法国、意大利、欧洲等国外电压无功控制技术的发展

法国、意大利、欧洲等国外电压无功控制技术的发展1法国三级电压控制模式无功电压控制主要是合理安排和充分利用电网中的无功功率补偿容量和调节能力，随时保持正常运行情况下和事故情况后电网中各枢纽点的电压在正常水平，确保电网的安全稳定运行。避免长距离输电线路或多级变压器输送大量无功功率。传统的无功电压控制一般采用分散控制，在这种控制方式下，各电压控制设备（发电机、电容器组、有载调压变压器等）仅能获取本地信息，独立地控制本地的电压。这样的分散控制速度快，不依赖于控制中心，但由于控制器之间无法协调，仅保证就地无功电压控制在上下限范围内，可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利影响。与分散控制相对应的是电压集中控制，它需要系统范围内各点的电压信息，由调度中心产生控制信号，这种控制方式对无功量测精度和数据通信有较高的要求，实施起来有一定的困难。分级式的电压控制，作为上述两种控制方式的折衷，是一种比较好的电压控制方式。在法国等一些欧洲国家，采用了三级电压控制模式，将电力系统的电压控制功能按时间和空间分开，具有分级递阶的控制结构，如图7-1所示[105][106]。图7-1具有递阶结构的电压控制系统示意图三级电压控制位于最高层，是对全系统的控制，由系统控制中心执行，其响应时间为几十分钟。主要控制作用为电压稳定的监视与控制。这类控制主要是协调各二级控制系统，指导调度人员的干预。除安全监视外，经济问题是该控制层主要考虑的问题，经济调度是这一控制层的日常工作。三级电压控制的任务是：利用系统范围的信息，确定能够满足电网安全约束的、使系统经济运行的各主导节点的电压幅值。二级电压控制处于中间层，是对某个区域的控制，由各地区的控制中心执行，时间常数约为几十秒钟到几分钟。控制的主要目的是保证枢纽母线（PilotNode）电压等于设定值，如果枢纽母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定参考值。二级电压控制作为防止电压崩溃事故的措施，首先由法国EDF（ElectricitedeFrance）提出，从1974开始单区试验，至1985年，几乎整个法国电力系统都配置了二级电压控制，相应地有27个控制区，100台火电机组和150台水电机组，控制的总无功功率约30000MVar。运行实践证明了二级电压控制简化了运行控制工作，更好地协调了控制机组间的无功出力。随后，该控制方式也意大利[107]、西班牙[108]等国家付诸实施。近一步的研究也表明[109-112]，二级电压控制是管理控制区内可利用的动态无功功率的有效方法。一级电压控制处于最底层，设置在发电厂、用户和各供电点，通常是快速反应的闭环控制以控制本地电压，响应时间一般在1秒至几秒内。控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压的快速的和随机的变化。采用三级电压控制模式的主要优点在于“时空解耦”。从“空间”上对无功电压的进行控制区域的划分，并通过对各区域中枢纽节点的控制来实现对该区域的控制，这样充分利用了区域内的无功资源，避免了无功的大范围流动。无功电压的控制效果通过各控制层在时间上的解耦得到了保证。这种采用电网分区和控制枢纽节点的模式也存在一些缺点。就分区而言，各控制区之间的耦合不能过强，过强的耦合将使一个控制区内的二级电压控制对相邻控制区产生影响，二级电压控制就不可能取得好的控制效果。严重时，有可能会造成相邻控制区的电压失稳。而枢纽节点的选择，则要求该节点和区域内的其它节点的电气距离必需短而和临近控制区的电气距离必需足够远以避免区域之间不必要的相互影响。因此，分区和枢纽节点的选择对电网结构较为敏感。当电网结构发生较大变化时，则需要对原有的分区和枢纽节点重新进行计算和调整。另外，由于该方案中每个控制区的二级电压控制由单独设置在该区域的控制中心完成，该方式对发展中的电网不太合适。2意大利的电压控制与调节系统意大利采用二级电压调节策略[113]和应用于全网的分级电压控制系统来实现无功、电压的综合控制。发电厂级采用称为REPORT的新的基于微处理器的电压和无功调节器；地区配电网级通过REPORTs及区域内主要超高压母线电压，由区域电压调节器（RVR）实现实时、闭环控制。意大利的独力系统运营商（ISO）在主要发电厂安装了REPORT装置，在许多区域电网调度室安装了RVR装置。