成都電網自動電壓控制系統的建設與運行

劉 建，胡啟元，林瑞星，蒲 維

(1.成都電業局，四川 成都 610017;2.四川電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引言

自動電壓控制AVC系統對全網無功電壓狀態進行集中監視和分析計算，從全局的角度對廣域分散的電網無功裝置進行協調優化控制，是保持系統電壓穩定、提升電網電壓品質和整個系統經濟運行水平、提高無功電壓管理水平的重要技術手段［1，2］。近年來，基于地區電網的自動電壓控制AVC系統已在全國各地的供電公司投入運行［3，4］。大部分地區電網的AVC系統都采用與調度自動化平臺一體化設計模式，通過調度的監控與數據采集系統SCADA采集各節點遙測、遙信實時數據，然后進行在線分析和計算，對電網內各變電所的有載調壓裝置和無功補償設備進行集中監視、統一管理和在線控制，實現全網無功電壓優化控制閉環運行。

成都電網共有500kV變電站5座，變電容量9750 MVA。220 kV變電站40座，變電容量1400.60 MVA。110 kV變電站169座，變電容量1508.90 MVA。成都電業局設置了1個地調和14個縣調。成都電業局于2009年對地調調度自動化系統進行了擴建改造，基于南瑞OPEN-3000調度自動化系統平臺一體化設計建設并完善了AVC系統功能。將對成都電網的AVC系統的建設和運行情況進行介紹。

1 地調AVC系統功能特點

成都電網屬于地區電網，其AVC系統包括:地調AVC系統、縣調AVC系統。地調AVC系統可實時接收省調對220 kV變電站高壓側關口功率因數命令，驅動地區電網無功控制滿足省網的要求。成都電網地調AVC主站系統數據和控制流程圖如圖1所示。

成都電網地調AVC主站系統功能主要包含以下幾點:①動態分區;②電壓合格;③關口力率合格④事故報警和安全閉鎖;⑤統計和評估;⑥上下級AVC主站系統協調。

圖1 成都電網地調AVC主站系統數據和控制流程

1.1 動態分區

AVC系統的動態分區是根據無功平衡的局域性和分散性，AVC對地區電網電壓無功分層分區控制，使自動控制在空間上解耦。在AVC系統計算時無功優化是以區域進行劃分的，其中區域是動態指定，最小為一個廠站，最大為整個電網。區域劃分可以嵌套也可以和空間中的地理分區不一樣，盡量滿足在小區域范圍內無功平衡。如果該區域無功不能就地平衡，則把和該區域電氣耦合度最高的相鄰廠站包括進來，在這個擴大的區域內就地平衡，以此實現最小范圍內的無功平衡。在AVC系統數據庫中定義了廠站、母線電壓監測點、控制設備等記錄。運行時AVC根據SCADA遙信信息，實時跟蹤電網運行方式的變化，以220 kV樞紐變電站為中心，將全網分成彼此間無功電壓電氣耦合度小的區域電網。

1.2 電壓合格

成都電網地調AVC系統能實時矯正母線電壓，當母線電壓接近和越限時，可根據實時靈敏度分析，采用區域電壓控制和電壓校正控制方法，控制主變壓器分接頭調整或啟動廠站內無功設備調節消除電壓越限，使系統各節點電壓合格，提高系統節點電壓合格率。

1.3 關口力率合格

成都電網地調AVC系統可在電壓都合格的情況下對系統各關口力率進行實時計算，啟動廠站內或所屬區域變電站的無功設備調節，使系統各關口力率合格，降低系統網損。

1.4 事故報警和安全閉鎖

成都電網地調AVC系統設置了諸多情況下的告警功能。如，通過設置關聯SCADA保護信號，AVC可檢測到設備的保護動作并自動閉鎖對該設備的控制，同時發告警信號;如果對某個設備的控制連續兩次均無響應，則閉鎖對該設備的控制，并發出設備拒動的告警信號;在220 kV主網電壓過低的情況下，系統自動閉鎖上調220 kV主變壓器分接開關，防止造成主網電壓崩潰;出現主變壓器滑檔情況時，系統自動閉鎖對主變壓器分接頭的控制，并發滑檔告警;系統自動計算電容器和主變壓器分接頭的動作次數，當達到該時段動作次數限值后，自動閉鎖該設備，并發設備動作次數越限的告警信號;在AVC沒有下發指令時，如果檢測到有電容器開關遙信變位或主變壓器檔位調整的情況，則判為手工操作，AVC閉鎖對該設備的控制，并發手工操作的告警信號。此外，AVC系統還設置了自動解鎖和人工解鎖功能，自動解鎖是當檢測到觸發某類告警或保護閉鎖的信號復歸時，將自動解除對相關設備的閉鎖;對于某些告警信號，還可設置為在告警信號復歸后，延時一段時間解鎖。人工解鎖是通過人工確認方式解除閉鎖的功能。

