電網自動電壓控制AVC系統技術探討

肖拴榮

摘要：國內電網針對當前的無功調節技術水平上的落后以及VQC調控裝置的缺陷，引入了自動電壓控制（AVC）系統，AVC系統的無功分層平衡、區域控制以及優化動作次數等特征使得電網取得了可觀的經濟效益。文章圍繞變電站AVC在實際工程中的應用，提出了AVC系統的發展過程以及AVC系統的原理，提出了一套AVC系統的工作流程，并闡述了變電站AVC系統的特征和AVC系統的優化改進措施。

關鍵詞：電力系統；自動電壓控制；AVC系統原理；無功優化

中圖分類號：TM621文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）01-0124-04

一、概述

電力系統運行管理的基本目標是優質、安全、經濟地向電力用戶供應電能，電壓是衡量電能質量的一項重要的指標。電壓過低或過高不僅會影響到電氣設備的效率和壽命，而且還會危及電力系統的穩定和安全運營。無功功率平衡是保證電壓穩定的重要手段，國內電網無功功率控制所采用的方式主要有人工調節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和數字化變電站技術的發展，無功電壓調節在電網正常運行中顯得越來越重要，而AVC對降低網損、提高電壓質量和統籌系統的資源配置等有著重要的作用，目前已經有很多國家（如法國、意大利、西班牙等歐洲國家）根據其實際情況，采用不同的方式實現其功能。我國部分地區也在大力的嘗試AVC系統，如我國的湖南省采用經濟壓差來實現全局的無功優化，每條線路電壓降落縱分量為目標來達到最優的狀態。

在電力系統中電壓和無功功率有著密切的關系，但是它們綜合的整合比較復雜。實現電壓無功能控制的目標首先是保持無功平衡和電網的穩定；其次是保持供電電壓在一定的規定范圍內正常供給；還有一個功能是使得在電壓符合要求的基礎上降低電能的損耗。本文依據AVC在現實工程中的應用，闡述了AVC的工作原理及工作流程，在此基礎上提出了一套新的AVC優化改進方案，文章后部分進一步的說明了AVC在電力系統應用的優勢。

二、AVC系統原理

自動電壓控制（Automatic Voltage Control）系統是對全網的無功電壓狀態執行分析計算和集中監視的系統，從整體對大范圍內分散的電網無功裝置執行協調優化控制，它是確保系統電壓穩定、提高無功電壓的管理水平、提升電網系統運行水平和電網質量的重要技術手段。

AVC的主要功能是保證電網的安全穩定運行，確保關口功率因數和電壓合格，盡可能的減少線路的無功傳輸，同時降低電網因不必要的無功潮流導致的有功損耗。而且從另一個角度來說，AVC實現了電網方便維護和安全防護的功能。AVC與EMS系統一體化的設計，從PAS中獲取控制模型，從SCADA中獲取實時的采集數據，而且進行在線的計算和分析，對網內的各個變電所的無功補償設備和有載調壓裝置進行集中的監視、在線控制并統一管理。實現了全網的無功電壓優化控制的閉環運行。圖1為AVC系統簡圖：

自動電壓控制系統由SCADA服務器、防火墻、無功優化服務器、無功優化終端、無功優化交換機五部分組成。無功優化終端和無功優化服務器之間的數據交換通過無功優化交換機進行。防火墻在此系統中主要起著保護數據安全的作用。

三、AVC系統流程

本文中AVC系統的設計是基于三級電壓控制的模式，由省調AVC主站、電廠監控系統（AVQC）、地調AVC的控制子系統和變電站監控系統（AVQC）構成，使用的硬件系統分別是獨立的，并且三級控制要求獨立于EMS并在服務器上運行。二級控制建立了適合AVC的硬件設備。

該AVC系統基于EMS的架構，系統的框架如圖2

所示：

該系統是由AVC和EMS之間的數據接口、負荷預測、超前無功優化和電壓無功優化組成。其中AVC和EMS的數據傳輸使用文件讀寫和網絡共享的方式實現接口，先從EMS獲取實時的信息，包括系統網絡的結構數據、系統狀態估計數據和未來的發電計劃數據。以這些數據為基礎開發對應的軟件平臺。AVC計算的數據發送給EMS系統，EMS系統通過提供特殊的圖形用戶界面顯示結果。

負荷預測主要包括未來一天系統中各個節點短期的負荷預測和多個點檢超短期的負荷預測兩部分，未來一天系統割接點的短期負荷的預測是通過選擇對應的相似日來預測未來一天的運行方式，給規整處理（離散變量）提供了相應的數據。而多節點超短期的負荷預測模塊的功能是為超前無功優化供應預測數據。

超前無功優化是通過負荷預測的數據進行電壓無功優化，用來彌補數據在傳輸和下達目標時的時間滯后，確保目標電壓值有效。在線電壓的無功優化是在AVC獲得實時數據的狀態下進行優化，發送對AVC子站的目標控制指令。

