无功电压优化集中自动控制系统（AVC）在唐山地区电网的应用与实践

2015-01-03田新成

电源学报 2015年1期

关键词：投切电网自动

李欢，田新成

（1.华北电力大学电力工程系，保定071003；2.唐山供电公司电力调度控制中心，唐山063000）

无功电压优化集中自动控制系统（AVC）在唐山地区电网的应用与实践

李欢1，田新成2

（1.华北电力大学电力工程系，保定071003；2.唐山供电公司电力调度控制中心，唐山063000）

在自动电压控制AVC（automatic voltage control）过程中，全网无功优化是核心和基础，因而AVC中的无功优化对计算速度和鲁棒性有着更高要求。AVC系统是一个集散控制系统，即集中决策分层控制SCADA（supervisory control and data acquisition）核心数据处理控制系统。以唐山某地区电网为例结合电网谐波的影响，从应用与实践的角度对AVC系统实现进行了研究和开发。研究结果表明：自动电压控制系统的应用降低了电网损耗和设备的动作次数，提高了母线电压合格率和功率因数的等效果。

自动电压控制（AVC）；无功电压；自动控制；数据采集与监视控制（SCADA）；谐波

引言

目前，我国多数地区电网中的无功潮流分布不合理以及大机组无功功率的分配不合理问题比较突出。随着区域电力系统的规模和电网互联结构体系的快速扩张，致使电网系统的复杂程度不断提高，使原来仅在变电站侧设置电压无功自动控制装置的模式已很难满足电网经济运行要求。就区域电网中单个变电站来讲，在全网无功缺乏的情况下，就地提高电压合格率和功率因数的这种补偿局部调整，很容易造成上一级电网运行的情况更加恶化。同时，还有可能二级有载调压网出现电压无功的频繁调整，从而更容易使电压调节及无功流向趋于不合理。因此，电压无功优化应该从整个电网的角度进行综合控制，实现全网最优，改善各节点电压水平和减少网损的目的［1］。

目前唐山地区的电网无功经济调度只是根据典型的负荷数据进行离线分析计算。每天分成几个典型时段进行比较简单的投切控制。调度人员在发现电压越限时凭经验进行简单调整，不但劳动强度大（如李端超等对电网的调查）［2］，而且不能及时发现电压越限，造成电压质量降低，电网无功潮流分布不能实现优化，因此不能及时降低无功潮流不合理带来的有功损耗。

电网中频率和电压是衡量电能质量的两大指标。自动发电控制AGC（automatic generation control）侧重频率控制，自动电压控制AVC（automatic voltage control）则侧重于电压控制。在AVC系统实现过程中，全网无功优化是核心和基础，因而AVC中的无功优化对计算速度和鲁棒性有着更高要求。AVC系统是一个集散控制系统，即所谓的集中决策分层控制，数据采集与监视控制SCADA（supervisory control and data acquisition）是其核心数据处理控制系统。本文首先对地区电网无功电压优化系统分析，对无功优化的自适应技术探讨，最后结合唐山电网AVC系统平台及运行状况从5个方面进行了实例比较分析，验证了投入无功电压优化系统后，对各项指标有了明显的提高和改善。

1 唐山电网AVC无功电压优化控制系统设计

1.1 体系结构

控制系统主要分为2层，即全网的协调层（调度中心）和各变电站内的执行层，控制系统分层采用混合模式方式。目前，欧洲一些发达国家如法国、意大利等所普遍采用的三级组织模式分级分区的电压控制策略已经付诸实施，并运行多年，取得了满意的效果［3］。唐山电网的优化改造也采取了此种模式［4］，分层模式见图1。

对已安装VQC装置站所采用分散协调控制的方式，即主站协调层和子站VQC完成分散协调控制，属于物理分层；对未安装VQC装置则采用集中控制的方式，也就是由主站协调层、逻辑控制层和远动控制层联动实现集中控制，这是一种逻辑分层［5］。

图1 逻辑分层模式Fig.1 Logical layering mode

1.2 体系目标功能

（1）在全网协调层建立全网模型。电网正常时，AVC系统根据实时数据进行以网损最小为目标的无功优化计算和紧急情况下控制量最小操作，使电网系统的电压恢复到正常的2种目标函数，并以此确定各枢纽结点的电压和利率整定值。

（2）在物理分层方式下，电网各站的VQC按AVC给定值自动调整有载调压变压器抽头、电容器组或电抗器的投切。当发生异常时，电网各子站VQC则依据系统功能确定的分散控制原则去独立完成本站的电压无功控制，并由VQC自主处理控制中的紧急状况。

