云南電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)研究

王珍意

(云南電力調度控制中心，昆明 650011)

云南電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)研究

王珍意

(云南電力調度控制中心，昆明 650011)

介紹了云南電網(wǎng)自動電壓控制 (AVC)系統(tǒng)的必要性、建設思路、優(yōu)化控制方案和控制策略，從工程實際角度研究了AVC系統(tǒng)建設的關鍵技術和設備AVC遙控閉鎖控制策略，對地區(qū)供電局、電廠和變電站開展AVC工作具有指導作用。

自動電壓控制；協(xié)調控制；閉鎖信號

0 前言

電壓作為衡量電能質量的重要標志之一，自動電壓控制 (Automatic Voltage Control，AVC)系統(tǒng)利用EMS/OCS平臺的電網(wǎng)模型和實時量測，在線分析電網(wǎng)的電壓無功運行狀況，給出相應的電壓無功調整策略并通過EMS/OCS平臺將調整策略發(fā)送到可控的無功調節(jié)設備 (發(fā)電機、主變、電容器電抗器等)控制設備動作，從而達到提高電壓合格率、降低網(wǎng)損等目的[1-3]。AVC系統(tǒng)對于改善電壓質量、保障電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

云南電網(wǎng)因長距離送電、負荷分布不均勻、季節(jié)性差異大、電壓管理相對滯后等原因，主網(wǎng)及局部地區(qū)電壓問題突出。主要表現(xiàn)為：汛期主網(wǎng)無功平衡問題不突出，局部地區(qū)低谷時段高電壓問題突出；枯期外送換減少，主網(wǎng)500 kV充電功率過剩，全網(wǎng)電壓普遍偏高，低谷時段尤為突出；并且還存在無功調節(jié)容量欠缺、變壓器檔位配置不當、局部地區(qū)無功就地平衡缺乏調整手段等問題。因此亟需建設全省集中控制的AVC系統(tǒng)，統(tǒng)一協(xié)調控制發(fā)電廠 (包括水電、火電、風電、光伏)、變電站、地區(qū)電網(wǎng)的無功電壓調控設備，達到全省無功資源的集中優(yōu)化控制。

建設全省集中控制的AVC系統(tǒng)，需要重點研究以下幾個方面的問題：網(wǎng)省地三級控制策略、省級AVC控制策略和設備閉鎖控制策略，對容抗器、機組和主變分接頭、SVC/SVG等無功調節(jié)設備的自動控制方法，健全、合理的管理制度體系，全省AVC建設推進方案等等。本文圍繞云南電網(wǎng)AVC系統(tǒng)建設及其關鍵技術、解決方案等展開討論。

1 建設思路

省調AVC主站采用與省調OCS系統(tǒng)緊耦合的方式進行嵌入式開發(fā)，共有模型和圖形均在OCS上維護，AVC主站無需單獨維護。省調AVC主站系統(tǒng)已經建成并且試運行正常，正逐步接入直調電廠、500 kV變電站和地區(qū)電網(wǎng)AVC子站系統(tǒng)，截止2015年年底所有省調直調電廠均應接入并納入AVC閉環(huán)控制，2016年年底所有直調500 kV變電站35 kV容抗器均應接入并納入AVC閉環(huán)控制，2020年所有地區(qū)電網(wǎng)均納入AVC閉環(huán)控制。

部分供電局EMS/OCS系統(tǒng)具備AVC功能模塊，但需要進一步完善，EMS/OCS系統(tǒng)無AVC功能模塊的，需要通過項目新開發(fā)AVC功能模塊。各供電局AVC開發(fā)建設應遵循一體化、模塊化、智能化原則，符合技術規(guī)范和省地協(xié)調控制要求，逐步實現(xiàn)對220 kV及以下變電站容抗器的遙控及主變分接頭的遙調，待條件成熟后再考慮逐步實現(xiàn)對地調直調電廠和省地共調電廠的遙控。

省調直調500 kV變電站35 kV容抗器AVC遙控，應先由供電局編制AVC遙控試驗方案，由修試所、變電管理所等專業(yè)部門在站端進行遙控閉鎖信號的梳理、合并及驗證工作，確保閉鎖信號充分必要且復歸解鎖可靠，再將容抗器遠動信息接入省調AVC主站，在省調OCS主、備調上分別進行有、無閉鎖信號的遙控試驗，試驗合格后方能投入AVC閉環(huán)控制。

