电压无功优化控制应用平台设计

张建良， 齐冬莲， 季瑞松

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

0 引 言

随着电动汽车和新能源发电系统的广泛和高密度接入，配电网的可靠稳定运行面临着巨大的挑战，特别是电压波动问题尤为严重。考虑到电压是衡量电能质量的主要指标，电压波动不仅影响电力设备的效率和寿命，而且进一步会影响电力系统的安全稳定运行，甚至引起系统电压崩溃和大面积停电事故［1］。鉴于电力系统的电压质量和无功功率分布密切相关，因此近年来电压调整和无功资源的投切配置技术成为电力行业和研究机构的理论研究和实践应用热点［2-3］。

通过对电力行业的广泛调研，目前在220 kV及以下电压等级的变电站中，局部电压及无功补偿调节主要是通过综合利用有载调压变压器和并联补偿电容器实现，即采取变电站电压无功综合控制策略［4］，以保证电压和功率因数在规定范围内。电压无功综合控制的基本要求是：首先保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节变压器分接头和并联补偿电容器的调整次数；其次采取合理的电容器组投切方式，即先投入的电容器组先退出，后投入的后切除。因此，电压无功优化控制系统的设计和实现对电力系统的电压稳定来说尤为重要［5-6］。

然而，由于现有的电压无功控制其调节量都是通过离散控制以阶梯式的形式进行的，导致电压和无功水平波动比较大［7-8］，并且基本以人工经验为参考，根据电压水平手动调节为主，调节过程容易导致调整精度差、反应速度慢等问题，而且主变分接头和补偿电容器组在运行过程中出现反复投切的“振荡调节”等问题，造成关键节点处电压忽高忽低，同时对电容器开关造成极大的破坏［9-10］。因此在系统设计时，应该遵循工业用电领域变配电系统运行的实际需求和基本规律，既保证系统能够符合变配电相关工程应用的基本需求，同时能够深入挖掘目前系统中原有的微机继电保护装置、无功自动补偿装置、智能数据采集模块以及人机交互界面等电气一次、二次、控制、保护等重点功能模块［11-15］，以及未来多种负荷广泛接入下变压器有载调压及无功补偿等发展需求［16］。

针对以上问题，本文通过调研电力行业中智能变电站工程实践的实际需求，以工业变配电系统为研究载体，按照变配电系统的技术要求和设计标准，综合考虑负荷的电压静态特性对优化控制的影响，总结和改进现有电压无功控制系统，探索设计以开放性、交互性和快速性为特点的电压无功自动调节系统，使系统电压和无功水平稳定在最佳运行状态，满足实验实践与工程应用的实际需求，并最大化保证设备的使用寿命和系统在实际运行中的经济效益，促进电气新工科专业建设与产业应用需求之间的深入融合，为电气新工科的创新实践提供工程应用平台和实验技术支撑。

1 平台的组成结构

平台的总体结构基于一般的110 kV变配电实践应用模型，包括硬件单元和软件单元两个部分。硬件包括变配电一次系统、二次系统、规约转换单元、数据采集单元、PLC控制器、系统监控单元和人机交互控制系统；软件单元包括在人机交互控制系统上实施的电压无功自动优化控制系统，具体包括数据采集与显示程序、电压无功自动控制程序和故障闭锁与复归程序等。为了具有更好的人机交互特性，通过系统监控单元可以实时观测系统的运行和通信状况，而通过人机交互系统为电压无功综合仿真控制策略提供硬件实现载体。系统的总体结构和硬件连接如图1所示。

图1 系统总体结构与硬件连接图

（1）从可扩展性、灵活性和高精细要求出发，实现硬件单元功能模块。在硬件模块中，信号规约转换装置将变配电一次系统中的电压电流等模拟信号量，以及二次系统中电容投切和分接头调整位置等数字信号量，统一转换为基于TCP／IP协议下的信号量，并且传递给多通道数据采集卡。通过对采集的信号文件表头和地址等的分析，解析出信号的具体含义并传递给系统监控单元对应的变量监控与预警装置。系统监控单元负责整体系统的运行监控，并且将获得的数据信息等传递给上位机所在的人机交互控制系统。由此可见，硬件单元主要实现系统模块的通信、数据采集与处理、人机接口装置的实现等功能。

（2）人机交互系统中，从交互性、可维护性和模块化要求出发，设计软件单元的功能模块。主要包括数据采集与显示程序、电压无功自动控制程序和系统故障闭锁与复归程序等，根据采集到的系统运行实时信息，产生相应的控制指令，发送给多通道数据采集卡，并通过PLC控制器转换成变配电一、二次系统能够识别并动作的信号，例如电容投切、分接头位置调整等数字信号，从而实现变配电系统中电压和无功的优化调整。由此可见，软件单元主要实现数据的采集与显示、故障自锁与保护功能、电压无功的自动调整和人机交互等功能。

