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(tǒng)九區(qū)圖算法是現(xiàn)有變電站電壓無功控制策略的主要依據(jù)，是基于最基本原理來實現(xiàn)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(diào)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(diào)分接頭的原則進行控制，是基本的電壓無功分區(qū)控制策略。但它的調(diào)節(jié)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(tǒng)九區(qū)圖控制中的死區(qū)問題。

由于這種劃分過于簡單，沒有全面考慮電壓無功調(diào)節(jié)的綜合作用效果，容易引起往復動作現(xiàn)象。傳統(tǒng)九區(qū)圖法由于未考慮無功調(diào)節(jié)對電壓的影響及電壓調(diào)節(jié)對無功的影響，使用時會造成振蕩、裝置頻繁動作的現(xiàn)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(qū)移動。這是目前九區(qū)圖法的一個突出問題。為了克服九區(qū)域圖的電壓無功控制裝置調(diào)節(jié)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(tǒng)的“九區(qū)圖法”進行重大改進，對目前一些基于九區(qū)域圖法調(diào)節(jié)頻繁的缺陷，明確提出了在九區(qū)圖控制原理的基礎上，面向十七區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(diào)節(jié)對無功的影響而得出的，即將原來 9區(qū)圖中的2、4、6、8區(qū)的每一個區(qū)細分為3個區(qū)（見圖1），在這種動作模式中，可以盡量做到一次調(diào)整動作就可以達到調(diào)整的目的，減少了無功設備的投切次數(shù)和分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)。

圖1 VQC十七區(qū)域圖

1.1 VQC 17區(qū)圖原則

1、10、11區(qū)為原來九區(qū)圖中的1區(qū)細分而來，3、30、31區(qū)為原來九區(qū)圖中的3區(qū)細分而來，5、50、51區(qū)為原來九區(qū)圖中的5區(qū)細分而來，7、70、71區(qū)為原來九區(qū)圖中的7區(qū)細分而來。

1.2 區(qū)域判斷

ΔUu 為主變調(diào)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(diào)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(xiàn)：上位機通過監(jiān)控主站通信服務器的數(shù)據(jù)采集是一個快速實時的過程，最慢也是3s采集一次數(shù)據(jù)（變電站數(shù)據(jù)采集速度性能要求），在VQC程序中，把30s以內(nèi)的數(shù)據(jù)進行預處理，計算10個3s測量值的平均值以供VQC模塊調(diào)用。系統(tǒng)在設定的時間內(nèi)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(qū)域采取相應的方案。對預設時間段內(nèi)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(nèi)測量有效總次數(shù)。

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(jié)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(qū)域圖的基本定值整定

2.1 Umax、Umin的整定

參照當?shù)氐碾娋W(wǎng)運行規(guī)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(wǎng)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(guān)。對于Qmax、Qmin的整定，應先根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)對于功率因數(shù)的運行規(guī)定，確定 cosΦmax及cosΦmin。例如假設 cosΦmax為 0.98，cosΦmin為 0.9?，F(xiàn)假設對于一臺兩卷變壓器，容量為50000kVA。現(xiàn)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(zhí)行定值。根據(jù)當?shù)氐呢摵勺兓?guī)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(lián)電容器對電壓的變化率ΔU

確定投一組并聯(lián)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(jié)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(tǒng)的遙測數(shù)據(jù)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(lián)電容器對無功的變化率

對于一組并聯(lián)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(shù)為5010kVar，則其容量可直接作為投一組并聯(lián)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(yōu)先模式：區(qū)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(yōu)先，無功優(yōu)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(yōu)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(yōu)先滿足電壓要求；運行在無功優(yōu)先方式下，優(yōu)先滿足功率因數(shù)要求。具體是電壓還是無功優(yōu)先，要充分考慮當?shù)氐呢摵汕闆r及當?shù)氐南到y(tǒng)運行規(guī)程。

表1 VQC十七域?qū)＜铱刂撇呗詣幼鞅?/p>

該十七區(qū)圖表的動作策略是在九區(qū)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(diào)節(jié)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(diào)整動作就可以達到調(diào)整的目的，減少了無功設備的投切次數(shù)和分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)。在本方法應用策略中，如果投切無功設備能夠達到調(diào)壓的目的，就優(yōu)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(zhì)量，就要及時調(diào)節(jié)分接頭以滿足電壓調(diào)整的要求。

4 具體實施方式

采用十七區(qū)圖的控制方法，將采集到的母線電壓、高壓側(cè)無功和電壓限值、無功限值進行比較，確定出當前系統(tǒng)所處的十七區(qū)圖的位置，根據(jù)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(diào)節(jié)，從而滿足變電站系統(tǒng)電壓無功的調(diào)整要求。

實施例的具體硬件系統(tǒng)：監(jiān)控后臺工作站－研華工控機（CPU P4 2.8G，內(nèi)存512M，硬盤120G，Win2000Server，杭州德力西 CD-SCADA電站監(jiān)控系統(tǒng)）、上海華明有載調(diào)壓器 HMK7一臺、山東魯能5000kVA的10kV兩卷變壓器一臺、重慶并聯(lián)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(tǒng)定值

