基于十七區圖原理的電壓無功控制系統振蕩問題研究

陰璽 ，蔡智慧 ，李大志，李宇楠

（1.北京市電力公司門頭溝供電公司，北京市 102300；2.北京市電力公司調度控制中心，北京市 100041；3.北京市電力公司檢修分公司，北京市 100067）

0 引言

維持用戶電壓在合格的范圍內變動，是電力系統運行管理的基本任務之一［1］。目前，變電站調節電壓的手段一般采用調節有載變壓器和投切并聯電容器組，有載調壓主要用來調節電壓幅值，減少電壓所帶來的損耗；投切并聯電容器組主要是用來補償電網中的無功，減少無功所帶來的損耗。而有載調壓在進行調節電壓的同時也會影響無功，投切并聯電容器組在進行無功補償的同時也會影響電壓幅值［2－3］。

電壓無功控制系統（voltage quality control，VQC）是變電站常用的調節手段，其基本原理是基于九區圖控制策略，而此系統在運行于某些區域時可能出現控制結果產生振蕩現象及裝置頻繁動作的缺陷。針對此問題，國內許多文獻也進行了相關的研究，并提出了通過短期負荷預測來減少負荷波動時頻繁投切［4］、引入高壓側電壓及電流為參考量來避免不合理動作［5－6］、實時查找功率因數來判斷所屬區域并進行相應調節［7］等方法。其中較有代表性的是調節策略更為復雜精確的基于十七區圖原理的VQC系統，其大大增強了系統運行穩定性，減少了振蕩現象的發生。目前對于基于十七區圖原理的VQC系統運行發生的振蕩現象有少數文獻進行了研究，提出了諸如采用自動調整雙電容器組投切順序的方法來減少振蕩發生的措施［8］，本文即針對某變電站（單電容器組）基于十七區圖原理的VQC系統出現的振蕩現象進行研究，并提出相應的解決措施。

1 變電站電壓問題

2012年2月，某35kV 變電站內10kV 5號母線電壓出現電壓超上限的大量不合格點，經過對2月5日母線電壓曲線檢查發現，在2月25 日16：40～20：30，母線電壓發生了有規律的連續振蕩現象，間隔均為10min，振蕩曲線如圖1所示。

圖1 2月25日變電站10kV 5號母線電壓振蕩曲線Fig.1 Voltage oscillation curve of 10kV No.5 bus line in substation on Feb.25th

從圖中可以看出，在最后一次振蕩后，母線電壓停留在10.75kV 左右，并且從20：22 一直保持到23：00左右，超過了150min，造成了母線電壓大量的不合格點。此次振蕩是導致5號母線該月電壓嚴重下降的直接原因。

2 變電站VQC 控制策略以及產生振蕩的原因分析

2.1 本站VQC系統控制策略及主要定值設定

2.1.1 VQC系統控制策略

本站所用VQC 系統控制策略采用十七區圖原理［9］，即在傳統的九區圖中1、3、5、7區再細分出8個小區，原理如圖2所示。

圖2 VQC系統控制策略原理圖（十七區）Fig.2 Control strategy schematic diagram of VQC system（seventeen－zone）

本站所用策略為電壓優先策略模式［11］，即當電壓與無功不能同時滿足要求時，優先調節保證電壓正常的策略，如表1所示。

表1 電壓優先控制策略模式Tab.1 Control strategy model with voltage priority

2.1.2 VQC系統主要定值設定情況

該變電站VQC系統主要定值如下：調1檔主變壓器分頭10 kV 電壓變化0.26 kV，投切一組電容器10 kV 電壓變化0.20 kV，電容器日投切次數上限為5次，主變壓器調分接頭上限為20次，電容器與主變壓器分接頭調節間隔均為10 min。電壓及無功上下限各時段定值如表2所示（電容器單組容量Qc＝1.2 Mvar）。

表2 變電站VQC定值Tab.2 VQC fixed value of substation

2.2 變電站VQC系統當日調節動作情況分析

根據2月25日全天母線電壓變化情況（如圖3所示），并結合VQC 系統投切動作記錄（表3、4）可以看出，從當天早上7：39電容器開始動作，到16：38電容器共投切5次，達到了5次上限值，電容器閉鎖，此時電容器處于投入狀態。