四、AVC系統的特點及優化改進

（一）AVC系統的特點

AVC系統的設計有如下優點：（1）該系統使用了獨立于EMS系統的方式設計的。這使得EMS系統和AVC系統之間只是共享數據，并沒有直接的關系，在不影響EMS系統的工作情況下很方便的加入和退出。而獨立的AVC確保了系統的穩定性和可靠性。（2）在AVC系統的實際運行過程中每五分鐘就獲取一次數據，首先通過潮流的計算實現核對，確定后進行全網無功控制。在該過程中，通過變換電壓水平來實現不同模式的AVC功能，達到了傳輸給子站的信息的可行性和準確性。（3）該系統從接受數據到輸出數據，再到優化計算完成了一次向子站的發送控制信息。占的CPU的時間小于15秒，是該AVC主站設計的一大優點。

然而，雖然無功優化發展了多年，但在在線運行方面仍然存在著問題，這使得在工程應用方面存在著較大的局限性。其中主要原因為下面幾點：（1）無功優化是基于狀態的估計結果的方式，如果測量的數據不夠準確，狀態估計可能出項偏差，使得優化結構出現異常；（2）算法的收斂性不夠完善，若直接通過優化結果進行控制則魯棒性無法實現。

（二）AVC與VQC的比較

VQC的目的是自動控制變電站的電壓和無功以滿足經濟運行的要求。控制方法通常采用改變主變分接頭檔位和投切電容器組來改變系統的電壓和無功。目前，在國內運行的電壓無功綜合控制裝置（VQC）大多是按照測量電壓和無功控制法的控制原理設計的，即九域圖理論。

本質上AVC與VQC裝置都是電壓、無功自動控制設備，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系統可以實現VQC的全部功能，并且可以部署到集控站和調度主站，實現全網和區域電壓、無功自動控制策略。但是AVC與VQC相比有很多的優勢，VQC裝置安裝在變電站，其無功的調節和電壓只能在局部調節，沒辦法達到電網全局的最優。而在調度端安裝的AVC已經在很多地區廣泛使用。AVC是從整個電網的角度，通過利用電網的實際運行數據，讓控制代價為最小，達到全網的最優，在改善各個節點間的電壓的同時減少了網損，使得變電站從單獨控制變為集中控制，電網無功從就地補償、就地平衡變為優化補償、分層平衡，該工作極大地提高了電網的安全、經濟運行水平和運行質量。

國內在省級電網實施AVC的任務始于湖南省，該項目于2000年開始至2003年4月完成，主要成果是建立了湖南電網AVC的主體框架，即建成了省調中心AVC主控系統和4個AVC子站（包括2個發電廠子站和2個變電所子站）。該系統采用了省調決策層與廠站執行層兩層體系結構；運用了實時網絡靈敏度分析技術；提出了以電壓為核心的七區控制圖。

（三）AVC系統優化改進

在變電站AVC系統中做到更好的電壓無功控制優化，首先要在工程的應用中增加對應的促使，確保結果的可信性和魯棒性，其次進行優化算法的改進。在本文的AVC系統中采用如下方式：（1）實現五分鐘計算一次，并且15分鐘發送一次優化的措施，確保發生數據異常時使用下次的數據。（2）算法上采用非線性的遠對偶內點法，實現算法的魯棒性和收斂性。（3）在采取優化之前，先對狀態估計的數據采取一次潮流計算，若在潮流計算是不收斂，則認為此結果是不可信的。在這種情況下將不再進行優化計算。而二級電壓控制則依照原始的曲線完成信息控制。（4）監控AVC系統運行，如果AVC系統出現異常停機或者掛起時，通常執行系統的自動啟動操作。（5）對數據先進行容錯的處理。因為在EMS的更新過程中，會出現數據采集不完整等，這樣的情況下按照默認的數值來處理。

五、結語

基于EMS的AVC系統集經濟性和安全性于一起，可以實現在安全約束下的閉環的經濟性控制。改AVC可以實時地監控電網無功電壓的情況，實現在線的優化計算，分層的調節控制變壓器分頭接頭和控制電網無功電源，實現電網安全電壓條件下的無功潮流運行，滿足電壓質量為優和網損最小。

AVC是電力系統自動調度的關鍵功能，大大的降低了調度工作中的勞動強度，實現了電壓調度過程的自動化，同時提高了電壓的質量，而且保證社會對高質量電能的要求。本文針對電網中AVC的運行狀況，詳細闡述了變電站AVC系統的構成和設計，在EMS的基礎上結合三級電壓的控制模式，按照一天之內符合預測技術來實現無功的綜合動態優化，提高了變電站AVC系統的精準性。

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（責任編輯：劉 晶）