升電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟運行水平。 二、電力系統(tǒng)無功功率實時監(jiān)測與控制方法 1、電力系統(tǒng)無功功率實時監(jiān)測與控制方法 用SCADA采集來的U、P、Q等數(shù)據(jù)，用△UJ潮流算法，按照監(jiān)測與控制系統(tǒng)要求的刷新速度，以給定電壓約束下的全網(wǎng)無功優(yōu)化潮流為目標(biāo)，求出發(fā)電廠、變電站應(yīng)該注入電網(wǎng)的實時無功優(yōu)化值（Q[sub]opt[/sub]），然后： 與無功實時值（Q[sub]ret[/sub]）進行比較，以無功偏差值（±△Q），決策無功補償裝置的調(diào)整行為； 按電壓實時值（Q[sub]ret[/sub]）與目標(biāo)值（U[sub]ref[/sub]）的偏差（±△U），決策變壓器分接頭的調(diào)整行為； U[sub]ret[/sub] P[sub]ret[/sub]與其臨界值U[sub]crit[/sub] P[sub]crit[/sub]比較； 根據(jù)現(xiàn)有無功補償裝置的運行狀況，分析當(dāng)前運行方式下無功電壓調(diào)整所需要的無功補償裝置容量的余缺，及本母線上所連接線路的N－1方式下事故電壓調(diào)整無功補償裝置容量的余缺。 實時監(jiān)測框圖見圖1。 2、 目的 通過監(jiān)測分析，改進無功補償運行方式，不花錢或少花錢盡量提高安全優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟水平與供電經(jīng)濟效益； 替代離線計算的無功功率補償規(guī)劃，準(zhǔn)確及時； 花最少的錢實施動態(tài)無功補償，對全網(wǎng)無功功率進行集約式調(diào)整控制； 進一步提升電力系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟運行水平。 3、△UJ的定義與算法 定義：維持輸電線路無功功率潮流的分點恰恰位于線路中點的線路首、末兩端的電壓之差，稱為經(jīng)濟壓差。 [font=宋體]電力系統(tǒng)最優(yōu)無功功率潮流調(diào)控方法是：調(diào)整I[sub]f[/sub]、Q[sub]（L、c）[/sub]、K[sub]1[/sub]、K[sub]2[/sub]使升、降變壓器高壓側(cè)注入電網(wǎng)無功功率值等于其母線上所接線路過剩無功功率之和的一半，母線電壓在允許范圍，此時，每條線路都有一個無功功率分點且在線路的中點，線路兩瑞的電壓降落等于△U[sub]J[/sub]=553.56-545.69=7.87（kV）, Q[sub]1[/sub]=99.06-155.78=56.72，Q[sub]2[/sub]=-56.72，即發(fā)電廠和降壓變電站均應(yīng)從電網(wǎng)接收56.72（MVAr），（圖2）。[/font] [font=宋體]算法：簡化計算網(wǎng)絡(luò)，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和有功發(fā)電計劃決定以后，影響電網(wǎng)無功潮流的因素是各結(jié)點注入電網(wǎng)的無功功率值，因此變壓器可以不參與優(yōu)化計算。OPF最優(yōu)無功功率計算網(wǎng)絡(luò)簡化成按電壓等級500/220/110KV分層計算。[/font] [font=宋體]數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)函數(shù)[/font] [font=宋體]min △U=（PR+QX）/U[/font] [font=宋體]根據(jù)1.1 min △P=（P[sup]2[/sup]+Q[sup]2[/sup]）/U[sup]2[/sup]R[/font] [font=宋體]變量及約束，如圖2。控制變量：Q[sub]1[/sub]、Q[sub]2[/sub]。無約束。狀態(tài)變量：U[sub]1（2）min[/sub]≤U[sub]1（2）[/sub]≤U[sub]1（2）max[/sub][/font] [font=宋體]調(diào)整變量：Q[sub]f[/sub]—發(fā)電機無功連續(xù)調(diào)節(jié)；Q[sub]（L[/sub][sub]、C）[/sub]—補償電容（抗）；K[sub]1[/sub]、K[sub]2[/sub]—變壓器變比；等不直接參與OPF最優(yōu)無功控制計算，在執(zhí)行機構(gòu)調(diào)控策略中靠檔運行。并假定Q[sub]（L[/sub][sub]、C）[/sub]、K為連續(xù)調(diào)節(jié)。[/font] [font=宋體]4、效益分析[b][/b][/font] [font=宋體]線路在△U[sub]J[/sub]支持下，只有有功功率在電阻上的電壓降落（△U[sub]J[/sub]=（PR+QX）/U=PR/U），電壓質(zhì)量最好，接近直流線路運行；線路傳輸無功造成的有功損耗最小，它為無功功率分點在首（或末）端母線上時有功功率損耗的1/4，而且也使線路兩端所接的主變壓器有功損失之和為最小或接近最小[sup][6][/sup]。[/font] 三、實施措施 1、電網(wǎng)按電壓分層、分區(qū)實施 為了減少無功功率的穿越流動，無功功率應(yīng)該做到分層平衡。 在接線方式確定之后，電網(wǎng)的無功潮流決定于連接在電網(wǎng)上的每個節(jié)點注入電網(wǎng)的無功功率，為了保證無功潮流的完整性，應(yīng)該分區(qū)進行完整實施。 2、 集中（調(diào)度室）與分散（當(dāng)?shù)兀⿲嵤? △U[sub]J[/sub]無功功率潮流算法分集中（調(diào)度室）算法與分散（當(dāng)?shù)兀┧惴▋煞N。 集中實施：在電網(wǎng)調(diào)度中心實施。