陳文麗

廣東電網(wǎng)公司潮州供電局，廣東 潮州 521000

0 引言

電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行是電力系統(tǒng)調(diào)度與控制所追求的目標，其中無功電壓方面的控制至關(guān)重要。目前國內(nèi)電網(wǎng)電壓控制一般由分散的當?shù)乜刂破鹘M成，這種控制方法無法從全局的角度進行協(xié)調(diào)和優(yōu)化。具體體現(xiàn)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(zhì)量的高要求；2）與頻率控制不同，電網(wǎng)中需要監(jiān)視的電壓點多，調(diào)度員日常調(diào)壓工作量大；3）無功電壓的非線性關(guān)系較強，電壓控制設(shè)備的特點不同，人工調(diào)壓難度大；4）無功功率的不合理流動一方面影響電網(wǎng)的安全運行，另一方面引起較大的網(wǎng)損，不利于電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。

為保證系統(tǒng)的電壓運行水平，目前潮州地調(diào)更多的通過提前制定并下發(fā)電壓曲線的方式來指導(dǎo)無功電壓控制，很大程度上提高了對無功電壓控制的協(xié)調(diào)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(wǎng)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(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性；3）計劃、調(diào)度和運行人員的工作量繁重；4）計劃、調(diào)度人員的經(jīng)驗需要時間積累，不能及時適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化。無功電壓自動控制系統(tǒng)（AVC）可以綜合利用主站系統(tǒng)提供的豐富信息進行防錯處理和上下級廠站的統(tǒng)一考慮，適應(yīng)電網(wǎng)自動化發(fā)展的趨勢，隨著遙測數(shù)據(jù)的準確性和遙控的可靠性不斷提高，以及電網(wǎng)應(yīng)用軟件的實用化，必將發(fā)揮更大的作用。

1 項目背景與研究意義

《廣東電網(wǎng)公司提高電壓質(zhì)量工作方案》指出電壓合格率是反映供電企業(yè)供電質(zhì)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(wù)好、管理好、形象好”的一個重要指針，在此基礎(chǔ)上，提出推進AVC實用化應(yīng)用，目前，在系統(tǒng)低谷時段，仍然存在電容器沒有退出、抽頭檔位不合理的現(xiàn)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(yōu)化研究，從提高用戶端電壓角度，提出控制策略優(yōu)化建議。推進中調(diào)AVC與地調(diào)AVC聯(lián)網(wǎng)，繼續(xù)優(yōu)化和完善AVC各項功能，及時總結(jié)AVC運行經(jīng)驗，增強AVC 系統(tǒng)智能化水平以及對電網(wǎng)無功的控制能力，提高實用化應(yīng)用水平。2011年完成21個地市供電局AVC系統(tǒng)的建設(shè)，220kV變電站AVC閉環(huán)覆蓋率達到75%，110kV變電站AVC閉環(huán)覆蓋率達到70%。2015年完成35kV及以上變電站AVC閉環(huán)控制覆蓋。

隨著潮州電網(wǎng)的快速發(fā)展，現(xiàn)有電壓控制機制將難以滿足電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟運行的要求，為了更好的適應(yīng)潮州電網(wǎng)發(fā)展和電力市場建設(shè)的需要，在繼續(xù)增加本地無功資源，提高電壓控制能力的同時，建設(shè)潮州電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)，完善對電網(wǎng)無功電壓分步的綜合決策、調(diào)度和管理，優(yōu)化調(diào)度現(xiàn)有的無功電壓調(diào)控資源，提高系統(tǒng)滿足電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行等要求的能力，減輕計劃、調(diào)度和運行人員的工作量，提高潮州電網(wǎng)的調(diào)度自動化水平。自動電壓控制系統(tǒng)架構(gòu)在EMS系統(tǒng)之上，能夠利用電網(wǎng)實時運行的數(shù)據(jù)，從整個系統(tǒng)的角度科學(xué)決策出最佳的無功電壓調(diào)整方案，自動下發(fā)給各個子站裝置，以電壓安全和優(yōu)質(zhì)為約束，以系統(tǒng)運行經(jīng)濟性為目標，連續(xù)閉環(huán)的進行電壓的實時優(yōu)化控制。解決了無功電壓協(xié)調(diào)控制方案的在線生成，實時下發(fā)，閉環(huán)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(wǎng)無功電壓管理機制中存在的不足，解決潮州電網(wǎng)當前和未來面臨的電壓控制問題。

