大运行体系下AVC系统省地县三级协调控制模式的研究

赵 璞，李 琦，蔡 轼，董丹煌，孙景钌

（温州电力局，浙江 温州 325000）

AVC（自动电压控制）系统是从全局角度出发，对电网的无功电源及无功补偿装置进行优化协调控制，全面提升电网的电压质量和稳定裕度，提高电网的经济运行水平。近几年，AVC系统在省地县各级电网中均到了广泛应用并取得了显著效果。但是目前AVC系统应用多为省地协调或者地县协调的两级控制模式，为适应“大运行”体系的要求，应实现更为高效的省地县三级协调控制，进一步提升电网的无功电压水平。

1 省地县AVC协调控制模式

AVC系统是以EMS（能量管理系统）为基础，集电网状态监视、状态估计、电压无功优化、在线电压稳定评估以及电压稳定增强控制等功能于一体的电力调度和控制系统。

AVC系统利用EMS实时信息，在线分析电网的电压无功运行状况，给出相应的电压无功调整策略，使电网尽可能地保持在最优无功运行状态，从而达到提高电压合格率，降低网损的目的。

目前省级电网一般分为省、地、县三级调度，根据“大运行”体系建设的要求，省调负责管辖220kV电网、直调发电厂；地调负责管辖110kV电网和终端220kV系统、直调发电厂以及城区范围35kV及以下电网；县调负责管辖县域35kV及以下电网、直调发电厂。地调AVC系统作为省地县三级控制中的中间环节，负责上下协调省调与县调AVC系统，是AVC系统省地县三级控制中较为关键的环节。AVC系统省地县协调控制原则上按照调度管辖范围逐级进行控制，三级协调模式如图1所示。

为防止地调AVC主站控制变电站过于集中带来的系统性风险，按地域或电网结构将地区网架分为若干区域，将220kV变电站以及市区110kV及35kV变电站接入地调AVC主站进行控制，由地调AVC子站进行备用控制；对于已建立AVC系统的县调可保持原有控制模式，由县调AVC系统控制县域110kV变电站以及县调管辖变电站；对于网架较小或者尚未建设AVC系统的县调可统一接入地调AVC子站进行控制，由地调AVC主站进行备用控制。地调AVC主站根据控制策略，直接下发指令到直控变电站或者县调AVC系统。

图1 AVC系统省地县三级协调控制结构图

2 省地AVC协调模式

采用省地之间的关口，即220kV变电站高压侧母线电压、关口无功或关口功率因数作为协调变量，同时要求具备直接接收省调主站命令并执行的功能。

地调AVC系统将所辖变电站可投/切电容器（电抗器）容量上传至省调AVC；地调AVC系统控制主变所带电网的电容器（电抗器）和变压器分接头，满足省调AVC下发的220kV变电站高压侧母线电压、关口无功或关口功率因数的目标指令，同时还可向省调提出所希望的关口电压范围。

在地调侧，根据具体电压控制算法的不同，对协调控制策略的处理也各不相同，简单分类如下：若地调AVC采用优化算法，则可以将省调下发的协调变量控制目标作为本身控制的约束条件处理，并综合考虑各种控制手段对协调变量的灵敏度关系，在原优化模型基础上完成。若地调侧AVC采用专家系统方式，则可以将下发的协调变量控制目标作为规则库的一部分考虑，构建一系列新的动作策略。在地调侧还可根据需要提出关口电压调整建议。

省地AVC主站协调控制宜通过电力调度数据网进行通信，同时建议与地调AVC子站建立备用协调控制通道，防止地调AVC主站故障时省地协调中断。地调AVC系统向省网AVC系统实时上送地区电网实时运行工况，包括电压、无功数据以及无功补偿可投切容量等信息，上报信息见表1。

