山西振中电子科技有限公司
地区电网电压无功优化运行闭环控制系统
（AVC系统）
游卫斌
一、前言
目前我国电力行业对电压的控制一般是将每日分为几个典型时段，以不同的上、下限值，进行比较粗糙的人工控制。调度运行人员在发现电压越限时，凭经验进行简单的调整，不但劳动强度大，而且不能及时发现电压越限，造成电压质量的降低。现代化工业设备和家电用品对电压的质量提出了很高的要求，只有采用自动电压控制的方法才能进一步提高电压质量。
国内 调度现状
电力系统电压和无功功率控制是一个关系到保证供电质量，满足用户无功功率需求和系统电压稳定的问题，同时也是减少线损，提高电网运行经济性的十分有效的措施，因此一直得到电力系统运行人员和研究人员的重视。
河海大学电力系多年来对无功优化与控制问题非常重视，开展了长时间的研究工作，并且致力于“地区电网电压无功优化运行闭环控制系统” 研制、运行及其推广工作，已经在全国多个省市的几十个地级电网应用，取得了明显的经济效益和社会效益。
设计依据
二、 国内研究应用状况
☆ 变电站电压无功控制装置(VQC装置)
国内研究应用
☆ EMS（能量管理系统)无功优化- 离线计算
☆ 基于SCADA系统和EMS系统的在线全网电压
无功优化闭环控制(AVC系统)
☆ VQC+主站软件
国内研究应用-- (VQC装置)
国内研究状况－VQC
九区域法局限性-控制孤岛
☆ 无法体现不同电压等级分接头调节对电压的影响
☆ 不能做到无功分区分层平衡
☆ 不包含与省网AVC协调控制的策略
☆ 无法满足某些全网的控制目标以及约束条件:如省
网关口功率因数，220kV母线电压约束,全网网损
尽量小的目标
国内研究状况－在线全网电压无功优化闭环控制
☆ 省网AVC系统
☆ 地区网AVC系统
☆ 省网AVC与地网AVC协调控制
省地AVC协调控制必须分级协调控制
☆ 由于受运算速度的影响，不可能由一台和几台计算机直接完成一个省全省电网的电压无功优化运算；
☆ 省网和地网的网架结构差别比较大，AVC的算法和控制目标、控制手段有所区别；
☆ 不能由一套AVC软件从一个监控中心或调度中心向全省所有一次设备发送控制指令，这不符合供电公司的管理模式;
国内研究状况－VQC+主站软件模式?
☆ 主站软件是为“全网” 考虑：全网的电压约束、全网的功率因数 约束、全网网损约束等
☆ VQC装置只考虑本厂站的条件和控制目标
VQC装置: 从局部考虑的“大脑”
主站软件：从全局考虑的“大脑”
VQC+主站软件模式要不要二级协调控制？
☆ 主站软件在当前普通商用PC机上即可在线完成地级市电网的电压无功优化计算；
☆ VQC的控制手段不可能超出AVC，比如，VQC就不适应控制发电机;
☆ 主站软件和VQC都能采集到必要的计算数据 ；
结论：主站软件不再需要VQC装置做二级协调控制
☆ 这种模式投资比较大。
VQC+主站软件模式可靠性？
主站软件可靠性*VQC可靠性
VQC+主站软件模式可靠性：
主站AVC系统可靠性：
主站软件可靠性
----使用的设备越少系统将越可靠,软件比硬件可靠
VQC的命运
☆ 对于已有的VQC装置，要么退出;要么抛弃其策略，
不要再做“决策者”，但可以做一个“执行者”：
1、对于没有通过RTU装置控制设备的变电站，AVC系统可以将指令发给已安装VQC装置，VQC装置做最后一步控制命令进行验证，充当“质检员”的角色；
2、可以通过VQC装置采集无法从调度自动化系统采集的数据；
