肖拴榮

摘要：國(guó)內(nèi)電網(wǎng)針對(duì)當(dāng)前的無功調(diào)節(jié)技術(shù)水平上的落后以及VQC調(diào)控裝置的缺陷，引入了自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)，AVC系統(tǒng)的無功分層平衡、區(qū)域控制以及優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)等特征使得電網(wǎng)取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。文章圍繞變電站AVC在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提出了AVC系統(tǒng)的發(fā)展過程以及AVC系統(tǒng)的原理，提出了一套AVC系統(tǒng)的工作流程，并闡述了變電站AVC系統(tǒng)的特征和AVC系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；自動(dòng)電壓控制；AVC系統(tǒng)原理；無功優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）01-0124-04

一、概述

電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的基本目標(biāo)是優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)地向電力用戶供應(yīng)電能，電壓是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要的指標(biāo)。電壓過低或過高不僅會(huì)影響到電氣設(shè)備的效率和壽命，而且還會(huì)危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)營(yíng)。無功功率平衡是保證電壓穩(wěn)定的重要手段，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)無功功率控制所采用的方式主要有人工調(diào)節(jié)和基于變電站的電壓無功控制軟件/裝置VQC，隨著無人值守變電站的深化建設(shè)和數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展，無功電壓調(diào)節(jié)在電網(wǎng)正常運(yùn)行中顯得越來越重要，而AVC對(duì)降低網(wǎng)損、提高電壓質(zhì)量和統(tǒng)籌系統(tǒng)的資源配置等有著重要的作用，目前已經(jīng)有很多國(guó)家（如法國(guó)、意大利、西班牙等歐洲國(guó)家）根據(jù)其實(shí)際情況，采用不同的方式實(shí)現(xiàn)其功能。我國(guó)部分地區(qū)也在大力的嘗試AVC系統(tǒng)，如我國(guó)的湖南省采用經(jīng)濟(jì)壓差來實(shí)現(xiàn)全局的無功優(yōu)化，每條線路電壓降落縱分量為目標(biāo)來達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

在電力系統(tǒng)中電壓和無功功率有著密切的關(guān)系，但是它們綜合的整合比較復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)電壓無功能控制的目標(biāo)首先是保持無功平衡和電網(wǎng)的穩(wěn)定；其次是保持供電電壓在一定的規(guī)定范圍內(nèi)正常供給；還有一個(gè)功能是使得在電壓符合要求的基礎(chǔ)上降低電能的損耗。本文依據(jù)AVC在現(xiàn)實(shí)工程中的應(yīng)用，闡述了AVC的工作原理及工作流程，在此基礎(chǔ)上提出了一套新的AVC優(yōu)化改進(jìn)方案，文章后部分進(jìn)一步的說明了AVC在電力系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

二、AVC系統(tǒng)原理

自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control）系統(tǒng)是對(duì)全網(wǎng)的無功電壓狀態(tài)執(zhí)行分析計(jì)算和集中監(jiān)視的系統(tǒng)，從整體對(duì)大范圍內(nèi)分散的電網(wǎng)無功裝置執(zhí)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，它是確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、提高無功電壓的管理水平、提升電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行水平和電網(wǎng)質(zhì)量的重要技術(shù)手段。

AVC的主要功能是保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，確保關(guān)口功率因數(shù)和電壓合格，盡可能的減少線路的無功傳輸，同時(shí)降低電網(wǎng)因不必要的無功潮流導(dǎo)致的有功損耗。而且從另一個(gè)角度來說，AVC實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)方便維護(hù)和安全防護(hù)的功能。AVC與EMS系統(tǒng)一體化的設(shè)計(jì)，從PAS中獲取控制模型，從SCADA中獲取實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)，而且進(jìn)行在線的計(jì)算和分析，對(duì)網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)變電所的無功補(bǔ)償設(shè)備和有載調(diào)壓裝置進(jìn)行集中的監(jiān)視、在線控制并統(tǒng)一管理。實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)的無功電壓優(yōu)化控制的閉環(huán)運(yùn)行。圖1為AVC系統(tǒng)簡(jiǎn)圖：

自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)由SCADA服務(wù)器、防火墻、無功優(yōu)化服務(wù)器、無功優(yōu)化終端、無功優(yōu)化交換機(jī)五部分組成。無功優(yōu)化終端和無功優(yōu)化服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換通過無功優(yōu)化交換機(jī)進(jìn)行。防火墻在此系統(tǒng)中主要起著保護(hù)數(shù)據(jù)安全的作用。

