云南電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)研究

王珍意

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

云南電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)研究

王珍意

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

介紹了云南電網(wǎng)自動電壓控制 (AVC)系統(tǒng)的必要性、建設(shè)思路、優(yōu)化控制方案和控制策略，從工程實際角度研究了AVC系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備AVC遙控閉鎖控制策略，對地區(qū)供電局、電廠和變電站開展AVC工作具有指導(dǎo)作用。

自動電壓控制；協(xié)調(diào)控制；閉鎖信號

0 前言

電壓作為衡量電能質(zhì)量的重要標(biāo)志之一，自動電壓控制 (Automatic Voltage Control，AVC)系統(tǒng)利用EMS/OCS平臺的電網(wǎng)模型和實時量測，在線分析電網(wǎng)的電壓無功運(yùn)行狀況，給出相應(yīng)的電壓無功調(diào)整策略并通過EMS/OCS平臺將調(diào)整策略發(fā)送到可控的無功調(diào)節(jié)設(shè)備 (發(fā)電機(jī)、主變、電容器電抗器等)控制設(shè)備動作，從而達(dá)到提高電壓合格率、降低網(wǎng)損等目的[1-3]。AVC系統(tǒng)對于改善電壓質(zhì)量、保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。

云南電網(wǎng)因長距離送電、負(fù)荷分布不均勻、季節(jié)性差異大、電壓管理相對滯后等原因，主網(wǎng)及局部地區(qū)電壓問題突出。主要表現(xiàn)為：汛期主網(wǎng)無功平衡問題不突出，局部地區(qū)低谷時段高電壓問題突出；枯期外送換減少，主網(wǎng)500 kV充電功率過剩，全網(wǎng)電壓普遍偏高，低谷時段尤為突出；并且還存在無功調(diào)節(jié)容量欠缺、變壓器檔位配置不當(dāng)、局部地區(qū)無功就地平衡缺乏調(diào)整手段等問題。因此亟需建設(shè)全省集中控制的AVC系統(tǒng)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制發(fā)電廠 (包括水電、火電、風(fēng)電、光伏)、變電站、地區(qū)電網(wǎng)的無功電壓調(diào)控設(shè)備，達(dá)到全省無功資源的集中優(yōu)化控制。

建設(shè)全省集中控制的AVC系統(tǒng)，需要重點研究以下幾個方面的問題：網(wǎng)省地三級控制策略、省級AVC控制策略和設(shè)備閉鎖控制策略，對容抗器、機(jī)組和主變分接頭、SVC/SVG等無功調(diào)節(jié)設(shè)備的自動控制方法，健全、合理的管理制度體系，全省AVC建設(shè)推進(jìn)方案等等。本文圍繞云南電網(wǎng)AVC系統(tǒng)建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)、解決方案等展開討論。

1 建設(shè)思路

省調(diào)AVC主站采用與省調(diào)OCS系統(tǒng)緊耦合的方式進(jìn)行嵌入式開發(fā)，共有模型和圖形均在OCS上維護(hù)，AVC主站無需單獨(dú)維護(hù)。省調(diào)AVC主站系統(tǒng)已經(jīng)建成并且試運(yùn)行正常，正逐步接入直調(diào)電廠、500 kV變電站和地區(qū)電網(wǎng)AVC子站系統(tǒng)，截止2015年年底所有省調(diào)直調(diào)電廠均應(yīng)接入并納入AVC閉環(huán)控制，2016年年底所有直調(diào)500 kV變電站35 kV容抗器均應(yīng)接入并納入AVC閉環(huán)控制，2020年所有地區(qū)電網(wǎng)均納入AVC閉環(huán)控制。

