無功電壓優(yōu)化集中自動(dòng)控制系統(tǒng)（AVC）在唐山地區(qū)電網(wǎng)的應(yīng)用與實(shí)踐

李 歡，田新成

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，保定071003；2.唐山供電公司電力調(diào)度控制中心，唐山063000）

無功電壓優(yōu)化集中自動(dòng)控制系統(tǒng)（AVC）在唐山地區(qū)電網(wǎng)的應(yīng)用與實(shí)踐

李 歡1，田新成2

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，保定071003；2.唐山供電公司電力調(diào)度控制中心，唐山063000）

在自動(dòng)電壓控制AVC（automatic voltage control）過程中，全網(wǎng)無功優(yōu)化是核心和基礎(chǔ)，因而AVC中的無功優(yōu)化對(duì)計(jì)算速度和魯棒性有著更高要求。AVC系統(tǒng)是一個(gè)集散控制系統(tǒng)，即集中決策分層控制SCADA（supervisory control and data acquisition）核心數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)。以唐山某地區(qū)電網(wǎng)為例結(jié)合電網(wǎng)諧波的影響，從應(yīng)用與實(shí)踐的角度對(duì)AVC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究和開發(fā)。研究結(jié)果表明：自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用降低了電網(wǎng)損耗和設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)，提高了母線電壓合格率和功率因數(shù)的等效果。

自動(dòng)電壓控制（AVC）；無功電壓；自動(dòng)控制；數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）；諧波

引言

目前，我國多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)中的無功潮流分布不合理以及大機(jī)組無功功率的分配不合理問題比較突出。隨著區(qū)域電力系統(tǒng)的規(guī)模和電網(wǎng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的快速擴(kuò)張，致使電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高，使原來僅在變電站側(cè)設(shè)置電壓無功自動(dòng)控制裝置的模式已很難滿足電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。就區(qū)域電網(wǎng)中單個(gè)變電站來講，在全網(wǎng)無功缺乏的情況下，就地提高電壓合格率和功率因數(shù)的這種補(bǔ)償局部調(diào)整，很容易造成上一級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行的情況更加惡化。同時(shí)，還有可能二級(jí)有載調(diào)壓網(wǎng)出現(xiàn)電壓無功的頻繁調(diào)整，從而更容易使電壓調(diào)節(jié)及無功流向趨于不合理。因此，電壓無功優(yōu)化應(yīng)該從整個(gè)電網(wǎng)的角度進(jìn)行綜合控制，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)最優(yōu)，改善各節(jié)點(diǎn)電壓水平和減少網(wǎng)損的目的［1］。

目前唐山地區(qū)的電網(wǎng)無功經(jīng)濟(jì)調(diào)度只是根據(jù)典型的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析計(jì)算。每天分成幾個(gè)典型時(shí)段進(jìn)行比較簡單的投切控制。調(diào)度人員在發(fā)現(xiàn)電壓越限時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡單調(diào)整，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大（如李端超等對(duì)電網(wǎng)的調(diào)查）［2］，而且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓越限，造成電壓質(zhì)量降低，電網(wǎng)無功潮流分布不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，因此不能及時(shí)降低無功潮流不合理帶來的有功損耗。

電網(wǎng)中頻率和電壓是衡量電能質(zhì)量的兩大指標(biāo)。自動(dòng)發(fā)電控制AGC（automatic generation control）側(cè)重頻率控制，自動(dòng)電壓控制AVC（automatic voltage control）則側(cè)重于電壓控制。在AVC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，全網(wǎng)無功優(yōu)化是核心和基礎(chǔ)，因而AVC中的無功優(yōu)化對(duì)計(jì)算速度和魯棒性有著更高要求。AVC系統(tǒng)是一個(gè)集散控制系統(tǒng)，即所謂的集中決策分層控制，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA（supervisory control and data acquisition）是其核心數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)。本文首先對(duì)地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化系統(tǒng)分析，對(duì)無功優(yōu)化的自適應(yīng)技術(shù)探討，最后結(jié)合唐山電網(wǎng)AVC系統(tǒng)平臺(tái)及運(yùn)行狀況從5個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)例比較分析，驗(yàn)證了投入無功電壓優(yōu)化系統(tǒng)后，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)有了明顯的提高和改善。