三、AVC系統(tǒng)流程

本文中AVC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于三級(jí)電壓控制的模式，由省調(diào)AVC主站、電廠監(jiān)控系統(tǒng)（AVQC）、地調(diào)AVC的控制子系統(tǒng)和變電站監(jiān)控系統(tǒng)（AVQC）構(gòu)成，使用的硬件系統(tǒng)分別是獨(dú)立的，并且三級(jí)控制要求獨(dú)立于EMS并在服務(wù)器上運(yùn)行。二級(jí)控制建立了適合AVC的硬件設(shè)備。

該AVC系統(tǒng)基于EMS的架構(gòu)，系統(tǒng)的框架如圖2

所示：

該系統(tǒng)是由AVC和EMS之間的數(shù)據(jù)接口、負(fù)荷預(yù)測(cè)、超前無功優(yōu)化和電壓無功優(yōu)化組成。其中AVC和EMS的數(shù)據(jù)傳輸使用文件讀寫和網(wǎng)絡(luò)共享的方式實(shí)現(xiàn)接口，先從EMS獲取實(shí)時(shí)的信息，包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)和未來的發(fā)電計(jì)劃數(shù)據(jù)。以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)對(duì)應(yīng)的軟件平臺(tái)。AVC計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送給EMS系統(tǒng)，EMS系統(tǒng)通過提供特殊的圖形用戶界面顯示結(jié)果。

負(fù)荷預(yù)測(cè)主要包括未來一天系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)短期的負(fù)荷預(yù)測(cè)和多個(gè)點(diǎn)檢超短期的負(fù)荷預(yù)測(cè)兩部分，未來一天系統(tǒng)割接點(diǎn)的短期負(fù)荷的預(yù)測(cè)是通過選擇對(duì)應(yīng)的相似日來預(yù)測(cè)未來一天的運(yùn)行方式，給規(guī)整處理（離散變量）提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而多節(jié)點(diǎn)超短期的負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊的功能是為超前無功優(yōu)化供應(yīng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

超前無功優(yōu)化是通過負(fù)荷預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓無功優(yōu)化，用來彌補(bǔ)數(shù)據(jù)在傳輸和下達(dá)目標(biāo)時(shí)的時(shí)間滯后，確保目標(biāo)電壓值有效。在線電壓的無功優(yōu)化是在AVC獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)送對(duì)AVC子站的目標(biāo)控制指令。

四、AVC系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)化改進(jìn)

（一）AVC系統(tǒng)的特點(diǎn)

AVC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）該系統(tǒng)使用了獨(dú)立于EMS系統(tǒng)的方式設(shè)計(jì)的。這使得EMS系統(tǒng)和AVC系統(tǒng)之間只是共享數(shù)據(jù)，并沒有直接的關(guān)系，在不影響EMS系統(tǒng)的工作情況下很方便的加入和退出。而獨(dú)立的AVC確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。（2）在AVC系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中每五分鐘就獲取一次數(shù)據(jù)，首先通過潮流的計(jì)算實(shí)現(xiàn)核對(duì)，確定后進(jìn)行全網(wǎng)無功控制。在該過程中，通過變換電壓水平來實(shí)現(xiàn)不同模式的AVC功能，達(dá)到了傳輸給子站的信息的可行性和準(zhǔn)確性。（3）該系統(tǒng)從接受數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)，再到優(yōu)化計(jì)算完成了一次向子站的發(fā)送控制信息。占的CPU的時(shí)間小于15秒，是該AVC主站設(shè)計(jì)的一大優(yōu)點(diǎn)。

然而，雖然無功優(yōu)化發(fā)展了多年，但在在線運(yùn)行方面仍然存在著問題，這使得在工程應(yīng)用方面存在著較大的局限性。其中主要原因?yàn)橄旅鎺c(diǎn)：（1）無功優(yōu)化是基于狀態(tài)的估計(jì)結(jié)果的方式，如果測(cè)量的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，狀態(tài)估計(jì)可能出項(xiàng)偏差，使得優(yōu)化結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常；（2）算法的收斂性不夠完善，若直接通過優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行控制則魯棒性無法實(shí)現(xiàn)。

（二）AVC與VQC的比較

VQC的目的是自動(dòng)控制變電站的電壓和無功以滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求?？刂品椒ㄍǔ２捎酶淖冎髯兎纸宇^檔位和投切電容器組來改變系統(tǒng)的電壓和無功。目前，在國(guó)內(nèi)運(yùn)行的電壓無功綜合控制裝置（VQC）大多是按照測(cè)量電壓和無功控制法的控制原理設(shè)計(jì)的，即九域圖理論。

