基于变电站九区图调节的地区电网分层无功优化

每个区域的控制策略如下： 区域1——电压越上限，无功合格。调节分接头降压，但受三绕组变压器的低压侧电压限制闭锁。 区域2——先调节分接头降压，若无功仍越下限，则在终端子网无功调节约束下投入电容器。 区域3——在终端子网无功调节约束下投入电容器。 区域4——先在终端子网无功调节约束下投入电容器，若电压仍越下限，调节分接头升压。 区域5——调节分接头升压，但受三绕组变压器的低压侧电压限制闭锁。 区域6——先调节分接头升压，若无功仍越上限，则在终端子网无功调节约束下切除电容器。 区域7——在终端子网无功调节约束下切除电容器。 区域8——先在终端子网无功调节约束下切除电容振区，一般不加控制。区域0的电压无功均合格。 上述策略中“在终端子网无功调节约束下”的含义是：只有在满足终端子网无功调节约束的情况下才允许调节操作，否则，不允许调节操作。“受三绕组变压器的低压侧电压限制闭锁” 的含义是：如果操作会引起三绕组变压器的低压侧电压越限，则闭锁该操作。1.3 多区图控制过程 多区图的控制过程。
基于多区图控制策略的地区电网电压无功优化控制
0 引言
我国地区电网经过几年的城农网改造后，供电可靠性大大提高，有些地方的供电可靠性已经达到99.9%，基本上可以满足目前大多数用户供电可靠性的要求。在此前提条件下，当前地区电网电压质量（特别是电压合格率）问题就显得特别突出，并且越来越受到各级供电部门的重视。影响地区电网电压合格率的因素主要有两个方面：一方面是无功电源配置不合理，这可以在地区电网的电压无功优化计算的基础上配以适量的建设资金逐步解决；另一方面是没有能够实现全网的电压无功优化协调控制。当前在地区电网中很多变电站都装设有电压无功综合自动控制装置（VQC），只采集变电站内部信息，控制目标为变电站低压母线电压和变电站消耗的无功功率，不能实现全网的协调控制。有些地区电网EMS中装设有电压无功优化计算软件，从理论上说计算结果可以用于实现全网电压无功优化控制，但由于存在一些难以解决的技术问题而使应用受到限制，这些问题包括收敛性问题、当系统数据不全或出现局部坏数据后计算失败、远动数据的异步性等带来的较大误差直接影响控制的效果等。因此，迫切需要提出新的控制原理和控制方法解决地区电网电压无功协调控制问题，提高地区电网的电压合格率。 国内外很多学者对此进行了众多研究。例如文献[1]提出了一种全网无功电压优化集中自动控制系统，该系统不是进行单纯的电网潮流计算，而是建立符合全网网损尽可能小、电压合格的优化及控制判断规则，这些规则对控制效果的改进明显。文献[2]提出了一种适用于110kV及以上电网的自动电压控制方法，该方法基于经济压差优化电压无功潮流程序，对解决EMS中装设的电压无功优化计算软件的收敛性问题有一定帮助。 本文提出了一种基于多区图控制策略的地区电网电压无功优化控制的控制理论和控制方法。利用从EMS或集控站SCADA系统中采集的电网数据及地区电网的网络拓扑图，不须进行地区电网电压无功优化计算，通过构建的电网多区图控制规则，对各个变电站进行相应的控制，能较好地解决地区电网电压无功协调控制问题。1 控制原理1.1 电压无功控制的基本思路 为了理解地区电网电压无功多区图的控制思想，特定义一些基本概念如下： 终端子网：在地区电网中，电气上连通的某一电压等级的设备及其配供电的设备所构成的网络成为终端子网。 伴随终端子网：终端子网加上向终端子网供电的变压器所构成的网络。 终端子网电压：终端子网中最高电压等级的电压。 终端子网无功：向终端子网供电的变压器上流通的无功功率。 终端子网无功调节约束：在终端子网中调节无功补偿设备时，应该保证终端子网无功在给定的范围内变化，该限制条件称为终端子网无功调节约束。 地区电网电压无功控制的总原则是在保证电压合格的前提条件下，使电网网损达到最小。为了使电网网损达到最小，应尽可能减小电网中传输的无功功率，并适当地提高电网运行电压。因此若各级终端子网内部的无功功率能尽可能平衡，就可以达到网损最小的目标。