大運行體系下AVC系統省地縣三級協調控制模式的研究

趙 璞，李 琦，蔡 軾，董丹煌，孫景釕

（溫州電力局，浙江 溫州 325000）

AVC（自動電壓控制）系統是從全局角度出發，對電網的無功電源及無功補償裝置進行優化協調控制，全面提升電網的電壓質量和穩定裕度，提高電網的經濟運行水平。近幾年，AVC系統在省地縣各級電網中均到了廣泛應用并取得了顯著效果。但是目前AVC系統應用多為省地協調或者地縣協調的兩級控制模式，為適應“大運行”體系的要求，應實現更為高效的省地縣三級協調控制，進一步提升電網的無功電壓水平。

1 省地縣AVC協調控制模式

AVC系統是以EMS（能量管理系統）為基礎，集電網狀態監視、狀態估計、電壓無功優化、在線電壓穩定評估以及電壓穩定增強控制等功能于一體的電力調度和控制系統。

AVC系統利用EMS實時信息，在線分析電網的電壓無功運行狀況，給出相應的電壓無功調整策略，使電網盡可能地保持在最優無功運行狀態，從而達到提高電壓合格率，降低網損的目的。

目前省級電網一般分為省、地、縣三級調度，根據“大運行”體系建設的要求，省調負責管轄220kV電網、直調發電廠；地調負責管轄110kV電網和終端220kV系統、直調發電廠以及城區范圍35kV及以下電網；縣調負責管轄縣域35kV及以下電網、直調發電廠。地調AVC系統作為省地縣三級控制中的中間環節，負責上下協調省調與縣調AVC系統，是AVC系統省地縣三級控制中較為關鍵的環節。AVC系統省地縣協調控制原則上按照調度管轄范圍逐級進行控制，三級協調模式如圖1所示。

為防止地調AVC主站控制變電站過于集中帶來的系統性風險，按地域或電網結構將地區網架分為若干區域，將220kV變電站以及市區110kV及35kV變電站接入地調AVC主站進行控制，由地調AVC子站進行備用控制；對于已建立AVC系統的縣調可保持原有控制模式，由縣調AVC系統控制縣域110kV變電站以及縣調管轄變電站；對于網架較小或者尚未建設AVC系統的縣調可統一接入地調AVC子站進行控制，由地調AVC主站進行備用控制。地調AVC主站根據控制策略，直接下發指令到直控變電站或者縣調AVC系統。

圖1 AVC系統省地縣三級協調控制結構圖

2 省地AVC協調模式

采用省地之間的關口，即220kV變電站高壓側母線電壓、關口無功或關口功率因數作為協調變量，同時要求具備直接接收省調主站命令并執行的功能。

地調AVC系統將所轄變電站可投/切電容器（電抗器）容量上傳至省調AVC；地調AVC系統控制主變所帶電網的電容器（電抗器）和變壓器分接頭，滿足省調AVC下發的220kV變電站高壓側母線電壓、關口無功或關口功率因數的目標指令，同時還可向省調提出所希望的關口電壓范圍。

在地調側，根據具體電壓控制算法的不同，對協調控制策略的處理也各不相同，簡單分類如下：若地調AVC采用優化算法，則可以將省調下發的協調變量控制目標作為本身控制的約束條件處理，并綜合考慮各種控制手段對協調變量的靈敏度關系，在原優化模型基礎上完成。若地調側AVC采用專家系統方式，則可以將下發的協調變量控制目標作為規則庫的一部分考慮，構建一系列新的動作策略。在地調側還可根據需要提出關口電壓調整建議。

省地AVC主站協調控制宜通過電力調度數據網進行通信，同時建議與地調AVC子站建立備用協調控制通道，防止地調AVC主站故障時省地協調中斷。地調AVC系統向省網AVC系統實時上送地區電網實時運行工況，包括電壓、無功數據以及無功補償可投切容量等信息，上報信息見表1。

