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[摘 要]本文以案例的形式分析了某电网电压无功控制存在的不足，阐述了分布式电压无功全局优化控制系统的构成原理和技术要点。分布式电压无功全局优化控制系统是由主站系统、通信子系统以及电压无功实时控制子系统（VQC）组成。可通过全网离散无功优化计算获得各子站系统的电压和无功控制范围，实现对电网电压无功全局优化和分布式实时控制。
[关键词]电压无功控制 全局优化 分布式控制 数据通信
中图分类号：T56 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）22-0288-01
1.概述
电压的稳定可以确保各种电气设备的正常运行并延长其使用寿命， 控制电网合理的无功潮流可以降低网损， 因此在电力系统中实现电压无功优化控制具有广泛和重要的经济效益和社会效益。这种变电站级电压无功局部优化综合控制技术已比较成熟，但仍存在以下不足：（1）只能实现局部的优化，不能实现全系统的最优控制，并且仅能保证受控母线电压合格，不能达到全网功率损耗最小的目的。（2）VQC装置的调节控制是基于给定的电压无功上下限值， 电压无功上下限值的确定要依赖维护人员的经验，缺少一套有效的计算方法。如果上下限值给定不合理，无论调节措施多么完美，都不可能得到合理的控制。（3）VQC的人机界面对运行和管理人员十分重要。VQC的人机界面不友好或不完善，则可能造成使用不方便或不当。一般来说，VQC人机界面应满足以下要求：①参数设置方便，对用户开放的参数要足够充分和全面。有关部门对变电站电压无功的考核常常会有新的要求， 有时甚至对峰谷时段的定义都会有变化。②闭锁条件应能在人机界面中反映出来。VQC是一项涉及面颇广的自动化裝置，变电站的许多异常和变化都会引起它的闭锁。③VQC动作记录应全面，有利于VQC的运行和故障分析。
2.系统总体思路
本项目的基本思路是： 建立主站系统， 根据未来一天各母线有功和无功负荷曲线（由短期负荷预测获得）及开关状态信息，以控制整个电网节点电压在允许范围内和有功损耗最小为优化目标，进行地区电网离散无功优化计算，并以此为基础计算出各VQC的控制范围（限值）。利用技术上已成熟的VQC装置，研究可支持全网优化控制和本地控制模式的VQC控制策略，即建立变电站电压无功实时控制子系统，负责监控变压器和电容器状态、采集电网运行参数及根据主站系统提供的电压无功限值（或自定义的电压无功限值）实施电压无功控制， 并可实现在全网优化状态下和本地状态下电压无功控制模式的切换。建立通信子系统（也可以利用现有调度自动化系统的通信通道），以实现主站系统后台程序与子站系统VQC控制程序之间的数据通信。该系统可应用于整个地区电网的电压无功控制，也可用于地区电网的某一个区域的电压无功控制。主站系统属于二级控制，根据电网近期内的历史负荷水平，预测短期内的电网负荷，以保证电网内各节点电压在允许范围内。实现全网有功损耗最小为系统优化目标，计算各节点电压、无功分布并转换为实际控制定值。系统中的子站系统实现三级控制，以传统九区域控制原理为算法核心，实时监测电网数据，执行主站系统的控制定值。
3.主要理论研究
本系统主要的理论研究有以下两方面：
（1）全电网离散无功优化计算方法。通过对离散变量构造函数并将其直接嵌入到非线性原对偶内点法中形成扩展内点算法。其原理详见文献。
（2）变电站电压无功控制范围的整定计算方法。利用上述全网离散无功优化计算结果，计算出每个变电站变压器高压侧无功功率和低压侧母线电压的最佳变化曲线。通过跟踪无功和电压最佳变化曲线，确定变压器高压侧无功功率和低压侧母线电压的上下限值。
4.系统结构
该系统由主站系统、变电站电压无功实时控制子站系统（VQC）和通信子系统构成。分布式电压无功全局实时优化控制系统结构原理图通信子系统实现主站系统与子站系统VQC控制程序之间的数据通信，主站系统通过通信子系统与各变电站的电压无功实时控制子系统联系，进行数据传递和控制。主站系统通过由子站系统采集并按一定时间间隔上传的220 kV及110 kV变电站低压侧（10 kV侧）有功和无功负荷的实时数据及开关状态信息，进行全电网离散无功优化计算，然后根据优化计算结果，形成每个变电站的无功功率上下限（指变压器高压侧从系统吸收的无功功率）及低压侧电压上下限的控制策略表，并通过通信子系统传到变电站电压无功实时控制子系统。子站系统存放在各变电站，各子站系统装置负责监控变压器和电容器状态，采集电网运行参数，并根据主站系统提供的电压无功限值按九区分割图实施具体控制策略。子站系统在原有变电站VQC的基础上进行了改进，支持按全网优化电压无功限值和本地电压无功限值两种模式控制，当通信中断或电网出现异常时，子站系统将自动切换控制状态，即从执行全网优化电压无功限值自动转换成执行本地预设的电压无功限值，保证电网安全运行。
