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摘要：隨著計算機網絡通訊技術以及電網控制自動化技術的發展，電網電壓無功自動控制技術發生了根本變化且得到了快速發展與廣泛應用。本文分析了近年來電壓無功自動控制技術的發展特點，重點介紹了變電站電壓無功控制裝置(VQC裝置)、電壓無功集中分析集中控制(AVC)系統的技術思路，闡述了基于綜合自動化技術的進一步發展和集控站的應用對電壓無功控制模式的影響，并提出了適應當前電網管理發展模式的無功電壓控制的發展方向。

　　關鍵詞：無功電壓控制;地區電網;變電站電壓無功控制;自動電壓控制;集控站

　　0引言
　　電力系統的無功補償與無功平衡是保證電壓質量的基本條件，進行合理的無功補償和有效地無功補償自動控制，不僅能保證電壓質量，而且會提高電力系統運行的穩定性和安全性，降低電能損耗，充分發揮電網經濟運行效益。

　　電壓是電能質量的重要指標，電壓質量對電力系統的安全與經濟運行，對保證用戶安全生產和產品質量以及電器設備的安全與壽命有重要的影響，而電壓質量和無功功率的分布有著不可分割的關系。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，各類用戶對電能質量的要求越來越高，供電企業每年處理的客戶投訴日漸增多，根據國外發達國家的經驗，國家經濟越發達，對電能質量的要求也越高，電力監管企業的監管和懲罰力度也越大，因此實現無功補償設備的自動控制是電力技術發展的必然選擇。

　　所謂電壓無功自動控制，就是由計算機軟件或者嵌入式軟件，通過通信信道獲取電網的遙測遙信數據，經過優化分析后形成無功補償設備和有載分接開關的設備動作指令，最終達到電壓合格、無功潮流合理的控制目標,從而提高電網安全穩定性。地區級電網的電壓無功控制的主要手段為并聯電容器和有載分接開關，也包含少量的發電機組和電抗器。

　　1968年,日本Kyushu電力公司首先在AGC系統上增加了系統電壓自動控制功能,這可以看作是從全局觀點出發進行電壓/無功控制的第一步。在1972年國際大電網會議上,Bertigny等人提出了在系統范圍內實現協調性電壓控制的必要性,詳細介紹了法國EDF以“先導節點”、“控制區域”為基礎的二級電壓控制方案的結構。現在這種電壓分級控制方案已在法國、意大利等國家付諸實施。 。由于國外電力公司電網較小、全網統一調度、電網網架變化不大的特點，且研究較早，其中部分電壓控制器為硬件機構，所以不適合國內電網的電壓無功控制。

　　我國幅員遼闊，電力系統結構龐大。已建成的跨省電力系統有五個，即華東系統、東北系統、華中系統、華北系統和西北系統。對于如此龐大而復雜的電網系統，由一個調度中心監視、管理和控制所有設備顯然是不可能的。我國的電網調度管理機構基本上分為五級垂直管理模式。國調通過計算機數據通信網與各大區電網控制中心相連，協調、確定大區域級電網之間的聯絡線潮流和運行方式，監視、統計和分析全國電網的運行情況。大區網調按統一調度分級管理的原則，負責超高壓電網的安全運行并按照規定的發用電計劃及監控原則進行管理，提高電能質量和經濟運行水平。省級電網調度負責地區間及有關省網的供受電量計劃的編制和分析，負荷預測、經濟調度等。地區調度對其所轄地區的電網安全監控，對有關站點(直接站點和集控站點)的開關遠方操作、變壓器分接頭調節、無功補償設備投切等。縣級調度主要監控110kV及以下農村電網的運行。由國調到縣調，隨著管轄范圍的變小，其電網電壓等級逐步降低。顯而易見，電壓無功自動控制系統的設計必須得考慮國內電網調度運行管理模式的特點。

　　1 變電站電壓無功自動控制裝置(VQC裝置)

    在調度自動化系統未實用化的時候，地區電網采用就地平衡、分散調整的方式使用VQC裝置，實現僅僅面向單個變電站的運行控制。

　　國內第一臺VQC裝置由清華大學于1984年研制成功，并在北京供電局投運成功。目前市場上常用的VQC電壓無功控制裝置基本上是以九區域圖及其衍生圖進行單廠站的電壓無功自動控制。九區域圖法直觀明了，簡單易行，可以在一定成都上就單個站一定的電壓合格率和功率因數。但是,以九區域圖法為基本策略的VQC裝置為信息孤島，同時也是控制孤島，不能實現全網的無功電壓最優控制。在二級有載調壓電網，會出現電壓頻繁調整，容易造成電壓調節不合理現象或者設備無謂動作;由于每個變電所都必須安裝無功電壓控制裝置，投資大，設備維護量顯著增加。

　　2 主站集中式自動電壓控制系統軟件(AVC)

