（电力系统及其自动化专业论文）变电站电压无功综合控制系统的研究和应用.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v o l t a g ed e v i a t i o ni so n eo ft h em a i n l yu s e di n d i c a t o r st oe v a l u a t et h eq u a l i t y o fe l e c t r i cp o w e r i t sv e r yi m p o r t a n tt oc o n s u m e ra sw e l la st h es u p p l i e rt ok e e p t h ev o l t a g ed e v i a t i o ni nap r e a s s i g n e dr a n g e t h em a i nc a u s eo fv o l t a g ed e v i a t i o ni s t h ei n a c t i v ep o w e rf l o w ，i tc a u s eu n n e c e s s a r ye n e r g yl o s et o o n a t i o n a lm i n i s t r yo f e l e c t r i cp o w e ri s s u e das e r i es t r i c tp r e s c r i p tt ov o l t a g ed e v i a t i o n t h em a i nm e t h o du s e di ns u b s t a t i o nt or e d u c ev o l t a g ed e v i a t i o ni sc a p a c i t o r c o m p e n s a t i o na n dt r a n s f o r m e rt a ps w i t c ha d j u s t i n g v o l t a g ea n di n a c t i v ep o w e r c o n t r o lt e c h n i q u e ( v q c ) p r o v i d e da na u t o m a t i o na n dh i g he f f i c i e n c yw a yt oc a r r y o u ts u c hm e t h o d s i nt h i ss t u d y , s o m eo v e r a l lr e s e a r c h e so nv q c t e c h n i q u ea n ds u m m a r i z e sa n d i m p r o v em e t h o d so nt h ea p p l i c a t i o n so fv q c i nz h u h a ie l e c t r i cp o w e rg r i dw e r e m a d e d i s c u s s i o n so i lg r i dv o l t a g e i n a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nw e r eg i v e na l s o 。 t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tp a r ta n a l y z e dv q c sf u n c t i o na n ds t r u c t u r e ，c o m p a r e di t sd i f f e r e n t f o r m s s t u d i e dv q c sn i n e a r e af i g u r et h e o r y 、s e v e n t e e n a r e af i g u r et h e o r y 、f u z z y b o r d e rt h e o r y 、f i v e a r e at h e o r ya n ds oo n t h es e c o n dp a r ta n a l y z e dc h a r a c t e r so fv q cd e v i c eo ft a i t a nc o m p a n y t h et h i r dp a r ta n a l y z e dt h es i t u a t i o no fv o l t a g ea n di