自動電壓控制系統在潮州電網的應用

陳文麗

廣東電網公司潮州供電局，廣東 潮州 521000

0 引言

電網的安全、經濟、優質運行是電力系統調度與控制所追求的目標，其中無功電壓方面的控制至關重要。目前國內電網電壓控制一般由分散的當地控制器組成，這種控制方法無法從全局的角度進行協調和優化。具體體現在以下幾個方面的局限性：1）電壓合格率不高，無法滿足用戶日益對電能質量的高要求；2）與頻率控制不同，電網中需要監視的電壓點多，調度員日常調壓工作量大；3）無功電壓的非線性關系較強，電壓控制設備的特點不同，人工調壓難度大；4）無功功率的不合理流動一方面影響電網的安全運行，另一方面引起較大的網損，不利于電網的經濟運行。

為保證系統的電壓運行水平，目前潮州地調更多的通過提前制定并下發電壓曲線的方式來指導無功電壓控制，很大程度上提高了對無功電壓控制的協調管理，收到較好的效果。但是，這樣的控制管理流程仍然存在如下問題：1）離線計劃的制定難以完全滿足電網實時運行過程中面對的各種工況；2）離線計劃的制定難以兼顧全網運行的經濟性和安全性；3）計劃、調度和運行人員的工作量繁重；4）計劃、調度人員的經驗需要時間積累，不能及時適應電網結構變化。無功電壓自動控制系統（AVC）可以綜合利用主站系統提供的豐富信息進行防錯處理和上下級廠站的統一考慮，適應電網自動化發展的趨勢，隨著遙測數據的準確性和遙控的可靠性不斷提高，以及電網應用軟件的實用化，必將發揮更大的作用。

1 項目背景與研究意義

《廣東電網公司提高電壓質量工作方案》指出電壓合格率是反映供電企業供電質量的一項重要指標，是影響第三方客戶滿意度的一個重要因素，更是公司“服務好、管理好、形象好”的一個重要指針，在此基礎上，提出推進AVC實用化應用，目前，在系統低谷時段，仍然存在電容器沒有退出、抽頭檔位不合理的現象，需對AVC控制策略作進一步研究。地市供電局要積極參與AVC控制策略優化研究，從提高用戶端電壓角度，提出控制策略優化建議。推進中調AVC與地調AVC聯網，繼續優化和完善AVC各項功能，及時總結AVC運行經驗，增強AVC 系統智能化水平以及對電網無功的控制能力，提高實用化應用水平。2011年完成21個地市供電局AVC系統的建設，220kV變電站AVC閉環覆蓋率達到75%，110kV變電站AVC閉環覆蓋率達到70%。2015年完成35kV及以上變電站AVC閉環控制覆蓋。

隨著潮州電網的快速發展，現有電壓控制機制將難以滿足電網安全、優質和經濟運行的要求，為了更好的適應潮州電網發展和電力市場建設的需要，在繼續增加本地無功資源，提高電壓控制能力的同時，建設潮州電網自動電壓控制系統，完善對電網無功電壓分步的綜合決策、調度和管理，優化調度現有的無功電壓調控資源，提高系統滿足電能質量、電網安全和經濟運行等要求的能力，減輕計劃、調度和運行人員的工作量，提高潮州電網的調度自動化水平。自動電壓控制系統架構在EMS系統之上，能夠利用電網實時運行的數據，從整個系統的角度科學決策出最佳的無功電壓調整方案，自動下發給各個子站裝置，以電壓安全和優質為約束，以系統運行經濟性為目標，連續閉環的進行電壓的實時優化控制。解決了無功電壓協調控制方案的在線生成，實時下發，閉環自動控制等一整套分析、決策、控制；再分析，再決策、再控制的無功電壓實時追蹤控制問題。能夠有效地克服當前潮州電網無功電壓管理機制中存在的不足，解決潮州電網當前和未來面臨的電壓控制問題。