    隨著計算機技術和通訊技術的迅速發展，電力系統調度自動化技術已經基本在地區級電網都做到了實用化，在此基礎上出現了主站集中式自動電壓控制系統軟件(AVC)。

　　“AVC系統”通過調度自動化SCADA系統采集全網各節點遙測、遙信等實時數據進行在線分析和計算，在確保電網與設備安全運行的前提下，以各節點電壓合格、節點功率因數為約束條件，從全網角度進行電壓無功優化閉環控制，實現無功補償設備投入合理和無功分層就地平衡與穩定電壓，實現主變分接開關調節次數最少和電容器投切最合理、電壓合格率最高和全網網損率最小的綜合優化目標。本系統最終形成有載調壓變壓器分接開關調節、無功補償設備投切控制指令，借助調度自動化系統的“四遙”功能，依據計算機技術和網絡技術，通過SCADA系統自動執行，從而實現對電網內各變電所的有載調壓裝置和無功補償設備的集中監視、集中管理和集中控制，實現了地區電網電壓無功優化運行閉環控制。
　　即在調度中心安裝一套軟件即解決了地區級電網的電壓無功優化控制的問題。AVC系統軟件在國內得到推廣應用，取得了可觀的經濟效益和社會效益。

　　3 AVC與VQC裝置聯合協調控制方案探討
　　考慮到VQC和AVC的特點，國內也有專家提出AVC系統和VQC裝置聯合協調控制的技術思路。目前來看，在地區電網這一級，調度自動化系統得到了完全的實用化，在經濟發達地區甚至都升級到了第三代、第四代調度自動化系統，也由最初的單純的SCADA系統發展成為成熟的EMS系統，其底層通訊為光纖通訊，無論速度、容量和可靠性都非常高，從全國推廣的部分AVC系統應用來看，主站式AVC系統的控制可靠性和穩定性程度的非常高，有些電網AVC系統全年的使用率式100%。

　　眾所周知，如果采用AVC和VQC聯合協調控制的方式，勢必會造成：每個變電站都需要安裝一套VQC裝置，投資非常大，維護成本高;對于大的地區電網可能會存在不同廠家的VQC裝置，控制風險較大，接口可靠性較低，從工程實施的角度甚至存在不同廠家協調的難題;從可靠性角度分析,使用的設備和模塊越少系統將越可靠、越穩定。

　　進一步分析可知，VQC采集的遙測遙信數據AVC系統同樣能從SCADA系統獲取，在當前普通商用PC機上即可在線完成地級市電網的電壓無功優化計算。隨著綜合自動化技術的進一步發展，在具備四遙功能的地區電網，主站AVC軟件投資小、可靠性高、建設周期短、維護量小，因此AVC與VQC裝置聯合協調控制的技術思路不再可取。

　　3 電壓無功控制的發展趨勢
　　3.1 分布式AVC系統
　　隨著變電站綜合自動化技術的發展，無人值班變電站已被廣泛采用，在電網調度的層次之下建立多個集控站，由集控站管理若干個無人值班變電站，使得原來站內值班人員所作的工作可由集控站人員來遠方完成，因此電力系統運行管理模式逐步成為調度中心+多個集控站、調度管理與設備監視控制分離的模式。而且集控站是按地域劃分而不是按電網結構的耦合程度劃分，各集控站管理的變電所之間有可能緊密結合，但在電網結構上無法按照行政區域劃分來解耦，因此只有集中式自動電壓控制系統(集中式AVC系統)已經不能解決調度權與多個集控權之間的組織、優先級、責任歸屬的問題。

　　譬如貴陽電網總共有六十多個變電所，下轄八個集控站，其中調度自動化主站系統為南瑞OPEN3000系統，該系統可以獲取全網的遙測遙信數據，但并沒有控制下行通道;設備的監視與控制由集控站監視人員通過集控SCADA系統完成。貴陽AVC系統設計的分布式技術方案為：調度中心安裝AVC服務器，獲取全網數據，從全網的角度在線進行電壓無功優化計算分析，設備的參數，電壓、功率因數等參數和限值的考核由調度員在其工作站上設置;集控站監視人員通過集控AVC系統的工作站監視本地電網狀態，維護設備狀態(比如根據現場狀況決定某電容器是否由AVC控制)，事項監視、設備控制;AVC系統的最終控制指令也有服務器發給AVC工作站，再由AVC工作站發給集控SCADA系統執行。可見，該技術方案既體現了調度中心對電網運行的決策、調度、管理、考核權，又能體現集控站的設備控制權和監控責任;既保持了AVC系統全網優化計算的優勢，又適應了調度運行的管理模式。

　　因此，當今集控站管理模式下，分布式AVC系統今后會成為地區級電網的電壓無功控制主流。

　　3.2 不同調度管理級別的AVC分級協調控制
　　3.2.1 省網AVC系統與地網AVC系統的協調控制
　　省級電網如果建設有AVC系統，那么地區級AVC系統有與省網AVC系統協調控制的必要。

