變電站電壓無功的控制研究

　　1 引言

　　電力系統(tǒng)中，電壓時衡量電能質(zhì)量的一項重要 指標(biāo)，電壓波動過大，不僅影響電氣設(shè)備的利用效 率和使用壽命，而且會危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行， 甚至?xí)痣妷罕罎?，并造成大面積的停電事故。 同時，無功功率也是影響電壓質(zhì)量的一個重要因素， 實現(xiàn)無功的分層、分區(qū)就地平衡，是降低網(wǎng)損的重 要手段，因此各級變電站承擔(dān)著電壓無功調(diào)節(jié)的重 要任務(wù)。

　　在變電站中，電壓無功控制（voltage reactive power control，VQC）主要采取的是利用有載變壓 器和并聯(lián)補償電容器組進行局部的電壓及無功補 償?shù)淖詣诱{(diào)節(jié)，以保證負(fù)荷側(cè)母線電壓在規(guī)定的范 圍內(nèi)及進線功率因素盡可能接近 1。 VQC 保證了電壓合格、無功基本平衡，同時也減少了變壓器和電 容器的調(diào)節(jié)次數(shù)。頻繁操作有載調(diào)壓變壓器分接頭 開關(guān)和投切并聯(lián)補償電容器會引起變壓器和開關(guān) 設(shè)備故障，因此各變電站對其每天的調(diào)節(jié)次數(shù)均有 嚴(yán)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、減少投切開關(guān)的 動作次數(shù)及變壓器分接開關(guān)的調(diào)節(jié)次數(shù)，可延長開 關(guān)、電容器、變壓器的使用壽命。

　　變電站電壓無功的調(diào)節(jié)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(jì)70年 代開始的，如今內(nèi)外已形成了一整套比較成熟的控 制策略［1~3］。近年來，隨著電力系統(tǒng)信號采集和處 理技術(shù)、高速通信技術(shù)和衛(wèi)星同步授時技術(shù)的迅速 發(fā)展［4］，為區(qū)域電網(wǎng)電壓與無功的多級分層與分 區(qū)協(xié)調(diào)控制提供了技術(shù)支撐［5］。

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

　　2 變電站電壓無功綜合控制的主要方式

　　當(dāng)系統(tǒng)無功電源不足時，不宜采用調(diào)整變壓器變比的方法來提高電壓，而必須增設(shè)無功補償裝置。 目前，國內(nèi)外主要采用有載調(diào)壓變壓器和補償并聯(lián)電容器組，通過自動調(diào)節(jié)有載變壓器的分接頭位置和投切并聯(lián)電容器來實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓合格和無功平衡的目的。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(diào)度中心對各個配電中心的調(diào)壓 設(shè)備和無功補償設(shè)備進行統(tǒng)一控制。這種控制方式 從理論上講是保持系統(tǒng)電壓正常和實現(xiàn)無功平衡 以及提高系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性的最佳方案。但 它要求調(diào)度中心必須具有因地制宜的電壓和無功 優(yōu)化實時控制軟件，而且它需要對各配電中心具有

　　2011-2012 學(xué)期電力自動化系統(tǒng)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(zhí)行單元。但在我 國目前各變電站的基礎(chǔ)自動話層次不一的情況下， 實現(xiàn)全系統(tǒng)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(dāng)前進行電壓無功綜合控制 的組要方式。它是在各個變電站或發(fā)電廠中，自動 調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置和其它電壓調(diào) 節(jié)器，控制無功功率補償設(shè)備的工作狀態(tài)，使得當(dāng) 前負(fù)荷變化時，該地區(qū)的電壓和無功功率保持在規(guī) 定的范圍內(nèi)。分散控制對提高受控站供電范圍內(nèi)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值，但它只能實現(xiàn)局部優(yōu)化， 無法實現(xiàn)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(jù)設(shè)計好的控制規(guī) 律對電壓進行控制，調(diào)控范圍和整定值是從整個系 統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行出發(fā)，可先由電壓無功 優(yōu)化程序計算好，做出責(zé)任分散、控制分散、危險 分散;而在緊急情況下或系統(tǒng)運行方式發(fā)生大的變 動時，則可由調(diào)度中心直接控制或由調(diào)度中心修改 下屬變電站所維持的母線電壓和無功功率的整定 值，以滿足系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的新要求， 從而從根本上提高全系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。該控 制方式要求執(zhí)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，能夠進行邏輯分析、判斷、 自動修改調(diào)整控制規(guī)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(diào)度中心遞交正常 運行報告，又能接受調(diào)度中心的各種控制命令。但 是這種方式需要采用專門的關(guān)聯(lián)分散控制裝置，這 就會帶來投資成本的增加。

　　3 電壓無功控制的調(diào)節(jié)判據(jù)

