无功电压自动控制系统(AVC)的应用对地区电网电压质量的影响

无功电压自动控制系统(AVC)的应用对地区电网电压质量的影响

赵传伟马健维陈靖张思涵肖文瑞

（国网天津市电力公司城南供电分公司天津300201）

摘要：在自动装置的作用和给定电压约束条件下，发电机的励磁、变电站和用户的无功补偿装置的出力以及变压器的分接头都能按指令自动进行闭环调整，使其注入电网的无功逐渐接近电网要求的最优值Q优，从而使全网有接近最优的无功电压潮流，这个过程叫自动电压控制(AutomaticVoltageControl，简称AVC)，它是现代电网控制的一项重要功能。电压无功优化自动控制（AVC）系统基于OPEN-3000调度自动化平台，AVC与OPEN-3000平台一体化设计，从PAS网络建模获取控制模型、从SCADA获取实时采集数据并进行在线分析和计算，对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设备进行集中监视、统一管理和在线控制，实现全网无功电压优化控制闭环运行。

关键词：电压自动控制闭环运行

1．前言

电压是电能质量的重要指标，电压质量对电力系统的安全与经济运行，对确保用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。电力系统的无功补偿与无功平衡是确保电压质量的基本条件。在目前实际的应用中，10kV母线的无功电压综合自动控制装置(VQC)已在变电站中投运。但VQC装置仅仅是考虑单独一个变电站的运行参数，不能实现对全网范围内各变电站的电容器和有载变压器分接档位进行协调控制。在自动装置的作用和给定电压约束条件下，发电机的励磁、变电站和用户的无功补偿装置的出力以及变压器的分接头都能按指令自动进行闭环调整，使其注入电网的无功逐渐接近电网要求的最优值Q优，从而使全网有接近最优的无功电压潮流，这个过程叫自动电压控(AutomaticVoltageControl，简称AVC)，它是现代电网控制的一项重要功能。而AVC系统就恰恰弥补了VQC系统的不足，通过借助调瞍自动化主站系统的“SCADA”功能和集控中心自动化系统的“四遥”功能，利用计算机技术和网络技术对地区电网内各变电所的调压和无功补偿没备的集中监视、集中管理和集中控制，从而达到地区电网无功电压优化运行的目的。通过全网电压无功优化运行闭环控制系统进行的有效控制和合理的无功补偿，不仅能确保电压质量，而且提高了电力系统运行的稳定性和安全性，降低电能损耗，对提高1OkV母线电压合格率起到了积极作用。AVC的典型作法是按电网优化无功电压潮流计算结果，在调度自动化能量管理系统(简称EMS)的基础上与发电厂、变电站自动控制系统进行闭环控制。

2．系统基本原理与主要功能

2．1基本原理

系统的基本原理是通过调度自动化SCADA系统采集全网各节点遥测、遥信等实时数据进行在线分析和计算，在确保电网与设备安全运行的前提下，以各节点电压合格率、电网关口功率因数为约束条件，从全网角度进行在线电压无功优化控制，实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压，实现主变分接开关调节次数最少和电容器投切最合理、电压合格率最高和输电网损率最小的综合优化目标。城南供电公司此次采用南京南瑞科技股份有限公司的OPEN-3000调度集控系统，通过该系统软件的分析计算，最终形成有载调压变压器分接开关凋节、无功补偿设备投切控制指令，借助调度自动化系统的“四遥”功能，利用计算机技术和网络通信技术，通过SCADA系统自动执行，从而实现对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设备的集中监视、集中控制和集中管理，实现了全网电压无功优化运行闭环控制。电压无功优化自动控制（AVC）系统基于OPEN-3000调度自动化平台，AVC与OPEN-3000平台一体化设计，从PAS网络建模获取控制模型、从SCADA获取实时采集数据并进行在线分析和计算，对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设备进行集中监视、统一管理和在线控制，实现全网无功电压优化控制闭环运行。

2．2主要功能

(1)实施全网优化调节电压，以用对有载调压变压器分接开关最少的调节次数提高全网电压质量，以避免多个变电站、多台变压器同时调节有载分接开关；(2)对有载调压变压器分接开关档位调节在规定次数范围内自动按负荷、电压和时段优化分配；(3)实现全网调节无功补偿，最大限度地实现无功功率分层平衡和就地平衡；(4)对同电压等级不同变电站的电容器、同变电站不同容量的电容器根据潮流计算判断谁优先投入和切除；(5)无功电压综合控制，确保电容器投入量最多；(6)通过无功功率倒送，提高母线电压；(7)实现多台有载变压器运行时减少运行变压器台数，降低低谷负荷时母线电压；(8)在电压合格范围内，实现高峰负荷电压偏上限运行，低谷负荷电压偏下限运行；(9)进行电容器投入前后的母线电压是否越限的预先计算，避免造成补偿设备投切振荡；(10)实现低谷负荷电压越上限时，投入电抗器降低母线电压；(11)对停运有载调压变压器分接开关档位实施联调；(12)实现不同运行方式的无功电压优化控制运行；(13)对变电站需要安装一组或二组电容器进行优化规划。

