AVC技术分析与应用

自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）是指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功功率／电压情况，进行在线优化计算，分层调节控制电网无功电源及变压器分接头，调度自动化主站对接入同一电压等级电网的各节点的无功补偿可控设备实施实时的最优闭环控制，从而满足全网安全电压约束条件下的优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小。从本质上说，自动电压控制的目标就是通过对电网无功功率分布的重新调整，保证电网运行在一个更安全、更经济的状态。从整体上看，自动电压控制的研究工作主要集中在以下几个方面：

1）在空间上，怎样利用无功功率/电压控制的区域特性将电网划分成为耦合较为松散的区域；怎样选取合适的中枢母线和控制发电机。本质上是研究如何将控制目标空间降维，使不可控问题转化为可控问题。

2）在时间上，怎样设计不同控制器的时间常数；怎样将静态时间断面下的控制策略计算与不断随时间变化的电力系统状态结合。本质上是研究电压控制的动态特性。

3）在目标上，怎样提高电网安全性和经济性；怎样在电网的安全性和经济性目标之间进行协调。这是一个研究如何合理求解控制策略的过程。

为避免无功长距离输送或多级变压器输送，传统的无功电压控制一般采用分散控制。在这种控制方式下，各电压控制设备（发电机、有载调压变压器、电容电抗器组）仅能获取本地信息，独立地控制本地的电压。这样的分散控制虽然响应速度快，不依赖于控制中心，但由于控制器之间无法协调，仅保证就地将无功电压控制在一定范围内，但可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利影响，所以不能保证就地控制对于全网来说就是最好的控制方式。

与分散控制相对应的是电压集中控制，它需要系统范围内各点的电压信息，由调度中心产生控制信号。在集中控制中，每个控制器需要全系统的动态信息，运行人员监控全系统的电压分布，然后发出改变全系统无功控制的命令。这种控制方式对无功测量准确度和数据通信有较高的要求，实施起来有一定的困难，要求对全系统运行机制有透彻的了解。如果要实现闭环自动控制，对基础自动化水平、信息通道质量和电压无功监控主机系统性能的要求很高，不仅投资太大，且功能过于集中，风险太大。因此采用这种控制方式只适用于较小的系统。AVC系统是集散控制系统，是以上分散控制和集中控制功能的综合体现，它避免了单独采用分散控制或集中控制的弊端，扬长避短，采用3层无功电压控制体系，解决了分散控制不利于全网最优的缺点，也解决了集中控制风险大的缺点，实现了全网范围内的无功电压优化运行。

AVC系统是一个集散控制系统，即所谓的集中决策分层控制，具体来说主要由1个中心控制子系统和3个分散控制子系统组成。包括省调度中心的电压无功综合优化控制系统、地区调度中心的电压无功综合优化控制系统、发电厂的自动电压控制系统和变电站（主要为500kV变电站）的自动电压控制系统。通过调度主站侧以网损最小为目标函数，电压合格为约束进行优化计算得出各个调节手段的调整目标，包括发电厂高压侧的母线电压定值、并联补偿设备的最优投切状态、主变的分接头最优位置，通过调整达到网络运行的最优状态，实现无功潮流的最优分布和电压的合格，最终实现电压调度的自动化。

下面详细介绍省级AVC的三层控制结构：

1）一级控制。由控制速度快（＜30s）的发电厂组成，根据高压母线电压设定值进行闭环控制。电厂AVC主要由两种方式：一种是电厂监控系统具有全厂AVC控制功能，一种是在电厂内增加AVQC装置，实现全厂机组的电压无功综合自动控制。电厂AVC功能可根据中调下发的定值进行控制，也可自动精确跟踪根据逆调压原则制定的母线电压计划。由于发电机的电压无功控制是连续的、快速的、安全的，且具有较大的调整范围，因此主要用来控制全网的电压水平和实现电压的快速校正控制。一级控制的周期一般为10～60s，高压母线控制死区应不小于0.5kV（负荷变化引起的随机扰动幅度大致为0.3～4V）。

2）二级控制。由地区AVC系统组成。地区AVC系统根据省调度中心下发的功率因数考核指标和低压母线电压（110kV、10kV）考核自动控制地区范围内的220kV、110 kV变电站内主变压器分接头和并联补偿设备，保证地区电压质量和降低网损，同时协调省级AVC系统进行全网的无功电压控制。根据功率因数的考核进行并联补偿设备的控制，可保证省级主力电厂有足够的无功备用来控制全网的电压水平，并可提高电压的稳定性。对功率因数的控制由原来的宽带控制变为窄带控制。二级控制的周期一般为1～5min，功率因数的控制死区一般不小于0.005（对负荷为800MW的地区系统，功率因数在0.95～0.99之间时，相应的无功控制死区大约为15～34Mvar）。