但是，要求每一级终端子网的无功功率都能就地平衡是不可能的，也是没有必要的，这样必须装设很多无功补偿设备，经济上也不合理。 实际上，对城区电网而言，终端子网覆盖的地域范围很小，线路损耗一般可以忽略不计，网损主要来自降压变压器，只要降低流过变压器的无功功率至最小值即可达到网损最小的目标。这样，就要求同一电压等级电网中的无功功率能够平衡，而同一电压等级电网中各个变电站的无功功率可以相互传输，不会造成太大的网损，电压也比较容易满足要求。 对农村电网而言，各级终端子网覆盖的地域范围差别较大，输电线路的线径选择也不尽相同，很多情况下必须考虑输电线路损耗的影响。因此，不仅要考虑降低流过变压器的无功功率至最小值，而且当局部无功负荷较大时，同一电压等级电网中各个变电站的无功功率的相互支援应该按照电气距离最小的原则实现，即在潮流允许的条件下，距无功负荷电气距离小的无功补偿设备优先投切或调整。这样才能保证整个网损最小。这一原则当然也可以用于城区电网，只是效果不太明显，除非系统中存在限流电抗器等大电抗设备。 改变各个变电站的有载调压变压器分接头，可以改变该变压器中低压侧终端子网的电压，进而改变电网的无功功率。一般降低有载调压变压器分接头可以提高变压器中低压侧终端子网的电压，使无功负荷增大；调高有载调压变压器分接头可以降低变压器中低压侧终端子网的电压，使无功负荷减少。但有载调压变压器分接头的调整次数不能太频繁，应该有限制地调整。当终端子网无功不足时，终端子网中各点的电压普遍偏低，不允许局部采用降低有载调压变压器分接头的办法抬高电压，这样会引起整个电网的无功缺额更大，必须先补偿无功，此时，可以先投入运行电压较低和无功有缺额的变电站的电容器组，或切除运行电压较低和无功有缺额的变电站的电抗器，再增大发电厂的无功出力。当终端子网无功过剩时，终端子网中各点的电压普遍偏高，一般应降低无功出力，此时，可以先切除运行电压较高和无功有剩余的变电站的电容器组，或投入运行电压较高和无功有剩余的变电站的电抗器，再降低发电厂的无功出力。 如果要投切某一级终端子网内的无功补偿设备，必须先检查其伴随终端子网无功是否会越限。只有当伴随终端子网无功不发生越限时才能进行操作。1.2 多区图控制策略 从电网运行的角度讲，电网各个节点电压和无功都应在一定的范围内，即电压和无功都有上下限要求。若计UH、UL、QH、QL为电压上限、电压下限、无功上限、无功下限，用横坐标表示终端子网的无功，纵坐标表示终端子网的电压，则得到图1所示的多区图。

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改进之后的九区图策略就是在传统的九区图策略的基础上增加了 ２３ ６７ － 和 ＿ 两个 小 区作 为防振 区（ 图 ） 进之后 的九 区图策略能在 如下 ， 改 很大 程度上 弥补传统 的九 区图策 略的缺 陷 ，在一定程 度上保证 电压 的 质量。 例如△ｕ ｑ为投切 １ 组电容器时引起的电压变化的最大值 ， 当运行
科技创新与应用 Ｉ０ 年１ （ ） １ ０ 上 ２２ 月
科 技 创 新
改进的九区图策略在地区电网 Ａ Ｃ中的应用 Ｖ
王 锋
（ 东 电 网公 司江 门供 电局 ， 东 江 门 ５ ９ ０ ） 广 广 ２ ００
摘 要： 随着经济的不断发展 ， 地区电网的规模也在不断地扩大与 负荷 的需求不断增加 ， 电压等级越来越 高， 致使电 网分布越来 越不均匀， 因此 要提 高 电 网设备 的供 电能 力及供 电效 率， 改善 电压 质量 及 供 电环 境 ， 无 功功 率补 偿 在 电力供 电 系统 中处在 一个 而 不 可缺 少 的重要 位 置 。特 别是 结 合 改进 的九 区图策 略 的 Ａ Ｃ 系统能 以 最优 的控 制顺 序 和 最 少的 动作 次数 使 工 作 点进 入 无 功平 Ｖ 衡 、 压合 格 的 区域 ， 而减 少 电力 系统的 网络损 耗 ， 高输 电 的能 力 ， 电 从 提 维持 电压 水平 在 一 定的 可 允许 的 范 围 内 ， 善 电 能质 量 。 改 本 文重 点研 究 了改 进 的九 区图策 略在 地 区电 网 Ａ Ｃ中的 应 用 ， 且 与传 统 的九 区 图策略 相 比较 ， Ｖ 并 彰显 出改进 的九 区图策 略 的优

