研究智能AVC的内涵

1.智能AVC的目标

根据IEEE制定的电力系统电磁现象的分类标准，电能质量扰动类型分为七大类：瞬变现象、短时间电压变动、长时间电压变动、电压不平衡、波形畸变、电压波动和工频变化。传统AVC是为了保证电压约束，涉及静态电压调节和时间积分上的动态调节，平衡无功功率和电压之间的关系，减少变压器及电容（抗）补偿器等设备的动作次数从而达到降低工作人员劳动强度及提高电网运行的安全水平。结合传统AVC的目标和智能电网的特征，尝试性地提出智能AVC的目标，概括如下：

（1）兼容传统AVC

当前，传统AVC仍在输电网侧起着重大作用，并且取得了很好的经济和社会效益。智能AVC的研究和开发应当在传统AVC的基础上进行，并兼容传统AVC，减少浪费，优化资源，做到有条不紊，逐步取代。

（2）自适应

不受任何通道或电网故障等因素影响，分布式计算得到的结果适应于任何变化的运行方式需要的功能。

（3）自愈

智能AVC依靠建立在就地计算补偿构成的闭环控制系统进行自愈，该系统首先能够进行电压的自动优化调整；其次在电网电压出现异常和故障时能自行诊断、隔离故障，必要时自动可寻求替代元器件和设备，恢复正常供电，达到减少电压崩溃，最终达到避免目前大量存在的因电压问题导致的停电的目的；再者，智能电网AVC应该能够有效抵御攻击，帮助电网提高防灾能力。

（4）能处理海量数据

当前配电网已存在的用户多、电力元器件和设备也很多，需要采集和监控的节点繁多的问题。随着智能电网建设的深入，可以预见除了智能配电网增加大量的采集终端设备，输电网及各智能变电站需要采集的数据也将大量增加，智能AVC必然要面对和处理海量数据。

（5）电力市场下的无功优化

电力系统的垄断经营已经阻碍了电力行业的发展和管理水平的提高，电力市场产生的高效率和优化资源配置已经得到广泛认可，我国正在加快电力市场的建设，智能AVC作为未来智能电网下的电压无功控制系统，应当考虑到如何适应在电力市场环境下的运行。

（6）无功调度和有功调度协调

传统无功电压控制是把有功频率控制和无功电压控制分开，简化了控制模型，虽然优化结果也令人满意，但是在有功满负荷运行时限制了无功输出的容量，影响了无功优化结果。智能AVC就是智能化的无功优化调度（Optimal Reactive Power Dispatch，ORPD），综合考虑无功优化调度和有功优化调度从而达到资源的优化配置。

（7）动态电压调节，动态无功优化

动态无功优化是在充分考虑系统负荷变化、电容器、电抗器和有载变压器分接头等设备一天内动作次数约束的条件下，获得各无功补偿设备最优动作时间、投入容量和变压器的档位值，并在最优的无功设备投切控制策略下使得整个电网的全天电能损耗最小。智能AVC不仅要取得计算模型效率和全局最优间的协调，还应处理好电压波动带来的影响。传统无功优化利用当前时刻的优化结果指导下个时刻的设备动作，动态电压调节大部分只是进行某段时间上的积分，然后求取某段时间内的最优无功设备投切策略。这并不是真正意义上的动态无功优化和动态过程，动态无功优化的结果需要更科学、更精确，真正的、实时的动态无功优化需要逐步把电容器组改为动态平滑连续调节的无功补偿装置。

（8）优化模型考虑谐波电压

随着电网中非线性元件的大量使用，以及并网运行的分布式电源本身可能就是谐波源，谐波污染越加严重，严重影响电网安全经济运行。在无功优化模型中考虑谐波电压的影响，进行谐波检测、谐波评估和谐波抑制，可减少谐波污染，有效地提高电能质量。

（9）考虑分布式电源的投切，保证电能质量

分布式电源并网运行可能降低系统的安全可靠性，系统故障时可能会加重电压跌落。此外，还需研究分布式电源接入系统引起的电压波动问题，同时还要考虑分布式电源中的某些元器件产生的谐波问题。

