CN104917188B

CN104917188B - 一种220kV变电站分组协调无功控制方法

Info

Publication number: CN104917188B
Application number: CN201510273801.XA
Authority: CN
Inventors: 李钦豪; 张勇军
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN104917188A

Abstract

本发明提供一种220 kV变电站分组协调无功控制方法，包括如下步骤：（1）获取220 kV地区电网的电网参数；（2）对220 kV变电站进行编号；（3）设置220 kV变电站关口无功功率和低压母线电压的允许范围；（4）将220 kV变电站分成多个协调组；（5）根据各协调组内两个220 kV变电站实时的无功电压控制情况，选择相应的协调策略。本发明提出了一种220 kV变电站分组协调无功控制方法，可用于220 kV地区电网内220 kV变电站的无功控制，可增强220 kV变电站之间无功控制设备的互相支援，使无功功率尽量就近平衡，以更好地降低电网运行损耗。

Description

一种220kV变电站分组协调无功控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统的无功运行方法，特别涉及一种多个220kV变电站的相互协调的无功控制方法。

背景技术

在地区电网的自动电压控制(AVC)中，集中优化控制是一种可以考虑全局无功资源的方法，经过集中优化控制之后，电网中的无功设备可以协调配合，实现全局的优化运行。但是，集中优化控制需要对电网进行全局建模，并求解具有多约束、多变量的非线性混合整数优化问题，在实际电网的应用中，建模和求解的难度比较大，计算时间也难以满足实时控制的要求。另外，集中优化控制还容易造成设备的频繁投切。

目前，地区电网采用的无功控制方法一般是独立控制的方法，即根据变电站自身的运行情况，对变电站内的无功电压调控设备进行控制。VQC是应用较为广泛的独立控制的电压/无功控制策略，其基本理论为九区图控制理论。九区图控制理论分别将电压、无功功率分为过低、合格、过高三种状态，由电压、无功功率不同状态的组合形成九个区域，在不同区域采取相应的变压器档位调节和无功补偿设备投切。独立控制规则简单，容易实现。但独立控制属于就地控制，不考虑其他变电站的运行情况，无法做到相互协调，不能充分地利用无功补偿设备。

综上所述，现有的协调无功控制方法还需要进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于解决现有无功优化控制方法控制复杂、无法相互协调的问题，旨在提供一种220kV变电站分组协调无功控制方法。

本发明提出一种220kV变电站分组协调无功控制方法，包括以下步骤：

(1)获取220kV地区电网的电网参数，包括：220kV变电站数n、220kV变电站内的无功补偿设备单组容量和数量、220kV变电站220kV母线的三相短路电流、220kV变压器档位上限和下限、220kV线路两端所连接的变电站、220kV线路的阻抗；

(2)根据220kV变电站220kV母线的三相短路电流，按从小到大的顺序对220kV变电站从1到n进行编号；定义k＝1～n；称编号为k的变电站为变电站k；

(3)AVC控制主站对每个220kV变电站设置关口无功功率允许范围和低压母线电压允许范围，变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q_cmax.k,Q_cmax.k]；Q_cmax.k表示变电站k的无功补偿设备单组容量的最大值；变电站k的低压母线电压允许范围为[10.0,10.7]kV；

(4)AVC控制主站将220kV地区电网内的220kV变电站分成多个协调组；

(5)AVC控制主站以时间间隔ΔT为周期，通过SCADA监测每个220kV变电站的无功电压控制情况，并选择相应的协调策略；ΔT的推荐值为15分钟；所述变电站的无功电压控制情况包括：变电站关口无功功率允许范围、变电站关口无功功率、变电站低压母线电压、变压器档位、无功补偿设备的投切状态。

上述的220kV变电站分组协调无功控制方法中，所述协调组是指两个变电站形成的无功设备通过协调策略相互支援的分组，协调组的获取方法如下：

(1)AVC控制主站建立两个数组，一个数组用来存放未分组的220kV变电站的编号，用STATION表示，STATION的初始值为{1,2,…,k，…,n}；另一个数组用来存放已经分好的协调组的编号，用GROUP表示，GROUP的初始值为空数组；进入步骤(2)；

(2)取STATION中的第一个元素，用a表示；在STATION数组除了a之外的元素所代表的变电站中，查询是否有变电站与变电站a通过线路直接相连，若有，进入步骤(3)；若没有，进入步骤(4)；

