智能电网的智能自动电压控制技术

1 智能电网

近几年在世界范围内兴起的智能电网， 是指用先进的通信、信息、网络、传感器、分布式电源、分布式计算技术等一切可以为我们所应用的先进技术和传统的电网技术相结合，使电网具有一种思维、分析、判断、决策、控制的功能，无论在什么情形下，电网都能自动快速准确的进行自控，因而电网就能更安全、稳定、高质、高效，更人性化的运行， 能够自如的应对 21 世纪来自各方面的挑战，这就是智能电网，也称为绿色电网，可持续发展的电网，社会各方面都能受益的电网。智能电网应该涵盖电网的发、输、变、配、用电各个环节，涵盖各级电压的电网。

2 智能自动电压控制

电网有三大控制系统，安全稳定控制系统、自动发电控制系统( Automatic Generation Control-AGC ) 和 自动电压控制系统(Automatic Voltage Control -AVC)。因此按照智能电网的标准建设的 AVC，是智能 AVC (SmartAVC)，是智能电网的重要内容之一。SmartAVC 把我国独有的经济压差(△UJ)无功潮流计算技术与先进无功动态补偿装置相结合组成 SmartASVC。ASVC 是无功就地平衡补偿、电压波形对称补偿与谐波补偿一体化装置。Smart AVC 是使电网无功电压控制的全过程达到智能化的过程。

2.1 Smart AVC 的目标

(1)实现电网安全稳定运行，降低电压崩溃事故大规模停电风险;

(2)提高电能的电压质量，全网全方位电压合格率统计达到 95%以上;

(3)提高输电效率，最大限度的降低线路损失，全网线损率达到5.5%，年节约线损电量 700 亿 kWh;

(4)提高用户的用电的效率、可靠性;

(5)提高供电设备利用率 10%~15%;

(6)实现绿色电网，年减少工业粉尘及二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳等气体排放量 2 亿吨左右，节约电网无功补偿投资 300 亿元。

2.2 Smart AVC 的特征

(1)无功优化。

无功实时就地平衡特征。即组成电网的发电厂、输电线路、变电站与用户等 4 个元件的发电厂、变电站与用户各自做到无功实时就地平衡， 输电线路的过剩无功在本线两侧等量补偿。

(2)柔性控制。

变电站与用户均使用先进无功动态补偿装置进行无功实时平衡与电压正弦波形控制。

(3)高质量、高效率。

电压质量与线路损失率同时抵达最佳状态。电能质量、供电电压偏差及波形同时高质量。

(4)先进的预防机制。

实时无功平衡机制。△UJ 无功潮流提高了全网平均电压水平，提高了电压稳定储备系数;消除了局部低电压运行发生电压崩溃的隐患。

(5)自适应功能。

分布式计算功能。就地计算结果达到全网无功优化要求，且不受通道或电网发生故障等影响，结果适应于任何变化了的运行方式需要的功能。

(6)自愈功能。

电网电压水平降低时， 无功负荷自动减少的功能是电网具有的自愈功能， 但是仅凭这点自愈功能还不足以保护电网不发生电压崩溃。自愈功能实际上就是电网具备的自动实现无功实时就地平衡的能力。自愈功能是自适应计算功能加先进无功动态补偿装置的调节能力。

(7)人性化互动。

发电厂与电网之间，变电站与电网之间，电网分层之间，和谐互动，相互制约，相互促进。

(8)市场化。

发电厂上网电价、变电站下网电价、供电公司销售电能实施电压质量差别电价。

3 Smart AVC 过程

3.1 按电压分层控制

Smart AVC， 实施按电压分层控制原则， 即 1000(750)、500(330)、220、110(66)、35、10、0.4kV 分层控制。

各级调度各管一层。管好下级电网及发电厂注入本级电网的无功值为优化值; 照此实施电压质量差别电价政策。智能 AVC 控制全程见图 1。

计算网络：例如 220kV 计算电网，包括从 500kV 变压器的 220kV母线开始的 220kV 网络，加上接入 220kV 网络 220kV 变压器;以此类推。

3.2 宏观电压水平控制

电网的电压水平取决于直接接入电网的全部， 起码是大多数变压器的使用变比。对已经正常运行的电网来说，基本上不存在什么问题。我国电网由于无功补偿布局不科学， 无功长距离、大功率从高压电网向低压电网输送， 从发电厂向需求侧输送， 因而从高压电网到低压电网，从发电厂到需求侧，变压器的标幺变比呈减小趋势。随着电网无功优化调控过程的展开， 变压器的标幺变比的差别会趋于减小。电网无功优化过程中的调控过程主要无功就地平衡的控制。