（10）资源和设备的高效使用，降低农网线损

农电网尤其是10kV农用配电网，线损率仍处在较高水平。由图1-6可看出，其配电网侧的电能损耗占电力线统全部电能损耗的比例超过40％，而其中低压配电网的功率损耗又是主要损耗，而且农网功率因数较低，无功优化和电压控制水平较低，所以应合理地配置无功补偿装置、改变无功潮流分布、降低线损、减少变压器和线路流过的无功功率、提高电压质量，从而达到资源和设备的高效利用，提高线路和变压器的输送电能的效率。

图1-6 2006年电网功率损耗比例分配图

（11）与用户友好互动，协助提高社会用电效率

传统的电网电力供应商与用户之间只存在单向的电能流动，随着智能电网的建设和发展，将出现电网与用户之间双向通信，双向选择传输电能，两者之间实时进行交互信息的局面。这些举措将极大地节约社会资源，真正实现降损节能。当用户向电网输送电能时，智能AVC可将用户集成为相互联系的分布式电源，以这样的处理方式来控制电网电压和无功传输。

（12）进一步减少工作人员劳动强度和设备折旧，保障人员和设备安全

目前变压器档位的更换、变压器和电容器组的投切还一定程度上依赖专家系统和实际经验，对人员依赖程度仍然较大，没有实现设备的最优运行，尤其是出现紧急状况时，这种经验的依赖性更强。智能AVC的最终目标是实现电网电压问题的自愈，实现“零”依赖工作人员，完全解放工作人员，保障人员和设备安全。

为了更直观的说明智能AVC的先进性，表1-1提供了传统AVC和智能AVC的比较情况。

表1-1 传统AVC和智能AVC的比较

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2.智能AVC的特征

在智能电网建设中，它的技术特征是信息化、数字化、自动化、互动化。智能AVC的建设，它的技术特征和目标理念是结构系统化、分析精细化、控制智能化、互动和谐化。

（1）结构系统化

电压作为衡量电能质量的指标之一，贯穿电力系统的发电、输电、配电以及用电等各个环节。

1）电厂侧智能AVC从电力系统源头对系统电压进行控制调节，变被动适应为主动控制。

2）输电侧智能AVC在调度中心、集控站及变电站均设有子系统，对电力系统各级电压进行分布式调节控制。根据系统运行方式、系统通信方式改变，来确定集中或者分散控制。

3）配电侧智能AVC安装于配电所，对保证电网经济安全运行及用户侧的电压质量作用很大，是建设重点。

4）用户侧智能AVC通过对用户负荷及用户实际用电情况进行检测分析，为实行分时电价、电压质量差别电价提供依据。

（2）分析精细化

电网变化频繁，有规律和无规律运行方案并存，只有及时了解电网实时的运行状态，对各种运行信息进行精细化分析，才能做到胸有成竹，有备无患，事半功倍。

1）遵循IEC61970标准设计接口和以满足公共信息模型（CIM）为标准的电网数据导入、导出技术；实现厂站和智能AVC系统的统一数字化，从而保证所有数据来源实时、精确、完整、可信。

2）电网正常运行时，根据电网实时运行状态，搭建电网运行综合计算分析平台。其中包括理论线损计算、电网经济运行分析、在线安全稳定分析及负荷预报等功能，确保电网安全、稳定运行。

3）当电网发生事故时，将造成电网运行方式发生改变，系统要能根据电网变化自动调整算法结构，做到自适应，并根据事故类型，给出造成电网事故的原因及应采取的措施，最短时间内恢复供电。

（3）控制智能化

传统的无功电压控制系统（AVC）已实现了自动控制的功能。那么，智能AVC在控制智能化方面要做些什么呢？先看看我们当前面临的问题：可再生能源和分布式电源安全、可靠地接入电网的技术；高速电气化铁路运行对为无功补偿的影响；电压骤降时如何快速恢复正常电压；电网动态无功补偿等问题。智能AVC应在控制体系、控制目标、控制策略及控制对象方面做出突破，以应对智能电网所要面对的挑战。

