許春彩 安徽淮北供電公司
摘要：電壓無功優(yōu)化控制（AVC）是電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。文中介紹了淮北地區(qū)所投入使用的實(shí)時(shí)電壓無功優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)。AVC充分利用SCADA/EMS一體化平臺(tái)提供的豐富信息并根據(jù)淮北地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況，考慮了足夠完善的控制策略及其全面的安全措施，確保了實(shí)時(shí)自動(dòng)控制的有效安全可靠性。
關(guān)鍵詞：電壓無功優(yōu)化控制 AVC 控制策略 安全策略 一體化SCADA/EMS平臺(tái)
緒論
電力系統(tǒng)及電力企業(yè)管理運(yùn)行的基本目標(biāo)是安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地向用戶提供電能，而電壓是電能質(zhì)量重要指標(biāo)之一，網(wǎng)損則是最重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償與無功平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件。有效的電壓調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償不僅能保證電壓質(zhì)量，而且能提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，而電壓質(zhì)量的提高與網(wǎng)損的降低是一致的
淮北地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控中心或變電站隨著負(fù)荷波動(dòng)對(duì)其電壓及無功調(diào)節(jié)需求往往很頻繁。如果人工對(duì)變電站電壓無功進(jìn)行判斷操作和干預(yù)，既增加值班員負(fù)擔(dān)，又難以保證調(diào)節(jié)合理性。隨著變電站綜合自動(dòng)化能力提高及變電站無人值班改造，用于10kV母線的無功電壓綜合自動(dòng)控制(VQC)裝置和軟件已不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要。
因此，為了提高淮北電網(wǎng)的電能質(zhì)量，進(jìn)一步減輕調(diào)度員和監(jiān)控員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也為了拓展電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)SCADA/EMS的應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮該系統(tǒng)的潛力，新增了實(shí)時(shí)電壓無功優(yōu)化自動(dòng)控制（AVC）系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制目標(biāo)
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊構(gòu)成：電壓無功優(yōu)化模塊、遙控接口模塊和報(bào)警模塊。電壓無功優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電壓無功優(yōu)化模塊是AVC系統(tǒng)的核心，遙控接口則是AVC系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)AVC系統(tǒng)處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，通過遙控接口向SCADA發(fā)送遙控命令，執(zhí)行變壓器升降和電容器投切。報(bào)警程序負(fù)責(zé)顯示和報(bào)告電壓無功優(yōu)化模塊提出的調(diào)壓建議、命令、異常事件和遙控程序執(zhí)行遙控調(diào)壓命令的動(dòng)態(tài)信息。
圖1 電壓無功優(yōu)化自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖
1.2 控制目標(biāo) 全網(wǎng)無功電壓閉環(huán)控制目標(biāo)是：（1）當(dāng)省調(diào)AVC有指令下發(fā)時(shí)，確保跟蹤省網(wǎng)無功指令，以有效控制主網(wǎng)樞紐變電所電壓的穩(wěn)定。（2）保持地區(qū)電網(wǎng)范圍內(nèi)所有變電所負(fù)荷側(cè)母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)；（3）有效地利用電壓無功調(diào)控手段，使所有變電所無功盡可能就地平衡，減少因遠(yuǎn)距離輸送無功而引起的網(wǎng)損；（4）在全網(wǎng)無功電壓閉環(huán)控制條件下，使各變電所的電容器最合理地投入和有載變壓器分接檔位動(dòng)作次數(shù)盡可能少。
2 系統(tǒng)控制的基本原理和控制策略
2.1控制模式
根據(jù)淮北地區(qū)電網(wǎng)220kV主網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、110kV網(wǎng)絡(luò)輻射狀運(yùn)行特點(diǎn)，電壓無功優(yōu)化采取分層分區(qū)控制模式，兩層相互協(xié)調(diào)。第二級(jí)為全網(wǎng)協(xié)調(diào)，第一級(jí)為區(qū)域電壓無功集中控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制模式如圖2所示。
