電壓無功優化控制應用平臺設計

張建良， 齊冬蓮， 季瑞松

（浙江大學電氣工程學院，杭州310027）

0 引 言

隨著電動汽車和新能源發電系統的廣泛和高密度接入，配電網的可靠穩定運行面臨著巨大的挑戰，特別是電壓波動問題尤為嚴重。考慮到電壓是衡量電能質量的主要指標，電壓波動不僅影響電力設備的效率和壽命，而且進一步會影響電力系統的安全穩定運行，甚至引起系統電壓崩潰和大面積停電事故［1］。鑒于電力系統的電壓質量和無功功率分布密切相關，因此近年來電壓調整和無功資源的投切配置技術成為電力行業和研究機構的理論研究和實踐應用熱點［2-3］。

通過對電力行業的廣泛調研，目前在220 kV及以下電壓等級的變電站中，局部電壓及無功補償調節主要是通過綜合利用有載調壓變壓器和并聯補償電容器實現，即采取變電站電壓無功綜合控制策略［4］，以保證電壓和功率因數在規定范圍內。電壓無功綜合控制的基本要求是：首先保證電壓合格，無功基本平衡，盡量減少調節變壓器分接頭和并聯補償電容器的調整次數；其次采取合理的電容器組投切方式，即先投入的電容器組先退出，后投入的后切除。因此，電壓無功優化控制系統的設計和實現對電力系統的電壓穩定來說尤為重要［5-6］。

然而，由于現有的電壓無功控制其調節量都是通過離散控制以階梯式的形式進行的，導致電壓和無功水平波動比較大［7-8］，并且基本以人工經驗為參考，根據電壓水平手動調節為主，調節過程容易導致調整精度差、反應速度慢等問題，而且主變分接頭和補償電容器組在運行過程中出現反復投切的“振蕩調節”等問題，造成關鍵節點處電壓忽高忽低，同時對電容器開關造成極大的破壞［9-10］。因此在系統設計時，應該遵循工業用電領域變配電系統運行的實際需求和基本規律，既保證系統能夠符合變配電相關工程應用的基本需求，同時能夠深入挖掘目前系統中原有的微機繼電保護裝置、無功自動補償裝置、智能數據采集模塊以及人機交互界面等電氣一次、二次、控制、保護等重點功能模塊［11-15］，以及未來多種負荷廣泛接入下變壓器有載調壓及無功補償等發展需求［16］。

針對以上問題，本文通過調研電力行業中智能變電站工程實踐的實際需求，以工業變配電系統為研究載體，按照變配電系統的技術要求和設計標準，綜合考慮負荷的電壓靜態特性對優化控制的影響，總結和改進現有電壓無功控制系統，探索設計以開放性、交互性和快速性為特點的電壓無功自動調節系統，使系統電壓和無功水平穩定在最佳運行狀態，滿足實驗實踐與工程應用的實際需求，并最大化保證設備的使用壽命和系統在實際運行中的經濟效益，促進電氣新工科專業建設與產業應用需求之間的深入融合，為電氣新工科的創新實踐提供工程應用平臺和實驗技術支撐。

1 平臺的組成結構

平臺的總體結構基于一般的110 kV變配電實踐應用模型，包括硬件單元和軟件單元兩個部分。硬件包括變配電一次系統、二次系統、規約轉換單元、數據采集單元、PLC控制器、系統監控單元和人機交互控制系統；軟件單元包括在人機交互控制系統上實施的電壓無功自動優化控制系統，具體包括數據采集與顯示程序、電壓無功自動控制程序和故障閉鎖與復歸程序等。為了具有更好的人機交互特性，通過系統監控單元可以實時觀測系統的運行和通信狀況，而通過人機交互系統為電壓無功綜合仿真控制策略提供硬件實現載體。系統的總體結構和硬件連接如圖1所示。

