基于大电网仿真系统下的自动电压控制系统闭环检测及评估
方法
技术领域
背景技术
[0002] 近年来随着电网规模的扩大和
能源结构的改变，电力网络的结构也日益复杂，自动电压控制系统(automatic voltage control,AVC)是当前电压无功控制发展的最高手段，能够实现系统的闭环控制，是调度系统自动化的高级体现，并且在国内外取得了广泛的应用。在实际运行操作中，有相当一部分无功控制系统为了得到满意的控制效果，往往需要运行人员反复多次调整参数，有时耗费大量时间精力也很难得到满意的优化结果。
[0003] 而某些投运自动电压控制系统的地区电网在运行中也出现了不少的问题，如当负荷变化剧烈地时候，如果自动电压控制系统给出的控制策略不合理，可能会导致在负荷突然增加或是减少的时候电容器或者电抗器频繁的动作来维持电压
稳定性，这对于电容器/电抗器的寿命是不利的；当电网在运行过程中出现电压越限、无功缺乏或者无功返送，自动电压控制系统会给出一些控制策略来使得系统运行恢复正常，不合理的无功策略会对系统元件甚至网络造成影响。
[0004] 到目前为止，还没有一种很好的大电网无功控制设备检测平台及检测手段，因此开展基于大电网仿真系统的AVC闭环检测试验研究，对控制地区电网
母线电压及区域
无功功率平衡进行评估具有现实意义，不仅为自动电压控制系统的运行及电网无功设备规划提供科学依据，而且为
加速智能自动电压控制系统的构建提供了可靠的技术支持。
发明内容
[0005] 针对
现有技术中的上述不足，本发明提供的基于大电网仿真系统下的自动电压控制系统闭环检测及评估方法能够对自动电压控制系统给出的控制策略的优化效果、控制效率和可操作性进行评估。
[0006] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 提供一种基于大电网仿真系统下的自动电压控制系统闭环检测及评估方法，包括以下步骤：
[0008] 大电网仿真系统从存储有多组案例的智能检测库中选取任一实际地区电网的潮流断面信息，并将所述潮流断面信息通过中间通信数据
接口模
块发送给调度自动化系统的自动电压控制系统；
[0009] 自动电压控制系统判断潮流断面信息的实际运行参数中的电压或功率因数是否超出设定限值；
[0010] 若超出设定限值，则自动电压控制系统生成相应的控制策略，并通过中间通信数据接口模块将控制策略发送给大电网仿真系统；
[0011] 大电网仿真系统根据控制策略对相应电气设备进行调控操作，更新潮流断面信息为新潮流断面信息，并通过中间通信数据接口模块发送给自动电压控制系统；
[0012] 自动电压控制系统判断新潮流断面信息的实际运行参数中的电压或功率因数是否超出设定限值；
[0013] 就同一种运行方式下，大电网仿真系统将潮流断面信息发送给评估系统；
[0014] 评估系统根据实际运行参数采用数值优化
算法生成评估控制策略，并根据其生成的评估控制策略从电网指标、站内指标、AVC运行指标和策略评估指标对自动电压控制系统生成的控制策略的优化效果、控制效率和可操作性进行评估。
[0015] 本发明的有益效果为：本方法采用任一实际地区电网的潮流断面信息作为仿真对象，当潮流断面信息实际运行参数中所对应电气设备的电压或功率出现越限时，通过自动电压控制系统给出使电网达到正常的运行状态的控制策略；
[0016] 之后采用评估系统根据同一实际地区电网的潮流断面信息给出使电网达到正常的运行状态的评估控制策略，并采用评估控制策略去对控制策略的优化效果、控制效率和可操作性进行评估；
[0017] 本方法应用到实际电网的运行中，调度人员可以通过评估结果选择通过少量调控操作就能使电网达到正常运行状态的控制策略，从而提高了电网中元器件的使用寿命，同时还能有助于提高地区电网自动电压控制系统对电压的控制效果，帮助调度人员对现有的AVC控制策略进行合理性与可实施行的评估。
附图说明
[0018] 图1基于大电网仿真系统下的自动电压控制系统闭环检测及评估方法的
流程图。
[0019] 图2为任一地区电网系统的网架结构图。
[0020] 图3为自动电压控制系统的
优化算法和控制算法与评估系统中数值优化算法就某一运行方式下动作后的区域电压图。
