特高压电网无功电压控制策略迭代求解方法研究
时间：2023-02-26 12:20:06 来源：千叶帆 本文已影响人
郜建良，谭贝斯，贾琳，吕亚洲，刘福锁,石渠
(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司)，南京211100；
2.国家电网有限公司华北分部，北京100053)
我国自然资源分布不均，各区域经济发展程度不等，一次能源与负荷呈现逆向分布，为了更大范围的进行能源供需平衡，实现跨区域能源合理利用[1-5]。特高压交流输电具有经济性好、容量大、输送距离远等特点，是我国电网发展的必然选择。但随着特高压交流电网建设过渡期内，电网结构和稳定特性日益复杂，无功电压的控制难度[6-11]日趋复杂。
针对特高压电网无功电压控制问题，众多学者开展了相关研究，并提出了很多方法。文献[12]在假设特高压线路两侧变电站电压不变的条件下，提出了基于经济压差的特高压电网无功补偿运行方法，其结论在长距离大容量的特高压输电线路中是否适用，仍值得进一步研究；
文献[13]针对点对点的输电通道的无功电压控制问题，提出了基于穿越无功最小为目标的特高压无功电压优化控制方法，难以应用网络状特高压交流电网；
文献[14]提出了基于恒电压控制的特高压电网无功电压控制方法，但该方法没有考虑输电线的有功损耗。文献[15]基于AVC已有经验，提出了考虑特高压运行方式变化的敏捷电压优化控制方法，但未提出具体的电压约束制定原则；
文献[16]基于全网有功损耗和静态电压稳定性，提出了采用协同进化算法的特高压无功电压优化控制方法，但该方法存在数据处理量大等难题。
文中针对特高压交流电网无功电压问题，结合特高压电网无功电压控制需求，构建了特高压变电站电压安全、无功交换、电网损耗等三方面评价指标，利用改进层次分析法[17-18](Analytic Hierarchy Process，简称AHP)，计算得到综合指标识别优先调整控制的特高压变电站，并通过迭代计算，得到综合考虑多因素的全局优化控制策略。
1.1 特高压电网无功电压控制要求
(1)特高压设备受工艺所限，对电压上限的要求非常严格，在无功电压控制中应尽可能的避免过电压发生；
(2)在实际特高压电网无功电压控制中，考虑到特高压变电站内低容低抗的动作次数、动作时间间隔均有一定的限制，应尽可能减少低容低抗的动作次数[19]；
(3)在实际特高压电网无功电压控制过程中，应遵循无功电压的分层分区、就地平衡原则，应尽可能的减少特高压主变1 000 kV侧和500 kV侧的无功交换，提高特高压主变的利用效率[20]；
(4)特高压变电站无功补偿设备单组容量较大，一组无功补偿设备投切在某些情况下可能引起较大的电压波动，甚至发生电压越限，因此在无功电压控制中应考虑一定的安全裕度；
(5)通过无功电压控制，应保证特高压变电压在合理范围内、特高压电网与超高压电网无功交换较小，同时输电线路有功损耗较低。
1.2 评价指标及其建模
根据特高压电网无功电压控制要求，对于特高压电网无功控制评价的三个指标包括变电站电压安全性指标、无功交换指标、电网损耗指标。
(1)变电站电压安全指标。
在电网实际运行过程中，各特高压变电站电压运行限值存在差异。如相同的电压越限幅度下，不同的变电站越限程度不相同，难以用调整前后电压有名值评价控制策略的优劣。
为了便于统一计算和反应电压安全程度，文中制定变电站电压安全量化指标，以实现对不同特高压变电站电压越限程度的统一量化。
定义第i个电压安全指标函数的正常边界(电压上下限值)为(Umii，Umai)，严重越限限值为Umaxi和Umini，即电压Ui落在区间(Umii，Umai)时表示电压正常(N)，而大于Umai或小于Umii表示电压越限(FL1),电压安全指示梯形图如图1所示。
(i=1、2...n)
(1)
图1 电压安全指标梯形图
(2)无功交换指标。
在特高压电网的无功电压控制过程中遵循分层分区、就地平衡原则，且尽可能的减少特高压电网与超高压电网的无功交换，提高特高压主变的利用效率。通过运用无功交换指标实现对当前各特高压变电站1 000 kV侧与500 kV侧的无功交换情况的统一量化，计算方程如下:
FL2i=
(2)
Qmax=Max{Qi}(i=1、2...n)
(3)
式中QL为特高压变电站低压电抗器容量；
QC为特高压变电站低压电容器容量；
Qi为第i个特高压变电站1 000 kV侧与500 kV侧当前无功交换量；
Qmax为各变电站1 000 kV侧与5 00 kV侧中当前最大无功交换量。