2 項目工作的主要內(nèi)容

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

1）研究并提出適用于潮州電網(wǎng)的全新的電壓控制模式。潮州地調(diào)的調(diào)度范圍與一般的省級電省調(diào)度范圍不同，自動電壓控制系統(tǒng)控制的一側(cè)設(shè)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(diào)的調(diào)度范圍，研究在全網(wǎng)無功優(yōu)化基礎(chǔ)上，對220kV變電站的優(yōu)化控制方式。傳統(tǒng)的變電站控制一般為單獨的站內(nèi)控制，不能滿足主網(wǎng)優(yōu)化控制的要求；

3）將潮州地調(diào)調(diào)度管轄的220kV、110kV變電站逐步投入閉環(huán)控制；

4）研究并實現(xiàn)潮州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)與廣東電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)（廣東電網(wǎng)AVC）的協(xié)調(diào)控制。針對潮州地調(diào)與廣東省調(diào)的調(diào)度管轄范圍，通過關(guān)口的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)地調(diào)220kV電網(wǎng)與省調(diào)電網(wǎng)電壓無功的協(xié)調(diào)控制；

5）實現(xiàn)與SCADA（PS6000）系統(tǒng)的標準化集成；

6）制定與潮州電網(wǎng)自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)相配套的管理規(guī)定。

3 潮州電網(wǎng)的AVC控制模式

3.1 潮州電網(wǎng)的無功電壓控制特點

潮州地調(diào)的調(diào)度管轄范圍如圖1所示。

從圖中可以看到， 500kV主變低壓側(cè)的無功設(shè)備也由省調(diào)調(diào)度，從220kV主變高壓側(cè)以下的220kV、110kV部分由地調(diào)調(diào)度；而220kV電網(wǎng)由省調(diào)調(diào)度，但是220kV主變的低壓側(cè)無功設(shè)備由地調(diào)調(diào)度，而且220kV主變低壓側(cè)還有大量的用戶負荷出線；220kV主變中壓側(cè)以下的110kV部分由地調(diào)調(diào)度，110kV電網(wǎng)由地調(diào)調(diào)度。

綜合分析可以看到，地調(diào)調(diào)度范圍內(nèi)的無功電壓資源包括220kV、110kV變電站內(nèi)的電容器和電抗器，這些無功資源構(gòu)成地調(diào)AVC可以直接控制的部分；而由于潮州城區(qū)的220kV變電站的低壓側(cè)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(yōu)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(diào)壓分接頭和主變低壓側(cè)無功設(shè)備由地調(diào)進行控制，這些設(shè)備的動作對110kV電網(wǎng)電壓的影響非常顯著，因此地調(diào)AVC在控制時同時要考慮110kV電網(wǎng)電壓的合理性,很大程度上增加了地調(diào)AVC在相應(yīng)省調(diào)的無功協(xié)調(diào)控制指令的復(fù)雜程度。

圖1 潮州電網(wǎng)的調(diào)度范圍以及與上下級的邊界

3.2 潮州電網(wǎng)基于“軟分區(qū)”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(yīng)用，取得了比較理想的控制效果。但這種模式下控制區(qū)域的劃分是以參數(shù)形式固化在硬件控制器中的，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和實時運行工況的大幅度變化，尤其對于國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)速度快，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于變化之中，這種“硬分區(qū)”控制模式的應(yīng)用更是受到限制。因此，本項目使用了清華大學(xué)電機系調(diào)度自動化實驗室提出的基于“軟分區(qū)”的三級電壓控制模式，該模式已經(jīng)在國內(nèi)省級電網(wǎng)中得到良好應(yīng)用。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(yōu)化計算，根據(jù)目前全網(wǎng)無功的分布，綜合考慮變電站和地調(diào)關(guān)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(wǎng)損最小為優(yōu)化目標進行優(yōu)化計算，給出全網(wǎng)最優(yōu)的無功電壓優(yōu)化目標值。

由于電網(wǎng)無功具有分布性和區(qū)域性的特點，AVC系統(tǒng)根據(jù)無功電壓控制的特性將電網(wǎng)自動分為若干區(qū)域，每個區(qū)域選擇主要的關(guān)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(yōu)化給定的目標。同一個區(qū)域內(nèi)的設(shè)備在無功電壓控制特性上具有強耦合性，區(qū)域間的設(shè)備則具備松耦合性，這種分區(qū)控制的思路符合電網(wǎng)無功分層分區(qū)控制的原則，同時這種分區(qū)時由系統(tǒng)在線自動完成的，是“軟分區(qū)”，能適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展變化。