[0021] 图4为自动电压控制系统的优化算法和控制算法与评估系统中数值优化算法就某一运行方式下动作后的关口功率因数图。
具体实施方式
[0022] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于
本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的
权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0023] 参考图1，图1示出了基于大电网仿真系统下的自动电压控制系统闭环检测及评估方法的流程图，如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤107：
[0024] 在步骤101中，大电网仿真系统从存储有多组案例的智能检测库中选取任一实际地区电网的潮流断面信息，，并将所述潮流断面信息通过中间通信数据接口模块发送给自动电压控制系统。
[0025] 上述提及的大电网仿真系统包括系统配置模块、
基础数据库模块、实时数据库模块和计算模块；
[0026] 其中，系统配置模块用于智能检测库中的案例的登录管理和；基础数据库模块用于存放基础数据(基础数据包括线路参数、系统元件参数、系统分区信息等)完成电力系统的各个
节点的电压、功率分布情况的潮流计算，并将潮流计算结果进行存放。
[0027] 实时数据库模块用于存放配电网产生的实时运行数据，并实现实时运行数据的导入、导出以及实时运行数据与基础数据存在的数据差异，并将存放的AVC系统给出的动作策略里的变位信息(变位信息为电容器投切档位操作或是
变压器变档位操作)发送给计算模块进行拓扑分析和动态并行计算；以及
[0028] 计算模块用于完成动态并行计算，建立智能检测库和负荷
波动案例库，模拟各种电网运行方式或扰动方式。这里的扰动是指
电力负荷扰动，比如冲击负荷等，并行就是传输数据采用并行方式。
[0029] 在首次进行闭环检测及评估方法之前，需要在大电网仿真系统中构建包含多组案例的智能检测库，其中的实际地区电网的潮流断面信息来自于智能检测库中的一个案例，而智能检测库是采用以下方式进行构建的：
[0030] 首先导入基于CIM格式的实际地区电网的潮流断面信息(导入的信息是从实际现场采集的信息，其包括各种系统参数有设备参数，如线路、变压器等，运行参数如电压、
电流、有功、无功等)；
[0031] 通过数据格式转换模块后解析成大电网仿真系统能够识别和实时分析运算的pro工程文件(导入的数据要在ADPSS即电力系统全数字仿真仿真装置形成可用的文件格式，即pro形式的文件格式，主要是按照pro工程文件格式对相应的数据进行处理)；
[0032] 模拟实际地区电网运行系统的正常运行状态、非正常以及故障运行状态(具体根据现场实际运行中出现的问题进行仿真模拟，在大电网仿真系统中对实际系统运行参数进行合理的调整，得到了多种系统运行方式，有正常状态、非正常状态以及故障状态等，构建了包含多组运行状态的智能检测库)形成含多组案例的智能检测库。
[0033] 在步骤102中，自动电压控制系统判断潮流断面信息的实际运行参数中所对应电气设备的电压或功率因数是否超出设定限值。
[0034] 在实施时，中间通信数据接口模块将潮流断面信息中的多路输出模拟量与
开关位置信号通过数据通信协议IEC104规约转换成调度自动化系统能够识别的遥测和遥信信息；实际运行参数为调度自动化系统能够识别的遥测和遥信信息。其中的设定
阀值为期望达到的电压和功率因数限值。
[0035] 在步骤103中，若实际运行参数中的电压或功率因数超出设定限值，则自动电压控制系统生成相应的控制策略，并通过中间通信数据接口模块将控制策略发送给大电网仿真系统。
[0036] 自动电压控制系统在判断潮流断面信息的实际运行参数时，其运行界面能够显示各变电站设备运行状态、闭
锁信息、母线电压、关口力率以及针对当前实际电网的控制策略信息等。同时其运行界面还能够显示当前实际电网的运行信息，运行信息包括运行参数、模型维护、遥信预处理信息、运行信息、厂站信息、母线状态、容抗器状态和变压器状态，便于维护AVC控
制模型，核对各类运行参数、厂站、母线、设备状态，全面了解电网状态。
