地区电网自动电压控制系统设计及应用

高冬那，黄家栋，蔡桂华

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.保定供电公司，河北 保定 071051）

地区电网自动电压控制系统设计及应用

高冬那1，黄家栋1，蔡桂华2

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.保定供电公司，河北 保定 071051）

分析地区电网运行特点选择电压无功分层分区综合协调控制的方案，通过区域电压控制和变电站电压校正控制协调控制保证全网电压合格，将各分区关口功率因数维持在较高水平，实现区域无功合理分布。根据经济压差原理，比较Q＊X的大小，确定并联电容器的投切次序。开发自动电压控制系统并投入各地调运行，现场运行情况表明该系统调节效果明显优于人工调节，并且减少了人员投入，有较大的经济意义。

自动电压控制；经济压差；无功控制；分层分区

0 引言

电力系统中，电压是衡量电能质量的一项重要指标，保证电压质量合格，是电力系统安全优质供电的首要条件。同时无功功率也是影响电压质量的一个重要因素，实现无功的分层、分区就地平衡，是降低网损的重要手段。随着智能电网技术的发展，电力系统自动化水平逐渐提高。河北省电力调度中心为了适应220 k V及以下等级变电站无人值班集中监控管理的需要，在河北南网推广自动电压控制项目，开发了自动电压控制系统 （AVC）并在各地调投入运行。

该系统采用分层分区的控制方案，对地区电网以220 k V变电站为根节点进行区域划分，从而形成多个分别包含一个220 k V变电站及其下属一个或几个110 k V变电站的分区，以分区为单位进行电压无功综合协调控制，区域电压控制与变电站电压校正控制协调控制保证区域电压合格，电压合格的情况下，通过无功调节实现区域无功合理分布，达到全网电压无功优化分布的目标。

1 分层分区

地区电网110 k V及以下电压等级电网解环运行，220 k V等级以下配网呈树状分布。在这种情况下，可对地区电网以220 k V母线为根结点进行区域划分，从而形成多个分别包含一个220 k V变电站及其下属一个或几个110 k V变电站的分区，各分区之间的联络点为位于分区关口的220 k V母线，彼此耦合性大大降低，从而为无功分区平衡创造了便利条件。在220 k V主变高压侧对地区电网和省级电网进行分层，然后在地区电网内部进行分区。

如图1所示，在分区形成后，可得到若干区域，每个区域包含一个220 k V变电站及若干110 k V变电站的大区域A及以单个110 k V站为单位的B、C等区域。对于A区域，其控制点为关口220 k V母线，控制对象为其区域内的所有容抗器；对于B、C区域，其控制点为本站的110 k V母线，控制对象为各自站内的容抗器。

图1 典型地区电网区域接线图Fig.1 Typical wiring diagram of regional power grid

2 电压控制

电压控制的目的是及时调节区域电网中低压侧电压以及控制区域整体电压水平，使得电压稳定在一定的区间内。AVC系统的电压控制分为两部分，即区域电压控制和单个变电站的电压校正。通过两部分调节即可以保证所有母线电压稳定在合格范围内，又有效地减少了设备控制振荡。

区域控制就是整体调节每一个电气分区的电压水平，使之处在一个合理范围内。扫描每个区域中压侧母线电压水平，通过取当前母线电压和设定的母线电压上下限作比较，分别统计每个区域中压侧母线的电压合格率（s%）。然后用此合格率和设定的合格率限值（d%）比较，如果s＞＝d，说明对应区域整体电压水平相对合理，不需要调整。如果s＜d，表明区域电压整体不合理，然后通过判断具体越限情况，调节区域根节点使得本区域整体电压水平趋于合理。

单个变电站电压校正类似于VQC设备的控制原理。通过调节主变分头和投切电容器来调节低压侧母线电压，使得母线电压稳定在合理范围之内。在调节分头和投切电容器两种调节手段取舍上，做法是有限投入电容器来调节电压。

