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输变电系统及其保护与控制
[ 编辑:admin | 时间:2013-01-14 16:48:38 | 浏览:1639次 | 来源:百度 | 作者: ]

1.   前言

我国正在努力建设坚强智能电网。智能电网应该是具有思维、分析、判断、决策、控制能力的电网,无论在什么情形下,都能自动、快速、准确地进行自控,保持电网的安全、稳定、高质、高效和人性化的运行,能够自如地应对和处理来自自然界灾难和人为等各方面的挑战的电网[1]。建设坚强智能电网的目的是充分发挥电网在资源优化配置、服务国民经济发展中的作用,这对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的现实意义。智能电网的无功控制应该具有实时就地(分层)平衡能力,这样智能电网才能实现电压质量、线路损耗及电压稳定等3项指标同时抵达最好状态的目标。可是,我国电网的电容器补偿长期存在着电力需求侧装得少、高压电网装得多的“倒置”现象;加上以电压为目标的调控方法,无功跨层次、远距离、大容量向电力需求侧输送,牺牲了线损,勉强保持电压水平。

2.    AVC发展现状

2.1国外情况

AVC,在20世纪80年代初开始用于电网,称为二次电压调节网,目标是在电网中实现无功功率及电压的区域性集中控制。例如,法国EDF国家电网,在1978年12月19日发生大停电事故后,开始研究并逐步实施了二次电压控制。到1986年,几乎全国电网都配置了二次电压控制系统。EDF通过调节27个控制区,约100台火电与150台水电机组,共30000Mvar的无功功率,控制各分区中分别设置的若干个主导节点的电压,以控制全网电压的运行水平。二次电压调节是指:电压的快速变化,均由具有全网影响意义的发电机组的一次作用进行调节;电压的慢速变化,由二、三次无功电压控制调节。二次控制由具有区域影响意义的动态无功补偿装置进行调节,手动操作的无功补偿装置定为三次调节。由超高压电网提供电压参考,作为全网电压调节的参考,防止出现电压调节的不协调。EDF的运行实践证明,采用二次电压调节后,电网正常情况下的运行电压水平得到了较好的控制[2]。

2.2国内情况

我国电网的AVC起源于20世纪末。那时我国电网得到了相当的发展,机组容量不断提高,电网规模不断扩大,电压等级不断提升,区域电网逐渐形成。为了稳定电网电压,在原电力工业部发出的《电力工业部关于调度机构开展安全文明生产达标和创一流工作的通知》[3]与《国家电力公司建设国际一流电网调度机构考核标准(试行)》中的评价一流技术[4]中,增加了考核电网AGC和AVC功能的规定。这些规定推动并开辟了AVC在我国电网中发展的广阔前景。10多年来,AVC在我国电网中得到了普遍推广,覆盖率约30%~40%。AVC适应了我国电网的发展现状,最大限度地利用了现有的无功补偿装置,稳定了电网电压水平,在一定程度(约1%~1.5%)上减少了电网中的电能损耗。但AVC不代表全网经济的无功优化,文献[5]对二或三级电压控制进行了如下表述:不以统一的目标函数进行定量的优化调度,而是将目标层次化,一般以电压作为控制对象,没有将网损以及控制设备动作次数等综合起来考虑,且上层控制在修改下层整定值时往往没有考虑下层控制的允许限制和响应能力,因此其结果既不一定满足设备动作次数最少的限制,也不代表经济的无功优化。所以,作者称它为AVC一代,也就是目前正在全国省、地、县电力部门大力推广应用的AVC系统。

3.智能AVC

智能AVC,即智能化的电网无功优化调度(optimal reactive power dispatch,ORPD)。ORPD指在电网的无功电源的优化布局下,通过发电厂、变电站的无功就地平衡及变压器分接头的自动调控,使得电网的电压质量、线路损失和电压稳定储备个指标逐步自趋优化运行,同时抵达最好状态。智能AVC也称为AVC三代,需要由AVC一代、经AVC二代发展而来,提升AVC的智能化功能。

智能AVC应该具备以下特征:

1)无功优化。 自动实现电网无功优化运行。组成电网的各(发电厂、输电线路、降压变压器与用电企业)元件都做到无功就地平衡。输电线路与联络变压器中只通过最少量的无功。