（3）逻辑分层方式下，系统根据优化计算给定的约束条件，按系统约定的专家规约和模糊逻辑规则对电网运行状态的实施动态监控，并直接生成指令下传到系统各变电站的远动控制装置进行调度操作。协调层和电网、执行/监控层和电网均形成了2层的闭环控制结构。当执行层（VQC装置）因故障退出运行时，相应变电站无功电压控制则由人工转成集中控制模式［6］。

1.3 无功优化算法

电力系统无功优化是指当系统有功负荷、电源、潮流及网络结构给定的情况下，通过优化计算确定系统中某些控制变量的值，以找到在满足所有约束条件的前提下，使系统的某一个或多个性能指标达到最优的运行方式。即在满足系统负荷需求及运行约束要求的条件下，使电网的某一个或多个指标达到最优的无功功率分布方案［7］。

1962年，法国学者Carpentier首先提出了建立在严格数学基础上的经济调度模式，其中包括了电压和其他运行约束条件，这一模式后来被称作最优电力潮流（OPF）问题。无功优化经典算法是从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断改进当前解，最终收敛于最优解。

考虑到唐山地区电网低压线路较多，难以充分满足R＜＜X的条件，故不适于采用传统的有功、无功解耦算法，而采用带约束条件松弛的最优潮流无功优化方法，以提高无功优化的收敛性和计算速度。这种潮流算法采用基于二阶项的牛顿潮流算法，只要网络结构不变，就不必修改雅可比矩阵［8］。牛顿潮流算法具有计算精度高、收敛性较快等特点，并且能大大提高系统的计算速度。

实时无功优化控制要求以能够接受的无功调节设备的动作次数和调节量为代价，获得尽可能大的有功损耗的下降。这就要求必须同时兼顾系统运行的安全性和经济性，使系统具备一定的承受负荷波动的能力［9］。

1.3.1 2种运行模式下的目标函数

（1）正常运行方式下的目标函数：输电线路的有功损耗PLOSS可以表示为

式中：P为线路传输的有功功率；U为线路电压；L为线路长度；cos φ为功率因数。则正常运行方式下的数学模型为

若电压等级高，则当传输一定功率P时，线路损耗PLOSS将减小。由于这一损耗与电压平方成反比，则可以通过减少线路上流动的无功功率使电压提高，从而减小线路损耗。

（2）故障运行方式下的目标函数：目标函数的数学模型为

式中：ci（ΔXi）为优化控制Xi偏离其初始值或额定值所需的费用；ωi为由用户提供的偏差加权因子（其缺省值为1），用来指定每个控制改变量对目标函数的影响大小。

1.3.2 无功优化的约束条件

无功优化的约束条件为

式中：x为状态变量向量；u为控制变量向量；Qc、Qc，max分别为可调电容器投切容量及其上限。g、gmax、gmin分别是发电机无功出力及其上、下限；Tφ、Tφ，max、Tφ，min分别为变压器有载调压分接头挡位值及其上、下限；VD、Vg、VD，max、Vg，max、VD，min、Vg，min则分别是节点电压及发电机端电压值及其上、下限。式（3）分别代表了负荷母线和发电机的运行极限以及控制变量的范围。

1.3.3 无功优化的控制变量及约束条件

按照设计方案的要求，无功优化的控制变量包括并联电容器（电抗器）组的投切、发电机节点电压幅值和有载调压器变压器抽头电压／无功控制三大变量。从电网安全角度和延长设备寿命考虑，必须增加必要的约束条件，即变压器分接头连续调节次数和日调节次数；电容器投切间隔时间和日调节次数；并列变压器分接头的同步调节等系统运行约束条件。

1.4 应用系统结构

AVC系统采用具有标准通信协议的SCADA控制系统是基于.net的B/S软件架构上的客户机/服务器的分布式体系结构，服务器双机互备［10］。其中系统硬件上具备多个RS232和RS485以及USB通讯接口，形成完整的网络化信息交互平台。VQC要求具有能同区域电网无功主站的通讯功能，能接收主站的给定定值设置，并可以对接收的主站定值进行校验［11］。当主站退出，或系统通讯异常时，VQC能自动切换到当地定值状态，同时具备能上传自己的状态信息、控制信息和闭锁信息等功能。控制系统软件模块的基本划分如图2所示。AVC体系结构［12］如图3所示。

