一種基于十七區域圖的電壓無功控制方法及其應用

孫均梅 胡慶華 李國剛 項義華

（1.河北電力勘測設計研究院上海分院，上海 310012；2.浙江杭州德力西集團有限公司，杭州 310023）

目前廣泛應用的傳統九區圖算法是現有變電站電壓無功控制策略的主要依據，是基于最基本原理來實現變電站電壓無功自動控制，按這種劃分方式，本著電壓越限調分接頭、無功越限投切電容，兩者均越限先投切電容，仍不合格再調分接頭的原則進行控制，是基本的電壓無功分區控制策略。但它的調節性存在一些不足。沒有考慮電壓與無功的相互影響，控制方法比較簡單粗糙，存在控制性能不好、投切振蕩和傳統九區圖控制中的死區問題。

由于這種劃分過于簡單，沒有全面考慮電壓無功調節的綜合作用效果，容易引起往復動作現象。傳統九區圖法由于未考慮無功調節對電壓的影響及電壓調節對無功的影響，使用時會造成振蕩、裝置頻繁動作的現象，由于投切電容器后電壓的升高或降低使得運行點向另一個不滿足的區移動。這是目前九區圖法的一個突出問題。為了克服九區域圖的電壓無功控制裝置調節頻繁的缺陷，將模糊控制理論用于電壓無功綜合控制，對傳統的“九區圖法”進行重大改進，對目前一些基于九區域圖法調節頻繁的缺陷，明確提出了在九區圖控制原理的基礎上，面向十七區域圖控制操作動作原理和對應的專家知識庫動作策略，實際應用表明基于十七區域圖原理的電壓無功控制實際操作動作的控制精度高、控制效果好。

1 基本理論

將9區作進一步的細分，從而制定更詳細的控制策略。本方法提供一種在9區圖的基礎上考慮到電容器的投切對電壓的影響和分接頭的調節對無功的影響而得出的，即將原來 9區圖中的2、4、6、8區的每一個區細分為3個區（見圖1），在這種動作模式中，可以盡量做到一次調整動作就可以達到調整的目的，減少了無功設備的投切次數和分接頭的調節次數。

圖1 VQC十七區域圖

1.1 VQC 17區圖原則

1、10、11區為原來九區圖中的1區細分而來，3、30、31區為原來九區圖中的3區細分而來，5、50、51區為原來九區圖中的5區細分而來，7、70、71區為原來九區圖中的7區細分而來。

1.2 區域判斷

ΔUu 為主變調一檔所引起的電壓變化最大值。ΔUq 為電容器投切一個所引起的電壓變化最大值。ΔQu 為主變調一檔所引起的無功變化最大值。ΔQq為電容器投切一個所引起的無功變化最大值，就是電容器的容量。

1.3 采樣判斷方法

采樣平均值法的實現：上位機通過監控主站通信服務器的數據采集是一個快速實時的過程，最慢也是3s采集一次數據（變電站數據采集速度性能要求），在VQC程序中，把30s以內的數據進行預處理，計算10個3s測量值的平均值以供VQC模塊調用。系統在設定的時間內計算U與Q的平均值，以平均值來判定U與Q的當前運行區域采取相應的方案。對預設時間段內的測量變量計算平均值，并對各個測量變量進行粗差剔除；設Ui和Qi為第i次VQC程序采樣測量值變量，平均值計算公式為

式中，、為平均值，n為預設時間段內測量有效總次數。

對各個測量變量Ui進行粗差剔除的過程為

3）若某個剩余誤差∣Vi∣＞3σ，則可判定該測量值中含有粗大誤差，應予以剔除，將Ui剔除后，用剩下的測量值重新計算平均值及標準偏差σ后仍按上述步驟進行判斷，直至不存在粗大誤差，粗差剔除結束。

4）對Qi進行粗差剔除的過程與上述 1）、2）、3）步驟相同。

2 十七區域圖的基本定值整定

2.1 Umax、Umin的整定

參照當地的電網運行規程，設定合格電壓的上下限，例如10kV的合格電壓的范圍為9.8～10.7kV，因此Umax設定為10.7，Umin設定為10.0，對于10kV因饋線長網損較大的特殊情況，可將Umin適當增大。

2.2 無功Qmax、Qmin的整定

Qmax與Qmin的整定比較復雜，因為Q與負荷大小密切相關。對于Qmax、Qmin的整定，應先根據當地電網對于功率因數的運行規定，確定 cosΦmax及cosΦmin。例如假設 cosΦmax為 0.98，cosΦmin為 0.9。現假設對于一臺兩卷變壓器，容量為50000kVA。現考慮該臺變壓器運行在額定負荷的 80%，情況下，則可得出Qmax及Qmin在80%的額定負荷條件下的值：

