基于十七区图原理的电压无功控制系统振荡问题研究

阴玺 ，蔡智慧 ，李大志，李宇楠

（1.北京市电力公司门头沟供电公司，北京市 102300；2.北京市电力公司调度控制中心，北京市 100041；3.北京市电力公司检修分公司，北京市 100067）

0 引言

维持用户电压在合格的范围内变动，是电力系统运行管理的基本任务之一［1］。目前，变电站调节电压的手段一般采用调节有载变压器和投切并联电容器组，有载调压主要用来调节电压幅值，减少电压所带来的损耗；投切并联电容器组主要是用来补偿电网中的无功，减少无功所带来的损耗。而有载调压在进行调节电压的同时也会影响无功，投切并联电容器组在进行无功补偿的同时也会影响电压幅值［2－3］。

电压无功控制系统（voltage quality control，VQC）是变电站常用的调节手段，其基本原理是基于九区图控制策略，而此系统在运行于某些区域时可能出现控制结果产生振荡现象及装置频繁动作的缺陷。针对此问题，国内许多文献也进行了相关的研究，并提出了通过短期负荷预测来减少负荷波动时频繁投切［4］、引入高压侧电压及电流为参考量来避免不合理动作［5－6］、实时查找功率因数来判断所属区域并进行相应调节［7］等方法。其中较有代表性的是调节策略更为复杂精确的基于十七区图原理的VQC系统，其大大增强了系统运行稳定性，减少了振荡现象的发生。目前对于基于十七区图原理的VQC系统运行发生的振荡现象有少数文献进行了研究，提出了诸如采用自动调整双电容器组投切顺序的方法来减少振荡发生的措施［8］，本文即针对某变电站（单电容器组）基于十七区图原理的VQC系统出现的振荡现象进行研究，并提出相应的解决措施。

1 变电站电压问题

2012年2月，某35kV 变电站内10kV 5号母线电压出现电压超上限的大量不合格点，经过对2月5日母线电压曲线检查发现，在2月25 日16：40～20：30，母线电压发生了有规律的连续振荡现象，间隔均为10min，振荡曲线如图1所示。

图1 2月25日变电站10kV 5号母线电压振荡曲线Fig.1 Voltage oscillation curve of 10kV No.5 bus line in substation on Feb.25th

从图中可以看出，在最后一次振荡后，母线电压停留在10.75kV 左右，并且从20：22 一直保持到23：00左右，超过了150min，造成了母线电压大量的不合格点。此次振荡是导致5号母线该月电压严重下降的直接原因。

2 变电站VQC 控制策略以及产生振荡的原因分析

2.1 本站VQC系统控制策略及主要定值设定

2.1.1 VQC系统控制策略

本站所用VQC 系统控制策略采用十七区图原理［9］，即在传统的九区图中1、3、5、7区再细分出8个小区，原理如图2所示。

图2 VQC系统控制策略原理图（十七区）Fig.2 Control strategy schematic diagram of VQC system（seventeen－zone）

本站所用策略为电压优先策略模式［11］，即当电压与无功不能同时满足要求时，优先调节保证电压正常的策略，如表1所示。

表1 电压优先控制策略模式Tab.1 Control strategy model with voltage priority

2.1.2 VQC系统主要定值设定情况

该变电站VQC系统主要定值如下：调1档主变压器分头10 kV 电压变化0.26 kV，投切一组电容器10 kV 电压变化0.20 kV，电容器日投切次数上限为5次，主变压器调分接头上限为20次，电容器与主变压器分接头调节间隔均为10 min。电压及无功上下限各时段定值如表2所示（电容器单组容量Qc＝1.2 Mvar）。

表2 变电站VQC定值Tab.2 VQC fixed value of substation

2.2 变电站VQC系统当日调节动作情况分析

根据2月25日全天母线电压变化情况（如图3所示），并结合VQC 系统投切动作记录（表3、4）可以看出，从当天早上7：39电容器开始动作，到16：38电容器共投切5次，达到了5次上限值，电容器闭锁，此时电容器处于投入状态。

