變電站電壓無(wú)功的控制研究

　　1 引言

　　電力系統中，電壓時(shí)衡量電能質(zhì)量的一項重要 指標，電壓波動(dòng)過(guò)大，不僅影響電氣設備的利用效 率和使用壽命，而且會(huì )危及系統的安全穩定運行， 甚至會(huì )引起電壓崩潰，并造成大面積的停電事故。 同時(shí)，無(wú)功功率也是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素， 實(shí)現無(wú)功的分層、分區就地平衡，是降低網(wǎng)損的重 要手段，因此各級變電站承擔著(zhù)電壓無(wú)功調節的重 要任務(wù)。

　　在變電站中，電壓無(wú)功控制（voltage reactive power control，VQC）主要采取的是利用有載變壓 器和并聯(lián)補償電容器組進(jìn)行局部的電壓及無(wú)功補 償的自動(dòng)調節，以保證負荷側母線(xiàn)電壓在規定的范 圍內及進(jìn)線(xiàn)功率因素盡可能接近 1。 VQC 保證了電壓合格、無(wú)功基本平衡，同時(shí)也減少了變壓器和電 容器的調節次數。頻繁操作有載調壓變壓器分接頭 開(kāi)關(guān)和投切并聯(lián)補償電容器會(huì )引起變壓器和開(kāi)關(guān) 設備故障，因此各變電站對其每天的調節次數均有 嚴格的限制。采取合理的控制策略和控制手段，能 夠降低電容器組的平均運行溫度、減少投切開(kāi)關(guān)的 動(dòng)作次數及變壓器分接開(kāi)關(guān)的調節次數，可延長(cháng)開(kāi) 關(guān)、電容器、變壓器的使用壽命。

　　變電站電壓無(wú)功的調節性能與VQC的控制策 略是密切相關(guān)的。 VQC裝置的研究是從上世紀70年 代開(kāi)始的，如今內外已形成了一整套比較成熟的控 制策略［1~3］。近年來(lái)，隨著(zhù)電力系統信號采集和處 理技術(shù)、高速通信技術(shù)和衛星同步授時(shí)技術(shù)的迅速 發(fā)展［4］，為區域電網(wǎng)電壓與無(wú)功的多級分層與分 區協(xié)調控制提供了技術(shù)支撐［5］。

　　本文首先論述了變電站無(wú)功綜合控制的幾種控制方式，隨后對各種變電站電壓無(wú)功控制策略做了詳細的介紹和分析，最后對現在變電站常用的 “九區圖”法的改進(jìn)策略作了詳細說(shuō)明和分析。

　　2 變電站電壓無(wú)功綜合控制的主要方式

　　當系統無(wú)功電源不足時(shí)，不宜采用調整變壓器變比的方法來(lái)提高電壓，而必須增設無(wú)功補償裝置。 目前，國內外主要采用有載調壓變壓器和補償并聯(lián)電容器組，通過(guò)自動(dòng)調節有載變壓器的分接頭位置和投切并聯(lián)電容器來(lái)實(shí)現調節電壓合格和無(wú)功平衡的目的。其控制方式分三種［6］：

　　2.1 集中控制方式

　　集中控制是指在調度中心對各個(gè)配電中心的調壓 設備和無(wú)功補償設備進(jìn)行統一控制。這種控制方式 從理論上講是保持系統電壓正常和實(shí)現無(wú)功平衡 以及提高系統運行可靠性和經(jīng)濟性的最佳方案。但 它要求調度中心必須具有因地制宜的電壓和無(wú)功 優(yōu)化實(shí)時(shí)控制軟件，而且它需要對各配電中心具有

　　2011-2012 學(xué)期電力自動(dòng)化系統課程論文

　　遙測、遙信和遙控的功能， 對通道的可靠性要求高。 另外，最好各配電中心具備智能執行單元。但在我 國目前各變電站的基礎自動(dòng)話(huà)層次不一的情況下， 實(shí)現全系統的集中優(yōu)化控制難度還比較大。

