自动电压控制系统在潮州电网的应用

陈文丽

广东电网公司潮州供电局，广东 潮州 521000

0 引言

电网的安全、经济、优质运行是电力系统调度与控制所追求的目标，其中无功电压方面的控制至关重要。目前国内电网电压控制一般由分散的当地控制器组成，这种控制方法无法从全局的角度进行协调和优化。具体体现在以下几个方面的局限性：1）电压合格率不高，无法满足用户日益对电能质量的高要求；2）与频率控制不同，电网中需要监视的电压点多，调度员日常调压工作量大；3）无功电压的非线性关系较强，电压控制设备的特点不同，人工调压难度大；4）无功功率的不合理流动一方面影响电网的安全运行，另一方面引起较大的网损，不利于电网的经济运行。

为保证系统的电压运行水平，目前潮州地调更多的通过提前制定并下发电压曲线的方式来指导无功电压控制，很大程度上提高了对无功电压控制的协调管理，收到较好的效果。但是，这样的控制管理流程仍然存在如下问题：1）离线计划的制定难以完全满足电网实时运行过程中面对的各种工况；2）离线计划的制定难以兼顾全网运行的经济性和安全性；3）计划、调度和运行人员的工作量繁重；4）计划、调度人员的经验需要时间积累，不能及时适应电网结构变化。无功电压自动控制系统（AVC）可以综合利用主站系统提供的丰富信息进行防错处理和上下级厂站的统一考虑，适应电网自动化发展的趋势，随着遥测数据的准确性和遥控的可靠性不断提高，以及电网应用软件的实用化，必将发挥更大的作用。

1 项目背景与研究意义

《广东电网公司提高电压质量工作方案》指出电压合格率是反映供电企业供电质量的一项重要指标，是影响第三方客户满意度的一个重要因素，更是公司“服务好、管理好、形象好”的一个重要指针，在此基础上，提出推进AVC实用化应用，目前，在系统低谷时段，仍然存在电容器没有退出、抽头档位不合理的现象，需对AVC控制策略作进一步研究。地市供电局要积极参与AVC控制策略优化研究，从提高用户端电压角度，提出控制策略优化建议。推进中调AVC与地调AVC联网，继续优化和完善AVC各项功能，及时总结AVC运行经验，增强AVC 系统智能化水平以及对电网无功的控制能力，提高实用化应用水平。2011年完成21个地市供电局AVC系统的建设，220kV变电站AVC闭环覆盖率达到75%，110kV变电站AVC闭环覆盖率达到70%。2015年完成35kV及以上变电站AVC闭环控制覆盖。

随着潮州电网的快速发展，现有电压控制机制将难以满足电网安全、优质和经济运行的要求，为了更好的适应潮州电网发展和电力市场建设的需要，在继续增加本地无功资源，提高电压控制能力的同时，建设潮州电网自动电压控制系统，完善对电网无功电压分步的综合决策、调度和管理，优化调度现有的无功电压调控资源，提高系统满足电能质量、电网安全和经济运行等要求的能力，减轻计划、调度和运行人员的工作量，提高潮州电网的调度自动化水平。自动电压控制系统架构在EMS系统之上，能够利用电网实时运行的数据，从整个系统的角度科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给各个子站装置，以电压安全和优质为约束，以系统运行经济性为目标，连续闭环的进行电压的实时优化控制。解决了无功电压协调控制方案的在线生成，实时下发，闭环自动控制等一整套分析、决策、控制；再分析，再决策、再控制的无功电压实时追踪控制问题。能够有效地克服当前潮州电网无功电压管理机制中存在的不足，解决潮州电网当前和未来面临的电压控制问题。

2 项目工作的主要内容

“潮州电网自动电压控制系统（潮州电网AVC）”项目的主要研究和工作内容包括：

1）研究并提出适用于潮州电网的全新的电压控制模式。潮州地调的调度范围与一般的省级电省调度范围不同，自动电压控制系统控制的一侧设备范围也不同，因此需要研制全新的电压控制模式；