部分供電局EMS/OCS系統(tǒng)具備AVC功能模塊，但需要進(jìn)一步完善，EMS/OCS系統(tǒng)無AVC功能模塊的，需要通過項目新開發(fā)AVC功能模塊。各供電局AVC開發(fā)建設(shè)應(yīng)遵循一體化、模塊化、智能化原則，符合技術(shù)規(guī)范和省地協(xié)調(diào)控制要求，逐步實現(xiàn)對220 kV及以下變電站容抗器的遙控及主變分接頭的遙調(diào)，待條件成熟后再考慮逐步實現(xiàn)對地調(diào)直調(diào)電廠和省地共調(diào)電廠的遙控。

省調(diào)直調(diào)500 kV變電站35 kV容抗器AVC遙控，應(yīng)先由供電局編制AVC遙控試驗方案，由修試所、變電管理所等專業(yè)部門在站端進(jìn)行遙控閉鎖信號的梳理、合并及驗證工作，確保閉鎖信號充分必要且復(fù)歸解鎖可靠，再將容抗器遠(yuǎn)動信息接入省調(diào)AVC主站，在省調(diào)OCS主、備調(diào)上分別進(jìn)行有、無閉鎖信號的遙控試驗，試驗合格后方能投入AVC閉環(huán)控制。

省調(diào)直調(diào)水、火電廠監(jiān)控系統(tǒng)均有AVC功能模塊，但AVC新投之前需要由監(jiān)控廠家、通訊廠家開展AVC遠(yuǎn)動信息接入核對工作，并由第三方對AVC功能及性能進(jìn)行相應(yīng)的測試，測試合格方能投入AVC閉環(huán)運(yùn)行。大部分直調(diào)風(fēng)電場在新投的時候要求監(jiān)控廠家提供AVC功能，但AVC功能實現(xiàn)均未具體實施，需要進(jìn)一步研究，以便充分利用云南大量的風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)資源，切實提高電壓控制水平。

2 優(yōu)化控制方案

2.1 省級AVC主站

省級AVC主站接受總調(diào)AVC下發(fā)的協(xié)調(diào)控制指令、地調(diào)AVC上送的地區(qū)電網(wǎng)無功電壓信息和省調(diào)調(diào)管電廠、變電站無功調(diào)節(jié)信息，在線分析電網(wǎng)的電壓無功運(yùn)行狀況和計算控制策略：下發(fā)直調(diào)電廠的高壓母線電壓設(shè)定值至電廠AVC子站，實現(xiàn)對直調(diào)電廠的實時電壓控制；直接下發(fā)500 kV變電站的可控容抗器投切指令，實現(xiàn)對調(diào)管變電站容抗器的閉環(huán)控制；通過500 kV和220 kV關(guān)口電壓、功率因數(shù)或無功指標(biāo)等信息的交互，實現(xiàn)網(wǎng)、省和省、地協(xié)調(diào)控制。其信息流程如圖1所示。

圖1 AVC信息流程圖

2.2 電廠AVC控制

電廠AVC控制分為母線電壓控制和單機(jī)無功控制兩種模式，云南省調(diào)AVC主站對發(fā)電廠采用母線電壓控制模式。

省調(diào)AVC主站直接給電廠AVC子站下達(dá)電廠高壓母線電壓控制目標(biāo)值，電廠子站根據(jù)電壓控制目標(biāo)值，計算得出電廠需要承擔(dān)的總無功功率，將總無功功率按一定調(diào)節(jié)方式分配給各臺機(jī)組；AVC子站系統(tǒng)直接或通過DCS系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)發(fā)送增、減磁信號以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功出力，使電廠高壓母線 (電壓達(dá)到控制目標(biāo)值，實現(xiàn)全廠多機(jī)組的電壓無功自動控制。

