大運行體系下AVC系統(tǒng)省地縣三級協(xié)調(diào)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(tǒng)是從全局角度出發(fā)，對電網(wǎng)的無功電源及無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，全面提升電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和穩(wěn)定裕度，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行水平。近幾年，AVC系統(tǒng)在省地縣各級電網(wǎng)中均到了廣泛應(yīng)用并取得了顯著效果。但是目前AVC系統(tǒng)應(yīng)用多為省地協(xié)調(diào)或者地縣協(xié)調(diào)的兩級控制模式，為適應(yīng)“大運行”體系的要求，應(yīng)實現(xiàn)更為高效的省地縣三級協(xié)調(diào)控制，進(jìn)一步提升電網(wǎng)的無功電壓水平。

1 省地縣AVC協(xié)調(diào)控制模式

AVC系統(tǒng)是以EMS（能量管理系統(tǒng)）為基礎(chǔ)，集電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)視、狀態(tài)估計、電壓無功優(yōu)化、在線電壓穩(wěn)定評估以及電壓穩(wěn)定增強(qiáng)控制等功能于一體的電力調(diào)度和控制系統(tǒng)。

AVC系統(tǒng)利用EMS實時信息，在線分析電網(wǎng)的電壓無功運行狀況，給出相應(yīng)的電壓無功調(diào)整策略，使電網(wǎng)盡可能地保持在最優(yōu)無功運行狀態(tài)，從而達(dá)到提高電壓合格率，降低網(wǎng)損的目的。

目前省級電網(wǎng)一般分為省、地、縣三級調(diào)度，根據(jù)“大運行”體系建設(shè)的要求，省調(diào)負(fù)責(zé)管轄220kV電網(wǎng)、直調(diào)發(fā)電廠；地調(diào)負(fù)責(zé)管轄110kV電網(wǎng)和終端220kV系統(tǒng)、直調(diào)發(fā)電廠以及城區(qū)范圍35kV及以下電網(wǎng)；縣調(diào)負(fù)責(zé)管轄縣域35kV及以下電網(wǎng)、直調(diào)發(fā)電廠。地調(diào)AVC系統(tǒng)作為省地縣三級控制中的中間環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)上下協(xié)調(diào)省調(diào)與縣調(diào)AVC系統(tǒng)，是AVC系統(tǒng)省地縣三級控制中較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。AVC系統(tǒng)省地縣協(xié)調(diào)控制原則上按照調(diào)度管轄范圍逐級進(jìn)行控制，三級協(xié)調(diào)模式如圖1所示。

為防止地調(diào)AVC主站控制變電站過于集中帶來的系統(tǒng)性風(fēng)險，按地域或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將地區(qū)網(wǎng)架分為若干區(qū)域，將220kV變電站以及市區(qū)110kV及35kV變電站接入地調(diào)AVC主站進(jìn)行控制，由地調(diào)AVC子站進(jìn)行備用控制；對于已建立AVC系統(tǒng)的縣調(diào)可保持原有控制模式，由縣調(diào)AVC系統(tǒng)控制縣域110kV變電站以及縣調(diào)管轄變電站；對于網(wǎng)架較小或者尚未建設(shè)AVC系統(tǒng)的縣調(diào)可統(tǒng)一接入地調(diào)AVC子站進(jìn)行控制，由地調(diào)AVC主站進(jìn)行備用控制。地調(diào)AVC主站根據(jù)控制策略，直接下發(fā)指令到直控變電站或者縣調(diào)AVC系統(tǒng)。

圖1 AVC系統(tǒng)省地縣三級協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖

2 省地AVC協(xié)調(diào)模式

采用省地之間的關(guān)口，即220kV變電站高壓側(cè)母線電壓、關(guān)口無功或關(guān)口功率因數(shù)作為協(xié)調(diào)變量，同時要求具備直接接收省調(diào)主站命令并執(zhí)行的功能。