系统由原来的一个电气岛可能变成两个或多个电 气岛，为了提取待求区域的线路、 变压器、 节点 以及补偿装置信息，需要对系统进行拓扑分析。 在程序设计中，拓扑分析采用支路搜索的方 法，从系统第一个节点开始，查找所有通过带电 支路与该节点相连接的对侧节点集合，然后根据 同样方法查找新增节点所连的节点集合，以此类 推，直到所有相连节点搜索完毕为止，将其定义 为同一个电气岛，赋予相同的系统号。 然后对剩 下的未搜索过的节点以同样的过程继续进行搜索 分析，直到所有 的 节 点 都 被 赋 予 系 统 号 后 结 束， 具体的操作流程如图 3 所示。
收稿日期： 2012 － 08 － 07 。
作者简介： 王久成 （ 1989 － ） ，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析 、 运行与控制，电力系统调度自动化， Email： wjiuchengyx@ 163． com。
第 10 期
王久成，等 基于图形操作的分区无功优化方法
41
现场的状态估计数据，当状态估计遥测合格率比较 低时 （ 低于 90% ） ，这表明系统量测存在较大误差， 即网络分析所研究的数据断面与实际电网运行断面 存在较大误差，这会导致无功优化不易收敛 。各 种各样的实时数据断面对在线无功优化的收敛性提 出了考验。 很多专家学者针对以上问题，分别提出了自 己的解决方法，如分解协调算法、 协同进化算法 以及各种智能算法，这些方法和策略为实时无功优 化提供了良好的参考和借鉴，但它们目前大多停留 在理论研究阶段，缺乏实际系统的考验，而且由于 算法的复杂性等因素，难以应用于工程实际。
界节点的等值注入功率。
图5 Fig． 5
外部区域等值后的网络
External area equivalent network

·2·
U u- 分接头调节一挡引起的电压最大变化量; U q- 投切一组电容器引起的电压最大变化量; Q u- 分接头调节一档引起的无功最大变化量; Q q- 投切一组电容器引起的无功最大变化量
图 2 九区细分图
图 3 模糊边界九区图
3 运行定值问题
3. 1 上下限值设置不合理 电压的上下限是根据电压合格范围整定的, 有
该控制策略的优点是在电压无功边界区域不需 要二次调整, 直接到达正常区 0 区, 或者保持在电 压合格无功稍微越限的区域, 防止震荡发生。但是, 该策略电压无功的关联特性不够精确, 控制的准确 性差。
另外一种预防措施是采用模糊边界无功调节判 据[ 3] 。设系统的短路容量为 S F, 则无功功率的变化 对电压的影响近似计算为: U 2Q = - Q ·U 2 / SF,
2 控制策略问题
按照常规九区图控制策略分析图 1 中 3 区 A 点和 7 区 D 点的无功调节过程发现, 在接近电压上 下限处投切电容会由于无功的变化而使得电压越 限, 进入 1 区 B 点和 5 区 C 点。若此时分接头可调, 则需要再进行一次调压操作才能到达正常区。若分 接头不可调, 为了保证电压合格, 则强制执行相反 的投切电容器操作, 在区域 ( A , B ) 、( C, D) 出现 了振荡现象。类似地, 在 1 区 H 点和 5 区 E 点调分 接头会由于电压的变化而使得无功越限, 进入 7 区 G 点和 3 区 F 点。此时若电容器可动, 则需要再进 行投切电容器操作才能到达正常区 0 区; 若电容器 不可动, 在电压优先的情况下则保持原状态。
系统自动化, 2000, 24 ( 9) : 56-59. [ 3] 陈远华, 秦荃华, 扬晓红, 等. 基于模糊边界无功调节判据

图/ "1区域图法
注：!$4———分接头调节"档引起的电压变化最大值； !$5———电容器投切"组引起的电压变化最大值； !%4———分接头调节"档引起的无功变化最大值； !%5———电容器投切"组引起的无功变化最大值。