[0037] 在步骤104中，大电网仿真系统根据控制策略对相应电气设备进行调控操作，更新潮流断面信息为新潮流断面信息，并通过中间通信数据接口模块发送给自动电压控制系统。
[0038] 中间通信数据接口模块在对新潮流断面信息进行发送时，其也是将新潮流断面信息中的多路输出模拟量与开关位置信号通过数据通信协议IEC104规约转换成调度自动化系统能够识别的遥测和遥信信息。
[0039] 在本发明的一个
实施例中，若实际运行参数中所对应电气设备的电压或功率因数超出设定限值，自动电压控制系统根据遥测和遥信信息采用AVC控制算法或AVC优化算法(由于调度自动化系统是目前电网调度中常用到的一个系统，其中的自动电压控制系统的AVC控制算法和AVC优化算法也是系统本身具有，本方案是如何采用AVC控制算法和AVC优化算法生成控制策略属于常识，关于如何生成就不再此处赘述)生成相应的变压器支路和变压器开关的控制策略。
[0040] 中间通信数据接口模块通过标准数据通信规约IEC61970将控制策略转
化成大电网仿真系统能够识别的遥控和遥调信息。
[0041] 大电网仿真系统根据遥控和遥调信息对相应电容器支路进行分闸和合闸操作，对变压器档位进行升档和降档操作；调控操作完成之后，并更新潮流断面信息为新潮流断面信息。
[0042] 在步骤105中，自动电压控制系统判断新潮流断面信息的实际运行参数中的电压或功率因数是否超出设定限值。步骤101至步骤105使大电网仿真系统与自动电压控制系统构成一个完整的闭环检测。
[0043] 由于自动电压控制系统在步骤105中仅判断通过控制策略进行调控后的实际运行参数是否超出设定限值，若是出现部分实际运行参数超出设置值的情况，其也不会再次生成控制策略，其只进行警示以提醒调度进行人为调节，控制电网的正常工作。所以此时，并不能够确定自动电压控制系统生成控制策略优化效果、控制效率和可操作性是否经济合理的，于是在步骤106和步骤107中需要对自动电压控制系统生成的控制策略进行评估，以确定该控制策略是否是最合理的供调度人员进行参考。
[0044] 在步骤106中，在同一运行方式下，大电网仿真系统将潮流断面信息发送给评估系统。
[0045] 在步骤107中，评估系统根据实际运行参数采用数值优化算法生成评估控制策略，并根据其生成的评估控制策略从电网指标、站内指标、AVC运行指标和策略评估指标对自动电压控制系统生成的控制策略的优化效果、控制效率和可操作性进行评估。
[0046] 在本发明的另一个实施例中，评估系统根据实际运行参数采用数值优化算法生成评估控制策略主要是通过构建的目标函数来实现的，下面对数值优化算法的目标函数进行说明：
[0047]
[0048] 其中，Gij为节点i与节点j之间的互导纳；Ui、Uj为节点i、j的电压幅值；θij为节点i、j之间的相
角差，θij＝θi-θj。
[0049] 本方法中的数值优化算法的目标函数的约束条件包括等式约束和不等式约束，等式约束主要考虑潮流平衡方程；
[0050] 不等式约束由控制变量约束和状态变量约束组成，其中控制变量包括除平衡节点外其余发
电机出端电压向量、可调变压器变比和可投电容器构成的向量；状态变量包括各节点电压幅值、发电机无功出力和关口功率因数。
[0051] 其中，等式约束为：
[0052]
[0053] 其中，Pi、Qi为节点i的注入功率；Uj为节点电压幅值；θij为节点i、j的相角差。
[0054] 控制变量约束为：
[0055]
[0056] 其中，UG min、UG max为发电机机端电压的上下限；QC min、QC max为现有并联电容器无功上下限；TK min、TK max为变压器档位的上下限。
[0057] 状态变量约束：省调中心通常给地调中心下达一定的关口功率因数范围一般在地区电网运行中不允许无功倒送，所以
在给定的有功调度方式下，可以得出关口主变高压侧的无功功率限制，
并且关口主变压器构成的集合为NTGK。因此，状态变
量约束如下：
[0058]
[0059] 其中，QG min、QG max为发电机无功出力的上下限；Umin、Umax为节点电压上下限；QTi min、QTi max为关口变压器高压侧无功功率的上下限。
[0060] 下面结合具体的实际电网对评估系统给出的评估控制策略对自动电压控制系统生成的控制策略的优化效果、控制效率和可操作性进行评估：