表1 AVC系統上傳信息

3 地縣AVC協調模式

在地縣協調變量的選擇上，可根據縣域電網的實際特點進行選擇。主要選擇有如下幾種方式：

（1）選擇220kV變電站中、低壓側母線電壓、關口無功或關口功率因數作為協調變量，同時要求具備直接接收地調主站命令并執行的功能，且可向地調上送所希望的關口電壓范圍。對于同時向多個縣域供電的220kV變電站可以根據供電線路將此變電站拆分成多個縣域關口。這種選擇一般適用于電網規模中等偏上、縣域內具有1座以上220kV變電站的縣局。

（2）選擇110kV變電站或35kV變電站高壓側母線電壓、關口無功或關口功率因數作為協調變量，同時要求具備直接接收地調主站命令并執行的功能，且可向地調上送所希望的關口電壓范圍。這種選擇適用于電網規模中等、無獨立供電的220kV變電站的縣局。

（3）選擇地縣間的負荷總關口，即各縣關口總無功或關口功率因數作為協調變量。一般適用于電網規模較小、對主網無功平衡影響不大的縣局。

地調AVC主站從地調EMS系統接收實時數據進行在線分析和計算，從全網角度進行電壓無功優化，并綜合縣調提供的無功調節能力，給縣調下發全網關口的功率因數考核指標和110kV變電站的控制指令。

縣調AVC主站從縣調EMS系統接收實時數據進行在線分析和計算，在優先考慮地調下達的全網關口功率因數考核指標情況下進行電壓無功優化。亦可將所轄變電站所屬電網可投/切電容器（電抗器）容量上傳至地調AVC；縣調AVC控制主變壓器所帶電網的電容器（電抗器）和變壓器分接頭，滿足地調AVC下發的110kV變電站高壓側母線電壓、關口無功或關口功率因數的目標指令，同時還可向地調提出所希望的關口電壓范圍。

4 省地縣AVC協調控制安全策略

4.1 備用機制

地調AVC主站、地調AVC子站以及縣調AVC系統形成備用控制關系。正常情況下，為降低AVC主站高度集中控制的風險，將電網分為若干區域分別由地調AVC主站、地調AVC子站以及縣調AVC系統進行控制。當某一地調AVC子站或縣調AVC系統出現故障時，地調AVC主站啟動備用控制邏輯，對該區域的地調管轄變電站進行控制，同時向地調及縣調監控系統發出報警，提醒及時修復故障AVC子站。在地調AVC主站出現故障時，由地調AVC子站、縣調AVC系統負責本區域電網無功電壓控制，原地調AVC主站控制的變電站轉由地調AVC子站備用控制，同時啟動省調與地調AVC子站之間的備用協調控制通道，保持省地協調控制。

4.2 閉鎖機制

成功閉鎖：設備操作成功后需要在一定時間段內閉鎖，防止連續操作。

失敗閉鎖：設備操作失敗后的閉鎖，防止誤操作，需要人工解鎖。

故障閉鎖：設備多次操作失敗后的閉鎖，防止誤操作。

設備動作次數閉鎖：對超出規定動作次數的設備進行閉鎖，需要人工解鎖。

AVC系統閉鎖：當AVC主站或子站系統出現SCADA（數據采集與監控系統）數據接收異常時，應閉鎖AVC主站或子站系統，并發出告警信號，需要人工解鎖。

保護閉鎖：對于保護信號動作，將觸發相關設備保護狀態，對該設備或廠站控制閉鎖。

數據異常閉鎖：遙測遙信數據有誤或SCADA系統出現故障時，AVC系統應自動判別并閉鎖相關設備。

5 省地縣AVC協調控制研究的關鍵點

5.1 省地縣三級AVC協調控制技術

省調的無功電壓調節手段主要是發電機組，地、縣調的無功電壓調節手段則均為變壓器有載調壓抽頭及并聯無功補償設備。不同調壓手段的調節特性不同，發電機組的無功出力是連續可調的，沒有調節頻率的限制；主變分接頭及并聯無功補償設備則均為離散調節手段，其頻繁調節將嚴重影響設備的使用壽命，在實際運行中對同一設備相臨2次調整的時間間隔及1天內的允許操作次數均有明確的限制，并希望在保證電壓合格的基礎上盡可能地減少其調節次數。因此，省調的無功電壓調節手段與地、縣調的調控手段差異較大，AVC在線三級協調將較為困難。