☆ 随着主站AVC软件系统的引入运行，不需要新
购买VQC
结论
☆ VQC装置会逐步淘汰；
☆ 在SCADA系统可以接驳主站AVC软件的情况下再和VQC装置做二级协调控制为多余；
三、系统概述
“地区电网电压无功优化运行闭环控制系统”通过调度自动化SCADA系统采集全网各节点遥测、遥信等实时数据进行在线分析和计算，在确保电网与设备安全运行的前提下，以各节点电压合格、省网关口功率因数为约束条件，从全网角度进行电压无功优化控制，实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压，实现主变分接开关调节次数最少和电容器投切最合理、电压合格率最高和输电网损率最小的综合优化目标。本系统最终形成有载调压变压器分接开关调节、无功补偿设备投切控制指令，借助调度自动化系统的“四遥”功能，利用计算机技
地区电网电压无功优化运行闭环控制系统
术和网络技术，通过SCADA系统自动执行，从而实现对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设备的集中监视、集中管理和集中控制，实现了地区电网电压无功优化运行闭环控制。
本系统适用于地区级、县级电网中单电源或多电源供电的各种网络，并能可靠地与各家调度自动化厂家开发的SCADA系统接驳，与省网主站AVC系统接驳，实现省、地、县网电压无功联合控制。
运行方式
对于实现‘两遥’功能的电网，系统采用 开环控制方式
对于实现‘四遥’功能的电网，系统采用 完全闭环控制方式
系
统
简
要
逻
辑
框
图
与SCADA系统接驳方式
AVC系统
数据端口是否
连接成功
控制端口是否
连接成功
遥控报文
返校信息
返回遥测遥信数据
SCADA接口
设备
与SCADA系统接驳方式
☆ AVC系统与SCADA系统无内部耦合性，相互之间
互不访问数据库。
☆ AVC系统不直接控制设备，设备控制指令由
SCADA系统执行。
☆ AVC系统对设备的操作指令在SCADA系统中都有
明确的记录。
☆ AVC系统对遥测遥信数据量比较少，不会影响
SCADA系统网络性能。
系统目标
★ 无功优化目标
★ 校正控制目标
—— 全网网损最小
—— 电压合格(包括220kV变电所高压侧母线电压以及10kV母线电压)
—— 省网关口功率因数合格
—— 有载变压器分接头动作次数尽量小
控制手段
(1)电容器
(2)电抗器
(3)有载分接开关
四、系统算法
系统核心技术解析
最优化算法
模糊专家系统
功率因数校正
设备动作次数优化算法
防止设备动作振荡
与省网AVC协调控制
技术解析—最优化算法
(1)无功优化模型
(2)改进的遗传算法
(3)遗传算法工程实用化处理
最优化算法—无功优化模型
目标函数：
第一项为有功网损；第二项为节点电压约束；第三项为由省网关口功率因数约束转换而来的无功功率约束;i为节点个数，j为省网关口个数。
最优化算法—无功优化模型
V＝
Q＝
Vi max
Vi
Vi min
Vi > Vi max
Vi min < Vi < Vi max
Vi min < Vi
Qi max
Qi
Qi min
Qi > Qi max
Qi min < Qi < Qi max
Qi min < Qi
最优化算法—无功优化模型
Vi min < Vi < Vi max
Qi min < Qi < Qi max
Ti min < Ti < Ti max
Vgl min < Vgl < Vgl max
.
