智能变电站高压无功补偿器监控系统的设计

杨翠翠， 常亮亮， 张源， 邢睿， 王赟

(1．囯网山西电力检修公司，山西 太原　030001； 2.囯网山西省电力公司，山西 太原　030001)



智能变电站高压无功补偿器监控系统的设计

杨翠翠1， 常亮亮2， 张源1， 邢睿1， 王赟1

(1．囯网山西电力检修公司，山西 太原030001； 2.囯网山西省电力公司，山西 太原030001)

为适应智能电网的发展趋势，提升智能变电站无功补偿智能化水平，介绍了一种新型的无功补偿装置SVC的监控系统的设计。监控系统通过光纤接入智能变电站的过程层获取数据，通过以太网接入智能变电站的间隔层网络，实现信息的上传，其网络通信模式，完全符合智能变电站要求，能够有效的与智能变电站相结合，真正实现了变电站无功补偿系统的智能化。监控系统除了包括数据采集处理、波形显示、历史数据查询、通信、故障监视等模块，提出了一种新的控制算法，不仅能实现无功的实时补偿，也能对电网的不平衡进行补偿。最后通过仿真验证了系统的性能及算法的合理性。

智能变电站；SVC；控制算法；网络化；监控系统

0　引　言

智能电网[1-2]是电网发展的必然趋势.在加快电网智能化的同时,对电网无功配置优化提出更高的要求。在输、变、配电网中，要让整个系统的损耗达到较低，必须实现分层分级就地进行无功补偿。静止补偿器SVC[3-4]凭借其价格低、工作可靠等特点，在电力系统无功补偿方面仍然占据主要地位，本文结合新一代智能变电站[5-6]的要求设计了一种新型高压静止无功补偿器的监控系统，不仅可同时实现功率因数补偿和不平衡补偿的控制算法，还能很好地与智能变电站的三层两网结构相融合,具备智能变电站要求的智能化水平。

1　智能变电站简介

智能变电站可以划分为“三层两网”结构。过程层由合并单元和智能单元组成，实现各种实时信息的采集和控制命令的执行，面向间隔单元配置，通过网络连接与间隔层智能组件互相通信。间隔层由各种智能组件实现保护、测量、 控制、计量和检测功能。站控层由后台监控、远动通讯、在线监测、视 频监控等组成。智能变电站二次设备网络化主要针对GOOSE、SV、MMS网络的建立实现二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令信息。从而实现全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等功能。

2　SVC监控系统与智能变电站的融合

图1　SVC系统整体结构

智能变电站一次设备智能化与二次设备网络化[7-8]，对SVC在变电站的应用提出了更高的要求。如图1所示，SVC的高电位触发板与低电位控制板可实现对晶闸管的触发、状态的检测及回传，高低电位之间采用光纤通信抗干扰能力强，传输距离远，低电位控制板与上位机监控系统通过以太网实现数据的通信，符合智能变电站对设备本身的要求。与传统变电站相比，智能变电站信息的获取范围与利用方式发生了很大的变化。站内一次设备的模拟量和状态量数据，以及过程层和间隔层设备的其他运行信息通过相应间隔的合并单元及智能终端采集。

后上传到站内过程层SV网和 GOOSE网，SVC监控系统具备光电转换接口，可以通过光纤接入站内SV和GOOSE网获取相关信息，并进行计算和控制晶闸管的触发。智能变电站的后台及远传信息则通过间隔层和站控层MMS上传，本装置可以通过网线接入间隔层MMS网，将运行报告及故障信息等上传，用以后台监视及远方调用。包含本装置的智能变电站综自拓扑结构图2，不仅能很好的实现补偿功能同时也符合智能变电站的发展要求。本装置不仅可以通过站内运行情况进行智能无功补偿，还可以优先执行远方电网调度中心的投切命令，根据整个儿区域电网情况进行无功的补偿。

图2　智能变电站综自拓扑图

3　SVC监控部分介绍

上位机监控系统的硬件部分包括工控机、键盘、鼠标、光电转换设备和交换机等。监控系统的功能模块包括数据采集处理、数据及波形显示、历史数据查询、通信、故障监视及控制模块。其监控流程图如图3所示。

图3　监控系统监控流程图

3.1数据采集模块及通信模块

为了适应智能变电站的网络结构，SVC的上位机监控系统的通信模式是基于IEC61850规约进行编写的，根据设备的特性采取“网采”的模式。合并单元将采集的数据通过光纤上传到站内过程层的SV网， SVC的监控系统通过交换机及光纤通道，从SV网获得电网运行数据，并对其进行相应的计算和处理。方便用于监测电网的运行情况，同时为控制模块提供控制依据。电网调度中心可以通过站控层的公用测控装置，将远方控制命令通过站控层MMS网传给SVC监控系统，这是SVC优先执行远方控制命令，采集的站内运行数据仅供参数显示，不进行控制计算，这样可以节省计算机资源。

3.2控制方法的实现

装置采取局部开环整体闭环控制相结合方式，即功率因数闭环控制和不平衡开环控制。

闭环控制部分采取增量式PI控制器[9]：

ΔB(k)=B(k)-B(k-1)=

Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)

(1)