省調直調水、火電廠監(jiān)控系統(tǒng)均有AVC功能模塊，但AVC新投之前需要由監(jiān)控廠家、通訊廠家開展AVC遠動信息接入核對工作，并由第三方對AVC功能及性能進行相應的測試，測試合格方能投入AVC閉環(huán)運行。大部分直調風電場在新投的時候要求監(jiān)控廠家提供AVC功能，但AVC功能實現(xiàn)均未具體實施，需要進一步研究，以便充分利用云南大量的風電場無功調節(jié)資源，切實提高電壓控制水平。

2 優(yōu)化控制方案

2.1 省級AVC主站

省級AVC主站接受總調AVC下發(fā)的協(xié)調控制指令、地調AVC上送的地區(qū)電網(wǎng)無功電壓信息和省調調管電廠、變電站無功調節(jié)信息，在線分析電網(wǎng)的電壓無功運行狀況和計算控制策略：下發(fā)直調電廠的高壓母線電壓設定值至電廠AVC子站，實現(xiàn)對直調電廠的實時電壓控制；直接下發(fā)500 kV變電站的可控容抗器投切指令，實現(xiàn)對調管變電站容抗器的閉環(huán)控制；通過500 kV和220 kV關口電壓、功率因數(shù)或無功指標等信息的交互，實現(xiàn)網(wǎng)、省和省、地協(xié)調控制。其信息流程如圖1所示。

圖1 AVC信息流程圖

2.2 電廠AVC控制

電廠AVC控制分為母線電壓控制和單機無功控制兩種模式，云南省調AVC主站對發(fā)電廠采用母線電壓控制模式。

省調AVC主站直接給電廠AVC子站下達電廠高壓母線電壓控制目標值，電廠子站根據(jù)電壓控制目標值，計算得出電廠需要承擔的總無功功率，將總無功功率按一定調節(jié)方式分配給各臺機組；AVC子站系統(tǒng)直接或通過DCS系統(tǒng)向發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)發(fā)送增、減磁信號以調節(jié)發(fā)電機無功出力，使電廠高壓母線 (電壓達到控制目標值，實現(xiàn)全廠多機組的電壓無功自動控制。

圖2 電廠AVC無功控制邏輯圖

電廠AVC子站應具備相應的安全控制策略，在量測異常、通訊中斷、機端電壓偏低等異常情況發(fā)生時能夠自動閉鎖或退出AVC控制。

2.3 變電站AVC控制

變電站AVC控制，分為集中控制和分散控制兩種模式。云南省調AVC對變電站采用集中控制模式。在集中控制模式下，省調AVC主站根據(jù)變電站當前的電壓和無功信息，直接向變電站下發(fā)電容/電抗器投切、變壓器分接頭調節(jié)等遙控遙調指令。當變電站受控設備出現(xiàn)機構異常、保護動作、保護裝置異常、控制回路斷線等情況時，應將相應的控制閉鎖信息可靠上傳至調度AVC主站，閉鎖控制相應設備。

2.4 網(wǎng)、省協(xié)調控制

協(xié)調控制目標：對總調調度的500 kV變電站，以主變中壓側關口無功作為網(wǎng)省AVC協(xié)調控制的目標；對省調調度的500 kV廠站，以廠站的500 kV母線電壓作為協(xié)調控制的目標。

省調AVC上總調AVC信息：省調AVC將自身運行狀態(tài)信息上送總調AVC，包括：系統(tǒng)是否閉環(huán)運行、是否與總調AVC協(xié)調控制、上送數(shù)據(jù)信息刷新時間。對總調調度的500 kV變電站，省調AVC將500 kV變電站主變中壓側所帶區(qū)域無功備用上送總調AVC，包括：主變中壓側的無功上調節(jié)裕度、無功下調節(jié)裕度。同時省調AVC應上送500 kV變電站中壓側母線電壓可接受上、下限值。

省調AVC接收總調AVC下發(fā)的協(xié)調控制目標，對總調調度的500 kV變電站包括：500 kV變電站主變中壓側無功上、下限值、控制目標刷新時間；對省調調度的500 kV廠站包括：500 kV母線協(xié)調控制設定值、500 kV母線電壓實時量測參考值、控制目標刷新時間。