2 項目工作的主要內容

“潮州電網自動電壓控制系統（潮州電網AVC）”項目的主要研究和工作內容包括：

1）研究并提出適用于潮州電網的全新的電壓控制模式。潮州地調的調度范圍與一般的省級電省調度范圍不同，自動電壓控制系統控制的一側設備范圍也不同，因此需要研制全新的電壓控制模式；

2）針對潮州地調的調度范圍，研究在全網無功優化基礎上，對220kV變電站的優化控制方式。傳統的變電站控制一般為單獨的站內控制，不能滿足主網優化控制的要求；

3）將潮州地調調度管轄的220kV、110kV變電站逐步投入閉環控制；

4）研究并實現潮州電網AVC系統與廣東電網自動電壓控制系統（廣東電網AVC）的協調控制。針對潮州地調與廣東省調的調度管轄范圍，通過關口的協調控制，實現地調220kV電網與省調電網電壓無功的協調控制；

5）實現與SCADA（PS6000）系統的標準化集成；

6）制定與潮州電網自動電壓控制（AVC）系統相配套的管理規定。

3 潮州電網的AVC控制模式

3.1 潮州電網的無功電壓控制特點

潮州地調的調度管轄范圍如圖1所示。

從圖中可以看到， 500kV主變低壓側的無功設備也由省調調度，從220kV主變高壓側以下的220kV、110kV部分由地調調度；而220kV電網由省調調度，但是220kV主變的低壓側無功設備由地調調度，而且220kV主變低壓側還有大量的用戶負荷出線；220kV主變中壓側以下的110kV部分由地調調度，110kV電網由地調調度。

綜合分析可以看到，地調調度范圍內的無功電壓資源包括220kV、110kV變電站內的電容器和電抗器，這些無功資源構成地調AVC可以直接控制的部分；而由于潮州城區的220kV變電站的低壓側10kV母線帶有大量的用戶負荷出線，因此對220kV變電站的無功優化控制需要充分保證10kV母線的電壓合格。同時，由于220kV主變的有載調壓分接頭和主變低壓側無功設備由地調進行控制，這些設備的動作對110kV電網電壓的影響非常顯著，因此地調AVC在控制時同時要考慮110kV電網電壓的合理性,很大程度上增加了地調AVC在相應省調的無功協調控制指令的復雜程度。

圖1 潮州電網的調度范圍以及與上下級的邊界

3.2 潮州電網基于“軟分區”的三級電壓控制模式

法國EDF提出的三級電壓控制模式在歐洲得到了廣泛的應用，取得了比較理想的控制效果。但這種模式下控制區域的劃分是以參數形式固化在硬件控制器中的，難以適應電力系統的不斷發展和實時運行工況的大幅度變化，尤其對于國內電網建設速度快，網架結構經常處于變化之中，這種“硬分區”控制模式的應用更是受到限制。因此，本項目使用了清華大學電機系調度自動化實驗室提出的基于“軟分區”的三級電壓控制模式，該模式已經在國內省級電網中得到良好應用。系統的總體結構如下圖2所示：

圖2 三級電壓控制模式

3.2.1 三級控制

三級控制基于全局電壓無功優化計算，根據目前全網無功的分布，綜合考慮變電站和地調關口的無功出力和備用情況，在考慮電壓合格、潮流不越限等安全約束的條件下，以網損最小為優化目標進行優化計算，給出全網最優的無功電壓優化目標值。

由于電網無功具有分布性和區域性的特點，AVC系統根據無功電壓控制的特性將電網自動分為若干區域，每個區域選擇主要的關鍵母線作為中樞母線，中樞母線的電壓控制目標采用全局無功優化給定的目標。同一個區域內的設備在無功電壓控制特性上具有強耦合性，區域間的設備則具備松耦合性，這種分區控制的思路符合電網無功分層分區控制的原則，同時這種分區時由系統在線自動完成的，是“軟分區”，能適應電網的發展變化。