16：50 時2 號主變壓器分頭升檔，電壓升高至10.72 kV，超過了定值的電壓上限（10.65 kV），間隔10 min后，VQC 系統又做出了2號主變壓器分頭降檔的操作（由于此時電容器已經閉鎖，無法對電容器進行切除操作），如此主變壓器反復做升降檔的循環往復動作，每隔10 min，主變壓器分頭就進行一次調檔，至20：19主變壓器調檔次數達到了20次的動作上限，變壓器動作鎖定，而此時主變壓器檔位處于升檔后的狀態，電容器閉鎖時處于投入狀態，電壓超高而又無法動作，直到23：00以后電壓逐漸下降至正常范圍，而此時母線電壓持續超高已經達到了150 min以上。

2.3 造成振蕩的原因分析

振蕩產生時，VQC 系統的定值電壓上、下限為10.65、10.25 kV，無功上、下限為0.9 Qc、－0.4 Qc（即1.08、－0.48 Mvar），進行主變壓器升檔動作時，電壓為10.44 kV，調節時電壓在正常范圍內，無功為－0.44 Mvar，屬于邊界值，此時系統按照十七區圖的70區（見圖2）進行動作，而對應70區的控制策略為“升主變壓器”，因此VQC 系統對系統進行了主變壓器升檔操作。主變壓器升檔導致了電壓由10.44 kV 變為10.72 kV，超過了10.65 kV 的上限，此時電壓／無功坐標處于11區，由控制策略表可知，該區控制策略為“切電容、降主變壓器”，此時電容器投切已被閉鎖，因此進行第2策略：“降主變壓器”。此時電壓恢復至正常范圍，而無功又回復到不合格范圍邊界，此時70區策略又開始啟動。由此，VQC 系統開始了“70區?11區”的往復振蕩調節，主變調檔次數很快達到上限，系統閉鎖。閉鎖時，電容器在投入狀態，主變壓器處于較高檔位，最終導致了電壓超高而無法再進行調節。

3 解決措施

針對VQC 的調節及閉鎖情況，提出以下解決措施。

3.1 對電容器投切次數限值進行修改

從表3可以看出，到16：38時，電容器已進行了5次投切操作，而此時電容器的狀態為投入，電壓處于較高水平，無法再用電容器進行調節，因此考慮修改電容器投切次數限制，由5次改為6次，此次修改主要起到如下作用：

（1）在用電高峰時，也即電壓／無功坐標處于11區時，使該區策略“切電容”可行，不需再進行主變壓器調檔，使得電壓／無功值直接調至9區（電壓／無功合格區），避免進入70區，消除了振蕩的可能性。

（2）6次為偶數，電容器投切操作均可對稱恢復，避免了出現最后一次投入電容器而無法切除的情況。

3.2 擴大平峰期間無功范圍

為防止電容器投切次數以及主變壓器調檔次數過早到達上限，以至于高峰期間無法進行合理調節，可以從平峰時間調節入手，減少該時段的投切與調檔。結合圖3與表3可以看出，VQC 系統在振蕩前的動作時間為7：00～8：00和13：00～14：00，這2個時段電壓均基本處于合格狀態，而此時無功上、下限定值為0.6 Qc、－0.7 Qc，即0.72、－0.84 Mvar，從起始動作來看，為無功超上限引起，因此，調整這2個時段的無功上限定值，由0.6Qc調整為0.9Qc（即1.08Mvar），可以減少平峰時段的調節次數，防止高峰時段到來時系統過早地閉鎖。

3.3 結 果

對電容器次數進行調整后，保證了每日晚上負荷低谷時電容器為切除狀態，使母線電壓不會超高；對平峰時段無功定值調整后，減少了早晨和中午的2個平峰時段的調節次數。連續2個月對該變電站5號母線進行了跟蹤檢查，圖4是連續4天跟蹤檢查母線電壓的曲線。

圖4 4月25日～28日變電站5號母線電壓曲線Fig.4 Voltage curve of No.5substation bus line from Apr.25th to 28th

從電壓曲線可以看出，16：00之后母線電壓保持在一個比較穩定的水平上，VQC 系統不再出現頻繁動作，振蕩問題得到了很好解決；同時在每日平峰時段（7：00～8：00和13：00～14：00）電壓也比較平穩，VQC無動作。

4 結語

變電站VQC 系統是保證電能質量提高的有效途徑，本文從變電站VQC 系統運行中出現的振蕩現象入手，分別從定值和控制策略2個方面進行了分析，對電容器投切次數與平峰時段定值進行了調整與完善，并對措施實行后的系統運行情況進行了連續跟蹤。結果表明，不僅變電站電能質量及電壓合格率有了明顯提高，同時平峰時段的開關動作次數也有所減少，從而延長了設備壽命，減少了對系統安全的影響。

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