(3)在STATION数组除了a之外的元素所代表的变电站中，挑选出与变电站a通过线路直接相连且线路阻抗的模最小的变电站，用b表示该变电站的编号，变电站a和变电站b形成一组协调组，将{a,b}添加到GROUP数组，将a、b从STATION数组中删除，进入步骤(5)；当两个变电站之间有2条或以上线路时，线路阻抗按并联后的阻抗计算；

(4)将a从STATION数组中删除，进入步骤(5)；

(5)检查STATION数组是否为空数组，若是，则结束分组；若不是，则返回步骤(2)。

因为变电站的编号是根据220kV母线的三相短路电流从小到大的顺序编排的，而220kV母线的三相短路电流可以表示220kV变电站离电源点的远近，220kV母线的三相短路电流越小，相对应的220kV变电站离电源点越远。因此，先对编号小的变电站进行分组，可以优先为离电源点远的变电站提供无功补偿设备相互支援的变电站，从而减少无功功率的远距离输送。

上述的220kV变电站分组协调无功控制方法中，所述协调策略，对变电站k而言，按以下方法进行：

(1)在GROUP数组的元素中查找是否有与变电站k组成协调组的变电站，若有，用l表示与变电站k形成协调组的变电站的编号，进入步骤(2)；若没有，进入步骤(10)；

(2)判断变电站k的关口无功功率允许范围是否为[-Q_cmax.k,Q_cmax.k]，若是，进入步骤(3)，若不是，进入步骤(7)；

(3)判断变电站k是否关口无功功率小于-Q_cmax.k且站内所有电容器都已切除且站内所有电抗器都已投入，若是，说明变电站k感性无功补偿不足，进入步骤(4)；若不是，进入步骤(5)；

(4)判断变电站l是否有电抗器未投入或有电容器未切除，若是，设置变电站l的关口无功功率允许范围为[0,2Q_cmax.l]，驱使变电站l投入电抗器或切除电容器以补偿变电站k的一部分无功功率，进入步骤(10)；若不是，说明变电站l没有多余的感性无功补偿支援变电站k，进入步骤(10)；

(5)判断变电站k是否关口无功功率大于Q_cmax.k且站内所有电抗器都已切除且站内所有电容器都已投入，若是，说明变电站k容性无功补偿不足，进入步骤(6)；若不是，进入步骤(10)；

(6)判断变电站l是否有电容器未投入或有电抗器未切除，若是，设置变电站l的关口无功功率允许范围为[-2Q_cmax.l,0]，驱使变电站l投入电容器或切除电抗器以补偿变电站k的一部分无功功率，进入步骤(10)；若不是，说明变电站l没有多余的容性无功补偿支援变电站k，进入步骤(10)；

(7)判断变电站k的关口无功功率允许范围是否为[-2Q_cmax.k,0]，若是，进入步骤(8)；若不是，进入步骤(9)；

(8)判断变电站l是否关口无功功率大于Q_cmax.l且站内所有电抗器都已切除且站内所有电容器都已投入，若是，说明变电站l容性无功补偿不足，进入步骤(10)；若不是，说明变电站l不需要变电站k投入电容器或切除电抗器支援，设置变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q_cmax.k,Q_cmax.k]，进入步骤(10)；

(9)判断变电站l是否关口无功功率小于-Q_cmax.l且站内所有电容器都已切除且站内所有电抗器都已投入，若是，说明变电站l感性无功补偿不足，进入步骤(10)；若不是，说明变电站l不需要变电站k投入电抗器或切除电容器支援，设置变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q_cmax.k,Q_cmax.k]，进入步骤(10)；

(10)按照当前AVC常用的九区图策略对变电站k进行控制。

上述的220kV变电站分组协调无功控制方法中，所述关口是指区域性电网之间电力设备资产和经营管理范围的分界处。

上述的220kV变电站分组协调无功控制方法中，所述九区图策略，是一种常用的利用实时监测的变电站低压母线电压和关口无功功率对变电站档位和无功补偿设备进行控制的策略，其判断依据是基于低压母线电压和关口无功功率的上下限所构成的9个控制区，当低压母线电压超出允许范围[U_min,U_max]或关口无功功率超出允许范围[Q_min,Q_max]时，控制系统根据预定的指令进行调整，各区动作方案如下：

1区：低压母线电压大于U_max，关口无功功率小于Q_min，切除电容器或投入电抗器，当电容器全部切除且电抗器全部投入后，低压母线电压仍大于U_max时，降低变压器分接头档位；