2.5 省、地協(xié)調控制

協(xié)調控制目標：以220 kV變電站主變高壓側關口功率因數(shù) (或無功)作為省地AVC協(xié)調控制的目標，以220 kV母線電壓上、下限曲線作為約束條件。省一地AVC三級協(xié)調控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)省地AVC三級協(xié)調控制體系

地區(qū)AVC上送省調AVC的信息：地區(qū)AVC應計算220 kV主變所帶區(qū)域無功備用并上送省調AVC。地區(qū)AVC應實現(xiàn)將自身運行狀態(tài)信息上送省網(wǎng)AVC。

省調AVC接收總調AVC下發(fā)的協(xié)調控制目標：220 kV變電站主變高壓側無功或功率因數(shù)的上下限、控制目標刷新時間。

3 關鍵技術研究與處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

AVC主站周期性讀取SCADA系統(tǒng)的量測數(shù)據(jù)及其量測值的狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)量測狀態(tài)為壞量測時，AVC系統(tǒng)對量測數(shù)據(jù)進行相應處理，如忽略壞量測的母線電壓越限點等。AVC主站在進行無功電壓優(yōu)化計算前先進行狀態(tài)估計，如果狀態(tài)估計收斂且合格率達到要求，則基于狀態(tài)估計的結果進行無功電壓優(yōu)化計算，否則基于SCADA量測值進行電網(wǎng)無功電壓策略計算。

3.2 控制平穩(wěn)性

AVC主站每隔5分鐘下發(fā)一次調整策略，故電壓控制沒有必要非得一步到位。實用中，一般220 kV母線電壓調幅取1.5至2 kV，500 kV母線電壓調幅取2至3 kV。對于擁有離散調節(jié)手段的情況，一個控制周期內一個廠站應只允許投切一組并聯(lián)補償設備，任一主變也應最多只允許調節(jié)一檔。為避免量測瞬時性異常可能造成的定值抖動，取多個斷面的量測數(shù)據(jù)并對量測數(shù)據(jù)進行縱向濾波，進一步保證控制過程的平穩(wěn)性。

3.3 機組無功儲備與進相

由于機組的無功出力限值取決于機組本身的物理特性，機組不可能提供超出其物理調節(jié)能力的無功出力，故機組無功出力的上、下限限制在電壓無功優(yōu)化中需嚴格保證。

在電網(wǎng)的正常運行時，各機組應留有一定的動態(tài)無功儲備，為負荷波動或電網(wǎng)異常運行提供必要的動態(tài)無功支撐，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。此外，機組的進相運行，特別是長時間深度進相運行，對機組本身將造成一定的損害，同時也不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)的實際運行中應盡量予以避免。

根據(jù)上述分析，可以將機組的無功出力運行區(qū)間劃分為安全區(qū)及預警區(qū)，機組進相運行或動態(tài)無功儲備不足均是不希望出現(xiàn)的，屬預警區(qū)，可在電壓無功優(yōu)化的目標函數(shù)中給予一定的懲罰，以盡量避免運行在該區(qū)間。

現(xiàn)假設某一機組具有一定的無功進相能力，并需要在正常運行時留出一定的動態(tài)無功儲備，即

可構造如下所示的目標函數(shù)對機組無功進相或儲備不足予以懲罰。

其中，w1及w2為罰系數(shù)，可根據(jù)經驗確定。

上述目標函數(shù)可以用圖形描述如下：

圖4 機組無功儲備與進相的工程化處理說明圖

3.4 離散量控制

由于并聯(lián)補償設備、主變分接頭檔位等離散調節(jié)設備一天之內有操作次數(shù)的限制，兩次調節(jié)之間有時間間隔的限制。根據(jù)負荷的變化趨勢將一天劃分為若干時段，根據(jù)負荷變化趨勢確定離散量的調節(jié)方向，這樣每個離散設備一天內的操作次數(shù)可以限制在4～6次之內，對于并聯(lián)補償設備，能夠滿足實際應用的要求。對于500 kV主變，則進一步對允許調節(jié)時段進行限制，保證一天內的調節(jié)次數(shù)不超過2次。對于同一個廠站的電容器、電抗器，應采用循環(huán)投切的原則以均衡各電容器、電抗器的投切次數(shù)，盡量增大同一設備兩次調節(jié)間的時間間隔，充分挖掘其無功調節(jié)能力。