n a c t i v ep o w e ro fz h u h a i p o w e rg r i d ，s t u d i e dn e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo fv q c i nz h u h a ip o w e rg r i d i ta l s o s u m m a r i z e da c h i e v e m e n to fu s i n gv q ci nz h u h a ip o w e rg r i d i nt h i sp a r t ，a n a l y s i s w e r em a d eo ns o m eo u t s t a n d i n gp r o b l e m ss u c ha sa u t o i d e n t i f y i n gt h es y s t e m p a t t e r n ，s e l fc h e c k i n g ，s u i t a b l ec a p a c i t yo fc o m p e n s a t i o n ，l i m i t a t i o no fo p e r a t e t i m e se t c ，a n ds o l v i n gm e t h o d sw e r eg i v e nt o o t h el a s tp a r tp o i n t e do u tt h es h o r t a g eo fs u b s t a t i o nv q ca n dt h ed e v e l o p d i r e c t i o nw a sg r i dv o l t a g ea n di n a c t i v eo p t i m i z a t i o n ，i ta l s od i s c u s s e dt h ef u n c t i o n a n ds t r u c t u r eo fg r i dv o l t a g ea n di n a c t i v eo p t i m i z a t i o n ，p r o p o s e dap l a no fu t i l i z i n g s u b s t a t i o nv q ca n do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt oc o n s t i t u t eg r i dv o l t a g ea n d i n a c t i v eo p t i m i z a t i o n ， k e yw o r d s ：v o l t a g ed e v i a t i o n ；i n a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；o n l o a dt a pc h a n g e r c a p a c i t o rb r e a k e r ；v o l t a g ea n di n a c t i v ep o w e rc o n t r 0 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成 果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 承担。 作者签名：、凌霆设 日期：舻f f h 月狁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) e t 期：魄参月芴日 日期：庐r ，年彳月历日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电压质量标准及其实际意义 1 1 1 电能质量及其标准 将电能安全、优质、经济地输送给用户是电力工业的基本任务。那么，如何 衡量或评价电能质量? 电力工业部1 9 9 8 年3 月1 9 日颁发的电网电能质量技术 监督管理规定中指出： “本规定所称的电能质量是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量，其 衡量的指标有： 1 供电频率允许偏差； 2 供电电压允许偏差； 3 供电电压允许波动和闪变： 4 供电三相电压允许不平衡度； 5 电网谐波允许指标。 