智能仪器原理及应用

1、第 34 卷 第 12 期电 网 技 术Vol. 34 No. 10 2010 年 10 月Power System Technology000. 2010 文章编号：1000-3673（2010）00-0000-00 中图分类号：TM 714.3 文献标志码：A 学科代码：4704051 智能 AVC 系统的特征和建设研究 唐寅生 1，丁晓群2 （1湖南电力调度通信局，湖南省 长沙市 410007；2河海大学 能源与电气学院，江苏省 南京市 210098） Research on Features of Smart AVC and Its Construction TANG Yinsheng

2、1, DING Xiaoqun2 (1. Hunan Electric Power Dispatch Communication Bureau, Changsha 410007, Hunan Province, China; 2. School of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Smart AVC is an important component of smart grid. The authors summari

3、ze current development status of AVC home and abroad, propose the conception and features of smart AVC, point out that the construction course of smart AVC should be based on present first generation of AVC, via the transition of the second generation of AVC and then work up to the smart AVC, i.e.,

4、the third generation of AVC. Main tasks of the second generation of AVC, that is in the transition period, include adjusting the layout of reactive power compensation equipments, increasing dynamic reactive power compensation equipments and smart power plant as well as the construction of smart subs

5、tations. The functional characteristics of smart AVC such as adaptability and self- healing are unscrambled and it is illustrated that smart AVC can make three indices of power grid, namely power quality, line loss and voltage stability, attain their best simultaneously, thus the growth pattern of s

6、ocial and economical effects of power grid will be changed. Finally, it is pointed out that the marketization of power grid reactive power is the impetus for the construction of smart AVC. KEY WORDS: smart AVC; voltage quality; line loss; voltage stability 摘要：智能自动电压控制(automatic voltage control，AVC)

7、系统是智能电网的重要组成部分。总结了国内外 AVC 的 发展现状，提出了智能 AVC 的概念与特征，和智能 AVC 的建设需由现在的 AVC 一代，经 AVC 二代过渡，向智能 AVC(AVC 三代)发展的方向，以及 AVC 二代过渡时期的 主要任务，包括调整电网无功补偿布局、增加动态无功补 偿装置和智能发电厂、智能变电站建设等。解读了智能 AVC 的自适应与自愈等功能特征。举例说明了智能 AVC 使得电网的电压质量、线路损耗及电压稳定等 3 项指标能 同时抵达最好状态，转变电网效益增长方式。最后指出电 网无功的市场化是建设智能 AVC 的动力。 关键词： 智能自动电压控制； 电压质量； 线路

8、损耗； 电压稳 定 0 引言 我国正在努力建设坚强智能电网。智能电网 应该是具有思维、分析、判断、决策、控制能力 的电 网，无论在什么情形下，都能自动、快速、准确 地进行自控，保持电网的安全、稳定、高质、高 效和人性化的运行，能够自如地应对和处理来自 自然界灾难和人为等各方面的挑战的电网1。建设 坚强智能电网的目的是充分发挥电网在资源优化 配置、服务国民经济发展中的作用，这对我国经 济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的 现实意义。 智能电网的无功控制应该具有实时就地(分层) 平衡能力，这样智能电网才能实现电压质量、线 路损耗及电压稳定等 3 项指标同时抵达最好状态 的目标。可是，我国电网

9、的电容器补偿长期存在 着电力需求侧装得少、高压电网装得多的“倒置” 现象；加上以电压为目标的调控方法，无功跨层 次、远距离、大容量向电力需求侧输送，牺牲了 线损，勉强保持电压水平。 本文根据我国自主创新发明的经济压差无功 潮流原理，提出了智能自动电压控制(automatic voltage control，AVC)系统的概念与特征，和智能 AVC 的建设需由现在的 AVC 一代，经 AVC 二代 过渡，向智能 AVC 三代发展的方向，以及过渡时 期的主要任务，以推动智能 AVC 的发展。 现代电网 3 大控制系统包括自动发电控制 (automatic generation control，AG

10、C)系统、AVC 系 统和基于广域测量系统(wide-area measurement system，WAMS)的安全稳定控制系统。智能 AVC 2唐寅生等：智能 AVC 系统的特征和建设研究Vol. 34 No. 0 系统是现代电网 3 大控制系统的重要组成部分， 应该涵盖电网的发、输、变、配、用电的各个环 节，涵盖各种功能。 1 AVC 发展现状 1.1 国外情况 AVC，在 20 世纪 80 年代初开始用于电网， 称为二次电压调节网，目标是在电网中实现无功 功率及电压的区域性集中控制。例如，法国 EDF 国家电网，在 1978 年 12 月 19 日发生大停电事故 后，开始研究并逐步实施