圖2 電廠AVC無功控制邏輯圖

電廠AVC子站應(yīng)具備相應(yīng)的安全控制策略，在量測異常、通訊中斷、機(jī)端電壓偏低等異常情況發(fā)生時能夠自動閉鎖或退出AVC控制。

2.3 變電站AVC控制

變電站AVC控制，分為集中控制和分散控制兩種模式。云南省調(diào)AVC對變電站采用集中控制模式。在集中控制模式下，省調(diào)AVC主站根據(jù)變電站當(dāng)前的電壓和無功信息，直接向變電站下發(fā)電容/電抗器投切、變壓器分接頭調(diào)節(jié)等遙控遙調(diào)指令。當(dāng)變電站受控設(shè)備出現(xiàn)機(jī)構(gòu)異常、保護(hù)動作、保護(hù)裝置異常、控制回路斷線等情況時，應(yīng)將相應(yīng)的控制閉鎖信息可靠上傳至調(diào)度AVC主站，閉鎖控制相應(yīng)設(shè)備。

2.4 網(wǎng)、省協(xié)調(diào)控制

協(xié)調(diào)控制目標(biāo)：對總調(diào)調(diào)度的500 kV變電站，以主變中壓側(cè)關(guān)口無功作為網(wǎng)省AVC協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)；對省調(diào)調(diào)度的500 kV廠站，以廠站的500 kV母線電壓作為協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)。

省調(diào)AVC上總調(diào)AVC信息：省調(diào)AVC將自身運(yùn)行狀態(tài)信息上送總調(diào)AVC，包括：系統(tǒng)是否閉環(huán)運(yùn)行、是否與總調(diào)AVC協(xié)調(diào)控制、上送數(shù)據(jù)信息刷新時間。對總調(diào)調(diào)度的500 kV變電站，省調(diào)AVC將500 kV變電站主變中壓側(cè)所帶區(qū)域無功備用上送總調(diào)AVC，包括：主變中壓側(cè)的無功上調(diào)節(jié)裕度、無功下調(diào)節(jié)裕度。同時省調(diào)AVC應(yīng)上送500 kV變電站中壓側(cè)母線電壓可接受上、下限值。

省調(diào)AVC接收總調(diào)AVC下發(fā)的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)，對總調(diào)調(diào)度的500 kV變電站包括：500 kV變電站主變中壓側(cè)無功上、下限值、控制目標(biāo)刷新時間；對省調(diào)調(diào)度的500 kV廠站包括：500 kV母線協(xié)調(diào)控制設(shè)定值、500 kV母線電壓實時量測參考值、控制目標(biāo)刷新時間。

2.5 省、地協(xié)調(diào)控制

協(xié)調(diào)控制目標(biāo)：以220 kV變電站主變高壓側(cè)關(guān)口功率因數(shù) (或無功)作為省地AVC協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)，以220 kV母線電壓上、下限曲線作為約束條件。省一地AVC三級協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)省地AVC三級協(xié)調(diào)控制體系

地區(qū)AVC上送省調(diào)AVC的信息：地區(qū)AVC應(yīng)計算220 kV主變所帶區(qū)域無功備用并上送省調(diào)AVC。地區(qū)AVC應(yīng)實現(xiàn)將自身運(yùn)行狀態(tài)信息上送省網(wǎng)AVC。

省調(diào)AVC接收總調(diào)AVC下發(fā)的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)：220 kV變電站主變高壓側(cè)無功或功率因數(shù)的上下限、控制目標(biāo)刷新時間。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究與處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

AVC主站周期性讀取SCADA系統(tǒng)的量測數(shù)據(jù)及其量測值的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)量測狀態(tài)為壞量測時，AVC系統(tǒng)對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，如忽略壞量測的母線電壓越限點等。AVC主站在進(jìn)行無功電壓優(yōu)化計算前先進(jìn)行狀態(tài)估計，如果狀態(tài)估計收斂且合格率達(dá)到要求，則基于狀態(tài)估計的結(jié)果進(jìn)行無功電壓優(yōu)化計算，否則基于SCADA量測值進(jìn)行電網(wǎng)無功電壓策略計算。

