[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．國家電網公司農電工作部 北京 100031；2．中國電力科學研究院 北京 100085； 3.湖南電力調度通信中心 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： 根據我國電網存在電壓失穩的隱患，本文提出了一種基于經濟壓差（△UJ）無功功率優化潮流的電力系統無功功率實時監測與控制方法，并提出了從此逐步過渡到全網無功功率優化運行的實施措施。作為預防電壓穩定破壞事故的第一道防線，本文的方法具有重要的科學性、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. 關鍵詞：經濟壓差 無功功率優化 電壓 實時監測與控制 Keywords: economic voltage difference, reactive power optimization, voltage, real-time monitoring and control. 一、背景 如果電力系統中的每一個節點（母線）的電壓實時值，隨時都靠攏額定值運行，即不超出規定的電壓上、下限運行，節點的電壓穩定儲備系數就有最大值，這是預防電力系統電壓穩定破壞事故的根本措施[1]。要使電力系統中的節點的電壓穩定儲備系數具有最大值，就必須隨時維持節點無功功率的動態的就地平衡，因此，要求每個發電廠、變電站，尤其是那些具有關鍵意義的節點，必須裝有足夠的動態無功補償容量，這個容量應該等于穩態無功電壓調整需要的補償容量，加上事故發生時應對電壓支撐所需要的無功補償容量。中、外電網發展史上的電壓穩定破壞事故都證明了這一點。 雖然我國電網的調度管理體制比國外優越，給防止發生電壓穩定破壞事故提供了先決的良好條件，但是，由于我國電力系統的無功補償基礎比較差：無功就地平衡差，長距離、跨層次輸送無功[2]；高、中、低壓電網中的動態無功補償容量很少，又基本上沒有可控性，事故時無法及時投入運行；電網末端即需求側的無功補償更差，用電功率因數很低，尤其是缺少動態無功補償，缺少受端電壓支撐，很難應對電網高峰負荷、重點是夏季高峰負荷到來時的無功動態平衡[3]；缺少無功補償的事故備用容量，線路跳閘后，不能有效的減小潮流轉移通道上的電壓損失，容易導致電力系統事故的擴大[4]。 3年前，清華大學做的“電力大系統仿真計算的若干問題探討”及“我國電網的安全穩定隱患及其對策“的PPT中指出，我國電網防止重點地區動態電壓崩潰的局面也很嚴峻：由于能源、環保及土地資源的制約，負荷中心的發電廠越來越少，區外輸電的比例越來越大；空調負荷越來越多；使用成組的電容（抗）器補償的多，使用動態補償裝置的少；對電壓變化靈敏度低的負荷越來越多，不利于電壓穩定；與此同時，不少調相機、有些SVC還被撤除。京、滬、穗地區的暫態電壓穩定存在潛在威脅。 上述事實，要求人們反思傳統的無功補償設計方法與無功電壓調整控制工作，電力系統的運行實際需要無功功率的實時監測與控制[5]，目的是為了促進無功補償的設計與調整控制工作的改進與創新，進一步提升電力系統的安全穩定優質經濟運行水平。 二、電力系統無功功率實時監測與控制方法 1、電力系統無功功率實時監測與控制方法 用SCADA采集來的U、P、Q等數據，用△UJ潮流算法，按照監測與控制系統要求的刷新速度，以給定電壓約束下的全網無功優化潮流為目標，求出發電廠、變電站應該注入電網的實時無功優化值（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整行為； 按電壓實時值（Q[sub]ret[/sub]）與目標值（U[sub]ref[/sub]）的偏差（±△U），決策變壓器分接頭的調整行為； U[sub]ret[/sub] P[sub]ret[/sub]與其臨界值U[sub]crit[/sub] P[sub]crit[/sub]比較； 根據現有無功補償裝置的運行狀況，分析當前運行方式下無功電壓調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方式下事故電壓調整無功補償裝置容量的余缺。 實時監測框圖見圖1。 2、 目的 通過監測分析，改進無功補償運行方式，不花錢或少花錢盡量提高安全優質經濟水平與供電經濟效益； 替代離線計算的無功功率補償規劃，準確及時； 花最少的錢實施動態無功補償，對全網無功功率進行集約式調整控制； 進一步提升電力系統安全優質經濟運行水平。 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，稱為經濟壓差。 [font=宋體]電力系統最優無功功率潮流調控方法是：調整I[sub]f[/sub]、Q[sub]（L、c）[/sub]、K[sub]1[/sub]、K[sub]2[/sub]使升、降變壓器高壓側注入電網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，即發電廠和降壓變電站均應從電網接收56.72（MVAr），（圖2）。[/font] [font=宋體]算法：簡化計算網絡，在電網結構和有功發電計劃決定以后，影響電網無功潮流的因素是各結點注入電網的無功功率值，因此變壓器可以不參與優化計算。OPF最優無功功率計算網絡簡化成按電壓等級500/220/110KV分層計算。[/font] [font=宋體]數學模型、目標函數[/font] [font=宋體]min △U=（PR+QX）/U[/font] [font=宋體]根據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。