of the power system reactive power
朱军1 盛万兴2 唐寅生3
（1．国家电网公司农电工作部 北京 100031；2．中国电力科学研究院 北京 100085；
3.湖南电力调度通信中心 长沙 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）
摘要： 根据我国电网存在电压失稳的隐患，本文提出了一种基于经济压差（△UJ）无功功率优化潮流的电力系统无功功率实时监测与控制方法，并提出了从此逐步过渡到全网无功功率优化运行的实施措施。作为预防电压稳定破坏事故的第一道防线，本文的方法具有重要的科学性、实用性、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.
关键词：经济压差 无功功率优化 电压 实时监测与控制
Keywords: economic voltage difference, reactive power optimization, voltage, real-time monitoring and control.
一、背景
如果电力系统中的每一个节点（母线）的电压实时值，随时都靠拢额定值运行，即不超出规定的电压上、下限运行，节点的电压稳定储备系数就有最大值，这是预防电力系统电压稳定破坏事故的根本措施[1]。要使电力系统中的节点的电压稳定储备系数具有最大值，就必须随时维持节点无功功率的动态的就地平衡，因此，要求每个发电厂、变电站，尤其是那些具有关键意义的节点，必须装有足够的动态无功补偿容量，这个容量应该等于稳态无功电压调整需要的补偿容量，加上事故发生时应对电压支撑所需要的无功补偿容量。中、外电网发展史上的电压稳定破坏事故都证明了这一点。
虽然我国电网的调度管理体制比国外优越，给防止发生电压稳定破坏事故提供了先决的良好条件，但是，由于我国电力系统的无功补偿基础比较差：无功就地平衡差，长距离、跨层次输送无功[2]；高、中、低压电网中的动态无功补偿容量很少，又基本上没有可控性，事故时无法及时投入运行；电网末端即需求侧的无功补偿更差，用电功率因数很低，尤其是缺少动态无功补偿，缺少受端电压支撑，很难应对电网高峰负荷、重点是夏季高峰负荷到来时的无功动态平衡[3]；缺少无功补偿的事故备用容量，线路跳闸后，不能有效的减小潮流转移通道上的电压损失，容易导致电力系统事故的扩大[4]。
3年前，清华大学做的“电力大系统仿真计算的若干问题探讨”及“我国电网的安全稳定隐患及其对策“的PPT中指出，我国电网防止重点地区动态电压崩溃的局面也很严峻：由于能源、环保及土地资源的制约，负荷中心的发电厂越来越少，区外输电的比例越来越大；空调负荷越来越多；使用成组的电容（抗）器补偿的多，使用动态补偿装置的少；对电压变化灵敏度低的负荷越来越多，不利于电压稳定；与此同时，不少调相机、有些SVC还被撤除。京、沪、穗地区的暂态电压稳定存在潜在威胁。
上述事实，要求人们反思传统的无功补偿设计方法与无功电压调整控制工作，电力系统的运行实际需要无功功率的实时监测与控制[5]，目的是为了促进无功补偿的设计与调整控制工作的改进与创新，进一步提升电力系统的安全稳定优质经济运行水平。
二、电力系统无功功率实时监测与控制方法
1、电力系统无功功率实时监测与控制方法
用SCADA采集来的U、P、Q等数据，用△UJ潮流算法，按照监测与控制系统要求的刷新速度，以给定电压约束下的全网无功优化潮流为目标，求出发电厂、变电站应该注入电网的实时无功优化值（Qopt），然后：
与无功实时值（Qret）进行比较，以无功偏差值（±△Q），决策无功补偿装置的调整行为；
按电压实时值（Qret）与目标值（Uref）的偏差（±△U），决策变压器分接头的调整行为；
Uret Pret与其临界值Ucrit Pcrit比较；
根据现有无功补偿装置的运行状况，分析当前运行方式下无功电压调整所需要的无功补偿装置容量的余缺，及本母线上所连接线路的N－1方式下事故电压调整无功补偿装置容量的余缺。
实时监测框图见图1。
2、 目的
通过监测分析，改进无功补偿运行方式，不花钱或少花钱尽量提高安全优质经济水平与供电经济效益；
替代离线计算的无功功率补偿规划，准确及时；
花最少的钱实施动态无功补偿，对全网无功功率进行集约式调整控制；
进一步提升电力系统安全优质经济运行水平。
3、△UJ的定义与算法
定义：维持输电线路无功功率潮流的分点恰恰位于线路中点的线路首、末两端的电压之差，称为经济压差。
电力系统最优无功功率潮流调控方法是：调整If、Q（L、c）、K1、K2使升、降变压器高压侧注入电网无功功率值等于其母线上所接线路过剩无功功率之和的一半，母线电压在允许范围，此时，每条线路都有一个无功功率分点且在线路的中点，线路两瑞的电压降落等于△UJ=553.56-545.69=7.87（kV）, Q1=99.06-155.78=56.72，Q2=-56.72，即发电厂和降压变电站均应从电网接收56.72（MVAr），（图2）。
算法：简化计算网络，在电网结构和有功发电计划决定以后，影响电网无功潮流的因素是各结点注入电网的无功功率值，因此变压器可以不参与优化计算。OPF最优无功功率计算网络简化成按电压等级500/220/110KV分层计算。
数学模型、目标函数
min △U=（PR+QX）/U
根据1.1 min △P=（P2+Q2）/U2R
