智能電網(wǎng)的智能自動電壓控制技術

1 智能電網(wǎng)

近幾年在世界范圍內(nèi)興起的智能電網(wǎng)， 是指用先進的通信、信息、網(wǎng)絡、傳感器、分布式電源、分布式計算技術等一切可以為我們所應用的先進技術和傳統(tǒng)的電網(wǎng)技術相結合，使電網(wǎng)具有一種思維、分析、判斷、決策、控制的功能，無論在什么情形下，電網(wǎng)都能自動快速準確的進行自控，因而電網(wǎng)就能更安全、穩(wěn)定、高質、高效，更人性化的運行， 能夠自如的應對 21 世紀來自各方面的挑戰(zhàn)，這就是智能電網(wǎng)，也稱為綠色電網(wǎng)，可持續(xù)發(fā)展的電網(wǎng)，社會各方面都能受益的電網(wǎng)。智能電網(wǎng)應該涵蓋電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配、用電各個環(huán)節(jié)，涵蓋各級電壓的電網(wǎng)。

2 智能自動電壓控制

電網(wǎng)有三大控制系統(tǒng)，安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、自動發(fā)電控制系統(tǒng)( Automatic Generation Control-AGC ) 和 自動電壓控制系統(tǒng)(Automatic Voltage Control -AVC)。因此按照智能電網(wǎng)的標準建設的 AVC，是智能 AVC (SmartAVC)，是智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容之一。SmartAVC 把我國獨有的經(jīng)濟壓差(△UJ)無功潮流計算技術與先進無功動態(tài)補償裝置相結合組成 SmartASVC。ASVC 是無功就地平衡補償、電壓波形對稱補償與諧波補償一體化裝置。Smart AVC 是使電網(wǎng)無功電壓控制的全過程達到智能化的過程。

2.1 Smart AVC 的目標

(1)實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，降低電壓崩潰事故大規(guī)模停電風險;

(2)提高電能的電壓質量，全網(wǎng)全方位電壓合格率統(tǒng)計達到 95%以上;

(3)提高輸電效率，最大限度的降低線路損失，全網(wǎng)線損率達到5.5%，年節(jié)約線損電量 700 億 kWh;

(4)提高用戶的用電的效率、可靠性;

(5)提高供電設備利用率 10%~15%;

(6)實現(xiàn)綠色電網(wǎng)，年減少工業(yè)粉塵及二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳等氣體排放量 2 億噸左右，節(jié)約電網(wǎng)無功補償投資 300 億元。

2.2 Smart AVC 的特征

(1)無功優(yōu)化。

無功實時就地平衡特征。即組成電網(wǎng)的發(fā)電廠、輸電線路、變電站與用戶等 4 個元件的發(fā)電廠、變電站與用戶各自做到無功實時就地平衡， 輸電線路的過剩無功在本線兩側等量補償。

(2)柔性控制。

變電站與用戶均使用先進無功動態(tài)補償裝置進行無功實時平衡與電壓正弦波形控制。

(3)高質量、高效率。

電壓質量與線路損失率同時抵達最佳狀態(tài)。電能質量、供電電壓偏差及波形同時高質量。

(4)先進的預防機制。

實時無功平衡機制?！鱑J 無功潮流提高了全網(wǎng)平均電壓水平，提高了電壓穩(wěn)定儲備系數(shù);消除了局部低電壓運行發(fā)生電壓崩潰的隱患。

(5)自適應功能。

分布式計算功能。就地計算結果達到全網(wǎng)無功優(yōu)化要求，且不受通道或電網(wǎng)發(fā)生故障等影響，結果適應于任何變化了的運行方式需要的功能。

(6)自愈功能。

電網(wǎng)電壓水平降低時， 無功負荷自動減少的功能是電網(wǎng)具有的自愈功能， 但是僅憑這點自愈功能還不足以保護電網(wǎng)不發(fā)生電壓崩潰。自愈功能實際上就是電網(wǎng)具備的自動實現(xiàn)無功實時就地平衡的能力。自愈功能是自適應計算功能加先進無功動態(tài)補償裝置的調節(jié)能力。