3.2.2 二級控制

二級控制由變電站控制和地調AVC協調控制。

1）變電站控制

變電站控制模塊主要的控制對象是220kV變電站，系統根據三級控制給出的區域中樞母線電壓的控制值，采用靈敏度算法求出與此區域內所有的變電站的母線控制目標值。但是這個目標值不能直接用于控制，系統需要根據變電站的設備運行情況，結合三級控制給出的母線電壓控制目標進行綜合分析計算，對當前可用的離散設備的控制結果進行預估，才能確定是否可控并生成具體設備的控制策略，下發給集控站或變電站的自動化系統執行。

2）地調協調控制

地調協調控制模塊的控制對象是各個地區電網調度中心的AVC系統，地調AVC系統根據三級控制給出的區域中樞母線電壓的控制目標值，結合地調AVC上送的無功調節能力，計算給出地調關口的無功調節要求，并以功率因數的形式發送給地調AVC系統。地調AVC系統通過控制220kV變電站或110kV變電站內的無功設備來實現地調AVC下發的控制目標。

對于潮州電網來說，地調和地調的關口在220kV主變的高壓側（主變低壓側無功設備由地調調度），因此AVC的協調控制指令為220kV主變高壓側的功率因數。

3.2.3 一級控制

對變電站控制，由于潮州地調采用了”主站集中計算、集控站分散控制”的運行管理模式，220kV、110kV變電站全部無人值班，并接入調度控制中心進行集中的調度運行和控制操作。因此AVC系統對所有的220kV、110kV變電站均采用直接控制的模式，控制中心監控的所有220kV變電站均接入AVC閉環控制，直接下發遙控遙調指令； AVC系統從地調監控系統中獲取完整的變電站內的遙信遙測，實現各種控制信號的獲取和安全閉鎖信號的監視。AVC系統運行的關鍵信息在監控中心的界面上顯示。

4 潮州電網AVC應用現狀

長期以來，潮州供電局在無功電壓運行控制方面形成了一套行之有效的管理辦法，在此基礎上總結了面向不同運行方式的無功電壓控制策略，保證了潮州地區電網電壓的合格率要求，同時220kV電網的無功電壓控制一直處于領先水平，這為本項目的實施提供了有利條件和良好的基礎。

2009年，潮州供電局與清華大學合作，對潮州電網的無功電壓自動控制問題進行了深入的研究，對潮州電網的無功電壓特點和控制模式進行了分析和論證，并針對實際電網進行了在線模擬分析計算。通過可行性研究，確定了潮州電網實施無功電壓自動控制的技術路線。同年11月，潮州供電局與北京清大高科系統控制有限公司簽訂了項目開發合同，共同研制開發潮州電網自動電壓控制系統。系統自2010年6月開始現場安裝調試，先后完成了系統安裝調試、開環運行、半閉環運行、閉環試運行、閉環正式運行各個階段的工作，截止2011年6月，系統已經完成10個月的閉環正式運行，已經接入6座220kV變電站進行閉環控制，并具備了與省調AVC進行協調控制的能力。

5 發現、發明和創新點

潮州電網自動電壓控制（AVC）系統是實現全局無功電壓優化分布的關鍵一環，不僅涉及對直控電網的自動閉環控制，還包括跟蹤上級省調的協調控制要求。本項目面向潮州電網開發了完整的自動電壓控制系統，有效的提升了運行人員對電網的駕馭能力，對實現潮州電網的安全、穩定、經濟運行具有重要意義。

對比國內外同類項目，本項目具有以下特點：

1）實現潮州電網與省調的AVC協調控制，協調關口為220kV主變高壓側，協調控制目標為主變關口功率因數。省調AVC系統向地調AVC系統下發關口無功指令，地調AVC通過控制關口連接的220kV分區電網中的無功資源，滿足省調下發的無功協調控制要求；

2）實現了 “主站集中計算、集控站分散控制”的AVC控制模式。控制中心監控的所有220kV、110kV變電站均接入AVC閉環控制，直接下發遙控遙調指令； AVC系統從控制中心監控系統中獲取完整的變電站內的遙信遙測，實現各種控制信號的獲取和安全閉鎖信號的監視；