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

在地調(diào)側(cè)，根據(jù)具體電壓控制算法的不同，對協(xié)調(diào)控制策略的處理也各不相同，簡單分類如下：若地調(diào)AVC采用優(yōu)化算法，則可以將省調(diào)下發(fā)的協(xié)調(diào)變量控制目標(biāo)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(xié)調(diào)變量的靈敏度關(guān)系，在原優(yōu)化模型基礎(chǔ)上完成。若地調(diào)側(cè)AVC采用專家系統(tǒng)方式，則可以將下發(fā)的協(xié)調(diào)變量控制目標(biāo)作為規(guī)則庫的一部分考慮，構(gòu)建一系列新的動作策略。在地調(diào)側(cè)還可根據(jù)需要提出關(guān)口電壓調(diào)整建議。

省地AVC主站協(xié)調(diào)控制宜通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行通信，同時建議與地調(diào)AVC子站建立備用協(xié)調(diào)控制通道，防止地調(diào)AVC主站故障時省地協(xié)調(diào)中斷。地調(diào)AVC系統(tǒng)向省網(wǎng)AVC系統(tǒng)實時上送地區(qū)電網(wǎng)實時運行工況，包括電壓、無功數(shù)據(jù)以及無功補(bǔ)償可投切容量等信息，上報信息見表1。

表1 AVC系統(tǒng)上傳信息

3 地縣AVC協(xié)調(diào)模式

在地縣協(xié)調(diào)變量的選擇上，可根據(jù)縣域電網(wǎng)的實際特點進(jìn)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(cè)母線電壓、關(guān)口無功或關(guān)口功率因數(shù)作為協(xié)調(diào)變量，同時要求具備直接接收地調(diào)主站命令并執(zhí)行的功能，且可向地調(diào)上送所希望的關(guān)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(jù)供電線路將此變電站拆分成多個縣域關(guān)口。這種選擇一般適用于電網(wǎng)規(guī)模中等偏上、縣域內(nèi)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(cè)母線電壓、關(guān)口無功或關(guān)口功率因數(shù)作為協(xié)調(diào)變量，同時要求具備直接接收地調(diào)主站命令并執(zhí)行的功能，且可向地調(diào)上送所希望的關(guān)口電壓范圍。這種選擇適用于電網(wǎng)規(guī)模中等、無獨立供電的220kV變電站的縣局。

（3）選擇地縣間的負(fù)荷總關(guān)口，即各縣關(guān)口總無功或關(guān)口功率因數(shù)作為協(xié)調(diào)變量。一般適用于電網(wǎng)規(guī)模較小、對主網(wǎng)無功平衡影響不大的縣局。

地調(diào)AVC主站從地調(diào)EMS系統(tǒng)接收實時數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析和計算，從全網(wǎng)角度進(jìn)行電壓無功優(yōu)化，并綜合縣調(diào)提供的無功調(diào)節(jié)能力，給縣調(diào)下發(fā)全網(wǎng)關(guān)口的功率因數(shù)考核指標(biāo)和110kV變電站的控制指令。

縣調(diào)AVC主站從縣調(diào)EMS系統(tǒng)接收實時數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析和計算，在優(yōu)先考慮地調(diào)下達(dá)的全網(wǎng)關(guān)口功率因數(shù)考核指標(biāo)情況下進(jìn)行電壓無功優(yōu)化。亦可將所轄變電站所屬電網(wǎng)可投/切電容器（電抗器）容量上傳至地調(diào)AVC；縣調(diào)AVC控制主變壓器所帶電網(wǎng)的電容器（電抗器）和變壓器分接頭，滿足地調(diào)AVC下發(fā)的110kV變電站高壓側(cè)母線電壓、關(guān)口無功或關(guān)口功率因數(shù)的目標(biāo)指令，同時還可向地調(diào)提出所希望的關(guān)口電壓范圍。

4 省地縣AVC協(xié)調(diào)控制安全策略

4.1 備用機(jī)制

地調(diào)AVC主站、地調(diào)AVC子站以及縣調(diào)AVC系統(tǒng)形成備用控制關(guān)系。正常情況下，為降低AVC主站高度集中控制的風(fēng)險，將電網(wǎng)分為若干區(qū)域分別由地調(diào)AVC主站、地調(diào)AVC子站以及縣調(diào)AVC系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)某一地調(diào)AVC子站或縣調(diào)AVC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，地調(diào)AVC主站啟動備用控制邏輯，對該區(qū)域的地調(diào)管轄變電站進(jìn)行控制，同時向地調(diào)及縣調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒及時修復(fù)故障AVC子站。在地調(diào)AVC主站出現(xiàn)故障時，由地調(diào)AVC子站、縣調(diào)AVC系統(tǒng)負(fù)責(zé)本區(qū)域電網(wǎng)無功電壓控制，原地調(diào)AVC主站控制的變電站轉(zhuǎn)由地調(diào)AVC子站備用控制，同時啟動省調(diào)與地調(diào)AVC子站之間的備用協(xié)調(diào)控制通道，保持省地協(xié)調(diào)控制。