3）三级控制。由省调中心的AVC构成，通过全网的优化计算得到电厂高压母线电压、500kV变电站变压器分接头和并联补偿设备的投切状态以及地区功率因数考核指标，然后通过通信网络将优化控制指标下发到电厂AVQC、500kV变电站AVC系统、地区AVC系统去执行。由于500kV电网和220kV电网是电磁环网，500kV变电站的控制目前不宜通过在变电站安装AVQC装置来实现，应纳入三级优化控制中进行综合协调控制。三级控制的周期对发电厂一般为15～30min，对500kV变电站为每日2～5次，网损的控制死区一般不小于0.2MW。

4）三层控制的协调关系。由电厂组成的一级控制利用快速和安全的控制来保证全网的优化电压水平，从而使高压输电系统近似在优化状态下运行。地区AVC作为二级控制不但要提高地区电压水平和降低网损，同时还要通过控制功率因数保证一级控制有足够的备用容量以保证全网的电压优化控制和电压的稳定。三级控制通过全网的优化进行总体的协调控制，通过控制500kV主变压器分接头保证220kV和500kV电网的总体电压水平，通过投切35kV并联电容器和电抗器来保证220kV和500kV无功的分层平衡，通过对二级控制下发功率因数指标保证一级控制的顺利实施。

控制系统电压使其运行在安全稳定的水平是AVC追求的目标。由于电压与无功功率的强耦合关系，调压实际上就是调整系统的无功功率分布。能够影响系统无功功率分布的装置有发电机端电压、有载调压变压器分接头、并联电容器和电抗器、调相机、静止补偿器等，通过对这些装备的调节或投切，可以影响系统的无功功率，具体如下：

（1）调节发电机机端电压

发电机既能给系统提供有功功率，又能提供无功功率，是电力系统中唯一能同时提供两种功率的电源。除了能够提供有功功率，发电机在必要时能够进相运行，以吸收电网中多余的无功功率。发电机具有连续可调、响应速度快的特点，而且不像无功补偿装置那样需要增加额外的投资。所有这些特点使得发电机成为无功电压控制的主要手段，是保证电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性必不可少的措施之一。

发电机机端电压由励磁调节器控制，改变调节器的电压整定值即可改变机端电压。励磁系统一般包括两个主要组成部分，即励磁功率单元和励磁调节器。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流（即励磁电流），在发电机定子和转子间产生气隙磁通，充当发电机进行机电能量转换的媒介；励磁调节器监测发电机的机端电压、电流或其他状态量，然后按照给定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，控制励磁功率单元的输出，进而调节发电机机端电压达到给定值。

发电机的机端电压与发电机的无功功率输出密切相关。当增加发电机的机端电压时，同时也增加了发电机的无功功率输出；反之，降低发电机的机端电压，也就减少发电机的无功功率输出甚至进相运行。因此，发电机的机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制。当发电机输出的无功功率达到其上限或者下限时，发电机就不能继续进行调压。发电机的无功输出极限与发电机的有功出力有关，有功出力较小时，无功功率调节的范围会更大一些，调压的能力会更强一些。多台机组同时进相运行会影响系统的稳定性，因此必须做大量稳定计算以确定系统在安全稳定的条件下安排机组进相运行。

（2）调节有载调压变压器分接头

在变电站中，为了调压，目前普遍采用有载调压变压器。它通过改变高压绕组（对于三绕组变压器，还有中压绕组）的分接头进行调压。当低压侧母线电压偏高时，调节分接头使得主变压器电压比增大，降低低压侧母线电压；当低压侧母线电压偏低时，调节分接头使得主变压器电压比减小，提高低压侧母线电压。这种调压方式灵活、可靠、投资较小。

需要注意的是，变压器本身不产生无功功率，只是通过其分接头的调节来改变系统无功功率的分布，从而提高或降低系统局部电压。当系统中无功功率电源缺乏时，若通过改变变压器变比升高电压，会使系统其他地方无功功率电源更加缺乏，从而使其电压下降，严重时会引起系统电压大面积下降，甚至导致系统电压不稳定。因此，当系统中无功功率缺乏时，应首选并联补偿调压，而当无功功率充足时，采用改变变压器电压比才可以达到很好的效果，否则效果相反。