圖1 系統總體結構與硬件連接圖

（1）從可擴展性、靈活性和高精細要求出發，實現硬件單元功能模塊。在硬件模塊中，信號規約轉換裝置將變配電一次系統中的電壓電流等模擬信號量，以及二次系統中電容投切和分接頭調整位置等數字信號量，統一轉換為基于TCP／IP協議下的信號量，并且傳遞給多通道數據采集卡。通過對采集的信號文件表頭和地址等的分析，解析出信號的具體含義并傳遞給系統監控單元對應的變量監控與預警裝置。系統監控單元負責整體系統的運行監控，并且將獲得的數據信息等傳遞給上位機所在的人機交互控制系統。由此可見，硬件單元主要實現系統模塊的通信、數據采集與處理、人機接口裝置的實現等功能。

（2）人機交互系統中，從交互性、可維護性和模塊化要求出發，設計軟件單元的功能模塊。主要包括數據采集與顯示程序、電壓無功自動控制程序和系統故障閉鎖與復歸程序等，根據采集到的系統運行實時信息，產生相應的控制指令，發送給多通道數據采集卡，并通過PLC控制器轉換成變配電一、二次系統能夠識別并動作的信號，例如電容投切、分接頭位置調整等數字信號，從而實現變配電系統中電壓和無功的優化調整。由此可見，軟件單元主要實現數據的采集與顯示、故障自鎖與保護功能、電壓無功的自動調整和人機交互等功能。

（3）為了實現系統中各個單元之間的信息實時采集和控制信號傳遞，采用分層分布式結構設計通信網絡結構，如圖2所示。為了保證信息的可靠傳輸，在人機交互控制系統、PLC控制器和監控主機之間采用TCP／IP通信協議，而其余單元則通過RS-485總線協議與信號規約轉換裝置通信，并將轉化后的信號通過TCP／IP協議傳遞給系統監控單元。其中，系統監控單元主機與信號規約裝置通過TCP／IP協議實現內部通信網絡的信息傳遞，變配電系統的運行信息采集主要基于RS-485協議，即一次系統諧波采集裝置通過RS-485協議獲得所采集的模擬量；二次系統保護裝置通過RS-485協議將獲取的開關量以及繼電保護等相關信息，通過RS-485總線協議傳遞給規約轉換裝置；而PLC控制器和規約轉換裝置以及人機交互系統之間，主要通過Modbus通信協議進行數據的傳遞。

圖2 系統通信網絡連接圖

2 電壓無功優化控制設計

變電站實際調節電壓無功的過程中，由于其調節量都是通過離散控制以階梯式的形式進行的，導致電壓和無功水平波動比較大。同時電壓水平和無功調節之間又是相互影響的關系，所以實驗人員很難做出正確最優的投切操作。而對于變電站電壓無功自動控制裝置來說，在確定變壓器運行狀態后，如何做出相應的控制策略，是實現其綜合控制的最為重要的一步。

目前國內的變電站電壓無功綜合控制裝置一般根據變壓器實時的運行狀況，再由預先給定電壓、無功（或者功率因數）上下界，在電壓、無功平面上劃分成9個區（見圖3），然后判斷電壓和無功是否超越上下限來決定分接頭位置和無功補償電容器組的投切控制，其中第五區是穩定區域。

圖3 傳統電壓無功九區圖控制策略

電壓上下限是根據電壓合格范圍確定的，有時為了實現電壓逆調整，需要根據各個負荷時段確定電壓的上下限，即各個負荷時段的電壓上下限可能是不同的；而無功上下限是根據每組電容器容量、電容偏差及無功基本平衡和保持投切相對穩定的原則來確定，Q上限表示無功過剩，Q下限表示無功不足。各區的控制規則如表1 所示［8-11］。