5.应用
5.1 应用环境介绍
把主站系统放置在市级调度中心，每个变电站（包括220 kV、110 kV变电站）都安装了子站系统，整个分布式电压无功全局优化控制系统的控制范围为从220 kV变电站的进线端到110 kV变电站的10 kV侧出线端。
5.2 几种数据刷新频率
在系统运行过程中，主站存在以下几种数据刷新频率：（1）遥信数据。遥信数据包括断路器开关量数据、电容器投切开关状态信息，采用子站实时主动上传、子站同时存储的开关事件发生数据以供历史查询；（2）遥测数据。遥测数据包括变压器电压、电流、无功、有功数据，数据不主动上传，由主站根据系统设定向子站定时查询，也提供实时数据查询；（3）控制定值数据。控制定值数据由主站根据系统设定向子站定时下传或实时下传。实际运行中数据传输间隔为24 h，即每天定时刷新一次。当电网运行方式发生改变时，各子站转为就地优化，执行预设的就地运行定值。
5.3 应用效果
（1）系统运行稳定可靠，运行效果良好；（2）该系统实现了全电网在线无功优化调度和无功控制装置的局部优化自动控制协调， 改善了整个电网的电压质量，降低了电网有功损耗；（3）在系统运行期间，各变电站的电压合格，调节动作及时准确，可满足实际运行需求；（4）在各变电站的实际运行中，各无功补偿设备得到充分利用，有效地降低了变电站在负荷高峰期从系统所吸取的无功，补偿了系统无功，同时起到了很好的电压调节功能。
参考文献
[1] 曹立霞，厉吉文.分布式电压无功优化控制系统的设计与应用[J].电力系统自动化，2003（23）：45-46.
[2] 张明军，董洁.区域分布式电压无功监测与优化控制系统[J].电力自动化设备，2004（10）：77-78.
[3] 盛戈皞，涂光瑜.人工智能技术在电力系统无功电压控制中的应用[J].电网技术，2002（6）：/06.
[关键词]电压无功控制 全局优化 分布式控制 数据通信
中图分类号：T56 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）22-0288-01
1.概述
电压的稳定可以确保各种电气设备的正常运行并延长其使用寿命， 控制电网合理的无功潮流可以降低网损， 因此在电力系统中实现电压无功优化控制具有广泛和重要的经济效益和社会效益。这种变电站级电压无功局部优化综合控制技术已比较成熟，但仍存在以下不足：（1）只能实现局部的优化，不能实现全系统的最优控制，并且仅能保证受控母线电压合格，不能达到全网功率损耗最小的目的。（2）VQC装置的调节控制是基于给定的电压无功上下限值， 电压无功上下限值的确定要依赖维护人员的经验，缺少一套有效的计算方法。如果上下限值给定不合理，无论调节措施多么完美，都不可能得到合理的控制。（3）VQC的人机界面对运行和管理人员十分重要。VQC的人机界面不友好或不完善，则可能造成使用不方便或不当。一般来说，VQC人机界面应满足以下要求：①参数设置方便，对用户开放的参数要足够充分和全面。有关部门对变电站电压无功的考核常常会有新的要求， 有时甚至对峰谷时段的定义都会有变化。②闭锁条件应能在人机界面中反映出来。VQC是一项涉及面颇广的自动化裝置，变电站的许多异常和变化都会引起它的闭锁。③VQC动作记录应全面，有利于VQC的运行和故障分析。
2.系统总体思路