3）實現了面向多控制目標的220kV變電站優化控制，220kV變電站的控制目標首先要考慮10kV、110kV電壓的合格，尤其是10kV供電母線的電壓合格，其次要求220kV母線的電壓達到AVC三級優化給定的優化目標，相比傳統的變電站控制，實現了面向多目標的220kV 變電站優化控制；

4）與項目建設同步，制定并下發了《潮州電網自動電壓控制（AVC）技術規范》和《潮州電網自動電壓控制（AVC）系統管理規定》，從管理創新的角度出發，針對自動電壓控制系統的運行、管理、考核等各方面作出了詳細規定，保證了該成果在潮州電網生產運行中切實發揮作用。

6 AVC運行分析評價

潮州電網自動電壓控制系統（AVC）自投入閉環運行后，從改善變電站10kV 母線電壓質量、優化無功潮流降低網損和降低變電監控人員調壓操作的工作強度共3 個方面取得了良好的效果。

自2010 年9 月AVC 開始投入閉環運行以來，隨著加入AVC閉環控制的廠站數量的增加，AVC 下發的控制命令數量也隨之增加。截止到2011 年6 月底，AVC 控制主變調壓次數累計達到7553次，控制電容器開關投切次數達到18438次。受控設備具體動作情況見圖3 所示。

圖3 AVC 控制設備動作次數統計

6.1 受控站電壓質量分析

自動電壓控制系統（AVC）投入閉環運行以來，大大改善了變電站10kV 母線電壓質量，圖4是統計潮州電網在AVC 投運后10kV 母線電壓合格率統計數據柱狀圖。

通過上圖可見，AVC 閉環投運之后，市區變電站10kV 母線電壓質量都得到不同程度的提高，這充分體現了AVC 能夠及時有效的對變電站10kV 母線電壓進行監視和控制。

6.2 電網無功潮流優化分析

圖4 廈寺站AVC閉環前后的功率因數對比圖

對電網的無功潮流進行優化控制是自動電壓控制系統（AVC）的另一個重要的功能。AVC 的無功優化控制原則是：電網電壓合格且處于較高運行水平后，按無功分層分區、就地平衡的優化原則控制，提高受電功率因數，減少線路無功傳輸，降低網損。

圖5為廈寺站AVC閉環前后的功率因數對比圖，從圖中可見，廈寺站的平均功率因數在AVC 投運后從0.94提高到0.98，得到了顯著的提高。AVC 的無功潮流優化控制策略發揮了不錯的效果，功率因數水平有明顯提高，同時降低了網損，取得很大的經濟效益。

圖5 廈寺站AVC閉環前后的功率因數對比圖

6.3 降低變電監控人員調壓操作的工作強度

以6月份為例，該月AVC 控制主變調壓次數為1373 次，控制電容器投退次數為4944 次。平均每日每臺主變調壓動作次數為1.06 次，平均每日每組電容器投退次數為0.52 次；而該月同期的人工調壓次數為12 次，人工投切電容次數為26 次。兩種控制方式的對比圖如表1所示。

表1 AVC與人工控制方式的對比圖

由表1可見，對主變進行有載調壓和對電容器進行投切的控制工作已經由AVC 來完成其中絕大部分的控制工作，人工控制方式已經是AVC 無法完成有效控制時的一種補充控制方式。自動電壓控制系統已經取代以往人工調壓和站端VQC 調壓的傳統調壓方式，成為控制電壓和無功的新型控制方式。

7 結論

自動電壓控制系統已經成為保證電網安全、優質、經濟運行的重要技術手段，目前在國內的研究和應用方興未艾。本項目作為率先完成的面向區域電網的自動電壓控制系統，其控制模式、設計思想、理論算法和工程經驗具有寶貴的借鑒意義，可以推廣到對國內其他區域電網控制中心。

本項目面向的雖然是潮州電網，但是提出的控制模式和理論算法從地域上覆蓋了網、省、地三級電網，從技術上涵蓋了優化運行、電壓穩定分析、自動電壓控制等多個領域，是從全局角度出發，對電網無功電壓問題的整體解決方案，其中相關技術可以在省級電網、地市級電網的自動電壓控制系統、EMS系統中得到推廣，具有廣泛的應用前景。

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