[0061] 本实施例的被检测对象是OPEN3000嵌入式自动电压控制系统，自动电压控制系统与OPEN3000
监控系统采用一体化设计，SCADA系统进行
数据采集，从FES获取静态网络模型，由PAS建模程序生成控制模型，以220kV变电站为中心，根据实时信息确定所辖下级110kV变电站，完成自动分区，通过控制全区域范围内的有载主变分接头、电容器或者电抗器的投切，达到控制范围内电压合格率较高，同时全网有功损耗较小的目标。
[0062] 选取某地区电网作为测试系统，该电网分为4个电气岛、母线数目共141个，厂站数目37个，其中220kV变电站8个，110kV变电站29个，包含两绕组变压器43台，三绕组变压器32台、输电线路68条、负荷516个、电抗器147台，其系统网架结构图见附图2。
[0063] 自动电压控制系统在多种运行方式下给出的控制策略
[0064] 针对目前已投运自动电压控制系统的地区电网在运行中出现的各种问题，如变电站电容电抗频繁调节、系统控制策略不合理、缺乏全网优化算法等。根据现场自动电压控制系统实际存在的问题进行案例仿真，改变系统运行方式，分为正常、非正常以及故障运行状态，分别对上述不同的运行状态进行调试并形成一定规模的案例库，主要开展有AVC状态估计、越限告警和闭锁信息、控制策略实现、控制与优化算法对比检测等测试内容，并从控制策略合理性、动作次数以及经济性等方面对自动电压控制系统进行综合评估。
[0065] 以“区域电压策略”为例，闭环检测方法为调节系统运行方式，使得所研究区域的电压普遍偏高或偏低，区域内部分110kV和10kV母线电压越限，形成一个仿真案例，保存在大电网仿真系统
指定目录下，运行大电网仿真系统，进行大电网仿真系统与OPEN3000系统的数据交互，在状态估计值达到100％的情况下设置自动电压控制系统为控制算法，生成相应的控制策略并下达给大电网仿真系统，在对变压器及电容器进行调节后，观察是否达到了满意的调控效果，实现了在大电网仿真系统控制算法下的闭环测试。此次闭环测试结束后，再对此案例进行大电网仿真系统优化算法闭环测试，测试过程同上述过程相同，只需设置不同的算法即可。表1给出了部分运行方式下大电网仿真系统的调控效果。
[0066] 表1
[0067]
[0068] 以“单站无功策略”为例，闭环检测方法为调节系统运行方式，使得所研究区域或单个变电站出现无功欠补或过补，变压器无功越限，分析自动电压控制系统给出的控制策略，表2给出了部分运行方式下大电网仿真系统的调控效果。
[0069] 表2
[0070]运行方式 调控效果
古城区域无功欠补 AVC显示无调节措施
古城区域无功过补 AVC显示无调节措施
九岭站无功过补 AVC调节后无功恢复正常
马井站无功欠补 AVC调节后无功恢复正常
[0071] 从表中可以看出，在某些运行方式下，自动电压控制系统仍存在一些问题，可能在某些情况下没有相应的调节措施，没有达到控制目标。因此现场中运行的自动电压控制系统还有待进一步改进。
[0072] 评估系统给出的评估策略与自动电压控制系统给出的控制策略对比
[0073] 对被检测自动电压控制系统的控制策略进行评估，引入评估系统中的数值优化算法作为参考，对比在同一运行方式下被检测自动电压控制系统与优化算法所给出的控制策略。此时设置OPEN3000系统的自动电压控制系统为非控制状态，将中间通信数据接口切换到大电网仿真系统与评估系统，运行仿真案例，启动评估系统，选择基于数值优化算法进行计算并得出相应的评估控制策略。表3给出了“城区区域负荷过重”这一运行方式下被检测自动电压控制系统的控制算法、优化算法与评估系统的数值优化算法得出的控制策略对比。
[0074] 表3
[0075]
[0076] 从动作次数来看，AVC控制算法动作次数为15次；AVC优化算法动作次数为11次；数值优化算法的动作次数为8次；从网损来看，数值优化算法得出的网损最低，且相比AVC控制算法得出的网损降低了1MW；从电压偏移率来看，数值优化算法动作后的电压偏移率较AVC控制算法得到的电压偏移率降低0.443023％。从以上三个方面进行对比来看，数值优化算法都体现了较为良好的控制效果。