电网电能质量应符合下列国家标准： 1 电能质量电力系统频率允许偏差( gb t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) ； 2 电能质量供电电压允许偏差( gb1 2 3 2 5 9 0 ) ； 3 电能质量电压允许波动和闪变( gb1 2 3 2 6 - - 9 0 ) ； 4 电能质量三相电压允许不平衡度( gb t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ； 5 电能质量公用电网谐波( gb t1 4 5 4 9 9 3 ) 。 1 ，1 2 电压允许偏差 用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电 压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时问 和设备状况而异。电压偏差计算公式如下： 电压偏差( ) = ( 实际电压一额定电压) 额定电压1 0 0 ( 1 ) 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) 规定电力系统在正常运行条 件下，电能计量点电压的允许偏差为： ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 。 ( 2 ) 1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7 。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 、一1 0 。【2 】 在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，国家对各类用户设备规 华南理工大学硕士学位论文 定了如上的允许偏差值。这些允许偏差值为工业企业供配电系统设计提供了依据。 另外，电力系统由多个不同电压等级组成，为了便于分级管理，电力系统电 压和无功技术导财规定，500k v 变电站的22 0k v 母线正常电压波动范 围是0 10 ，事故时为一5 + 10 ；22 0kv 变电站的35 ll0 k v 母线正常为一3 + 7 ，事故时为一10 + 10 ；配网10k v 母线为1 0 0 10 7k v 1 1 3 电压偏差对系统和用户的影响 由上可见，电压质量是衡量电能质量的重要指标之一。在电力系统实际当中， 电压是否合格，不仅关系到电网的安全、稳定、优质、经济运行，对用户的安全 生产、产品质量、用电单耗以及人民生活质量也有直接或间接的影响。 电力系统和用户的各种用电设备都是按照额定电压设计制造的，这些设备在 额定电压下运行可以取得最佳的效果，电压偏离额定值过大将产生严重的影响。 电力系统常见的用电设备按照负荷特性大致可以分为电机设备、电加热设备、 照明设备、整流设备等。 电机类设备中最常见的是异步电机，异步电机的电磁转矩与其端电压的平方 成正比，电压下降，输出转矩会明显降低，电压过低可能造成转矩过小而停转或 者启动困难；如果异步电机所拖动的机械负载阻力矩不变，则电压降低时，定子 电流增大，绕组温升增大，在损耗加大的同时也加剧绝缘的老化，电压过低而烧 毁电机是农用电常见的故障。电加热设备的输出功率基本与端电压的平方成j 下比， 电压过低会延长加热时间，降低效率。电压过低，照明设备发光不足，也会影响 工作人员的生产、生活。p 1 电压偏差过大对电力系统本身的运行也不利。以图卜1 为例： u su x + i s z = r o 钇 i x 图1 i 简单输变电系统及其等值电路 2 第一章绪论 在图中有一个发电机，一段线路，一台有载调压的变压器，一个等效的负荷。 将系统等效成一个电压源串接一个等效的l x r 和理想变压器上，带一个等效阻抗 为尺+ j x 的负荷。 通过对电力系统模型的分析可以知道，线路传输功率的表达式为 s=u1 ， 即输送同样功率时，电压过低会需要更大的电流，在线路上产生的损耗也会 增加，电压过低还会危及系统稳定；电压升高，虽然线路电阻上的损耗会有所减 少，但在超高压网络会增大电晕损耗，在过高的电压下长期运行，还会损害设备 绝缘。 所以，保持各级电压在规定的偏差范围内，可以降低能耗、提高设备寿命、 有利于保持系统稳定、提高产品质量。对于保证工业生产、居民生活具有现实的 重要意义。【3 1 1 。1 。4 “达标创一流”对电压合格率的要求 在电力行业“达标创一流”活动中，电压合格率被列为硬性考核指标之一。 要求综合供电电压合格率9 8 ，其中a 类( 3 5 k v 2 2 0k v 变电所向客户供电的 1 0 或6 k v 母线电压) 电压合格率兰9 9 。