林彥楷

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局）

0 引言

電壓是衡量電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的一個重要因素，它直接影響著用戶的用電體驗以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性。維持系統(tǒng)的電壓接近于額定電壓值是電力系統(tǒng)保障用戶正常用電的基礎(chǔ)。當(dāng)電壓波動過大時，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞、電器設(shè)備性能下降，甚至引發(fā)停電事件，給用戶帶來不便和損失。此外，將電壓和無功潮流控制在允許的范圍內(nèi)還有助于降低電網(wǎng)的損耗。電能在輸送過程中會有一定的電阻損耗，如果電壓不穩(wěn)定或電流過大，這些損耗會增加。通過維持適當(dāng)?shù)碾妷核剑梢詼p少這些損耗，提高電能輸送的效率，降低能源成本。最重要的是，將電壓和無功潮流控制在允許的范圍內(nèi)為電網(wǎng)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。穩(wěn)定的電壓和無功潮流使得電網(wǎng)能夠更好地滿足用戶需求，提高了供電可靠性，減少了維修和恢復(fù)成本。此外，電力系統(tǒng)的優(yōu)化運行還可以降低對額外發(fā)電設(shè)備的需求，從而減少了發(fā)電成本和對環(huán)境的影響，促進(jìn)了可持續(xù)能源的使用。因此，電力系統(tǒng)運營者必須密切監(jiān)測和管理電壓和無功潮流，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時實現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益，為用戶提供高質(zhì)量的電力供應(yīng)［1］。

自動無功電壓控制 （Automatic Voltage Control，AVC）系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它涵蓋了多個環(huán)節(jié)和設(shè)備，旨在實現(xiàn)地區(qū)電力系統(tǒng)的無功電壓調(diào)控，以維持電壓在安全范圍內(nèi)并提供高質(zhì)量的電力供應(yīng)。AVC系統(tǒng)包括主站無功自動控制程序，這是一個核心部分，負(fù)責(zé)制定控制策略和邏輯。該程序根據(jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)和需求，計算出需要進(jìn)行調(diào)整的無功電壓，以保持電壓水平穩(wěn)定。這個計算過程需要高度的時效性和準(zhǔn)確性，以應(yīng)對電力系統(tǒng)瞬時的變化。信息傳輸路徑和信息接收裝置則扮演著關(guān)鍵的角色，它們用于將主站的指令傳送到各個子站AVC控制系統(tǒng)。這些信息傳輸通道必須穩(wěn)定可靠，以確保指令的及時傳達(dá)。子站AVC控制系統(tǒng)是分布在電力系統(tǒng)各個關(guān)鍵節(jié)點的控制單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行主站下發(fā)的指令。這些系統(tǒng)通常與調(diào)整無功功率的設(shè)備（如無功發(fā)生器、容性器、電抗器等）連接，以實現(xiàn)電壓調(diào)整。這需要高度的自動化和精確性，以滿足電力系統(tǒng)的需求。最后，AVC系統(tǒng)的邏輯策略優(yōu)化是非常重要的，因為它直接影響到地區(qū)電力系統(tǒng)的無功電壓調(diào)控質(zhì)量。策略優(yōu)化涉及到如何選擇調(diào)整設(shè)備、何時進(jìn)行調(diào)整以及調(diào)整的幅度等問題。這些策略必須具有靈活性，以適應(yīng)不同的運行條件和需求，同時最小化電網(wǎng)的損耗和穩(wěn)定性問題。

AVC系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中的一個復(fù)雜而關(guān)鍵的部分，它的時效性、準(zhǔn)確性和可適用性對于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。因此，AVC系統(tǒng)的策略優(yōu)化是一個具有重要研究意義的領(lǐng)域，它可以提高電力系統(tǒng)的性能，降低運營成本，并確保用戶獲得高質(zhì)量的電力供應(yīng)。