# 无功模糊边界的九区图法
图# 改进的九区图法"!区域图 !"! "1区 万域方数图据法
摘 要：电压和无功调节是各级变电所要承担的重要任务，为保证电压质量、无功平衡和电网安全可靠经济运
行，对变电站实行电压无功自动控制已成为一项重要的控制措施。文章对基于九区图的各种变电站电压无功
控制原理和策略进行了综述，介绍了其演变过程，详细分析了其存在的主要缺陷及在使用中可能会出现的问
题，并对 +,-的发展方向做一概述。 关键词：变电站； 电压无功控制； 控制策略； 振荡动作 模糊边界
引起电压崩溃造成大面积停电的严重事故。因此 节效果，并会增加调节操作次数，甚至有操作失误
保证电压质量合格，是电力系统安全优质供电的 的危险，已不适应电力发展的需要。为保证电压
重要条件。同时无功是影响电压质量的一个重要 质量、无功平衡和电网安全可靠经济运行，对变电
因素，而实现无功的分层、分区就地平衡是降低网 站实行电压无功自动控制已成为一项重要的控制
调节次数均有严格的限制〔!〕。合理的电容器组是 采用循环投切方式，使先投入运行的电容器组先 退出，后投入的后切除，以减低电容器组的平均运 行温度，减少投切开关的动作次数，延长其使用寿 命。
! 传统九区图法
能进入!区而 非 # 区（也 可 能 进 入 " 区）；装 置 再 根据!区的控制方案（下调分接头降压）使运行点 可能又回到"$,小区，如此反复，从而产生振荡 动作。当系统运行于 . 点（位于"%/ 小区，"%/ 为上调"档分接头所引起的无功变化量），电压越 下限而无功接近上限，根据0区的控制方案，应先 上调分接 头 升 压，引 起 无 功 变 大，则 上 调 分 接 头

（二）启动动作区分析
文献[4]中作者提出，根据电压无功合格 上下限选择一个最优控制区，当工作点越出 最优控制区，启动控制进行最优操作判断。 可以根据运行经验，整定一个合适的操作距 离值 L， 在 U-Q 平面上形成一个以理想工作点 为圆心，以 L 为为半径的圆形动作非启动 区。圆形动作非启动区避开了非启动区中电 压无功合格的边缘状态，将系统控制在额定 的最佳状态。通过改变 L 值，实现可以量化 图 2 启动动作示意图 的启动灵敏设置， 可随时调节最优运行区域的大小， 便于现场调试， 增强控制的适应性， 但是这个方法，仅仅根据运行经验进行整定，可能导致电网无功潮流分布不合理和节点 被控对象频繁操作，无法实现全局的最优控制。 为了更好地实现全局最优控制，将五区图和九区图相互配合，九区图动作启动值是 基于全网最优无功电压整定，当工作点越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断， 选取合适的操作动作，形成九区图和五区图相互配合的控制策略。 在实际操作中，首先根据次日 24 小时的母线负荷预测，计算出次日全网的最优无 功潮流分布和最优无功补偿量，由此算出各变电站的最优无功限值和电压限值，再根据 负荷曲线的变化趋势以及补偿调压装置动作次数的限制， 对最优无功电压限值曲线进行 分段，并对分段后的限值做校验计 算[5] 。 这样， 各变电站的无功调压设备根据设定的最优限值曲线按照九区图进行工作点所 在区域判断，若越出最优控制区，再根据五区图选择最优操作，保证了全网潮流最优，
Qs QCA U 2 N - U 2 1 2 （3） QC 0 U 2N 式中， QC0 为单组电容器无功容量； 1 ， 2 为权重系数（由无功调节的边界决定）。
4
设在 QCA 1 时电容投入，在 QCA 1 时电容切除。设在U=U2N时，QS 1.5QC0 时，可投 入1组电容器；在U=1.05U2N， QS 2.0QC0 时，可投入1组电容器。代入式（3）中，可得：

关键 宇 ：电压 无功 功率 控制 ；九 区 图；人 工神 经 网络
电压是衡量 电能质量 的主要指标 ，电压稳定是整个电力系统稳定 的一个重要方面。电压 的稳定 和质量对 于终端用户是非常重要的 ，而 对于负载端的安全和经济运行也有着至关重要的意义。 电力系统 中的电压与无功功率的状况密切相关。无功功率从 电源