用SCADA采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過狀態(tài)估計，經(jīng)過△UJ無功潮流程序計算，得出優(yōu)化無功功率潮流及每個廠站注入電網(wǎng)的無功優(yōu)化值……。調(diào)度端和執(zhí)行端之間，經(jīng)過長距離的通道形成閉環(huán)控制。有全網(wǎng)的整體概念。需要數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)傳輸要求嚴(yán)。 分散實施：推薦方法。稱全網(wǎng)無功優(yōu)化分散協(xié)調(diào)控制方法。每個發(fā)電廠和變電站分別進行數(shù)據(jù)采集、計算、就地形成閉環(huán)控制，受通道影響小，計算精度高。這種實施方法，是以全網(wǎng)整體優(yōu)化為基礎(chǔ)，預(yù)先確定分散的計算法則，把確定各個控制器控制模型作為約束條件而實現(xiàn)的。按照這種設(shè)計方法設(shè)計出的子系統(tǒng)的控制規(guī)律，可完成全電網(wǎng)的整體優(yōu)化性能指標(biāo)，在給定的電壓約束下達到全網(wǎng)無功潮流最優(yōu)。 3、優(yōu)點 這種實時的優(yōu)化無功功率補償容量的計算方法，完全適合于豐大、豐小、枯大、枯小及其中間的任何同步運行方式下的無功功率補償容量的需要，即使是輸電線路掉閘后，潮流轉(zhuǎn)移過程中的補償容量的計算也可以滿足。即滿足穩(wěn)態(tài)方式下的無功電壓調(diào)整的需要，也適合事故中對電壓支撐的補償要求，防止事故擴大。 4、實施無功優(yōu)化監(jiān)測與調(diào)控的方式 可以先實施監(jiān)測，再與變電（調(diào)度）自動化裝置接口，逐步走向控制，也可以直接進入實施監(jiān)測與控制同步進行。 就調(diào)整的精度而言分兩種：  ☆粗放式—用成組電容（抗）器調(diào)控。因為不能連續(xù)、平滑、動態(tài)、準(zhǔn)確的調(diào)控?zé)o功功率，實時值與目標(biāo)值的差距大，安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟效果差，故稱粗放式。  ☆集約式—利用發(fā)電機微機勵磁調(diào)節(jié)器和SVC的連續(xù)、平滑、動態(tài)調(diào)節(jié)特性，精確調(diào)控?zé)o功功率，實時無功功率潮流優(yōu)化效果好，電壓質(zhì)量好，線損率低，稱為節(jié)約式。圖1是它的閉環(huán)控制原理說明圖。 復(fù)雜電網(wǎng)可分步實施集約式無功調(diào)控方式。必須有（N－1）個節(jié)點實施無功功率控制，才能達到全網(wǎng)無功優(yōu)化。為此，可以先行實施部分輸電網(wǎng)絡(luò)的無功優(yōu)化潮流的精細調(diào)控，例如，單機對系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)；又如川渝電網(wǎng)（圖2），只要控制石板箐變電站注入電網(wǎng)的無功達到要求，就優(yōu)化了石板箐-二灘線路無功潮流；接著控制二灘發(fā)電廠注入電網(wǎng)的無功達到要求，即可控制二灘-普提變電站線路的無功潮流優(yōu)化運行；控制普提變電站注入電網(wǎng)的無功達到要求，即可控制普提-洪溝線路的無功潮流優(yōu)化運行；……以次類推。 [align=center] 圖4：川渝電網(wǎng)接線方式[/align] 再逐步向全網(wǎng)無功優(yōu)化運行過渡發(fā)展。 四、怎樣逐步過渡到使用動態(tài)無功補償 怎樣逐步過渡到全網(wǎng)無功功率優(yōu)化運行，關(guān)鍵是怎樣逐步過渡到使用動態(tài)無功補償。怎樣逐步過渡到使用動態(tài)無功補償呢？ 1、新變電站補償方式選擇動態(tài)補償方式。 2、在110～500kV老變電站中，一般說來缺少感性補償，加電抗器時，不要用固定投切的電抗器。要選用TCR（MCR），原來電容器照樣使用，組成SVC。 五、結(jié)束語 以電壓為目標(biāo)值的無功電壓調(diào)控模式，早以不能適應(yīng)正在發(fā)展中的全國統(tǒng)一大電網(wǎng)的電壓需要，因為在大電網(wǎng)中，任何一個廠站的無功功率的調(diào)控，都不可能較大幅度改變它的母線電壓的有效值，因為，系統(tǒng)短路阻抗很小。推廣在電壓約束下，以注入電網(wǎng)無功優(yōu)化值為目標(biāo)的無功電壓調(diào)整模式，是電網(wǎng)發(fā)展的客觀需要。全網(wǎng)的電壓調(diào)整問題，是接入電網(wǎng)中的每個廠、站共同的任務(wù)，每一個廠、站只能承擔(dān)應(yīng)該承擔(dān)的注入電網(wǎng)的無功為優(yōu)化無功值的調(diào)整任務(wù)。 長期以來，我國電網(wǎng)在無功就地補償設(shè)計、基建、運行方面遺留下來的問題較多，存在著電壓失穩(wěn)的隱患。通過實施電力系統(tǒng)無功功率實時監(jiān)測與控制，可以使遺留下來的無功補償問題逐步得到解決，帶動一系列技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的提高，加強電網(wǎng)的無功電壓支撐，促進建設(shè)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的電力系統(tǒng)的建設(shè)。 參考文獻 [1]王梅義.吳競昌 蒙定中，大電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)，中國電力系統(tǒng)出版社，1975.6 第二版. 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