1.5 統計和評估

地調AVC系統和調度自動化系統一體化平臺設計，可共享EMS平臺支撐軟件，具備豐富完善的歷史報表功能，實現了記錄歷史控制命令及控制前后電壓無功相關信息，并提供方便的查詢手段，可分類、分時段統計和查詢系統、廠站、設備動作次數、正確動作次數、拒動次數。比如，AVC系統可結合EMS提供的報表工具和統計計算，可逐日統計各變電所10 kV母線電壓合格率并存儲到EMS歷史庫，在月末統計當月合格率并存儲到EMS歷史庫，提供按日、月查詢功能和界面;可將每次計算的全網網損的情況列表分析統計，使調節控制的網損與計算值分別對應，清晰表述計算值和實際調節值以及差值。針對AVC系統的調節情況對其進行評價。

1.6 上下級AVC主站系統協調

成都電網地調AVC主站具備本地和遠方兩種控制模式。在本地模式下，地調AVC系統按當地功率因數考核指標運行。在遠方模式下，地調AVC系統接收省調各關口實時功率因數限值，即為220 kV主變壓器高壓側無功指令限值，驅動地區電網控制滿足省網要求。省調實時在線下發給地調各關口功率因數目標值，地調AVC系統在遠方模式下以此為目標，給出電容/電抗器投切，主變壓器分接頭調整等協調控制策略。地調能夠對省調AVC系統下發數據進行校核;地調能夠統計每個區域內可控電容器投/切電容器容量和可接受的電壓上下調節范圍，并將此數據通過SCADA上傳省調。

2 AVC系統的控制方式和運行模式

成都電網地調AVC主站系統對控制對象的控制方式分為“開環”、“閉環”、“監視”。其中“開環”是表示AVC系統對被控對象進行分析計算，提示操作員操作;“閉環”是指AVC系統對被控對象進行分析計算并對其直接進行發命令控制?！氨O視”表示AVC系統只對被控對象進行分析計算，不對其進行直接發命令控制。AVC系統運行模式分為“本地”和“遠方”兩種，“本地”是指以本地設定的目標進行優化計算;“遠方”是指以接收到的省調下發約束與目標值進行優化計算，在省地通訊中斷時，AVC系統能自動切換至“本地”模式。

3 AVC系統的控制算法

地調AVC系統的實現算法有“默認算法”、“控制算法”和“優化算法”3種。

成都電網地調AVC系統的“控制算法”主要結合成都電網網絡結構基本上呈輻射型樹狀分布的特點，以一個輻射網絡作為一個控制區域，把整個電網劃分成若干在空間上彼此解耦的控制區域。。

3.1 全網電壓優化調節

AVC根據電網電壓無功分布空間分布狀態自動選擇控制模式并使各種控制模式自適應協調配合，實現全網優化電壓調節。

3.1.1 區域電壓控制

區域群體電壓水平受區域樞紐廠站無功設備控制影響，是區域整體無功平衡的結果。結合實時靈敏度分析和自適應區域嵌套劃分確定區域樞紐廠站。當區域內無功分布合理，但區域內電壓普遍偏高(低)時，調節樞紐廠站無功設備，以盡可能少的控制設備調節次數，使最大范圍內電壓合格或提高群體電壓水平，同時避免區域內多主變壓器同時調節所引起的振蕩，實現區域電壓控制的優化。

3.1.2 電壓校正控制

由實時靈敏度分析可知，就地無功設備控制能夠最快、最有效校正當地電壓，消除電壓越限。當某廠站電壓越限時，啟動該廠站內無功設備調節。該廠站內變壓器和電容器按九區圖基本規則分時段協調配合，實現電壓無功綜合優化:電壓偏低時，優先投入電容器然后上調有載主變壓器分頭;電壓偏高時，首先降低有載主變壓器分頭，如達不到要求，再切除電容器。

3.1.3 電壓控制協調

根據電網電壓無功空間分布狀態自動選擇控制模式，控制模式優先順序為“區域電壓控制”＞“電壓校正控制”。區域電壓偏低(高)時采用“區域電壓控制”，僅個別廠站母線越限時采用“電壓校正控制”，自適應給出合理的全網電壓優化調節措施。

3.2 區域無功控制

AVC控制僅僅使電網無功在關口滿足功率因數要求、達到平衡是遠遠不夠的。為實現全網無功優化控制，必須在盡可能小區域范圍內使無功就地平衡。當電網電壓合格并處于較高運行水平后，按無功分層分區甚至就地平衡的優化原則檢查線路無功傳輸是否合理，通過實時潮流靈敏度分析計算決定投切無功補償裝置、盡量減少線路上無功流動、降低線損并調節有關電壓目標值，使各電壓等級網絡之間無功分層平衡、提高受電功率因數，在各電壓等級網絡內部無功在盡量小的區域范圍內就地平衡，減少線路無功傳輸、降低網損。

區域無功不足(欠補)時，根據實時靈敏度分析從補償降損效益最佳廠站開始尋找可投入無功設備，具體而言即不但可以決定同電壓等級廠站電容器誰優先投入，而且可以決定同一廠站電容器組誰優先投入;區域無功過補(富余)，使區域無功倒流時，如果該區域不允許無功倒流，根據實時潮流靈敏度分析，從該區域校正無功越限最靈敏廠站開始尋找可切除無功設備，消除無功越限。