圖2 淮北電網(wǎng)AVC系統(tǒng)控制模式
對(duì)于淮北電網(wǎng)，由于南坪、五里郢、楊柳、縱樓四所220kV變電站需與省調(diào)AVC進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，主網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算協(xié)調(diào)實(shí)際上只接受省調(diào)下發(fā)的AVC無功指令并進(jìn)行校核。
2.2 控制策略
AVC的控制策略確保了電壓無功控制的有效性，使無功分布滿足分層分區(qū)平衡原則，分片優(yōu)化，在保證電壓合格的基礎(chǔ)上，盡量減少各個(gè)區(qū)域無功流動(dòng)，從而降低網(wǎng)損。AVC系統(tǒng)采用了以下調(diào)壓控制策略。
2.2.1 實(shí)時(shí)拓?fù)浞謪^(qū)
AVC數(shù)據(jù)庫模型定義了廠站、電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)（母線）、控制設(shè)備（電容器及變壓器）等記錄。基于一體化SCADA/EMS平臺(tái)，AVC從SCADA中獲取電網(wǎng)實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡(luò)建模中獲取設(shè)備參數(shù)及其物理聯(lián)接關(guān)系。。因?yàn)榛幢钡貐^(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式具有閉環(huán)結(jié)線、開環(huán)運(yùn)行的特點(diǎn)，分區(qū)方法是以220KV或110KV變電站為中心，其所供電的下屬變電站構(gòu)成一個(gè)區(qū)域。
2.2.2 區(qū)域調(diào)壓和廠站調(diào)壓協(xié)調(diào)配合
按照所采用的分區(qū)方法，220KV或110KV變電站為該區(qū)域樞紐變電站，下屬變電站則為區(qū)域內(nèi)變電站。AVC對(duì)電網(wǎng)電壓無功狀態(tài)輪循監(jiān)視，對(duì)于每個(gè)區(qū)域，采用如下控制策略：
（1）當(dāng)區(qū)域內(nèi)個(gè)別變電站電壓需要調(diào)節(jié)時(shí)，首先調(diào)節(jié)該變電站電壓。
（2）如果區(qū)域內(nèi)變電站電壓都處于合格范圍內(nèi)，根據(jù)區(qū)域電壓質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)該區(qū)域電壓普遍偏高（低）時(shí)，考慮啟動(dòng)區(qū)域調(diào)節(jié)設(shè)備（一般為電容器）進(jìn)行區(qū)域電壓調(diào)節(jié)。在投切區(qū)域內(nèi)變電站電容器時(shí)，允許無功在同等級(jí)電網(wǎng)合理倒流，倒流限值可以由用戶設(shè)置。在實(shí)際運(yùn)行中，110KV電網(wǎng)一般呈放射狀運(yùn)行，當(dāng)無功向上級(jí)電網(wǎng)倒流時(shí)，切除該電容器。
2.2.3 變壓器和電容器分時(shí)段協(xié)調(diào)配合
根據(jù)電網(wǎng)無功平衡基本原則及電壓無功設(shè)備控制上的電氣特性，區(qū)域內(nèi)110KV變電站采用如下調(diào)壓控制策略：
（1）電壓偏低時(shí)，優(yōu)先投入電容器并盡量使其投入運(yùn)行，提高電容器投入率。
（2）根據(jù)母線時(shí)段設(shè)置，調(diào)整各變母線電壓上下限。高峰時(shí)段電壓下限偏高，低谷時(shí)段電壓上限偏低。
（3）因每天調(diào)壓設(shè)備動(dòng)作次數(shù)是有限制的，根據(jù)日負(fù)荷曲線變化規(guī)律，輔以人工經(jīng)驗(yàn)修正，合理分配負(fù)荷時(shí)段及各時(shí)段變壓器調(diào)節(jié)次數(shù)。
（4）各時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)考慮負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性，在負(fù)荷上坡段、下坡段采取動(dòng)態(tài)控制策略，盡量減少設(shè)備動(dòng)作次數(shù)。
2.2.4 與省調(diào)AVC接口
淮北AVC保留與省調(diào)AVC接口，待時(shí)機(jī)成熟時(shí)與省調(diào)AVC進(jìn)行省地調(diào)電壓無功協(xié)調(diào)控制。省調(diào)AVC根據(jù)負(fù)荷曲線和優(yōu)化策略，對(duì)淮北AVC下達(dá)所期望的無功負(fù)荷指令,淮北AVC將優(yōu)先以省調(diào)指令為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行控制。
3 系統(tǒng)的可行性和安全策略
3.1 可行性
(1) SCADA “四遙”(遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào))的實(shí)現(xiàn)及PAS高級(jí)應(yīng)用狀態(tài)估計(jì)SE、調(diào)度員潮流DTS、及負(fù)荷預(yù)報(bào)模塊的穩(wěn)定運(yùn)行為自動(dòng)控制提供了可能性。
(2) 有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)補(bǔ)償電容器為自動(dòng)控制提供了手段。
(3) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電壓無功自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)提供了必備的條件。