表1 AVC系统上传信息

3 地县AVC协调模式

在地县协调变量的选择上，可根据县域电网的实际特点进行选择。主要选择有如下几种方式：

（1）选择220kV变电站中、低压侧母线电压、关口无功或关口功率因数作为协调变量，同时要求具备直接接收地调主站命令并执行的功能，且可向地调上送所希望的关口电压范围。对于同时向多个县域供电的220kV变电站可以根据供电线路将此变电站拆分成多个县域关口。这种选择一般适用于电网规模中等偏上、县域内具有1座以上220kV变电站的县局。

（2）选择110kV变电站或35kV变电站高压侧母线电压、关口无功或关口功率因数作为协调变量，同时要求具备直接接收地调主站命令并执行的功能，且可向地调上送所希望的关口电压范围。这种选择适用于电网规模中等、无独立供电的220kV变电站的县局。

（3）选择地县间的负荷总关口，即各县关口总无功或关口功率因数作为协调变量。一般适用于电网规模较小、对主网无功平衡影响不大的县局。

地调AVC主站从地调EMS系统接收实时数据进行在线分析和计算，从全网角度进行电压无功优化，并综合县调提供的无功调节能力，给县调下发全网关口的功率因数考核指标和110kV变电站的控制指令。

县调AVC主站从县调EMS系统接收实时数据进行在线分析和计算，在优先考虑地调下达的全网关口功率因数考核指标情况下进行电压无功优化。亦可将所辖变电站所属电网可投/切电容器（电抗器）容量上传至地调AVC；县调AVC控制主变压器所带电网的电容器（电抗器）和变压器分接头，满足地调AVC下发的110kV变电站高压侧母线电压、关口无功或关口功率因数的目标指令，同时还可向地调提出所希望的关口电压范围。

4 省地县AVC协调控制安全策略

4.1 备用机制

地调AVC主站、地调AVC子站以及县调AVC系统形成备用控制关系。正常情况下，为降低AVC主站高度集中控制的风险，将电网分为若干区域分别由地调AVC主站、地调AVC子站以及县调AVC系统进行控制。当某一地调AVC子站或县调AVC系统出现故障时，地调AVC主站启动备用控制逻辑，对该区域的地调管辖变电站进行控制，同时向地调及县调监控系统发出报警，提醒及时修复故障AVC子站。在地调AVC主站出现故障时，由地调AVC子站、县调AVC系统负责本区域电网无功电压控制，原地调AVC主站控制的变电站转由地调AVC子站备用控制，同时启动省调与地调AVC子站之间的备用协调控制通道，保持省地协调控制。

4.2 闭锁机制

成功闭锁：设备操作成功后需要在一定时间段内闭锁，防止连续操作。

失败闭锁：设备操作失败后的闭锁，防止误操作，需要人工解锁。

故障闭锁：设备多次操作失败后的闭锁，防止误操作。

设备动作次数闭锁：对超出规定动作次数的设备进行闭锁，需要人工解锁。

AVC系统闭锁：当AVC主站或子站系统出现SCADA（数据采集与监控系统）数据接收异常时，应闭锁AVC主站或子站系统，并发出告警信号，需要人工解锁。

保护闭锁：对于保护信号动作，将触发相关设备保护状态，对该设备或厂站控制闭锁。

数据异常闭锁：遥测遥信数据有误或SCADA系统出现故障时，AVC系统应自动判别并闭锁相关设备。

5 省地县AVC协调控制研究的关键点

5.1 省地县三级AVC协调控制技术

省调的无功电压调节手段主要是发电机组，地、县调的无功电压调节手段则均为变压器有载调压抽头及并联无功补偿设备。不同调压手段的调节特性不同，发电机组的无功出力是连续可调的，没有调节频率的限制；主变分接头及并联无功补偿设备则均为离散调节手段，其频繁调节将严重影响设备的使用寿命，在实际运行中对同一设备相临2次调整的时间间隔及1天内的允许操作次数均有明确的限制，并希望在保证电压合格的基础上尽可能地减少其调节次数。因此，省调的无功电压调节手段与地、县调的调控手段差异较大，AVC在线三级协调将较为困难。