最优化算法—无功优化模型
Pi ，Qi，Ui——节点i处注入的有功、无功和电压
式中：
Gij ，Bij，δij——节点间的电导、电纳和相角差
h——所有与节点I相连的集合
K——所有省网关口节点集合
Vi min Vi max——节点电压上下限
Qi min Qi max——节点无功上下限
Ti min Ti max——变压器变比的上下限
Vgl min Vgl max——发电机机端电压的上下限
最优化算法—改进遗传算法
☆ 遗传算法适用于解决混合整数优化问题，本身没有对控制变量的连续性假设的限制，可以方便的处理离散控制变量
☆ 遗传算法可以方便的处理多目标函数，在处理控制变量和约束条件上也比较灵活，可以根据需要进行定制
☆ 遗传算法编码方式灵活，而本系统采用的混合编码方案更加符合问题的自然描述，所以可以方便的考虑对控制变量的约束，方便的引入启发式的搜索
☆ 由于遗传算法可以从多个初始值开始搜索，所以能够以较大的概率收敛到全局最优解
☆ 简单遗传算法速度较慢，容易陷于局部最优，系统中使用了改进遗传算法
最优化算法—遗传算法工程实用化
☆ 每一次优化方案中变压器分接头开关只许调节一档
☆ 在优化前每个设备必须经过设备动作次数优化模块预处理，筛选后的设备才允许加入到备选控制变量
☆ 并列变压器应该同步调节，在染色体编码时把并列的变压器映射成染色体中的同一个基因位
☆ 为防止优化效益并不明显时造成电容器和变压器分接头开关无谓动作，所以允许人工设置网损减少量限值，如果低于此限值，优化方案不执行
最优化算法—遗传算法工程实用化
☆ 收敛速度较慢，收敛时间在分钟级
☆ 最好应用状态估计数据
技术解析—模糊专家系统
专家系统是一个具有专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域的专家提供的知识与经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家决策的复杂问题。本控制系统涉及的专家系统是根据系统状态的电压、无功等数据及电容器投切和有载变压器分接档位信号，实时对电压无功进行优化集中控制；
模糊专家系统
模糊专家系统的核心是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑，具有完整的推理体系的智能技术。这样做的目的，有利于对知识进行模糊推理得以改善，增强处理不确定性的能力；
模糊专家系统
模糊专家系统的辅助决策工具是潮流计算，如果潮流计算不收敛则依靠全网的灵敏度矩阵辅助决策，有效的保证了指令的正确性。
模糊专家系统—技术特点
☆ 全网（集中）控制与分区分层控制相结合
☆ 无功平衡稳定电压与分接开关调节电压相结合
☆ 集中控制与分布执行相结合
☆ 潮流计算、灵敏度分析与专家系统规则判别相结合
☆ 保电网安全与电压无功控制相结合
模糊专家系统—技术特点
本控制系统涉及的是220kV及以下电网级，由地调、县调负责的电压无功自动控制。在本控制范围内，采用分区分层控制与全网控制相结合，先分区后分层再全网，全网保分区分层的控制策略，来达到无功分区分层就地平衡，稳定全网电压，主变分接开关动作次数最少，电压合格率最高。
全网（集中）控制与分区分层控制相结合
模糊专家系统—技术特点
全网（集中）控制与分区分层控制相结合
模糊专家系统—技术特点
无功平衡稳定电压与分接开关调节电压相结合
本控制系统时刻通过无功功率分层就地平衡来稳定电压，并维持电压在一定水平，当电压还达不到要求时，再辅以调节主变分接开关。所以本控制系统的投入可以确保本地区无功补偿设备的最大投入，同时满足省网关口功率因数约束，对整个电力系统的无功平衡和电压稳定起着非常重要的作用。
模糊专家系统—技术特点
集中控制与分布执行相结合