1 唐山電網(wǎng)AVC無功電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 體系結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要分為2層，即全網(wǎng)的協(xié)調(diào)層（調(diào)度中心）和各變電站內(nèi)的執(zhí)行層，控制系統(tǒng)分層采用混合模式方式。目前，歐洲一些發(fā)達(dá)國家如法國、意大利等所普遍采用的三級(jí)組織模式分級(jí)分區(qū)的電壓控制策略已經(jīng)付諸實(shí)施，并運(yùn)行多年，取得了滿意的效果［3］。唐山電網(wǎng)的優(yōu)化改造也采取了此種模式［4］，分層模式見圖1。

對(duì)已安裝VQC裝置站所采用分散協(xié)調(diào)控制的方式，即主站協(xié)調(diào)層和子站VQC完成分散協(xié)調(diào)控制，屬于物理分層；對(duì)未安裝VQC裝置則采用集中控制的方式，也就是由主站協(xié)調(diào)層、邏輯控制層和遠(yuǎn)動(dòng)控制層聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)集中控制，這是一種邏輯分層［5］。

圖1 邏輯分層模式Fig.1 Logical layering mode

1.2 體系目標(biāo)功能

（1）在全網(wǎng)協(xié)調(diào)層建立全網(wǎng)模型。電網(wǎng)正常時(shí)，AVC系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行以網(wǎng)損最小為目標(biāo)的無功優(yōu)化計(jì)算和緊急情況下控制量最小操作，使電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓恢復(fù)到正常的2種目標(biāo)函數(shù)，并以此確定各樞紐結(jié)點(diǎn)的電壓和利率整定值。

（2）在物理分層方式下，電網(wǎng)各站的VQC按AVC給定值自動(dòng)調(diào)整有載調(diào)壓變壓器抽頭、電容器組或電抗器的投切。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，電網(wǎng)各子站VQC則依據(jù)系統(tǒng)功能確定的分散控制原則去獨(dú)立完成本站的電壓無功控制，并由VQC自主處理控制中的緊急狀況。

（3）邏輯分層方式下，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化計(jì)算給定的約束條件，按系統(tǒng)約定的專家規(guī)約和模糊邏輯規(guī)則對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并直接生成指令下傳到系統(tǒng)各變電站的遠(yuǎn)動(dòng)控制裝置進(jìn)行調(diào)度操作。協(xié)調(diào)層和電網(wǎng)、執(zhí)行/監(jiān)控層和電網(wǎng)均形成了2層的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)執(zhí)行層（VQC裝置）因故障退出運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)變電站無功電壓控制則由人工轉(zhuǎn)成集中控制模式［6］。

1.3 無功優(yōu)化算法

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化是指當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷、電源、潮流及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給定的情況下，通過優(yōu)化計(jì)算確定系統(tǒng)中某些控制變量的值，以找到在滿足所有約束條件的前提下，使系統(tǒng)的某一個(gè)或多個(gè)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行方式。即在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求及運(yùn)行約束要求的條件下，使電網(wǎng)的某一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的無功功率分布方案［7］。

1962年，法國學(xué)者Carpentier首先提出了建立在嚴(yán)格數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式，其中包括了電壓和其他運(yùn)行約束條件，這一模式后來被稱作最優(yōu)電力潮流（OPF）問題。無功優(yōu)化經(jīng)典算法是從某個(gè)初始點(diǎn)出發(fā)，按照一定的軌跡不斷改進(jìn)當(dāng)前解，最終收斂于最優(yōu)解。