(7)人性化互動。

發(fā)電廠與電網(wǎng)之間，變電站與電網(wǎng)之間，電網(wǎng)分層之間，和諧互動，相互制約，相互促進。

(8)市場化。

發(fā)電廠上網(wǎng)電價、變電站下網(wǎng)電價、供電公司銷售電能實施電壓質量差別電價。

3 Smart AVC 過程

3.1 按電壓分層控制

Smart AVC， 實施按電壓分層控制原則， 即 1000(750)、500(330)、220、110(66)、35、10、0.4kV 分層控制。

各級調度各管一層。管好下級電網(wǎng)及發(fā)電廠注入本級電網(wǎng)的無功值為優(yōu)化值; 照此實施電壓質量差別電價政策。智能 AVC 控制全程見圖 1。

計算網(wǎng)絡：例如 220kV 計算電網(wǎng)，包括從 500kV 變壓器的 220kV母線開始的 220kV 網(wǎng)絡，加上接入 220kV 網(wǎng)絡 220kV 變壓器;以此類推。

3.2 宏觀電壓水平控制

電網(wǎng)的電壓水平取決于直接接入電網(wǎng)的全部， 起碼是大多數(shù)變壓器的使用變比。對已經(jīng)正常運行的電網(wǎng)來說，基本上不存在什么問題。我國電網(wǎng)由于無功補償布局不科學， 無功長距離、大功率從高壓電網(wǎng)向低壓電網(wǎng)輸送， 從發(fā)電廠向需求側輸送， 因而從高壓電網(wǎng)到低壓電網(wǎng)，從發(fā)電廠到需求側，變壓器的標幺變比呈減小趨勢。隨著電網(wǎng)無功優(yōu)化調控過程的展開， 變壓器的標幺變比的差別會趨于減小。電網(wǎng)無功優(yōu)化過程中的調控過程主要無功就地平衡的控制。

3.3 智能化控制過程

3.3.1 傳統(tǒng)的大閉環(huán)控制

圖 2 是在控制端(調度中心)與執(zhí)行端(現(xiàn)場)之間形成的大閉環(huán)控制體系示意圖。依賴通道傳送實時數(shù)據(jù)，控制端進行狀態(tài)估計、優(yōu)化計算與發(fā)布指令的大閉環(huán)控制體系。

3.3.2 智能化控制

分布式就地計算與控制體系。安裝在變電站的 ASVC 或發(fā)電廠的微機勵磁控制器， 加分布式無功補償計算模塊，構成 Smart AVC。SCADA從現(xiàn)場采集實時計算需要的數(shù)據(jù)，計算注入電網(wǎng)要求的實時無功優(yōu)化目標值，與實時無功值進行比較， 得出偏差調控量，ASVC 進行偏差糾正調控，只要每一個場站不斷的進行這種閉環(huán)調控，調控一次， 電網(wǎng)迭代一次， 電網(wǎng)中的無功潮流就會逐步自趨優(yōu)化。這種跟蹤電網(wǎng)負荷不斷變化調控的閉環(huán)控制過程顯示了 Smart AVC 智能控制功能，體現(xiàn)出 Smart AVC 的一切特征。圖 3 示出了就地分布式的閉環(huán)控制過程，不受通道限制，不依賴狀態(tài)估計，不受調度中心是否具備計算條件限制，顯示了它的自適應能力與自愈功能。

