电力系统无功功率实时监测与控制方法

摘 要：根据我国电网存在电压失稳的隐患，本文提出了一种基于经济压差(△UJ)无功功率优化潮流的电力系统无功功率实时监测与控制方法，并提出了从此逐步过渡到全网无功功率优化运行的实施措施。作为预防电压稳定破坏事故的第一道防线，本文的方法具有重要的科学性、实用性、可操作性。

关键词： 经济压差;无功功率优化;电压;实时监测与控制

　　0　引 言

　　如果电力系统中每一个节点(母线)的电压实时值随时都靠拢额定值运行，即不超出规定的电压上、下限运行，节点的电压稳定储备系数就有最大值，这是预防电力系统电压稳定破坏事故的根本措施[1]。要使电力系统中节点的电压稳定储备系数具有最大值，就必须随时维持节点无功功率的动态就地平衡，因此，要求每个发电厂、变电站，尤其是那些具有关键意义的节点必须装有足够的动态无功补偿容量，这个容量应该等于稳态无功电压调整需要的补偿容量加上事故发生时应对电压支撑所需要的无功补偿容量。中、外电网发展史上的电压稳定破坏事故都证明了这一点。

　　虽然我国电网的调度管理体制比国外优越，给防止发生电压稳定破坏事故提供了先决的良好条件，但是我国电力系统的无功补偿基础却比较差：

①长距离、跨层次输送无功[2]，无功就地平衡差;

②高、中、低压电网中的动态无功补偿容量很少，又基本上没有可控性，事故时无法及时投入运行;

③电网末端即需求侧的无功补偿更差，用电功率因数很低，缺少动态无功补偿与受端电压支撑，因此很难应对电网高峰负荷、重点是夏季高峰负荷到来时的无功动态平衡[3];

④ 缺少无功补偿的事故备用容量，线路跳闸后不能有效的减小潮流转移通道上的电压损失，容易导致电力系统事故的扩大[4]。

　　几年前，清华大学做的“电力大系统仿真计算的若干问题探讨”及“我国电网的安全稳定隐患及其对策”研究中指出，我国电网面临防止重点地区动态电压崩溃的形势已很严峻，主要有：

①由于能源、环保及土地资源的制约，负荷中心的发电厂越来越少，区外输电的比例越来越大;

②空调负荷越来越多;

③使用成组电容(抗)器补偿的多，使用动态补偿装置的少;

④对电压变化灵敏度低的负荷越来越多，不利于电压稳定;

⑤不少调相机、有些SVC被从电网撤除。

京、沪、穗地区存在着电压失稳的隐患。

　　上述事实，要求人们反思传统的无功补偿设计方法与无功电压调整控制工作，电力系统的运行实际需要无功功率的实时监测与控制[5]，目的是为了促进无功补偿设计与调整控制工作的改进与创新，进一步提升电力系统的安全稳定优质经济运行水平。

　　1　电力系统无功功率实时监测与控制方法

　　1.1　电力系统无功功率实时监测与控制方法

　　用SCADA采集来的U、P、Q等数据，用ΔUJ潮流算法，按照监测与控制系统要求的刷新速度，以给定电压约束下的全网无功优化潮流为目标，求出发电厂、变电站应该注入电网的实时无功优化值(Qopt)，然后与无功实时值(Qret)进行比较，以无功偏差值(±ΔQ)决策无功补偿装置的调整行为;按电压实时值(Qret)与目标值(Uref)的偏差(±ΔU)决策变压器分接头的调整行为;Uret、Pret与其临界值Ucrit、Pcrit比较;根据现有无功补偿装置的运行状况，分析当前运行方式下无功电压调整所需要无功补偿装置容量的余缺及本母线上所连接线路的N-1方式下事故电压调整无功补偿装置容量的余缺。

　　1.2　目的

　　通过监测分析，改进无功补偿运行方式，在不花钱或少花钱的情况尽量提高安全优质经济水平与供电经济效益;替代离线计算的无功功率补偿规划，准确及时;花最少的钱实施动态无功补偿，对全网无功功率进行集约式调整控制;进一步提升电力系统安全优质经济运行水平。

　　1.3　ΔUJ的定义与计算方法

　　1.3.1　定义

　　维持输电线路无功功率潮流的分点恰恰位于线路中点的线路首、末两端的电压之差，称为经济压差[6]。

　　1.3.2　算法

　　ΔUJ无功功率潮流算法，全称为“电力系统无功功率自动控制方法”算法。

　　(1) 计算网络与模型。简化计算网络，升、降变压器不直接参与潮流计算;计算网络按电压分层计算。数学模型、目标函数为电力系统无功功率实时监测与控制方法

　　(2) 变量及约束。控制变量为Q1、Q2，无约束;状态变量为电力系统无功功率实时监测与控制方法;调整变量Qf(发电机无功连续调节)、Q (L、C) (补偿电容或电抗)、K1、K2(变压器变比)等不直接参与OPF最优无功功率控制计算，在执行机构调控策略中靠档运行。并假定Q (L、C) 、K为连续调节。