11、了二次电压控制。到 1986 年，几乎全国电网都配置了二次电压控制系 统。EDF 通过调节 27 个控制区，约 100 台火电与 150 台水电机组，共 30000Mvar 的无功功率，控 制各分区中分别设置的若干个主导节点的电压， 以控制全网电压的运行水平。二次电压调节是指： 电压的快速变化，均由具有全网影响意义的发电 机组的一次作用进行调节；电压的慢速变化，由 二、三次无功电压控制调节。二次控制由具有区 域影响意义的动态无功补偿装置进行调节，手动 操作的无功补偿装置定为三次调节。由超高压电 网提供电压参考，作为全网电压调节的参考，防 止出现电压调节的不协调。EDF 的运行实践证明， 采用二

12、次电压调节后，电网正常情况下的运行电 压水平得到了较好的控制2。 1.2 国内情况 我国电网的 AVC 起源于 20 世纪末。那时我 国电网得到了相当的发展，机组容量不断提高， 电网规模不断扩大，电压等级不断提升，区域电 网逐渐形成。为了稳定电网电压，在原电力工业 部发出的电力工业部关于调度机构开展安全文 明生产达标和创一流工作的通知3与国家电力 公司建设国际一流电网调度机构考核标准(试行) 中的评价一流技术4中，增加了考核电网 AGC 和 AVC 功能的规定。这些规定推动并开辟了 AVC 在我国电网中发展的广阔前景。 10 多年来，AVC 在我国电网中得到了普遍推 广，覆盖率约 30%40%

13、。AVC 适应了我国电网的 发展现状，最大限度地利用了现有的无功补偿装 置，稳定了电网电压水平，在一定程度(约 1%1.5%) 上减少了电网中的电能损耗。 但 AVC 不代表全网经济的无功优化，文献5 对二或三级电压控制进行了如下表述：不以统一 的目标函数进行定量的优化调度，而是将目标层 次化，一般以电压作为控制对象，没有将网损以 及控制设备动作次数等综合起来考虑，且上层控 制在修改下层整定值时往往没有考虑下层控制的 允许限制和响应能力，因此其结果既不一定满足 设备动作次数最少的限制，也不代表经济的无功 优化。 所以，作者称它为AVC 一代，也就是目前正 在全国省、地、县电力部门大力推广应用的

14、AVC 系统。 2 智能 AVC 智能 AVC，即智能化的电网无功优化调度 (optimal reactive power dispatch，ORPD)。ORPD 指在电网的无功电源的优化布局下，通过发电厂、 变电站的无功就地平衡及变压器分接头的自动调 控，使得电网的电压质量、线路损失和电压稳定 储备 3 个指标逐步自趋优化运行，同时抵达最好 状态。智能 AVC 也称为 AVC 三代，需要由 AVC 一代、经 AVC 二代发展而来，提升 AVC 的智能 化功能。 智能 AVC 应该具备以下特征： 1）无功优化。自动实现电网无功优化运行。 组成电网的各(发电厂、输电线路、降压变压器与 用电企业)

15、元件都做到无功就地平衡。输电线路与 联络变压器中只通过最少量的无功。 2）柔性控制。柔性，即可控性。智能 AVC 必须做到无功调控的可以控制性。但电容器组不 具备柔性控制特征。 3）更安全、高质量、高效率。电网的安全、 优质(电能质量供电电压偏差)与输电效率(降低线 损) 3 个指标同时抵达最好状态。这是电网效益转 变发展方式的重要体现。 4）先进的预防机制。先进的预防机制，就是 无功就地平衡的机制。即什么地方用，就什么地 方补偿；什么时候用，就什么时候补偿；用多少 就补偿多少的机制。 5）自适应计算功能。电网具有适应任何情况 下的无功潮流计算功能。 6）自愈功能。电网发生事故后，具有自己恢

16、复电压水平的功能。自愈功能实际上就是电网发 生事故后实现无功就地平衡的能力。自愈功能应 该包括自适应功能与无功自动调节功能。 第 34 卷 第 0 期电 网 技 术3 7）人性化互动。电网无功的电压控制依赖发、 供、用 3 方的共同努力，需要发、供、用 3 方的 互动合作功能。 8）市场化。电网无功电压控制的动力在于市 场化，智能 AVC 应当考虑电网调度管理下的市场 化的运行和使用。 3 AVC 二代过渡时期的任务 AVC 二代与 AVC 一代相比，增添了电网无 功功率实时监测技术。目的是进一步促进电网无 功补偿装置布局走向就地平衡，进一步推进转变 电网提高电压质量与降低线损的方式，逐步把电