本質(zhì)上AVC與VQC裝置都是電壓、無功自動(dòng)控制設(shè)備，變電站端電壓無功控制原理是相似的。VQC只是AVC功能的一部分，AVC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)VQC的全部功能，并且可以部署到集控站和調(diào)度主站，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)和區(qū)域電壓、無功自動(dòng)控制策略。但是AVC與VQC相比有很多的優(yōu)勢(shì)，VQC裝置安裝在變電站，其無功的調(diào)節(jié)和電壓只能在局部調(diào)節(jié)，沒辦法達(dá)到電網(wǎng)全局的最優(yōu)。而在調(diào)度端安裝的AVC已經(jīng)在很多地區(qū)廣泛使用。AVC是從整個(gè)電網(wǎng)的角度，通過利用電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，讓控制代價(jià)為最小，達(dá)到全網(wǎng)的最優(yōu)，在改善各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的電壓的同時(shí)減少了網(wǎng)損，使得變電站從單獨(dú)控制變?yōu)榧锌刂?，電網(wǎng)無功從就地補(bǔ)償、就地平衡變?yōu)閮?yōu)化補(bǔ)償、分層平衡，該工作極大地提高了電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平和運(yùn)行質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)在省級(jí)電網(wǎng)實(shí)施AVC的任務(wù)始于湖南省，該項(xiàng)目于2000年開始至2003年4月完成，主要成果是建立了湖南電網(wǎng)AVC的主體框架，即建成了省調(diào)中心AVC主控系統(tǒng)和4個(gè)AVC子站（包括2個(gè)發(fā)電廠子站和2個(gè)變電所子站）。該系統(tǒng)采用了省調(diào)決策層與廠站執(zhí)行層兩層體系結(jié)構(gòu)；運(yùn)用了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)靈敏度分析技術(shù)；提出了以電壓為核心的七區(qū)控制圖。

（三）AVC系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

在變電站AVC系統(tǒng)中做到更好的電壓無功控制優(yōu)化，首先要在工程的應(yīng)用中增加對(duì)應(yīng)的促使，確保結(jié)果的可信性和魯棒性，其次進(jìn)行優(yōu)化算法的改進(jìn)。在本文的AVC系統(tǒng)中采用如下方式：（1）實(shí)現(xiàn)五分鐘計(jì)算一次，并且15分鐘發(fā)送一次優(yōu)化的措施，確保發(fā)生數(shù)據(jù)異常時(shí)使用下次的數(shù)據(jù)。（2）算法上采用非線性的遠(yuǎn)對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法，實(shí)現(xiàn)算法的魯棒性和收斂性。（3）在采取優(yōu)化之前，先對(duì)狀態(tài)估計(jì)的數(shù)據(jù)采取一次潮流計(jì)算，若在潮流計(jì)算是不收斂，則認(rèn)為此結(jié)果是不可信的。在這種情況下將不再進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。而二級(jí)電壓控制則依照原始的曲線完成信息控制。（4）監(jiān)控AVC系統(tǒng)運(yùn)行，如果AVC系統(tǒng)出現(xiàn)異常停機(jī)或者掛起時(shí)，通常執(zhí)行系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)操作。（5）對(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行容錯(cuò)的處理。因?yàn)樵贓MS的更新過程中，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不完整等，這樣的情況下按照默認(rèn)的數(shù)值來處理。

五、結(jié)語

基于EMS的AVC系統(tǒng)集經(jīng)濟(jì)性和安全性于一起，可以實(shí)現(xiàn)在安全約束下的閉環(huán)的經(jīng)濟(jì)性控制。改AVC可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控電網(wǎng)無功電壓的情況，實(shí)現(xiàn)在線的優(yōu)化計(jì)算，分層的調(diào)節(jié)控制變壓器分頭接頭和控制電網(wǎng)無功電源，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全電壓條件下的無功潮流運(yùn)行，滿足電壓質(zhì)量為優(yōu)和網(wǎng)損最小。

AVC是電力系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度的關(guān)鍵功能，大大的降低了調(diào)度工作中的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)度過程的自動(dòng)化，同時(shí)提高了電壓的質(zhì)量，而且保證社會(huì)對(duì)高質(zhì)量電能的要求。本文針對(duì)電網(wǎng)中AVC的運(yùn)行狀況，詳細(xì)闡述了變電站AVC系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)，在EMS的基礎(chǔ)上結(jié)合三級(jí)電壓的控制模式，按照一天之內(nèi)符合預(yù)測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無功的綜合動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提高了變電站AVC系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。

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（責(zé)任編輯：劉 晶）