　　1.3.3　效益分析

　　线路在ΔUJ支持下，只有有功功率在电阻上的电压降落[ΔUJ=(PR+QX)/U=PR/U]电压质量最好，接近直流线路运行;线路传输无功造成的有功损耗最小，它为无功功率分点在首(或末)端母线上时有功功率损耗的1/4，而且也使线路两端所接的主变压器有功损失之和为最小或接近最小。

　　2　实施措施

　　(1) 电网按电压分层、分区实施。为了减少无功功率的穿越流动，无功功率应该做到分层平衡。在接线方式确定之后，电网的无功潮流决定于连接在电网上每个节点注入电网的无功功率，为了保证无功潮流的完整性，应该分区进行完整实施。

　　(2) 集中(调度室)与分散(当地)实施。ΔUJ无功功率潮流算法分集中(调度室)算法与分散(当地)算法2种。

①集中实施。在电网调度中心实施。用SCADA采集的相关数据，经过状态估计及ΔUJ无功潮流程序计算，得出优化无功功率潮流及每个厂站注入电网的无功优化值等。调度端和执行端之间经过长距离的通道形成闭环控制，有全网的整体概念。需要数据多，数据传输要求严。

②分散实施。推荐方法，称全网无功优化分散协调控制方法。每个发电厂和变电站分别进行数据采集、计算、就地形成闭环控制，受通道影响小，计算精度高。这种实施方法是以全网整体优化为基础，通过预先确定分散的计算法则，把确定各个控制器控制模型作为约束条件来实现的。按照这种设计方法所设计出的子系统的控制规律可完成全电网的整体优化性能指标，在给定的电压约束下达到全网无功潮流最优。

　　(3) 优点。这种实时的优化无功功率补偿容量的计算方法，完全适合于丰大、丰小、枯大、枯小及其中间的任何同步运行方式下无功功率补偿容量的需要，甚至对输电线路掉闸后潮流转移过程中补偿容量的计算也可以满足。既满足稳态方式下的无功电压调整的需要，也适合事故中对电压支撑的补偿要求，防止事故扩大。

(4) 实施无功优化监测与调控的方式。可以先实施监测，再与变电(调度)自动化装置接口逐步走向控制，也可以直接进入实施监测与控制同步进行。就调整的精度而言分2种：

①粗放式。用成组电容(抗)器调控。因为不能连续、平滑、动态、准确的调控无功功率，实时值与目标值的差距大，安全、优质、经济效果差，故称粗放式。

②集约式。利用发电机微机励磁调节器和SVC的连续、平滑、动态调节特性精确调控无功功率，实时无功功率潮流优化效果好、电压质量好、线损率低，故称为节约式。

电力系统无功功率实时监测与控制方法

　　复杂电网可分步实施集约式无功调控方式。必须有N-1个节点实施无功功率控制才能达到全网无功优化。为此，可以先行实施部分输电网络无功优化潮流的精细调控。如川渝电网(其接线图见图2)，只要控制石板箐变电站注入电网的无功功率达到要求，就优化了石板箐—二滩线路无功潮流;接着控制二滩发电厂注入电网的无功达到要求，即可控制二滩—普提变电站线路的无功潮流优化运行;控制普提变电站注入电网的无功达到要求，即可控制普提—洪沟线路的无功潮流优化运行;……以次类推。逐步向全网无功优化运行过渡发展。

电力系统无功功率实时监测与控制方法

　　3　结束语

　　以电压为目标值的无功电压调控模式早已不能适应正在发展中的全国统一大电网的电压需要，因为在大电网中系统的短路阻抗很小，因此任何一个厂站的无功功率的调控都不可能较大幅度改变其母线电压的有效值。推广在电压约束下，以注入电网无功优化值为目标的无功电压调整模式是电网发展的客观需要。全网的电压调整问题，是接入电网中的每个发电厂、变电站共同的任务，每一个发电厂、变电站只能承担应该承担的便注入电网的无功为优化无功值的调整任务。

　　长期以来，我国电网在无功就地补偿设计、基建、运行方面遗留下来的问题较多，存在着电压失稳的隐患。通过实施电力系统无功功率实时监测与控制，可以使遗留下来的无功补偿问题逐步得到解决，带动一系列技术经济指标的提高，加强电网的无功电压支撑，促进安全、优质、经济运行的电力系统的建设。

　　4　参考文献
 

　　[1] 王梅义.大电网系统技术.中国电力系统出版社，1975.6 第二版.

　　[2] 朱军飞.用电侧功率因数维持多少好.电力需求侧管理，2002(6)：22～24.

　　[3] 王猗.电力系统紧急无功补偿调控模式.电力系统自动化，2000(15)：45～47.

　　[4] 胡东臣.南方电网交直流输电并联系统电压稳定分析及STATCOM应用仿真.中国电力，2004(7)：20～23.

　　[5] 阮前途.解读莫斯科大停电确保上海电网安全运行.华东电力，2005，33(9).

　　[6] 唐寅生，李碧君.电力系统OPF全网最优无功的经济压差算法及其应用[J].中国电力，2000，33(9).