16：50 时2 号主变压器分头升档，电压升高至10.72 kV，超过了定值的电压上限（10.65 kV），间隔10 min后，VQC 系统又做出了2号主变压器分头降档的操作（由于此时电容器已经闭锁，无法对电容器进行切除操作），如此主变压器反复做升降档的循环往复动作，每隔10 min，主变压器分头就进行一次调档，至20：19主变压器调档次数达到了20次的动作上限，变压器动作锁定，而此时主变压器档位处于升档后的状态，电容器闭锁时处于投入状态，电压超高而又无法动作，直到23：00以后电压逐渐下降至正常范围，而此时母线电压持续超高已经达到了150 min以上。

2.3 造成振荡的原因分析

振荡产生时，VQC 系统的定值电压上、下限为10.65、10.25 kV，无功上、下限为0.9 Qc、－0.4 Qc（即1.08、－0.48 Mvar），进行主变压器升档动作时，电压为10.44 kV，调节时电压在正常范围内，无功为－0.44 Mvar，属于边界值，此时系统按照十七区图的70区（见图2）进行动作，而对应70区的控制策略为“升主变压器”，因此VQC 系统对系统进行了主变压器升档操作。主变压器升档导致了电压由10.44 kV 变为10.72 kV，超过了10.65 kV 的上限，此时电压／无功坐标处于11区，由控制策略表可知，该区控制策略为“切电容、降主变压器”，此时电容器投切已被闭锁，因此进行第2策略：“降主变压器”。此时电压恢复至正常范围，而无功又回复到不合格范围边界，此时70区策略又开始启动。由此，VQC 系统开始了“70区↔11区”的往复振荡调节，主变调档次数很快达到上限，系统闭锁。闭锁时，电容器在投入状态，主变压器处于较高档位，最终导致了电压超高而无法再进行调节。

3 解决措施

针对VQC 的调节及闭锁情况，提出以下解决措施。

3.1 对电容器投切次数限值进行修改

从表3可以看出，到16：38时，电容器已进行了5次投切操作，而此时电容器的状态为投入，电压处于较高水平，无法再用电容器进行调节，因此考虑修改电容器投切次数限制，由5次改为6次，此次修改主要起到如下作用：

（1）在用电高峰时，也即电压／无功坐标处于11区时，使该区策略“切电容”可行，不需再进行主变压器调档，使得电压／无功值直接调至9区（电压／无功合格区），避免进入70区，消除了振荡的可能性。

（2）6次为偶数，电容器投切操作均可对称恢复，避免了出现最后一次投入电容器而无法切除的情况。

3.2 扩大平峰期间无功范围

为防止电容器投切次数以及主变压器调档次数过早到达上限，以至于高峰期间无法进行合理调节，可以从平峰时间调节入手，减少该时段的投切与调档。结合图3与表3可以看出，VQC 系统在振荡前的动作时间为7：00～8：00和13：00～14：00，这2个时段电压均基本处于合格状态，而此时无功上、下限定值为0.6 Qc、－0.7 Qc，即0.72、－0.84 Mvar，从起始动作来看，为无功超上限引起，因此，调整这2个时段的无功上限定值，由0.6Qc调整为0.9Qc（即1.08Mvar），可以减少平峰时段的调节次数，防止高峰时段到来时系统过早地闭锁。

3.3 结 果

对电容器次数进行调整后，保证了每日晚上负荷低谷时电容器为切除状态，使母线电压不会超高；对平峰时段无功定值调整后，减少了早晨和中午的2个平峰时段的调节次数。连续2个月对该变电站5号母线进行了跟踪检查，图4是连续4天跟踪检查母线电压的曲线。

图4 4月25日～28日变电站5号母线电压曲线Fig.4 Voltage curve of No.5substation bus line from Apr.25th to 28th

从电压曲线可以看出，16：00之后母线电压保持在一个比较稳定的水平上，VQC 系统不再出现频繁动作，振荡问题得到了很好解决；同时在每日平峰时段（7：00～8：00和13：00～14：00）电压也比较平稳，VQC无动作。

4 结语

变电站VQC 系统是保证电能质量提高的有效途径，本文从变电站VQC 系统运行中出现的振荡现象入手，分别从定值和控制策略2个方面进行了分析，对电容器投切次数与平峰时段定值进行了调整与完善，并对措施实行后的系统运行情况进行了连续跟踪。结果表明，不仅变电站电能质量及电压合格率有了明显提高，同时平峰时段的开关动作次数也有所减少，从而延长了设备寿命，减少了对系统安全的影响。

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