电网自动电压无功控制系统AVC设计.docx

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电网自动电压无功控制系统AVC设计

电网自动电压无功控制系统（AVC）设计

随着电力工业的发展,大容量电厂和电力用户的大电力系统的出现,电压问题已经不只是一个供电质量的问题,而且是关系到大系统安全运行和经济运行的重要问题。

一：

电网电压无功优化的意义和当前研究现状

在电网的无功电压管理方面，当前比较突出的问题有：

1、高峰负荷期间，无功补偿不足，变电所母线电压普遍偏低在低谷负荷期间，无功过剩，引起变电所母线电压升高。

2、并联电容器分组和有载调压变压器分接头档位组合不合理。

有的并联电容器每组容量过大，投运后母线电压偏高，切除后母线电压又偏低。

有的有载调压变压器分接头每档调压过大，不能满足运行电压平稳调节的需要。

3、无功调节设备质量不过硬。

电容器损坏率较高有载调压变压器的频繁调压也易造成分接头故障，从而使变压器被迫退出运行。

4、无功计量误差较大，测量数据不完整，给电压无功分析带来困难。

5、缺乏有效的电压无功实时分析计算手段。

电容器的投切和有载调压变压器的调压基本上凭经验，调节不够及时、准确。

正是由于以上问题的存在，电网电压与无功优化控制才显得更有实际意义。

电压与无功电压优化控制对保证电压质量、提高系统的安全性和经济性都是十分重要的，随着调度自动化系统在地调中的广泛投入运行，根据全网系统的运行信息，实现全网的电压无功控制成为可能。

只要在调度主站端安装全局无功优化控制软件，不但为电力企业节省设备投资，且可给出一个合理的控制措施，从而保证全网范围内的电压质量合格和无功功率的合理分布。

二：

AVC系统概述

1、AVC系统介绍

电网无功电压闭环控制系统（以下简称AVC系统）是通过监视关口的无功和变电站母线电压，保证关口无功和母线电压合格的条件下进行无功电压优化计算，通过改变电网中可控无功电源的出力，无功补偿设备的投切，变压器分接头的调整来满足安全经济运行条件，提高电压质量，降低网损。

系统优化的目标为关口无功合格，母线电压合格，网损最优。

图1为系统的原理框图。

现根据图1对系统简单介绍如下:

（1）AVC系统接口与SCADA系统的的连接

它是通过地区变电站内的RTU与系统服务器及SCADA工作站通信的，所以每个变电站内都要有远方终端，它是电网调度自动化系统的重要组成部分，它的主要任务是将变电站的实时运行信息送给调度控制中心，把调度的控制、调节等命令送给厂站执行。

（2）AVC系统接口与省网主站AVC系统的连接

通过与省网主站AVC系统的连接通信，地区电网可根据省局下发的无功指令对电容器和变压器分接头进行调节，对各变电站进行电压无功的调整，进而实现对地区电网的无功优化控制。

（3）系统的基本功能

①全网电压优化功能:

当无功功率流向合理，某变电站10kV侧母线电压越上限或越下限运行，处在不合理范围时，分析同电源、同电压等级变电站和上级变电站电压情况，决定是调节本变电站有载主变分接头开关还是调节上级电源变电站有载主变分接头开关档位。

实现

图1电压无功控制系统原理框图

全网调节电压，可以达到以尽可能少的有载调压变压器分接开关调节次数，达到最大范围地提高电压水平，同时避免了多变电站多主变同时调节主变分接开关可能引起的调节振荡。

实施有载调压变压器分接开关调节次数优化分配，保证了电网有载调压变压器分接开关动作安全和减少日常维护工作量。

实现热备用有载调压变压器分接开关档位联调，使热备用有载调压变压器分接开关档位与运行有载调压变压器分接开关档位以致调节，可迅速完成热备用变压器的并联运行。

②全网无功优化功能:

当电网内各级变电站电压处在合格范围内时，可控制本级电网内无功功率流向，使其更为合理，达到无功功率分层就地平衡，提高受电功率因数。

依据电网对电压、无功变化的需要，计算并决策同电压等级不同变电站电容器组、同变电站不同容量电容器组谁优先投入。

省网关口功率因数不合格时，优化220kV及其下级变电所的电容器组的投切。

③无功电压综合优化功能:

