关于电网AVC和广域相量测量的国内外发展情况

第一章 概述

    近年来，随着我国电力工业的迅速发展，电网规模的不断扩大，电力系统的安全、经济运行已成为电力生产的重大课题。必须不断采用新技术在保证电力系统安全运行的前提下，提高电能质量、降低网络元件中的电能损耗，从而获得满足安全运行条件下的最大经济性和最好的电能质量。其中电网的自动电压控制及无功优化(简称AVC)和广域向量的实时测量（简称WPMU）就是电力生产中提高电能质量，降低网损和监测电网安全运行水平的重要手段。
电网的自动电压控制及无功优化(AVC)，就是要实现安全电压约束下的全网最优电压无功控制，它以全网网损最小为目标，以全网各节点电压合格为约束条件。改变了以本厂站电压为目标的传统的调压方式。由于调度自动化系统是运行在电网运行的指挥中心，即“调度中心”，它远离电厂与变电站。所以由调度自动化系统的无功优化软件直接指挥电厂、变电站设备的运行，往往会由于缺乏现场的一些参数而造成安全的隐患。比如电厂的厂用电压、转子电流等。一般没有送到调度中心，而这些参数对发电厂的运行安全是十分重要的。为此整个无功电压控制系统需要分为二层，即调度中心侧的主控制软件，发电厂、变电站侧的当地控制系统，这一系统即是执行系统，它具有当地装备的保护功能。同时，当调度侧的主系统故障，或者通信系统故障，它可以用当地功能继续实现自动电压控制。
    广域向量测量就是在电厂和变电站实时测量相角（包括发电机的功角和母线电压相角）等电气参量，利用全球定位系统(GPS)实现时钟同步,并把打上时标的电气参数利用高速数据通道传输到调度中心的调度自动化系统。使相关运行人员实时监视系统母线电压向量和发电机的功角变化；同时，由于提供了精确实测的电网状态参数，可以使以前只能离线计算的电力系统稳定分析等更准确地用于实时计算，从而实时地进行动态安全分析，对运行的电力系统实现预防性控制、紧急控制。
    随着电力系统自动化水平的极大提高，电网调度已经由十几年前以人工估算，电话通知为主的原始调度方式发展成为以大型计算机系统为决策核心，以专用数据通信网为传输依托，以众多现场自动化设备为测控基础的广域、实时调度自动化系统。从而也就为电网电压自动控制及无功优化系统和广域向量测量系统的实现，奠定了基础。