2．3系统构成

电压无功自动控制系统主要有三个模块构成：自动电压调整程序（AVC_MAIN）、遥控程序（DO_CTLS）和报警程序（AVC_ALM）。AVC_MAIN通常只运行在PAS节点上,它从SCADA获得电网的实时运行状态，根据分区调压原则，对电网电压进行监视，发现电压异常时提出相应的调节措施。当系统处于自动控制状态时，将调节措施交给SCADA的遥控程序，执行变压器的升降和电容器的投切，遥控环节是电压无功自动控制系统的关键环节，电压无功自动控制系统运行是否成功将在很大程度上决定于电网基础自动化状况。报警程序负责显示自动调压程序提出的调压建议和遥控程序所做的自动调压措施。

信息流向：

3．系统软件的实用化处理

为实现系统的实用化，该系统立足：(1)不是进行全网的潮流计算，而是建立符合全网网损尽量小，电压合格的优化及控制判断规则；(2)处理好本系统与原来的调度自动化系统的数据、指令接口问题，保证操作指令在相应的元件中可靠地执行。下面举例说明几点实施技术方案，为系统软件的实用化处理奠定基础。假设无功潮流合理，当某变电所低压侧母线电压偏离合格范围时，分析同电源同电压等级变电站和上级变电站电压情况，自行确定是调节本变电站主变分接头还是调节上级电源变电所主变分接头。

假定电压处在合格范围之内，先考虑本变电站内无功潮流是否合理，再考虑同级电网内无功潮流是否合理，在不向上一级电压电网倒送无功的前提下，允许并实现同级电网内变电所之间部分无功功率倒送，实现本级电力网内无功潮流平衡。在使电容器尽量投入和主变分接头调节尽量少的前提下，协调本网范围内主变分接头调节与电容器投切引起的电压波动或无功变化的关系，满足电压无功优化控制的目的。

为实现各节点电压运行在上限，各变电所电容器尽量投入的运行方式，主变分接档位与电容器的综合操作条件为：u1一AX+△u≤U：。其中u指电容器投入前实际值，I：指允许电压上限值，△u指由电容器投入引起的电压升高值，A为主变分接头调节折算到低压侧每档电压差，常取0，25kV或0．125kV，X为主变分接档位操作档数，△由其第一次投入电容器引起的电压升高值的实际测量取得。当变电所变压器分接档位调至1档，电容器全部切出时，电压仍超标或考虑双或者多主变经济运行时，引入双主变或者多主变经济运行计算，实施调减某一台变压器方式运行。

如果10kV是单母线分段接线，当母线不分段时，不论主变是否停用，档位同步调整，使得当需要双或者多主变压器运行时，不再人工干预调整变压器分接头档位一致；当母线分段时，档位调整数不要求一致。借助于调度自动化系统中的数据采集与广泛采用的手动遥调、遥控功能，不必增加任何硬件设备，只要处理好本系统与原来的调度自动化系统的数据、指令接口问题，就能实现全网无功电压优化集中自动控制的功能

4全网优化调节与控制功能

4．1全网电压优化调节

AVC根据电网电压无功分布空间分布状态自动选择控制模式并使各种控制模式自适应协调配合，实现全网优化电压调节。

(1)区域电压控制：区域群体电压水平受区域枢纽厂站无功设备控制影响，是区域整体无功平衡的结果。结合实时灵敏度分析和自适应区域嵌套划分确定区域枢纽厂站。当区域内无功分布合理，但区域内电压普遍偏高（低）时，调节枢纽厂站无功设备，以尽可能少的控制设备调节次数，使最大范围内电压合格或提高群体电压水平，同时避免区域内多主变同时调节引起振荡，实现区域电压控制的优化。

(2)电压校正控制：由实时灵敏度分析可知，就地无功设备控制能够最快、最有效校正当地电压，消除电压越限。当某厂站电压越限时，启动该厂站内无功设备调节。该厂站内变压器和电容器按九区图基本规则分时段协调配合，实现电压和无功综合优化：电压偏低时，优先投入电容器然后上调有载主变分头；电压偏高时，首先降低有载主变分头，如达不到要求，再切除电容器。在负荷爬坡阶段优先投切电容器。

(3)电压协调控制：根据电网电压无功空间分布状态自动选择控制模式，控制模式优先顺序为“区域电压控制”>“电压校正控制”。区域电压偏低（高）时采用“区域电压控制”，仅个别厂站母线越限时采用“电压校正控制”，自适应给出合理的全网电压优化调节措施。