表1 各區的控制規則

按照傳統9區圖及相應控制策略，電壓無功綜合控制裝置在實際運行中暴露了不少缺陷。例如，如果運行點在點A，按照相應的控制策略，應先投電容器。但是此時點A的電壓接近電壓上限，電容器投入以后，變壓器的進線無功減少，同時低壓側電壓也隨著上升，運行點很有可能進入2區或3區。在運行點進入2區或3區后，按照控制策略，應先降變壓器分接頭。如果變壓器分接頭達到極限或變壓器分接頭不可控，則要切電容器。這樣，運行點又將回到A點附近，所以裝置有可能不斷地在投電容器和切電容器之間循環，使運行點不停地在6區和3、2區之間來回震蕩，造成電壓水平忽高忽低，同時對電容器的開關造成極大的破壞。與此類似的還有處于4區的運行點B［10-11］。

為了防止電容器投切的震蕩現象，針對傳統9區圖的震蕩缺陷現象，對于敏感區域2、4、6、8再細分8個小區，即采用17區圖法的控制策略［10］，實現電壓無功的自動最優化控制。具體分區如圖4所示。

圖4 改進的電壓無功17區圖控制策略

圖中：ΔUu是分接頭調節一檔引起的電壓最大變化量；ΔUq是投切一組電容器引起的電壓最大變化量；ΔQu是分接頭調節一檔引起的無功最大變化量；ΔQq是投切一組電容器引起的無功最大變化量。具體地，在1～9區的控制策略與原9區圖相同，在邊界敏感區域的控制策略如表2所示［10-11］。

表2 邊界敏感區的控制策略

具體地，實現基于17區的電壓無功自動優化控制系統，其控制回路如圖5所示，主要涉及到系統3個功能模塊，即數據采集與通信模塊、故障自鎖與保護模塊和電壓無功自動控制模塊。

圖5 電壓無功自動控制流程圖

3 平臺的實施技術路線

在構建電壓無功控制平臺時，主要體現電氣工程實踐應用的技術要求，結合實際變配電系統的物理模型和應用場景開展系統的設計工作。具體的，首先根據前期的調研情況和理論分析，搭建系統總體結構模型，確定系統的可行性；進而開展相應的軟硬件功能模塊設計，實現系統的主要功能；最后根據實驗結果并結合理論分析對系統進行反饋改進。系統設計的技術路線如圖6所示，具體的設計技術路線如下。

（1）前期的系統方案設計階段。綜合考慮變配電系統的電壓和無功控制的技術要求，確定應用平臺的結構框架和內容設計。具體的，首先通過廣泛調研以及查閱資料，掌握國內外變配電技術相關工程應用系統的研究現狀，通過橫向對比分析各種裝置和技術的優缺點，吸取各種裝置和控制策略的優良性能。同時針對變電站實際工程應用進行需求分析，以此為標準制定系統的研發目標。基于前期調研結果進行研究內容和實施形式的深入的探討，并根據研發目標，統籌制定應用系統的總體設計框架。

（2）中期的功能模塊實現階段。需要充分研究現有智能變配電系統的設計原理及技術指標，結合變電站電壓無功工程應用方面的具體需求，設計和實現系統的硬件部分和軟件部分。其中，系統硬件部分是應用實施的基礎，包括兩部分設計內容：設計并掌握微機線路保護裝置、變壓器差動保護裝置以及變壓器后備保護裝置的操作方法和參數整定方法，為系統的閉鎖和復歸操作提供基本裝置條件；從裝置的可擴展性、靈活性、實時性、測量高精度的要求出發，采樣模塊化的設計思路，實現系統硬件設計中的數據采集與處理模塊、開關量輸入輸出模塊、人機接口模塊以及通信等模塊組成。系統軟件部分包括從系統的維護角度和交互性要求出發，開展系統電壓無功自動控制軟件的設計，充分利用和發揮硬件資源的作用，采樣模塊化功能設計，實現數據采集和轉換、控制策略的實現、人機交互界面的實現、數據的展示和保護等，各功能模塊保持互相獨立，以便于今后軟件的擴展和維護，如圖7所示。