图4　功率因数变化情况

当功率因数偏差处于下降趋势即(c、d)和(f、g)区间，功率因数震荡减弱，此时可以减弱控制，则：

三相不平衡[10]是负荷分配不均匀引起的， 若不平衡功率流入高压SVC，则原系统可认为是平衡系统。不平衡功率含有无功和有功分量，而流入高压SVC的只有无功功率，之所以能够实现平衡功率分布，原因是其中一部分分量在构成电压电流矢量的过程中产生了相移，而不平衡功率的有功分量在一个周期内的积分为零。实际上不平衡的系统的平衡化就是通过改变不对称负荷的能量分布来实现的。开环部分不平衡补偿算法的推导过程如下，每支路的电流：

(2)

其中YAB，YBC，YcA为电网三相的导纳。每相对应的电流可表示为：

(3)

相电流的正序、负序、零序分量可表示为：

(4)

可以推出电网的正序、负序、零序分量为：

(5)

TCR的线电流对称分量表达式与上式相似

(6)

ΔBAB,ΔBBC,ΔBCA为补偿不平衡所需电纳。

电网不平衡的主要原因是有负序分量的存在，所以要实现不平衡补偿，就要满足：

I2(TCR)+I2(S)=0

(7)

由于SVC在补偿不平衡时，不能影响到PI闭环控制部分的正常运行，所以必须保证不平衡补偿不影响到电网功率因数的值，即：

(8)

(9)

控制框如图4所示，当不平衡度η低于2%时，可以省略不平衡补偿的计算，可以节省计算机资源。

图5　高压SVC控制算法框图

(10)

图6　未投SVC时的电网波形图

图7　投入SVC后电网的波形

3.3数据显示、历史查询及故障监视模块

装置提供良好的人机交换界面。系统包括数据显示界面、历史查询界面、故障监视界面、人工控制界面。系统可以通过数据和波形的形式显示电网及SVC运行情况；同时SVC具有自检功能，可以对阀组的运行情况进行巡检，可以实现故障的分析、定位和报警。若站内SV网出现异常，无法采集到电网数据，可以在人工控制界面对装置进行补偿控制；装置可以对数据进行长期保存，便于运行人员和远程调用。

4　结束语

本文阐述了应用于智能变电站的高压静止无功补偿器 SVC上位机监控系统的设计，并通过仿真验证了装置的可靠性及智能化，符合智能电网要求，同时也能实现与智能变电站结构很好的融合。

[ 1 ] 肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化，2009，33(9)：1-4.

[ 2 ] HAN FENG，YIN MING.Discussions on related issues of smart grid development in China[J]，Power System Technology ,2009,33(15)：47-53.

[ 3 ] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]．北京：中国电力出版社，2006．

[ 4 ] 童路，陈赤汉，谢门喜.静止无功补偿器中的晶闸管阀组设计[J].电力电容器与无功补偿，2011,32(1)：33-37.

[ 5 ] 王文龙,刘明慧.智能变电站中SMV网和GOOSE网共网可能性探讨[J].中国电机工程学报,2011,48(S1)：55-59.

[ 6 ] 王冬青, 李刚,何飞跃.智能变电站一体化信息平台的设计[J].电网技术，2010，54(10)：20-25.

[ 7 ] 张仰飞，袁越.数字PI控制器的参数辨识及实验验证[J].电力自动化设备，2010,30(11)：40-43.

[ 8 ] 高东学，智全中.智能变电站保护配置方案研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(1)：68-71.

[ 9 ] 吴忆，连经斌.智能变电站的体系结构及原理研究[J].华中电力,2011，3(24)：1-4.

[10] 胡应宏，王建赜.不平衡负载的平衡分量法分解及补偿方法[J].中国电机工程学报，2012，32(34)：98-104.

式中BTCR为TCR补偿电纳值，BmaxTCR每相的电纳值，α为触发角。此方程为非线性，通过查表的方法求出触发角的大小。

为验证算法性能，对SVC系统做全面的仿真，从结果看出，装置符合智能变电站对无功补偿设备的要求。

Design of a Monitoring System for the High-voltage Reactive Compensator of the Intelligent Substation

YANG Cui-cui1, CHANG Liang-liang2, ZHANG Yuan1, XING Rui1, WANG Yun1

(1. State Grid Shanxi Electric Power Overhaul Co., Taiyuan Shanxi 030001, China;2. State Grid Shanxi Electric Power Co. Taiyuan Shanxi 030001, China)

To adapt to the development trend of the smart grid and enhance the intelligence level of the reactive compensation of the intelligent substation, this paper presents the design of the monitoring system for a novel reactive compensator - SVC. The monitoring system is connected through fiber access to the process level of the intelligent substation to acquire information, and through Ethernet to the bay level of the intelligent substation to realize information uploading. Its network communication mode in full compliance to the requirement of the intelligent substation can be combined with the intelligent substation effectively to realize intelligentization of the reactive compensation of the substation in the true sense. In addition to modules for data acquisition and processing, waveform display, historical data query, communication and fault monitoring in the monitoring system, this paper proposes a new control algorithm to realize real-time reactive compensation and compensate for the grid unbalance as well. Finally, the system performance and algorithm reasonability are verified through simulation.

intelligent substation; SVC; control algorithm; networking; monitoring system

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.029

TM4

A

1000-3886(2016)01-0091-03

杨翠翠(1985-)，女，吉林人 ，硕士生，研究方向无功补偿。常亮亮(1984-)，男，山西人 ，硕士生；张源，(1988-)男，山西人，本科。邢睿，(1989-)男，山西人，本科。王赟，(1986-)男，山西人，本科。

定稿日期: 2015-05-15