地区电网自动电压控制(AVC)技术

定母线电压控制/定支路无功控制
1、定母线电压控制：传统控制模式，即按电压控制为主，以程 序给定或人工设置的电压目标值运行，追求控制结果，不能控 制支路无功窜动。 2、定支路无功控制：在使电压运行在事先给定的上、下限范围 之内的前提下，以支路无功最优为控制目标，可最有效最直观 地降低网损，追求控制过程。相对定电压控制模式是观念的更 新。 3、当无法给出母线电压目标值（范围很窄），无法按定母线电 压控制模式运行时，实际上只需给出一个较为粗略的电压上、 下限范围和支路无功最优方向，即可按定支路无功控制模式运 行，同样实现网损优化。
AVC系统的必要性
随着高电压等级、大容量和跨区电网的迅速发展，为 保证电网安全、优质和经济运行，对电压质量提出了 更高标准和更严格的要求。电网的电压质量是电能质 量的一项重要指标。为进一步提高电网主网的电压质 量，降低主网网损，实现电网运行在线控制的目标， 减轻值班人员人工调整电压的劳动强度，开发并研制 电网的自动电压控制系统显得十分必要，它为现代电 网安全稳定控制提供了先进的技术手段。
AVC总体方案 电网AVC控制结构示意图
主站系统
－
电力系统
－
区域电压 控制
厂站电压 控制器
无功设备
中 枢 母 线 区域1
……
全网无功 优化控制 目标解 耦协调
实时动态 分区
空间解 耦协调 区域n
－
区域电压 控制
－
厂站电压 控制器
无功设备
中 枢 母 线
时间解 耦协调
AVC总体方案－目标解耦协调
主站安全性与经济性解耦： 全网无功优化以经济性目标为主； 区域电压控制以安全性目标为主。 主站安全性与经济性协调： 全网无功优化给出潮流（V/Q）目标值供区域电压控制 使用； 区域电压控制在安全性前提下满足目标值。
电压无功特性－提高电压节能效益
提 高 电 压 （％）
1
2
3
4
5
6
降 低 网 损 （％）
2
3.8
5.7
7.5
9.3
11.2
高压输电原理
电压无功特性－功率因数补偿节能效益
补偿前功率 因数 补偿后功率 因数 降低网损 （％） 60 53 46 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8
0.85
0.9
0.95
U i ,min ≤ U i ≤ U i ,max QGi ,min ≤ QGi ≤ QGi ,max Tk ,min ≤ Tk ≤ Tk ,max QCi ,min ≤ QCi ≤ QCi ,max
不足：
•收敛性难以保证 •基础数据——状态估 计（SE）的可靠性难 以评估 •优化结果的可操作性 不好
目录 第二篇 南瑞AVC解决方案 2.1 技术方案 2.1.1 AVC解决思路 2.1.2 分层分区分级控制方案
AVC实施目标－做什么
1、保证主网电压在合格范围内； 2、保证系统动态稳定、设备和厂用电安全所需的电压 水平； 3、保证系统有充足的动态无功储备； 4、充分利用发、供电侧的无功资源，实现无功的上下 协调、分区优化，尽可能降低电网网损，以取得经济 效益；
定母线电压控制/定支路无功控制
再次循环扫描发电机无功及枢纽母线电压，电容器投入后，发 电机若仍然发出原来无功，机端电压及枢纽母线电压将升得很高 甚至可能越限，应该减少发电机无功出力使线路首端无功潮流和 末端平衡，此时线路无功传输合理，枢纽母线电压也在合格范围 之内。 虽然发电机无功出力减少，但是电容器增加了无功注入，从全 网角度看，全网无功注入反而增加，从而使全网无功平衡维持在 一个高电压水平上，网损必然最小，达到了控制目标。 枢纽母线电压的控制水平是先决条件，否则有可能出现低电压 水平下的无功分层分区平衡，网损也不经济。 随负荷变化，该控制过程周而复始启动，自动调节，始终使电 压无功处于优化状态，控制方式是校正控制。
i , j∈N i ,i ≠ S
∑U j (Gij cosθij + Bij sin θij ) ∑U
j
优点：
•理论上严密 •数学及物理意义清晰
0 = QGi − QDi − U i
i∈N i ,i∈N PQ
