浅谈无功电压控制技术的发展

随着计算机网络通讯技术以及电网控制自动化技术的发展 ，电网电压无功自动控制技术发生了根本变化且得到了快速发展与广泛应用 。本文分析了近年来电压无功自动控制技术的发展特点 ，重点介绍了变电站电压无功控制装置(VQC装置) 、电压无功集中分析集中控制(AVC)系统的技术思路 ，阐述了基于综合自动化技术的进一步发展和集控站的应用对电压无功控制模式的影响 ，并提出了适应当前电网管理发展模式的无功电压控制的发展方向 。

　　关键词 ：无功电压控制;地区电网;变电站电压无功控制;自动电压控制;集控站

　　0引言

　　电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件 ，进行合理的无功补偿和有效地无功补偿自动控制 ，不仅能保证电压质量 ，而且会提高电力系统运行的稳定性和安全性 ，降低电能损耗 ，充分发挥电网经济运行效益 。

　　电压是电能质量的重要指标 ，电压质量对电力系统的安全与经济运行 ，对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与寿命有重要的影响 ，而电压质量和无功功率的分布有着不可分割的关系 。随着经济的发展和人民生活水平的提高 ，各类用户对电能质量的要求越来越高 ，供电企业每年处理的客户投诉日渐增多 ，根据国外发达国家的经验 ，国家经济越发达 ，对电能质量的要求也越高，电力监管企业的监管和惩罚力度也越大 ，因此实现无功补偿设备的自动控制是电力技术发展的必然选择 。

　　所谓电压无功自动控制 ，就是由计算机软件或者嵌入式软件 ，通过通信信道获取电网的遥测遥信数据 ，经过优化分析后形成无功补偿设备和有载分接开关的设备动作指令 ，最终达到电压合格 、无功潮流合理的控制目标,从而提高电网安全稳定性 。地区级电网的电压无功控制的主要手段为并联电容器和有载分接开关 ，也包含少量的发电机组和电抗器 。

　　1968年,日本Kyushu电力公司首先在AGC系统上增加了系统电压自动控制功能,这可以看作是从全局观点出发进行电压/无功控制的第一步 。在1972年国际大电网会议上,Bertigny等人提出了在系统范围内实现协调性电压控制的必要性,详细介绍了法国EDF以“先导节点” 、“控制区域”为基础的二级电压控制方案的结构 。现在这种电压分级控制方案已在法国 、意大利等国家付诸实施 。  。由于国外电力公司电网较小 、全网统一调度 、电网网架变化不大的特点 ，且研究较早 ，其中部分电压控制器为硬件机构 ，所以不适合国内电网的电压无功控制 。

　　我国幅员辽阔 ，电力系统结构庞大 。已建成的跨省电力系统有五个 ，即华东系统 、东北系统 、华中系统 、华北系统和西北系统 。对于如此庞大而复杂的电网系统 ，由一个调度中心监视 、管理和控制所有设备显然是不可能的 。我国的电网调度管理机构基本上分为五级垂直管理模式 。国调通过计算机数据通信网与各大区电网控制中心相连 ，协调 、确定大区域级电网之间的联络线潮流和运行方式 ，监视 、统计和分析全国电网的运行情况 。大区网调按统一调度分级管理的原则，负责超高压电网的安全运行并按照规定的发用电计划及监控原则进行管理 ，提高电能质量和经济运行水平 。省级电网调度负责地区间及有关省网的供受电量计划的编制和分析 ，负荷预测 、经济调度等 。地区调度对其所辖地区的电网安全监控 ，对有关站点(直接站点和集控站点)的开关远方操作 、变压器分接头调节 、无功补偿设备投切等 。县级调度主要监控110kV及以下农村电网的运行 。由国调到县调 ，随着管辖范围的变小 ，其电网电压等级逐步降低 。显而易见 ，电压无功自动控制系统的设计必须得考虑国内电网调度运行管理模式的特点 。

　　1 变电站电压无功自动控制装置(VQC装置) 

        在调度自动化系统未实用化的时候 ，地区电网采用就地平衡 、分散调整的方式使用VQC装置 ，实现仅仅面向单个变电站的运行控制 。

　　国内第一台VQC装置由清华大学于1984年研制成功 ，并在北京供电局投运成功 。目前市场上常用的VQC电压无功控制装置基本上是以九区域图及其衍生图进行单厂站的电压无功自动控制 。九区域图法直观明了 ，简单易行 ，可以在一定成都上就单个站一定的电压合格率和功率因数 。但是,以九区域图法为基本策略的VQC装置为信息孤岛 ，同时也是控制孤岛 ，不能实现全网的无功电压最优控制 。在二级有载调压电网 ，会出现电压频繁调整 ，容易造成电压调节不合理现象或者设备无谓动作;由于每个变电所都必须安装无功电压控制装置 ，投资大 ，设备维护量显著增加 。

　　2 主站集中式自动电压控制系统软件(AVC)

