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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(fā)展，電網電壓無功自動控制技術發(fā)生了根本變化且得到了快速發(fā)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(fā)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(tǒng)的技術思路，闡述了基于綜合自動化技術的進一步發(fā)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(fā)展模式的無功電壓控制的發(fā)展方向。

　　關鍵詞：無功電壓控制;地區(qū)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(tǒng)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(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，降低電能損耗，充分發(fā)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(tǒng)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(fā)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(yè)每年處理的客戶投訴日漸增多，根據(jù)國外發(fā)達國家的經驗，國家經濟越發(fā)達，對電能質量的要求也越高，電力監(jiān)管企業(yè)的監(jiān)管和懲罰力度也越大，因此實現(xiàn)無功補償設備的自動控制是電力技術發(fā)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(shù)據(jù)，經過優(yōu)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(wěn)定性。地區(qū)級電網的電壓無功控制的主要手段為并聯(lián)電容器和有載分接開關，也包含少量的發(fā)電機組和電抗器。

　　1968年,日本Kyushu電力公司首先在AGC系統(tǒng)上增加了系統(tǒng)電壓自動控制功能,這可以看作是從全局觀點出發(fā)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(tǒng)范圍內實現(xiàn)協(xié)調性電壓控制的必要性,詳細介紹了法國EDF以“先導節(jié)點”、“控制區(qū)域”為基礎的二級電壓控制方案的結構?，F(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)結構龐大。已建成的跨省電力系統(tǒng)有五個，即華東系統(tǒng)、東北系統(tǒng)、華中系統(tǒng)、華北系統(tǒng)和西北系統(tǒng)。對于如此龐大而復雜的電網系統(tǒng)，由一個調度中心監(jiān)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(shù)據(jù)通信網與各大區(qū)電網控制中心相連，協(xié)調、確定大區(qū)域級電網之間的聯(lián)絡線潮流和運行方式，監(jiān)視、統(tǒng)計和分析全國電網的運行情況。大區(qū)網調按統(tǒng)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(guī)定的發(fā)用電計劃及監(jiān)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(qū)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(qū)調度對其所轄地區(qū)的電網安全監(jiān)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(jié)、無功補償設備投切等?？h級調度主要監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)未實用化的時候，地區(qū)電網采用就地平衡、分散調整的方式使用VQC裝置，實現(xiàn)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(qū)域圖及其衍生圖進行單廠站的電壓無功自動控制。九區(qū)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(shù)。但是,以九區(qū)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(xiàn)全網的無功電壓最優(yōu)控制。在二級有載調壓電網，會出現(xiàn)電壓頻繁調整，容易造成電壓調節(jié)不合理現(xiàn)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(tǒng)軟件(AVC)

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

　　“AVC系統(tǒng)”通過調度自動化SCADA系統(tǒng)采集全網各節(jié)點遙測、遙信等實時數(shù)據(jù)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(jié)點電壓合格、節(jié)點功率因數(shù)為約束條件，從全網角度進行電壓無功優(yōu)化閉環(huán)控制，實現(xiàn)無功補償設備投入合理和無功分層就地平衡與穩(wěn)定電壓，實現(xiàn)主變分接開關調節(jié)次數(shù)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(yōu)化目標。本系統(tǒng)最終形成有載調壓變壓器分接開關調節(jié)、無功補償設備投切控制指令，借助調度自動化系統(tǒng)的“四遙”功能，依據(jù)計算機技術和網絡技術，通過SCADA系統(tǒng)自動執(zhí)行，從而實現(xiàn)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(jiān)視、集中管理和集中控制，實現(xiàn)了地區(qū)電網電壓無功優(yōu)化運行閉環(huán)控制。
　　即在調度中心安裝一套軟件即解決了地區(qū)級電網的電壓無功優(yōu)化控制的問題。AVC系統(tǒng)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(lián)合協(xié)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(tǒng)和VQC裝置聯(lián)合協(xié)調控制的技術思路。目前來看，在地區(qū)電網這一級，調度自動化系統(tǒng)得到了完全的實用化，在經濟發(fā)達地區(qū)甚至都升級到了第三代、第四代調度自動化系統(tǒng)，也由最初的單純的SCADA系統(tǒng)發(fā)展成為成熟的EMS系統(tǒng)，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(tǒng)應用來看，主站式AVC系統(tǒng)的控制可靠性和穩(wěn)定性程度的非常高，有些電網AVC系統(tǒng)全年的使用率式100%。

