智能電網(wǎng)的智能自動電壓控制技術(shù)

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(jìn)的通信、信息、網(wǎng)絡(luò)、傳感器、分布式電源、分布式計(jì)算技術(shù)等一切可以為我們所應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)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(zhǔn)確的進(jìn)行自控，因而電網(wǎng)就能更安全、穩(wěn)定、高質(zhì)、高效，更人性化的運(yùn)行， 能夠自如的應(yīng)對 21 世紀(jì)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(yīng)該涵蓋電網(wǎng)的發(fā)、輸、變、配、用電各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)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(dú)有的經(jīng)濟(jì)壓差(△UJ)無功潮流計(jì)算技術(shù)與先進(jìn)無功動態(tài)補(bǔ)償裝置相結(jié)合組成 SmartASVC。ASVC 是無功就地平衡補(bǔ)償、電壓波形對稱補(bǔ)償與諧波補(bǔ)償一體化裝置。Smart AVC 是使電網(wǎng)無功電壓控制的全過程達(dá)到智能化的過程。

2.1 Smart AVC 的目標(biāo)

(1)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低電壓崩潰事故大規(guī)模停電風(fēng)險(xiǎn);

(2)提高電能的電壓質(zhì)量，全網(wǎng)全方位電壓合格率統(tǒng)計(jì)達(dá)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(dá)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(shè)備利用率 10%~15%;

(6)實(shí)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(bǔ)償投資 300 億元。

2.2 Smart AVC 的特征

(1)無功優(yōu)化。

無功實(shí)時(shí)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(gè)元件的發(fā)電廠、變電站與用戶各自做到無功實(shí)時(shí)就地平衡， 輸電線路的過剩無功在本線兩側(cè)等量補(bǔ)償。

(2)柔性控制。

變電站與用戶均使用先進(jìn)無功動態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功實(shí)時(shí)平衡與電壓正弦波形控制。

(3)高質(zhì)量、高效率。

電壓質(zhì)量與線路損失率同時(shí)抵達(dá)最佳狀態(tài)。電能質(zhì)量、供電電壓偏差及波形同時(shí)高質(zhì)量。

(4)先進(jìn)的預(yù)防機(jī)制。

實(shí)時(shí)無功平衡機(jī)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(yùn)行發(fā)生電壓崩潰的隱患。

(5)自適應(yīng)功能。

分布式計(jì)算功能。就地計(jì)算結(jié)果達(dá)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(jié)果適應(yīng)于任何變化了的運(yùn)行方式需要的功能。

(6)自愈功能。

電網(wǎng)電壓水平降低時(shí)， 無功負(fù)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(diǎn)自愈功能還不足以保護(hù)電網(wǎng)不發(fā)生電壓崩潰。自愈功能實(shí)際上就是電網(wǎng)具備的自動實(shí)現(xiàn)無功實(shí)時(shí)就地平衡的能力。自愈功能是自適應(yīng)計(jì)算功能加先進(jìn)無功動態(tài)補(bǔ)償裝置的調(diào)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(jìn)。

(8)市場化。

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

3 Smart AVC 過程

3.1 按電壓分層控制

Smart AVC， 實(shí)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(diào)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(shí)施電壓質(zhì)量差別電價(jià)政策。智能 AVC 控制全程見圖 1。

計(jì)算網(wǎng)絡(luò)：例如 220kV 計(jì)算電網(wǎng)，包括從 500kV 變壓器的 220kV母線開始的 220kV 網(wǎng)絡(luò)，加上接入 220kV 網(wǎng)絡(luò) 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(yùn)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(bǔ)償布局不科學(xué)， 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(cè)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(cè)，變壓器的標(biāo)幺變比呈減小趨勢。隨著電網(wǎng)無功優(yōu)化調(diào)控過程的展開， 變壓器的標(biāo)幺變比的差別會趨于減小。電網(wǎng)無功優(yōu)化過程中的調(diào)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(diào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制端進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)、優(yōu)化計(jì)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(jì)算與控制體系。安裝在變電站的 ASVC 或發(fā)電廠的微機(jī)勵(lì)磁控制器， 加分布式無功補(bǔ)償計(jì)算模塊，構(gòu)成 Smart AVC。SCADA從現(xiàn)場采集實(shí)時(shí)計(jì)算需要的數(shù)據(jù)，計(jì)算注入電網(wǎng)要求的實(shí)時(shí)無功優(yōu)化目標(biāo)值，與實(shí)時(shí)無功值進(jìn)行比較， 得出偏差調(diào)控量，ASVC 進(jìn)行偏差糾正調(diào)控，只要每一個(gè)場站不斷的進(jìn)行這種閉環(huán)調(diào)控，調(diào)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(fù)荷不斷變化調(diào)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(jì)，不受調(diào)度中心是否具備計(jì)算條件限制，顯示了它的自適應(yīng)能力與自愈功能。