         随着计算机技术和通讯技术的迅速发展 ，电力系统调度自动化技术已经基本在地区级电网都做到了实用化 ，在此基础上出现了主站集中式自动电压控制系统软件(AVC) 。

　　“AVC系统”通过调度自动化SCADA系统采集全网各节点遥测 、遥信等实时数据进行在线分析和计算 ，在确保电网与设备安全运行的前提下 ，以各节点电压合格 、节点功率因数为约束条件 ，从全网角度进行电压无功优化闭环控制 ，实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压 ，实现主变分接开关调节次数最少和电容器投切最合理 、电压合格率最高和全网网损率最小的综合优化目标 。本系统最终形成有载调压变压器分接开关调节 、无功补偿设备投切控制指令 ，借助调度自动化系统的“四遥”功能 ，依据计算机技术和网络技术 ，通过SCADA系统自动执行 ，从而实现对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设备的集中监视 、集中管理和集中控制 ，实现了地区电网电压无功优化运行闭环控制 。

　　即在调度中心安装一套软件即解决了地区级电网的电压无功优化控制的问题 。AVC系统软件在国内得到推广应用 ，取得了可观的经济效益和社会效益 。

　　3 AVC与VQC装置联合协调控制方案探讨

　　考虑到VQC和AVC的特点 ，国内也有专家提出AVC系统和VQC装置联合协调控制的技术思路。目前来看 ，在地区电网这一级 ，调度自动化系统得到了完全的实用化 ，在经济发达地区甚至都升级到了第三代 、第四代调度自动化系统 ，也由最初的单纯的SCADA系统发展成为成熟的EMS系统 ，其底层通讯为光纤通讯 ，无论速度 、容量和可靠性都非常高 ，从全国推广的部分AVC系统应用来看 ，主站式AVC系统的控制可靠性和稳定性程度的非常高 ，有些电网AVC系统全年的使用率式100% 。

　　众所周知 ，如果采用AVC和VQC联合协调控制的方式 ，势必会造成 ：每个变电站都需要安装一套VQC装置 ，投资非常大 ，维护成本高;对于大的地区电网可能会存在不同厂家的VQC装置 ，控制风险较大 ，接口可靠性较低 ，从工程实施的角度甚至存在不同厂家协调的难题;从可靠性角度分析,使用的设备和模块越少系统将越可靠 、越稳定 。

　　进一步分析可知 ，VQC采集的遥测遥信数据AVC系统同样能从SCADA系统获取 ，在当前普通商用PC机上即可在线完成地级市电网的电压无功优化计算 。随着综合自动化技术的进一步发展 ，在具备四遥功能的地区电网 ，主站AVC软件投资小 、可靠性高 、建设周期短 、维护量小 ，因此AVC与VQC装置联合协调控制的技术思路不再可取 。

　　3 电压无功控制的发展趋势

　　3.1 分布式AVC系统

　　随着变电站综合自动化技术的发展 ，无人值班变电站已被广泛采用 ，在电网调度的层次之下建立多个集控站 ，由集控站管理若干个无人值班变电站 ，使得原来站内值班人员所作的工作可由集控站人员来远方完成 ，因此电力系统运行管理模式逐步成为调度中心+多个集控站 、调度管理与设备监视控制分离的模式 。而且集控站是按地域划分而不是按电网结构的耦合程度划分 ，各集控站管理的变电所之间有可能紧密结合 ，但在电网结构上无法按照行政区域划分来解耦 ，因此只有集中式自动电压控制系统(集中式AVC系统)已经不能解决调度权与多个集控权之间的组织 、优先级 、责任归属的问题 。

　　譬如贵阳电网总共有六十多个变电所 ，下辖八个集控站 ，其中调度自动化主站系统为南瑞OPEN3000系统 ，该系统可以获取全网的遥测遥信数据 ，但并没有控制下行通道;设备的监视与控制由集控站监视人员通过集控SCADA系统完成 。贵阳AVC系统设计的分布式技术方案为 ：调度中心安装AVC服务器 ，获取全网数据 ，从全网的角度在线进行电压无功优化计算分析 ，设备的参数，电压 、功率因数等参数和限值的考核由调度员在其工作站上设置;集控站监视人员通过集控AVC系统的工作站监视本地电网状态 ，维护设备状态(比如根据现场状况决定某电容器是否由AVC控制) ，事项监视 、设备控制;AVC系统的最终控制指令也有服务器发给AVC工作站 ，再由AVC工作站发给集控SCADA系统执行 。可见 ，该技术方案既体现了调度中心对电网运行的决策 、调度 、管理 、考核权 ，又能体现集控站的设备控制权和监控责任;既保持了AVC系统全网优化计算的优势 ，又适应了调度运行的管理模式 。