因為負荷是變化的，所以Qmax與Qmin隨著不同的負荷變化而變化。VQC軟件可分時段執行定值。根據當地的負荷變化規律，在不同的時段整定不同的Qmax與Qmin大小。

2.3 投切一組并聯電容器對電壓的變化率ΔU

確定投一組并聯電容器對母線電壓的影響，通常比較困難。因為為負荷受時間、季節的變化而不同，要精確整定是比較困難的。本方法利用綜合自動化系統的遙測數據來確定此定值。如在一天中負荷的高峰期，通過觀察一組電容器投入后母線的變化來確定 ΔU1，在負荷的低谷期，觀察一組電容器退出后母線的變化來確定 ΔU2，將電壓的變化率ΔU整定在 ΔU1～ΔU2之間。在實際的整定中，還應該按時段觀察負荷的曲線，確定每個時段的ΔU1及ΔU2，取它們的平均值，從而確定各個時段的ΔU。

2.4 投一組并聯電容器對無功的變化率

對于一組并聯電容器，其出廠銘牌都會注明其容量，例如對于某電容器組，其參數為5010kVar，則其容量可直接作為投一組并聯電容器對無功的變化大小，例如對于上述電容，則其對無功的變化率為 5010kVar。

3 專家控制策略知識庫

優先模式：區域類型為十七域時，控制分為只考慮電壓，只考慮無功，電壓優先，無功優先，綜合考慮等五種模式，各個模式下的動作策略如下：VQC運行在電壓優先的方式下，在電壓和無功功率不能同時得到滿足的情況下，優先滿足電壓要求；運行在無功優先方式下，優先滿足功率因數要求。具體是電壓還是無功優先，要充分考慮當地的負荷情況及當地的系統運行規程。

表1 VQC十七域專家控制策略動作表

該十七區圖表的動作策略是在九區圖的基礎上考慮到電容器的投切對電壓的影響和分接頭的調節對無功的影響而得出的。在動作模式中，可以盡量做到一次調整動作就可以達到調整的目的，減少了無功設備的投切次數和分接頭的調節次數。在本方法應用策略中，如果投切無功設備能夠達到調壓的目的，就優先投切無功設備；如果無功設備還沒有具備投切的條件，為了確保電壓質量，就要及時調節分接頭以滿足電壓調整的要求。

4 具體實施方式

采用十七區圖的控制方法，將采集到的母線電壓、高壓側無功和電壓限值、無功限值進行比較，確定出當前系統所處的十七區圖的位置，根據預先定義好的相應模式下的控制動作策略專家知識庫，進行電容器組的投切和變壓器檔位調節，從而滿足變電站系統電壓無功的調整要求。

實施例的具體硬件系統：監控后臺工作站－研華工控機（CPU P4 2.8G，內存512M，硬盤120G，Win2000Server，杭州德力西 CD-SCADA電站監控系統）、上海華明有載調壓器 HMK7一臺、山東魯能5000kVA的10kV兩卷變壓器一臺、重慶并聯電力電容器有限公司5010kVar電容器組一臺、杭州德力西綜合保護測控CDMP200裝置10臺。

4.1 從上到下依次配置變電站的系統定值

設置變電站的系統參數包括：母線段數、主變臺數、無功判據、優先模式、電容投入次序等。 配置上下限域圖參數定值（分時間段或負荷水平段）；如：低壓側電壓上限Umax、低壓側電壓下限Umin、高壓側Qmax、高壓側Qmin、主變每調節一檔的低壓側電壓最大變化值（ΔUu)、主變每調節一檔時的無功最大變化值(ΔQu)、電容每投切一次時的低壓側電壓最大變化值(ΔUq)、電容每投切一次時的無功最大變化值（ΔQq）。配置 VQC 的“輔助參數”定值：主變容量、動作時間定值、躲擾動延時、動作間隔等。以及測控信號表和母線接線方式等參數。

4.2 上下限域圖參數

根據系統定值上下限域圖參數定值的設置，建立具體的十七區圖的上下限，如圖2所示。

4.3 建立與變電站實時數據的通信

上位機對站內采樣數據進行實時通信采集，對變電站的電流、電壓、有功、無功、功率因素、開關位置、變壓器檔位等電氣信息進行采集，將采集到的實時電壓、實時無功分別和電壓限值、無功限值進行比較，確定目前系統運行所在的控制區域。在系統在設定的時間內計算電壓U與無功Q的平均值，把 30s以內的數據進行預處理，計算 10個 3s測量值的平均值以供VQC模塊調用。以平均值來判定電壓U與無功Q的確定當前運行區域。并對各個測量變量進行粗差剔除，見式（1），（2）。