（3）应用无功补偿装置调节电压

在电网适当的地点接入并联无功补偿装置，能够减小线路和变压器输送的无功功率，因而可减小线路和变压器的电压降落并提高电网的电压水平，同时还能减小电网的功率损耗，提高经济效益。当系统负荷变化时，通过调节无功补偿装置输出的无功功率，就能控制电网的电压。常用的无功补偿装置是并联电容器和并联电抗器，在高峰负荷时投入并联电容器能够提高电网的电压水平；在负荷较低时，可以切除部分电容器，甚至全部切除而投入并联电抗器，防止电压水平过高。20世纪80年代提出的柔性交流输电系统（FACTS），是以电力电子技术成熟发展为前提，基于这种技术的静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）目前已被电力系统大量采用。它们的优点是：与旋转同步调相机相比，结构简单，且无转动部件，运行维护方便，并且效率也较高；与利用真空开关切换电容的无功补偿相比，后者只能分级调节，完全没有动态响应的能力。

AVC系统在国内外先后投入使用。1972年的国际大电网会议提出了协调性电压控制，并对法国电力集团（Electricite De France，EDF）以“先导节点”、“控制区域”为基础的电压分级控制方案的结构进行了详细介绍。这种电压分级控制方案将电网划分成互相解耦的区域，按空间和时间把电压控制分为若干个等级，在每个区域中选择控制一个或多个中枢母线或者几台发电机。根据这种控制方案思想开发的分层分区的AVC系统在20世纪70年代曾在法国、意大利等欧洲国家得到应用。

此后，为了应对法国电网联系日趋紧密的情况，EDF对这种电压分级控制方案进行了完善和改进，提出了新的协调二次电压控制系统，并在多年的实践实验后于1993年投入试运行。意大利国家电力公司也实现了电压与无功功率的自动控制，普遍实现了二次、三次电压调整，使用的是在线分层控制结构。这种三级组织模式分级分区的电压控制策略受到了法国、意大利等欧洲国家的认可，并被付诸实施，运行多年以来取得了令人满意的效果。

日本东京则在主要变电所内装设电压和无功自动控制器。该装置能快速准确地投切并联无功补偿设备及控制选择有载变压器分接开关，该方案主要应用在500kV变电站，保证了500kV及二次电网的电压水平，同时也提高了电压的稳定性。

我国省网AVC的最早使用是在2003年，当时成功构建了湖南电网AVC的主体框架，系统采用的是省调决策层与厂站执行层的两层体系结构，采用了实时网络灵敏度分析技术，提出了以电压为核心的九区控制图。

此外，华东电网中的安徽、福建、江苏三省，东北电网中的黑龙江、吉林两省也有省网AVC的应用。其中安徽省调使用的是在EMS平台上的AVC系统；福建省调使用的是集中决策、分散控制的方式；江苏省调采用的是基于全局模式的无功电压控制。到目前为止，全国大多数省网基本上都安装了省网AVC系统。

地级电网AVC系统使用较为广泛，其中早在2001年以本书著作者牵头在江苏泰州电网运行了基于全网无功优化的集中式电压自动控制系统，该系统以节点电压合格为目标，以全网网损尽量小为约束条件，利用各变电所内无功调节装置进行调节，实现了地区电网无功电压集中优化控制。江西九江电网在EMS系统平台上用遗传算法求得的全网无功优化结果指导给出控制方案，然后通过SCADA下行命令实现闭环。福建厦门电网则采用灵敏度分析技术和费用评估技术，综合考虑电压、网损、功率因数、设备控制费用等因素建立了数学模型，实现了对电压的校正和网损的减小。重庆杨家坪电网使用模拟退火算法和多Agent技术来建立配电网电压无功控制系统模型，在实时系统中运行，在调度自动化主站实现了采用多Agent技术的配电网无功优化控制。

在发电厂无功电压控制子系统方面，福建电网省调直属火电厂采用的是产品SL300通信监控平台和CAM212综合测控装置的组合，然后在此基础上增加了对发电机电压和无功的控制功能模块，可实现多台机组的综合同步控制；河南省电网则开发了具有自辨识功能的模糊自动电压无功控制装置，并在新乡电厂的发电机组上首先投入运行。

根据河海大学丁晓群教授和海南省电力公司调度中心唐寅生教授提出的理念，将AVC的发展分为三个阶段：传统AVC，也就是目前广泛使用的AVC产品；二代AVC，主要是在传统AVC的基础上增加了电网无功功率实时监测技术；三代AVC，即智能电网环境下的智能AVC。