考慮到唐山地區(qū)電網(wǎng)低壓線路較多，難以充分滿足R＜＜X的條件，故不適于采用傳統(tǒng)的有功、無功解耦算法，而采用帶約束條件松弛的最優(yōu)潮流無功優(yōu)化方法，以提高無功優(yōu)化的收斂性和計(jì)算速度。這種潮流算法采用基于二階項(xiàng)的牛頓潮流算法，只要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變，就不必修改雅可比矩陣［8］。牛頓潮流算法具有計(jì)算精度高、收斂性較快等特點(diǎn)，并且能大大提高系統(tǒng)的計(jì)算速度。

實(shí)時(shí)無功優(yōu)化控制要求以能夠接受的無功調(diào)節(jié)設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)和調(diào)節(jié)量為代價(jià)，獲得盡可能大的有功損耗的下降。這就要求必須同時(shí)兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，使系統(tǒng)具備一定的承受負(fù)荷波動(dòng)的能力［9］。

1.3.1 2種運(yùn)行模式下的目標(biāo)函數(shù)

（1）正常運(yùn)行方式下的目標(biāo)函數(shù)：輸電線路的有功損耗PLOSS可以表示為

式中：P為線路傳輸?shù)挠泄β?；U為線路電壓；L為線路長度；cos φ為功率因數(shù)。則正常運(yùn)行方式下的數(shù)學(xué)模型為

若電壓等級(jí)高，則當(dāng)傳輸一定功率P時(shí)，線路損耗PLOSS將減小。由于這一損耗與電壓平方成反比，則可以通過減少線路上流動(dòng)的無功功率使電壓提高，從而減小線路損耗。

（2）故障運(yùn)行方式下的目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型為

式中：ci（ΔXi）為優(yōu)化控制Xi偏離其初始值或額定值所需的費(fèi)用；ωi為由用戶提供的偏差加權(quán)因子（其缺省值為1），用來指定每個(gè)控制改變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響大小。

1.3.2 無功優(yōu)化的約束條件

無功優(yōu)化的約束條件為

式中：x為狀態(tài)變量向量；u為控制變量向量；Qc、Qc，max分別為可調(diào)電容器投切容量及其上限。g、gmax、gmin分別是發(fā)電機(jī)無功出力及其上、下限；Tφ、Tφ，max、Tφ，min分別為變壓器有載調(diào)壓分接頭擋位值及其上、下限；VD、Vg、VD，max、Vg，max、VD，min、Vg，min則分別是節(jié)點(diǎn)電壓及發(fā)電機(jī)端電壓值及其上、下限。式（3）分別代表了負(fù)荷母線和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限以及控制變量的范圍。

1.3.3 無功優(yōu)化的控制變量及約束條件

按照設(shè)計(jì)方案的要求，無功優(yōu)化的控制變量包括并聯(lián)電容器（電抗器）組的投切、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓幅值和有載調(diào)壓器變壓器抽頭電壓／無功控制三大變量。從電網(wǎng)安全角度和延長設(shè)備壽命考慮，必須增加必要的約束條件，即變壓器分接頭連續(xù)調(diào)節(jié)次數(shù)和日調(diào)節(jié)次數(shù)；電容器投切間隔時(shí)間和日調(diào)節(jié)次數(shù)；并列變壓器分接頭的同步調(diào)節(jié)等系統(tǒng)運(yùn)行約束條件。

1.4 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AVC系統(tǒng)采用具有標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的SCADA控制系統(tǒng)是基于.net的B/S軟件架構(gòu)上的客戶機(jī)/服務(wù)器的分布式體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)器雙機(jī)互備［10］。其中系統(tǒng)硬件上具備多個(gè)RS232和RS485以及USB通訊接口，形成完整的網(wǎng)絡(luò)化信息交互平臺(tái)。VQC要求具有能同區(qū)域電網(wǎng)無功主站的通訊功能，能接收主站的給定定值設(shè)置，并可以對(duì)接收的主站定值進(jìn)行校驗(yàn)［11］。當(dāng)主站退出，或系統(tǒng)通訊異常時(shí)，VQC能自動(dòng)切換到當(dāng)?shù)囟ㄖ禒顟B(tài)，同時(shí)具備能上傳自己的狀態(tài)信息、控制信息和閉鎖信息等功能。控制系統(tǒng)軟件模塊的基本劃分如圖2所示。AVC體系結(jié)構(gòu)［12］如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件模塊的劃分Fig.2 Division of control system software module