圖6 工程應用系統設計的技術路線圖

圖7 系統軟硬件功能模塊

（3）后期的系統調試和優化階段。主要是在深入調研目前實驗應用系統中電壓穩定和無功水平調整實際需求的基礎上，綜合系統硬件和軟件部分，測試電壓無功自動控制系統。通過綜合有載調壓變壓器的分接頭切換和合理地配置無功功率補償容量，在實驗應用平臺上進行試驗調試，并不斷反饋修正系統設計和模塊功能，保持配電網中電壓穩定和無功水平的優化。同時，針對系統運行工況變化下的運行測試和異常故障，開發系統的閉鎖復歸設計方案。

4 平臺的系統調試

系統的調試主要包括模塊調試和聯合優化調試兩個環節，以實現平臺性能優化。其中，模塊調試環節主要指系統硬件部分和軟件部分調試、負荷變動情況下的控制功能測試和異常故障情況下的閉鎖和復歸調試；聯合優化調試環節主要是對各個模塊在連接狀態下整個應用平臺的性能優化測試（見圖6）。

4.1 模塊調試

根據工程應用系統的硬件配置及設計要求，需要調試的模塊主要包括：在硬件模塊方面，主要測試微機線路保護裝置、變壓器差動保護裝置以及變壓器后備保護裝置的操作和參數整定，為系統的故障閉鎖和復歸操作提供基本裝置條件；從裝置的可擴展性、靈活性、實時性、測量高精度的要求出發，采樣模塊化的設計思路，實現系統硬件設計中的數據采集與處理模塊、開關量輸入輸出模塊、人機接口模塊以及通信等模塊組成。在系統軟件測試部分，主要從系統的維護角度和交互性要求出發，開展系統電壓無功自動控制軟件的設計，充分利用和發揮硬件資源的作用，測試模塊化的功能設計，實現數據采集和轉換、控制策略的實現、人機交互界面的實現、數據的展示和故障自鎖保護等，各功能模塊保持互相獨立，以便于今后軟件的擴展和維護。其中，在故障和負荷變動下的電壓調整模塊測試，主要關注關鍵點電壓水平，從而分析變壓器有載調壓方式和無功補償方式對電壓調整實驗的影響，從而優化控制策略的邊界判斷條件，以精細刻畫電容器投切與分接頭調整兩者的最優協調動作。

4.2 性能優化調試

傳統的九區圖調整方法，由于對有載調壓變壓器分接頭和并聯補償電容器的過度頻繁調節，從而以較大的概率造成變壓器和開關設備故障，因此各變電站對其分接頭和電容器調節次數均有嚴格的限制。因此，針對傳統9區圖法在某些區對控制結果產生振蕩的現象，以及相應的裝置頻繁動作的缺陷，測試改進的17區圖控制策略，對分接頭的調整條件和無功補償容量進行精細量化建模，考慮到合理的電容器組是采用循環投切方式，使先投入運行的電容器組先退出、后投入的后切除，以減低電容器組的平均運行溫度，減少投切開關的動作次數，延長其使用壽命，從而達到最優的系統調節效果。

5 結 語

以實際變配電工程應用系統為研究對象，綜合利用以一次模擬系統、繼電保護裝置和人機接口單位組成的硬件系統，和以電壓無功自動控制策略為基礎的智能變配電應用控制系統，開展電壓無功優化控制平臺的設計與實現。模塊化的設計結構有助于構成開放性的開發應用環境，項目化的功能設計有助于增加工程應用的真實性和創新性。通過該應用平臺，可以有效地提高了電壓和功率因數的合格率，減少電壓的波動，并極大抑制系統投切過程中的震蕩現象，提高和擴展現有變配電控制平臺的整體功能和應用效果，促進電氣新工科專業建設與產業應用需求之間的深入融合，為變配電系統的工程應用積累運行經驗和實驗支撐。