1）控制体系是智能化控制的物质载体，由发电、输电、配电及用户等四个环节构成，各个控制环节相互协调。

2）控制目标是智能化控制的内在追求，由电压安全稳定、电压质量合格和电网运行高效三级目标分解协调产生。

3）控制策略是智能化控制的价值核心，由正常策略和事故策略构成。电网正常运行时，智能AVC系统以提高电压稳定裕度，保证电压质量合格及电网高效运行为目标产生正常控制策略。当电网发生事故时，以快速恢复电网正常运行为目标，进而产生事故控制策略，实现电网自愈。

4）控制对象是智能化控制的实现形式，通过对可控串补（TCSC）、静止无功补偿器（SVC）等灵活输电装置实行控制，改善传统控制手段无法做到的精细、快速控制的效果。

（4）互动和谐化

电网从发电到用电是一个有机的整体，只有做到各个环节相互协调、信息互动，才能从现代电网向智能电网进行转变。互动化是智能AVC的内在要求，也是传统AVC建设的空白点。通过AVC系统构架互动化、用户需求管理互动化、用户服务互动化，将智能AVC打造成系统信息双向流动，各类应用友好兼容的互动和谐的电压控制系统。

1）系统构架互动化是互动和谐化的物质基础。由发电、输电、配电和用户四个子系统构成的智能AVC控制体系，通过广泛应用的分布式智能和宽带通信技术实现系统各个环节之间信息双向流动，互为参考，灵活调整。

2）需求管理互动化是互动和谐化的技术追求。只有实时了解电网运行的实际情况以及电力工作人员的具体需求，才能使得智能AVC成为用户和厂家之间的互动媒介。

3）用户服务互动化是互动和谐化的本质要求。实现电网、电网和用户之间的友好互动、相互协调是建设智能电网的内涵所在。智能AVC以电压控制为主线，整合系统数据，架起三者之间的桥梁。

3.智能AVC的建设理念

完整的智能AVC系统是一个高度集成、融合多种技术的可嵌入式系统，需要具备的模块和功能有：无功和有功双向潮流控制、智能输电网AVC、Web发布、智能配电网AVC、分布式电源兼容、自愈功能、实时在线监测及精细分析和与用户友好互动。如图1-7所示，当前虽然已实现了输电网侧AVC、潮流控制以及Web发布三个模块，但是随着智能电网的建设，输电网系统对潮流计算的要求发生很大变化。目前潮流计算的速度还不够快，采用并行计算将大大提高计算速度。智能电网实现无功调度和与用户双向通信后，智能AVC的潮流计算必须考虑双向潮流，这将会引起系统网损增大，智能AVC的多目标处理技术将会在多种因素之间取得最佳平衡。传统AVC的Web发布数据信息较少，可视化界面单调呆板，智能AVC的Web发布可借助先进多媒体技术，通过动画、动态着色、多维虚拟现实等技术从声音和图画展示技术，Web工作站除自动展示相关运行信息外，还能提供查询子系统用户界面，让用户对历史曲线、设备动作历史记录、历史命令等信息进行远程查询。对不同的用户设置不同权限，使用加密技术防止相关信息意外泄漏。

图1-7 智能AVC结构示意

其中精细分析、电压自愈、分布式电源兼容、与用户友好互动以及配电网AVC几个模块都还没有实现。其中精细分析需要实时在线的电能质量监测技术，保证数据信息传输效率高，噪声特性好，使用智能控制技术，可确保实现全网无功实时就得平衡，实现全网电压实时，平滑动态控制；智能AVC的自愈功能指的是智能电网发生事故后，系统在较少或没有人为干预的情况下自身恢复电压水平的能力，本质上就是事故后，电网能够实现无功就地平衡；分布式电源具有间歇性、随机性和可调控性差等特点，分布式电源的并网运行将会给电网电压带来谐波污染，其频繁启停导致电压波动等问题，加大电压调整难度，降低电网运行可靠性。分布式电源的并网带来的主要问题还在于分布式电源包含的用电设备和系统将以千位数量级增长，届时传统的SCADA／EMS已没有能力监视控制到每个设备的运行信息，取而代之的做法是只监视控制运行工况的边界状况。通过设置在边界的分布式智能控制来解决电网电压无功问题将是实施智能电网面临的主要研发难点和热点，也是实现智能AVC的基础之一。