17、 容器组改为动态平滑连续调节的无功补偿装置。 AVC 二代是个漫长的过渡时期。其过渡时期的主 要任务是： 1）调整电网无功补偿布局。 无功补偿布局指的是电网中的每一个节点应 该安装的无功补偿装置的容量和性质的综合。调 整无功补偿布局，主要任务是增加需求侧无功补 偿容量，使其能够在任何时候都有做到无功就地 平衡的能力。具体工作就是按照科学发展观重新 修改功率因数调整电费办法 。现行功率因数 调整电费办法 ，妨碍了电网的安全优质经济运行 6-7。 当前，调整无功补偿布局最重要，因为没有 科学的无功补偿布局，动态无功补偿装置和科学 的就地无功补偿算法也无济于事；有了科学的无 功补偿布局，即便没有动态

18、无功补偿装置和科学 的就地无功补偿算法，电网的无功电压运行状况 也会优于现在的状况。 其次，10kV 以上电压等级的电网应该实施无 功在线监测，通过实时监测分析，确定调整无功 补偿布局的改造方案，一步一步地进行改造，最 终达到科学的无功补偿布局。 无功在线监测的基本做法是：用 SCADA 系统 采集来的电压(U)、有功功率(P)和无功功率(Q)等 数据，用电网无功优化潮流经济压差(UJ)算法， 按照监测与控制系统要求的刷新速度，以给定电 压约束下的全网无功优化潮流为目标，求出发电 厂、变电站应该注入电网界面的实时无功优化值 (Qopt)，与无功实际值(Qret)进行比较，得出无功偏 差量(Q)

19、，求出此时刻应该安装的无功补偿量， 再总结得出日、旬、月及年应该有的安装容量的 数量与性质8。该值就能够覆盖全年的运行方式需 要。 另外，新建变电站的无功补偿装置容量的设 计与选型，应该符合无功就地平衡的要求。 2）逐步增加动态无功补偿装置。 转变思想认识，把变电站的电容器组逐步改 造成动态平滑连续调节的无功补偿装置，以便适 应就地、时间与数量的三维无功平衡需要。这是 转变电网效益增长方式，使安全优质经济运行 3 个指标同时抵达最好的必需条件。 3）智能发电厂。 我国电网的 AVC，目前控制发电厂个数的比 例只占发电厂总数的约 30%40%。应逐步增加控 制比例，最终达到全控。没有全控就没有全

20、网无 功优化潮流。 智能发电厂应该具有自适应电网无功优化调 度需要的计算能力，并与微机励磁调节装置连接 起来组成就地闭环无功控制系统，完成发电厂在 智能 AVC(AVC 三代)中的功能9。智能电网的建 设需要智能发电厂的辅助。 4）智能变电站。 接入同一电压层次电网中的所有变电站的无 功补偿装置运行状况都应纳入 AVC 的控制范围。 智能变电站与智能发电厂一样也应该具有自 适应电网无功优化调度需要的计算能力，并与当 地的无功补偿装置连接起来形成就地闭环无功控 制系统10，完成变电站在智能 AVC(AVC 三代)中 的功能。智能电网的建设需要智能变电站的辅助。 5）控制界面与目标。 智能发电厂与

21、智能变电站的控制界面，应该 在升、降压变压器的高压侧，这个控制界面的实 时无功值比较目标值的准确程度直接影响智能电 网的无功潮流的优化水平11。 智能发电厂与智能变电站的控制目标是给定 电压约束下的无功值。电压约束值决定电网的普 遍电压水平，与全部(起码是大多数)变压器的使用 变比相关。调节界面的实时无功优化值，移动每 一条输电线路的无功分点，使无功分点逐步趋向 本线路的中点，减小输电线路两端的电压差，提 高电网的平均电压水平。例如，对应于下面图 1 中的安顺发电厂的无功实时优化值是72Mvar， 4唐寅生等：智能 AVC 系统的特征和建设研究Vol. 34 No. 0 即发电厂应该吸收无功

22、72Mvar；500kV 贵阳变电 站应该吸收无功 225Mvar。 4 智能 AVC 示例 交流电网中无功优化的科学、通俗解释是无 功就地平衡，即组成电网的发电厂、输电线路、 降压变电站与用户等 4 个元件的无功就地平衡。 当代，发电厂、降压变电站与用户的无功完全应 该且可以做到就地平衡。输电线路无功的就地平 衡，就是过剩无功在本线路的两端等量补偿。位 于输电线路两端的发电厂或者变电站，应该接受 输电线路过剩无功的 1/2。因此，输电线路通过的 无功只有本线路过剩无功的 1/2，变压器中通过的 无功等于其高压母线上所连接的输电线路过剩无 功之和的 1/2。电网中的无功潮流分布，在平面电 网中