4 1 1 1 5 引起电压偏差的主要因素 交流电力系统中，凡是具有电感、电容特性的发电、输电、变电、用电设 备如发电机、输电线路、变压器、电动机等，以及许多整流设备，它们的正常工 作都需要产生或消耗无功。输电网络中的无功潮流是引起电压偏差的主要因素。 另外，变压器的变比改变也会直接影响节点的电压。 图1 - 2 电压降落相量图 3 华南理工大学硕士学位论文 根据向量图1 - 2 分析可知，当电流滞后于电压时，以线路末端参数表示的 的电压降落为 5 ， 纵分量为 y ，；p x r + q x x ； “ 横分量为 ov：x p xx - q x r 对于高压电力网，通常x 比r 大得多吲，因此无功功率q ，对电压降落有主 要的影响。 1 1 6 无功损耗和无功补偿的实际意义 相对于有功而言，无功只是交流电能转换过程中能量储存的一种中间过程。 无功并不产生诸如拖动机车、加热钢炉等真正的能量输出，但是，无功的存在， 却需要有实际存在的电流作为载体。无功电流也是造成电力能量额外损耗的重要 罪魁，增大了电网运行成本。为此，国家相继颁发的电力网电能损耗管理规 定、电力系统电压和无功电力技术导则和电力系统电压和无功电力管理条 例等文件的规定，各级电力部门都要采取各种行之有效的降损措施，“按照电力 系统无功优化计算的结果，合理配置无功补偿设备，做到无功就地补偿、分压、 分区平衡，改善电压质量，降低电能损耗。” 1 1 7 改善电压偏差的主要措施 在电力系统和工业企业中，改善电压偏差的主要措施有三种： ( 1 ) 就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量。无功负荷的变化在 电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的根源。因此，就地进行无 功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，减少对无功潮流的需求，从源头上解决 问题，是最有效的措施，同时还可以减少无功潮流带来的损耗。这种方法适用于 用户端以及变配电网络中的变电站、开闭所；补偿设备可以是电容器、电抗器、 静态无功补偿装置8 等。 ( 2 ) 调整同步电动机的励磁电流。在铭牌规定值的范围内适当调整同步电动 机的励磁电流，使其超前或滞后运行，就能产生超前或滞后的无功功率，从而达 到改善网络负荷的功率因数和调整电压偏差的目的。这种方法适用于发电厂或安 装有同步调相机的的变电站。 ( 3 ) 改变变压器变比调压。按照变电站设计规程，电容器配置只有变压器容 量的10 3o 。从总体上考虑无功负荷补偿是有限度的，一般只能补偿到 4 第一章绪论 功率因数为0 9 0 o 9 8 ，仍然有一部分变化无功负荷要电网供给而产生电压偏差， 这就需要分区采用一些有效的办法来解决。通常是调整变压器分接抽头来改变变 压器的变比，在电压要求较高的场合，采用有载调压变压器是更加有效而经济的 办法之一，而且己被广泛应用在1 1 0 k v 及以上电压等级的变电站中。 电压的调整应考虑电力系统的实际情况，综合采用不同的手段。例如，系统 无功不足致使电压水平偏低的情况下，首先应采用调相机进相运行、无功补偿等 手段解决无功平衡问题，而不宜采用改变变压器分接档位的办法来提高电压，否 则电压提高后会扩大无功缺额；当系统无功功率充裕时，则可以较多地采用改变 变压器分接档位的手段。 随着制造技术的提高和成本的相对下降，并联补偿电容器和有载调压变压器 已在枢纽变电站和大的用户变电站普遍应用，这为在变电站实现电压和无功的综 合控制提供了设备上的条件。 1 2 变电站电压无功控制系统的发展 变电站是连接发电厂和用户的枢纽，一个变电站的电压质量好坏直接影响 成千上万用户电压的质量。因此，采取有效手段维持变电站母线电压的稳定意义 重大，在供电企业的管理中，3 5 k v 。2 2 0k v 变电所向客户供电的1 0 或6 k v 母线 电压被列为a 类电压监测点，有着一套严格的管理考核制度。 1 2 1 手动调压的缺点 早期变电站母线电压的控制，即投切电容器、升降主变有载调压分按档位 等操作，都是由值班员或调度员手动执行的。这种方式存在几个缺点： 1 、及时性差。一般情况下，值班员或调度员不可能随时监视电压变化，即 使能够密切监视电压或依靠自动化系统的越限告警功能，从发现电压偏差超标到 采取相应措施也需要一段时间。 2 、难以优化。通常变电站调整电压的手段主要是投切电容器和改变有载调 压分接档位，这两种方法会产生的结果不完全相同，而且二者有定的相关性。 值班员和调度员往往是凭经验决定采取何种控制手段，很难做到根据当时的电压 水平和功率因数来合理调整，特别是电压或功率因素接近设定的边界时，如果不 经过计算，很容易产生过调。