1 AVC系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)現(xiàn)狀

當(dāng)前，電力系統(tǒng)的運行確實面臨著許多不確定因素，這些因素可以突然而未知地影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無功需求。常見的不確定因素有： （1）大容量用戶設(shè)備的啟停。工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)用電中的大型設(shè)備的啟停可能會導(dǎo)致突然的電力需求變化。這種變化會引起電網(wǎng)中的電壓波動，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。AVC系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)這種變化，通過自動調(diào)整無功設(shè)備來維持電壓穩(wěn)定。 （2）電網(wǎng)設(shè)備的故障。電網(wǎng)中的設(shè)備，如變壓器、開關(guān)和電纜，可能會突然發(fā)生故障，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。這種情況下，AVC系統(tǒng)必須迅速適應(yīng)新的運行條件，以確保電壓穩(wěn)定性和無功需求得到滿足。 （3）外部電力系統(tǒng)的故障。鄰近地區(qū)的電力系統(tǒng)故障也可能對當(dāng)前電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。例如，外部電力系統(tǒng)的故障可能導(dǎo)致電力輸入中斷或電流質(zhì)量下降，這需要AVC系統(tǒng)迅速響應(yīng)，以維持本地電壓的穩(wěn)定性。

除了這些不確定因素，還需要強(qiáng)調(diào)AVC系統(tǒng)對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要性。AVC系統(tǒng)的動作策略必須考慮無功和電壓的綜合控制，以確保電壓保持在合適的范圍內(nèi)，并滿足系統(tǒng)的無功功率需求。這有助于預(yù)防電壓失控或無功功率不足等問題，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性。

電力系統(tǒng)的運行環(huán)境充滿了不確定性，但通過AVC系統(tǒng)的有效運行，電力系統(tǒng)可以更好地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，確保電壓穩(wěn)定性和無功需求的滿足。因此，對AVC系統(tǒng)的持續(xù)研究和優(yōu)化對于電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。電網(wǎng)的無功電壓調(diào)控工作就是調(diào)節(jié)電壓，將電壓控制在允許范圍內(nèi)，并且保證系統(tǒng)無功在合理范圍，從而減低電網(wǎng)損耗。在實際應(yīng)用當(dāng)中，AVC系統(tǒng)要實現(xiàn)電壓和無功潮流的實時調(diào)控就需要一套完善的實時無功電壓控制策略，以此保證AVC系統(tǒng)可以快速檢測到異常并進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此通常選擇控制策略清晰且響應(yīng)速度快的九區(qū)圖法。

2 AVC系統(tǒng)電壓控制原理

九區(qū)圖法是將電壓和功率因數(shù)（無功功率）所允許的上下限值為界限劃分出9個區(qū)域，每個區(qū)域都有相應(yīng)的控制策略，如圖1所示，九區(qū)圖上部分為電壓越上限區(qū)，下部分為電壓越下限區(qū)，左邊部分為無功功率越下限區(qū)，右邊部分為無功功率越上限區(qū)，中間區(qū)域為電壓、無功功率合格區(qū)域，在4個限值的劃分下，形成了九區(qū)圖［2］。

圖1 AVC無功電壓控制策略九區(qū)圖

但在電力系統(tǒng)的實際運行中，各區(qū)域的負(fù)荷特性都各不相同，如果使用固定的AVC動作策略則可能存在動作策略與某區(qū)域負(fù)荷特性不匹配的現(xiàn)象，使得無功電壓調(diào)節(jié)作用不明顯，甚至有害于系統(tǒng)的無功電壓穩(wěn)定，常見的問題有［3］：

（1）不同地區(qū)的負(fù)荷峰谷轉(zhuǎn)換時間存在差異，當(dāng)某片區(qū)負(fù)荷的峰谷轉(zhuǎn)換時間與地區(qū)存在偏差時，存在因功率因數(shù)過低，而投入無功補(bǔ)償裝置導(dǎo)致電壓偏高，AVC再次調(diào)節(jié)變壓器的有載調(diào)壓裝置降低電壓才能使電壓和功率因數(shù)達(dá)到平衡，反之可能導(dǎo)致電壓過低而再次調(diào)節(jié)變壓器升高電壓，這就造成了無功補(bǔ)償設(shè)備和變壓器檔位的不必要動作。