2)柔性控制。柔性,即可控性。 智能AVC必须做到无功调控的可以控制性。但电容器组不具备柔性控制特征。

3)更安全、高质量、高效率。 电网的安全、优质(电能质量供电电压偏差)与输电效率(降低线损)3个指标同时抵达最好状态。这是电网效益转变发展方式的重要体现。

4)先进的预防机制。 先进的预防机制,就是无功就地平衡的机制。即什么地方用,就什么地方补偿;什么时候用,就什么时候补偿;用多少就补偿多少的机制。

5)自适应计算功能。 电网具有适应任何情况下的无功潮流计算功能。

6)自愈功能。 电网发生事故后,具有自己恢复电压水平的功能。自愈功能实际上就是电网发生事故后实现无功就地平衡的能力。自愈功能应该包括自适应功能与无功自动调节功能。

7)人性化互动。 电网无功的电压控制依赖发供、用3方的共同努力,需要发、供、用3方的互动合作功能。

8)市场化。 电网无功电压控制的动力在于市场化,智能AVC应当考虑电网调度管理下的市场化的运行和使用。

4. AVC二代过渡时期的任务

AVC二代与AVC一代相比,增添了电网无功功率实时监测技术。目的是进一步促进电网无功补偿装置布局走向就地平衡,进一步推进转变电网提高电压质量与降低线损的方式,逐步把电容器组改为动态平滑连续调节的无功补偿装置。AVC二代是个漫长的过渡时期。其过渡时期的主要任务是:

1)调整电网无功补偿布局。 无功补偿布局指的是电网中的每一个节点应该安装的无功补偿装置的容量和性质的综合。调整无功补偿布局,主要任务是增加需求侧无功补偿容量,使其能够在任何时候都有做到无功就地平衡的能力。具体工作就是按照科学发展观重新修改《功率因数调整电费办法》。现行《功率因数调整电费办法》,妨碍了电网的安全优质经济运行[6-7]。当前,调整无功补偿布局最重要,因为没有科学的无功补偿布局,动态无功补偿装置和科学的就地无功补偿算法也无济于事;有了科学的无功补偿布局,即便没有动态无功补偿装置和科学的就地无功补偿算法,电网的无功电压运行状况也会优于现在的状况。其次,10kV以上电压等级的电网应该实施无功在线监测,通过实时监测分析,确定调整无功补偿布局的改造方案,一步一步地进行改造,最终达到科学的无功补偿布局。无功在线监测的基本做法是:用SCADA系统采集来的电压(U)、有功功率(P)和无功功率(Q)等数据,用电网无功优化潮流经济压差(ΔUJ)算法,按照监测与控制系统要求的刷新速度,以给定电压约束下的全网无功优化潮流为目标,求出发电厂、变电站应该注入电网界面的实时无功优化值(Qopt),与无功实际值(Qret)进行比较,得出无功偏差量(ΔQ),求出此时刻应该安装的无功补偿量,再总结得出日、旬、月及年应该有的安装容量的数量与性质[8]。该值就能够覆盖全年的运行方式需要。另外,新建变电站的无功补偿装置容量的设计与选型,应该符合无功就地平衡的要求。

2)逐步增加动态无功补偿装置。 转变思想认识,把变电站的电容器组逐步改造成动态平滑连续调节的无功补偿装置,以便适应就地、时间与数量的三维无功平衡需要。这是转变电网效益增长方式,使安全优质经济运行3个指标同时抵达最好的必需条件。

3)智能发电厂。 我国电网的AVC,目前控制发电厂个数的比例只占发电厂总数的约30%~40%。应逐步增加控制比例,最终达到全控。没有全控就没有全网无功优化潮流。智能发电厂应该具有自适应电网无功优化调度需要的计算能力,并与微机励磁调节装置连接起来组成就地闭环无功控制系统,完成发电厂在智能AVC(AVC三代)中的功能[9]。智能电网的建设需要智能发电厂的辅助。

4)智能变电站。 接入同一电压层次电网中的所有变电站的无功补偿装置运行状况都应纳入AVC的控制范围。智能变电站与智能发电厂一样也应该具有自适应电网无功优化调度需要的计算能力,并与当地的无功补偿装置连接起来形成就地闭环无功控制系统[10],完成变电站在智能AVC(AVC三代)中的功能。智能电网的建设需要智能变电站的辅助。