对单一变电站尚且如此，系统中互相影像的几十个 甚至上百个发电厂、变电站的电压和功率因素优化调整更无从谈起。 3 、负荷的变化造成电压的频繁波动，人工控制电压需要占用值班员和调度 员相当大的精力。 1 2 2 电压无功综合控制系统的发展 5 华南理工大学硕士学位论文 为了解决电压和无功控制这一现实问题，2 0 世纪8 0 年代，计算机技术逐步 在我国推广应用，各大电力院校结合电力系统实际需求开始了对变电站电压无功 综合控制装置的研制。 1 2 2 1v q c 的硬件发展 早期的v q c 装置是建立在单板机平台上的，例如z 一8 0 系列。需要c p u 、i o 控制器、中断控制、内存等搭成完整的计算功能。采样大多使用双积分型a d 变换， 速度较慢。整个装置使用好几块电路板和一大堆芯片，数据、控制、地址总线在 不同电路板间连接，抗电磁干扰能力很差。珠海供电局最早试用的y o c 装置就是 如此，工作非常不稳定。常出现死机现象。到了90 年代，单片机由于其集成度 高、功能完善、电路简洁、工作稳定等优点迅速淘汰了单板机，v q c 装置也有了 新的硬件平台。此后随着微机保护的硬件技术迅速发展，总线不出线路板、甚至 总线不出芯片的技术相继出现，保护的抗干扰能力不断提升。电路简单、速度快、 精度高、低成本的电压频率变换( v f c ) 的采样技术日益成熟，v q c 装置也相应受 益。随着p c 机和w i n d o w s 的迅速发展，以及v q c 与r t u 、综合自动化的结合，工 控机和w i n d o w s 平台加交流采样成为v q c 的另一个理想载体。可编程逻辑p l c 是 以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的新型工业控 制装置，因其可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用方便三大特点而被广泛应用于 工业自动化领域，基于p l c 的v q c 装置也已在现场得到应用。【9 1 1 2 2 2v o c 控制策略的发展 对v q c 的控制策略的研究也在一直深入。最早提出的是u q 平面基本九区图， 这种控制策略过于简化，没有考虑电容器投切对电压的影响和改变变压器分接开 关对无功的影响，容易引起边界区域的“振荡”。在基本九区图的基础上，考虑 电容器与分接开关对电压、无功的相互影响，出现了改进的九区图、十七区图、 模糊边界控制等策略；建立在分接开关升降一电容器投切动作平面的五区图理论 以调整动作为研究对象，提出了一种新的思路，五区图的区间划分清晰、动作选 择更合理；近几年来，数字计算方法和人工智能方法也被引入v q c 的控制策略中。 总体来说，v q c 的控制策略朝着更加接近实际情况，效率和速度提高的方向不断 发展。 1 2 。2 3v o c 实现方式的发展 在实际的应用当中，最早的形式是独立组屏的；9 0 年代中后期，变电站综合 自动化系统逐渐普及，v q c 逐步作为一种必备的功能被整合到变电站综合自动化 系统中；调度监控和数据采集系统( s c a d a ) 与变电站综合自动化系统在数据采 集、控制等方面有很多相似之处，由此出现了嵌入s c a d a 系统的v q c 。 6 第一章绪论 1 3 本文的主要研究内容 1 第二章：根据v q c 技术的发展，对变电站无功电压综合控制系统的功能 结构、实现方式、控制策略进行了分析对比； 2 第三章：分析了珠海泰坦科技有限公司p t e v q c 3 0 系列智能型电压无 功自动控制装置的功能特点： 3 第四章：分析了珠海地区电压、无功的分布状况和使用v q c 技术的必要 性、可行性；总结了珠海供电局应用v q c 技术中的选型、整定、效果等应用情 况，并对使用中存在的突出问题，如运行方式自动识别、装置自检与闭锁、减少 动作次数的措施等进行了分析并提出改进意见； 4 分析了变电站v q c 技术存在的不足和今后的发展趋势，对全网电压无功 优化控制的实现进行了讨论，提出利用已有变电站v q c 装置结合光纤通信的全 网电压无功优化控制系统的模式，并探讨了其控制策略的数学模型和计算方法。 1 4 本章小结 本章首先阐述了随着社会经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，社会 对电能质量的要求日益增强。电压质量作为国家规定的5 个电能质量之一，对于 用户的生产、生活以及电力系统本身都意义重大。 其次指出产生电压偏差的主要原因是无功潮流及其对电压、损耗和安全的影 响。电力系统中调节电压的方法主要是调节发电机、调相机的励磁电流、电容器 补偿、改变有变压器载调压分接档位等。 