國內(nèi)電網(wǎng)應(yīng)用AVC系統(tǒng)效益及存在問題前瞻

王宇 朱華 長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，長沙 410131

國內(nèi)電網(wǎng)應(yīng)用AVC系統(tǒng)效益及存在問題前瞻

王宇 朱華 長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，長沙 410131

國內(nèi)電網(wǎng)針對當(dāng)前無功調(diào)節(jié)上技術(shù)水平的落后以及VQC調(diào)控裝置的缺陷，開始引入自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control——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)等特征能使得電網(wǎng)取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，減少在無功平衡及穩(wěn)定電網(wǎng)電壓上投入的人力物力資源，且能實(shí)現(xiàn)更加安全可靠的自動(dòng)化電網(wǎng)控制。但是電網(wǎng)應(yīng)用AVC系統(tǒng)亦會(huì)存在一些問題，文章就國內(nèi)電網(wǎng)應(yīng)用AVC系統(tǒng)將會(huì)帶來的效益及可能存在的問題進(jìn)行了前瞻性的分析與討論。

AVC；無功補(bǔ)償；分層分區(qū)調(diào)控；存在問題

引言

電力系統(tǒng)及電力企業(yè)運(yùn)行管理的基本目標(biāo)是安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地向電力用戶供應(yīng)電能，然而電壓是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。電壓過高或過低不僅會(huì)直接影響電氣設(shè)備的效率和壽命,而且還會(huì)危及電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定,甚至可能造成系統(tǒng)崩潰、大面積停電等嚴(yán)重事故，嚴(yán)重影響社會(huì)的生產(chǎn)與穩(wěn)定。而無功功率平衡是保證電壓穩(wěn)定的重要手段。如果電力系統(tǒng)無功功率不足會(huì)造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)下降,相同有功負(fù)荷情況下電流增大,造成供電設(shè)備發(fā)熱損耗增大,線損增加,而無功功率過剩會(huì)造成電力系統(tǒng)電壓升高,同樣會(huì)使變壓器、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁損耗增大,絕緣損壞,降低其使用壽命。這兩種原因造成的損耗增加的數(shù)目都是相當(dāng)驚人的。因此，利用無功電壓控制技術(shù)，提高電壓質(zhì)量、減少線路無功流動(dòng)、提高受電功率因數(shù)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、降低線路損耗和保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低用電單耗等都有著十分重大的意義。

現(xiàn)階段，國內(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)以及基于變電站的電壓無功控制軟件/裝置(VQC)的應(yīng)用。隨著無人值守變電站的深化建設(shè)以及數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)取代人工調(diào)節(jié)是未來發(fā)展的必然趨勢，此外，電壓無功控制的VQC裝置也存在著明顯的缺陷和不足，因此近年來，國內(nèi)各省電網(wǎng)都將目光集中到了自動(dòng)電壓控制（AVC）系統(tǒng)這種無功電壓控制方式上面。

1. 自動(dòng)電壓控制(AVC)

自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control-AVC）系統(tǒng)能對全網(wǎng)的無功電壓狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)視和分析計(jì)算，從全局的角度對廣域分散的電網(wǎng)無功裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，是保持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、提升電網(wǎng)電壓品質(zhì)和整個(gè)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、提高無功電壓管理水平的重要技術(shù)手段。

該系統(tǒng)只要給定電壓的約束條件就能在自動(dòng)裝置的作用下,對發(fā)電廠(機(jī))的勵(lì)磁、變電站和電力用戶的無功補(bǔ)償裝置以及變壓器的分接頭進(jìn)行指令控制，自動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)式的調(diào)整, 使它們注入電網(wǎng)的無功逐漸接近電網(wǎng)要求的最優(yōu)值，從而使全網(wǎng)的無功電壓潮流接近最優(yōu)值，以此來達(dá)到提高電壓質(zhì)量和降低線損的目的[1]。