当变电站10kV母线电压越上限时，先降低主变分接开关档位，如达不到要求，再切除电容器。

当变电站10kV母线电压超下限时，先投入电容器，达不到要求时，再提高主变分接开关档位，尽可能做到电容器投入量达到最合理。

预测10kV母线电压和负荷变化，防止无功补偿设备投切振荡。

④网损的优化：

在电压和功率都合格的情况下，通过设备的电压、网损灵敏度分析和综合的调整费用来进行排队选择控制的设备。

对设备的控制保证电压合格，同时不引起电压的太大变化。

通过定义设备的调整费用来控制调整频度和调整优先级。

⑤实现逆调压：

软件系统可以根据当前的负荷水平，自动实现高峰负荷电压偏上限运行，低谷负荷电压偏下限运行的逆调压功能。

电压校正、功率因数校正、网损优化这三个功能的优先级根据用户考核和管理的规定设定。

三：

AVC的性能指标

1、AVC系统覆盖率

要求≥50%

（1）计算公式：

（2）考核依据：

a．地调调度管辖范围；

b．地调AVC系统控制厂站数；

c．被验收单位的自查报告。

（3）核实办法：

根据市供电公司提供调度管辖范围及可控厂站数。

2、AVC月可用率

要求≥90%

（1）计算公式：

用该指标进行考核时，要求AVC全月计算总次数一般不少于2800次（至少5分钟计算一次）。

（2）考核依据：

a．地调系统AVC有关统计数据；

b．被验收单位的自查报告。

（3）核实办法：

根据所提供的资料，核实指标的完成情况，并对该项指标进行实测时间（一般不少于2个小时）。

3、AVC系统投运率

要求≥85%

（1）计算公式：

（2）考核依据：

a．地调系统AVC有关统计数据；

b．被验收单位的自查报告。

（3）核实办法：

根据所提供的资料，核实指标的完成情况。

4、AVC控制合格率

要求≥90%

（1）计算公式：

（2）考核依据：

a．地调系统AVC有关统计数据；

b．被验收单位的自查报告。

（3）核实办法：

根据所提供的资料，核实指标的完成情况，现场抽测（不少于2次）。

5、AVC单次计算时间

要求≤10秒

该指标中的时间是指从AVC计算周期开始计至结果显示到画面上为止的时间。

核实办法：

现场抽测，不少于三次。

6、AVC单次控制完成时间

要求≤30秒

该指标中的时间是指从AVC控制命令开始下发至结果正确显示到画面上为止的时间。

核实办法:

现场实测，不少于三次。

四:

AVC系统的设计

1、系统的设计原则

系统的控制原则是首先保证电网安全稳定运行，其次是保证电压和功率因数合格，当电网内各级变电所电压处在合格范围内，控制本级电网内无功功率流向合理，达到无功功率分层就地平衡，以达到降低网损的目标。

控制包括有电压校正控制、功率因数校正控制、网损优化控制三种模式。

对控制设备的选择主要根据电压、功率因数、网损的灵敏度分析和设备控制费用综合评估计算得到的综合指标进行选择，实现优化控制。

系统的技术特点：

①可在负荷高峰期各个节点的电压偏上限运行，在负荷低谷时各个节点电压偏下限运行，实现逆调压②能自动根据负荷预测曲线实现预控制，防止设备操作过频③具有对调节效果预估算功能，防止出现控制振荡或过调④能根据历史日负荷曲线变化规律实现变压器和电容器分时段协调配合⑤在保证不向上一级电网倒送无功即保证关口无功合格的前提下，允许同级电网各变电站之间无功倒送，以实现网损最优⑥提供对两圈，三圈变压器的合理解决方案⑦具备对每次的控制费用和操作节省的网损进行比较功能，以真正降低电网运行成本。