23、做到了就地平衡，在相邻电网中做到了分层 平衡。此时，电压质量最好，线路损失最少，功 角损失最小，稳定状况好。上述理论是中国人的 原创发明，称输电线路的经济压差(UJ)无功潮流 理论12-13，可用来指导智能 AVC 的建设。文献 14介绍了本世纪初期 500kV 南方电网离线计算 的无功优化潮流图(见图 1)。对应于此方式，电网 的安全、优质、经济运行的 3 个指标，同时抵达 到了最好状态。 智能 AVC 产生的优化效益为：常规潮流：最 大电压 UMAX567kV；最小电压 UMIN462kV； 平均电压 UCP530.4kV；电压偏差量 U105kV；有功功率损耗P53.5MW。优化 潮流：

24、最大电压 UMAX538kV；最小电压 UMIN527kV；平均电压 UCP532.4kV；电压偏 差量U11kV；有功功率损耗P43.26MW， 降损 10.24MW，降损率 19.1%；最高电压降低 29kV，最低电压升高 65kV，平均电压升高 2kV。 贵阳 安顺 250j72 532kV 51j153 汕头 500j121 527kV 507j121 惠州 534kV 核电 538kV 深圳 531kV 沙角 533kV 804j16 182j69 181j69 800j16 江门 532kV 538j41 537j10 656j87 658j119 增城 532kV 539j40

25、541j32 蓄能 535kV 459j72 256j21 256j53 456j63 罗洞 532kV 468j264 468j198 梧州 531kV 来宾 530kV 466j305 464j240 苹果 531kV 沙塘 530kV 岩滩 536kV 322j140 325j120 14j239 14j195 177j52 178j73 568j21 565j65 534kV 250j72 149j377 149j377 天生桥 533kV 51j153 图 1 500 kV 南方电网离线计算的无功优化潮流 Fig. 1 Reactive power optimization flow

26、 diagram calculated off-line in China Southern 500 kV Power Grid 5 智能 AVC 的部分特征解读 5.1 自愈功能 自愈功能是指电网发生事故后，自己具有恢 复电压水平的功能。自愈功能，实际上就是电网 发生事故后，实现事故方式下的无功就地平衡的 能力。自愈功能应该包括自适应计算功能与无功 自动调节功能。这是智能 AVC 的重要的功能。 2003 年的“8.14”美、加大停电事故，从事故发 生到电网崩溃，经历了 5 个阶段，62min，见图 2，最终未能阻止或者减缓事故发生，其中一个最 重要的原因就是电网不具备自适应计算功能和自 愈

27、功能。通信 (道)中断后，调度中心失去了状态 估计与无功潮流计算能力，更没有足够容量的动 态无功补偿装置来 缓慢的相继开断阶段 第 个事件 2 首发事件 第 个事件 3 第 个事件 4 第 个事件 5 62 3 2 0.2 快速的相继开断 短暂的振荡阶段 系统崩溃 29h 以上的 停电过程 可利用在线分析、 预防控制技术 来缓解、 终止崩溃过程 自适应 紧急控制 第 3 条 防线 自适应 恢复控制 t/min 图 2 2003 年“8.14”美、加大停电事故 经历的 5 个发展阶段 Fig. 2 The experience of “8.14” America and Canada black

28、out five stages of development in 2003 迅速进行就地补偿15。 5.2 人性化互动 互动就是要达到社会各方面都受益，落实到 实际就是要相邻两级电网协调运行，达到双赢。 例如 220kV 电网，属省调，下级电网电压是 第 34 卷 第 0 期电 网 技 术5 110kV，属地区调。地区调的 110kV 电压电网运 行正常的首要条件是要得到一个标准的 110kV 电 压，其次是优化 110kV 电网无功优化运行。得到 一个标准的 110kV 电压，最简捷的方法是人为调 整 220kV 变压器的变比，那就必须保证注入电网 的无功在省调的规定范围内，不影响 220

29、kV 电网 的电压水平。 5.3 市场化 实施智能 AVC，要求电网对发电厂、电网对 变电站(供电公司)实施电压质量差别电价16。 电压质量特征参数是电能的电压质量判据。 如图 1，每个厂站的注入电网无功调整方向都是从 初值(Q)逐步向经济压差的目标值最优化无功(Qopt) 靠拢。例如安顺发电厂从 30Mvar 向 72Mvar 方向 调整，在这个调控过程中，安顺发电厂的无功逐 步走向就地平衡，与此同时，每条线路的无功分 点逐渐向本线中点移动，电网末端(如汕头变电站) 的电压就由 462kV 逐步提高到 527kV，首端(如安 顺发电厂)的电压就由 567kV 逐步降低到 534kV， 全网输