变量及约束，如图2。控制变量：Q1、Q2。无约束。状态变量：U1（2）min≤U1（2）≤U1（2）max
调整变量：Qf—发电机无功连续调节；Q（L、C）—补偿电容（抗）；K1、K2—变压器变比；等不直接参与OPF最优无功控制计算，在执行机构调控策略中靠档运行。并假定Q（L、C）、K为连续调节。
4、效益分析
线路在△UJ支持下，只有有功功率在电阻上的电压降落（△UJ=（PR+QX）/U=PR/U），电压质量最好，接近直流线路运行；线路传输无功造成的有功损耗最小，它为无功功率分点在首（或末）端母线上时有功功率损耗的1/4，而且也使线路两端所接的主变压器有功损失之和为最小或接近最小[6]。
三、实施措施
1、电网按电压分层、分区实施
为了减少无功功率的穿越流动，无功功率应该做到分层平衡。
在接线方式确定之后，电网的无功潮流决定于连接在电网上的每个节点注入电网的无功功率，为了保证无功潮流的完整性，应该分区进行完整实施。
2、 集中（调度室）与分散（当地）实施
△UJ无功功率潮流算法分集中（调度室）算法与分散（当地）算法两种。
集中实施：在电网调度中心实施。用SCADA采集的相关数据，经过状态估计，经过△UJ无功潮流程序计算，得出优化无功功率潮流及每个厂站注入电网的无功优化值……。调度端和执行端之间，经过长距离的通道形成闭环控制。有全网的整体概念。需要数据多，数据传输要求严。
分散实施：推荐方法。称全网无功优化分散协调控制方法。每个发电厂和变电站分别进行数据采集、计算、就地形成闭环控制，受通道影响小，计算精度高。这种实施方法，是以全网整体优化为基础，预先确定分散的计算法则，把确定各个控制器控制模型作为约束条件而实现的。按照这种设计方法设计出的子系统的控制规律，可完成全电网的整体优化性能指标，在给定的电压约束下达到全网无功潮流最优。
3、优点
这种实时的优化无功功率补偿容量的计算方法，完全适合于丰大、丰小、枯大、枯小及其中间的任何同步运行方式下的无功功率补偿容量的需要，即使是输电线路掉闸后，潮流转移过程中的补偿容量的计算也可以满足。即满足稳态方式下的无功电压调整的需要，也适合事故中对电压支撑的补偿要求，防止事故扩大。
4、实施无功优化监测与调控的方式
可以先实施监测，再与变电（调度）自动化装置接口，逐步走向控制，也可以直接进入实施监测与控制同步进行。
就调整的精度而言分两种：
☆粗放式—用成组电容（抗）器调控。因为不能连续、平滑、动态、准确的调控无功功率，实时值与目标值的差距大，安全、优质、经济效果差，故称粗放式。
☆集约式—利用发电机微机励磁调节器和SVC的连续、平滑、动态调节特性，精确调控无功功率，实时无功功率潮流优化效果好，电压质量好，线损率低，称为节约式。图1是它的闭环控制原理说明图。
复杂电网可分步实施集约式无功调控方式。必须有（N－1）个节点实施无功功率控制，才能达到全网无功优化。为此，可以先行实施部分输电网络的无功优化潮流的精细调控，例如，单机对系统的输电网络；又如川渝电网（图2），只要控制石板箐变电站注入电网的无功达到要求，就优化了石板箐-二滩线路无功潮流；接着控制二滩发电厂注入电网的无功达到要求，即可控制二滩-普提变电站线路的无功潮流优化运行；控制普提变电站注入电网的无功达到要求，即可控制普提-洪沟线路的无功潮流优化运行；……以次类推。
图4：川渝电网接线方式
再逐步向全网无功优化运行过渡发展。
四、怎样逐步过渡到使用动态无功补偿
怎样逐步过渡到全网无功功率优化运行，关键是怎样逐步过渡到使用动态无功补偿。怎样逐步过渡到使用动态无功补偿呢？
1、新变电站补偿方式选择动态补偿方式。
2、在110～500kV老变电站中，一般说来缺少感性补偿，加电抗器时，不要用固定投切的电抗器。要选用TCR（MCR），原来电容器照样使用，组成SVC。
五、结束语
以电压为目标值的无功电压调控模式，早以不能适应正在发展中的全国统一大电网的电压需要，因为在大电网中，任何一个厂站的无功功率的调控，都不可能较大幅度改变它的母线电压的有效值，因为，系统短路阻抗很小。推广在电压约束下，以注入电网无功优化值为目标的无功电压调整模式，是电网发展的客观需要。全网的电压调整问题，是接入电网中的每个厂、站共同的任务，每一个厂、站只能承担应该承担的注入电网的无功为优化无功值的调整任务。
长期以来，我国电网在无功就地补偿设计、基建、运行方面遗留下来的问题较多，存在着电压失稳的隐患。通过实施电力系统无功功率实时监测与控制，可以使遗留下来的无功补偿问题逐步得到解决，带动一系列技术经济指标的提高，加强电网的无功电压支撑，促进建设安全、优质、经济运行的电力系统的建设。
参考文献
[1]王梅义.吴竞昌 蒙定中，大电网系统技术，中国电力系统出版社，1975.6 第二版.
[2]朱军飞 唐寅生 周全仁，用电侧功率因数维持多少好，电力需求侧管理，2002，6 （22～24）.
[3]王猗 柳焯，电力系统紧急无功补偿调控模式，电力系统自动化，2000，15（45～47）.
[4]胡东臣 朱永强 崔文进，南方电网交直流输电并联系统电压稳定分析及STATCOM应用仿真，中国电力，2004.7（20～23）.
[5]阮前途，解读莫斯科大停电确保上海电网安全运行，华东电力，2005.9,33（9）（1-6）
[6]唐寅生，李碧君，电力系统OPF全网最优无功的经济压差算法及其应用[J]，中国电力，2000，33（9）（42-44）.
朱军，男，1969-，国家电网公司农电部高级工程师，长期从事农网生产管理工作