系统的控制模式：

具有两种控制模式，优化控制和分区控制。

优化控制的主要功能有电压校正控制、功率因数校正控制、网损优化控制。

当电网部分遥信、遥测数据出现问题使优化计算不能完成时，系统自动切换为基于规则的分区控制。

在这种控制方式下，系统可以根据设定的电压、功率因数限值进行变电站级的局部无功、电压控制，保证系统的连续稳定运行。

优化控制模式具有的功能：

在状态估计运行正常且量测合格率大于设定的低限，自动电压控制使用优化控制模式。

利用潮流计算的灵敏度分析功能，得到控制设备对母线电压、关口功率因数、网损的影响，同时考虑设备的操作费用，得到控制设备的调制综合指标。

将调整综合指标进行排序来选择控制设备。

通过对控制费用和控制综合指标模型的修改来决定无功电压控制设备的优先级和控制频度，替代分区控制的复杂规则使系统易于维护，同时实现无功电压的优化控制。

分区控制模式具有的功能：

主要根据系统当前各个监控点在电压和无功平面中所处的运行区域，采取相对应的控制规则，实现对全网功率因数和电压的自动监控。

2、AVC系统的构成

此系统主要由硬件和软件两个部分组成，硬件部分主要由电压无功优化服务器和远程工作站组成。

软件部分主要包括无功优化数学模型、数据采集、电压及无功优化计算和处理、控制执行等模块。

（1）电压无功优化系统的构成

系统由电网实时数据采集接口、网络拓扑分析系统、无功电压计算分析平台、变电站及设备控制出口等功能模块组成，采用先进的无功优化算法，通过可靠的技术平台实现，最大程度上的确保了优化方法的科学性、控制模式的安全性、设备管理的合理性。

系统除了实现无功电压的优化控制之外，还提供了网损统计分析、系统参数调节等功能，在帮助电网工作人员跟踪系统实施结果的同时，改进控制方式和策略，使系统通过逐步的完善，最终达到降损节能和改善电压质量的目的。

（2）电压无功优化系统采用的基本原理及算法

本系统为在线实时无功优化控制系统，模型的目标值为系统的网损最小，且控制措施中将不考虑发电机因素。

约束条件：

1、节点电压约束：

2、有载调压分接头档数调节上下限：

3、支路电流上下限：

4、设备动作次数上限：

有动作次数约束的设备包括电容器、电抗器、有载调压分接头。

5、潮流方程约束

其中

所有节点

都需要满足有功方程；

所有

节点都需要满足无功方程；

、

—节点导纳阵元素；

—第

条母线电压；

—母线

和母线

的电压相角差；

、

—母线

上所带发电机的有功功率和无功功率；

、

—母线

上所带负荷的有功功率和无功功率；

—与节点

相连的节点集，包括节点

。

本系统所实现的即是在满足上述约束条件下，寻找网损最小的无功潮流最优分布方案，投切电容器、电抗器、调节有载调压分接头。

（3）灵敏度分析

①网损对节点补偿电容的灵敏度

若电网总的节点数为n，则其网损为：

电网中节点

注入的有功功率

与注入的无功功率

的极坐标形式表示为：

从式中可见，网损是节点电压幅值及相角的函数，节点注入无功功率亦是节点电压幅值和相角的函数。

根据隐函数求导法则，可求出网损对各节点注入无功功率的偏导数

（i=1,2,

n）

而

从而可得：

②网损对有载调压变压器分接头的灵敏度

设节点

和

之间用变压器连接，分接头在

侧，并假定注入功率分别为

、

和

、

，如图所示：

图2变压器注入功率

当变压器分接头改变

时，将引起支路传输功率的变化，从而引起节点注入功率的变化，下图表示了这种变化的相互关系。

图3改变

时，变压器注入功率变化

变压器分接头变动引起的节点功率变化为：

由节点

和

的注入功率变化而引起的网损变化是：

其中的支路功率对分接头的偏导数与非标准变比在哪一侧（

侧或

侧）有关，表示为如下形式（四个表达式中等号右边上面的表达式对应1在

侧情况，下面的表达式对应1在

侧情况）。

实时潮流计算通过实用化验收后精度已经能够满足无功电压控制的需求，考虑到地区无功电压控制的特点，选择采用子网灵敏度分析和根据控制设备的类型和容量进行分组计算可提高计算速度满足对速度的要求。

考虑到电容器的容量比较大，且电容器对功率因数和网损的影响具有较强的非线性，对电容器的灵敏度分析采用逐个的投/切扫描计算。

对变压器进行分组只采用升或降的分组扫描计算，同时考虑并列运行变压器的同步调整。

3、系统的控制流程及实现方法

系统流程：

如图4所示。

系统开始运行时首先读取拓扑数据库，启动三个独立的线程一个用于保护信号的监视，当保护动作时闭锁对应的设备一个用于电压、功率因数的监视，产生优化控制方案，当越限时产生最优校正控制方案另一个用于执行控制方案。