[0077] 考核三种策略对城区区域电压的控制效果，其区域电压对比如图3所示。由图3可以看出，AVC控制算法、优化算法及数值优化算法对于整个城区区域的电压都有较好的改善效果，其中数值优化算法的改善效果最好，可以使整个区域的电压运行
水平更加接近额定电压。
[0078] 在运行中关口功率因数也是一项重要考核目标，通过比较三种不同控制策略下得到的关口功率因数来进行考核，具体内容见图4。由图4可见，数值优化算法可以将城区的关口功率因数控制到0.95以上，AVC控制算法与优化算法对于区域关口功率因数也有较为明显的改善。
[0079] 从以上对比结果来看，评估系统的数值优化算法不论是从动作次数、网损还是对于区域电压以及关口功率因数的调控，都显示了良好的控制特性。因此可以看出目前的自动电压控制系统给出的控制策略并不是最合理的。
[0080] 评估指标
[0081] 从全网指标、站内指标、AVC运行指标和策略评估指标等四个方面对自动电压控制系统进行全方位，全过程的评价，对控制策略优化效果、控制效率、可操作性等各方面进行评估。在“全网负荷偏高”的运行方式下对自动电压控制系统的策略进行评估，先计算并记录初始潮流结果，经过自动电压控制系统的控制策略调整后，再统计调整后的潮流结果，并对两次结果分别进行评估，得出控制策略的评价结果和对比分析。
[0082] P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17分别代表控制策略执行前的电压越限(超出设定限值)调整率、关口功率因数合格率、全网电压合格率、全网网损率、设备重复动作率、单站有功损耗、单站电压越限率7个单策略评估指标，P21、P22、P23、P24、P25、P26、P27则分别表示策略执行后的指标。
[0083] 首先，需对评估所须指标进行计算。通过大电网仿真系统计算得出初始潮流结果，并根据结果计算其指标如下：
[0084] 表4
[0085] P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
指标值 1.15％ 65.0％ 88.89％ 0.78％ 0.00％ 0.14％ 1.62％
[0086] 记录自动电压控制系统采用控制算法给出的控制策略如下：
[0087] 表5
[0088] 动作前状态 动作后状态 动作次数
古城1、2号主变 3档 4档 1档*2台
三星堆1、2、3号主变 5档 6档 1档*3台
土塘1、2号主变 3档 4档 1档*2台
新市1、2号主变 2档 3档 1档*2台
白庙1号主变 4档 5档 1档*1台
炳灵宫1、2号主变 2档 3档 1档*2台
炳灵宫电容2路 断开 投入 1次
向阳电容1路 断开 投入 1次
三星堆电容2路 断开 投入 1次
白庙电容3路 断开 投入 1次
回澜电容4路 断开 投入 1次
[0089] 计算控制策略执行后潮流结果，并根据结果计算各指标的值，罗列如下：
[0090] 表6
[0091]类型 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27
指标值 0 94％ 100％ 0.76％ 0 0.14％ 0
[0092] 由计算结果可以看出，自动电压控制系统动作前后的各项指标很明显的得到了提升，尤其是电压与关口功率因数的额合格率都得到了明显的提高。
[0093] 记录评估系统采用数值优化算法给出的评估控制策略如下：
[0094] 表7
[0095]
[0096] 计算评估控制策略执行后潮流结果，并根据结果计算各指标的值，罗列如下：
[0097] 表8
[0098]类型 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27
指标值 0 100％ 100％ 0.756％ 0 0.125％ 0
[0099] 由计算结果可以看出，数值优化算法动作前后的各项指标很明显的得到了提升，从计算得到的各项指标可以看出，数值优化算法给出的评估控制策略相较于自动电压控制系统给出的控制策略控制效果较好，提高了关口功率因数合格率，也降低了全网和单站的网损率。因此从全网指标、站内指标、AVC运行指标和策略评估指标等方面对自动电压控制系统进行评估是较为合理的。