（2）根據(jù)地區(qū)的負(fù)荷特性，可能存在無功補(bǔ)償裝置均已調(diào)節(jié)完畢仍無法滿足系統(tǒng)的功率因數(shù)需求，使得AVC系統(tǒng)不斷發(fā)出調(diào)節(jié)指令。

（3）當(dāng)前的AVC策略只針對單個變電站的單個無功補(bǔ)償設(shè)備，無法統(tǒng)籌整個片區(qū)的無功電壓，難以達(dá)到最優(yōu)值。

（4）目前AVC系統(tǒng)的動作策略在動作準(zhǔn)確度上有所欠缺，在負(fù)荷較小時，片區(qū)的電壓會偏高，容易在上限值頻繁波動，使得AVC系統(tǒng)不斷下達(dá)無功補(bǔ)償設(shè)備的投退指令，造成非必要的頻繁動作會加速設(shè)備的老化。

（5）目前AVC系統(tǒng)只根據(jù)母線電壓和無功功率作為判據(jù)進(jìn)行無功設(shè)備的投退操作，而工作人員的手動投退也只是憑個人經(jīng)驗判斷電壓的變化量。在負(fù)荷較小時，電壓會在限值附近波動，造成無功設(shè)備的頻繁動作，加速了設(shè)備的老化。電容器的誤投入可能使得母線電壓過高，過高的電壓具有接地的風(fēng)險。

3 目標(biāo)電壓值策略優(yōu)化可行性分析

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)無功功率的供給與負(fù)荷需求要保持動態(tài)平衡，這是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要的一環(huán)。這個平衡的維持涉及到多個關(guān)鍵因素，其中用戶負(fù)荷的無功需求、輸電和配電線路的無功損耗以及無功補(bǔ)償裝置都是重要的考慮因素。一方面，用戶負(fù)荷側(cè)的無功需求主要源自于電力系統(tǒng)中廣泛使用的異步電動機(jī)，它們在啟動和運行過程中需要無功功率來維持磁場的穩(wěn)定。這些電動機(jī)在啟動時需要大量的正無功功率，隨后在運行期間也會吸收一定量的正無功功率。因此，了解用戶負(fù)荷側(cè)的無功需求以及異步電動機(jī)的運行狀態(tài)對于電力系統(tǒng)的無功平衡至關(guān)重要。另一方面，輸電和配電線路通常會引入一定的無功功率損耗，這是由于線路中存在電感和電容性質(zhì)，導(dǎo)致電壓和電流之間存在相位差。這些損耗需要被滿足，通常由發(fā)電機(jī)提供或通過就地安裝的無功補(bǔ)償裝置來進(jìn)行補(bǔ)償。這些裝置可以是靜態(tài)無功補(bǔ)償器，如無功電容器和無功電抗器，也可以是動態(tài)無功補(bǔ)償器，用于實時調(diào)整線路附近的電壓穩(wěn)定。為了更好地管理系統(tǒng)的無功平衡和電壓穩(wěn)定性，通常會分析電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的無功-電壓特性曲線。這些曲線描述了設(shè)備的無功需求和電壓之間的關(guān)系，包括感性（正無功）和容性（負(fù)無功）的特性。通過分析這些曲線，可以確定在不同運行條件下的無功補(bǔ)償需求，以確保電網(wǎng)的無功平衡和電壓穩(wěn)定。