3.2 控制平穩(wěn)性

AVC主站每隔5分鐘下發(fā)一次調(diào)整策略，故電壓控制沒有必要非得一步到位。實用中，一般220 kV母線電壓調(diào)幅取1.5至2 kV，500 kV母線電壓調(diào)幅取2至3 kV。對于擁有離散調(diào)節(jié)手段的情況，一個控制周期內(nèi)一個廠站應(yīng)只允許投切一組并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，任一主變也應(yīng)最多只允許調(diào)節(jié)一檔。為避免量測瞬時性異常可能造成的定值抖動，取多個斷面的量測數(shù)據(jù)并對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向濾波，進(jìn)一步保證控制過程的平穩(wěn)性。

3.3 機(jī)組無功儲備與進(jìn)相

由于機(jī)組的無功出力限值取決于機(jī)組本身的物理特性，機(jī)組不可能提供超出其物理調(diào)節(jié)能力的無功出力，故機(jī)組無功出力的上、下限限制在電壓無功優(yōu)化中需嚴(yán)格保證。

在電網(wǎng)的正常運(yùn)行時，各機(jī)組應(yīng)留有一定的動態(tài)無功儲備，為負(fù)荷波動或電網(wǎng)異常運(yùn)行提供必要的動態(tài)無功支撐，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行，特別是長時間深度進(jìn)相運(yùn)行，對機(jī)組本身將造成一定的損害，同時也不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在電網(wǎng)的實際運(yùn)行中應(yīng)盡量予以避免。

根據(jù)上述分析，可以將機(jī)組的無功出力運(yùn)行區(qū)間劃分為安全區(qū)及預(yù)警區(qū)，機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行或動態(tài)無功儲備不足均是不希望出現(xiàn)的，屬預(yù)警區(qū)，可在電壓無功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)中給予一定的懲罰，以盡量避免運(yùn)行在該區(qū)間。

現(xiàn)假設(shè)某一機(jī)組具有一定的無功進(jìn)相能力，并需要在正常運(yùn)行時留出一定的動態(tài)無功儲備，即

可構(gòu)造如下所示的目標(biāo)函數(shù)對機(jī)組無功進(jìn)相或儲備不足予以懲罰。

其中，w1及w2為罰系數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗確定。

上述目標(biāo)函數(shù)可以用圖形描述如下：

圖4 機(jī)組無功儲備與進(jìn)相的工程化處理說明圖

3.4 離散量控制

由于并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備、主變分接頭檔位等離散調(diào)節(jié)設(shè)備一天之內(nèi)有操作次數(shù)的限制，兩次調(diào)節(jié)之間有時間間隔的限制。根據(jù)負(fù)荷的變化趨勢將一天劃分為若干時段，根據(jù)負(fù)荷變化趨勢確定離散量的調(diào)節(jié)方向，這樣每個離散設(shè)備一天內(nèi)的操作次數(shù)可以限制在4～6次之內(nèi)，對于并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備，能夠滿足實際應(yīng)用的要求。對于500 kV主變，則進(jìn)一步對允許調(diào)節(jié)時段進(jìn)行限制，保證一天內(nèi)的調(diào)節(jié)次數(shù)不超過2次。對于同一個廠站的電容器、電抗器，應(yīng)采用循環(huán)投切的原則以均衡各電容器、電抗器的投切次數(shù)，盡量增大同一設(shè)備兩次調(diào)節(jié)間的時間間隔，充分挖掘其無功調(diào)節(jié)能力。

3.5 安全閉鎖策略

AVC閉鎖是指在AVC系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)運(yùn)行條件觸發(fā)安全閉鎖策略時，AVC自動暫停對相關(guān)的設(shè)備的控制。AVC閉鎖是異常情況下維護(hù)電網(wǎng)安全與預(yù)定的可靠性措施與手段。AVC解鎖是指運(yùn)行條件恢復(fù)到正常運(yùn)行條件，AVC恢復(fù)正?？刂疲譃樽詣咏怄i和人工解鎖。