圖3 AVC系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 AVC system architecture

2 電壓無功綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)（AVC）自適應(yīng)技術(shù)

無功優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)控制流程見圖4。系統(tǒng)首先從調(diào)度 SCADA采集全電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行電壓和無功分析，以全電網(wǎng)電能損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，利用潮流計(jì)算等方法，在最小數(shù)值范圍內(nèi)，多次求得次優(yōu)解，再計(jì)算出電容器與主變分接開關(guān)動(dòng)作次數(shù)。當(dāng)動(dòng)作次數(shù)最少時(shí)，對(duì)應(yīng)的解即為最優(yōu)解。在此基礎(chǔ)上AVC系統(tǒng)形成分別形成變電站電容器投切指令、變電站主變分接頭調(diào)節(jié)指令和多主變經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指令。這些指令交由電網(wǎng)調(diào)度中心和SCADA監(jiān)控中心控制系統(tǒng)執(zhí)行，循環(huán)往復(fù)。無功優(yōu)化系統(tǒng)軟件運(yùn)行及計(jì)算流程如圖5所示。

圖4 無功優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of automatic control system for reactive power optimization

圖5 無功優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件邏輯及計(jì)算流程Fig.5 Flow chart of calculation and software logic for reactive power optimization of automatic control system

2.1 優(yōu)化控制基本原理

電壓和無功綜合控制就是以電壓和無功為2個(gè)判別量，對(duì)變電所的電壓和無功實(shí)行綜合調(diào)節(jié)，以保證電壓在合格范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無功平衡。電壓和無功的綜合裝置規(guī)定了電壓和無功的上下限，把電壓和無功構(gòu)成的平面分成9個(gè)區(qū)，即“九宮圖”，如圖6所示。電壓上下限是根據(jù)電壓合格范圍確定的，無功上下限根據(jù)每組電容容量、電容偏差及無功基本平衡和保持投切相對(duì)穩(wěn)定的原則確定的［15］。

圖6 九宮圖Fig.6 Nine palace map

2.2 控制原理

（1）控制對(duì)象

VQC裝置相關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、主變檔位和有關(guān)斷路器、刀閘的位置信息、運(yùn)行/閉鎖切換開關(guān)的位置信息由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采樣，按照17個(gè)運(yùn)行區(qū)域?qū)χ髯兎纸宇^開關(guān)和補(bǔ)償電容器組進(jìn)行綜合控制，如圖7所示。

圖7 17域Fig.7 17 domain

2.3 AVC的自適應(yīng)策略

帶自耦變壓器的調(diào)壓調(diào)容式電容器自動(dòng)投切接口技術(shù)中，電容器屬于調(diào)壓式分組調(diào)節(jié)。AVC的接口具有的自適應(yīng)特征，在SCADA控制下可以實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)AQC的調(diào)節(jié)，方法如下：

（1）只調(diào)電壓；（2）只調(diào)無功；（3）電壓優(yōu)先方式，即當(dāng)電壓與無功不能同時(shí)滿足要求時(shí)，優(yōu)先保證電壓正常；（4）無功優(yōu)先方式，即當(dāng)電壓與無功不能同時(shí)滿足要求時(shí)，優(yōu)先保證無功正常；（5）智能調(diào)節(jié)，即當(dāng)電壓與無功不能同時(shí)滿足要求時(shí)，保持現(xiàn)狀。

以上AVC自適應(yīng)對(duì)策在外部控制狀態(tài)就是直接表現(xiàn)為現(xiàn)場電容器投切的分組接頭及容量進(jìn)行全局優(yōu)化配置，提高現(xiàn)場電壓合格率及無功調(diào)節(jié)合格率，包括信號(hào)閉鎖、閉環(huán)、人工干預(yù)半閉環(huán)等自適應(yīng)自動(dòng)控制。AVC的自適應(yīng)對(duì)策執(zhí)行的結(jié)果在相應(yīng)的SCADA系統(tǒng)視屏上實(shí)時(shí)顯示出來。