電網(wǎng)發(fā)生故障情況后， 運行電壓自動恢復到安全控制線以上的能力叫自愈能力。自愈能力實際上就是在所有功率突增的線路兩側都能快速科學的增加補償無功容量的能力，科學的計算顯示了自適應能力。例如美加“8middot;14”大停電，在開始的 62min 內(nèi)，有 5 條線路相繼開斷，且先后的相繼開斷過程愈來愈快，加上發(fā)生了通道故障，已經(jīng)不再可能經(jīng)過正常的控制程序進行無功補償， 只能通過分布式計算與就地閉環(huán)緊急控制體系， 阻止停電范圍的擴大。

4 人性化互動與市場化

人性化互動與市場化是智能電網(wǎng)的重要特征之一。體現(xiàn)在發(fā)電廠與電網(wǎng)之間，變電站與電網(wǎng)之間，電網(wǎng)分層之間，電網(wǎng)與用戶之間，和諧互動，相互制約，相互促進，走向市場化，多方共建智能電網(wǎng)的愿望。特征是公平、公開、公正，電價質量透明。用戶按電價選擇用電時間，電能質量按質論價。目的是相互促進無功功率實時就地平衡，共同打造智能電網(wǎng)，共享無功就地平衡效益。

4.1 供電公司與用戶

實施實時功率因數(shù)考核辦法。例如，分功率因數(shù)電能表抄錄的總電量及不同功率因數(shù)分段的有功電量分別為 A，A1，A2，A3，?，An，不同功率因數(shù)分段所對應的電費調整率相應分別為λ 1，λ 2，λ 3，?，λ n，則可得出對應的調整電費與總電費為 W=k[A+(A1λ 1+A2λ 2+A3λ 3+? +Anλ n)]。

實施電壓質量差別電價，按質論價。如果電壓質量差別電價電能表抄錄的有功電量與不合格的有功電量分別為 A，A1，它對應的電價分別為λ ，λ 2，則可得出總電費為 W=Aλ +A1λ 1。

4.2 電網(wǎng)調度與發(fā)電廠或供電公司

為了保證電網(wǎng)中電能量的正常交易， 電網(wǎng)調度與發(fā)電廠或供電公司之間實施以給定電壓約束下的注入電網(wǎng)的實時無功值合格與否的電量差別電價。但是，判定電能的供電電壓偏差質量是否合格的量值不是單純的電壓有效值，而是電壓有效值約束下的實時無功值合格。調度局對發(fā)電廠或變電站的上(下)網(wǎng)合格電量按質付費。

5 實現(xiàn)步驟

根據(jù)我國電網(wǎng)電容器無功補償布局倒置等實際情況，實施 SmartAVC 有 2 個重點，一個是建設電網(wǎng)△UJ 無功補償布局，圖 4 示出 SmartAVC 建設步驟。另一個是逐步推行動態(tài)跟蹤無功補償裝置。

6 先進無功動態(tài)補償裝置

采用無功動態(tài)補償裝置建設 Smart AVC 是人類適應大電網(wǎng)與智能電網(wǎng)發(fā)展的自適應能力的體現(xiàn)。停步不前的采用電容器組的電網(wǎng)， 不具備預防電壓事故的預防機制、自適應與自愈能力，應對不了 21 世紀來自各方面的挑戰(zhàn)，建設不好智能電網(wǎng)。ASVC 就是無功就地補償、對稱補償與諧波補償?shù)囊惑w化裝置。ASVC 發(fā)展很快，基于 TCR 的 SVC、基于 MCR 的 SVC、SVG??，技術經(jīng)濟指標很好，僅計及電網(wǎng)降損一項指標，4~5 年就可收回成本。

7 結束語

Smart AVC 是智能電網(wǎng)的重要組成部分，全新概念，內(nèi)涵豐富，需要以科學發(fā)展觀為指導進行建設，需要發(fā)、供、用三方、以及學術界與工業(yè)界的共同努力，與時俱進的改革過時的法規(guī)政策與行業(yè)規(guī)程，自主創(chuàng)新的 SmartAVC 必將在中國建成。各行各業(yè)，助力推進我國智能電網(wǎng)的建設，以應對 21 世紀的各種挑戰(zhàn)。