電網(wǎng)系統(tǒng)中不同的無功設(shè)備有不同的閉鎖策略。通常設(shè)備閉鎖策略可分為發(fā)電機(jī)閉鎖策略、容抗器閉鎖策略、變壓器閉鎖策略。

圖5 機(jī)組增無功閉鎖邏輯圖

圖6 機(jī)組減無功閉鎖邏輯圖

為保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，機(jī)組無功、廠用電、定子電流、定子電壓、轉(zhuǎn)子電流高于整定值時，應(yīng)可靠閉鎖相應(yīng)機(jī)組無功上調(diào)節(jié)；機(jī)組無功、廠用電、定子電壓低于整定值時，應(yīng)可靠閉鎖相應(yīng)機(jī)組無功下調(diào)節(jié)，機(jī)組AVC閉鎖定值由電廠自行負(fù)責(zé)整定，但不得限制AVC有效調(diào)節(jié)范圍和精度。

變電站應(yīng)將容抗器不能被AVC遙控操作的信號在站端合并成閉鎖信號，然后上傳至省調(diào)；調(diào)度AVC主站通過站端閉鎖信號、容抗器狀態(tài)、母線電壓等信息實現(xiàn)對容抗器的閉鎖控制。

變電站應(yīng)將主變不能被AVC遙控操作的信號在站端合并成閉鎖信號，然后上傳至省調(diào)；調(diào)度AVC主站通過站端閉鎖信號、分接頭狀態(tài)、母線電壓等信息實現(xiàn)對主變分接頭的閉鎖控制。

設(shè)備的閉鎖控制策略是保證設(shè)備AVC可靠控制的關(guān)鍵。因此，應(yīng)可靠梳理容抗器、主變分接頭和機(jī)組等設(shè)備的閉鎖信號，做到充分必要，并在廠站進(jìn)行合并及驗證，保證上傳到AVC主站和子站的設(shè)備閉鎖信號能可靠避免誤控、誤調(diào)事件發(fā)生。

4 結(jié)束語

本文提出了AVC系統(tǒng)級、廠站級、設(shè)備級的一般性控制策略、閉鎖控制策略和相關(guān)工程處理方案，能夠很好地指導(dǎo)省級、地區(qū)AVC系統(tǒng)建設(shè)及變電站、電廠AVC接入工作。廠站具體實施時應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行建設(shè)，電廠AVC子站接入省調(diào)AVC主站控制，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的靜態(tài)、動態(tài)測試；變電站容抗器、主變分接頭應(yīng)進(jìn)行閉鎖信號合成及驗證、遠(yuǎn)動信號接入及核對、遙控遙調(diào)測試等才能閉環(huán)控制，確保不發(fā)生誤控、誤調(diào)事件。

[1] 周玲，王寬，錢科軍.計及UPFC的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化研究 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28(4)：37-41.

[2] 蔡昌春，王寬，丁曉群.動態(tài)無功優(yōu)化的簡化方法及實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(5)：43-46，58.

[3] 王寬，丁曉群，侯學(xué)勇.福建電網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)與AVC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制 [J].福建電力與電工，2007，27(4)：1-5，22.

Study on Construction and Key Technology of Auto Voltage Control in Yunnan Power Grid

WANG Zhenyi
(Yunnan Electric Power Dispatching and Control Center，Kunming 650011，China)

This paper introduces the Necessity，construction ideas and optimizing control scheme of automatic voltage control (AVC)system in The Yunnan power grid.From the view of engineering practice，the key technology of AVC system construction and AVC remote control Blocking control strategy of equipment are studies.It will guide the AVC work for the power supply bureau，power plant and transformer substation.

auto voltage control；coordinated control；blocking signal

TM73

B

1006-7345(2015)05-0070-04

2015-05-16

王珍意 (1980)，男，碩士，高級工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作 (e-mail) 51676390＠qq.com。