3.5 安全閉鎖策略

AVC閉鎖是指在AVC系統(tǒng)運行過程中，當運行條件觸發(fā)安全閉鎖策略時，AVC自動暫停對相關的設備的控制。AVC閉鎖是異常情況下維護電網(wǎng)安全與預定的可靠性措施與手段。AVC解鎖是指運行條件恢復到正常運行條件，AVC恢復正?？刂?，分為自動解鎖和人工解鎖。

電網(wǎng)系統(tǒng)中不同的無功設備有不同的閉鎖策略。通常設備閉鎖策略可分為發(fā)電機閉鎖策略、容抗器閉鎖策略、變壓器閉鎖策略。

圖5 機組增無功閉鎖邏輯圖

圖6 機組減無功閉鎖邏輯圖

為保證機組安全可靠運行，機組無功、廠用電、定子電流、定子電壓、轉子電流高于整定值時，應可靠閉鎖相應機組無功上調節(jié)；機組無功、廠用電、定子電壓低于整定值時，應可靠閉鎖相應機組無功下調節(jié)，機組AVC閉鎖定值由電廠自行負責整定，但不得限制AVC有效調節(jié)范圍和精度。

變電站應將容抗器不能被AVC遙控操作的信號在站端合并成閉鎖信號，然后上傳至省調；調度AVC主站通過站端閉鎖信號、容抗器狀態(tài)、母線電壓等信息實現(xiàn)對容抗器的閉鎖控制。

變電站應將主變不能被AVC遙控操作的信號在站端合并成閉鎖信號，然后上傳至省調；調度AVC主站通過站端閉鎖信號、分接頭狀態(tài)、母線電壓等信息實現(xiàn)對主變分接頭的閉鎖控制。

設備的閉鎖控制策略是保證設備AVC可靠控制的關鍵。因此，應可靠梳理容抗器、主變分接頭和機組等設備的閉鎖信號，做到充分必要，并在廠站進行合并及驗證，保證上傳到AVC主站和子站的設備閉鎖信號能可靠避免誤控、誤調事件發(fā)生。

4 結束語

本文提出了AVC系統(tǒng)級、廠站級、設備級的一般性控制策略、閉鎖控制策略和相關工程處理方案，能夠很好地指導省級、地區(qū)AVC系統(tǒng)建設及變電站、電廠AVC接入工作。廠站具體實施時應結合實際情況進行建設，電廠AVC子站接入省調AVC主站控制，應進行相應的靜態(tài)、動態(tài)測試；變電站容抗器、主變分接頭應進行閉鎖信號合成及驗證、遠動信號接入及核對、遙控遙調測試等才能閉環(huán)控制，確保不發(fā)生誤控、誤調事件。

[1] 周玲，王寬，錢科軍.計及UPFC的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化研究 [J].中國電機工程學報，2008，28(4)：37-41.

[2] 蔡昌春，王寬，丁曉群.動態(tài)無功優(yōu)化的簡化方法及實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(5)：43-46，58.

[3] 王寬，丁曉群，侯學勇.福建電網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)與AVC系統(tǒng)的協(xié)調控制 [J].福建電力與電工，2007，27(4)：1-5，22.

Study on Construction and Key Technology of Auto Voltage Control in Yunnan Power Grid

WANG Zhenyi
(Yunnan Electric Power Dispatching and Control Center，Kunming 650011，China)

This paper introduces the Necessity，construction ideas and optimizing control scheme of automatic voltage control (AVC)system in The Yunnan power grid.From the view of engineering practice，the key technology of AVC system construction and AVC remote control Blocking control strategy of equipment are studies.It will guide the AVC work for the power supply bureau，power plant and transformer substation.

auto voltage control；coordinated control；blocking signal

TM73

B

1006-7345(2015)05-0070-04

2015-05-16

王珍意 (1980)，男，碩士，高級工程師，云南電力調度控制中心，從事電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)運行維護工作 (e-mail) 51676390＠qq.com。