2. AVC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 無功分層平衡

當(dāng)前的VQC裝置雖然能保證單個(gè)變電站的無功平衡以及電壓穩(wěn)定，但是它無法對全網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)控，而且投切動(dòng)作頻繁，產(chǎn)生的波動(dòng)對電網(wǎng)的影響很大。而AVC系統(tǒng)則是分層進(jìn)行平衡的，從全網(wǎng)的角度來進(jìn)行全局的調(diào)控，因此往往可以有效地減少動(dòng)作的次數(shù)，減少無功在線路上的傳輸，這樣就可以有效的延長電氣設(shè)備的使用壽命和降低線損，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 區(qū)域控制

AVC系統(tǒng)在分層平衡的基礎(chǔ)上，還能進(jìn)行區(qū)域控制，把同一層的電廠和變電站進(jìn)行動(dòng)態(tài)分區(qū)，以各個(gè)動(dòng)態(tài)分區(qū)為最小單元進(jìn)行局部的無功平衡和電壓的穩(wěn)定，也就是采用就地平衡的優(yōu)化原則來實(shí)現(xiàn)無功功率的區(qū)域控制。

AVC系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域電壓控制的優(yōu)化，會(huì)進(jìn)行各種有效的調(diào)節(jié)，當(dāng)區(qū)域內(nèi)無功功率分布合理，但是區(qū)域內(nèi)電壓普遍偏高（低）時(shí)，AVC系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)樞紐電廠或變電站的無功設(shè)備，以盡可能少的次數(shù)對設(shè)備進(jìn)行控制，使最大范圍內(nèi)的電壓合格或者提高群體電壓水平，同時(shí)還可以避免區(qū)域內(nèi)因?yàn)槎嗯_(tái)主變同時(shí)調(diào)節(jié)所引起的系統(tǒng)振蕩。

當(dāng)電網(wǎng)電壓合格并處于較高運(yùn)行水平后，AVC系統(tǒng)將會(huì)按區(qū)域或就地檢查線路無功功率傳輸是否合理，通過實(shí)時(shí)潮流靈敏度分析計(jì)算決定投切的無功功率補(bǔ)償裝置、以此來盡量減少線路上無功流動(dòng)、降低線損，同時(shí)AVC系統(tǒng)還會(huì)調(diào)節(jié)有關(guān)電壓的目標(biāo)值，使各個(gè)電壓等級網(wǎng)絡(luò)之間無功功率分層平衡、提高受電功率因數(shù)，會(huì)使得處在各個(gè)電壓等級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的無功功率在盡可能小的區(qū)域范圍內(nèi)就地平衡，以此來達(dá)到減少線路無功傳輸、降低網(wǎng)損的目的[3]。

2.3 優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)

每天對調(diào)壓設(shè)備（主變分級開關(guān)和電容器開關(guān)）的動(dòng)作次數(shù)是有限制的，因此優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)，減少動(dòng)作次數(shù)對延長電氣設(shè)備的使用壽命有著重大的意義。AVC系統(tǒng)能根據(jù)歷史負(fù)荷曲線優(yōu)化分配各時(shí)段的動(dòng)作次數(shù)，在考慮了負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性后，在負(fù)荷上坡段、下坡段采取不同的動(dòng)態(tài)控制策略，發(fā)出具有一定預(yù)見性的控制指令，以此來盡量減少設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)[4-5]。

3. 湖南電網(wǎng)AVC應(yīng)用情況

3.1 湖南電網(wǎng)AVC系統(tǒng)能帶來的效益

首先，針對湖南電網(wǎng)而言，當(dāng)前最高電壓等級的變電站還是500kV的，因此省網(wǎng)一級的無功平衡也就主要是針對500kV的變電站和電廠。由湖南省調(diào)使用AVC系統(tǒng)對湖南省的電網(wǎng)進(jìn)行最高一層的無功平衡調(diào)控，由于省調(diào)該層只需要對湖南省電網(wǎng)的500kV變電站進(jìn)行無功平衡及電壓穩(wěn)定，因此只需要與電廠進(jìn)行協(xié)調(diào)，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行主變分接頭的調(diào)節(jié)以及電容器等的投切就可以實(shí)現(xiàn)。而省調(diào)與地調(diào)之間，只用由省調(diào)給出一個(gè)無功調(diào)節(jié)的期望值給地調(diào)就可以了，220kV以及110kV變電站的調(diào)控就交給地調(diào)的AVC系統(tǒng)進(jìn)行控制。同理，地調(diào)再對下一級的縣調(diào)AVC系統(tǒng)給出無功調(diào)節(jié)的期望值，由縣調(diào)AVC系統(tǒng)來平衡各個(gè)10kV電力用戶電網(wǎng)。分層調(diào)控之后，各層的調(diào)度都只用負(fù)責(zé)自身這一層的無功平衡，這樣就能更加有效的利用人力和資源，不斷的提高效益[2]。