(3)电网损耗指标。
考虑到在电网潮流一定时，电网变电站母线电压越高，电网传输电流越低，电网的有功损耗越小，因此在各运行方式下，在保证电压不越限的前提下，适度的提高变电站运行电压可在一定程度上降低特高压电网的有功损耗。
由于各变电站电压限值的差异性，通过应用电网损耗指标实现对当前电压水平的量化，指标越大，电压水平越低，电网有功损耗越大，因此应保证电压不越限的前提下，适度的提高变电站运行电压水平，具体计算如式(4)所示。
FL3i=
(4)
式中Ui为第i个变电站当前电压，Umii为第i个变电站电压下限，Umai为第i个变电站电压上限。
本次采用文献[20]提出的改进层次分析法，运用最优传递矩阵，构建经过修正的判断矩阵，避免对判断矩阵进行一致性检验的问题，提高了获得权重矩阵的速度，减少了工作量。特高压电网无功电压控制的层次结构包括目标层、准则层、方案层三个层次,其中目标层为特高压无功电压控制策略；
准则层以特高压变电站电压安全、无功交换、特高压电网有功损耗3个指标进行综合衡量;方案层为不同特高压变电站无功电压控制措施。特高压电网无功电压控制层次分析法结构如图2所示。
图2 特高压电网无功电压控制层次分析法结构
具体计算步骤如下;
(1)构建判断矩阵。
针对各变电站电压安全指标、无功交换指标、电网损耗指标，通过各变电站两两比较，运用九标法构建电压越限判断矩阵A1、无功交换矩阵A2、电网损耗矩阵A3；
(2)构建最优传递矩阵。
根据步骤1中构建的判断矩阵计算对应的最优传递矩阵。
B=(bij)
(5)
bij=10C
(6)
(7)
式中bij为最优传递矩阵B第i行第j列元素;aik为判断矩阵A中第i行第k列元素;ajk为判断矩阵A中第j行第k列元素;n为判断矩阵A的阶数。
(3)求解最优传递函数B各行元素之积：
(8)
(4)求解各行Mi的n次方根，将其作为特征向量w′的第i个分量：
(9)
(10)
(6)比较不同特高压变电站的综合评估指标,值越大,该变电站的调压需求度越高。
3.1 特高压变电站无功电压运行要求
(1)所有特高压厂站电压均在电压上/下限范围内；
(2)所有特高压厂站1 000 kV侧与500 kV侧无功交换量尽可能在一组低压电容器/低压电抗器容量范围内。
3.2 特高压变电站电压调节约束条件
特高压变电站无功补偿设备单组容量较大，投退一组无功补偿设备将引起电压的较大波动，严重时甚至会引起过电压，因此在电压调节过程中应考虑一定的安全裕度，具体约束条件如下:
(1)当变电站的电压大于电压上限阈值U上限阈值时，该站不得投低容或退低抗，电压上限阈值的表达式如下：
U上限阈值=U上限-1-Max(ΔUL,ΔUC)
(11)
式中ΔUL为投退一组低抗该特高压站母线线电压变化量；
ΔUC为投退一组低容该特高压站母线线电压变化量，同时考虑1 kV的安全裕度；
(2)当变电站的电压小于电压下限阈值U下限阈值，该站不得投低抗或退低容，电压下限阈值表达式如下：
U下限阈值=U下限+1+Max(ΔUL,ΔUC)
(12)
式中ΔUL为投退一组低抗该特高压站母线线电压变化量；
ΔUC为投退一组低容该特高压站母线线电压变化量，同时考虑1 kV的安全裕度；
3.3 超高压电网对特高压电网电压辅助调节策略
在部分极端方式下，单纯的依靠特高压变电站内无功补偿装置不足以对特高压电网电压进行控制，此时需要500 kV超高压电网进行辅助调节。其控制策略为：优先投退电气距离近的500 kV站低容/低抗或调节电厂无功，再投退稍远的500 kV站低容/低抗或调节电厂无功，如此实现对特高压变电站电压的辅助调节。
3.4 特高压电网无功电压策略优化流程
特高压电网无功电压优化控制流程如图3所示，通过获取特高压交流电网关键电气量信息，判断当前电网是否满足特高压电网电压运行要求。
图3 程序算法流程
(1)如果不满足，运用层侧分析法对当前电网各特高压变电站进行无功电压需求度分析，明确优先调整控制站点。
(2)考虑特高压电网电气距离较近，一个站点电压的调整对邻近站点母线电压的影响难以准确评估，因此在无功电压调节过程中，避免多个变电站同时调节，造成电压越限。因此在进行无功电压调节中，每次只调节一座变电站且每次只进行一项调压操作，避免发生超调现象。
(3)每次调节结束后均需对当前各特高压变电站运行状态进行判断，如满足要求则结束，如不满足要求则继续进行上述步骤，直到各变电站运行无功电压均满足要求。