(4)逆调压：电压限值根据逆调压规则和历史负荷统计、当前负荷大小动态确定，高峰时段电压下限偏高，低谷时段电压上限偏低，实现逆调压。

4．2全网无功优化控制

(1)区域无功控制：AVC控制仅仅使电网无功在关口满足功率因数要求、达到平衡是远远不够的。为实现全网无功优化控制，必须在尽可能小区域范围内使无功就地平衡。当电网电压合格并处于较高运行水平后，按无功分层分区甚至就地平衡的优化原则检查线路无功传输是否合理，通过实时潮流灵敏度分析计算决定投切无功补偿装置、尽量减少线路上无功流动、降低线损并调节有关电压目标值，使各电压等级网络之间无功分层平衡、提高受电功率因数，在各电压等级网络内部无功在尽量小的区域范围内就地平衡，减少线路无功传输、降低网损。

(2)区域无功不足（欠补）时，根据实时灵敏度分析从补偿降损效益最佳厂站开始寻找可投入无功设备，具体而言即不但可以决定同电压等级厂站电容器谁优先投入，而且可以决定同一厂站电容器组谁优先投入；

(3)区域无功过补（富余），使区域无功倒流时，如果该区域不允许无功倒流，根据实时潮流灵敏度分析，从该区域校正无功越限最灵敏厂站开始寻找可切除无功设备，消除无功越限。

(4)同一厂站无功设备循环投切，均匀分配动作次数。

(5)电容器等无功补偿装置的无功出力是非连续变化的，由于无功负荷变化及电容器容量配置等原因，实际运行中无功不可能完全满足就地或分层分区平衡，在保证区域关口无功不倒流的前提下，区域内电网各厂站之间无功可以倒送，使无功在尽可能小区域内平衡，优化网损。

(6)投入或切除无功设备可能使电压越限时，考虑控制组合动作，如投入电容器时预先调整主变分头，使控制后电压仍然在合格范围内，但减少了线路无功传输。

4．3全网关口力率控制

(1)AVC保证地区电网关口功率因数合格，按分时段功率因数考核标准进行控制，功率因数考核标准可根据要求自行设置。参考标准：0－7点、11－13点和22－24点低谷负荷功率因数控制在0.9和0.95之间，7－11点和13－22点高峰负荷功率因数控制在0.95以上。目前可以细化到每15分钟一个负荷特性点，全天96点规划负荷曲线。

(2)地调AVC建模时根据SCADA关口功率总加公式自定义关口，运行时关口功率总加和SCADA保持一致，严格控制不向关口倒送无功。

(3)省地调联调以后，可以根据省网指令，控制关口无功的流向和数值，实现倒送无功，支撑主网电压。

4．4全网自动协调控制

(1)空间协调

AVC根据电网电压无功空间分布状态自动选择控制模式，优先顺序是“区域电压控制”>“电压校正控制”>“区域无功控制”。区域电压偏低（高）时采用“区域电压控制”，快速校正或优化群体电压水平；越限状态下采用“电压校正控制”，保证节点电压合格；全网电压合格时考虑经济运行，采用“区域无功控制”。

(2)时间协调

AVC设计混杂控制结构，使闭环控制随时间跟踪电压无功状态自动协调有序进行。例如若AVC检测到电压越限，则形成离散事件并驱动控制，从而形成控制指令交给遥控接口执行，遥控命令作用于连续运行的电网，电网执行命令形成新的稳态潮流分布后可消除越限。此时全网电压合格，启动区域无功控制，无功设备调节采用序列投切，即每周期内只允许一次投切动作，保证离散控制指令作用于电网后，电网有时间来形成新的稳态分布潮流。在下一周期，AVC根据新的潮流状态自动判断选择控制模式，从而逐步逼进优化运行状态并且能够避免控制过调。

4．5优化动作次数

每天调压设备（主变分接头和电容器开关）动作次数是有限制的，根据历史负荷曲线优化分配各时段动作次数，并且考虑负荷动态特性，在负荷上坡段、下坡段采取动态控制策略，使AVC控制具有一定预见性，尽量减少设备动作次数。

根据实时分析计算，确定厂站合理无功补偿容量，根据自动统计，筛选最优无功补偿点并排序输出，为改造或新增电容器的数量和容量提供理论依据。

5．结束语

以上“地区电网无功电压集中控制系统”，充分利用了现有电网调度自动化技术和计算机技术，从优化与控制的角度，使“无功就地补偿，就地平衡”变为“优化补偿，分层平衡”，使“单独控制”变为“集中控制”，大大地提高了系统的电压合格率和降低了系统的总线损。该系统的应用，对提高电网生产管理水平，实现各变电站的安全、优化调度和提高电力输送效率起到了较大的推动作用。

参考文献：

[1]黄昆芜湖电网自动电压控制（AVC）系统的功能与应用安徽电力2006年9月

[2]邹根华郭玉金大电网省地协调自动电压控制（AVC）的研究华中电力2008年3期