　　變電站的電壓無功控制其實是一個多目標(biāo)（電 壓合格、無功平衡）及多約束（無功功率上下限、 電壓上下限、并聯(lián)電容器投切次數(shù)和調(diào)壓變壓器分 接頭動作次數(shù)）的最優(yōu)控制問題。但是，對于這個 多輸入多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)（MIMO），實際上很 難建立精確的數(shù)學(xué)模型。目前所采用的實用有效的 控制策略是根據(jù)工程實用算法得到的。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(shù)值實時變化是在一定范圍內(nèi)的，以 功率因素作為判據(jù)是，即當(dāng)功率因素低于所設(shè)定的 變化范圍下限時，電容器組投入，當(dāng)功率因數(shù)高于 所設(shè)定的變化范圍區(qū)間的上限時，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 功功率的變化對母線電壓的影響，而且假如負(fù)荷較 小，投切電容器組產(chǎn)生的無功功率的變化會使功率 因數(shù)發(fā)生較大的變化，因此，投切電容器組的動作 過于頻繁， 極易引起投切振蕩。 為了克服這些缺陷， 出現(xiàn)了改進的自動投切裝置，這種裝置根據(jù)負(fù)載區(qū) 的不同自動整定各負(fù)載區(qū)不同的功率因數(shù)，并采用 自動選取法進行自動投切，此外，臨界因數(shù)法也是 一種解決臨界振蕩問題經(jīng)常采用的方法，這種方法 限定了輕負(fù)荷時的臨界震蕩區(qū)，有效地解決了電容 器投切的振蕩問題。

　　3.1.2 按電壓控制

　　電壓控制是通過實施監(jiān)控母線電壓的變化看、來進 行電容器組的投入或切除操作。當(dāng)母線電壓低于所 設(shè)定的限定值時，投入相應(yīng)數(shù)量的補償電容器組， 當(dāng)母線電壓高于所設(shè)定的變化范圍限定值時，自動 切除相應(yīng)數(shù)量的補償電容器組。但是這種判據(jù)忽略 了無功功率因數(shù)平衡這個要求，雖然對母線電壓的 調(diào)節(jié)取得了一定的效果，但是在無功功率補償問題 上，作用并不明顯。

　　3.2 綜合控制策略

　　3.2.1 按電壓和晝夜時間負(fù)荷控制

　　此方法是通過研究采集到的變電站的日負(fù)荷 曲線變化特點，然后通過給曲線分段來確定負(fù)荷時 段分布的。采用這種方法，可以在不同負(fù)荷階段及 時監(jiān)控變電站電壓和無功功率，調(diào)節(jié)變壓器的分接 頭和并聯(lián)電容器組。由于需要對負(fù)荷進行分段，此 方法的適應(yīng)性較差，只適和變電站的負(fù)荷比較穩(wěn)定 的情況，而且隨著季節(jié)和負(fù)荷的不斷變化，負(fù)荷時 段的劃分需要進行相應(yīng)調(diào)整。

　　3.2.2 按電壓綜合控制有載分接開關(guān)和電容器組

　　其電壓控制邊界如圖 A1 所示，當(dāng)母線電壓 U≤ Ut下限時， 降有載分接開關(guān)升壓;當(dāng) U≤Uc 下限 時，投入電容器組;當(dāng) U≥ Ut上限時，升有載分接 開關(guān)降壓;當(dāng) U≥Uc 上限時，切除電容器組。這種 方案比僅調(diào)節(jié)電容的方案好一些，但仍沒有考慮無 功的補償效果，且調(diào)節(jié)過程也不合理，比如電壓高是升有載分接開關(guān)還是切電容，要首先判別電壓高 是由無功過剩引起的還是由于有載分接開關(guān)位置 過低引起的，不能簡單的規(guī)定調(diào)有載分接開關(guān)或是 投切電容器組。

　　3.2.3 按電壓和功率因數(shù)復(fù)合控制

　　按電壓、功率因數(shù)復(fù)合控制構(gòu)成的判據(jù)有兩種 判別方式，一是以電壓以主，功率因數(shù)為輔，即只 要電壓合格， 則不考慮功率因數(shù)， 當(dāng)電壓不合格時， 根據(jù)電壓和功率因數(shù)的性質(zhì)決定電容器組的自動 投切;另一種是以電壓和功率因數(shù)作為兩個并行的 判據(jù)，即使電壓在合格范圍內(nèi)，如果功率因數(shù)滿足 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，盡管考慮了無功補償效果，但由于在某 些運行狀態(tài)下，缺無功補不上去，超無功切不下， 致使無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(xiàn)象。

　　3.2.4 電壓和無功綜合控制

　　利用電壓和無功構(gòu)成綜合判據(jù)，按照電壓上、 下限和無功上、下限將運行區(qū)域劃分為九個區(qū)，形 成了目前應(yīng)用最廣泛的“九區(qū)圖”控制理論。在變 電站實際運行中， 根據(jù)采集的電壓、 無功數(shù)據(jù)信息， 來判斷當(dāng)前運行在哪個區(qū)域，然后分別按照九區(qū)圖 的每個區(qū)的控制調(diào)節(jié)策略，制定變壓器分接頭擋位 和補償電容器組