图2 控制系统软件模块的划分Fig.2 Division of control system software module

图3 AVC系统架构Fig.3 AVC system architecture

2 电压无功综合自动控制系统（AVC）自适应技术

无功优化自动控制系统控制流程见图4。系统首先从调度 SCADA采集全电网实时运行数据，进行电压和无功分析，以全电网电能损耗最小为目标函数，利用潮流计算等方法，在最小数值范围内，多次求得次优解，再计算出电容器与主变分接开关动作次数。当动作次数最少时，对应的解即为最优解。在此基础上AVC系统形成分别形成变电站电容器投切指令、变电站主变分接头调节指令和多主变经济运行指令。这些指令交由电网调度中心和SCADA监控中心控制系统执行，循环往复。无功优化系统软件运行及计算流程如图5所示。

图4 无功优化自动控制系统流程Fig.4 Flow chart of automatic control system for reactive power optimization

图5 无功优化自动控制系统软件逻辑及计算流程Fig.5 Flow chart of calculation and software logic for reactive power optimization of automatic control system

2.1 优化控制基本原理

电压和无功综合控制就是以电压和无功为2个判别量，对变电所的电压和无功实行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功平衡。电压和无功的综合装置规定了电压和无功的上下限，把电压和无功构成的平面分成9个区，即“九宫图”，如图6所示。电压上下限是根据电压合格范围确定的，无功上下限根据每组电容容量、电容偏差及无功基本平衡和保持投切相对稳定的原则确定的［15］。

图6 九宫图Fig.6 Nine palace map

2.2 控制原理

（1）控制对象

VQC装置相关节点的电压、电流、有功、无功、功率因数、主变档位和有关断路器、刀闸的位置信息、运行/闭锁切换开关的位置信息由变电站综合自动化系统采样，按照17个运行区域对主变分接头开关和补偿电容器组进行综合控制，如图7所示。

图7 17域Fig.7 17 domain

2.3 AVC的自适应策略

带自耦变压器的调压调容式电容器自动投切接口技术中，电容器属于调压式分组调节。AVC的接口具有的自适应特征，在SCADA控制下可以实现各站点AQC的调节，方法如下：

（1）只调电压；（2）只调无功；（3）电压优先方式，即当电压与无功不能同时满足要求时，优先保证电压正常；（4）无功优先方式，即当电压与无功不能同时满足要求时，优先保证无功正常；（5）智能调节，即当电压与无功不能同时满足要求时，保持现状。

以上AVC自适应对策在外部控制状态就是直接表现为现场电容器投切的分组接头及容量进行全局优化配置，提高现场电压合格率及无功调节合格率，包括信号闭锁、闭环、人工干预半闭环等自适应自动控制。AVC的自适应对策执行的结果在相应的SCADA系统视屏上实时显示出来。

3 系统运行平台及应用情况

唐山电网无功电压优化集中控制系统自2012年投运以来，电网AVC系统运行状况稳定可靠；通过比较分析可看出，该系统明显降低了设备的动作次数，提高了该区电网220 kV和110 kV母线的电压合格率和功率因数，由此产生的效益十分明显。

3.1 降损效果分析

2013年第1季度网损率为1.82%，同比下降0.36%，节电量为72万kW·h，见表2。

表2 某片区降损效果统计分析Tab.2 Statistical analysis of certainarea loss reduction effect 万kW·h

3.2 电压合格率改善分析

AVC系统投运后变电运行中心220 kV、110 kV和35 kV电压合格率均在公司指标控制范围内。表3为与2010年同期AVC投运后母线电压合格率进行的比较分析。

3.3 设备的动作次数

日总动作次数比较对照如表4所示。由表可知，系统投运后，设备的动作次数明显减少。

表3 AVC投运后母线电压合格率分析Tab.3 Bus voltage qualified rate analysis with AVC operation %

表4 设备日均动作次数统计对照Tab.4 Equipment daily average number statistics

3.4 功率因数改善情况

2013 年二季度，某片区35 kV变电站功率因数改善情况见表5。

表5 2013年二季度无功界面功率因数合格率统计Tab.5 Qualified rate statistics of reactive interface power factor in the second quarter of 2013%

3.5 抗谐波干扰分析

在变配电的电网需求侧和SCADA系统电源端以及信号端分别用MT1010电力谐波测试仪测试，结果均符合国家GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》标准的规定。

4 结语

唐山电网AVC系统实施的集中决策、多级协调、分层分区控制的地区电压无功自动控制模式着力解决了谐波干扰的问题，改变了唐山地区存在电网无功电压调度控制自动化程度低、效能低、而且工作强度大的状况；形成一套完整的具有自适应能力的实时自动控制系统。

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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