一種基于十七區(qū)域圖的電壓無功控制方法及其應(yīng)用

孫均梅 胡慶華 李國剛 項(xiàng)義華

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

目前廣泛應(yīng)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(shí)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(jìn)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(fù)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(yùn)行點(diǎn)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(jìn)行重大改進(jìn)，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(chǔ)上，面向十七區(qū)域圖控制操作動作原理和對應(yīng)的專家知識庫動作策略，實(shí)際應(yīng)用表明基于十七區(qū)域圖原理的電壓無功控制實(shí)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(jìn)一步的細(xì)分，從而制定更詳細(xì)的控制策略。本方法提供一種在9區(qū)圖的基礎(chǔ)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(xì)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(dá)到調(diào)整的目的，減少了無功設(shè)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(xì)分而來，3、30、31區(qū)為原來九區(qū)圖中的3區(qū)細(xì)分而來，5、50、51區(qū)為原來九區(qū)圖中的5區(qū)細(xì)分而來，7、70、71區(qū)為原來九區(qū)圖中的7區(qū)細(xì)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(shí)現(xiàn)：上位機(jī)通過監(jiān)控主站通信服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集是一個快速實(shí)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(jìn)行預(yù)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(shè)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(dāng)前運(yùn)行區(qū)域采取相應(yīng)的方案。對預(yù)設(shè)時間段內(nèi)的測量變量計算平均值，并對各個測量變量進(jìn)行粗差剔除；設(shè)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(yù)設(shè)時間段內(nèi)測量有效總次數(shù)。

對各個測量變量Ui進(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)偏差σ后仍按上述步驟進(jìn)行判斷，直至不存在粗大誤差，粗差剔除結(jié)束。

4）對Qi進(jìn)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(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)運(yùn)行規(guī)程，設(shè)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(shè)定為10.7，Umin設(shè)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(dāng)增大。

2.2 無功Qmax、Qmin的整定

Qmax與Qmin的整定比較復(fù)雜，因?yàn)镼與負(fù)荷大小密切相關(guān)。對于Qmax、Qmin的整定，應(yīng)先根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)對于功率因數(shù)的運(yùn)行規(guī)定，確定 cosΦmax及cosΦmin。例如假設(shè) cosΦmax為 0.98，cosΦmin為 0.9。現(xiàn)假設(shè)對于一臺兩卷變壓器，容量為50000kVA?，F(xiàn)考慮該臺變壓器運(yùn)行在額定負(fù)荷的 80%，情況下，則可得出Qmax及Qmin在80%的額定負(fù)荷條件下的值：

因?yàn)樨?fù)荷是變化的，所以Qmax與Qmin隨著不同的負(fù)荷變化而變化。VQC軟件可分時段執(zhí)行定值。根據(jù)當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷變化規(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?yàn)闉樨?fù)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(fù)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(fù)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(shí)際的整定中，還應(yīng)該按時段觀察負(fù)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(yùn)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(yùn)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(dāng)?shù)氐呢?fù)荷情況及當(dāng)?shù)氐南到y(tǒng)運(yùn)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(chǔ)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(dá)到調(diào)整的目的，減少了無功設(shè)備的投切次數(shù)和分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)。在本方法應(yīng)用策略中，如果投切無功設(shè)備能夠達(dá)到調(diào)壓的目的，就優(yōu)先投切無功設(shè)備；如果無功設(shè)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(shí)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(jìn)行比較，確定出當(dāng)前系統(tǒng)所處的十七區(qū)圖的位置，根據(jù)預(yù)先定義好的相應(yīng)模式下的控制動作策略專家知識庫，進(jìn)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(shí)施例的具體硬件系統(tǒng)：監(jiān)控后臺工作站－研華工控機(jī)（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(hù)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(shè)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(fù)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(shè)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(shí)時數(shù)據(jù)的通信

上位機(jī)對站內(nèi)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)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(jìn)行采集，將采集到的實(shí)時電壓、實(shí)時無功分別和電壓限值、無功限值進(jìn)行比較，確定目前系統(tǒng)運(yùn)行所在的控制區(qū)域。在系統(tǒng)在設(shè)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(jìn)行預(yù)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(dāng)前運(yùn)行區(qū)域。并對各個測量變量進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行設(shè)定的過程如下。

1）Umax為10.7kV，Umin設(shè)定為10.0kV，根據(jù)當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷變化規(guī)律，應(yīng)先根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)對于功率因數(shù)的運(yùn)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(yùn)行在額定負(fù)荷的 80%情況下，則可得出Qmax及Qmin在80%的額定負(fù)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(shè)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(shè)定為0.1kV。

ΔQu為主變調(diào)一檔所引起的無功變化最大值，設(shè)定為100kVar。

ΔQq為電容器投切一個所引起的無功變化最大值，設(shè)定為5010kVar。

2）依據(jù)（1）域圖上下限參數(shù)定值的設(shè)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(shè)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(jìn)行粗差剔除；設(shè)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(jìn)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(yù)處理，實(shí)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(jìn)行預(yù)處理，即計算10個3s測量值的平均值以供上位機(jī)VQC程序調(diào)用，符合VQC采樣的需要，系統(tǒng)在設(shè)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(dāng)前運(yùn)行區(qū)域采取相應(yīng)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?yàn)?區(qū)。如：＝10.8，＝8100，則系統(tǒng)所在區(qū)域?yàn)?區(qū)。如：＝9.8，＝17400，則系統(tǒng)所在區(qū)域?yàn)?1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(shí)施例的具體實(shí)現(xiàn)（以下均為無系統(tǒng)閉鎖條件）。

實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shè)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(shè)置不同的定值，方便用戶根據(jù)需要設(shè)置。

圖2 VQC十七區(qū)域圖調(diào)節(jié)方向

圖3給出了實(shí)施例的計算機(jī)的軟件流程。電壓無功控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)置完成后，則對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(dá)到最優(yōu)的、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)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(yīng)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(bǔ)償設(shè)備，以控制當(dāng)?shù)氐碾妷簾o功功率在合格的范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)站級的無功優(yōu)化控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際應(yīng)用中對實(shí)施條件要求不高，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)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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