其次，湖南電網(wǎng)來說，雖然當(dāng)前的用電負(fù)荷比起東南沿海還比較落后，但隨著湖南經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，用電負(fù)荷在未來將會(huì)不斷增大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也會(huì)變得日益復(fù)雜，AVC系統(tǒng)省時(shí)省力省資源的優(yōu)勢將會(huì)日趨明顯。

其次，湖南電網(wǎng)來說，負(fù)荷分布分散且很不平衡，電源分布也不合理，線路無功傳輸大，網(wǎng)損高。因此AVC系統(tǒng)的區(qū)域控制應(yīng)該能在相當(dāng)程度上減少線路上無功的傳輸，有效的降低網(wǎng)損，所以湖南電網(wǎng)應(yīng)用AVC系統(tǒng)定能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

再次，湖南電網(wǎng)來說，在經(jīng)歷了2008年冰災(zāi)之后，電網(wǎng)受損嚴(yán)重。在經(jīng)濟(jì)上面臨巨大的挑戰(zhàn)，而AVC系統(tǒng)這種優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)、減少電網(wǎng)波動(dòng)、延長電氣設(shè)備使用壽命的功效會(huì)在較長的時(shí)間里減少湖南電網(wǎng)恢復(fù)重建的經(jīng)濟(jì)壓力。

3.2 湖南電網(wǎng)AVC系統(tǒng)可能存在的問題

對于湖南電網(wǎng)來說，應(yīng)用AVC系統(tǒng)也存在如下一些問題。

（1）當(dāng)前大部分變電站的電容器與電抗器都是采用的成組補(bǔ)償方式，不能平滑的調(diào)節(jié)無功出力。因此，在應(yīng)用AVC系統(tǒng)的同時(shí)必須要對各個(gè)變電站進(jìn)行改造。新建的變電站應(yīng)該要采用可控電抗器[6]與電容器組成的可控調(diào)節(jié)裝置，老變電站也應(yīng)該逐漸改造，以此來實(shí)現(xiàn)無功出力的平滑調(diào)節(jié)。同時(shí)還應(yīng)該增加電抗補(bǔ)償、以期在實(shí)現(xiàn)無功平滑調(diào)節(jié)的同時(shí)獲得響應(yīng)時(shí)間快和抑制諧波的效益。

（2）湖南電網(wǎng)的補(bǔ)償還存在布局不合理的問題，應(yīng)該通過無功考核，盡快地使計(jì)劃無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)為市場無功補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)，以此來解決無功補(bǔ)償容量的一些其他問題。

（3）在調(diào)壓困難的時(shí)期，負(fù)荷會(huì)下降得很快，電壓會(huì)迅速的飆升，如果我省的電壓調(diào)控自動(dòng)化程度不夠的話，可能會(huì)難以快速響應(yīng)AVC系統(tǒng)的指令，難以遏制電壓的飆升，這樣將會(huì)極大的增加調(diào)壓的難度。

（4）有部分電廠對進(jìn)相認(rèn)識還不足，他們對進(jìn)相調(diào)壓的積極性不高；甚至部分電廠還忽略了進(jìn)相的各種限制條件，在系統(tǒng)電壓接近下限的情況下，還一味的要求機(jī)組加深進(jìn)相運(yùn)行深度，這都將使得湖南電網(wǎng)的安全運(yùn)行受到威脅。