5.2 與EMS系統的關系

AVC系統應能適應不同的調度自動化系統，既能正確無誤的與調度自動化系統交換數據，又能保持相對的獨立性，不對調度自動化系統產生干擾和影響。作為EMS系統中的一項重要應用，目前應用較為廣泛的“嵌入式”AVC系統與EMS系統實行一體化設計，直接獲取SCADA實時數據和PAS（電網應用軟件）網絡拓撲結構，可以最大程度地保證AVC系統的可靠性和控制的流暢性。

5.3 智能優化算法

AVC系統是閉環實時控制系統，系統總體可靠性是衡量AVC系統工作性能的重要指標，這對控制策略的質量及算法可靠性提出了極高的要求。AVC策略生成的核心是電壓無功優化問題的數值求解，電壓無功優化問題為非線性混合整數規劃問題，其數值求解的可靠性及速度是關鍵。

AVC系統是實際的工業控制系統，對電壓無功優化算法的結果還需進行大量的工程化處理，AVC系統的建設應充分利用電網運行人員的經驗，從而將人的智能賦予AVC系統，進一步提高電網無功電壓控制效果。

6 省地縣協調控制在溫州電網的應用

6.1 溫州電網AVC系統簡述

溫州電網是浙江南部電網，以500kV和220kV為主網架，110kV電網開環運行。溫州電網AVC系統采用跨平臺嵌入模式，將AVC系統相關功能嵌入OPEN3000系統中，與EMS系統一體化運行。電網模型與參數通過EMS系統統一維護，成為EMS系統高級應用的一部分。溫州電網AVC系統分別安裝在2臺獨立的AVC服務器中，系統在硬件上采用“一主兩備”方式運行，所需實時數據由AVC系統與EMS系統雙重存儲。

溫州電網AVC系統正在開展省地縣一體化建設，目前已接入閉環廠站91座，其中220kV廠站21座，地調管轄110kV廠站50座，35kV廠站15座，已完成建設縣調AVC系統2套。省地縣一體化建設完畢后，預計將接入AVC系統廠站160座，縣調AVC系統5套，地調子站系統1套。

6.2 溫州電網AVC系統協調控制結構

溫州電網AVC系統根據集中決策、分層分區控制的協調控制模式，由地調AVC主站、縣調AVC系統和地調AVC子站組成。溫州電網AVC系統協調控制結構見圖2。

在系統正常運行時，采用上級調度優先模式。省地協調采用省調優先，地縣協調采用地調優先模式。在地調AVC主站故障時，自動切換至縣調AVC控制模式，最大程度地保證系統電壓的安全與穩定；當地調AVC主站故障消除時，自動恢復正常模式。當某一縣調AVC系統故障時，地調AVC主站啟動備用控制模式，直接對故障縣調AVC系統內的地調管轄目標進行控制，縣調管轄目標轉由人工監控模式。

圖2 溫州電網AVC系統控制結構

6.3 溫州電網AVC系統運行效果分析

溫州電網AVC系統運行以來，A類電壓合格率穩定在99.99%以上，省網功率因數合格率保持在99.3%以上，突破AVC系統運行前的歷史最好水平。無功補償設備動作次數與人工動作次數均大幅減少，為便于對比AVC系統使用前后的設備動作情況，取先后兩年相同日期進行對比，見表2。

從動作次數統計結果可以看出，AVC系統投運前，每日人工及設備動作次數平均為1370次，AVC投運后，每日人工操作平均次數降至39次，人工操作量減少了97.15%，設備動作次數降至平均每天980次，每日設備動作次數減少了390次，大大提高了設備使用壽命。

7 結語

為適應“大運行”體系的要求，AVC系統省地縣三級協調控制可以更好地從全網角度出發，整合省地縣三級電網的無功資源進行優化配置。實際應用成果表明省地縣三級AVC協調控制方案合理、有效，提高了無功補償設備的利用效率，優化了電網潮流，降低網損，提高了電網的可靠性和電壓穩定性。

表2 AVC投運前后設備動作次數對比次

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