4.2 閉鎖機(jī)制

成功閉鎖：設(shè)備操作成功后需要在一定時間段內(nèi)閉鎖，防止連續(xù)操作。

失敗閉鎖：設(shè)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(shè)備多次操作失敗后的閉鎖，防止誤操作。

設(shè)備動作次數(shù)閉鎖：對超出規(guī)定動作次數(shù)的設(shè)備進(jìn)行閉鎖，需要人工解鎖。

AVC系統(tǒng)閉鎖：當(dāng)AVC主站或子站系統(tǒng)出現(xiàn)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）數(shù)據(jù)接收異常時，應(yīng)閉鎖AVC主站或子站系統(tǒng)，并發(fā)出告警信號，需要人工解鎖。

保護(hù)閉鎖：對于保護(hù)信號動作，將觸發(fā)相關(guān)設(shè)備保護(hù)狀態(tài)，對該設(shè)備或廠站控制閉鎖。

數(shù)據(jù)異常閉鎖：遙測遙信數(shù)據(jù)有誤或SCADA系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，AVC系統(tǒng)應(yīng)自動判別并閉鎖相關(guān)設(shè)備。

5 省地縣AVC協(xié)調(diào)控制研究的關(guān)鍵點

5.1 省地縣三級AVC協(xié)調(diào)控制技術(shù)

省調(diào)的無功電壓調(diào)節(jié)手段主要是發(fā)電機(jī)組，地、縣調(diào)的無功電壓調(diào)節(jié)手段則均為變壓器有載調(diào)壓抽頭及并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備。不同調(diào)壓手段的調(diào)節(jié)特性不同，發(fā)電機(jī)組的無功出力是連續(xù)可調(diào)的，沒有調(diào)節(jié)頻率的限制；主變分接頭及并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備則均為離散調(diào)節(jié)手段，其頻繁調(diào)節(jié)將嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命，在實際運行中對同一設(shè)備相臨2次調(diào)整的時間間隔及1天內(nèi)的允許操作次數(shù)均有明確的限制，并希望在保證電壓合格的基礎(chǔ)上盡可能地減少其調(diào)節(jié)次數(shù)。因此，省調(diào)的無功電壓調(diào)節(jié)手段與地、縣調(diào)的調(diào)控手段差異較大，AVC在線三級協(xié)調(diào)將較為困難。

5.2 與EMS系統(tǒng)的關(guān)系

AVC系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)不同的調(diào)度自動化系統(tǒng)，既能正確無誤的與調(diào)度自動化系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，又能保持相對的獨立性，不對調(diào)度自動化系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和影響。作為EMS系統(tǒng)中的一項重要應(yīng)用，目前應(yīng)用較為廣泛的“嵌入式”AVC系統(tǒng)與EMS系統(tǒng)實行一體化設(shè)計，直接獲取SCADA實時數(shù)據(jù)和PAS（電網(wǎng)應(yīng)用軟件）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以最大程度地保證AVC系統(tǒng)的可靠性和控制的流暢性。

5.3 智能優(yōu)化算法

AVC系統(tǒng)是閉環(huán)實時控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體可靠性是衡量AVC系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)，這對控制策略的質(zhì)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(yōu)化問題的數(shù)值求解，電壓無功優(yōu)化問題為非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題，其數(shù)值求解的可靠性及速度是關(guān)鍵。

AVC系統(tǒng)是實際的工業(yè)控制系統(tǒng)，對電壓無功優(yōu)化算法的結(jié)果還需進(jìn)行大量的工程化處理，AVC系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)充分利用電網(wǎng)運行人員的經(jīng)驗，從而將人的智能賦予AVC系統(tǒng)，進(jìn)一步提高電網(wǎng)無功電壓控制效果。