3.3 智能化控制过程

3.3.1 传统的大闭环控制

图 2 是在控制端(调度中心)与执行端(现场)之间形成的大闭环控制体系示意图。依赖通道传送实时数据，控制端进行状态估计、优化计算与发布指令的大闭环控制体系。

3.3.2 智能化控制

分布式就地计算与控制体系。安装在变电站的 ASVC 或发电厂的微机励磁控制器， 加分布式无功补偿计算模块，构成 Smart AVC。SCADA从现场采集实时计算需要的数据，计算注入电网要求的实时无功优化目标值，与实时无功值进行比较， 得出偏差调控量，ASVC 进行偏差纠正调控，只要每一个场站不断的进行这种闭环调控，调控一次， 电网迭代一次， 电网中的无功潮流就会逐步自趋优化。这种跟踪电网负荷不断变化调控的闭环控制过程显示了 Smart AVC 智能控制功能，体现出 Smart AVC 的一切特征。图 3 示出了就地分布式的闭环控制过程，不受通道限制，不依赖状态估计，不受调度中心是否具备计算条件限制，显示了它的自适应能力与自愈功能。

电网发生故障情况后， 运行电压自动恢复到安全控制线以上的能力叫自愈能力。自愈能力实际上就是在所有功率突增的线路两侧都能快速科学的增加补偿无功容量的能力，科学的计算显示了自适应能力。例如美加“8middot;14”大停电，在开始的 62min 内，有 5 条线路相继开断，且先后的相继开断过程愈来愈快，加上发生了通道故障，已经不再可能经过正常的控制程序进行无功补偿， 只能通过分布式计算与就地闭环紧急控制体系， 阻止停电范围的扩大。

4 人性化互动与市场化

人性化互动与市场化是智能电网的重要特征之一。体现在发电厂与电网之间，变电站与电网之间，电网分层之间，电网与用户之间，和谐互动，相互制约，相互促进，走向市场化，多方共建智能电网的愿望。特征是公平、公开、公正，电价质量透明。用户按电价选择用电时间，电能质量按质论价。目的是相互促进无功功率实时就地平衡，共同打造智能电网，共享无功就地平衡效益。

4.1 供电公司与用户

实施实时功率因数考核办法。例如，分功率因数电能表抄录的总电量及不同功率因数分段的有功电量分别为 A，A1，A2，A3，?，An，不同功率因数分段所对应的电费调整率相应分别为λ 1，λ 2，λ 3，?，λ n，则可得出对应的调整电费与总电费为 W=k[A+(A1λ 1+A2λ 2+A3λ 3+? +Anλ n)]。

实施电压质量差别电价，按质论价。如果电压质量差别电价电能表抄录的有功电量与不合格的有功电量分别为 A，A1，它对应的电价分别为λ ，λ 2，则可得出总电费为 W=Aλ +A1λ 1。

4.2 电网调度与发电厂或供电公司

为了保证电网中电能量的正常交易， 电网调度与发电厂或供电公司之间实施以给定电压约束下的注入电网的实时无功值合格与否的电量差别电价。但是，判定电能的供电电压偏差质量是否合格的量值不是单纯的电压有效值，而是电压有效值约束下的实时无功值合格。调度局对发电厂或变电站的上(下)网合格电量按质付费。

5 实现步骤

根据我国电网电容器无功补偿布局倒置等实际情况，实施 SmartAVC 有 2 个重点，一个是建设电网△UJ 无功补偿布局，图 4 示出 SmartAVC 建设步骤。另一个是逐步推行动态跟踪无功补偿装置。

6 先进无功动态补偿装置

采用无功动态补偿装置建设 Smart AVC 是人类适应大电网与智能电网发展的自适应能力的体现。停步不前的采用电容器组的电网， 不具备预防电压事故的预防机制、自适应与自愈能力，应对不了 21 世纪来自各方面的挑战，建设不好智能电网。ASVC 就是无功就地补偿、对称补偿与谐波补偿的一体化装置。ASVC 发展很快，基于 TCR 的 SVC、基于 MCR 的 SVC、SVG??，技术经济指标很好，仅计及电网降损一项指标，4~5 年就可收回成本。

7 结束语

Smart AVC 是智能电网的重要组成部分，全新概念，内涵丰富，需要以科学发展观为指导进行建设，需要发、供、用三方、以及学术界与工业界的共同努力，与时俱进的改革过时的法规政策与行业规程，自主创新的 SmartAVC 必将在中国建成。各行各业，助力推进我国智能电网的建设，以应对 21 世纪的各种挑战。