3.2.2 二級控制

二級控制由變電站控制和地調(diào)AVC協(xié)調(diào)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(tǒng)根據(jù)三級控制給出的區(qū)域中樞母線電壓的控制值，采用靈敏度算法求出與此區(qū)域內(nèi)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(tǒng)需要根據(jù)變電站的設(shè)備運行情況，結(jié)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(shè)備的控制結(jié)果進行預(yù)估，才能確定是否可控并生成具體設(shè)備的控制策略，下發(fā)給集控站或變電站的自動化系統(tǒng)執(zhí)行。

2）地調(diào)協(xié)調(diào)控制

地調(diào)協(xié)調(diào)控制模塊的控制對象是各個地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度中心的AVC系統(tǒng)，地調(diào)AVC系統(tǒng)根據(jù)三級控制給出的區(qū)域中樞母線電壓的控制目標值，結(jié)合地調(diào)AVC上送的無功調(diào)節(jié)能力，計算給出地調(diào)關(guān)口的無功調(diào)節(jié)要求，并以功率因數(shù)的形式發(fā)送給地調(diào)AVC系統(tǒng)。地調(diào)AVC系統(tǒng)通過控制220kV變電站或110kV變電站內(nèi)的無功設(shè)備來實現(xiàn)地調(diào)AVC下發(fā)的控制目標。

對于潮州電網(wǎng)來說，地調(diào)和地調(diào)的關(guān)口在220kV主變的高壓側(cè)（主變低壓側(cè)無功設(shè)備由地調(diào)調(diào)度），因此AVC的協(xié)調(diào)控制指令為220kV主變高壓側(cè)的功率因數(shù)。

3.2.3 一級控制

對變電站控制，由于潮州地調(diào)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(diào)度控制中心進行集中的調(diào)度運行和控制操作。因此AVC系統(tǒng)對所有的220kV、110kV變電站均采用直接控制的模式，控制中心監(jiān)控的所有220kV變電站均接入AVC閉環(huán)控制，直接下發(fā)遙控遙調(diào)指令； AVC系統(tǒng)從地調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中獲取完整的變電站內(nèi)的遙信遙測，實現(xiàn)各種控制信號的獲取和安全閉鎖信號的監(jiān)視。AVC系統(tǒng)運行的關(guān)鍵信息在監(jiān)控中心的界面上顯示。

4 潮州電網(wǎng)AVC應(yīng)用現(xiàn)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(chǔ)上總結(jié)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(qū)電網(wǎng)電壓的合格率要求，同時220kV電網(wǎng)的無功電壓控制一直處于領(lǐng)先水平，這為本項目的實施提供了有利條件和良好的基礎(chǔ)。

2009年，潮州供電局與清華大學(xué)合作，對潮州電網(wǎng)的無功電壓自動控制問題進行了深入的研究，對潮州電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)實施無功電壓自動控制的技術(shù)路線。同年11月，潮州供電局與北京清大高科系統(tǒng)控制有限公司簽訂了項目開發(fā)合同，共同研制開發(fā)潮州電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)。系統(tǒng)自2010年6月開始現(xiàn)場安裝調(diào)試，先后完成了系統(tǒng)安裝調(diào)試、開環(huán)運行、半閉環(huán)運行、閉環(huán)試運行、閉環(huán)正式運行各個階段的工作，截止2011年6月，系統(tǒng)已經(jīng)完成10個月的閉環(huán)正式運行，已經(jīng)接入6座220kV變電站進行閉環(huán)控制，并具備了與省調(diào)AVC進行協(xié)調(diào)控制的能力。

5 發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和創(chuàng)新點

潮州電網(wǎng)自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)是實現(xiàn)全局無功電壓優(yōu)化分布的關(guān)鍵一環(huán)，不僅涉及對直控電網(wǎng)的自動閉環(huán)控制，還包括跟蹤上級省調(diào)的協(xié)調(diào)控制要求。本項目面向潮州電網(wǎng)開發(fā)了完整的自動電壓控制系統(tǒng)，有效的提升了運行人員對電網(wǎng)的駕馭能力，對實現(xiàn)潮州電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有重要意義。

對比國內(nèi)外同類項目，本項目具有以下特點：

1）實現(xiàn)潮州電網(wǎng)與省調(diào)的AVC協(xié)調(diào)控制，協(xié)調(diào)關(guān)口為220kV主變高壓側(cè)，協(xié)調(diào)控制目標為主變關(guān)口功率因數(shù)。省調(diào)AVC系統(tǒng)向地調(diào)AVC系統(tǒng)下發(fā)關(guān)口無功指令，地調(diào)AVC通過控制關(guān)口連接的220kV分區(qū)電網(wǎng)中的無功資源，滿足省調(diào)下發(fā)的無功協(xié)調(diào)控制要求；

