基于十七區(qū)圖原理的電壓無功控制系統(tǒng)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(tǒng)運行管理的基本任務之一［1］。目前，變電站調節(jié)電壓的手段一般采用調節(jié)有載變壓器和投切并聯(lián)電容器組，有載調壓主要用來調節(jié)電壓幅值，減少電壓所帶來的損耗；投切并聯(lián)電容器組主要是用來補償電網(wǎng)中的無功，減少無功所帶來的損耗。而有載調壓在進行調節(jié)電壓的同時也會影響無功，投切并聯(lián)電容器組在進行無功補償?shù)耐瑫r也會影響電壓幅值［2－3］。

電壓無功控制系統(tǒng)（voltage quality control，VQC）是變電站常用的調節(jié)手段，其基本原理是基于九區(qū)圖控制策略，而此系統(tǒng)在運行于某些區(qū)域時可能出現(xiàn)控制結果產生振蕩現(xiàn)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(shù)來判斷所屬區(qū)域并進行相應調節(jié)［7］等方法。其中較有代表性的是調節(jié)策略更為復雜精確的基于十七區(qū)圖原理的VQC系統(tǒng)，其大大增強了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，減少了振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。目前對于基于十七區(qū)圖原理的VQC系統(tǒng)運行發(fā)生的振蕩現(xiàn)象有少數(shù)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(fā)生的措施［8］，本文即針對某變電站（單電容器組）基于十七區(qū)圖原理的VQC系統(tǒng)出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，在2月25 日16：40～20：30，母線電壓發(fā)生了有規(guī)律的連續(xù)振蕩現(xiàn)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(tǒng)控制策略及主要定值設定

2.1.1 VQC系統(tǒng)控制策略

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

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

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

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

2.1.2 VQC系統(tǒng)主要定值設定情況

該變電站VQC系統(tǒng)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(shù)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(jié)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(tǒng)當日調節(jié)動作情況分析

根據(jù)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(tǒng)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(tài)。

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(tǒng)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(huán)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(shù)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(tài)，電容器閉鎖時處于投入狀態(tài)，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(xù)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(tǒng)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(jié)時電壓在正常范圍內，無功為－0.44 Mvar，屬于邊界值，此時系統(tǒng)按照十七區(qū)圖的70區(qū)（見圖2）進行動作，而對應70區(qū)的控制策略為“升主變壓器”，因此VQC 系統(tǒng)對系統(tǒng)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?yōu)?0.72 kV，超過了10.65 kV 的上限，此時電壓／無功坐標處于11區(qū)，由控制策略表可知，該區(qū)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(qū)策略又開始啟動。由此，VQC 系統(tǒng)開始了“70區(qū)?11區(qū)”的往復振蕩調節(jié)，主變調檔次數(shù)很快達到上限，系統(tǒng)閉鎖。閉鎖時，電容器在投入狀態(tài)，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(jié)。

3 解決措施

針對VQC 的調節(jié)及閉鎖情況，提出以下解決措施。

3.1 對電容器投切次數(shù)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(tài)為投入，電壓處于較高水平，無法再用電容器進行調節(jié)，因此考慮修改電容器投切次數(shù)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(qū)時，使該區(qū)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(qū)（電壓／無功合格區(qū)），避免進入70區(qū)，消除了振蕩的可能性。

（2）6次為偶數(shù)，電容器投切操作均可對稱恢復，避免了出現(xiàn)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(shù)以及主變壓器調檔次數(shù)過早到達上限，以至于高峰期間無法進行合理調節(jié)，可以從平峰時間調節(jié)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(tǒng)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(tài)，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(jié)次數(shù)，防止高峰時段到來時系統(tǒng)過早地閉鎖。

3.3 結 果

對電容器次數(shù)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(tài)，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(jié)次數(shù)。連續(xù)2個月對該變電站5號母線進行了跟蹤檢查，圖4是連續(xù)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(wěn)定的水平上，VQC 系統(tǒng)不再出現(xiàn)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(wěn)，VQC無動作。

4 結語

變電站VQC 系統(tǒng)是保證電能質量提高的有效途徑，本文從變電站VQC 系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)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(shù)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(tǒng)運行情況進行了連續(xù)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(shù)也有所減少，從而延長了設備壽命，減少了對系統(tǒng)安全的影響。

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