电网自动电压控制AVC系统技术探讨

肖拴荣

摘要：国内电网针对当前的无功调节技术水平上的落后以及VQC调控装置的缺陷，引入了自动电压控制（AVC）系统，AVC系统的无功分层平衡、区域控制以及优化动作次数等特征使得电网取得了可观的经济效益。文章围绕变电站AVC在实际工程中的应用，提出了AVC系统的发展过程以及AVC系统的原理，提出了一套AVC系统的工作流程，并阐述了变电站AVC系统的特征和AVC系统的优化改进措施。

关键词：电力系统；自动电压控制；AVC系统原理；无功优化

中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）01-0124-04

一、概述

电力系统运行管理的基本目标是优质、安全、经济地向电力用户供应电能，电压是衡量电能质量的一项重要的指标。电压过低或过高不仅会影响到电气设备的效率和寿命，而且还会危及电力系统的稳定和安全运营。无功功率平衡是保证电压稳定的重要手段，国内电网无功功率控制所采用的方式主要有人工调节和基于变电站的电压无功控制软件/装置VQC，随着无人值守变电站的深化建设和数字化变电站技术的发展，无功电压调节在电网正常运行中显得越来越重要，而AVC对降低网损、提高电压质量和统筹系统的资源配置等有着重要的作用，目前已经有很多国家（如法国、意大利、西班牙等欧洲国家）根据其实际情况，采用不同的方式实现其功能。我国部分地区也在大力的尝试AVC系统，如我国的湖南省采用经济压差来实现全局的无功优化，每条线路电压降落纵分量为目标来达到最优的状态。

在电力系统中电压和无功功率有着密切的关系，但是它们综合的整合比较复杂。实现电压无功能控制的目标首先是保持无功平衡和电网的稳定；其次是保持供电电压在一定的规定范围内正常供给；还有一个功能是使得在电压符合要求的基础上降低电能的损耗。本文依据AVC在现实工程中的应用，阐述了AVC的工作原理及工作流程，在此基础上提出了一套新的AVC优化改进方案，文章后部分进一步的说明了AVC在电力系统应用的优势。

二、AVC系统原理

自动电压控制（Automatic Voltage Control）系统是对全网的无功电压状态执行分析计算和集中监视的系统，从整体对大范围内分散的电网无功装置执行协调优化控制，它是确保系统电压稳定、提高无功电压的管理水平、提升电网系统运行水平和电网质量的重要技术手段。

AVC的主要功能是保证电网的安全稳定运行，确保关口功率因数和电压合格，尽可能的减少线路的无功传输，同时降低电网因不必要的无功潮流导致的有功损耗。而且从另一个角度来说，AVC实现了电网方便维护和安全防护的功能。AVC与EMS系统一体化的设计，从PAS中获取控制模型，从SCADA中获取实时的采集数据，而且进行在线的计算和分析，对网内的各个变电所的无功补偿设备和有载调压装置进行集中的监视、在线控制并统一管理。实现了全网的无功电压优化控制的闭环运行。图1为AVC系统简图：

自动电压控制系统由SCADA服务器、防火墙、无功优化服务器、无功优化终端、无功优化交换机五部分组成。无功优化终端和无功优化服务器之间的数据交换通过无功优化交换机进行。防火墙在此系统中主要起着保护数据安全的作用。

三、AVC系统流程

本文中AVC系统的设计是基于三级电压控制的模式，由省调AVC主站、电厂监控系统（AVQC）、地调AVC的控制子系统和变电站监控系统（AVQC）构成，使用的硬件系统分别是独立的，并且三级控制要求独立于EMS并在服务器上运行。二级控制建立了适合AVC的硬件设备。

该AVC系统基于EMS的架构，系统的框架如图2

所示：

该系统是由AVC和EMS之间的数据接口、负荷预测、超前无功优化和电压无功优化组成。其中AVC和EMS的数据传输使用文件读写和网络共享的方式实现接口，先从EMS获取实时的信息，包括系统网络的结构数据、系统状态估计数据和未来的发电计划数据。以这些数据为基础开发对应的软件平台。AVC计算的数据发送给EMS系统，EMS系统通过提供特殊的图形用户界面显示结果。

负荷预测主要包括未来一天系统中各个节点短期的负荷预测和多个点检超短期的负荷预测两部分，未来一天系统割接点的短期负荷的预测是通过选择对应的相似日来预测未来一天的运行方式，给规整处理（离散变量）提供了相应的数据。而多节点超短期的负荷预测模块的功能是为超前无功优化供应预测数据。

超前无功优化是通过负荷预测的数据进行电压无功优化，用来弥补数据在传输和下达目标时的时间滞后，确保目标电压值有效。在线电压的无功优化是在AVC获得实时数据的状态下进行优化，发送对AVC子站的目标控制指令。