3 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)及應(yīng)用情況

唐山電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化集中控制系統(tǒng)自2012年投運(yùn)以來，電網(wǎng)AVC系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定可靠；通過比較分析可看出，該系統(tǒng)明顯降低了設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)，提高了該區(qū)電網(wǎng)220 kV和110 kV母線的電壓合格率和功率因數(shù)，由此產(chǎn)生的效益十分明顯。

3.1 降損效果分析

2013年第1季度網(wǎng)損率為1.82%，同比下降0.36%，節(jié)電量為72萬kW·h，見表2。

表2 某片區(qū)降損效果統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical analysis of certainarea loss reduction effect 萬kW·h

3.2 電壓合格率改善分析

AVC系統(tǒng)投運(yùn)后變電運(yùn)行中心220 kV、110 kV和35 kV電壓合格率均在公司指標(biāo)控制范圍內(nèi)。表3為與2010年同期AVC投運(yùn)后母線電壓合格率進(jìn)行的比較分析。

3.3 設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)

日總動(dòng)作次數(shù)比較對(duì)照如表4所示。由表可知，系統(tǒng)投運(yùn)后，設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)明顯減少。

表3 AVC投運(yùn)后母線電壓合格率分析Tab.3 Bus voltage qualified rate analysis with AVC operation %

表4 設(shè)備日均動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)照Tab.4 Equipment daily average number statistics

3.4 功率因數(shù)改善情況

2013 年二季度，某片區(qū)35 kV變電站功率因數(shù)改善情況見表5。

表5 2013年二季度無功界面功率因數(shù)合格率統(tǒng)計(jì)Tab.5 Qualified rate statistics of reactive interface power factor in the second quarter of 2013%

3.5 抗諧波干擾分析

在變配電的電網(wǎng)需求側(cè)和SCADA系統(tǒng)電源端以及信號(hào)端分別用MT1010電力諧波測試儀測試，結(jié)果均符合國家GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 結(jié)語

唐山電網(wǎng)AVC系統(tǒng)實(shí)施的集中決策、多級(jí)協(xié)調(diào)、分層分區(qū)控制的地區(qū)電壓無功自動(dòng)控制模式著力解決了諧波干擾的問題，改變了唐山地區(qū)存在電網(wǎng)無功電壓調(diào)度控制自動(dòng)化程度低、效能低、而且工作強(qiáng)度大的狀況；形成一套完整的具有自適應(yīng)能力的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

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Application and practice of Reactive Voltage Optimization of Automatic Control System（AVC）in Tangshan District Power Grid

LI Huan1，TIAN Xincheng2
（1.Department of Electric Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Power Dispatch and the Control Center，Tangshan Power Supply Company，Tangshan 063000，China）

In the automatic voltage control（VC）system implementation process，optimizing reactive power is the core and foundation，and the reactive power optimization in automatic voltage control（AVC）has a higher requirement on computation speed and robustness.AVC system is a distributed control system，the centralized decision hierarchy control，supervisory control and data acquisition（SCADA）is the core of data processing and control systems.combined with the influence of the harmonic wave in Tangshan power grid，AVC system is applied to research and development from the practice perspective.The result shows that the application of the AVC system not only can decrease power loss and action time of control devices，but also can increase busbar voltage qualified rate and power factor.

automatic voltage control（AVC）；reactive voltage；automatic control；supervisory control and data acquisition（SCADA）；harmonic

李歡

張航航

李歡 （1995—），男，本科生，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化，E-mail：txc_ncepu@163.com；

田新成 （1982—），男，工程師，從事系統(tǒng)自動(dòng)化和綜合自動(dòng)化工作，E-mail：txc_ncepu@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.94

：TM 761.1

：A

2014-09-01