3.2 安全策略
3.2.1 控制狀態(tài)
控制狀態(tài)分為“建議”或“自控”，對(duì)于系統(tǒng)、廠站、監(jiān)控設(shè)備、調(diào)壓設(shè)備均可以設(shè)置控制狀態(tài)。控制狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)是系統(tǒng)＞廠站＞監(jiān)測(cè)設(shè)備（母線）＞調(diào)壓設(shè)備（主變分頭或電容器）。
AVC系統(tǒng)在廠站自控接入方式上具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，在保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行前提下，將電網(wǎng)中各廠站逐步接入。控制狀態(tài)可分級(jí)設(shè)置，從整個(gè)系統(tǒng)可以設(shè)置到調(diào)壓設(shè)備（變壓器、電容器）。自控接入時(shí)，根據(jù)各廠站自動(dòng)化實(shí)際情況，可以采取開環(huán)或閉環(huán)控制方式。對(duì)于新接入廠站，首先應(yīng)置于開環(huán)方式運(yùn)行，由值班員人工干預(yù)來優(yōu)化或確認(rèn)控制方案，待該廠站運(yùn)行穩(wěn)定、正確、可靠后再接入閉環(huán)運(yùn)行。對(duì)于閉環(huán)運(yùn)行的廠站，其所屬調(diào)壓設(shè)備仍可以根據(jù)實(shí)際狀態(tài)決定控制狀態(tài)。
3.2.2數(shù)據(jù)處理
遙測(cè)數(shù)據(jù)及遙信狀態(tài)是AVC自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，對(duì)于SCADA采集的遙信遙測(cè)信息按照AVC的要求進(jìn)行預(yù)處理后方能使用。
3.2.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)
(1)當(dāng)SCADA量測(cè)量帶有不良質(zhì)量標(biāo)志（如檢修置牌）時(shí)，該量測(cè)量被視為無效量測(cè)；
(2)當(dāng)SCADA量測(cè)量越限時(shí)，該量測(cè)量被視為壞數(shù)據(jù)，無效；
(3)當(dāng)SCADA量測(cè)量長時(shí)間不刷新，該量測(cè)量被視為死數(shù)據(jù)，無效。
AVC對(duì)于無效量測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)（各段母線）不進(jìn)行分析計(jì)算，不發(fā)建議和控制命令。
3.2.2.2 數(shù)字濾波
實(shí)際運(yùn)行電壓及無功會(huì)有瞬時(shí)擾動(dòng)，為了避免或減少誤動(dòng)，采取多次采樣的數(shù)字濾波方法過濾干擾。使用的濾波方式是多次采樣，淮北電網(wǎng)AVC系統(tǒng)連續(xù)3次采樣，取值都越限才下發(fā)控制命令,采樣次數(shù)可合理地自由設(shè)置。
3.2.2.3 遙測(cè)穩(wěn)定誤差
由于現(xiàn)場(chǎng)變送器誤差及RTU傳送精度等原因，SCADA采集的電壓遙測(cè)值和現(xiàn)場(chǎng)電壓監(jiān)測(cè)儀記錄的電壓具有一種很穩(wěn)定的誤差，在AVC系統(tǒng)中使用的電壓值經(jīng)過校正處理后才使用。
3.2.2.4 誤遙信檢測(cè)
受傳輸通道或環(huán)境因素的干擾，SCADA采集的遙信狀態(tài)可能和現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)刀閘狀態(tài)不一致，當(dāng)發(fā)生遙信變位事件時(shí)，AVC系統(tǒng)自動(dòng)暫停分析計(jì)算并將相關(guān)設(shè)備閉鎖。事后AVC自動(dòng)對(duì)誤遙信事件進(jìn)行檢測(cè)，并提示用戶確認(rèn)并決定是否解除相關(guān)設(shè)備閉鎖。
3.2.3 AVC周期
AVC系統(tǒng)周期性循環(huán)監(jiān)視電網(wǎng)狀態(tài)并進(jìn)行分析計(jì)算，提出調(diào)壓建議或下發(fā)控制命令，校核命令處理狀態(tài)。AVC周期包括采樣周期、執(zhí)行周期和設(shè)備控制命令周期。
AVC采樣周期：淮北電網(wǎng)設(shè)置為15秒，采樣周期可以視實(shí)際情況自行設(shè)置。在每一個(gè)采樣周期內(nèi)，AVC更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并檢測(cè)電網(wǎng)異常事件，校核命令處理狀態(tài)。
AVC執(zhí)行周期：執(zhí)行周期也可設(shè)定，應(yīng)為采樣周期的整數(shù)倍。在每一個(gè)執(zhí)行周期內(nèi)，AVC除完成采樣周期內(nèi)各任務(wù)外，還要對(duì)電網(wǎng)電壓無功狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，但是否下發(fā)控制命令還取決于設(shè)備控制命令周期。
設(shè)備控制命令周期：該周期是可變的，它由AVC執(zhí)行周期和設(shè)備的控制命令反饋時(shí)間共同決定。
3.2.4 操作規(guī)程
為防止設(shè)備調(diào)節(jié)過于頻繁，延長設(shè)備使用壽命，電力系統(tǒng)調(diào)壓設(shè)備必須按照電力系統(tǒng)操作規(guī)程進(jìn)行操作。