本项目的基本思路是： 建立主站系统， 根据未来一天各母线有功和无功负荷曲线（由短期负荷预测获得）及开关状态信息，以控制整个电网节点电压在允许范围内和有功损耗最小为优化目标，进行地区电网离散无功优化计算，并以此为基础计算出各VQC的控制范围（限值）。利用技术上已成熟的VQC装置，研究可支持全网优化控制和本地控制模式的VQC控制策略，即建立变电站电压无功实时控制子系统，负责监控变压器和电容器状态、采集电网运行参数及根据主站系统提供的电压无功限值（或自定义的电压无功限值）实施电压无功控制， 并可实现在全网优化状态下和本地状态下电压无功控制模式的切换。建立通信子系统（也可以利用现有调度自动化系统的通信通道），以实现主站系统后台程序与子站系统VQC控制程序之间的数据通信。该系统可应用于整个地区电网的电压无功控制，也可用于地区电网的某一个区域的电压无功控制。主站系统属于二级控制，根据电网近期内的历史负荷水平，预测短期内的电网负荷，以保证电网内各节点电压在允许范围内。实现全网有功损耗最小为系统优化目标，计算各节点电压、无功分布并转换为实际控制定值。系统中的子站系统实现三级控制，以传统九区域控制原理为算法核心，实时监测电网数据，执行主站系统的控制定值。
3.主要理论研究
本系统主要的理论研究有以下两方面：
（1）全电网离散无功优化计算方法。通过对离散变量构造函数并将其直接嵌入到非线性原对偶内点法中形成扩展内点算法。其原理详见文献。
（2）变电站电压无功控制范围的整定计算方法。利用上述全网离散无功优化计算结果，计算出每个变电站变压器高压侧无功功率和低压侧母线电压的最佳变化曲线。通过跟踪无功和电压最佳变化曲线，确定变压器高压侧无功功率和低压侧母线电压的上下限值。
4.系统结构
该系统由主站系统、变电站电压无功实时控制子站系统（VQC）和通信子系统构成。分布式电压无功全局实时优化控制系统结构原理图通信子系统实现主站系统与子站系统VQC控制程序之间的数据通信，主站系统通过通信子系统与各变电站的电压无功实时控制子系统联系，进行数据传递和控制。主站系统通过由子站系统采集并按一定时间间隔上传的220 kV及110 kV变电站低压侧（10 kV侧）有功和无功负荷的实时数据及开关状态信息，进行全电网离散无功优化计算，然后根据优化计算结果，形成每个变电站的无功功率上下限（指变压器高压侧从系统吸收的无功功率）及低压侧电压上下限的控制策略表，并通过通信子系统传到变电站电压无功实时控制子系统。子站系统存放在各变电站，各子站系统装置负责监控变压器和电容器状态，采集电网运行参数，并根据主站系统提供的电压无功限值按九区分割图实施具体控制策略。子站系统在原有变电站VQC的基础上进行了改进，支持按全网优化电压无功限值和本地电压无功限值两种模式控制，当通信中断或电网出现异常时，子站系统将自动切换控制状态，即从执行全网优化电压无功限值自动转换成执行本地预设的电压无功限值，保证电网安全运行。
5.应用
5.1 应用环境介绍
把主站系统放置在市级调度中心，每个变电站（包括220 kV、110 kV变电站）都安装了子站系统，整个分布式电压无功全局优化控制系统的控制范围为从220 kV变电站的进线端到110 kV变电站的10 kV侧出线端。
5.2 几种数据刷新频率
在系统运行过程中，主站存在以下几种数据刷新频率：（1）遥信数据。遥信数据包括断路器开关量数据、电容器投切开关状态信息，采用子站实时主动上传、子站同时存储的开关事件发生数据以供历史查询；（2）遥测数据。遥测数据包括变压器电压、电流、无功、有功数据，数据不主动上传，由主站根据系统设定向子站定时查询，也提供实时数据查询；（3）控制定值数据。控制定值数据由主站根据系统设定向子站定时下传或实时下传。实际运行中数据传输间隔为24 h，即每天定时刷新一次。当电网运行方式发生改变时，各子站转为就地优化，执行预设的就地运行定值。
5.3 应用效果
（1）系统运行稳定可靠，运行效果良好；（2）该系统实现了全电网在线无功优化调度和无功控制装置的局部优化自动控制协调， 改善了整个电网的电压质量，降低了电网有功损耗；（3）在系统运行期间，各变电站的电压合格，调节动作及时准确，可满足实际运行需求；（4）在各变电站的实际运行中，各无功补偿设备得到充分利用，有效地降低了变电站在负荷高峰期从系统所吸取的无功，补偿了系统无功，同时起到了很好的电压调节功能。
参考文献
[1] 曹立霞，厉吉文.分布式电压无功优化控制系统的设计与应用[J].电力系统自动化，2003（23）：45-46.
[2] 张明军，董洁.区域分布式电压无功监测与优化控制系统[J].电力自动化设备，2004（10）：77-78.
[3] 盛戈皞，涂光瑜.人工智能技术在电力系统无功电压控制中的应用[J].电网技术，2002（6）：/06.