第二章 项目实施的必要性

    在电力系统中，电压、频率和波形是表征电能质量的三个主要指标。电压是否合格，直接影响到电网运行的经济性和安全性。电压偏差大，不仅会对用电设备造成威胁和损害，而且直接危害到电网运行，严重时由于电压不稳定现象，甚至可能引起电网崩溃。因此电压是否能维持在合理的范围内运行，一直是电力行业特别重视的问题之一。
    在保证电能质量合格的前提下，如何节能降耗，是电力工业生产的另一个重大课题。降低网损的关键就是要对系统无功电压实现优化。
    电力系统运行时如何既保证电压的合格，同时又使电网线路损耗和电网元件（发电机、变压器）的损耗最小（电网无功优化运行），是电网运行人员多年的理想。在电力调度自动化系统中，无功优化的软件早已出现。但全世界真正实际投入闭环控制运行的却很罕见。原因是电网的运行状况是实时变化的，既要保证电网的优化运行，又要保证电网运行元件――发电机、变电站设备（如断路器等）的安全可靠和保证它们的使用寿命，是不容易的。
    所以河南电力调度与我公司研究控制系统采用了双层控制结构，即以调度自动化系统的无功电压优化控制软件作为上层,在发电厂、变电站安装无功电压自动控制设备（AVC设备）作为第二层。这样，电网调度自动化系统对电力系统进行优化计算后向厂站的AVC设备发出的电压（或无功）的目标值，由我公司研发的AVC装置根据收到的优化目标去调节发电机的无功或变电站的无功，使母线电压达到优化的目标值，同时保证发电厂的各种参数在合格的范围内，变电站的无功设备投切次数也在断路器允许的范围内。即使上层指令暂时出现偏差甚至错误，由于厂站端设备的保护，都能保证电力系统的正常运行，厂站端的设置也不会出现安全问题。
    就广域向量测量而言，其研发工作在国内外方兴未艾，其主要是满足大电网时间上同步和空间上广域的发展需求。我国2001年7月颁布实施的新版《电力系统安全稳定导则》中第5.7条要求：电力系统应配备连续的动态安全稳定监视与事故录波装置，并能按要求将时间上同步的数据送到电网调度中心故障信息数据库，实现故障信息的自动传输和集中处理，以确定事故的起因和扰动特性，并为电力系统事故仿真分析提供依据。所以需要安装在发电厂和变电站，采集带时标的各种向量，连续的电网状态，以对电网的状态进行有效的分析。
    由此可以看出，大电网的安全稳定运行要求其测量系统应满足下列条件：
    （1）    测量点广域分布安装
    （2）    能够测量状态参数值
    （3）    被测的状态参数不仅要测状态的模值，也要能测到状态的相角
    （4）    所用被测量必须在时间上精确同步
    目前传统的SCADA系统往往侧重于电力系统稳态运行情况的检测，而大电网的运行分析与控制，是以状态向量为基础的。状态向量不仅要获得被测点电气参数的模值，而且要获得被测量的相角。利用GPS对时，将被测点的各个电气参数统一在一个时间轴上；分布在电网不同接点的向量测量设备靠GPS的高精度时钟来同步，使所有传输到广域测量系统的向量值都一个精确的时标，从而在调度中心可以观察到同一时刻各被测点之间的向量关系，使电网运行人员可以直观地了解系统的状态和安全程度；在故障情况下有条件进行动态安全分析，必要时进行紧急控制，防止系统失稳，提高电网的安全水平。