２传统 的九区圈法
史数据 ，应用人工神经元 网络对无功负荷进行预测 ，然后将预测结果 连同当前的母线 电压 、无功功率 、功率 因素等经模糊化后作为决策人 工神经 网络 的输入 ，该 决策人 ＿ Ｔ神经 网络 的输出 即为调 节动作 的策 略， 该 方法实 际上 已经脱离 了九区图的范畴，计算复杂 、对硬件要求 较高 ，而且其动作是否合理还依赖于对人 ＿ Ｔ神经 网络进行训练＿ Ｔ作的 成功与否。 ４九 区图法和人工神经 网络相结合 的控制策略 传统的九区图法的控 制策略是基于 固定的 电压无功上 、下限而没 有考虑无功调节对 电压的影响及其协调关 系，用于运算分析的信号有 分散性 、随机性等特点 ，这就造成了该方法具有控制策略的盲 目和不 确定性 ，实际表现为在九区图的某些边界区域 ， 设备会频繁调节。
端经线路和电压器向负荷端输送 ，要产生 电压损耗 。高压线路和变压 器的 电压损耗 主要取决于无 功功率 。输送 的距 离越远 ，中间环节 越 多 ，引起 的 电压 降也就越 大 ，负荷 端的 电压也 就越低 。合理配置 无 功电源 ，使无功功率就近平衡 ， 不仅可 以提高 电压水平 ，而且可以减 少电网中有功功率的损耗 。我 国电网结构不够合理 ，一些地区在电网 发展过程中无功设 备配备不足 ，使得局部地 区在负荷增大后无功功率 明显不足 ，造成局部电网较长 时间处于低 电压水平运行。另外 ，随着 现代电网的发展 ，大容量机组直接接人超高压 电网 ，使超高压电网内 无功过剩。城市供 电网的迅速发展 由于 电缆数量增加使得充电功率增 大。当电力系统不正常运行时 ，大容量发 电机组或超高压输电线路退 出运行 ，又会使 部分超 高压线路符合过重而使无功出力严重不足。这 些问题 的存在对 用户 的电压 质量 、系统的输 电能力 、电能损耗及 安 全、 经济等方面产生不 良 影 响。

三、九区图法电压无功综合控制
变电站电压无功控制的基本原则是：保证电压合格，无功基本平衡，尽 量减少调节次数。变电站在进行调压时，如调度无特殊要求，必须严格按逆 调压原则进行，并先投退无功补偿装置，后调整变压器分接头档位的顺序进 行调整。
220kV桐子林变电站以220kV青林东西线作为进线电源，忽略线路电容功 率、变压器励磁功率及网络功率损耗，其电压值反映的就是变电站侧的无功 潮流情况。故可以将220kV母线电压上下限值可以看做最大最小无功值。参 照调度要求220kV电压曲线：226-233kV；110kV电压曲线：113-116.7kV，结 合九区图，下面举例分析： 。 实例一：220kV、110kV电压都在合格范围时，这表明此时电压与无功处 于最平衡的状态区域，即在第九区，此时不用做任何调整。
三、九区图法电压无功综合控制
实例二：220kV电压在合格范围时，110kV电压越下限，这表明无 功在正常范围，电压低于下限，我们对照九区图，可以看出现在电压 与无功的关系处于5区，这时应该采取的调压措施就是升档升压。同 理，220kV电压在合格范围时，110kV电压越上限，这时运行在1区， 应该采取降档降压的方法来调整电压。 实例三：220kV电压越上限时，110 kV电压越下限，此时九区图 运行在4区，应该采取先调主变分接头升压，然后切电容器组的方式 调整；220kV电压越下限时，110kV电压越下限这表明电压越下限，无 功越下限，此时九区图运行在6区，若电容器未投入应立即投入电容 器组，投入后若电压仍越下限则升档升压。
三、九区图法电压无功综合控制
综合比较这两种调压方式都有各自的优缺点，都能调 整母线电压，将电压维持在一定水平。但当前电力系统中 无功容量的不足是造成电压低下的根本原因，所以对如何 在电压要求范围内进行有载调压和电容器的投切，实现电 网最大化经济运行，从而起到降损节能的作用是我们应该 考虑的问题。我认为要对电压与无功关系的九区图进行深 入学习，并在工作中加以利用，这样对电网的经济运行及 对电网的电能质量要求都有很大的益处。