6 省地縣協(xié)調(diào)控制在溫州電網(wǎng)的應(yīng)用

6.1 溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)簡述

溫州電網(wǎng)是浙江南部電網(wǎng)，以500kV和220kV為主網(wǎng)架，110kV電網(wǎng)開環(huán)運行。溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)采用跨平臺嵌入模式，將AVC系統(tǒng)相關(guān)功能嵌入OPEN3000系統(tǒng)中，與EMS系統(tǒng)一體化運行。電網(wǎng)模型與參數(shù)通過EMS系統(tǒng)統(tǒng)一維護(hù)，成為EMS系統(tǒng)高級應(yīng)用的一部分。溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)分別安裝在2臺獨立的AVC服務(wù)器中，系統(tǒng)在硬件上采用“一主兩備”方式運行，所需實時數(shù)據(jù)由AVC系統(tǒng)與EMS系統(tǒng)雙重存儲。

溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)正在開展省地縣一體化建設(shè)，目前已接入閉環(huán)廠站91座，其中220kV廠站21座，地調(diào)管轄110kV廠站50座，35kV廠站15座，已完成建設(shè)縣調(diào)AVC系統(tǒng)2套。省地縣一體化建設(shè)完畢后，預(yù)計將接入AVC系統(tǒng)廠站160座，縣調(diào)AVC系統(tǒng)5套，地調(diào)子站系統(tǒng)1套。

6.2 溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)根據(jù)集中決策、分層分區(qū)控制的協(xié)調(diào)控制模式，由地調(diào)AVC主站、縣調(diào)AVC系統(tǒng)和地調(diào)AVC子站組成。溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)見圖2。

在系統(tǒng)正常運行時，采用上級調(diào)度優(yōu)先模式。省地協(xié)調(diào)采用省調(diào)優(yōu)先，地縣協(xié)調(diào)采用地調(diào)優(yōu)先模式。在地調(diào)AVC主站故障時，自動切換至縣調(diào)AVC控制模式，最大程度地保證系統(tǒng)電壓的安全與穩(wěn)定；當(dāng)?shù)卣{(diào)AVC主站故障消除時，自動恢復(fù)正常模式。當(dāng)某一縣調(diào)AVC系統(tǒng)故障時，地調(diào)AVC主站啟動備用控制模式，直接對故障縣調(diào)AVC系統(tǒng)內(nèi)的地調(diào)管轄目標(biāo)進(jìn)行控制，縣調(diào)管轄目標(biāo)轉(zhuǎn)由人工監(jiān)控模式。

圖2 溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

6.3 溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)運行效果分析

溫州電網(wǎng)AVC系統(tǒng)運行以來，A類電壓合格率穩(wěn)定在99.99%以上，省網(wǎng)功率因數(shù)合格率保持在99.3%以上，突破AVC系統(tǒng)運行前的歷史最好水平。無功補(bǔ)償設(shè)備動作次數(shù)與人工動作次數(shù)均大幅減少，為便于對比AVC系統(tǒng)使用前后的設(shè)備動作情況，取先后兩年相同日期進(jìn)行對比，見表2。

從動作次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，AVC系統(tǒng)投運前，每日人工及設(shè)備動作次數(shù)平均為1370次，AVC投運后，每日人工操作平均次數(shù)降至39次，人工操作量減少了97.15%，設(shè)備動作次數(shù)降至平均每天980次，每日設(shè)備動作次數(shù)減少了390次，大大提高了設(shè)備使用壽命。

7 結(jié)語

為適應(yīng)“大運行”體系的要求，AVC系統(tǒng)省地縣三級協(xié)調(diào)控制可以更好地從全網(wǎng)角度出發(fā)，整合省地縣三級電網(wǎng)的無功資源進(jìn)行優(yōu)化配置。實際應(yīng)用成果表明省地縣三級AVC協(xié)調(diào)控制方案合理、有效，提高了無功補(bǔ)償設(shè)備的利用效率，優(yōu)化了電網(wǎng)潮流，降低網(wǎng)損，提高了電網(wǎng)的可靠性和電壓穩(wěn)定性。

表2 AVC投運前后設(shè)備動作次數(shù)對比次

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