4.4 控制策略

根據優先模式和所在區的專家知識庫控制策略，判斷其閉鎖控制條件，是否符合控制條件，當需要控制時判斷投切電容器組還是調節變壓器檔位，滿足控制條件時則進行變壓器檔位調節出口或電容器投切出口，從而控制變壓器或電容器組。在所述步驟 1）中，對各個系統主要參數進行設定的過程如下。

1）Umax為10.7kV，Umin設定為10.0kV，根據當地的負荷變化規律，應先根據當地電網對于功率因數的運行規定，確定cosΦmax為0.98及cosΦmin為0.9。在不同的時段整定不同的Qmax與Qmin大小。現考慮該臺變壓器運行在額定負荷的 80%情況下，則可得出Qmax及Qmin在80%的額定負荷條件下的值：

ΔUu為主變調一檔所引起的電壓變化最大值，設定為0.2kV。

ΔUq為電容器投切一個所引起的電壓變化最大值，設定為0.1kV。

ΔQu為主變調一檔所引起的無功變化最大值，設定為100kVar。

ΔQq為電容器投切一個所引起的無功變化最大值，設定為5010kVar。

2）依據（1）域圖上下限參數定值的設置，建立具體的十七區圖的如圖2所示。

3）U與Q的平均值采樣判斷方法。

設置測量變量U、Q的采樣數據窗口時間，采集n個測量變量，并對各個測量變量進行粗差剔除；設Ui和Qi為i次儀表采樣測量值變量，平均值計算見式（1），（2）。

對各個測量變量Ui進行粗差剔除，計算得出目前的系統平均值，、。數據采集系統計算 10個3s測量值的平均值以供VQC模塊調用。通過預處理，實現了每間隔3s采集一次數據，并對30s以內的數據進行預處理，即計算10個3s測量值的平均值以供上位機VQC程序調用，符合VQC采樣的需要，系統在設定的時間內計算U與Q的平均值，以平均值來判定U與Q的當前運行區域采取相應的方案。根據剔除粗差算法，計算得出目前的一個系統平均電壓值。和得出系統平均無功值。根據、得出系統現在所處的一個電壓無功所在的十七區域中的所在域圖。如：＝10.3，＝7500，則系統所在區域為7區。如：＝10.8，＝8100，則系統所在區域為1區。如：＝9.8，＝17400，則系統所在區域為51區。

4）根據優先模式和所在區的控制策略專家知識庫，判斷其閉鎖控制條件，是否符合控制條件，從而調節變壓器或投切電容器組。

本實施例的具體實現（以下均為無系統閉鎖條件）。

實例1。優先模式：只調電壓 ；區域：7區；控制策略：不動作。

實例2。優先模式：無功優先；區域：7區；控制策略：切電容。

實例3。優先模式：綜合考慮；區域：1區；控制策略：降檔，如無變壓器可調可投則切電容。

實例4。優先模式：只調電壓 ；區域：51區；控制策略：投電容，如無電容可投則升檔。

圖2給出十七區圖具體分布。根據電壓定值和無功定值和臨界參數把整個區域分成十七個區域，每一個區域結合具體的優先模式，設有不同的控制策略。電壓定值和無功定值采用一天多套、每天都可以設置不同的定值，方便用戶根據需要設置。

圖2 VQC十七區域圖調節方向

圖3給出了實施例的計算機的軟件流程。電壓無功控制系統設置 VQC系統參數、上下限域圖定值，確定十七區圖，參數設置完成后，則對實時數據進行數據的處理，通過對一定時間段內的電壓均值與無功均值與十七區域圖上下限比較，確定當前狀態處于十七區圖域的位置，結合具體的優先模式，按照控制策略專家知識庫確定是否進行變壓器的檔位調節和電容器的投切操作，以使系統電壓和無功達到最優的、最經濟的運行方式。

圖3 QC軟件流程圖

5 結論

本方法可以節省VQC裝置硬件成本，能有效充分發揮了變電站監控系統的 VQC功能，可廣泛應用與110kV以下的變電站終端用戶，即在各個變電站中，自動調節有載調壓變壓器分接頭和自動投切無功補償設備，以控制當地的電壓無功功率在合格的范圍內。實現站級的無功優化控制，提高系統運行的可靠性和經濟性，在實際應用中對實施條件要求不高，應用經濟效果明顯，適于安裝于輸電線路監控系統中使用。

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