2区：低压母线电压大于U_max，关口无功功率合格，降低变压器分接头档位，当分接头档位已调至最低档后，低压母线电压仍大于U_max时，切除电容器或投入电抗器；

3区：低压母线电压大于U_max，关口无功功率大于Q_max，降低变压器分接头档位，当分接头档位已调至最低档后，低压母线电压仍大于U_max时，切除电容器或投入电抗器；

4区：低压母线电压合格，关口无功功率小于Q_min，切除电容器或投入电抗器，当电容器全部切除且电抗器全部投入后，运行点仍在该区，则维持该运行点；

5区：低压母线电压合格，关口无功功率合格，维持该运行点；

6区：低压母线电压合格，关口无功功率大于Q_max，投入电容器或切除电抗器，当电容器全部投入且电抗器全部切除后，运行点仍在该区，则维持该运行点；

7区：低压母线电压小于U_min，关口无功功率小于Q_min，升高变压器分接头档位，当分接头档位已调至最高档后，低压母线电压仍小于U_min时，投入电容器或切除电抗器；

8区：低压母线电压小于U_min，无功合格，升高变压器分接头档位，当分接头档位已调至最高档后，投入电容器或切除电抗器；

9区：低压母线电压小于U_min，关口无功功率大于Q_max，投入电容器或切除电抗器，当电容器全部投入且电抗器全部切除后，低压母线电压仍小于U_min时，升高变压器分接头档位。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)根据220kV变电站220kV母线的三相短路电流和线路阻抗大小，将变电站分为多个协调组，保证了离电源点远的变电站优先得到相邻变电站的无功支援，减少远距离传送的无功功率，尽量使无功功率就地平衡；

(2)协调控制策略规则明确，不涉及复杂计算，容易实施，可用于实时协调无功控制。

附图说明

图1是本发明提供的220kV变电站分组协调无功控制方法的流程示意图。

图2是某220kV地区电网示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施做进一步说明。

图1反映了220kV变电站分组协调无功控制方法的具体流程。220kV变电站分组协调无功控制方法包括：

以下是本发明方法的一个实例，以某220kV地区电网为例进行仿真，图2显示了该电网的拓扑结构，图中A表示系统等值电源，B、C、D、E、F、G、H、I分别表示220kV变电站的名称。

(1)由图2知，该220kV地区电网共有8个220kV变电站，即n＝8；220kV变电站参数和220kV线路参数分别如表1、表2所示；当两个变电站之间有2条或以上线路时，线路阻抗按并联后的阻抗计算，表2中给出的是并联后的参数，且线路的名称用线路两端变电站名称表示；

表1 220kV变电站参数

表2 220kV线路参数(并联后)

线路	电阻(Ω)	电抗(Ω)
			AB	0.0644	0.8693
AE	0.2640	2.4810
			AG	0.2106	1.5336
AH	0.3000	4.0108
			BC	0.1876	2.5315
BD	0.3006	4.0565
			EF	0.4000	1.9000
GF	0.1106	1.4500
			HI	0.1413	1.7635

(2)根据表1的220kV母线三相短路电流从小到大的顺序，对220kV变电站编号如表3所示；定义k＝1～8；称编号为k的变电站为变电站k；

表3 220kV变电站编号

变电站	B	C	D	E	F	G	H	I
									编号	8	4	3	5	6	7	2	1

(3)AVC控制主站对每个220kV变电站设置关口无功功率允许范围和低压母线电压允许范围，变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q_cmax.k,Q_cmax.k]；Q_cmax.k表示变电站k的无功补偿设备单组容量的最大值，根据表1和表3可知，各220kV变电站的关口无功功率允许范围如表4所示；各220kV变电站的低压母线电压允许范围为[10.0,10.7]kV；

表4 220kV变电站的关口无功功率允许范围

(4)AVC控制主站按以下方法将220kV地区电网内的220kV变电站分成多个协调组；

(4-1)AVC控制主站建立两个数组，一个数组用来存放未分组的220kV变电站的编号，用STATION表示，STATION的初始值为{1,2,…,8}；另一个数组用来存放已经分好的协调组的编号，用GROUP表示，GROUP的初始值为空数组；进入步骤(4-2)；