现在仍大量使用传统的“局部”和“手动”的电压控制方法，包括机组无功出力的分配、电厂高压侧电压调节计划、并联电容器、电抗器的投切以及更加有效、响应速度更快的SVC等的应用。但这种方法做为全网的无功电压控制，存在如下不足：1）无功出力的分配和电压调节计划必须基于准确的负荷预测，无法适应电网的动态变化；2）分配计划的下达和执行滞后于电网的变化，即控制手段的实施无法适应电网发生的动态现象；3）发电厂和变电站运行人员在无功电压控制上缺乏协调，不能达到同时和最优控制；4）为了提高控制措施的确定性，需要对电网无功电源、电压的控制与监测系统。以电网电压控制为目标，实现电网无功电源的自动协调的分级控制结构，称为二级电压调节（SVR），在意大利、比利时、法国已经得到验证，现在西班牙电网也已全面推广应用。在欧洲开放的电力市场和电力机构变革的情况下，这种分级控制体系得到好评，而且日趋完善，可以满足ISO对电压控制简单化、自动化的需求。在电力市场自由化的推动下，一些发电机制造商在机组励磁控制系统中提供了机组无功功率控制功能，即电厂高压侧的电压控制。事实上，北美也日趋关注基于电厂高压侧自动电压控制的二级电压控制体系，BPA正在开发大区域电网电压控制系统，包括发电机与负荷的联切、无功电源调节、TCSC/SVC模块、电厂高压侧电压调节和变压器分接头调节。并与欧洲SVR计划有着紧密的联系。输电网电压控制，更进一步讲，ISO对保证和提高系统安全可靠性、电能质量及经济性的责任，都依赖于简单、有效和自动的电压控制系统来实现系统电压的控制。无功电源的自动协调主要关系到地区的无功备用，包括机组容量、同步补偿器、并联电容器/电抗器、SVC及OLTC。大电网先进行分区，通过分散的电压控制系统实现区域内的协调，以实现电压控制的目标。每个区域内，在地区调度和发电厂、变电站之间，要考虑到协调控制所需的数据及控制信号的交换。与电网动态相应的实时数据交换越多，电压控制系统的性能和效果越好。由电压控制产生的经济效益与区域内的协调控制密切相关，也与数据及控制信号的交换的高效率有关。SVR的基本概念1）首先必须明确，对电网内所有的高压母线进行实时、闭环的电压控制是不现实和不经济的；2）发电机是最主要的无功电源，控制简单、成本较低；3）确定区域内的枢纽母线，它的电压对周围系统有明显的影响；4）通过控制主要发电机的无功出力，来控制枢纽母线的电压，这是最有效的手段；一方面，需要新的发电厂控制装置来控制机组无功功率，这要考虑到本地区枢纽母线的电压调节器以及发电机的可用容量；另一方面，地区调度需要新的电压调节装置，通过与新的发电厂控制装置的快速通信，自动使枢纽母线的电压控制在规定范围内。这些控制装置还没有定型产品，需要特殊设计。另外需要节点电压的实时测量所用的传感器和通信通道，以及简单可靠的通信协议。SVR可与现有EMS系统以及机组的AVR相互统一。意大利电网电压控制系统图示为意大利分级电压控制系统，其基本思想是围绕枢纽母线的网络划分，每个区域由SVR提供的“无功功率”等级信号来控制。控制系统调节枢纽母线电压，并通过发电厂的调节器REPORT，控制影响此母线的发电机的无功出力；RVR和REPORT装置的联合，实现了二级电压调节。在更高等级，通过闭环的三级电压调节——国家电网电压调节（NVR）实现整个电网的无功电压控制。（1）REPORT装置图7-2意大利分级电压控制系统示意图REPORT是基于微处理器的发电厂电压无功调节器。有两种控制模式：无功功率控制模式和电厂母线电压控制模式。REPORT根据RVR的信号控制发电机的无功出力，第二种控制模式下，发电厂并没有直接参与RVR控制，而由REPORT调节电厂母线电压。在这两种控制方式下，REPORT通过与电压控制回路交叠的闭环控制回路实现每台机组的无功功率调节。第一种控制方式下，由RVR远方发出无功调节信号，第二种控制模式下，与REPORT集成的就地母线电压调节器（BVR）产生控制信号。REPORT采用智能算法，通过本地信息实时识别电网动态并自动选用合适的控制模式和参数。稳态运行情况下，其无功信号限制在－1～＋1之间。暂态时可以根据发电机的容量超过这个限制。（2）RVR装置RVR需要区域内大量的数据交换（各种信号和控制命令），安装于地区调度室，包括一个与本地EMS系统相连的工作站，二者之间通过局域网或TCP/IP协议通信。RVR通过远方控制发电机无功出力实现对枢纽母线电压的控制。RVR对不同枢纽母线电压的控制之间没有相互影响，这可以避免相邻区域之间的无功功率振荡。