（5）AVC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和閉環(huán)控制都是建立在精確的數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上的，湖南電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)仍有很多地方需要進(jìn)行改造和更新。在應(yīng)用AVC系統(tǒng)時(shí)，如果整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)不夠穩(wěn)定可靠，將會(huì)造成AVC系統(tǒng)下達(dá)的控制指令不能夠可靠的執(zhí)行，給湖南電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來安全隱患；同時(shí)，對于數(shù)據(jù)采集而言也是一樣，如果采集的數(shù)據(jù)不精確或者說出現(xiàn)了差錯(cuò)，那么AVC系統(tǒng)將可能做出錯(cuò)誤的判斷，發(fā)出錯(cuò)誤的控制指令，進(jìn)而造成電氣設(shè)備的誤動(dòng)，甚至可能產(chǎn)生電壓振蕩，使得整個(gè)湖南電網(wǎng)產(chǎn)生電壓波動(dòng)，嚴(yán)重影響電壓的質(zhì)量和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并可能產(chǎn)生極大的潛在危害。

4. 江蘇省電網(wǎng)AVC應(yīng)用情況

江蘇電網(wǎng)的特點(diǎn)是蘇北的無功過剩，而蘇南的無功不足，再加上電容器分布分散不利于進(jìn)行行部分控制。綜合考慮了以上因素后，江蘇電網(wǎng)的AVC系統(tǒng)采用了基于全局模式的無功電壓控制模式。此模式采取了動(dòng)態(tài)分區(qū)與主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇，并且加入了聯(lián)絡(luò)線控制，各區(qū)域控制中心的二級電壓控制全由軟件完成。主站無功電壓控制功能直接嵌入EMS之中，其帶來的效益如下：

（1）電壓穩(wěn)定的安全監(jiān)視和預(yù)警

因其AVC系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)關(guān)鍵負(fù)荷母線、關(guān)鍵線路、機(jī)組及較弱電壓控制區(qū)電壓安全指標(biāo)（如主力發(fā)電機(jī)無功出力裕度、負(fù)荷中心電壓水平等），動(dòng)態(tài)計(jì)算重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度并給出反映系統(tǒng)電壓穩(wěn)定程度的直觀指標(biāo)（如PV、QV曲線），所以可為調(diào)度人員提供決策參考。

（2）無功電壓優(yōu)化控制

AVC系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)在線無功優(yōu)化程序可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化目標(biāo)，如給出中樞母線的電壓設(shè)定參考值和聯(lián)絡(luò)線無功潮流的設(shè)定值，均可供二級電壓控制使用。雖然無功優(yōu)化計(jì)算不一定每次都能得到最優(yōu)解，但可由調(diào)度人員人工設(shè)定中樞母線參考值或保持上一時(shí)段的參考值。若計(jì)算成功，則可通過二級電壓控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。

（3）二級電壓控制

AVC系統(tǒng)的二級電壓控制對象為中樞母線電壓，控制手段為調(diào)節(jié)本區(qū)域發(fā)電機(jī)的無功出力。分區(qū)即指控制區(qū)域的劃分及相應(yīng)中樞母線及發(fā)電機(jī)的選擇。由于控制區(qū)域劃分能真實(shí)反映本區(qū)的電壓水平，并且能使用各區(qū)會(huì)有足夠的無功電源儲(chǔ)備來控制本區(qū)的電壓變化，所以能減少相鄰區(qū)域間二級電壓控制的相互影響。由于電網(wǎng)分區(qū)可在離線狀態(tài)下根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前拓?fù)溥M(jìn)行電壓控制區(qū)域劃分，所以在線應(yīng)用時(shí)，如果系統(tǒng)發(fā)生大的方式變化導(dǎo)致原有分區(qū)解耦不好，則可根據(jù)需求重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)分區(qū)并調(diào)整控制器模塊控制目標(biāo)和手段。

江蘇電網(wǎng)AVC系統(tǒng)采用向上分級合并迭代算法進(jìn)行分區(qū)和中樞點(diǎn)選擇。首先其應(yīng)用向上分級合并算法（精度高但速度慢）得到初始分區(qū)結(jié)果，然后再利用迭代分區(qū)算法（速度快但易局部收斂）進(jìn)行迭代求解得到全局最優(yōu)分區(qū)結(jié)果。