(4-2)取STATION中的第一个元素，用a表示；在STATION数组除了a之外的元素所代表的变电站中，查询是否有变电站与变电站a通过线路直接相连，若有，进入步骤(4-3)；若没有，进入步骤(4-4)；

以变电站1的分组为例，在STATION数组除了1之外的元素所代表的变电站中，根据表2和表3可得变电站2与变电站1通过线路HI直接相连，进入步骤(4-3)；

(4-3)在STATION数组除了a之外的元素所代表的变电站中，挑选出与变电站a通过线路直接相连且线路阻抗的模最小的变电站，用b表示该变电站的编号，变电站a和变电站b形成一组协调组，将{a,b}添加到GROUP数组，将a、b从STATION数组中删除，进入步骤(4-5)；

以变电站1的分组为例，在STATION数组除了1之外的元素所代表的变电站中，根据表2和表3可得只有变电站2与变电站1通过线路直接相连，因此变电站1和变电站2形成一组协调组，将{1,2}添加到GROUP数组，将1、2从STATION数组中删除，进入步骤(4-5)；

(4-4)将a从STATION数组中删除，进入步骤(4-5)；

(4-5)检查STATION数组是否为空数组，若是，则结束分组；若不是，则返回步骤(4-2)。

以变电站1的分组为例，此时STATION数组为{3,4,5,6,7,8}，不为空数组，返回步骤(4-2)。

其他变电站的分组与变电站1相似，此处不再赘述。分组结束后，GROUP数组为{{1,2},{3,8},{5,6}}，即变电站1和变电站2、变电站3和变电站8，变电站5和变电站6分别形成协调组，变电站4、变电站7无法形成协调组。

(5)AVC控制主站以时间间隔15分钟为周期，通过SCADA监测每个220kV变电站的无功电压控制情况，并选择相应的协调策略。

以变电站1的某一周期的协调无功控制为例，由潮流计算(实际系统中运行数据由SCADA监测得到，无需潮流计算)可得：变电站1的关口无功功率为14.37Mvar，低压母线电压为10.343kV。根据本发明提出的协调策略，变电站1的协调无功控制共经过以下几个步骤：

(5-1)在GROUP数组的元素中查找到变电站1与变电站2形成协调组；

(5-2)判断得变电站1的关口无功功率允许范围为[-10,10]Mvar；

(5-3)判断得变电站1关口无功功率不小于-10Mvar；

(5-4)判断得变电站1关口无功功率大于10Mvar且站内所有电抗器都已切除且站内所有电容器都已投入；

(5-5)判断得变电站2有电容器未投入，设置变电站2的关口无功功率允许范围为[-20,0]；

(5-6)按照当前AVC常用的九区图策略对变电站1进行控制。

其他变电站的协调无功控制可根据本发明提出的协调策略进行，此处不再赘述。

经过协调无功控制之后，相比于不进行相互协调的独立无功控制，变电站2多投入了一组10Mvar的电容器，表5给出了两种无功控制方法下变电站1、2的关口无功功率对比。

表5两种无功控制方法下变电站1、2的关口无功功率对比

	变电站1关口无功功率	变电站2关口无功功率
			独立无功控制	14.37Mvar	1.64Mvar
协调无功控制	14.33Mvar	-7.72Mvar

由表5可知，采用独立无功控制方法时，变电站2的无功补偿设备无法对变电站1进行支援，只能使变电站2的关口无功功率保持在关口无功控制区间内，变电站1和变电站2一共从电网下送了16.01Mvar；而当采用本发明的协调无功控制方法时，变电站2的无功补偿设备可以对变电站1进行支援，补偿部分变电站1下送的无功功率，变电站1和变电站2一共从电网下送了6.61Mvar。可见，本发明的协调无功控制方法，可以使协调组中的变电站相互协调无功补偿，尽量使无功功率就近平衡，减少无功功率的远距离输送。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种220 kV变电站分组协调无功控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 获取220 kV地区电网的电网参数，包括220 kV变电站数n、220 kV变电站内的无功补偿设备单组容量和数量、220 kV变电站220 kV母线的三相短路电流、220 kV变压器档位上限和下限、220 kV线路两端所连接的变电站、220 kV线路的阻抗；

(2) 根据各220 kV变电站220 kV母线的三相短路电流，按从小到大的顺序对220 kV变电站从1到n进行编号；定义k=1~n；称编号为k的变电站为变电站k；