每一个独立的监控母线母线的电压受考核为一个电压监控点，每个220kV变电所高压侧关口作为一个单独的功率因素监控点。

控制方案的可行性是通过计算分析严格验证的，保证控制后消除越限或有更好的运行状态。

可行方案中包括本变电站的控制方案，上级变电站的控制方案，同级变电站的控制方案，可以很好的解决不同监控点的协调控制如三圈变压器的控制，上、下级变电站的联合控制，同级变电站的协调控制等问题。

主要控制过程为循环监控，包括以下主要步骤：

（1）取实时数据并进行滤波。

当有非电容器开关变位时重新进行拓扑分析生成监控点，并进行灵敏度扫描计算。

（2）运行时获取状态估计数据，进行拓扑分析产生监控点，并进行灵敏度扫描计算。

（3）控制时如果灵敏度扫描周期到，获取状态估计数据，进行网损、功率因数、电压的灵敏度扫描计算。

（4）根据扫描结果进行电压、功率因数、网损的设备操作灵敏度分析。

（5）根据灵敏度分析结果计算各个设备的综合指标，利用滤波后的实时量测进行监视，当有越限时进行方案的综合评估和排序，产生最优方案。

在产生方案时考虑设备的各种制约因素及保护信号，如设备不可用则进行闭锁。

如果有最优控制方案，执行该方案，否则进行报警。

图4系统流程图

系统的控制方案：

（1）变电站母线电压的校正控制

对监控点的电压进行监视，当出现电压越限时，根据优化计算的结果产生校正控制方案，通过并联补偿设备的投切和变压器分接头的调整来保证监控点的电压在规定的运行区间内。

（2）关口功率因数的校正控制

对系统关口的功率因数进行监视，当超过给定的运行范围时，根据优化计算的结果选择投切某个并联补偿设备来控制功率因数，保证电压变化不大，网损增加最少或减少最多。

（3）网损的优化控制

在电压和功率因数都合格的情况下，通过对设备的电压、网损、关口功率因数的灵敏度分析和综合调整指标来选择控制设备。

当网损减少小于控制死区值时不控制，根据典型日的负荷曲线预测设备投入或切除后至下一次切除或投入的时间，根据此计算优化电量，如果节约的费用大于设备的控制费和死区时才提出方案。

对设备的控制保证电压合格，同时不引起电压的太大变化

系统的安全控制：

为保证控制的安全，采取了以下措施：

（1）实时监视变压器、电容器等控制设备的主保护信号，一旦有保护动作时立即闭锁该设备的控制，并进行报警。

当设备的控制多次失败时，即闭锁对该设备的控制，并进行报警。

（2）对量测进行数字滤波，监视量测的质量，当主要监视量测出现质量问题时，即闭锁相关设备的控制，并进行报警。

当状态估计合格率低于设定的限值时立即闭锁所有控制，并进行报警.

（3）对电压采用实时测量加计算偏移量的方式进行控制后的越限判断，保证与考核电压的一致。

五:

总结

目前我国电力行业对电压的控制只是每日分为几个典型时段进行比较粗的控制，调度人员在发现电压越限时凭经验进行简单的调整，不但劳动强度大，而且不能及时发现电压越限，造成电压质量的将低。

现代信息电子设备对电压的质量提出了很高的要求，因此必须采用自动电压控制来满足对电压质量的更高需求。

电网的经济调度中一个非常重要的方面是无功的经济调度，做好无功调度工作不但可以提高电压质量，同时可以降低网络损耗。

目前的电网无功调度只是根据典型的负荷数据进行离线分析计算，电网无功潮流分布没有实时优化，因此不能及时降低无功潮流不合理带来的有功损耗。

为进一步提高电网电压质量，降低网损，实现电网电压运行自动控制的目标，减轻值班人员人工调整电压的劳动强度，开发并研制AVC系统显得十分必要，它为现代电网安全、稳定、经济控制提供了先进的技术手段。

所以“自动电压控制（AVC）”项目的实施具有巨大的社会经济意义：

1、AVC是电网自动调度的重要功能，大大降低调度工作的劳动强度，实现电压调度的自动化，提高电压质量，保证信息社会对高质量电能的需求。

2、实现无功的经济调度，同时降低网损，提高电网的经济运行指标。

电力市场改革后厂网分离，将是输电网络提高经济运行的主要手段。

3、提高电网电压运行水平，保证足够的、快速的无功备用，提高电网运行的稳定性。