(Gij sin θ ij − Bij cos θ ij ) (i ∈ N B ) (i ∈ N G ) (k ∈ NT ) (i ∈ N C )
电压无功特性－发电机输出功率极限
Pmax
E0U = Xd
E0－发电机空载电势 U －发电机机端电压 Xd－发电机电抗 在允许范围内提高电压可增加通道输送能力，增加发电量
电压无功特性－经济压差原理
电网支路功率传输公式： 线路最大输电能力Pmax =（U1*U2）/Z 输电损耗ΔP = R*P2/ U2 +R*Q2/U2 线路压降ΔU≈（P*R+Q*X）/U 因此，有功P一定，U （限值范围），Q ，则ΔP和ΔU ，极限状 态为：ΔUJ ≈ PR/U，Q＝0 减少线路损耗方法： （1）提高线路电压； （2）减少无功功率流动，特别是长线路。 无功分点刚好在线路中点，亦称为经济压差。（普遍实用） 无论算法或策略其控制效果必须满足无功优化原则：高电压水 平下无功分层分区甚至就地平衡，经济压差是其极限状态定量 表示。
电力系统逆调压
1 高峰负荷无功电源增发无功，提高电压，降 低损耗 2 低谷负荷无功电源减发无功，避免充电无功 引起过电压运行
电力系统无功电压调节手段
1 调整发电机无功出力 2 投切电容器 3 投切电抗器 4 调整主变分接头：只改变无功分布，不输出 无功 5 其他
电压调整的基本原理
充足的无功功率是保证电压运行水平的必要条件
AGC启发－AVC与AGC比较
控制 控制 目标1 目标2 自动发电控 制（AGC） 自动电压控 制（AVC）
确保频率 质量（f） 控制联络 线有功， 使有功在 计划值内
区域 平衡
分区固 定，有功 分区平衡 区域自适 应变化， 无功在尽 量小区域 平衡
经济性目标
不考虑有功网络传输 过程，网损或发电费 用优化须与EDC结合
•硬的“物理分区” 可能与软的“电 气分区” 不一致 •仅考虑发电机，未考虑负荷侧 OLTC及电容器配合 •三级控制OPF的可用性不强
…
电力设备 的自动控 制装置
电力设备 电力设备 的自动控 的自动控 制装置 制装置
…
国内AVC系统发展特点
自底向上，由变电站->地调->省调 随着自动化通信技术发展，经历了一个单 站、区域、全网的发展过程，也是一个简 单到复杂的过程
4
1
8
Umin
不足：
•只能控制单个厂站 •全网协调性差
Q
5
6
7
Q：变压器高压侧无功功率
国外AVC现状与发展
基于OPF的无功优化
min f Q =
k ∈N E
∑P
k .loss
=
k ∈N E
∑g
k
(U i2 + U 2 − 2U iU j cos θ ij ) j
s.t. 0 = PGi − PDi − U i
传统电压无功管理与控制方式
人工分散控制，经验调节，典型方式如下： 1、每季度对发电厂高压母线和变电站高压母线下达电压曲线 和功率因数要求； 2、运行人员严密监视电压，必要时手动调整无功设备以满足 电压在合格范围； 3、对电压合格率达不到要求的电厂和供电公司罚一定数量的 电量。
传统电压无功管理与控制困难
确保电压 控制联络 质量（V） 线无功， 尽量减少 无功传输
必须考虑无功网络传 输路径，减少支路无 功可以降低网损
AGC启发－AVC总体方案
1、具有相似的分类调节体系； 2、具有相似的控制模式： 定频率控制－－－定电压控制（定点） 定有功控制－－－定无功控制（定联络线） 经济调度－－－全网无功优化 3、不同点：AGC分区固定，AVC分区动态确定 4、AVC总体方案：在动态分区基础上采用类似AGC控 制，综合运用定点和定线两种控制模式，使电网处于 高电压水平下无功分层分区平衡优化运行状态。
国外AVC现状与发展
以法国为代表的分区分级（三级）控制
三级 控制
全局优化控制
Vref
区域电压 控制器1 SVC-1
优点：
区域电压 控制器n SVC-n
二级 控制
…
区域电压 控制器i SVC-i
…
•符合无功电压的区域性和分散性 •基本符合国内网-省-地-县调的分 级分区调度体系
Vref
一级 控制
不足：
有功/无功/力率关系
电力系统无功平衡
1 无功电源＝负荷＋损耗 2 电压表征无功平衡水平（相对地，频率表征 有功平衡水平） 3 无功不能远距离传输，最好各节点分散自治 平衡