（3）为了实现系统中各个单元之间的信息实时采集和控制信号传递，采用分层分布式结构设计通信网络结构，如图2所示。为了保证信息的可靠传输，在人机交互控制系统、PLC控制器和监控主机之间采用TCP／IP通信协议，而其余单元则通过RS-485总线协议与信号规约转换装置通信，并将转化后的信号通过TCP／IP协议传递给系统监控单元。其中，系统监控单元主机与信号规约装置通过TCP／IP协议实现内部通信网络的信息传递，变配电系统的运行信息采集主要基于RS-485协议，即一次系统谐波采集装置通过RS-485协议获得所采集的模拟量；二次系统保护装置通过RS-485协议将获取的开关量以及继电保护等相关信息，通过RS-485总线协议传递给规约转换装置；而PLC控制器和规约转换装置以及人机交互系统之间，主要通过Modbus通信协议进行数据的传递。

图2 系统通信网络连接图

2 电压无功优化控制设计

变电站实际调节电压无功的过程中，由于其调节量都是通过离散控制以阶梯式的形式进行的，导致电压和无功水平波动比较大。同时电压水平和无功调节之间又是相互影响的关系，所以实验人员很难做出正确最优的投切操作。而对于变电站电压无功自动控制装置来说，在确定变压器运行状态后，如何做出相应的控制策略，是实现其综合控制的最为重要的一步。

目前国内的变电站电压无功综合控制装置一般根据变压器实时的运行状况，再由预先给定电压、无功（或者功率因数）上下界，在电压、无功平面上划分成9个区（见图3），然后判断电压和无功是否超越上下限来决定分接头位置和无功补偿电容器组的投切控制，其中第五区是稳定区域。

图3 传统电压无功九区图控制策略

电压上下限是根据电压合格范围确定的，有时为了实现电压逆调整，需要根据各个负荷时段确定电压的上下限，即各个负荷时段的电压上下限可能是不同的；而无功上下限是根据每组电容器容量、电容偏差及无功基本平衡和保持投切相对稳定的原则来确定，Q上限表示无功过剩，Q下限表示无功不足。各区的控制规则如表1 所示［8-11］。

表1 各区的控制规则

按照传统9区图及相应控制策略，电压无功综合控制装置在实际运行中暴露了不少缺陷。例如，如果运行点在点A，按照相应的控制策略，应先投电容器。但是此时点A的电压接近电压上限，电容器投入以后，变压器的进线无功减少，同时低压侧电压也随着上升，运行点很有可能进入2区或3区。在运行点进入2区或3区后，按照控制策略，应先降变压器分接头。如果变压器分接头达到极限或变压器分接头不可控，则要切电容器。这样，运行点又将回到A点附近，所以装置有可能不断地在投电容器和切电容器之间循环，使运行点不停地在6区和3、2区之间来回震荡，造成电压水平忽高忽低，同时对电容器的开关造成极大的破坏。与此类似的还有处于4区的运行点B［10-11］。

为了防止电容器投切的震荡现象，针对传统9区图的震荡缺陷现象，对于敏感区域2、4、6、8再细分8个小区，即采用17区图法的控制策略［10］，实现电压无功的自动最优化控制。具体分区如图4所示。

图4 改进的电压无功17区图控制策略

图中：ΔUu是分接头调节一档引起的电压最大变化量；ΔUq是投切一组电容器引起的电压最大变化量；ΔQu是分接头调节一档引起的无功最大变化量；ΔQq是投切一组电容器引起的无功最大变化量。具体地，在1～9区的控制策略与原9区图相同，在边界敏感区域的控制策略如表2所示［10-11］。

表2 边界敏感区的控制策略

具体地，实现基于17区的电压无功自动优化控制系统，其控制回路如图5所示，主要涉及到系统3个功能模块，即数据采集与通信模块、故障自锁与保护模块和电压无功自动控制模块。

图5 电压无功自动控制流程图

3 平台的实施技术路线

在构建电压无功控制平台时，主要体现电气工程实践应用的技术要求，结合实际变配电系统的物理模型和应用场景开展系统的设计工作。具体的，首先根据前期的调研情况和理论分析，搭建系统总体结构模型，确定系统的可行性；进而开展相应的软硬件功能模块设计，实现系统的主要功能；最后根据实验结果并结合理论分析对系统进行反馈改进。系统设计的技术路线如图6所示，具体的设计技术路线如下。

（1）前期的系统方案设计阶段。综合考虑变配电系统的电压和无功控制的技术要求，确定应用平台的结构框架和内容设计。具体的，首先通过广泛调研以及查阅资料，掌握国内外变配电技术相关工程应用系统的研究现状，通过横向对比分析各种装置和技术的优缺点，吸取各种装置和控制策略的优良性能。同时针对变电站实际工程应用进行需求分析，以此为标准制定系统的研发目标。基于前期调研结果进行研究内容和实施形式的深入的探讨，并根据研发目标，统筹制定应用系统的总体设计框架。