RVR运行后，每个PNVR（PilotNodeVoltageRegulator）的启动可以无需预先设置发电机电压和枢纽母线的设定值。为了防止枢纽节点由于通信或电网结构变化而发生电压无法控制的情况，需要预先指定某一区域内的备用枢纽节点。当某一区域内处于电压/无功的饱和状态时，PNVR可以自动远方控制相关区域内的厂站，包括闭锁OLTC变压器变比、调节OLTC变压器变比、更新SVC参考电压、电容器组投切控制及电抗器投切控制等。RVR允许在线改变配置，这些配置包括确定每个PNVR控制的变电站，这使调度人员在电网结构发生变化或发电机投退时，可以快速重构电压控制系统。特别是可以选择最佳控制方法和敏感度矩阵。RVR也允许控制参数的修改，包括时间常数、发电厂相关数据、控制区域相关数据、敏感度矩阵和枢纽节点。RVR具备与电压调节有关的暂态现象的两级自动记录功能。第一级与正常运行时的暂态发展趋势有关，每5秒记录与RVR运行相关的信号和报警信息。此功能完全主动运行不需要触发命令。第二级与快速暂态过程有关，在某些时段内可以每500ms记录相关信息。其目的是分析对RVR动态特性有影响的电网扰动。在识别电网发生扰动后，触发第二级记录功能。RVR还具有内部自检功能，检查内部数据及与EMS接口数据的错误。（3）实际应用意大利电网截至2001年共安装了50个REPORT和8个RVR装置，已显示出其良好的二级电压控制功能。到2002年实现了全国电网的三级电压分级控制系统，意大利的ISO由8个重构为3个区域调度中心，进一步细分为18个地区，与400kV、220kV电网相连的主要发电厂的总无功容量为18000Mvar。发电厂REPORT装置的安装是最繁重的任务，约50座电厂、150多台机组，在REPORT调试时需要各发电厂的配合和统一管理。过去地区调度中心通过电话和日调度计划实现发电厂无功出力的调节，现在则通过RVR控制枢纽节点电压，由REPORT自动实现发电机的无功功率调整，避免了电厂运行人员手动调节的不准确和不及时。在米兰、那不勒斯、罗马和威尼斯投运了新的具有扩展功能的RVR装置。意大利电力系统重构对电压控制的影响意大利电力市场从国家集中向经济、管理的分类计价发展，从一个大公司向发、输、配电独立公司发展。这些变化影响了系统的调度运行，影响了无功电压的控制。今后的电压管理体制会有所不同，但是在电压控制上各公司、区域之间的协调不会因为电力市场的建立而发生变化，在电压控制上，以往的方法和经验也完全适合于新ISO的运作。意大利发、输、配电公司必须参与到电压控制系统中，各主要发电厂、枢纽母线需要通过电压控制系统的自动调节实现最佳的运行状态。3欧洲一种新的DMS电压控制方式法国以及欧盟电力市场的开放促进了可再生能源的利用，越来越多的分布式发电机与配网联网运行。这些机组的电压水平和发电出力需要电力调度中心进行综合的控制，而电网现有的控制调节手段并没有考虑到这些新增的分布式发电机。现代的配电管理系统[114]（DMS）所提供的电网自动控制技术，提高了电网运行经济效益、改善了电能质量。这包括面向用户的快速、完备的信息提供系统以及面向电网的有效技术手段和运行功能。后者中主要的就是电压调节功能（VRF），它计算出电网内电压调节设备的设置值，包括变压器分接头和分布式发电机。首先考虑到配电公司电网管理的需要，即必须的电压监测和调节手段，以保证电能质量的用电安全性。一）电压控制策略配电公司必须保证用电的安全性，配网调度人员必须保持电压处于合理的安全范围内，必须保证尽可能多的分布式发电机接入系统，在实现这两点的前提下配电公司还要保证电网建设投资费用最小。由于欧洲能源工业自由化进程的发展，电力用户可以挑选电能质量高、服务好的配电公司。同时10分钟电压平均值仍是电力监管部门制定的电能质量关键指标。图示为欧洲的电压标准。图7-3欧洲电压调节标准由于环境保护的原因，接入系统的分布式发电机组日益增加，但是电网设计时并没有考虑到如此多机组，没有合理的电网调度与管理，就无法保证电网的安全运行和电能质量。这会导致在高峰或低谷负荷时发生电压偏低或电压越限。然而，中压馈线末端带有分布式发电机时，沿线电压降会发生变化，发电机会提高末端电压，并且影响这条线路及相连节点的电压。不进行电网的改造或建设发电机专有线路，分布式发电机就不可能过多的接入系统，以避免过电压情况的发生。这就需要实时的电压调控系统，提供可变的电压支持能力。DMS中的电压控制功能可以提高电网运行效益，可以实时的调控电网内所有电压调节设备。电压调控需要的数据包括：可用的调压变压器（在法国包括高压/中压有载调压变压器和中压/低压有载