2）针对潮州地调的调度范围，研究在全网无功优化基础上，对220kV变电站的优化控制方式。传统的变电站控制一般为单独的站内控制，不能满足主网优化控制的要求；

3）将潮州地调调度管辖的220kV、110kV变电站逐步投入闭环控制；

4）研究并实现潮州电网AVC系统与广东电网自动电压控制系统（广东电网AVC）的协调控制。针对潮州地调与广东省调的调度管辖范围，通过关口的协调控制，实现地调220kV电网与省调电网电压无功的协调控制；

5）实现与SCADA（PS6000）系统的标准化集成；

6）制定与潮州电网自动电压控制（AVC）系统相配套的管理规定。

3 潮州电网的AVC控制模式

3.1 潮州电网的无功电压控制特点

潮州地调的调度管辖范围如图1所示。

从图中可以看到， 500kV主变低压侧的无功设备也由省调调度，从220kV主变高压侧以下的220kV、110kV部分由地调调度；而220kV电网由省调调度，但是220kV主变的低压侧无功设备由地调调度，而且220kV主变低压侧还有大量的用户负荷出线；220kV主变中压侧以下的110kV部分由地调调度，110kV电网由地调调度。

综合分析可以看到，地调调度范围内的无功电压资源包括220kV、110kV变电站内的电容器和电抗器，这些无功资源构成地调AVC可以直接控制的部分；而由于潮州城区的220kV变电站的低压侧10kV母线带有大量的用户负荷出线，因此对220kV变电站的无功优化控制需要充分保证10kV母线的电压合格。同时，由于220kV主变的有载调压分接头和主变低压侧无功设备由地调进行控制，这些设备的动作对110kV电网电压的影响非常显著，因此地调AVC在控制时同时要考虑110kV电网电压的合理性,很大程度上增加了地调AVC在相应省调的无功协调控制指令的复杂程度。

图1 潮州电网的调度范围以及与上下级的边界

3.2 潮州电网基于“软分区”的三级电压控制模式

法国EDF提出的三级电压控制模式在欧洲得到了广泛的应用，取得了比较理想的控制效果。但这种模式下控制区域的划分是以参数形式固化在硬件控制器中的，难以适应电力系统的不断发展和实时运行工况的大幅度变化，尤其对于国内电网建设速度快，网架结构经常处于变化之中，这种“硬分区”控制模式的应用更是受到限制。因此，本项目使用了清华大学电机系调度自动化实验室提出的基于“软分区”的三级电压控制模式，该模式已经在国内省级电网中得到良好应用。系统的总体结构如下图2所示：

图2 三级电压控制模式

3.2.1 三级控制

三级控制基于全局电压无功优化计算，根据目前全网无功的分布，综合考虑变电站和地调关口的无功出力和备用情况，在考虑电压合格、潮流不越限等安全约束的条件下，以网损最小为优化目标进行优化计算，给出全网最优的无功电压优化目标值。

由于电网无功具有分布性和区域性的特点，AVC系统根据无功电压控制的特性将电网自动分为若干区域，每个区域选择主要的关键母线作为中枢母线，中枢母线的电压控制目标采用全局无功优化给定的目标。同一个区域内的设备在无功电压控制特性上具有强耦合性，区域间的设备则具备松耦合性，这种分区控制的思路符合电网无功分层分区控制的原则，同时这种分区时由系统在线自动完成的，是“软分区”，能适应电网的发展变化。

3.2.2 二级控制

二级控制由变电站控制和地调AVC协调控制。

1）变电站控制

变电站控制模块主要的控制对象是220kV变电站，系统根据三级控制给出的区域中枢母线电压的控制值，采用灵敏度算法求出与此区域内所有的变电站的母线控制目标值。但是这个目标值不能直接用于控制，系统需要根据变电站的设备运行情况，结合三级控制给出的母线电压控制目标进行综合分析计算，对当前可用的离散设备的控制结果进行预估，才能确定是否可控并生成具体设备的控制策略，下发给集控站或变电站的自动化系统执行。

