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摘 要：根据国内外电力系统的发展趋势，提出电网电压无功监控系统的设计方案。首先依据分离原理提出了分层分散控制系统结构，阐述了正常状态下以网损最小为目标的电压无功优化算法、变电站智能电压无功控制装置的功能和特点，以及紧急状态下的电压稳定性预测算法以及预防和紧急控制措施。
关键词：电力系统；电压无功优化；电压稳定性
大多数电力公司通过SCADA或EMS系统来监控全系统范围内的电压，调度员利用这些信息作出决策来设定电压控制节点的参考整定值或投切电压无功控制设备。为了维持所希望的电压整定值，可以采用有载调压变压器、电容器组和自动电压调整器等自动装置，也可以采用手动进行。这就要借助于电压无功优化算法来进行。由于法、日等国相继发生电压崩溃事故造成重大损失，世界上各主要电力公司都愈来愈重视电压无功控制问题，建立相应的监控系统［1］。其目的是：当运行条件改变时，维持电压和电流在允许范围内；在正常条件下，改善全系统的电压分布，从而使网损最小；在紧急情况下，通过电压控制和其它措施避免系统崩溃。
开发研制的变电站智能电压无功综合控制装置已在徐州佟村110 kV变电站成功投运，并取得良好的效果。但是这种装置只是局部控制，应该从整个电网角度出发来进行控制，才能达到全网最优地改善各节点电压分布和减少网损的目的。此外，还应当在紧急状态下，能对电压稳定性进行预测，从而采用相应预防和紧急控制措施。为此，提出了一种电网电压无功监控系统的设计方案，阐明其系统原理、结构、功能和特点。
1分离原理和分层分散系统结构
电力系统电压无功监控系统有两种类型：集中控制和分层分散控制。
在集中控制系统中，每个控制器需要全系统的动态信息。运行人员监控系统的电压分布，然后发出电压无功控制命令。这就要对全系统运行机制有透彻的了解。如果要实现闭环自动控制，对基础自动化水平的要求很高，不仅投资太大，且功能过于集中，风险太大。因此采用这种控制方式的系统很少。
分层控制比较适合于电力系统的物理特点，因为电力系统本身就分为网调中心、地调中心、发电厂、变电站等层次。分层控制系统也有两层、三层甚至四层结构。较多的是采用两层结构，其示意图如图1所示。第二级全局控制是根据全系统信息来设定所希望的静态整定点，第一级(当地)控制则只根据当地信息对动态变化作出响应。这种结构基于分离原理，即假设电力系统的动力学响应(由第一级控制驱动)和静态响应(由第二级控制驱动)是可以彼此独立控制的。因此，第二级控制处理较慢的和／或高幅值变化的负荷波动以及协调第一级调节器，修改发电机一次调节器的整定点或枢纽电压节点的整定值。而第一级控制是自动的，必须非常迅速动作，以处理负荷波动、拓朴改变和偶然事故造成的快速随机电压变化。主要控制对象是发电机电压调节、变电站的有载调压变压器抽头和电容器／电抗器的投切。
2正常状态下的电压无功控制
2.1实时无功优化算法
以往无功优化计算都是利用经验数据进行离线计算，这只能为电网无功设备的规划提供参考。由于这种方法没有实时性，无法保证电网和经济运行。在已建立SACDA系统和能提供电网实时运行数据的情况下，就可以考虑实时无功优化算法，以达到网损最小的目的。
无功优化算法相当多，其中由于线性规划(LP)算法收敛块和解算的鲁棒性较好，因而采用较多。但这类算法的数学模型中，都涉及求取灵敏度矩阵问题；而灵敏度矩阵本身就是Jacobian阵的逆阵或部分逆阵。在LP的每次选代中，为求取灵敏度矩阵，耗费较多机时，百且未必能取得良好的效果。
因此，本系统采用一种不求灵敏度矩阵的无功优化LP算法。这一算法借助采用：调整发电机无功功率、有载调压变压器抽头位置及成组投切无功设备(电容器和／或电抗器)等措施，使得系统在满足节点电压不越限的情况下，获得系统网损最小的效果。
LP问题的数学描述和求解：
无功优化的数学描述如下：
其中，式(1)表示以有功网损最小为目标函数；式(2)为LP问题的主约束，表示无功源或控制变量无功增量的不等式约束条件；式(3)则为简单约束，即各节点电压的限值。
式(1)是一个典型的带上、下界变量的线性规划问题，可以利用带上、下界变量的修订单纯形法或带上、下界变量的对耦单纯形法求解。但在电力系统问题中，对耦单纯形法的收敛较快。
2.2电压无功综合控制装置
已有的电压无功控制装置大多依靠电压无功九区图，通过对电压和功率因数的测量来决定有载调压变压器分接开关挡位的升降和(或)电容器组的投切。这种控制策略没有考虑各变电站参数的差异和实际的运行工况(负荷)的变化，以固定不变的方式(九区图)对有载调压变压器分接开关挡位和电容器组进行调节，就难以达到预期的效果，并可能造成频繁操作和超过每天规定的开关动作次数。实际上，电压的高低和功率因数的大小都是模糊量，电压无功九区图的划分是运行经验的总结，不可能精确地估计出每次调控后的电压水平和功率因数的变化。因此，开发的智能电压无功自动控制装置采用了先进的模糊逻辑控制算法。