(3) AVC控制主站对每个220 kV变电站设置关口无功功率允许范围和低压母线电压允许范围，变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q _cmax.k, Q _cmax.k]；Q _cmax.k表示变电站k的无功补偿设备单组容量的最大值；变电站k的低压母线电压允许范围为[10.0, 10.7] kV；

(4) AVC控制主站将220 kV地区电网内的220 kV变电站分成多个协调组；所述协调组是指两个变电站形成的无功设备能通过协调策略相互支援的分组，协调组的获取方法如下：

(4.1) AVC控制主站建立两个数组，一个数组用来存放未分组的220 kV变电站的编号，用STATION表示，数组STATION的初始值为{1, 2, …，k，…, n}；另一个数组用来存放已经分好的协调组的编号，用数组GROUP表示，GROUP的初始值为空数组；进入步骤(4.2)；

(4.2) 取STATION中的第一个元素，用a表示；在STATION数组除了a之外的元素所代表的变电站中，查询是否有变电站与变电站a通过线路直接相连，若有，进入步骤(4.3)；若没有，进入步骤(4.4)；

(4.3) 在数组STATION除了a之外的元素所代表的变电站中，挑选出与变电站a通过线路直接相连且线路阻抗的模最小的变电站，用b表示该变电站的编号，变电站a和变电站b形成一组协调组，将{a, b}添加到GROUP数组，将a、b从STATION数组中删除，进入步骤(4.5)；当两个变电站之间有2条或以上线路时，线路阻抗按并联后的阻抗计算；

(4.4) 将a从STATION数组中删除，进入步骤(4.5)；

(4.5) 检查数组STATION是否为空数组，若是，则结束分组；若不是，则返回步骤(4.2)；

(5) AVC控制主站以时间间隔ΔT为周期，通过数据采集与监视控制（SCADA）系统监测每个220 kV变电站的无功电压控制情况，并选择相应的协调策略；所述变电站的无功电压控制情况包括：变电站关口无功功率允许范围、变电站关口无功功率、变电站低压母线电压、变压器档位、无功补偿设备的投切状态；所述协调策略，对变电站k而言，按以下方法进行：

(5.1) 在GROUP数组的元素中查找是否有与变电站k组成协调组的变电站，若有，用l表示与变电站k形成协调组的变电站的编号，进入步骤(5.2)；若没有，进入步骤(5.10)；

(5.2) 判断变电站k的关口无功功率允许范围是否为[-Q _cmax.k, Q _cmax.k]，若是，进入步骤(5.3)，若不是，进入步骤(5.7)；

(5.3) 判断变电站k是否关口无功功率小于-Q _cmax.k且站内所有电容器都已切除且站内所有电抗器都已投入，若是，进入步骤(5.4)；若不是，进入步骤(5.5)；

(5.4) 判断变电站l是否有电抗器未投入或有电容器未切除，若是，设置变电站l的关口无功功率允许范围为[0, 2Q _cmax.l]，进入步骤(5.10)；若不是，进入步骤(5.10)；

(5.5) 判断变电站k是否关口无功功率大于Q _cmax.k且站内所有电抗器都已切除且站内所有电容器都已投入，若是，进入步骤(5.6)；若不是，进入步骤(5.10)；

(5.6) 判断变电站l是否有电容器未投入或有电抗器未切除，若是，设置变电站l的关口无功功率允许范围为[-2Q _cmax.l, 0]，进入步骤(5.10)；若不是，进入步骤(5.10)；

(5.7) 判断变电站k的关口无功功率允许范围是否为[-2Q _cmax.k, 0]，若是，进入步骤(5.8)；若不是，进入步骤(5.9)；

(5.8) 判断变电站l是否关口无功功率大于Q _cmax.l且站内所有电抗器都已切除且站内所有电容器都已投入，若是，进入步骤(5.10)；若不是，设置变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q _cmax.k, Q _cmax.k]，进入步骤(5.10)；

(5.9) 判断变电站l是否关口无功功率小于-Q _cmax.l且站内所有电容器都已切除且站内所有电抗器都已投入，若是，进入步骤(5.10)；若不是，设置变电站k的关口无功功率允许范围为[-Q _cmax.k, Q _cmax.k]，进入步骤(5.10)；

(5.10) 按照当前AVC常用的九区图策略对变电站k进行控制。

2.根据权利要求1所述的220 kV变电站分组协调无功控制方法，其特征在于：步骤（5）所述ΔT为15分钟。