2）地调协调控制

地调协调控制模块的控制对象是各个地区电网调度中心的AVC系统，地调AVC系统根据三级控制给出的区域中枢母线电压的控制目标值，结合地调AVC上送的无功调节能力，计算给出地调关口的无功调节要求，并以功率因数的形式发送给地调AVC系统。地调AVC系统通过控制220kV变电站或110kV变电站内的无功设备来实现地调AVC下发的控制目标。

对于潮州电网来说，地调和地调的关口在220kV主变的高压侧（主变低压侧无功设备由地调调度），因此AVC的协调控制指令为220kV主变高压侧的功率因数。

3.2.3 一级控制

对变电站控制，由于潮州地调采用了”主站集中计算、集控站分散控制”的运行管理模式，220kV、110kV变电站全部无人值班，并接入调度控制中心进行集中的调度运行和控制操作。因此AVC系统对所有的220kV、110kV变电站均采用直接控制的模式，控制中心监控的所有220kV变电站均接入AVC闭环控制，直接下发遥控遥调指令； AVC系统从地调监控系统中获取完整的变电站内的遥信遥测，实现各种控制信号的获取和安全闭锁信号的监视。AVC系统运行的关键信息在监控中心的界面上显示。

4 潮州电网AVC应用现状

长期以来，潮州供电局在无功电压运行控制方面形成了一套行之有效的管理办法，在此基础上总结了面向不同运行方式的无功电压控制策略，保证了潮州地区电网电压的合格率要求，同时220kV电网的无功电压控制一直处于领先水平，这为本项目的实施提供了有利条件和良好的基础。

2009年，潮州供电局与清华大学合作，对潮州电网的无功电压自动控制问题进行了深入的研究，对潮州电网的无功电压特点和控制模式进行了分析和论证，并针对实际电网进行了在线模拟分析计算。通过可行性研究，确定了潮州电网实施无功电压自动控制的技术路线。同年11月，潮州供电局与北京清大高科系统控制有限公司签订了项目开发合同，共同研制开发潮州电网自动电压控制系统。系统自2010年6月开始现场安装调试，先后完成了系统安装调试、开环运行、半闭环运行、闭环试运行、闭环正式运行各个阶段的工作，截止2011年6月，系统已经完成10个月的闭环正式运行，已经接入6座220kV变电站进行闭环控制，并具备了与省调AVC进行协调控制的能力。

5 发现、发明和创新点

潮州电网自动电压控制（AVC）系统是实现全局无功电压优化分布的关键一环，不仅涉及对直控电网的自动闭环控制，还包括跟踪上级省调的协调控制要求。本项目面向潮州电网开发了完整的自动电压控制系统，有效的提升了运行人员对电网的驾驭能力，对实现潮州电网的安全、稳定、经济运行具有重要意义。

对比国内外同类项目，本项目具有以下特点：

1）实现潮州电网与省调的AVC协调控制，协调关口为220kV主变高压侧，协调控制目标为主变关口功率因数。省调AVC系统向地调AVC系统下发关口无功指令，地调AVC通过控制关口连接的220kV分区电网中的无功资源，满足省调下发的无功协调控制要求；

2）实现了 “主站集中计算、集控站分散控制”的AVC控制模式。控制中心监控的所有220kV、110kV变电站均接入AVC闭环控制，直接下发遥控遥调指令； AVC系统从控制中心监控系统中获取完整的变电站内的遥信遥测，实现各种控制信号的获取和安全闭锁信号的监视；