通过采用层次分析法考虑电压安全、无功交换和电网损耗的约束条件进行无功电压控制，在保证特高压变电站电压运行在上下限值范围内的前提下，最大程度减少特高压变电站1 000 kV侧和500 kV侧的无功交换量，提高特高压主变利用效率，同时保证各特高压变电站运行在较高的电压水平，降低特高压电网有功损耗。
采用华北电网2019年夏季大方式典型数据，对文中所述算法的有效性进行验证。2019年华北电网拥有特高压变电站13座，特高压输电线路13回双回线，2019年华北电网夏季大方式华北电网特高压变电站初始无功电压及主变损耗情况如表1所示。
表1 华北电网特高压变电站初始无功电压及主变损耗情况
初始方式下file:///C:/Users/Administrator/Desktop/DCYQ202211/DCYQ202211.ebook/images/6dddd38922d102ccfb412750c1a77aa50.jpg华北电网特高压变电站无电压越限，但有9座特高压变电站1 000 kV侧和500 kV侧无功交换量超过一组低容/低抗容量，无功交换绝对值总量3 626 Mvar。表2为华北电网特高压电网初始潮流和线路有功损耗情况，由表1和表2可见特高压电网有功损耗107.737 MW。
表2 华北电网特高压电网初始潮流和有功损耗情况
根据华北电网初始方式条件，根据文中构建的评价指标，对华北电网13座特高压变电站建立电压越限矩阵A1、无功交换矩阵A2、线路损耗矩阵A3以及特高压电网电压控制策略判断矩阵B。其中由于初始方式下未发生电压越限，矩阵A1中各元素均为1。在构建策略判断矩阵B时，考虑到电站电压越限将影响电气设备的安全运行；
变电站1 000 kV与500 kV侧无功交换对变电站效率影响较大；
变电站电压上/下限值的范围一定，当线路潮流一定时，电压变化对线路有功损耗影响有限。因此，电压越限最重要、无功交换次之、线路损耗最小，同时结合领域专家经验进行判断矩阵构建。
A2=
A3=
经对各判断矩阵进行计算，得到各项指标的权重，并计算综合权重。得到当前最需要进行无功电压调节的变电站为保定站，退出保定站一组低压电容器后，保定站电压为1 043 kV，1 000 kV与500 kV无功交换量为1 158 Mvar。运用层次分析法对各特高压站重新分析，寻找当前最需要进行无功电压调节的变电站，迭代计算，直到将特高压电网无功电压控制满足要求为止。
如表3所示，运用层次分析法对华北全网无功电压调节结束后，特高压变电站无功电压控制结果如表4所示。可见，除廊坊站1 000 kV侧和500 kV侧无功交换量超过一组低容容量外(由于廊坊站电压低于下限阈值，如退出一组低容或投入一组电抗，廊坊站电压将低于下限)，其余特高压变电站1 000 kV侧和500 kV侧无功交换量均未超过一组低容，华北电网全网特高压变电站1 000 kV侧和500 kV侧无功交换绝对值总量1 282 Mvar，无功交换量减少约64%。特高压变电站大部分电压均有一定提升，特高压电网有功损耗102.924 MW，电网有功损耗较无功电压调节前降低2.71%。表5为华北电网特高压电网无功电压调节后潮流和有功损耗。
表3 华北电网特高压变电站无功层次分析指标
表4 华北电网特高压变电站无功电压调节后情况
以保定-北岳线为例，运用改进经济压差法进行无功电压调节，调节后线路无功电压情况如表6所示，与该方法控制结果相比，文中所提方法控制后电压略高于该方法所控制结果、无功交换量绝对值也更小、线路损耗也更低。且考虑到在实际运行中，随着负荷的波动，存在多个变电站均需要进行调节的情况，如运用改进经济压差法存在超调的可能，文中所述方法由于每次只针对当前调节需求最大的变电站进行调节，因此不存在超调的可能，适应性更强。
表5 华北电网特高压电网无功电压调节后潮流和有功损耗
表6 基于改进经济压差控制的保定-北岳无功电压情况
综上所述，采用文中的优化方法后，特高压变电站1 000 kV侧和500 kV侧无功交换大幅减少，主变等设备利用效率得到提升，特高压线路有功损耗略有减少，在一定程度上提高了特高压电网的经济性。
文中提出的基于改进层次分析法的特高压电网无功电压优化控制方法，利用层次分析法的对不同量纲的多目标优化决策，能够给出当前最需要进行无功电压调节的变电站，保证了特高压电网无功电压控制的合理性。基于华北电网实际系统的仿真验证，表明了所提出方法有效性。
文中所述无功电压控制方法综合考虑了电压安全、无功交换、电网损耗等指标，考虑信息更全面，指导意义更强，更能满足实际运行需求，且所用算法计算量较小，更容易软件实现，具有推广意义。
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