　　因此 ，当今集控站管理模式下 ，分布式AVC系统今后会成为地区级电网的电压无功控制主流 。

　　3.2 不同调度管理级别的AVC分级协调控制

　　3.2.1 省网AVC系统与地网AVC系统的协调控制

　　省级电网如果建设有AVC系统 ，那么地区级AVC系统有与省网AVC系统协调控制的必要 。

　　就当前无功补偿现状而言 ，感性无功补偿是比较充足的 ，再加之220kV以上电网的充电功率比较大 ，因此 ，在低谷负荷时 ，省级电网的电压普遍偏高 ，有可能造成发电机组进相运行 ，从而危及电网运行安全 ，因此 ，有必要控制地区电网220kV母线的功率因数在一定范围内 。那么省网AVC系统有必要向地网AVC系统下达合理的功率因数指标或者无功指标 ，地网AVC系统有义务承担功率因数调整的义务 ，降低主网发电机组调节的压力 。

　　在紧急情况下 ，如主网的220kV母线电压达到警戒线以外 ，必须限制AVC系统调节220kV分接头的部分功能 。如果220kV母线电压高于警戒上限 ，则应该闭锁220kV分接头往下调节的功能;如220kV母线电压低于警戒下限 ，则应该闭锁220kV分接头往上调节的功能 。如此则避免主网的电压进一步恶化 ，同时地网AVC系统要采取相应的减少无功投入或者增加无功投入的措施 。

　　省网AVC系统和地网AVC系统的协调控制还有许多地方值得研究 ，如电压稳定的裕度分析 ，220kV母线等值 、无功限值的推导等 ，相信今后在这方面会有许多研究成果产生 。

　　3.2.2地网AVC系统与县网AVC系统的协调控制 地网和县网均为配电网 。配电网的特点为环网设计 、开环运行 ，从调压的角度看,电网呈纵向紧密耦合 ，下级电网的电压水平受到上级电网分接头调节的影响比较大，为避免下级电网调压时的设备调节振荡 ，必须考虑合理的上下级电网联合调压的方案 。此外，依据调度管理的分工和责任归属 ，也不允许地区级调度中心的AVC系统直接分析和控制地网和县网的所有无功补偿设备和主变分接头 。并且电网中不管是地区级电网或者县级电网，任何一节点无功的变化都会影响到功率因数变化 。

　　因此从无功和电压的角度考虑 ，地网AVC系统和县网AVC系统同样有协调控制的必要 。

　　文献11从工程实用化的角度提出了可行的协调控制策略 。

　　3.3 中低压配电网无功补偿集中优化控制

　　随着电力电子 、移动通信技术的不断发展 ，装置性能不断提高 ，中低压无功自动补偿装置得到一定程度的推广 。将中低压无功自动补偿装置纳入区域电网电压无功全网优化控制也是将来发展的趋势 。

　　相对于载波通信的低可靠性 、光纤通信的高成本 、卫星通讯的高费用 ，移动GPRS 无线通讯技术GPRS 采用分组交换技术 ，数据传输速率最高可达171.2kbit/s ，且支持多种带宽 ，有效利用带宽 ，完全可以满足配电网监测系统中数据的通信速率的要求 。从实时性要求考虑，GPRS 具有“永远在线”的功能 ，当终端与 GPRS 网络建立连接后 ，即使没有数据传送 ，终端也一直与网络保持连接 ，再次进行数据传输时不需要重新连接 ，而网络容量只有在实际进行传输时才被占用 ，从而保证了数据交换的实时性 。因此 ，GPRS技术在配网监测方面将会得到推广应用 ，那么以此为基础的在线中低压配电网电压无功优化集中控制也是近期内发展的趋势 。

　　4 无功补偿优化规划

　　高压电网无功补偿配置 ，国内一般是按照变压器容量的10～30%配置 ，可能会造成无功补偿设备的配置不合理:部分地区电压偏高却没有安装电抗器导致电压越上限;部分变电站的电容器补偿过多造成部分设备的闲置;部分电容器的容量分组不合理 ，难以尽量拟合无功负荷曲线 ，降损调压的效果不佳;另外有一部分地区尚未合理的配置无功装置等不合理的情况 ，从而造成电网建设投资浪费 。中低压配电网线路复杂 ，负荷分散 ，距离长 ，分支节点多 ，如果要完全进行全网的无功就地补偿投资太大 ，在中压配电网必须要考虑用有限的投资尽可能降低电网网损 ，减少设备维护 ，提高电压质量 ，达到投入产出效益比最大化 。

　　相对于电压无功控制而言 ，无功补偿优化配置未能得到长期重视 。事实上 ，从源头上规划好无功电源 ，不但节省投资 ，而且有利于电压无功实时控制的效果 ，合理的配置电容器电抗器的安装地点 、安装容量和分组方式 ，会大大提高设备利用率 、减少设备动作次数 ，减少设备维护费用 ，无功调节更合理 。

　　5 结论

　　电压无功自动控制是近年来电力工程界的研究热点 ，也是国家电网公司重点科研应用推广项目之一 ，且有大量成果得到应用并产生了可观的效益 。本文介绍了VQC装置和AVC系统软件技术的发展 。从以上分析可以看出 ，无功电压控制正在由手动控制走向自动控制 、由分散控制走向集中式的递阶控制 、由无序控制走向优化控制 、由单机单一控制走向网络分级控制 ，由主网电压无功控制走向主配网全网电压无功控制 ，由区域优化控制走向分层分级联合协调控制 。