　　眾所周知，如果采用AVC和VQC聯(lián)合協(xié)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(qū)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(xié)調的難題;從可靠性角度分析,使用的設備和模塊越少系統(tǒng)將越可靠、越穩(wěn)定。

　　進一步分析可知，VQC采集的遙測遙信數(shù)據(jù)AVC系統(tǒng)同樣能從SCADA系統(tǒng)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(yōu)化計算。隨著綜合自動化技術的進一步發(fā)展，在具備四遙功能的地區(qū)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(lián)合協(xié)調控制的技術思路不再可取。

　　3 電壓無功控制的發(fā)展趨勢
　　3.1 分布式AVC系統(tǒng)
　　隨著變電站綜合自動化技術的發(fā)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(tǒng)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(jiān)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(qū)域劃分來解耦，因此只有集中式自動電壓控制系統(tǒng)(集中式AVC系統(tǒng))已經不能解決調度權與多個集控權之間的組織、優(yōu)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(tǒng)為南瑞OPEN3000系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲取全網的遙測遙信數(shù)據(jù)，但并沒有控制下行通道;設備的監(jiān)視與控制由集控站監(jiān)視人員通過集控SCADA系統(tǒng)完成。貴陽AVC系統(tǒng)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(shù)據(jù)，從全網的角度在線進行電壓無功優(yōu)化計算分析，設備的參數(shù)，電壓、功率因數(shù)等參數(shù)和限值的考核由調度員在其工作站上設置;集控站監(jiān)視人員通過集控AVC系統(tǒng)的工作站監(jiān)視本地電網狀態(tài)，維護設備狀態(tài)(比如根據(jù)現(xiàn)場狀況決定某電容器是否由AVC控制)，事項監(jiān)視、設備控制;AVC系統(tǒng)的最終控制指令也有服務器發(fā)給AVC工作站，再由AVC工作站發(fā)給集控SCADA系統(tǒng)執(zhí)行?？梢姡摷夹g方案既體現(xiàn)了調度中心對電網運行的決策、調度、管理、考核權，又能體現(xiàn)集控站的設備控制權和監(jiān)控責任;既保持了AVC系統(tǒng)全網優(yōu)化計算的優(yōu)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(tǒng)今后會成為地區(qū)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(xié)調控制
　　3.2.1 省網AVC系統(tǒng)與地網AVC系統(tǒng)的協(xié)調控制
　　省級電網如果建設有AVC系統(tǒng)，那么地區(qū)級AVC系統(tǒng)有與省網AVC系統(tǒng)協(xié)調控制的必要。

　　就當前無功補償現(xiàn)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(fā)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(qū)電網220kV母線的功率因數(shù)在一定范圍內。那么省網AVC系統(tǒng)有必要向地網AVC系統(tǒng)下達合理的功率因數(shù)指標或者無功指標，地網AVC系統(tǒng)有義務承擔功率因數(shù)調整的義務，降低主網發(fā)電機組調節(jié)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(tǒng)調節(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)和地網AVC系統(tǒng)的協(xié)調控制還有許多地方值得研究，如電壓穩(wěn)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(tǒng)與縣網AVC系統(tǒng)的協(xié)調控制 地網和縣網均為配電網。配電網的特點為環(huán)網設計、開環(huán)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(jié)的影響比較大，為避免下級電網調壓時的設備調節(jié)振蕩，必須考慮合理的上下級電網聯(lián)合調壓的方案。此外，依據(jù)調度管理的分工和責任歸屬，也不允許地區(qū)級調度中心的AVC系統(tǒng)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(qū)級電網或者縣級電網，任何一節(jié)點無功的變化都會影響到功率因數(shù)變化。

　　因此從無功和電壓的角度考慮，地網AVC系統(tǒng)和縣網AVC系統(tǒng)同樣有協(xié)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(xié)調控制策略。

　　3.3 中低壓配電網無功補償集中優(yōu)化控制
　　隨著電力電子、移動通信技術的不斷發(fā)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(qū)域電網電壓無功全網優(yōu)化控制也是將來發(fā)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(wèi)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(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送，終端也一直與網絡保持連接，再次進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換的實時性。因此，GPRS技術在配網監(jiān)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(yōu)化集中控制也是近期內發(fā)展的趨勢。

　　4 無功補償優(yōu)化規(guī)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(qū)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(qū)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(jié)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(yōu)化配置未能得到長期重視。事實上，從源頭上規(guī)劃好無功電源，不但節(jié)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(shù)，減少設備維護費用，無功調節(jié)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(tǒng)軟件技術的發(fā)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(yōu)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(qū)域優(yōu)化控制走向分層分級聯(lián)合協(xié)調控制。