5.2 与EMS系统的关系

AVC系统应能适应不同的调度自动化系统，既能正确无误的与调度自动化系统交换数据，又能保持相对的独立性，不对调度自动化系统产生干扰和影响。作为EMS系统中的一项重要应用，目前应用较为广泛的“嵌入式”AVC系统与EMS系统实行一体化设计，直接获取SCADA实时数据和PAS（电网应用软件）网络拓扑结构，可以最大程度地保证AVC系统的可靠性和控制的流畅性。

5.3 智能优化算法

AVC系统是闭环实时控制系统，系统总体可靠性是衡量AVC系统工作性能的重要指标，这对控制策略的质量及算法可靠性提出了极高的要求。AVC策略生成的核心是电压无功优化问题的数值求解，电压无功优化问题为非线性混合整数规划问题，其数值求解的可靠性及速度是关键。

AVC系统是实际的工业控制系统，对电压无功优化算法的结果还需进行大量的工程化处理，AVC系统的建设应充分利用电网运行人员的经验，从而将人的智能赋予AVC系统，进一步提高电网无功电压控制效果。

6 省地县协调控制在温州电网的应用

6.1 温州电网AVC系统简述

温州电网是浙江南部电网，以500kV和220kV为主网架，110kV电网开环运行。温州电网AVC系统采用跨平台嵌入模式，将AVC系统相关功能嵌入OPEN3000系统中，与EMS系统一体化运行。电网模型与参数通过EMS系统统一维护，成为EMS系统高级应用的一部分。温州电网AVC系统分别安装在2台独立的AVC服务器中，系统在硬件上采用“一主两备”方式运行，所需实时数据由AVC系统与EMS系统双重存储。

温州电网AVC系统正在开展省地县一体化建设，目前已接入闭环厂站91座，其中220kV厂站21座，地调管辖110kV厂站50座，35kV厂站15座，已完成建设县调AVC系统2套。省地县一体化建设完毕后，预计将接入AVC系统厂站160座，县调AVC系统5套，地调子站系统1套。

6.2 温州电网AVC系统协调控制结构

温州电网AVC系统根据集中决策、分层分区控制的协调控制模式，由地调AVC主站、县调AVC系统和地调AVC子站组成。温州电网AVC系统协调控制结构见图2。

在系统正常运行时，采用上级调度优先模式。省地协调采用省调优先，地县协调采用地调优先模式。在地调AVC主站故障时，自动切换至县调AVC控制模式，最大程度地保证系统电压的安全与稳定；当地调AVC主站故障消除时，自动恢复正常模式。当某一县调AVC系统故障时，地调AVC主站启动备用控制模式，直接对故障县调AVC系统内的地调管辖目标进行控制，县调管辖目标转由人工监控模式。

图2 温州电网AVC系统控制结构

6.3 温州电网AVC系统运行效果分析

温州电网AVC系统运行以来，A类电压合格率稳定在99.99%以上，省网功率因数合格率保持在99.3%以上，突破AVC系统运行前的历史最好水平。无功补偿设备动作次数与人工动作次数均大幅减少，为便于对比AVC系统使用前后的设备动作情况，取先后两年相同日期进行对比，见表2。

从动作次数统计结果可以看出，AVC系统投运前，每日人工及设备动作次数平均为1370次，AVC投运后，每日人工操作平均次数降至39次，人工操作量减少了97.15%，设备动作次数降至平均每天980次，每日设备动作次数减少了390次，大大提高了设备使用寿命。

7 结语

为适应“大运行”体系的要求，AVC系统省地县三级协调控制可以更好地从全网角度出发，整合省地县三级电网的无功资源进行优化配置。实际应用成果表明省地县三级AVC协调控制方案合理、有效，提高了无功补偿设备的利用效率，优化了电网潮流，降低网损，提高了电网的可靠性和电压稳定性。

表2 AVC投运前后设备动作次数对比次

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