30、电损耗从 53.5MW 逐步减少到 43.26MW， 减少了 10.24MW。这是全网每一个节点的无功逐 步达到就地平衡带来的效益。 电压质量特征参数是实时量。电压质量特征 参数与电子式多功能电能表接口，就可以实现功 能扩充的电压质量电能表，就能分别测量并统计 通过发电厂或变电站上(下)网界面上的不同电压质 量的电能量，再分别按标准电价或调整电价计费。 QQopt时，电能的电压质量合格，线损最小； QQopt时，电能的电压质量不合格，线损增大， 一切安全经济效益指标都偏离最优值。 所以，在给定电压约束下的发电厂或变电站 与电网的连接界面上的无功交换值 Qopt称为电压 质量特征参数。发电厂或者

31、变电站下网的无功交 换实时值 Q 超越 Qopt的允许误差越大，发电厂的 上网电价越低，变电站的下网电价越高。 6 结语 智能电网必须有智能 AVC。智能 AVC，即智 能化的 ORPD，是电网无功优化运行的最高形式。 中国人提出的输电线路经济压差(UJ)无功潮流理 论及其应用到复杂电网中的方法，加上动态无功 补偿装置与电网无功的市场经济，是实现智能 AVC 的钥匙。 本文提出了由现在的 AVC 一代，经 AVC 二 代过渡，向智能 AVC(AVC 三代)发展的方向，以 及 AVC 二代过渡时期任务。 实现智能 AVC，是全国电网调结构、转方式， 全局中的一环，是电网管理部门转变电网效益增 长

32、方式的重要工作，可以使电网的电压质量、线 路损耗与电压稳定 3 个指标同时抵达最好状态。 电网无功的市场化是建设智能 AVC 的动力。 参考文献 1余贻鑫智能电网的技术组成和实现顺序J南方电网技术， 2009，3(2)：1-5 Yu YixinTechnical composition of smart grid and its implementation sequenceJSouthern Power System Technology，2009，3(2)：1-5(in Chinese) 2王梅义，吴竞昌，蒙定中大电网技术M2 版北京：中国 电力出版社，1995：278-290 3电力工业

33、部关于调度机构开展安全文明生产达标和创一流工作 的通知S1996 4国家电力公司国家电力公司建设国际一流电网调度机构考核标 准(试行)S2001 5张勇军，任震，李邦峰电力系统无功优化调度研究综述J电 网技术，2005，29(2)：50-55 Zhang Yongjun，Ren Zhen，Li BangfengSurvey on optimal reactive power dispatch of power systemsJPower System Technology，2005，29(2)：50-55(in Chinese) 6钱峰，唐寅生，苏喆，等无功电价政策对电网节能降损水平的 影响及

34、修订建议J电网技术，2009，33(4)：17-20 Qian Feng，Tang Yinsheng，Su Zhe，et alInfluence of reactive power pricing policy on energy conservation and loss reduction level in power grid and revising proposalJPower System Technology，2009，33(4)：17-20(in Chinese) 7唐寅生，蒋凯，钟锦群，等关于重新修订“功率因数调整电费 办法”的建议J电力需求侧管理，2006，8(3)：22-

35、24 Tang Yinsheng，Jiang Kai，Zhong Jinqun，et alSuggestions about revising power-factor regulating tariff measuresJDemand Side Management，2006，8(3)：22-24(in Chinese) 8朱军，盛万兴，唐寅生电力系统无功功率实时监测与控制方法 研究J华中电力，2006，19(3)：1-3 Zhu Jun，Sheng Wanxing，Tang YinshengResearch on the real- time monitoring and control

36、method of the power system reactive powerJCentral China Electric Power，2006，19(3)：1-3(in Chinese) 9唐寅生，李文云500kV 漫湾草铺输电系统优化无功潮流调整 控制研究J电网技术，2001，25(5)：49-52 Tang Yinsheng，Li WenyunRegulation and control of optimum reactive power for 500kV transmition system from Manwan to CaopuJPower System Technology，2001，25(5)：49-52(in Chinese) 10 赵彩虹，唐寅生电网降损节能面临的四大关键问题J电力设 备，2007，8(7)：14-18 Zhao Caihong，Tang YinshengThe 4 key problems of e