然后说明了手动调压和投切电容器的缺点并回顾了变电站电压无功综合控制 系统的硬件、控制策略以及实现方式的发展过程。 最后，简要说明了本文的主要研究内容。 7 华南理工大学硕士学位论文 第二章v q c 的功能、结构和实现方式 2 1v o c 的功能和结构 2 1 1v o c 的功能 电压无功综合控制装置( 简称v q c 装置，下同) 是电力系统中的一种具有 较高智能的自动装置，目前在电力系统的枢纽和终端变电站中都得到了广泛应用。 v q c 的主要控制对象是变压器有载分接开关和并联补偿电容器，适当改变其 控制原理和执行机构，也可以控制静止补偿器和同步调相机等设备。 v q c 的功能主要是按照预先设制定的控制策略，合理地控制分接开关的档位 即改变变压器变比和控制电容器的投切状态即调整系统无功潮流分布，使监测点 的电压保持在合格的范围，并且提供适宜的无功补偿量，使功率因数保持在目标 范围内。根据需要，应提供电压优先和无功( 或功率因数优先) 两种方式供选择。 【1 0 1 作为枢纽变电站，通常需要按照逆调压的方式控制母线电压，即重负荷时适 当升高电压，轻负荷时适当降低电压，以保持负荷侧电压的基本稳定。但是，受 到发电机端电压的限制，输电距离较近或者负荷变动不大时，也可以采用顺调压 和常调压方式，v q c 应能够满足上述不同的要求。 图2 - 1电压无功综合控制装置的功能结构示意图 8 第二章v q c 的功能和实现方式 2 1 2v o c 的结构 图2 1 显示了v q c 的系统构成，它主要由采样环节、逻辑环节和执行环节几 部分组成。 2 1 2 1 采样环节 v q c 的输入量有两大类： 模拟量主要有被监测点的电压、电流、相位等： 开关量主要有主变有载调压分接档位、电容器开关的分、合闸位置信号、主 变高中低压侧开关、母线联络开关以及外部闭锁信号等。 采样环节的功能是将上述模拟量和开关量转换为v q c 所需的数据。模拟量 的采样一般采取继电保护装置的采样技术，即将电压、电流通过交流变换器转换 为交流小信号后用电压，频率变换器( v f c ) 与记数器来实现。 独立组屏的v q c 需要自带采样设备和敷设相应的电缆，综合自动化系统的 v q c 和利用r t u 实现的v q c 则可以共享测控单元或r t u 提供的信息。 2 1 2 2 逻辑环节 逻辑环节的功能是裉据输入环节提供的数据来判断系统的运行状态( 主变是 否并列运行、是否转供负荷、电压无功是否越限等) 和设定的条件( 电压上限、 电压下限、无功上限、无功下限、有载调压分接开关动作次数限制等) ，按照预先 给定的控制策略进行逻辑判别，决定下一步的动作( 升降分接开关或投切电容器 组) 。 逻辑环节的硬件载体通常是单片机、微机或工控机，也有用p l c 的。 2 1 2 3 执行环节 执行环节根据逻辑环节发出的指令，驱动被控设备执行相应的命令。 集中组屏的v q c 可以直接经继电器来控制电容器组断路器的分合闸线圈或 变压器有载调压分接开关的驱动电机。嵌入综合自动化系统的v q c 通过总线系 统向间隔层的测控单元发出指令来实现。利用r t u 实现的v q c 则通过遥控中间 继电器来实现。 2 2v o c 的实现方式比较 v q c 的出现可以追溯到上世纪8 0 年代初，随着计算机技术、通信技术以及 电力系统自动化技术的的发展，v q c 装置的形式也出现了不同的形式。大体上可 以分为以下三种： 2 2 1 独立组屏的v o c 装置 9 华南理工大学硕士学位论文 独立组屏的v q c 装置类似于传统的保护装置。它将图2 1 中的采样环节、逻 辑环节和执行环节的设备集中布置在同一屏上，通过电缆与相关的c t 、p t 、开 关、主变有载调压分接控制器以及相关继电保护装置等设备相连。并配有与中央 信号系统或远动系统的接口，可以向就地或远方传送信号以及接受遥控。 独立组屏的v q c 可以实时地反映系统电压、无功的变化并对各种闭锁信号 做出可靠的反应，例如防滑档( 连调) 、保护动作闭锁等。和传统的保护装置一样， 需要敷设大量的电缆，而且由于自带采样功能，会增加c t 、p t 的二次负担。 2 2 2 综合自动化系统嵌入的v o c 功能 综合自动化是2 0 世纪9 0 年代后逐步在我国电力系统普及的一种先进的变电 站监控模式。它将现代通信技术和微机保护相结合，利用工业局域网如l o n w o r k s 网络系统或e t h e r n e t 网络系统等传递信息，采用分层分布式的结构，实现站内和 远动的“四遥”功能。综合自动化系统充分利用了资源共享的优势，将原先独立 的防误系统和v q c 系统与保护、控制系统整合在一起，并且赋予它们很多新的 功能。