同一廠站無功設備循環投切，均勻分配動作次數。電容器等無功補償裝置的無功出力是非連續變化的，由于無功負荷變化及電容器容量配置等原因，實際運行中無功不可能完全滿足就地或分層分區平衡，在保證區域關口無功不倒流的前提下，區域內電網各廠站之間無功可以倒送，使無功在盡可能小區域內平衡，優化網損。投入或切除無功設備可能使電壓越限時，考慮控制組合動作，如投入電容器時預先調整主變壓器分頭，使控制后電壓仍然在合格范圍內，但減少了線路無功傳輸。

3.3 關口力率控制

AVC保證地區電網關口功率因數合格，按分時段功率因數考核標準進行控制，功率因數考核標準可根據要求自行設置。參考標準:0～7時、11～13時和22～24時低谷負荷功率因數控制在0.9和0.95之間，7～11時和13～22時高峰負荷功率因數控制在0.95以上。嚴格控制不向關口倒送無功。

3.4 自動協調控制

3.4.1 空間協調

AVC根據電網電壓無功空間分布狀態自動選擇控制模式，優先順序是“區域電壓控制”＞“電壓校正控制”＞“區域無功控制”。

3.4.2 時間協調

AVC設計混雜控制結構，使閉環控制隨時間跟蹤電壓無功狀態自動協調有序進行。例如，若AVC檢測到電壓越限，則形成離散事件并驅動控制，從而形成控制指令交給遙控接口執行，遙控命令作用于連續運行的電網，電網執行命令形成新的穩態潮流分布后可消除越限。此時全網電壓合格，啟動區域無功控制，無功設備調節采用序列投切，即每周期內只允許一次投切動作，保證離散控制指令作用于電網后，電網有時間來形成新的穩態分布潮流。在下一周期，AVC根據新的潮流狀態自動判斷選擇控制模式，從而逐步逼進優化運行狀態并且能夠避免控制過調。

3.5 優化動作次數

每天調壓設備(主變壓器分級開關和電容器開關)動作次數是有限制的，根據歷史負荷曲線優化分配各時段動作次數，并且考慮負荷動態特性，在負荷上坡段、下坡段采取動態控制策略，使AVC控制具有一定預見性，盡量減少設備動作次數。

4 AVC系統的優化算法

地調AVC系統的實現算法有“優化算法”，是采用無功優化的方法進行計算，核心算法為枚舉法，即將系統中可調控的無功補償設備和變壓器分接頭檔位調節變量按照枚舉法的方式進行逐一模擬，對最優策略進行預設，實現最終無功電壓控制。

5 AVC系統的算法實現流程

AVC系統可根據電網電壓無功空間分布狀態手動選擇算法模式，“默認算法”模式是系統優先采用“優化算法”進行計算，在潮流計算不收斂或計算結果不合格時，自動切換至“控制算法”進行計算?！翱刂扑惴ā蹦Ｊ降目刂撇呗栽O置的優先順序是“區域電壓控制”＞“電壓校正控制”＞“區域無功控制”。例如區域電壓偏低時采用“區域電壓控制”，快速提高群體電壓水平;越限狀態下采用“電壓校正控制”，保證節點電壓合格;全網電壓合格時則考慮經濟運行，采用“區域無功控制”。AVC系統算法的實現流程如下圖2所示。

圖2 地調AVC系統的算法實現流程

6 AVC系統運行效益分析

目前，成都地調AVC系統運行情況良好。此前，電壓調整主要依靠人工調節和基于變電站的電壓無功控制裝置VQC。人工調壓費時費力，VQC只能保證單個變電站的無功平衡及電壓穩定，投切動作頻繁，產生的波動對電網影響大。而AVC系統優化動作次數、減少電網波動、延長電氣設備使用壽命的功效。AVC的區域控制在相當程度上減少線路上的無功傳輸，有效降低網損，成都電網應用的AVC系統定能帶來可觀的經濟效益。表1列出了2012年成都地調AVC系統變壓器檔位和電容器的動作次數(截止到11月)。

表1 2012年成都地調AVC系統變壓器檔位和電容器的動作次數(截止到11月)

由表1可見，為滿足電壓合格及無功要求，降低電網損耗，變壓器檔位和電容器的調節量較大，AVC系統省時省力省資源的優勢明顯。

目前成都電網AVC系統已與省調AVC主站系統的通訊、控制策略和優化模式聯調成功。省調主站實時下發220 kV變電站母線電壓參考值和關口力率，地調AVC主站系統接收后，作為優化計算的約束條件，進而得到優化控制策略，最后根據優化控制策略結果調控220 kV變電站。

7 結語

對成都電網自動電壓控制AVC系統的建設、實現和運行情況進行了介紹。成都電網AVC系統將完善地調AVC系統和縣調AVC系統的協調控制。自從成都電網區域閉環控制穩定后，全網在電能質量、功率因素都有全面提高，增加了無功補償設備的利用率，實現無功功率分層就地平衡，對降低系統網損，減小運行人員工作強度起到重要作用。今后可以進一步優化地調AVC系統，完善省、地、縣調AVC系統的聯合協調閉環控制，使無功電壓控制方式更趨合理高效。

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