什么是传统AVC？今天在电力系统现场领域使用的AVC系统就是传统AVC。

国内的无功电压控制（传统AVC）的研究始于20世纪80年代，其控制模式先后经历了VQC（变电站内电压无功控制系统）、基于全网优化的集中式自动电压控制、基于“软”分区的全网三级电压控制、基于全网优化的分布式控制。各种控制模式都在其不同的特殊领域发挥了重要作用，取得了可观的社会和经济效益。下面对目前使用较广泛的三种控制模式：基于全网优化的地区电网集中式AVC、基于全网优化的地区电网分布式AVC以及基于“软”分区的全网无功优化三级控制的AVC，进行分析比较。

（1）基于全网优化的地区电网集中式AVC

该种控制模式主要适用于只有单个调度中心和单个监控中心模式下的中小型地调，其控制过程描述如下：

1）首先通过调度自动化的数据采集系统（SCADA系统）采集全网内各节点遥测、遥信等实时数据进行在线分析和计算；

2）约束条件通常包括各节点电压是否合格、省网关口功率因数等；

3）从全网角度实现无功补偿设备投入时间、数量最优和无功分层、就地平衡与电压稳定，实现电压合格率最高和输电网损率最小的最优化运行目标；(www.xing528.com)

4）形成有载调压变压器分接头调节、无功补偿设备投切控制指令，借助调度自动化系统的“四遥”（遥信、遥测、遥控和遥调）功能，并利用通信和IT技术，将指令通过数据形式发送到SCADA系统，实现对全网各变电所的有载调压变压器和无功补偿设备的集中监视、集中管理和集中控制，实现全网电压及无功优化的闭环控制。

图1-2说明了基于全网的集中式二级电压自动控制系统的流程。地区集中式AVC系统从SCADA系统或者省网AVC通过地网AVC系统接口获取遥测通信数据和省网关口约束，经过判断电压越限和关口功率因数越限与否后分两部分进行：越限则进行功率因数和电压校正；不越限则进行全网无功优化。经过灵敏度和最优算法计算，形成遥控、遥调指令，并将指令发送回SCADA系统。

图1-2 基于全网的集中式二级电压自动控制系统流程图

（2）基于全网优化的地区电网分布式AVC

传统的无功电压集中式控制系统的适用于控制只有单个调度中心和单个监控中心模式下的中小型地调，但并不适用于大型地调的全网无功电压控制，也不利于与省网无功电压控制的结合及目前国家电网正在全面推广的大集控、大运行模式。大型城市的电网通常结构复杂，调度室与其监控中心（集控站）分开，而监控中心不止一处。监控中心（集控站）是按地域划分而不是按电网结构的耦合程度划分，各监控中心所控厂站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，甚至同一个变电所的两台主变压器分属不同监控中心控制，因此只有全网集中控制已经不能解决调度权与多个监控权之间的组织、优先级、责任归属的问题。随着新的管理理念和运行模式上的变化，新的基于全网优化的分布式协调控制系统产生。图1-3所示为分布式AVC二级控制系统结构。

图1-3 分布式AVC二级控制系统示意图

地区电网AVC分布式控制系统主要由硬件系统和软件系统两大部分构成，其简要的逻辑框图如图1-4所示。

由图1-3可以看出对分布式二级控制，首先一级控制的组成部分包括：主站SCADA系统，AVC计算服务器和接口以及Web服务器等设备。一级控制主要是通过SCADA系统接收现场实时数据，包括监控站SCADA的数据，给主站计算服务器进行实时在线计算，同时一级控制还兼顾到了协调控制的原则，即与上级电网以及下级电网的协调控制。二级控制包括：监控站的SCADA系统、AVC工作站和接口等，它是执行层，其目的主要是上传本地实时数据以及接收一级控制下发的命令。同时二级控制还要提供监控站内的实时数据给监控人员监视和分析。分布式二级协调控制很好地解决了集控产生后的管理和运行模式的变化，同时兼顾到了上级电网和下级电网的协调控制。

（3）基于“软”分区的全网无功优化三级控制的AVC

结合国内实际的电力调度管理体制和自动化的硬件基础，为了系统地解决多目标决策问题，鉴于国外三级控制，国内提出了基于“软”分级分区的全局无功优化控制策略。在图1-5中，在控制中心中，以开放分布式的能量管理系统（EMS）作为决策支持，全局无功优化控制决策系统在软件组织上被分成两个级别，为区别于硬件上的三级控制，分别称之为“软”二级控制和“软”三级控制。

图1-4 分布式AVC多级控制示意图

“软”二级控制利用在线自适应分区的结果，采集经过实时状态估计的“熟”数据（在实时状态估计运行不正常时，直接采集SCADA的“生”数据），并通过SCADA系统，对各个区域周期性地以轮循方式实现自动的、闭环的控制，并通过修改区域内一级控制器的整定值来维持该区域的枢纽母线电压水平和无功发电裕度。“软”三级控制基于状态估计和网络分析，运行在EMS的最高层次上，用以协调“软”二级分区控制的行为，以实现安全约束下的网损最小。

