变电站电压无功综合控制系统研究综述
2016-11-15韦海慧
韦海慧
(广西电网有限责任公司崇左供电局，广西 崇左 532200)
变电站电压无功综合控制系统研究综述
韦海慧
(广西电网有限责任公司崇左供电局，广西崇左532200)
无功补偿是保证电力系统运行稳定，降低线路损耗，提高经济效益和保证电压质量的基本条件。九区图划分的电压无功调节判据，实际运行时在临界区域容易造成振荡和装置动作频繁，针对传统“九区图”控制策略的不足，本文引入了基于变量计算的VQC策略，通过这种策略算法得出变压器分接头和电容器投切开关的动作方案。在不降低电压无功控制效果，同时能够减少有载调压器分接头和并联电容器组的调节次数，提高了电气设备使用寿命。
无功补偿；电压无功控制； VQC策略
1 引言
随着社会经济的不断发展，电能质量越来越受到重视。尤其是，随着我国电力系统的规模越来越庞大,无功的平衡和电压的稳定就显得更为重要，所以，无功功率与电压控制是一个亟需解决的问题。首先，无功功率与电压稳定是保证电力系统安全稳定运行的需要，如果无功控制不合理，就可能造成电网“电压崩溃”，造成大面积停电。再者，电压是衡量电能质量的重要指标之一，合理的无功水平可以使系统电压保持在合格范围内，从而保证系统的正常运行和用户的正常工作。
2 变电站电压无功控制的现状
目前，电力系统中常用的无功和电压调整手段主要有:(1)同步发电机；(2)串联补偿电容器；(3)并联补偿电容器；(4)同步调相机；(5)静止补偿器；(6)有载调压变压器。
在以上几种无功和电压调整手段中，变电站采用的只有后四种。比较这四种无功和电压调整手段，同步调相机和静止补偿器造价高，而且运行维护复杂，目前只在重要的变电站中使用。并联电容器和有载调压变压器造价相对较低，而且运行维护更为方便，是变电站中最广泛采用的无功控制装置。所以，变电站的电压无功控制，主要是指并联补偿电容器和变压器有载分接头的控制。目前，变电站电压无功控制及其装置的研究与开发的重点集中在控制策略研究、电容器投切方式、电压无功控制功能等几个方面。
目前实际运行的电压无功自动控制系统均采用分区控制的原则，其中“九区图”是一个比较具有代表性的控制策略。
3 九区图电压无功控制策略
最早的VQC装置都采用基于九区图的控制策略，根据电压、无功、时间、负荷、有载调压变压器档位和电容器组开关状态等进行综合判断，通过实时数据判断当前的运行区域，再按照一定的控制策略，控制变电站内电容器组的投退以及变压器档位的调节，以最优的控制顺序和最少的动作次数使运行点进到正常工作区，使电压合格而无功功率尽量接近于0或功率因数尽量接近于1。
3.1九区图基本原理
九区图控制策略根据固定的电压和无功功率或功率因数上下限将电压-无功平面划分为九个区域，如图1所示。
图1 九区图
根据VQC的控制要求，必须将主变低压侧母线电压控制在规定的电压上下限之间，以确保母线电压合格；同时应尽量将无功功率或功率因数控制在规定的无功功率上下限之间；若无法使电压、无功功率同时满足要求，则优先保证电压合格。
九区图的电压、无功上下限通常在某个负荷时段取固定值，并按逆调压原则自动调整电压下限值。变电站的负荷越大、电压下限值越高，即在高峰负荷时应适当提高运行电压，将电压下限值提高；同理，在低谷负荷的时候应适当降低运行电压，将电压下限值降低。图2 给出了九区图各区域控制策略示意。
3.2九区图的不足
由于九区图电压、无功上下限都是固定值，未能充分考虑电压、无功之间的相互协调关系，部分区域的控制策略不能使电压、无功同时满足要求，只能使运行点进入相邻区域，而无法直接进入9区，造成受控设备的动作次数的增加。
图2 九区图各区域控制策略
九区图的某些区域对于控制的结果还可能会产生振荡动作的现象。所谓“振荡动作”是指在调档和投切电容时，不能使运行点直接进入目标区域而是进入控制前所在区域的相邻区域，在相邻区域控制策略的作用下，又使运行点回到控制前的区域的现象。振荡动作现象会增加档位和电容器组的动作次数，影响电气设备的使用寿命，并增加系统受到的冲击次数，因此在控制策略上应加以避免。
采用传统的九区图电压无功控制策略，当系统运行到临界区域容易造成系统振荡，装置的频繁动作，会造成电气设备的损坏和降低其使用寿命。为此本文探讨了基于变量计算的VQC策略。
4 基于变量计算的VQC策略原理
基于变量计算的VQC策略是通过基本潮流方程获得VQC控制所需电容器组数和分接头档位。如图3所示，设变电站共有m组电容器。VQC的控制目标是：使主变低压侧母线电压处于规定的电压上下限值之间，高压侧功率因数尽量近于1。
图3 系统等值电路
设主变变比k不变，为了使主变低压母线电压维持在规定的电压U2C，电容器应投入组数为：
(1)
式中：B0为1组电容器电纳。
在确定电容器组数n后，再考虑分接头的调节。通过等值电路可以得到变比k的方程(取BC=nB0，U2=U2C)：
Ak4+Bk2+C=0
(2)
由式(2)可得计算变比kj的求取公式如下：
(3)
根据变压器变比定义，可按式(4)将计算变比kj转化为计算档位tapj：