四、AVC系统的特点及优化改进

（一）AVC系统的特点

AVC系统的设计有如下优点：（1）该系统使用了独立于EMS系统的方式设计的。这使得EMS系统和AVC系统之间只是共享数据，并没有直接的关系，在不影响EMS系统的工作情况下很方便的加入和退出。而独立的AVC确保了系统的稳定性和可靠性。（2）在AVC系统的实际运行过程中每五分钟就获取一次数据，首先通过潮流的计算实现核对，确定后进行全网无功控制。在该过程中，通过变换电压水平来实现不同模式的AVC功能，达到了传输给子站的信息的可行性和准确性。（3）该系统从接受数据到输出数据，再到优化计算完成了一次向子站的发送控制信息。占的CPU的时间小于15秒，是该AVC主站设计的一大优点。

然而，虽然无功优化发展了多年，但在在线运行方面仍然存在着问题，这使得在工程应用方面存在着较大的局限性。其中主要原因为下面几点：（1）无功优化是基于状态的估计结果的方式，如果测量的数据不够准确，状态估计可能出项偏差，使得优化结构出现异常；（2）算法的收敛性不够完善，若直接通过优化结果进行控制则鲁棒性无法实现。

（二）AVC与VQC的比较

VQC的目的是自动控制变电站的电压和无功以满足经济运行的要求。控制方法通常采用改变主变分接头档位和投切电容器组来改变系统的电压和无功。目前，在国内运行的电压无功综合控制装置（VQC）大多是按照测量电压和无功控制法的控制原理设计的，即九域图理论。

本质上AVC与VQC装置都是电压、无功自动控制设备，变电站端电压无功控制原理是相似的。VQC只是AVC功能的一部分，AVC系统可以实现VQC的全部功能，并且可以部署到集控站和调度主站，实现全网和区域电压、无功自动控制策略。但是AVC与VQC相比有很多的优势，VQC装置安装在变电站，其无功的调节和电压只能在局部调节，没办法达到电网全局的最优。而在调度端安装的AVC已经在很多地区广泛使用。AVC是从整个电网的角度，通过利用电网的实际运行数据，让控制代价为最小，达到全网的最优，在改善各个节点间的电压的同时减少了网损，使得变电站从单独控制变为集中控制，电网无功从就地补偿、就地平衡变为优化补偿、分层平衡，该工作极大地提高了电网的安全、经济运行水平和运行质量。

国内在省级电网实施AVC的任务始于湖南省，该项目于2000年开始至2003年4月完成，主要成果是建立了湖南电网AVC的主体框架，即建成了省调中心AVC主控系统和4个AVC子站（包括2个发电厂子站和2个变电所子站）。该系统采用了省调决策层与厂站执行层两层体系结构；运用了实时网络灵敏度分析技术；提出了以电压为核心的七区控制图。

（三）AVC系统优化改进

在变电站AVC系统中做到更好的电压无功控制优化，首先要在工程的应用中增加对应的促使，确保结果的可信性和鲁棒性，其次进行优化算法的改进。在本文的AVC系统中采用如下方式：（1）实现五分钟计算一次，并且15分钟发送一次优化的措施，确保发生数据异常时使用下次的数据。（2）算法上采用非线性的远对偶内点法，实现算法的鲁棒性和收敛性。（3）在采取优化之前，先对状态估计的数据采取一次潮流计算，若在潮流计算是不收敛，则认为此结果是不可信的。在这种情况下将不再进行优化计算。而二级电压控制则依照原始的曲线完成信息控制。（4）监控AVC系统运行，如果AVC系统出现异常停机或者挂起时，通常执行系统的自动启动操作。（5）对数据先进行容错的处理。因为在EMS的更新过程中，会出现数据采集不完整等，这样的情况下按照默认的数值来处理。

五、结语

基于EMS的AVC系统集经济性和安全性于一起，可以实现在安全约束下的闭环的经济性控制。改AVC可以实时地监控电网无功电压的情况，实现在线的优化计算，分层的调节控制变压器分头接头和控制电网无功电源，实现电网安全电压条件下的无功潮流运行，满足电压质量为优和网损最小。

AVC是电力系统自动调度的关键功能，大大的降低了调度工作中的劳动强度，实现了电压调度过程的自动化，同时提高了电压的质量，而且保证社会对高质量电能的要求。本文针对电网中AVC的运行状况，详细阐述了变电站AVC系统的构成和设计，在EMS的基础上结合三级电压的控制模式，按照一天之内符合预测技术来实现无功的综合动态优化，提高了变电站AVC系统的精准性。

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（责任编辑：刘 晶）