5)控制界面与目标。 智能发电厂与智能变电站的控制界面,应该在升、降压变压器的高压侧,这个控制界面的实时无功值比较目标值的准确程度直接影响智能电网的无功潮流的优化水平[11]。智能发电厂与智能变电站的控制目标是给定电压约束下的无功值。电压约束值决定电网的普遍电压水平,与全部(起码是大多数)变压器的使用变比相关。调节界面的实时无功优化值,移动每一条输电线路的无功分点,使无功分点逐步趋向本线路的中点,减小输电线路两端的电压差,提高电网的平均电压水平。例如,对应于下面图1中的安顺发电厂的无功实时优化值是?72Mvar,即发电厂应该吸收无功72Mvar;500kV贵阳变电站应该吸收无功225Mvar。

5.智能AVC示例

交流电网中无功优化的科学、通俗解释是无功就地平衡,即组成电网的发电厂、输电线路、降压变电站与用户等4个元件的无功就地平衡。当代,发电厂、降压变电站与用户的无功完全应该且可以做到就地平衡。输电线路无功的就地平衡,就是过剩无功在本线路的两端等量补偿。位于输电线路两端的发电厂或者变电站,应该接受输电线路过剩无功的1/2。因此,输电线路通过的无功只有本线路过剩无功的1/2,变压器中通过的无功等于其高压母线上所连接的输电线路过剩无功之和的1/2。电网中的无功潮流分布,在平面电网中做到了就地平衡,在相邻电网中做到了分层平衡。此时,电压质量最好,线路损失最少,功角损失最小,稳定状况好。上述理论是中国人的原创发明,称输电线路的经济压差(ΔUJ)无功潮流理论[12-13],可用来指导智能AVC的建设。文献[14]介绍了本世纪初期500 kV南方电网离线计算的无功优化潮流图(见图1)。对应于此方式,电网的安全、优质、经济运行的3个指标,同时抵达到了最好状态。

下面通过对比说明智能AVC产生的优化效益。常规潮流:最大电压UMAX=567 kV;最小电压UMIN=462 kV;平均电压UCP=530.4 kV;电压偏差量ΔU=105kV;有功功率损耗ΔP=53.5MW。优化潮流:最大电压UMAX=538kV;最小电压UMIN=527 kV;平均电压UCP=532.4 kV;电压偏差量ΔU=11kV;有功功率损耗ΔP=43.26MW,降损10.24 MW,降损率19.1%;最高电压降低29 kV,最低电压升高65kV,平均电压升高2kV。

图1 500kV南方电网离线计算的无功优化潮流

6.结语

智能电网必须有智能AVC。智能AVC,即智能化的ORPD,是电网无功优化运行的最高形式。中国人提出的输电线路经济压差(ΔUJ)无功潮流理论及其应用到复杂电网中的方法,加上动态无功补偿装置与电网无功的市场经济,是实现智能AVC的钥匙。本文提出了由现在的AVC一代,经AVC二代过渡,向智能AVC(AVC三代)发展的方向,以及AVC二代过渡时期任务。实现智能AVC,是全国电网调结构、转方式,全局中的一环,是电网管理部门转变电网效益增长方式的重要工作,可以使电网的电压质量、线路损耗与电压稳定3个指标同时抵达最好状态。电网无功的市场化是建设智能AVC的动力。

参考文献

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[2]  王梅义,吴竞昌,蒙定中.大电网技术[M].2版.北京:中国电力出版社,1995:278-290.

[3]  电力工业部.关于调度机构开展安全文明生产达标和创一流工作的通知[S].1996.

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[5]  张勇军,任震,李邦峰.电力系统无功优化调度研究综述[J].电网技术,2005,29(2):50-55.

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[8]  朱军,盛万兴,唐寅生.电力系统无功功率实时监测与控制方法研究[J].华中电力,2006,19(3):1-3.

[9]  唐寅生,李文云.500 kV漫湾—草铺输电系统优化无功潮流调整控制研究[J].电网技术,2001,25(5):49-52.

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[12] 李福存.超高压交流输电系统无功经济运行问题[R].北京:中国电力科学研究院,1998.

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[15] 广东省广电集团有限公司,编.国外大电力系统安全事故启示及措施研究[Z].2004.

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