3）实现了面向多控制目标的220kV变电站优化控制，220kV变电站的控制目标首先要考虑10kV、110kV电压的合格，尤其是10kV供电母线的电压合格，其次要求220kV母线的电压达到AVC三级优化给定的优化目标，相比传统的变电站控制，实现了面向多目标的220kV 变电站优化控制；

4）与项目建设同步，制定并下发了《潮州电网自动电压控制（AVC）技术规范》和《潮州电网自动电压控制（AVC）系统管理规定》，从管理创新的角度出发，针对自动电压控制系统的运行、管理、考核等各方面作出了详细规定，保证了该成果在潮州电网生产运行中切实发挥作用。

6 AVC运行分析评价

潮州电网自动电压控制系统（AVC）自投入闭环运行后，从改善变电站10kV 母线电压质量、优化无功潮流降低网损和降低变电监控人员调压操作的工作强度共3 个方面取得了良好的效果。

自2010 年9 月AVC 开始投入闭环运行以来，随着加入AVC闭环控制的厂站数量的增加，AVC 下发的控制命令数量也随之增加。截止到2011 年6 月底，AVC 控制主变调压次数累计达到7553次，控制电容器开关投切次数达到18438次。受控设备具体动作情况见图3 所示。

图3 AVC 控制设备动作次数统计

6.1 受控站电压质量分析

自动电压控制系统（AVC）投入闭环运行以来，大大改善了变电站10kV 母线电压质量，图4是统计潮州电网在AVC 投运后10kV 母线电压合格率统计数据柱状图。

通过上图可见，AVC 闭环投运之后，市区变电站10kV 母线电压质量都得到不同程度的提高，这充分体现了AVC 能够及时有效的对变电站10kV 母线电压进行监视和控制。

6.2 电网无功潮流优化分析

图4 厦寺站AVC闭环前后的功率因数对比图

对电网的无功潮流进行优化控制是自动电压控制系统（AVC）的另一个重要的功能。AVC 的无功优化控制原则是：电网电压合格且处于较高运行水平后，按无功分层分区、就地平衡的优化原则控制，提高受电功率因数，减少线路无功传输，降低网损。

图5为厦寺站AVC闭环前后的功率因数对比图，从图中可见，厦寺站的平均功率因数在AVC 投运后从0.94提高到0.98，得到了显著的提高。AVC 的无功潮流优化控制策略发挥了不错的效果，功率因数水平有明显提高，同时降低了网损，取得很大的经济效益。

图5 厦寺站AVC闭环前后的功率因数对比图

6.3 降低变电监控人员调压操作的工作强度

以6月份为例，该月AVC 控制主变调压次数为1373 次，控制电容器投退次数为4944 次。平均每日每台主变调压动作次数为1.06 次，平均每日每组电容器投退次数为0.52 次；而该月同期的人工调压次数为12 次，人工投切电容次数为26 次。两种控制方式的对比图如表1所示。

表1 AVC与人工控制方式的对比图

由表1可见，对主变进行有载调压和对电容器进行投切的控制工作已经由AVC 来完成其中绝大部分的控制工作，人工控制方式已经是AVC 无法完成有效控制时的一种补充控制方式。自动电压控制系统已经取代以往人工调压和站端VQC 调压的传统调压方式，成为控制电压和无功的新型控制方式。

7 结论

自动电压控制系统已经成为保证电网安全、优质、经济运行的重要技术手段，目前在国内的研究和应用方兴未艾。本项目作为率先完成的面向区域电网的自动电压控制系统，其控制模式、设计思想、理论算法和工程经验具有宝贵的借鉴意义，可以推广到对国内其他区域电网控制中心。

本项目面向的虽然是潮州电网，但是提出的控制模式和理论算法从地域上覆盖了网、省、地三级电网，从技术上涵盖了优化运行、电压稳定分析、自动电压控制等多个领域，是从全局角度出发，对电网无功电压问题的整体解决方案，其中相关技术可以在省级电网、地市级电网的自动电压控制系统、EMS系统中得到推广，具有广泛的应用前景。

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