江苏和河北两省的“软”三级控制模式的成功使用表明：“软”三级电压控制模式在借鉴了国外三级电压控制模式思想的同时结合了国内的电网无功优化的实际情况，很好地解决了在国内没有二级电压控制器的情况下实现三级电压控制的方法。

图1-5 基于“软”分级分区的全网无功优化三级控制

二代AVC与传统AVC相比最大的优越性在于其增添了电网无功功率实时监测技术。其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，逐步把电容器组改为动态平滑连续调节的无功补偿装置，所以这也是个漫长的阶段。但这也有一个原则，即只有无功平衡了，电压才能稳定。

作为二代AVC重要基础的无功在线实时监测的基本做法可概括为：根据SCA-DA系统采集到的电压（U）、有功功率（P）、无功功率（Q）等数据，利用无功优化潮流算法，将给定电压约束和功率因数约束条件下的全网无功优化潮流作为目标，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，按以下公式求出无功补偿量：

Δ_Q=Q_opt－Q_ret （1-1）式中，Q_opt表示发电厂、变电站及分布式电源应该注入电网界面的实时无功优化值；Q_ret表示无功实际值。

尽管AVC的投入使用，给电网的运行与分析带来了巨大的效益，但是由于其功能的不完善，在运行中还存在着一系列急需改进的问题。下面具体分析目前AVC在运行过程中发现的问题：

（1）无功补偿分布不合理

长期以来的一些做法是使用传统的调相调压法规划电网无功补偿容量，长期执行“功率因数调整电费办法”，采用各种不同电压等级的变电所无功补偿装置设计技术规定，这造成了当前电网无功补偿布局不合理的现状：配电网侧电容器补偿容量较少，没有做到无功补偿就地平衡，无功只是从高压侧向低压侧流动，从电源侧向负荷侧流动，造成电网损耗大，电压降落大。

（2）电压控制结构不合理

自动电压控制系统由安装在变电站的VQC无功电压自控装置到地区电网无功电压集中控制系统，再到现在的无功电压分布式控制系统，保证了电网电压质量、安全稳定运行、降低网损及降低运行人员工作强度。但是，自动电压控制系统目前仅在输电侧发挥功效，配电侧无功电压自动控制研究还相对较少，不足以满足人们对电网高效、经济、优化运行的追求，不能满足智能配电网的技术要求。

（3）电压控制区域不合理

AVC的变压器分接头动作、电容（抗）器的无功调节无法做到均匀调节，相邻两级电网之间的无功电压控制不和谐。因此无法建立全网统一的电压标准，只能以本地测量电压为依据，分散测量误差使得优化结果受到了一定影响。

（4）优化目标协调不合理

降损与电压质量目标不统一，无功调控顾此失彼。电网从发电到用电是一个有机的整体，只有做到各个环节相互协调、信息互动，才能从现代电网向智能电网进行转变。随着电网的发展，如何保证各种分布式电源的安全，可靠的接入电网，在传统电压控制中没有体现。

（5）无功优化结果不理想

传统AVC系统一方面存在网损和电压控制顾此失彼的情况；另一方面只实现了静态无功优化，还没有做到真正意义上的动态无功优化。此外，模型未计及谐波电压，而随着非线性元件的广泛使用，谐波的危害愈加剧烈，而且当电网出现较大故障时，尚不具备自愈的能力。

（6）缺乏动态无功补偿装置

要想做到无功功率的就地平衡，必须要具有平滑的连续调节的无功补偿装置，否则无功功率的就地平衡将无从谈起。目前，不管配电网还是输电网，由于动态无功补偿装置的价格远比并联电容器和电抗器的价格高，普遍使用的还是并联电容器和并联电抗器。而这两种无功补偿装置都只能按组投切，而且并联电容器发出的无功功率随着并联的端电压下降，发出的无功功率也将减小，会导致电压的进一步下降，不利于电压的稳定性。

我国电网这么多年来实施的二级或三级电压控制尚不算是真正意义上的全局无功优化，因为它没有将全网范围内所有控制设备用统一的目标函数进行定量的优化调度，而是只以电压作为单目标的控制对象，这种将目标层次化的做法没有综合考虑网损率指标和控制设备动作次数。同时为了降低难度，通常在对上层进行控制对下层整定值修改时不计下层控制的允许限制和响应能力，这种做法得到的结果显然不能满足控制设备动作次数的限制，不能实现最优化的经济运行。