5. 安徽省電網(wǎng)AVC應(yīng)用情況

安徽省電網(wǎng)的特點(diǎn)是坑口電廠集中、大廠間距離短、無功協(xié)調(diào)矛盾突出，因此運(yùn)行人員工作強(qiáng)度很大，各廠站只關(guān)注自身母線電壓，沒有從全局角度考慮無功的協(xié)調(diào)，由此導(dǎo)致無功傳輸大甚至容易出現(xiàn)無功環(huán)流問題。大多數(shù)電容器采用早8點(diǎn)全投、晚10點(diǎn)全切方式，沒有考慮與發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)，導(dǎo)致白天機(jī)組無功進(jìn)相運(yùn)行，電網(wǎng)最大無功負(fù)荷出現(xiàn)在晚10點(diǎn)后的不合理現(xiàn)象。因此有必要從全局角度考慮全網(wǎng)無功和機(jī)組無功的協(xié)調(diào)控制。

安徽AVC主站軟件采用Unix操作系統(tǒng)下C語言編程，基于原有EMS平臺(tái)開發(fā)，與高級應(yīng)用軟件運(yùn)行于同一服務(wù)器。安徽電網(wǎng)AVC系統(tǒng)通過控制機(jī)組無功功率結(jié)合地區(qū)負(fù)荷功率因數(shù)考核實(shí)現(xiàn)電壓、網(wǎng)損的優(yōu)化控制。安徽是參照法國、意大利的電壓控制模式，將省網(wǎng)按空間劃分分區(qū)進(jìn)行控制的，通過控制各區(qū)內(nèi)樞紐廠站母線電壓實(shí)現(xiàn)無功電壓的調(diào)節(jié)。樞紐母線一般選取區(qū)內(nèi)重要廠站高壓母線。電壓母線上下限的選取原則是保證區(qū)內(nèi)所有廠站母線電壓在此范圍內(nèi)均合格。樞紐母線電壓控制模式包括計(jì)劃式（按方式下達(dá)電壓曲線計(jì)算各時(shí)刻電壓上下限，高峰時(shí)段逼近電壓上限減少網(wǎng)損，低谷時(shí)段逼近電壓下限降低變壓器鐵損）、固定式（按人工給定電壓目標(biāo)值運(yùn)行）及自動(dòng)式（以電網(wǎng)線損最小為目標(biāo)，按經(jīng)濟(jì)壓差原則確定各母線無功負(fù)荷且滿足電壓上下限值）三種。電壓考核點(diǎn)一般不少于電壓監(jiān)測點(diǎn)的80%，以EMS采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)考核，采樣周期不大于1小時(shí)，由EMS自動(dòng)完成電壓合格率統(tǒng)計(jì)。

6. 結(jié)論

國內(nèi)電網(wǎng)應(yīng)用AVC系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無功分層平衡、電網(wǎng)無功優(yōu)化控制的方法，是保證國內(nèi)電網(wǎng)更安全、更優(yōu)質(zhì)、更經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件。AVC系統(tǒng)也是國內(nèi)電網(wǎng)提高電壓質(zhì)量和降低線損的根本措施。無功分層平衡、區(qū)域控制和優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)是AVC的三大特征。分析和計(jì)算表明，當(dāng)前國內(nèi)大部分的變電站電容器容量基本滿足電網(wǎng)AVC系統(tǒng)的需求。如前文所述應(yīng)用AVC系統(tǒng)必將給國內(nèi)電網(wǎng)帶來巨大的效益，但同時(shí)也存在一些亟待解決的問題，相信在解決各種問題的同時(shí)，AVC系統(tǒng)將在國內(nèi)各省的電網(wǎng)中發(fā)揮更為舉足輕重的作用。

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The Discuss Of Benefit And Problem When AVC System Used By Power Network

Wang Yu Zhu Hua

Recently, because of the technology of reactive control is backward and there is a flaw in VQC equipment, power network is going to use Automatic Voltage Control---AVC system. The characteristic of AVC system that layered reactive balance, zone control and improving the number of acts would bring lots of economic benefit, decrease the labor and resources that spent on reactive balance and standing voltage of Hunan power network. But there is some problem if Hunan power network used the AVC system, this paper analyses and discusses the benefit and problem when AVC system used by power network.

AVC; reactive compensation; layered control; existent problem

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.013

王宇（1968-），女（漢族），長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，學(xué)士，主要從事電力系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)，變電運(yùn)行與繼電保護(hù)的研究；

朱華（1983－），男（漢族），長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士，主要從事高電壓技術(shù)與絕緣測試的研究。