狀態變量：U[sub]1（2）min[/sub]≤U[sub]1（2）[/sub]≤U[sub]1（2）max[/sub][/font] [font=宋體]調整變量：Q[sub]f[/sub]—發電機無功連續調節；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最優無功控制計算，在執行機構調控策略中靠檔運行。并假定Q[sub]（L[/sub][sub]、C）[/sub]、K為連續調節。[/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、電網按電壓分層、分區實施 為了減少無功功率的穿越流動，無功功率應該做到分層平衡。 在接線方式確定之后，電網的無功潮流決定于連接在電網上的每個節點注入電網的無功功率，為了保證無功潮流的完整性，應該分區進行完整實施。 2、 集中（調度室）與分散（當地）實施 △U[sub]J[/sub]無功功率潮流算法分集中（調度室）算法與分散（當地）算法兩種。 集中實施：在電網調度中心實施。用SCADA采集的相關數據，經過狀態估計，經過△UJ無功潮流程序計算，得出優化無功功率潮流及每個廠站注入電網的無功優化值……。調度端和執行端之間，經過長距離的通道形成閉環控制。有全網的整體概念。需要數據多，數據傳輸要求嚴。 分散實施：推薦方法。稱全網無功優化分散協調控制方法。每個發電廠和變電站分別進行數據采集、計算、就地形成閉環控制，受通道影響小，計算精度高。這種實施方法，是以全網整體優化為基礎，預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的。按照這種設計方法設計出的子系統的控制規律，可完成全電網的整體優化性能指標，在給定的電壓約束下達到全網無功潮流最優。 3、優點 這種實時的優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，潮流轉移過程中的補償容量的計算也可以滿足。即滿足穩態方式下的無功電壓調整的需要，也適合事故中對電壓支撐的補償要求，防止事故擴大。 4、實施無功優化監測與調控的方式 可以先實施監測，再與變電（調度）自動化裝置接口，逐步走向控制，也可以直接進入實施監測與控制同步進行。 就調整的精度而言分兩種：  ☆粗放式—用成組電容（抗）器調控。因為不能連續、平滑、動態、準確的調控無功功率，實時值與目標值的差距大，安全、優質、經濟效果差，故稱粗放式。  ☆集約式—利用發電機微機勵磁調節器和SVC的連續、平滑、動態調節特性，精確調控無功功率，實時無功功率潮流優化效果好，電壓質量好，線損率低，稱為節約式。圖1是它的閉環控制原理說明圖。 復雜電網可分步實施集約式無功調控方式。必須有（N－1）個節點實施無功功率控制，才能達到全網無功優化。為此，可以先行實施部分輸電網絡的無功優化潮流的精細調控，例如，單機對系統的輸電網絡；又如川渝電網（圖2），只要控制石板箐變電站注入電網的無功達到要求，就優化了石板箐-二灘線路無功潮流；接著控制二灘發電廠注入電網的無功達到要求，即可控制二灘-普提變電站線路的無功潮流優化運行；控制普提變電站注入電網的無功達到要求，即可控制普提-洪溝線路的無功潮流優化運行；……以次類推。 [align=center] 圖4：川渝電網接線方式[/align] 再逐步向全網無功優化運行過渡發展。 四、怎樣逐步過渡到使用動態無功補償 怎樣逐步過渡到全網無功功率優化運行，關鍵是怎樣逐步過渡到使用動態無功補償。怎樣逐步過渡到使用動態無功補償呢？ 1、新變電站補償方式選擇動態補償方式。 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、結束語 以電壓為目標值的無功電壓調控模式，早以不能適應正在發展中的全國統一大電網的電壓需要，因為在大電網中，任何一個廠站的無功功率的調控，都不可能較大幅度改變它的母線電壓的有效值，因為，系統短路阻抗很小。推廣在電壓約束下，以注入電網無功優化值為目標的無功電壓調整模式，是電網發展的客觀需要。全網的電壓調整問題，是接入電網中的每個廠、站共同的任務，每一個廠、站只能承擔應該承擔的注入電網的無功為優化無功值的調整任務。 長期以來，我國電網在無功就地補償設計、基建、運行方面遺留下來的問題較多，存在著電壓失穩的隱患。通過實施電力系統無功功率實時監測與控制，可以使遺留下來的無功補償問題逐步得到解決，帶動一系列技術經濟指標的提高，加強電網的無功電壓支撐，促進建設安全、優質、經濟運行的電力系統的建設。 參考文獻 [1]王梅義.吳競昌 蒙定中，大電網系統技術，中國電力系統出版社，1975.6 第二版. [2]朱軍飛 唐寅生 周全仁，用電側功率因數維持多少好，電力需求側管理，2002，6 （22～24）. [3]王猗 柳焯，電力系統緊急無功補償調控模式，電力系統自動化，2000，15（45～47）. [4]胡東臣 朱永強 崔文進，南方電網交直流輸電并聯系統電壓穩定分析及STATCOM應用仿真，中國電力，2004.7（20～23）. [5]阮前途，解讀莫斯科大停電確保上海電網安全運行，華東電力，2005.9,33（9）（1-6） [6]唐寅生，李碧君，電力系統OPF全網最優無功的經濟壓差算法及其應用[J]，中國電力，2000，33（9）（42-44）. 朱軍，男，1969-，國家電網公司農電部高級工程師，長期從事農網生產管理工作