模糊逻辑控制由四部分组成：输入量模糊化、模糊算法器、模糊判决和去模糊。(1)智能电压无功自动控制装置是将变压器的一次电压、二次电压、功率因数、有功功率和无功功率作为输入量，加以模糊化，求出其隶属度。(2)用数字仿真程序建立变电站的数学模型，对各种运行工况进行精确的数字仿真，然后总结出模糊控制的规则。或利用专家经验直接获得规则,如由九区图提取而成的专家经验。在此基础上，用模糊算法通过已知的输入量求出输出量，即建立输入／输出模糊量的关系矩阵。(3)模糊判决是根据输出模糊量的隶属度，最终决定模糊控制量。(4)去模糊是把模糊判决得到的模糊控制量还原为实际控制量，有载调压变压器分接头挡位和电容器投切的组数。
研制的智能电压无功自动控制装置自1998年8月在徐州佟村110 kV变电站投运以来，运行情况良好。江苏省电力试验研究所的全面性能测试报告和佟村变电站用户报告都对该装置给予了高度评价。
3紧急状态下的电压无功控制
3.1超前在线电压安全监视
电压崩溃事故虽然少有发生，但是一旦出现就会导致不堪设想的严重后果，因此在线安全监视是很重要的。系统调度员重要的职责是随时了解最大负荷所余下的运行极限；了解每日最高预计峰荷时系统运行电压是否保持在允许的范围；进行N－1事故预演，提出预防和事故后补救控制对策。电压安全指示器普遍采用P－V曲线，如图2所示。该曲线可以清楚地表明当前运行点P0的电压水平V1，以及到负荷极限Pmax的距离。同时表明，如果足够的电压无功控制能力，可以在任何负荷情况下保持电压恒定。当某个设备(如一条线路)停运后可能造成的后果以及采取补救校正措施的效果。
关于电压稳定性的实用判据和静态安全指标的研究是国内外极其关注的课题，已有大量文献发表。作者承担了三个国家自然科学基金项目，提出一种新的基于静态等值的在线实时电压稳定性分析方法和提出了基于最优乘子实时预测广域电压稳定性的新理论。
基于静态等值的在线实时电压稳定性分析的原理是，根据两点潮流计算，求出系统戴维南等值电势和线路电抗，从而直接计算出P－V和Q－V曲线。该方法已用来简化系统的逐点潮流计算验证，并用于贵州电网电压无功调控方案的研究，也证明是可行的。特别应当指出的，在提出的这种方法发表之后，ABB也采用同样的思路，来进行电压不稳定预测和控制。
用最优乘子预测电压稳定性的原理是，利用求解病态潮流提出的最优乘子潮流算法中，当最优乘子趋向为零的情况下对应于Jacobian矩阵奇异这一性质，选取最优乘子作为预测因子以预测电压不稳定时的崩溃点。它的优点在于最优乘子的获得是潮流计算的附带量。与传统潮流计算相比，几乎不增加任何其它的计算量，而且还能给出在电压崩溃点时的潮流推荐值，因此能够在线实时运行。通过IEEE 30节点系统作为算例，并与奇异值分解预测电压稳定性的算法进行了对比，结果非常一致，从而验证了该方法的正确性。
3.2预防和紧急控制措施
有了在线电压安全监视算法后，就便于提出预防和紧急情况下的控制措施。只要将措施考虑后，重新计算电压稳定性指标，就可预测控制后的效果。
紧急情况下，调度员采取的补救措施有：闭锁有载调压分接头；尽可能投入无功补偿设备；在迫不得已时，制订切负荷方案。
4系统的实现
主要计算流程如图3所示。
5结论
电压无功问题愈来愈引起各电力公司的高度重视，建立功能完善的电压无功监控系统不仅能保证正常运行状况下的电能质量和经济运行，而且能够预测紧急状况下的电压稳定性以便采取预防和紧急控制措施，以防止电压不稳定性或电压崩溃，无疑将会产生巨大的经济效益。
参考文献
［1］IEEE Working Group On Voltage Stability.Suggested Technique for Voltage Stability Analysis［C］.IEEE Publication 93 TH 0620-5PWR.
［2］刘晓川，何迈，刘俊勇，李兴源变电站电压／无功模糊控制的理论研究［J］.四川联合大学学报(工程科学版)，Vol.3,No.4,19997
［3］J.P.Paul,J.Y.Leost and J.M.Tesseron, Survey of the Secondary Voltage Control in France:Present Realization and Investigations,IEEE Trans.On PowerSystems,Vol,2,No.2,1987,pp.505-511.
［4］F.F.Wu,Real-Time Network Security Monitoring,Assessment and Optimization,Electrical Power & Energy Systems,Vol.10,No.2 1988,pp83-100
［5］付英，李兴源，宋永华.基于静态等值的实时电压稳定性分析［J］.电力系统自动化，Vol.21,No.11,1997,pp25-28.
［6］刘俊勇，李兴源，刘晓川.实时最优乘子预测广域电压稳定性新理论及其VPFC控制研究
［7］K.Vu,M.M.Begovic,D.Novosel,"Grids Get Smart Protection and Control",IEEE Computer Application in Power,Vol.41,Oct.1997,pp40-44.
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