(4)
式中：UT1N为主分接头电压；UT2N为变压器低压绕组额定电压；Δtap为变压器分接头相邻两档的档距。
显然上述计算电容器组数nj和变比kj的公式较为繁琐，对于110kV电网，在不计电压降落横分量和全网电阻的情况下，可推导出nj和kj的近似计算公式如式(5)和式(6)。
(5)
(6)
在某一特定时间VQC判断控制的步骤如下：
(1)在某时间，根据当前变电站的运行数据，判断主变低压侧母线电压和高压侧无功功率是否合格。若合格，则VQC不动作；否则，按步骤(2)执行。
(2)计算满足控制目标所需的电容器组数和分接头档位。
(3)如果主变低压侧母线电压低于下限或者高压侧无功功率高于上限，则优先调节电容器。每次只投入一组电容器，直至电压合格或者电容器组数达到nL为止。 如果电压接近上限或者无功功率接近上限，且nL≤n≤nH，或者n>nH，则切一组电容；如果电压越趋近下限或者无功功率越趋近下限，且nL≤n≤nH，或者nL>n，则切一组电容。如果投切电容能使电压无功合格，则不必再调节变压器分接头；若不合格，则再执行步骤(4)。
(4)设分接头当前档位值为tap，若电压高于上限，tapH≤tap≤tapL，或tap
5 结论
基于变量计算的VQC系统能够较好地满足变电站电压无功调节的需要，实现无功就地平衡、提高电压质量、改善功率因数、降低线损。
目前比较热门的地区电网AVC是电压无功控制的一个新思路，它突破了传统控制手段只能满足本地无功的平衡的局限，基于遥信、遥测数据及SCADA系统，调节及投切地区电网内多个变电站的有载调压变压器及电容器组，实现无功补偿的全局优化。
随着电力自动化技术的广泛应用，无人值班变电站的不断增多，原有的人员手动调节电压无功方式己经越来越不能适应形势的发展，电压无功自动控制装置(VQC)开始在电力系统中大量使用，未来的VQC装置应更加的智能化，并有望在多目标、非线性控制问题上取得突破。
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Review of Reactive Power Control System in Substations
WEIHai-hui
(Chongzuo Bureau,Guangxi Power Grid Co.,Ltd.,Chongzuo 532200,China)
Reactive compensation is to guarantee the system runs stably and reduce power line loss,improve the economic benefit and ensure the basic conditions of voltage quality.Voltage reactive-power integrated control system′s goal is to ensure voltage qualified,reactive power based on the basic balance to minimize regulation frequency.Nine area graph partition voltage reactive adjusting criterion，when actual operation in critical regions easily cause oscillation and device is frequent,conventional nine area chart deficiency of control strategy based on variable,this paper introduces the VQC strategy,calculated by this strategy that transformer points joint and algorithm of capacitor switching action plan.the former VQC strategy in not lower than voltage reactive-power control effect also can reduce on-load pressure regulator point joint and parallel capacitor group of regulation,improving the frequency electric equipment using life.
reactive power compensation;voltage reactive control;variable calculation VQC strategy
1004-289X(2016)02-0004-03
TM71
B
2016-01-28
韦海慧(1990-)，女，广西电网有限责任公司崇左供电局，主要从事电力系统分析与控制,电网调度与运行。