電網(wǎng)發(fā)生故障情況后， 運(yùn)行電壓自動恢復(fù)到安全控制線以上的能力叫自愈能力。自愈能力實(shí)際上就是在所有功率突增的線路兩側(cè)都能快速科學(xué)的增加補(bǔ)償無功容量的能力，科學(xué)的計(jì)算顯示了自適應(yīng)能力。例如美加“8·14”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(jìn)行無功補(bǔ)償， 只能通過分布式計(jì)算與就地閉環(huán)緊急控制體系， 阻止停電范圍的擴(kuò)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(jìn)，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(jià)質(zhì)量透明。用戶按電價(jià)選擇用電時(shí)間，電能質(zhì)量按質(zhì)論價(jià)。目的是相互促進(jìn)無功功率實(shí)時(shí)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(shí)施實(shí)時(shí)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(yīng)的電費(fèi)調(diào)整率相應(yīng)分別為λ 1，λ 2，λ 3，?，λ n，則可得出對應(yīng)的調(diào)整電費(fèi)與總電費(fèi)為 W=k[A+(A1λ 1+A2λ 2+A3λ 3+? +Anλ n)]。

實(shí)施電壓質(zhì)量差別電價(jià)，按質(zhì)論價(jià)。如果電壓質(zhì)量差別電價(jià)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(yīng)的電價(jià)分別為λ ，λ 2，則可得出總電費(fèi)為 W=Aλ +A1λ 1。

4.2 電網(wǎng)調(diào)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(diào)度與發(fā)電廠或供電公司之間實(shí)施以給定電壓約束下的注入電網(wǎng)的實(shí)時(shí)無功值合格與否的電量差別電價(jià)。但是，判定電能的供電電壓偏差質(zhì)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(shí)時(shí)無功值合格。調(diào)度局對發(fā)電廠或變電站的上(下)網(wǎng)合格電量按質(zhì)付費(fèi)。

5 實(shí)現(xiàn)步驟

根據(jù)我國電網(wǎng)電容器無功補(bǔ)償布局倒置等實(shí)際情況，實(shí)施 SmartAVC 有 2 個(gè)重點(diǎn)，一個(gè)是建設(shè)電網(wǎng)△UJ 無功補(bǔ)償布局，圖 4 示出 SmartAVC 建設(shè)步驟。另一個(gè)是逐步推行動態(tài)跟蹤無功補(bǔ)償裝置。

6 先進(jìn)無功動態(tài)補(bǔ)償裝置

采用無功動態(tài)補(bǔ)償裝置建設(shè) Smart AVC 是人類適應(yīng)大電網(wǎng)與智能電網(wǎng)發(fā)展的自適應(yīng)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(yù)防電壓事故的預(yù)防機(jī)制、自適應(yīng)與自愈能力，應(yīng)對不了 21 世紀(jì)來自各方面的挑戰(zhàn)，建設(shè)不好智能電網(wǎng)。ASVC 就是無功就地補(bǔ)償、對稱補(bǔ)償與諧波補(bǔ)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很好，僅計(jì)及電網(wǎng)降損一項(xiàng)指標(biāo)，4~5 年就可收回成本。

7 結(jié)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(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)進(jìn)行建設(shè)，需要發(fā)、供、用三方、以及學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的共同努力，與時(shí)俱進(jìn)的改革過時(shí)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(jìn)我國智能電網(wǎng)的建設(shè)，以應(yīng)對 21 世紀(jì)的各種挑戰(zhàn)。