近年来，随着电网调度自动化水平的不断提高和电网一次设备的更新换代，特别是计算机运行速度的提高和计算机网络技术的发展，使得地区电网实施全网电压无功优化运行集中控制硬件上成为可能。本控制系统根据电网运行状况，集中形成控制指令，然后发送至各控制点（如巡检站），各控制点并发执行指令。
模糊专家系统—技术特点
潮流计算、灵敏度分析与专家系统规则判别相结合
本控制系统的优化控制根据“专家系统规则，潮流计算和灵敏度分析辅助决策，有效的防止设备投切振荡，不会出现“模糊”的指令。
模糊专家系统—技术特点
保电网安全与电压无功控制相结合
电网安全包括设备安全和系统稳定安全。本控制系统引入了设备的保护信号，实现对设备的可靠闭锁，同时支持用户自定义故障信号，如挂牌、检修等；对于主变过载、系统周波越限等故障情况都有相关的闭锁；在确保设备安全方面做了充分的考虑，并已作应急处理。例如电容器连续投切、主变分接开关“滑档”、PT断线、低电压等。
模糊专家系统—典型功能
全网优化调节电压功能
当无功功率流向合理，某变电所10kV侧母线电压超上限或下限运行，处在不合理范围时，分析同电源、同电压等级变电所和上级变电所电压情况，决定是调节本变电所有载主变分接开关还是调节上级电源变电所有载主变分接开关,做到多级电压协调控制；
模糊专家系统—典型功能
全网优化调节电压功能
实现热备用有载调压变压器分接开关挡位联调热备用有载调压变压器，其分接开关档位调整数与运行有载调压变压器分接开关档位调节一致，可迅速完成热备用变压器并联运行。
模糊专家系统—典型功能
全网优化补偿无功功能
当地区电网内各级变电所电压处在合格范围内，控制本级电网内无功功率流向合理，达到无功功率分层就地平衡，提高受电功率因数。
模糊专家系统—典型功能
全网优化补偿无功功能
在确保不向上级电网倒流无功的情况下，允许本厂站的无功倒流，实现无功的同层平衡的同时降网损。
模糊专家系统—典型功能
优化补偿无功功能
同电压等级不同变电所电容器组根据计算决策谁优先投入。同变电所不同容量电容器组根据计算决策谁优先投入。
模糊专家系统—典型功能
全网优化补偿无功功能
当变电所10kV母线电压超上限时，先降低主变分接开关档位，如达不到要求，再切除电容器；当变电所10kV母线电压超下限时，先投入电容器，达不到要求时，再提高主变分接开关档位。如果本级变电所无调节手段，则考虑调节上级变电所设备。
模糊专家系统—典型功能
软件系统可以根据当前的负荷水平，在电压合格范围内，进行全电网分析，自动实现高峰负荷电压偏上限运行，低谷负荷电压偏下限运行的逆调压功能。
技术解析—功率因数校正
采用改进遗传算法进行无功电源方案优选
其染色体由无功电源的投切方案组成
☆ 不考虑分接头的升降，所以染色体的规模变小；
功率因数校正
☆ 约束条件中不包含分接头相关的约束条件；
☆ 对于备选无功电源先依据灵敏度矩阵预算，对于会引起电压越限的无功电源从备选方案中去除，所以在目标表达式中无电压越限罚函数；因此，大大加快了遗传算法的收敛速度。
与全网无功优化算法相比之特点
功率因数校正
当优化方案不收敛，则启动专家系统模块按照对无功对网损的灵敏度大小建立灵敏度矩阵，对所有无功电源降序排列，依次调节各无功电源，直到达到省网关口功率因数合格为止。
☆ 权重系数法
设备动作次数优化算法
根据7天内相似日的分时段动作次数记录、当天内设备的动作次数记录、分时段分配次数、以及是否约束越限等得出权重分配系数，按权重分配系数来给设备动作优先级排队。
☆ 分时段动作次数限值分配
人工可分时段设定设备动作次数上限，如果次数用完则系统报警。
☆ 每个设备可以单独设置动作间隔时限
防止设备动作振荡
☆ 潮流计算和灵敏度矩阵计算来对设备 动作进行可靠预算
☆ 完善的动作闭锁机制防止误动
☆ 尖峰脉冲数据过滤
五、工程实用处理
☆ 对于噪音数据、不合理数据、零数据、短
时间尖峰数据系统可靠滤除，数据过滤范
围可以由人工设置。
☆ 电压遥测数据可以根据不同厂站、不同电
压等级设置过滤范围。
☆ 无功遥测数据可以按厂站设置过滤范围。
工程实用处理
工程实用处理＿数据校验