　　2.2 分散控制

　　分散控制是我國當前進(jìn)行電壓無(wú)功綜合控制 的組要方式。它是在各個(gè)變電站或發(fā)電廠(chǎng)中，自動(dòng) 調節有載調壓變壓器的分接頭位置和其它電壓調 節器，控制無(wú)功功率補償設備的工作狀態(tài)，使得當 前負荷變化時(shí)，該地區的電壓和無(wú)功功率保持在規 定的范圍內。分散控制對提高受控站供電范圍內的 電壓質(zhì)量和降低局部網(wǎng)絡(luò )變壓器的電能損耗，減輕 值班員的操作很有價(jià)值，但它只能實(shí)現局部?jì)?yōu)化， 無(wú)法實(shí)現全局優(yōu)化。

　　2.3 關(guān)聯(lián)分散控制方式

　　關(guān)聯(lián)分散控制是指在正常運行情況下，由安裝 在各站的關(guān)聯(lián)分散控制裝置根據設計好的控制規 律對電壓進(jìn)行控制，調控范圍和整定值是從整個(gè)系 統的安全、穩定和經(jīng)濟運行出發(fā)，可先由電壓無(wú)功 優(yōu)化程序計算好，做出責任分散、控制分散、危險 分散;而在緊急情況下或系統運行方式發(fā)生大的變 動(dòng)時(shí)，則可由調度中心直接控制或由調度中心修改 下屬變電站所維持的母線(xiàn)電壓和無(wú)功功率的整定 值，以滿(mǎn)足系統安全、穩定、經(jīng)濟運行的新要求， 從而從根本上提高全系統的可靠性和經(jīng)濟性。該控 制方式要求執行關(guān)聯(lián)分散控制任務(wù)的裝置一方面 要有較高的智能水平，能夠進(jìn)行邏輯分析、判斷、 自動(dòng)修改調整控制規律;另一方面要有強大的通訊 能力和手段，既能方便地向上級調度中心遞交正常 運行報告，又能接受調度中心的各種控制命令。但 是這種方式需要采用專(zhuān)門(mén)的關(guān)聯(lián)分散控制裝置，這 就會(huì )帶來(lái)投資成本的增加。

　　3 電壓無(wú)功控制的調節判據

　　變電站的電壓無(wú)功控制其實(shí)是一個(gè)多目標（電 壓合格、無(wú)功平衡）及多約束（無(wú)功功率上下限、 電壓上下限、并聯(lián)電容器投切次數和調壓變壓器分 接頭動(dòng)作次數）的最優(yōu)控制問(wèn)題。但是，對于這個(gè) 多輸入多輸出的閉環(huán)控制系統（MIMO），實(shí)際上很 難建立精確的數學(xué)模型。目前所采用的實(shí)用有效的 控制策略是根據工程實(shí)用算法得到的。按控制策略 的不同可分為以下幾種：

　　3.1 單一控制策略

　　3.1.1 按功率因素控制

　　功率因素數值實(shí)時(shí)變化是在一定范圍內的，以 功率因素作為判據是，即當功率因素低于所設定的 變化范圍下限時(shí)，電容器組投入，當功率因數高于 所設定的變化范圍區間的上限時(shí)，電容器組切除。 但是這種控制方式?jīng)]有考慮投切并聯(lián)電容器后無(wú) 功功率的變化對母線(xiàn)電壓的影響，而且假如負荷較 小，投切電容器組產(chǎn)生的無(wú)功功率的變化會(huì )使功率 因數發(fā)生較大的變化，因此，投切電容器組的動(dòng)作 過(guò)于頻繁， 極易引起投切振蕩。 為了克服這些缺陷， 出現了改進(jìn)的自動(dòng)投切裝置，這種裝置根據負載區 的不同自動(dòng)整定各負載區不同的功率因數，并采用 自動(dòng)選取法進(jìn)行自動(dòng)投切，此外，臨界因數法也是 一種解決臨界振蕩問(wèn)題經(jīng)常采用的方法，這種方法 限定了輕負荷時(shí)的臨界震蕩區，有效地解決了電容 器投切的振蕩問(wèn)題。