(1) 對(duì)于電容器，切除后必須間隔一段時(shí)間后再投入，時(shí)間間隔可以修改，一般至少設(shè)置為5分鐘。
(2) 對(duì)于有載變壓器分接頭，遙控時(shí)間間隔也不能太短，一般至少設(shè)置為2分鐘。
(3) 當(dāng)變壓器流過功率越限時(shí)，自動(dòng)閉鎖分接頭，流過功率恢復(fù)到正常范圍時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)分接頭調(diào)壓功能。
(4) 為防止環(huán)流，對(duì)于并列變壓器進(jìn)行交替調(diào)節(jié)，使并列變壓器處于同一變比。
3.2.5 異常事件
AVC系統(tǒng)能夠自動(dòng)處理電壓無功控制中的大量異常事件并進(jìn)行可靠閉鎖，增強(qiáng)了自動(dòng)控制的安全可靠性并減輕了運(yùn)行人員處理異常事件的工作量。
(1) 如果變壓器遙控命令下發(fā)，連續(xù)兩次調(diào)節(jié)而電壓無變化，認(rèn)為變壓器檔位拒動(dòng)，停止下發(fā)命令并自動(dòng)閉鎖，當(dāng)電壓有變化時(shí)自動(dòng)解除閉鎖。
(2) 在調(diào)節(jié)變壓器分頭滑檔時(shí)，發(fā)變壓器急停命令并自動(dòng)閉鎖。
(3) 如果10kV母線單相接地則自動(dòng)切除該母線所連電容器并閉鎖該母線。
(4) 由于通道不暢或其他原因，電容器開關(guān)如果一次遙控不成功則自動(dòng)閉鎖該電容器。
(5) 電容器開關(guān)檢修時(shí)將不允許下發(fā)遙控命令，該電容器自動(dòng)閉鎖。
(6) 電容器開關(guān)如果由于其他原因（可能是人工操作、事故跳閘等）引起變位，將自動(dòng)判斷電容器人工操作并閉鎖該電容器。
(7) 某些開關(guān)由于現(xiàn)場(chǎng)裝置原因，正常執(zhí)行遙控命令也會(huì)報(bào)故障信息，AVC將自動(dòng)對(duì)誤報(bào)故障進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)誤報(bào)故障進(jìn)行恢復(fù)。如我公司管轄的220kV五里郢變電站由于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)原因，當(dāng)521、522電容器正常分閘時(shí)提示為事故分閘，于是自動(dòng)閉鎖兩電容器。當(dāng)AVC自檢測(cè)出是誤報(bào)警后，運(yùn)行人員便可執(zhí)行“故障恢復(fù)”命令，然后方可將被閉鎖的電容器設(shè)為自控狀態(tài)。
異常事件檢測(cè)并閉鎖相關(guān)設(shè)備后，運(yùn)行人員通過調(diào)壓命令信息可以查明閉鎖原因，并待設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)正常后解除閉鎖狀態(tài)。
3.2.6 遙控接口
遙控接口為保證遙控安全可靠，進(jìn)行附加條件判斷，只有電容器開關(guān)或變壓器分頭才能進(jìn)行遠(yuǎn)方自動(dòng)調(diào)節(jié)，其他點(diǎn)全部閉鎖。
4 系統(tǒng)生成
如新增廠站的SCADA功能運(yùn)行穩(wěn)定，即可將該廠站接入AVC系統(tǒng)，在AVC信息提示下開環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行人員在系統(tǒng)提示的調(diào)壓建議基礎(chǔ)上結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定是否對(duì)該廠站手工進(jìn)行電壓無功控制。磨合一段時(shí)間待其開環(huán)運(yùn)行正確后，即可轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制運(yùn)行方式。
AVC系統(tǒng)生成及維護(hù)工作重點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)建模、AVC控制模型和遙控接口測(cè)試。AVC進(jìn)程為主備機(jī)配置，正常情況下主機(jī)值班，備機(jī)輔助調(diào)試。數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。
圖3 淮北電網(wǎng)AVC系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)流圖
5 小結(jié)
2004年底，淮北地區(qū)電網(wǎng)管轄的16所變電站全部投入AVC閉環(huán)運(yùn)行，其中與省調(diào)協(xié)調(diào)配合閉環(huán)的4所220kV變電站運(yùn)行情況亦很良好。實(shí)際應(yīng)用表明，AVC系統(tǒng)的投入可以顯著減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度、電壓波動(dòng)幅度小，有效提高全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓合格率；在改善無功平衡狀態(tài)基礎(chǔ)上，廠站變壓器分頭調(diào)節(jié)平均次數(shù)由原來的每天6.32次下降至4.53次，提高了設(shè)備使用壽命；2004年4-12月電容器投運(yùn)率（31.51％）與2003年同期相比，增長7.51個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)于減少網(wǎng)損、產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益作出了極大的貢獻(xiàn)。
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