☆ 数据校验，对于遥测数据，利用冗余的
数据作为补充。
☆ 如对于变压器高压侧无功数据，可以采
用低压侧和中压侧的无功数据作为补充。
当高压侧无功数据被数据过滤为无效，
则将低压侧和中压侧的无功数据之和进
行数据过滤，如过滤为有效数据，则近
似作为高压侧无功数据进行计算。
工程实用处理
对于电容器开关遥信数据，利用遥测数据
校验其真实性．
☆ 死数据处理
☆ 对于长期不变化的遥测数据(死数据)，能
可靠辨识。
☆ 死数据判别时间可人工设置
工程实用处理
工程实用处理——保护闭锁
☆ 各类保护信号可以任意添加、修改。
☆ 保护信号动作，将触发相关设备保
护状态，系统不会对该设备发令。
☆ 当保护信号复归，AVC系统是否自动解
除相关设备的的保护状态，可由人工
按不同保护信号单独设置。
工程实用处理
SCADA系统中自定义遥信状态,AVC系统也可以
进行处理。
☆ 设备故障检修
☆ 刀闸分
☆ 挂牌
工程实用处理
☆ 在规定时间间隔内(如5分钟)对同一设备只操
作一次。
☆ 在规定时间间隔内对同厂站只操作作一个设
备(并列运行变压器联调除外)。
六、AVC系统对电力生产的影响
调度运行－转型
经验型(人工判断，人工操作）
自动型，智能型
(经济，优化运行)
调度运行－转型
调度员监视SCADA系统
调度员监视AVC系统
AVC系统的管理
AVC系统
远动
运行管理
数据维护
调度台
输出
报表，曲线
七、安全规程
AVC系统主要运行管理部门归口于调度所，AVC
主站系统运行于调度中心，由远动专职负责维护，运
方提供电网及设备参数，调度员负责运行
安全规程
AVC系统安装完毕后，以开环的运行方式试运
行至少48小时。
安全规程
AVC系统在闭环运行之前应对变压器分接头、电容器电抗器开关进行控制试验，以验证“AVC”系统与SCADA系统接驳程序的可靠性和稳定性，同时验证“AVC系统”的变压器升遥信号、降遥信号，电容器电抗器的遥控号是否正确，必须确保每一个设备遥控遥调正确。控制实验方法参考《控制实验报告》。
安全规程
八、系统特点
☆ 整个软件系统不只局限于最优化方法计算或者是专家系 统与模糊理论；而是将两种思路优势互补并结合到应用当中，并且取得了不错的应用成果；
☆ 真正意义上的、实用化的全网优化运行集中控制，其优 势是传统的九区域图算法不可比拟的；
☆ 和省网AVC接口，形成省网+地调的全省电压无功解决方 案；
☆ 潮流计算和灵敏度矩阵相结合；
技术特点
☆ 应用比较实用的算法有效的控制了有载分接开关 的动作次数；
☆ 控制手段齐全，包括电容器、电抗器、有载分接开关、 以及小水、火电厂；
技术特点
九、AVC系统建设内容
AVC系统闭环控制设备之前必须做遥控实验。
实验目的：
控制实验报告
☆ 验证数据库中各设备的遥控号以及遥调号是否正确，
防止AVC系统误动其他设备；
☆ 测试AVC系统和SCADA系统的接口遥控规约是否正确；
☆ 测试设备控制通道的可靠性；
☆ 测试SCADA系统的控制程序是否稳定、正确。
不可控
远动待查
SCADA系统无预置、返校信息
K25302Cb
302
25
竹塘变1#电容器
不可控
设备选择正确、返校失败
K13352Cb
352
13
井眼冲变2#电容器
不可控
刀闸分，远动待查
SCADA系统无预置、返校信息
K08328Cb
328
8
珠山变2#电容器
不可控
刀闸分
设备选择正确、返校失败
K02318Cb
318
2
杨梓塘1#电容器
可控
预置、返校正确
K20302Cb
302
20
拱桥变2#电容器
可控
预置、返校正确
K20338Cb
338
20
拱桥变1#电容器
可控
预置、返校正确
K15328Cb
328
15
朝阳变1#电容器
可控
预置、返校正确
K13304Cb
304
13
井眼冲变1#电容器
可控
预置、返校正确
K09342Cb
342
9
下河线变1#电容器
可控
预置、返校正确
K08312Cb
312
8