两种电压控制手段之间有先后轻重之分。本文采用的做法是载入电网模型之后，首先进入区域电压调整程序。分别判断每个区域的整体电压水平，对需要调节的区域启动区域电压调整程序，只有当区域电压水平达到一个合理水平时，再依次对每个变电站进行电压校正，最后达到母线电压全部合格的目的。

3 无功控制

3.1 经济压差原理

对于支路潮流计算有下列公式：

式中：R为线路电阻；X为线路电抗；P为输送有功功率；Q为输送无功功率，U为母线电压。

分析上述公式可以得出：U越大，Q越小，则线路输电损耗和线路压降越小。当Q＝0时，线路无功分点恰好位于中点，此时线路输送无功功率在本线路电抗上产生的电压损耗为0，ΔU称为经济压差。对于给定线路，在经济压差条件下运行时，线路传输无功造成的有功损耗最小，经济压差原理是高电压水平下无功分层分区平衡原则极限状态的定量表示。

3.2 无功控制策略

分区形成后，即可按区域进行无功控制。但在实际电网中，由于负荷变化的连续性及波动性，将各区域关口母线的注入或流出无功功率始终控制为零也是不现实的。本文将该值尽量控制为一较小值，即将关口母线的功率因数控制在较高水平上。另外，由于各区域内无功储备容量存在差异，而且B、C等区域内容抗器需同时参与A区域与本区域的无功调节，实际中很难使A、B、C等区域同时达到无功分区就地平衡，区域B、C的控制目标与位于其上级的区域A关口存在一定的矛盾。因此，A、B、C各区域存在控制顺序上的先后关系，A区域优先级高于B、C区域，B、C等区域地位等同。

根据厂站功率因数上下限值和当前关口的有功值，计算得到相应无功的上下限值范围。当前无功值在此范围内时，认为无功合理；当前无功值大于计算所得上限时，认为无功欠补，区域内需投入电容器；当前无功值小于计算所得下限时，认为无功过补，区域内需切除电容器。

针对区域无功可能出现的过补和欠补两种情况，AVC的无功控制相应地可分为无功切除、无功投入两个操作方向。在无功切除或投入时，需切除或投入区域内电容器，分析判断指标即上述经济压差原理的Q＊X。其中，Q为线路上流动或穿过主变的无功，X为线路或主变阻抗。

下面以图1所示地区电网分区结构为例，来说明地区电网AVC系统区域无功控制流程。

3.2.1 区域无功切除策略

（1）从区域根节点 （A站）开始扫描，将当前区域注入无功与计算所得无功上下限值进行比较，当前区域注入无功小于计算所得无功下限值时，启动区域无功切除策略。 （2）将任意结节点（区域内所有厂站均有可能）下属子区域已投入的电容器放进切除队列，并按指标Q＊X进行升序排列。（3）当选择某站 （如A站）电容器切除时，计算切除前后判断指标Q＊X，若切除后Q＊X变小，说明切除该电容器不会增加输电损耗，确实应该切除；否则，选择队列中的下一个电容器。（4）切除电容器对电压进行预判，如果切除电容器会导致电压越下限，则上调主变档位后再切除该电容器。如果没有可调节主变，则选择下一个电容器。

3.2.2 区域无功投入策略

（1）从区域根节点 （A站）开始扫描，将当前区域注入无功与计算所得无功上下限值进行比较，当前区域注入无功大于计算所得无功上限值时，启动区域无功投入策略。（2）将任意节点 （区域内所有厂站均有可能）下属子区域已切除电容器放进投入队列，并按指标Q＊X进行降序排列。（3）当选择某站 （如A站）电容器投入时，判断投入该电容器是否使区域根节点 （关口）无功越上限，如果不会导致关口无功越限则投入；否则，选择队列中的下一个电容器。（4）投入电容器时对电压进行预判，如果投入电容器后电压可能越上限，则下调主变档位后再投入电容器。

4 现场应用情况

本文设计的AVC系统已经投入运行，下面从电压、功率因数、无功优化三个方面比较AVC系统调节与人工调节的优缺点。

表1 人工调节与AVC调节电压合格率Tab.1 Voltage qualification rate of artificial regulation and AVC adjustment