2）實現(xiàn)了 “主站集中計算、集控站分散控制”的AVC控制模式?？刂浦行谋O(jiān)控的所有220kV、110kV變電站均接入AVC閉環(huán)控制，直接下發(fā)遙控遙調(diào)指令； AVC系統(tǒng)從控制中心監(jiān)控系統(tǒng)中獲取完整的變電站內(nèi)的遙信遙測，實現(xiàn)各種控制信號的獲取和安全閉鎖信號的監(jiān)視；

3）實現(xiàn)了面向多控制目標的220kV變電站優(yōu)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(yōu)化給定的優(yōu)化目標，相比傳統(tǒng)的變電站控制，實現(xiàn)了面向多目標的220kV 變電站優(yōu)化控制；

4）與項目建設(shè)同步，制定并下發(fā)了《潮州電網(wǎng)自動電壓控制（AVC）技術(shù)規(guī)范》和《潮州電網(wǎng)自動電壓控制（AVC）系統(tǒng)管理規(guī)定》，從管理創(chuàng)新的角度出發(fā)，針對自動電壓控制系統(tǒng)的運行、管理、考核等各方面作出了詳細規(guī)定，保證了該成果在潮州電網(wǎng)生產(chǎn)運行中切實發(fā)揮作用。

6 AVC運行分析評價

潮州電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）自投入閉環(huán)運行后，從改善變電站10kV 母線電壓質(zhì)量、優(yōu)化無功潮流降低網(wǎng)損和降低變電監(jiān)控人員調(diào)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(huán)運行以來，隨著加入AVC閉環(huán)控制的廠站數(shù)量的增加，AVC 下發(fā)的控制命令數(shù)量也隨之增加。截止到2011 年6 月底，AVC 控制主變調(diào)壓次數(shù)累計達到7553次，控制電容器開關(guān)投切次數(shù)達到18438次。受控設(shè)備具體動作情況見圖3 所示。

圖3 AVC 控制設(shè)備動作次數(shù)統(tǒng)計

6.1 受控站電壓質(zhì)量分析

自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）投入閉環(huán)運行以來，大大改善了變電站10kV 母線電壓質(zhì)量，圖4是統(tǒng)計潮州電網(wǎng)在AVC 投運后10kV 母線電壓合格率統(tǒng)計數(shù)據(jù)柱狀圖。

通過上圖可見，AVC 閉環(huán)投運之后，市區(qū)變電站10kV 母線電壓質(zhì)量都得到不同程度的提高，這充分體現(xiàn)了AVC 能夠及時有效的對變電站10kV 母線電壓進行監(jiān)視和控制。

6.2 電網(wǎng)無功潮流優(yōu)化分析

圖4 廈寺站AVC閉環(huán)前后的功率因數(shù)對比圖

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

圖5為廈寺站AVC閉環(huán)前后的功率因數(shù)對比圖，從圖中可見，廈寺站的平均功率因數(shù)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(yōu)化控制策略發(fā)揮了不錯的效果，功率因數(shù)水平有明顯提高，同時降低了網(wǎng)損，取得很大的經(jīng)濟效益。

圖5 廈寺站AVC閉環(huán)前后的功率因數(shù)對比圖

6.3 降低變電監(jiān)控人員調(diào)壓操作的工作強度

以6月份為例，該月AVC 控制主變調(diào)壓次數(shù)為1373 次，控制電容器投退次數(shù)為4944 次。平均每日每臺主變調(diào)壓動作次數(shù)為1.06 次，平均每日每組電容器投退次數(shù)為0.52 次；而該月同期的人工調(diào)壓次數(shù)為12 次，人工投切電容次數(shù)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(diào)壓和對電容器進行投切的控制工作已經(jīng)由AVC 來完成其中絕大部分的控制工作，人工控制方式已經(jīng)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(tǒng)已經(jīng)取代以往人工調(diào)壓和站端VQC 調(diào)壓的傳統(tǒng)調(diào)壓方式，成為控制電壓和無功的新型控制方式。

7 結(jié)論

自動電壓控制系統(tǒng)已經(jīng)成為保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要技術(shù)手段，目前在國內(nèi)的研究和應(yīng)用方興未艾。本項目作為率先完成的面向區(qū)域電網(wǎng)的自動電壓控制系統(tǒng)，其控制模式、設(shè)計思想、理論算法和工程經(jīng)驗具有寶貴的借鑒意義，可以推廣到對國內(nèi)其他區(qū)域電網(wǎng)控制中心。

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

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