設置變電站的系統(tǒng)參數(shù)包括：母線段數(shù)、主變臺數(shù)、無功判據(jù)、優(yōu)先模式、電容投入次序等。 配置上下限域圖參數(shù)定值（分時間段或負荷水平段）；如：低壓側(cè)電壓上限Umax、低壓側(cè)電壓下限Umin、高壓側(cè)Qmax、高壓側(cè)Qmin、主變每調(diào)節(jié)一檔的低壓側(cè)電壓最大變化值（ΔUu)、主變每調(diào)節(jié)一檔時的無功最大變化值(ΔQu)、電容每投切一次時的低壓側(cè)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(shù)”定值：主變?nèi)萘?、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(shù)。

4.2 上下限域圖參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)定值上下限域圖參數(shù)定值的設置，建立具體的十七區(qū)圖的上下限，如圖2所示。

4.3 建立與變電站實時數(shù)據(jù)的通信

上位機對站內(nèi)采樣數(shù)據(jù)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(guān)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(tǒng)運行所在的控制區(qū)域。在系統(tǒng)在設定的時間內(nèi)計算電壓U與無功Q的平均值，把 30s以內(nèi)的數(shù)據(jù)進行預處理，計算 10個 3s測量值的平均值以供VQC模塊調(diào)用。以平均值來判定電壓U與無功Q的確定當前運行區(qū)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(jù)優(yōu)先模式和所在區(qū)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(diào)節(jié)變壓器檔位，滿足控制條件時則進行變壓器檔位調(diào)節(jié)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(tǒng)主要參數(shù)進行設定的過程如下。

1）Umax為10.7kV，Umin設定為10.0kV，根據(jù)當?shù)氐呢摵勺兓?guī)律，應先根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)對于功率因數(shù)的運行規(guī)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?，F(xiàn)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(diào)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(diào)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(jù)（1）域圖上下限參數(shù)定值的設置，建立具體的十七區(qū)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(shù)據(jù)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(tǒng)平均值，、。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算 10個3s測量值的平均值以供VQC模塊調(diào)用。通過預處理，實現(xiàn)了每間隔3s采集一次數(shù)據(jù)，并對30s以內(nèi)的數(shù)據(jù)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(diào)用，符合VQC采樣的需要，系統(tǒng)在設定的時間內(nèi)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(qū)域采取相應的方案。根據(jù)剔除粗差算法，計算得出目前的一個系統(tǒng)平均電壓值。和得出系統(tǒng)平均無功值。根據(jù)、得出系統(tǒng)現(xiàn)在所處的一個電壓無功所在的十七區(qū)域中的所在域圖。如：＝10.3，＝7500，則系統(tǒng)所在區(qū)域為7區(qū)。如：＝10.8，＝8100，則系統(tǒng)所在區(qū)域為1區(qū)。如：＝9.8，＝17400，則系統(tǒng)所在區(qū)域為51區(qū)。

4）根據(jù)優(yōu)先模式和所在區(qū)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(diào)節(jié)變壓器或投切電容器組。

本實施例的具體實現(xiàn)（以下均為無系統(tǒng)閉鎖條件）。

實例1。優(yōu)先模式：只調(diào)電壓 ；區(qū)域：7區(qū)；控制策略：不動作。

實例2。優(yōu)先模式：無功優(yōu)先；區(qū)域：7區(qū)；控制策略：切電容。

實例3。優(yōu)先模式：綜合考慮；區(qū)域：1區(qū)；控制策略：降檔，如無變壓器可調(diào)可投則切電容。

實例4。優(yōu)先模式：只調(diào)電壓 ；區(qū)域：51區(qū)；控制策略：投電容，如無電容可投則升檔。

圖2給出十七區(qū)圖具體分布。根據(jù)電壓定值和無功定值和臨界參數(shù)把整個區(qū)域分成十七個區(qū)域，每一個區(qū)域結(jié)合具體的優(yōu)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(jù)需要設置。

圖2 VQC十七區(qū)域圖調(diào)節(jié)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(tǒng)設置 VQC系統(tǒng)參數(shù)、上下限域圖定值，確定十七區(qū)圖，參數(shù)設置完成后，則對實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的處理，通過對一定時間段內(nèi)的電壓均值與無功均值與十七區(qū)域圖上下限比較，確定當前狀態(tài)處于十七區(qū)圖域的位置，結(jié)合具體的優(yōu)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(diào)節(jié)和電容器的投切操作，以使系統(tǒng)電壓和無功達到最優(yōu)的、最經(jīng)濟的運行方式。

圖3 QC軟件流程圖

5 結(jié)論

本方法可以節(jié)省VQC裝置硬件成本，能有效充分發(fā)揮了變電站監(jiān)控系統(tǒng)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(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和自動投切無功補償設備，以控制當?shù)氐碾妷簾o功功率在合格的范圍內(nèi)。實現(xiàn)站級的無功優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性，在實際應用中對實施條件要求不高，應用經(jīng)濟效果明顯，適于安裝于輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)中使用。

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