如圖2所示，曲線1和曲線2表示電源側(cè)的無功-電壓特性，曲線3和曲線4表示負(fù)荷側(cè)的無功-電壓特性，正常運行的情況下，電源側(cè)的無功-電壓特性與系統(tǒng)負(fù)荷端負(fù)荷側(cè)的無功-電壓特性存在交點即供需平衡點，圖中曲線1和曲線3的交點為正常運行情況的額定電壓，當(dāng)負(fù)荷側(cè)的無功需求增大時，曲線3則向上平移變成了曲線4的無功-電壓特性，此時，要達(dá)到新的無功供需平衡，電源側(cè)就需要提供更多的無功功率，曲線1與曲線4的交點a′為此時的電壓值，可以看出，此時系統(tǒng)電壓下降，低于額定電壓值，這意味著，無功需求增加后，電力系統(tǒng)的無功供給不足，只能通過降低電壓的方式來達(dá)到新的無功功率平衡。這時候，如果投入電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，電力系統(tǒng)中的無功-電壓特性曲線也會向上平移形成新的特性曲線（如曲線2），此時，曲線2與曲線4的交點就是電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)新的無功-電壓平衡點。這就是無功補(bǔ)償實現(xiàn)電網(wǎng)電壓控制的基本原理。理想狀態(tài)下的電力系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖2 電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)無功電壓特性圖

圖3 理想狀態(tài)下電力系統(tǒng)模型

對理想狀態(tài)下的電力系統(tǒng)進(jìn)行簡單分析，假設(shè)系統(tǒng)的總阻抗為R＋jX。

由計算得知，負(fù)荷端的電壓Ub為：

在實際系統(tǒng)中，電抗X遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻R，因此無功功率Q往往是影響系統(tǒng)電壓的最直接因素，這也意味著可以通過無功補(bǔ)償設(shè)備來實現(xiàn)電壓的調(diào)控。根據(jù)公式（1）可知，在忽略電阻對負(fù)荷端電壓影響的情況下，負(fù)荷端電壓主要受到阻抗X和無功功率Q的影響。但是當(dāng)有功功率增大到一定程度時，電阻值R損耗系統(tǒng)的電壓，使得負(fù)荷端的電壓偏低，此時就需要變壓器的有載調(diào)壓裝置在無功不變的情況下調(diào)整電壓以達(dá)到新的平衡。

因此，可以從電容投退對電壓的影響入手，深入分析不同容量的電容在不同負(fù)載情況下投退母線電壓的變化情況。通過理論公式計算得出基礎(chǔ)電壓變量，再通過實際應(yīng)用對其進(jìn)行誤差分析，矯正處理后得出通用的實際電壓變化量，實現(xiàn)電壓變化狀況的可視化，輔助AVC系統(tǒng)及工作人員進(jìn)行無功補(bǔ)償裝置的投退工作。

但是實際情況往往更加復(fù)雜，要實現(xiàn)目標(biāo)電壓值的判據(jù)策略優(yōu)化，需要考慮到地區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗和負(fù)荷端有功功率、無功功率的影響。系統(tǒng)對當(dāng)前的數(shù)據(jù)量進(jìn)行實時分析，再根據(jù)情況采用不同的動作策略，要實現(xiàn)分層級的動作策略調(diào)整。成功實現(xiàn)后，在無功設(shè)備投退時，系統(tǒng)會自動計算出目標(biāo)電壓值，工作人員或AVC系統(tǒng)對目標(biāo)電壓值進(jìn)行判斷，確認(rèn)是否需要進(jìn)行操作。以此提高無功設(shè)備的動作精準(zhǔn)度，起到了提高系統(tǒng)運行電壓穩(wěn)定性的作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，面對不同的負(fù)荷特性，AVC系統(tǒng)的電壓優(yōu)化并不能達(dá)到理想的狀態(tài)，需要針對不同片區(qū)的負(fù)荷特性，進(jìn)行就地化的動作策略優(yōu)化。本文從電容器的投退對電壓的影響進(jìn)行理論分析，希望系統(tǒng)能夠通過理論計算得到電容器投退前后的目標(biāo)電壓值，實現(xiàn)電壓變化狀況的可視化，輔助AVC系統(tǒng)執(zhí)行無功調(diào)壓功能，減少AVC系統(tǒng)頻繁動作，提高無功設(shè)備的動作精準(zhǔn)度，減少系統(tǒng)的無功電壓波動，最終提高了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。