第三章 国内外的现状

    六十年代以来，各国的专家学者在无功电压控制方面做了大量研究，取得了丰硕成果。电压的调节手段不断丰富，从过去只有发电机、变压器分接头、并联电容电抗器，发展到今天的带负荷调压变压器、以及静止型无功补偿(SVC)、ASVG等快速反应的FACTS元件。值得注意的是，这些调压设备的控制系统都是当地闭环控制。在电网某条母线发生电压波动时，这些设备在其控制系统的作用下，将快速、自动地实施控制，旨在维持这一特定母线电压在合格范围，通常称这类控制为一次电压控制。显然，它们的动作是局部的、分散的，彼此之间没有任何协调。
    就无功电压优化而言，由于主网的线路潮流与地区网的有所不同，不但与负荷有关，而且发电机出力对潮流分布也有决定性作用，再加上发电机出力是连续可调的，而负荷无功大多不是连续可调的，所以网损优化主要要考虑发电机出力的优化。因此在全网无功优化过程中主要由电厂无功参与连续可调的优化，而变电站无功主要作保障节点电压之用。
    无功电压优化方面的研究已经有很长的历史，也取得了许多成果，但其作用仅局限于系统的规划阶段或进行电网分析；许多EMS系统中虽然包括无功电压控制模块，最终也只是给出一个建议性的优化控制结果，并没有真正实施闭环控制，电压的调节在很大程度上还是要靠调度员下达调度命令来实现。因此，可以说在国内外电力系统中，还没有实现系统范围的实时无功电压优化控制。分析其原因，主要是安全问题要求控制系统必须了解现场大量的信息量，而且要保证量测有足够的可靠性，这是十分困难的。因此，需要采用两层或多层控制结构。即上层用无功电压优化的方法算出各厂站的电压（或无功），发到各厂站的执行装置作为实时设定值，由各厂站执行装置根据现场的实测参数去执行此设定值。
    电压稳定和无功优化是电力系统的重大课题，节能降耗给电力系统乃至整个社会带来巨大的经济效益和社会效益。目前电网无功优化控制项目已开始在全国电力系统展开，由河南、山东、湖南、福建、江苏、安徽、黑龙江等省电力公司已经开始了这方面的应用，其中河南电网是唯一实现实用化运行的省网。
河南电网无功优化控制系统厂站端设备全部安装了我公司自主研发的厂站端自动电压控制设备，实用化运行一年多来，电网的电压合格率平均提高5.15%,达到历史最高水平，线损率比去年同期下降近0.35个百分点。如果以投入运行以来的平均线损率与上一年相比计算，则一年内节约电量约2.7亿千瓦时，按每度上网电价0.27元算，折合人民币7千余万元。
    国内外在电力系统无功优化方面已经进行了大量的理论和算法的研究，并有产品的软件，但国际上投入实际应用的很少，所以没有形成完整的现场控制产品系列。在国内，我公司和河南电力调度中心首先提出分层控制的构想，并首先研制了厂站端的AVC设备，形成了产品，并在河南全省、山东、黑龙江等省应用。目前国内也有几家单位在参观了我公司的产品后少量试验性地生产了该类产品。
    向量测量装置的研究起步于上世纪80年代的美国，1982年至1986年处于概念阶段，1986年至1988年处于试验装置阶段，1988年至1991年处于系统中试运行阶段。1992年以后工业化产品问世。1995年诞生了IEEE 1344，2001年修订为C37.118。目前，美国西部WECC系统安装了近50个向量测量装置，主要用于动态记录和模型修正。北美WSCC系统（包括BPA、SCE、ISO）安装了47台向量测量装置，监视约1200个信号，主要用于动态记录、分析和建模。TVA经过优化设计，在600条线路中的69条主干线上安装了向量测量装置，可以观测到整个系统。美国的其它许多电力公司都安装了数量不等的向量测量装置，少则2台、多则10多台。
    在欧洲，西班牙的CSE首次将向量测量信息用于状态估计，法国东南部系统、北欧系统、英国电网也都部分安装了向量测量装置。
    我国有关工作起步于1995年，目前有中国电科院、清华大学、华北电力大学、华中科技大学、山东工业大学、西交大、河海大学等单位从事研究开发工作，厂家有科汇、四方、南瑞等。我国电网中安装情况大体如下，国调在阳城、全国联网工程、三峡工程部分安装了向量测量装置，拟进一步全面安装构成系统；省调安装向量测量装置的有河南、广东、黑龙江、辽宁、河北、江苏、福建、四川等。
关于广域同步向量测量，国内目前有PMU产品，即利用GPS测量母线电压向量的装置。能实测发电机功角的尚没有产品。国内能实测发电机功角的只有河海大学与河南电力调度中心研制正在中，尚未鉴定，且一个周波只能测一个点。而我公司研制的产品可利用GPS测母线电压向量，在发电厂也可测量发电机的功角，而且有一个周波测3点的快速响应性。
    发电厂端AVC装置在进行无功优化控制的时候，需要功角作为保护参数，以往AVC装置中的功角都是采用计算方法求得的，在本项目中采用实测的办法获得功角，将会更准确，实时性更高。另一方面，无功优化控制装置和广域同步向量测量装置采集的数据绝大部分是相同的；可以合二为一，实现硬件、信息的共享。该方案的优点一是在无功优化控制过程中采用实测功角作为保护参数，提高了保护的准确性实时性和可靠性；二是共享了装置的测量单元，保证了测量数据的唯一性，提高了量测的数据可靠性；三是由于设备的合二为一减轻了互感器二次回路的负担；四是减少了工程量和安装空间，五是可以共享上传通道，降低传输成本，进而减少建设投资。把广域向量测量与发电厂、变电站的AVC装置集成在一起，我公司是唯一的一家。