　　3.1.2 按電壓控制

　　電壓控制是通過(guò)實(shí)施監控母線(xiàn)電壓的變化看、來(lái)進(jìn) 行電容器組的投入或切除操作。當母線(xiàn)電壓低于所 設定的限定值時(shí)，投入相應數量的補償電容器組， 當母線(xiàn)電壓高于所設定的變化范圍限定值時(shí)，自動(dòng) 切除相應數量的補償電容器組。但是這種判據忽略 了無(wú)功功率因數平衡這個(gè)要求，雖然對母線(xiàn)電壓的 調節取得了一定的效果，但是在無(wú)功功率補償問(wèn)題 上，作用并不明顯。

　　3.2 綜合控制策略

　　3.2.1 按電壓和晝夜時(shí)間負荷控制

　　此方法是通過(guò)研究采集到的變電站的日負荷 曲線(xiàn)變化特點(diǎn)，然后通過(guò)給曲線(xiàn)分段來(lái)確定負荷時(shí) 段分布的。采用這種方法，可以在不同負荷階段及 時(shí)監控變電站電壓和無(wú)功功率，調節變壓器的分接 頭和并聯(lián)電容器組。由于需要對負荷進(jìn)行分段，此 方法的適應性較差，只適和變電站的負荷比較穩定 的情況，而且隨著(zhù)季節和負荷的不斷變化，負荷時(shí) 段的劃分需要進(jìn)行相應調整。

　　3.2.2 按電壓綜合控制有載分接開(kāi)關(guān)和電容器組

　　其電壓控制邊界如圖 A1 所示，當母線(xiàn)電壓 U≤ Ut下限時(shí)， 降有載分接開(kāi)關(guān)升壓;當 U≤Uc 下限 時(shí)，投入電容器組;當 U≥ Ut上限時(shí)，升有載分接 開(kāi)關(guān)降壓;當 U≥Uc 上限時(shí)，切除電容器組。這種 方案比僅調節電容的方案好一些，但仍沒(méi)有考慮無(wú) 功的補償效果，且調節過(guò)程也不合理，比如電壓高是升有載分接開(kāi)關(guān)還是切電容，要首先判別電壓高 是由無(wú)功過(guò)剩引起的還是由于有載分接開(kāi)關(guān)位置 過(guò)低引起的，不能簡(jiǎn)單的規定調有載分接開(kāi)關(guān)或是 投切電容器組。

　　3.2.3 按電壓和功率因數復合控制

　　按電壓、功率因數復合控制構成的判據有兩種 判別方式，一是以電壓以主，功率因數為輔，即只 要電壓合格， 則不考慮功率因數， 當電壓不合格時(shí)， 根據電壓和功率因數的性質(zhì)決定電容器組的自動(dòng) 投切;另一種是以電壓和功率因數作為兩個(gè)并行的 判據，即使電壓在合格范圍內，如果功率因數滿(mǎn)足 投切的條件，則對電容器組發(fā)出投切指令。第一種 判別方式，盡管考慮了無(wú)功補償效果，但由于在某 些運行狀態(tài)下，缺無(wú)功補不上去，超無(wú)功切不下， 致使無(wú)功補償效果仍然較差;第二種判別方式， 在某 些運行狀態(tài)存在對并聯(lián)補償電容頻繁誤投切現象。

　　3.2.4 電壓和無(wú)功綜合控制

　　利用電壓和無(wú)功構成綜合判據，按照電壓上、 下限和無(wú)功上、下限將運行區域劃分為九個(gè)區，形 成了目前應用最廣泛的“九區圖”控制理論。在變 電站實(shí)際運行中， 根據采集的電壓、 無(wú)功數據信息， 來(lái)判斷當前運行在哪個(gè)區域，然后分別按照九區圖 的每個(gè)區的控制調節策略，制定變壓器分接頭擋位 和補償電容器組