电力系统无功电源
1 发电机组无功出力：调节励磁，进相/迟相 2 分散的补偿装置：电容/电抗器 3 静止无功补偿器、调相机 4 输电线路充电无功
UG 1:K1 K2:1 Ub P+jQ R-jX
G
负荷节点电压： U b = (U G K1 − ΔU ) / K 2 = (U G K1 −
PR + QX ) / K2 K1U G
调整负荷端电压Ub的措施： • 改变发电机端电压UG • 调整变压器变比K • 改善网络参数R和X，改善无功功率Q分布（减少无功传输），以减小压降 • 投切负荷端容抗器
定母线电压控制/定支路无功控制
单机无穷大系统（最简单电网）AVC按无功优化原则的控制过程
图中发电机可能为等值发电机 定母线电压控制：调整发电机无功，使枢纽电压升高到控制高 水平，此时无功远距离输送，不经济，且末端电压降落大； 定支路无功控制：在母线电压处于合格范围内，电容器（假定 容量足够）投入使线路末端满足无功潮流最优时候的无功指令；
AVC问题解决思路-怎么做
1、分析电压无功传输特性 2、借鉴国外分级电压控制模式，先将复杂问题进行分 解，然后进行协调。 3、借鉴AGC控制原理和工程经验，已有例子： 1968年，日本在AGC系统上增加AVC功能，迈出第一 步； 1974年，EDF（法国电力公司）提出的SVC，控制环 节与AGC相似
目录 第一篇 AVC基本原理 1.1 电压无功控制理论基础 1.1.1 无功平衡基本概念 1.1.2 电压无功调节原理 1.2 AVC发展综述 1.2.1 传统人工控制方式 1.2.2 AVC发展路线图
电力系统无功功率概念
1 储能元件：电容器/电抗器 2 电磁能量转换：电动机 3 无功本身不产生能量消耗，但传输过程中引 起有功/无功损耗 4 无功≠“无用之功”，无功优化目的是减少无功 传输，而不是减少无功注入
38
29
20
10
功率因数补偿在传输环节表现就是无功传输减少
AGC启发－三次电压调节
1、一次调节/一级电压控制：毫秒—秒，发电机组AVR 自动调节，快速响应系统电压变化（类似一次调 频）； 2、二次调节/二级电压控制：数十秒—5分钟，由发电 机组吸收和发出的无功功率，使区域内电压合格 （类 似AGC）； 3、三次调节/三级电压控制：10分钟—15分钟，系统 电压和无功分布全面协调，控制发电机、电容器、电 抗器和变压器分接头，使电网在安全和经济状态下运 行 （类似经济调度）。
1、静态下达的电压曲线将不能适应日益复杂的动态潮流分布 2、较难保证发电机组安全稳定水平所需的较好的电压水平 3、无功和电压的就地分散控制不能满足保持系统足够的动 态无功储备的要求 4、无功电压的就地分散控制难以达到全网优化的目标 5、无功电压控制调整的劳动强度大
人工控制特殊难点
1、电厂之间无功协调困难； 2、厂站只注重母线电压控制，无功窜动大； 3、电容器投切（早投晚切）不能和电网实际合理协 调。
百度文库
国内电网AVC现状 国内AVC系统理论研究上跟踪国外最新进展，技 术水平与国际先进保持同步。但是必须清醒地 认识到，与国外较为成熟的AVC系统相比，我国 全网AVC闭环控制工程应用仍然处于起步阶段， 应更加注重提高实用性，使先进算法研究与具 体工程实际相结合，提高应用水平，取得类似 AGC闭环控制的良好实际运行效果。
AVC发展路线图 地调AVC
T
省调AVC
AGC
国内:AVC方兴未艾
2001
法国分区分级控制 变电站VQC 基于九区图
德国基于OPF
1990
在线
全网离线 分析OPF
离线
变电站VQC
基于九区图的变电站VQC装置及其软件
U：变压器低压侧母线电压
U 3
Qmin
Qmax
优点：
Umax
2
9
•原理明晰简单 •可靠性较高
电力系统无功负荷
1 感应电动机，约占65% 2 变压器损耗，约占20% 3 其他，约占15% 4 线路在重负荷时吸收无功（电抗消耗无功大 于充电无功），轻负荷时输出无功（电抗消耗 无功小于充电无功）
电力系统运行电压
1 电压范围：10kV为10-10.7kV 2 过电压运行，绝缘损坏，变压器过励磁，铁 损增加 3 欠电压运行，有功静稳与电压静稳裕度下降, 有功损耗增加