（2）中期的功能模块实现阶段。需要充分研究现有智能变配电系统的设计原理及技术指标，结合变电站电压无功工程应用方面的具体需求，设计和实现系统的硬件部分和软件部分。其中，系统硬件部分是应用实施的基础，包括两部分设计内容：设计并掌握微机线路保护装置、变压器差动保护装置以及变压器后备保护装置的操作方法和参数整定方法，为系统的闭锁和复归操作提供基本装置条件；从装置的可扩展性、灵活性、实时性、测量高精度的要求出发，采样模块化的设计思路，实现系统硬件设计中的数据采集与处理模块、开关量输入输出模块、人机接口模块以及通信等模块组成。系统软件部分包括从系统的维护角度和交互性要求出发，开展系统电压无功自动控制软件的设计，充分利用和发挥硬件资源的作用，采样模块化功能设计，实现数据采集和转换、控制策略的实现、人机交互界面的实现、数据的展示和保护等，各功能模块保持互相独立，以便于今后软件的扩展和维护，如图7所示。

图6 工程应用系统设计的技术路线图

图7 系统软硬件功能模块

（3）后期的系统调试和优化阶段。主要是在深入调研目前实验应用系统中电压稳定和无功水平调整实际需求的基础上，综合系统硬件和软件部分，测试电压无功自动控制系统。通过综合有载调压变压器的分接头切换和合理地配置无功功率补偿容量，在实验应用平台上进行试验调试，并不断反馈修正系统设计和模块功能，保持配电网中电压稳定和无功水平的优化。同时，针对系统运行工况变化下的运行测试和异常故障，开发系统的闭锁复归设计方案。

4 平台的系统调试

系统的调试主要包括模块调试和联合优化调试两个环节，以实现平台性能优化。其中，模块调试环节主要指系统硬件部分和软件部分调试、负荷变动情况下的控制功能测试和异常故障情况下的闭锁和复归调试；联合优化调试环节主要是对各个模块在连接状态下整个应用平台的性能优化测试（见图6）。

4.1 模块调试

根据工程应用系统的硬件配置及设计要求，需要调试的模块主要包括：在硬件模块方面，主要测试微机线路保护装置、变压器差动保护装置以及变压器后备保护装置的操作和参数整定，为系统的故障闭锁和复归操作提供基本装置条件；从装置的可扩展性、灵活性、实时性、测量高精度的要求出发，采样模块化的设计思路，实现系统硬件设计中的数据采集与处理模块、开关量输入输出模块、人机接口模块以及通信等模块组成。在系统软件测试部分，主要从系统的维护角度和交互性要求出发，开展系统电压无功自动控制软件的设计，充分利用和发挥硬件资源的作用，测试模块化的功能设计，实现数据采集和转换、控制策略的实现、人机交互界面的实现、数据的展示和故障自锁保护等，各功能模块保持互相独立，以便于今后软件的扩展和维护。其中，在故障和负荷变动下的电压调整模块测试，主要关注关键点电压水平，从而分析变压器有载调压方式和无功补偿方式对电压调整实验的影响，从而优化控制策略的边界判断条件，以精细刻画电容器投切与分接头调整两者的最优协调动作。

4.2 性能优化调试

传统的九区图调整方法，由于对有载调压变压器分接头和并联补偿电容器的过度频繁调节，从而以较大的概率造成变压器和开关设备故障，因此各变电站对其分接头和电容器调节次数均有严格的限制。因此，针对传统9区图法在某些区对控制结果产生振荡的现象，以及相应的装置频繁动作的缺陷，测试改进的17区图控制策略，对分接头的调整条件和无功补偿容量进行精细量化建模，考虑到合理的电容器组是采用循环投切方式，使先投入运行的电容器组先退出、后投入的后切除，以减低电容器组的平均运行温度，减少投切开关的动作次数，延长其使用寿命，从而达到最优的系统调节效果。

5 结 语

以实际变配电工程应用系统为研究对象，综合利用以一次模拟系统、继电保护装置和人机接口单位组成的硬件系统，和以电压无功自动控制策略为基础的智能变配电应用控制系统，开展电压无功优化控制平台的设计与实现。模块化的设计结构有助于构成开放性的开发应用环境，项目化的功能设计有助于增加工程应用的真实性和创新性。通过该应用平台，可以有效地提高了电压和功率因数的合格率，减少电压的波动，并极大抑制系统投切过程中的震荡现象，提高和扩展现有变配电控制平台的整体功能和应用效果，促进电气新工科专业建设与产业应用需求之间的深入融合，为变配电系统的工程应用积累运行经验和实验支撑。