　　就當前無功補償現狀而言，感性無功補償是比較充足的，再加之220kV以上電網的充電功率比較大，因此，在低谷負荷時，省級電網的電壓普遍偏高，有可能造成發電機組進相運行，從而危及電網運行安全，因此，有必要控制地區電網220kV母線的功率因數在一定范圍內。那么省網AVC系統有必要向地網AVC系統下達合理的功率因數指標或者無功指標，地網AVC系統有義務承擔功率因數調整的義務，降低主網發電機組調節的壓力。

　　在緊急情況下，如主網的220kV母線電壓達到警戒線以外，必須限制AVC系統調節220kV分接頭的部分功能。如果220kV母線電壓高于警戒上限，則應該閉鎖220kV分接頭往下調節的功能;如220kV母線電壓低于警戒下限，則應該閉鎖220kV分接頭往上調節的功能。如此則避免主網的電壓進一步惡化，同時地網AVC系統要采取相應的減少無功投入或者增加無功投入的措施。

　　省網AVC系統和地網AVC系統的協調控制還有許多地方值得研究，如電壓穩定的裕度分析，220kV母線等值、無功限值的推導等，相信今后在這方面會有許多研究成果產生。

　　3.2.2地網AVC系統與縣網AVC系統的協調控制 地網和縣網均為配電網。配電網的特點為環網設計、開環運行，從調壓的角度看,電網呈縱向緊密耦合，下級電網的電壓水平受到上級電網分接頭調節的影響比較大，為避免下級電網調壓時的設備調節振蕩，必須考慮合理的上下級電網聯合調壓的方案。此外，依據調度管理的分工和責任歸屬，也不允許地區級調度中心的AVC系統直接分析和控制地網和縣網的所有無功補償設備和主變分接頭。并且電網中不管是地區級電網或者縣級電網，任何一節點無功的變化都會影響到功率因數變化。

　　因此從無功和電壓的角度考慮，地網AVC系統和縣網AVC系統同樣有協調控制的必要。

　　文獻11從工程實用化的角度提出了可行的協調控制策略。

　　3.3 中低壓配電網無功補償集中優化控制
　　隨著電力電子、移動通信技術的不斷發展，裝置性能不斷提高，中低壓無功自動補償裝置得到一定程度的推廣。將中低壓無功自動補償裝置納入區域電網電壓無功全網優化控制也是將來發展的趨勢。

　　相對于載波通信的低可靠性、光纖通信的高成本、衛星通訊的高費用，移動GPRS 無線通訊技術GPRS 采用分組交換技術，數據傳輸速率最高可達171.2kbit/s，且支持多種帶寬，有效利用帶寬，完全可以滿足配電網監測系統中數據的通信速率的要求。從實時性要求考慮，GPRS 具有“永遠在線”的功能，當終端與 GPRS 網絡建立連接后，即使沒有數據傳送，終端也一直與網絡保持連接，再次進行數據傳輸時不需要重新連接，而網絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用，從而保證了數據交換的實時性。因此，GPRS技術在配網監測方面將會得到推廣應用，那么以此為基礎的在線中低壓配電網電壓無功優化集中控制也是近期內發展的趨勢。

　　4 無功補償優化規劃
　　高壓電網無功補償配置，國內一般是按照變壓器容量的10～30%配置，可能會造成無功補償設備的配置不合理:部分地區電壓偏高卻沒有安裝電抗器導致電壓越上限;部分變電站的電容器補償過多造成部分設備的閑置;部分電容器的容量分組不合理，難以盡量擬合無功負荷曲線，降損調壓的效果不佳;另外有一部分地區尚未合理的配置無功裝置等不合理的情況，從而造成電網建設投資浪費。中低壓配電網線路復雜，負荷分散，距離長，分支節點多，如果要完全進行全網的無功就地補償投資太大，在中壓配電網必須要考慮用有限的投資盡可能降低電網網損，減少設備維護，提高電壓質量，達到投入產出效益比最大化。

　　相對于電壓無功控制而言，無功補償優化配置未能得到長期重視。事實上，從源頭上規劃好無功電源，不但節省投資，而且有利于電壓無功實時控制的效果，合理的配置電容器電抗器的安裝地點、安裝容量和分組方式，會大大提高設備利用率、減少設備動作次數，減少設備維護費用，無功調節更合理。

　　5 結論
　　電壓無功自動控制是近年來電力工程界的研究熱點，也是國家電網公司重點科研應用推廣項目之一，且有大量成果得到應用并產生了可觀的效益。本文介紹了VQC裝置和AVC系統軟件技術的發展。從以上分析可以看出，無功電壓控制正在由手動控制走向自動控制、由分散控制走向集中式的遞階控制、由無序控制走向優化控制、由單機單一控制走向網絡分級控制，由主網電壓無功控制走向主配網全網電壓無功控制，由區域優化控制走向分層分級聯合協調控制。