珠山变1#电容器
可控
预置、返校正确
K02334Cb
334
2
杨梓塘变2#电容器
AVC控制状态
备注
实验结果
遥控号
开关编号
厂站号（RTU号）
设备名称
电容器实验报告举例
不可控
远动待查
SCADA系统无预置、返校信息
T131#BHDw
T131#BHDw
13
井眼冲变1#
不可控
设备检修
返校失败
T021BHDw
T021BHDw
2
杨梓塘变1#
可控
预置、返校正确
T251#BHDw
T251#BHDw
25
竹塘变1#
可控
预置、返校正确
T202#HDw
T202#HDw
20
拱桥变2#
可控
预置、返校正确
T201#HDw
T201#HDw
20
拱桥变1#
可控
预置、返校正确
T181#BHDw
T181#BHDw
18
白竹亭变1#
可控
预置、返校正确
T152#BHDw
T152#BHDw
15
朝阳变2#
可控
预置、返校正确
T151#BHDw
T151#BHDw
15
朝阳变1#
可控
预置、返校正确
T092#BHDw
T092#BHDw
9
下河线变2#
可控
预置、返校正确
T091#BHDw
T091#BHDw
9
下河线变1#
可控
预置、返校正确
T082#BHDw
T082#BHDw
8
珠山变2#
可控
预置、返校正确
T081#BHDw
T081#BHDw
8
珠山变1#
可控
预置、返校正确
T032#BHDw
T032#BHDw
3
横冲变2#
AVC控制状态
备注
实验结果
降遥信号
升遥信号
厂站号（RTU号）
设备名称
变压器实验报告举例
运行分析
☆ 提高了地区受电功率因数，增加了无功补偿设备利用
率。
☆ 在有充裕调节手段的条件下提高电压合格率。
☆ 减轻了调度中心值班人员劳动强度，避免了人为误
差，真正实现了全网电压无功在线控制，完善并提高
了无人值班变电所自动化水平。
☆ 本系统由纯计算机软件构成，免除了硬件维护。
运行分析
☆ 本控制系统自适应功能强，如自动纠错、自动闭锁、
自动记录相关动作数据等；
☆ 准确地掌握了主变分接头开关、电容器开关每年每月
每日动作次数，为最大限度的发挥设备潜力和设备检
修提供了依据。
☆ 由于本控制系统不增加任何硬件装置或者说减少了
VQC硬件装置，这也就减少了设备安全运行故障的机
率，从保证电网完全的角度来讲，其经济效益也是可
观的
运行分析
☆ 能方便的制作各类报表，便于掌握电网整体以及单个
设备的实际运行情况。
☆ AVC系统的实施加速了远动设备建设与改造及”四遥”
功能实现，促进了调度自动化SCADA系统数据采集的
完善。
☆ AVC系统是一套图文并茂的现场实时培训系统、提高
了调度、集控人员运行管理水平。
十、系统应用情况
典 型 应 用 （统计至２００５年元月）
河南省：
安阳电业局 洛阳电业局 平顶山电业局
信阳电业局 漯河电业局 商丘市电业局
南阳电业局 开封电业局 鹤壁电业局
新乡电业局 许昌电业局
山东省：
威海电业局 东营电业局 泗水电业局
郯城电业局 利津电业局 青州电业局
蒙阴电业局
典 型 应 用（统计至２００５年元月）
福建省：
福建中调AVC系统（在线闭环控制）
福州电业局 泉州电业局
南平电业局 龙岩电业局 三明电业局
湖南省：
永州电业局 湘西电业局
浙江省：
金华电业局 北仑电业局 嘉善电业局
建德电业局 平湖电业局
典 型 应 用 （统计至２００５年元月）
山西省
运城供电公司
临汾供电公司
安徽省：
马鞍山供电公司 宿州供电公司
广西省：
柳州电业局
江苏省：
连云港供电公司 高淳供电公司
溧水供电公司
典 型 应 用 （统计至２００５年元月）
江西省
抚州供电公司
河北省：
衡水供电公司
获奖
★ 2000年获得江苏省电力公司科技进步一等奖。
★ 2001年获得国家电力公司科技进步三等奖。
★ 2001年获得江苏省电力公司科技进步三等奖。
★ 2001年获得河南省电力公司科技进步二等奖。
谢
谢
！