电压方面：

表1为人工调节与AVC调节电压合格率。通过表1可知，AVC调节电网母线电压合格率高于人工调节。

功率因数方面：AVC调节在功率因数控制上明显优于人工控制，尤其是在凌晨和傍晚负荷水平较低的时候，AVC能够保证功率因数保持较高水平。

无功优化方面：AVC控制系统优化了系统的无功分布，尽量减少线路上的无功流动，做到无功的分层分区就地平衡，降低了网损，提高了经济效益。

5 结论

本文开发的AVC系统能够保证系统电压合格、功率因数维持在较高的水平，并且在调节精度、响应速度等方面远远优于人工调节，而且减少了运行监控人员的投入，提高了电网的自动化水平，对保证电网的经济可靠运行有很大的意义。

［1］黄华，高宗和，戴则梅，等.基于控制模式的地区电网AVC系统设计及应用 ［J］.电力系统自动化，2005，29 （15）：77-80.

Huang Hua，Gao Zonghe，Dai Zemei，et al.Design and application of AVC system for district power network based on control modes ［J］.Automation of Electric Power System，2005，29 （15）：77-80.

［2］孙宏斌，张伯明，郭庆来，等.基于软分区的全局电压优化控制系统设计 ［J］.电力系统自动化，2003，27 （8）：16-20.

Sun Hongbin，Zhang Boming，Guo Qinglai，et al.Design for global optimal voltage control system based on soft dentification of secondary control zones ［J］.Automation of Electric Power System，2003，27 （8）：16-20.

［3］戴彦.自动电压控制 （AVC）系统控制策略的比较和研究 ［J］.华东电力，2008，36 （1）：92-95.

［4］颜伟，高强，余娟，等.输电网络的分层分区电压无功调节方法 ［J］.电网技术，2011，35 （2）：71-77.

Yan Wei，Gao Qiang，Yu Juan，et al.An algorithm for hierarchical and partition regulation of voltage and reactive power in transmission network ［J］.Power System Technology，2011，35 （2）：71-77.

［5］李端超，陈实，吴迪，等.安徽电网自动电压控制（AVC）系统设计及实现 ［J］.电力系统自动化，2004，28 （8）：20-22.

Li Duanchao，Chen Shi，Wu Di，et al.Design and realization of AVC system for Anhui power gride ［J］.Automation of Electric Power System，2004，28 （8）：20-22.

［6］高红亮，郭金莲，范晓丹.基于petri网的变电站电压协调控制 ［J］.电力科 学与工 程，2009，25 （3）：14-17.

Gao Hongliang，Guo Jinlian，Fan Xiaodan.Substation voltage intergrated control Based on petri net ［J］.E-lectric Power Science and Engineering，2009，25 （3）：14-17.

［7］贺俊杰，杨静.安定500k V变电站AVC系统工程设计及实现 ［J］.电 力科学 与工程，2007，23 （3）：70-72.

He Junjie，Yang Jing.Design and application of AVC system for Anding 500k V substation ［J］.Electric Power Science and Engineering，2007，23 （3）：70-72.

Design and Application of Automatic Voltage Control System of Regional Grid

Gao Dongna1，Huang Jiadong1，Cai Guihua2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Baoding Power Supply Company，Baoding 071051，China）

Analysis the characteristic of regional grid，choose the control scheme of reactive power hierarchical and regional balance.Through the regional voltage control and voltage calibration control coordination control guarantee the voltage qualified.Through make the area pass watt factor at high levels，realize the regional reactive reasonable distribution.Determine the plunge and cutting order of the shunt capacitors by comparing the size of Q＊Xbased on the principle of economic voltage difference.DevelopAVC system and this system has been put into operation in many areas grid，site operation shows that the system adjustment effect significantly better than artificial regulation，and can reduce the staff devotion，there is a lot of economic sense.

automatic voltage control；economic voltage difference；reactive power control；hierarchical and regional balance

T M761

A

2012－04－20。

高冬那 （1987-），女，硕士研究生，从事电力系统分析运行与控制的研究，E-mail：wsgaodongna＠163.com。