综合自动化系统v q c 的采样环节和执行环节可以直接使用间隔层的主变、 电容器测控装置的数据采集和控制功能。v q c 的逻辑主站属于变电站层设备，可 以和当地监控主站合用，也可以单独设置以方便维护。变电站综合自动化系统中 的v q c 结构如图2 2 、图2 3 所示。 图2 2 综合自动化系统v q c 主站与就地监控主站合用 1 0 第二章v q c 的功能和实现方式 电莲蠢糖调节蠢辩 畿蛰罄齄耄站蔑躲耪麓皇结 l 始痰邋镳蕊 i i 鬻| i 鬻| 图2 - 3 综合自动化系统v q c 独立设置主站 这种形式的v q c ，可以显著节约电缆和设备的投资，对闭锁信号的处理，一 般通过间隔层设备实现，相应速度和独立组屏的v q c 一样。 2 2 3 利用r t u 实现的v q c 功能 这种方式下v q c 的采样和执行环节是利用了r t u 的原有“四遥”功能，而 另外增加了逻辑环节。即r t u 将其已采集到的电流、电压、开关位置等电气信 息通过r s 2 3 2 口送至工控机，由工控机根据这些电气量，对照设定的参数进行判 断，进而发出调档或投切电容器的命令，此命令再通过r t u 的遥控回路去控制主 变分接开关或电容器开关，同时将有关信息送至调度端。其结构如图2 3 所示 调度 主站 鼎息 遥测、遥信信息 遥控、对时信息 控制信息 遥测、遥信 对时信息 图2 - 3 利用r t u 实现v q c ( r $ 2 3 2 ) 工控机 雪品五筹雪赢噩篓 华南理工大学硕士学位论文 早期大量的无人值班变电站大多是采用主站一r t u 模式的，利用r t u 实现 v q c 功能，可以节省不少投资。但是，r t u 要串行处理整个变电站的“四遥”量， 与v q c 的通信速度有限：另一方面，受容量的限制，某些变电站r t u 采集的信 息并不齐全，经常是一个间隔内的某类信号合并为一个信号，v q c 的外部闭锁信 息可能无法满足，而且相应速度较慢，存在一定隐患。 2 3v o c 的控制逻辑 2 3 1 基本九区图 经典的v q c 控制模型是九区图( 或九域图) 。即将电压一无功运行平面划分 为九个区域，在不同的区域分别采取不同的控制策略。 图2 4 基本九区图 1 2 第二章v q c 的功能和实现方式 表2 - i 九区图控制策略 区号主变状态装置动作 电压超上限 1先切电容器，再降主变档位 功率因数超上限 电压超上限 2先降主变档位，再切电容器 功率因数正常 电压超上限 3先降主变档位，再切电容器 功率因数超下限 电压正常 4投电容器 功率因数超下限 电压超下限 5先投电容器，再升主变档位 功率因数超下限 电压超下限 6先升主变档位，再投电容器 功率因数正常 电压超下限 7先升主变档位，再切电容器 功率因数超上限 电压正常 8切电容器 功率因数超上限 电压正常 9无 功率因数正常 根据变电站实际情况和用户要求，控制原则还可适当修改和调整。 目标电压和功率因数( 给定值) 不是固定不变的，它可以根据具体情况每天 分成2 4 段，每段的时间长短和电压上下限均可任意设定。由此，可以实现顺调压、 逆调压和常调压等不同的调压方式。 九区图模型( 包括各种改进的模型) 采用大小比较的方式，实现起来很简单， 定值规范简单、直观，因此在电压无功综合控制问题中得到广泛接受。【1 1 1 1 3 华南理工大学硕士学位论文 2 。3 2 改进的九区图 基本的九区图没有考虑到电容器投切对电压的影响。变压器分接开关的每一 档可以改变额定电压的1 5 或1 2 5 ，因而分接头档位的调整可以做到比较精 细。1 1 0 k v 变电站，一般每台变压器只设一组补偿电容器，容量是主变压器的1 0 一3 0 ，即使2 2 0 k v 变电站，每台主变设3 4 组电容器，单组电容器的容量一般也 达到主变容量的2 5 以上。如果运行在第4 区靠近电压上限的位置，即图2 - 5 中 4 s 区域，投入电容后功率因数提高的同时电压也会提高，有可能进入第2 区或第 3 区，需要切除电容。这样就造成了电容器不必要的反复动作，或称为“振荡”。 第8 区的情况和第4 区相似。 针对上述因素以及系统电压、无功的波动，改进的九区图法对传统九区图法 作了改进，设置了4 s 和8 s 两个小区为防振区。在电压、无功处于4 s 、8 s 小区时 ( 如图2 5 ) ，为防止反复动作，一般情况下观察一段时间，视情况再发调节指令。 改进的九区图考虑到电容器投切对电压的影响，但并不全面，而且采取的防 振荡措施比较简单。 2 3 3 十七区图 该1 7 区图是在9 区图的基础上考虑到电容器的投切对电压的影响和分接头的 调节对无功的影响而得出的，即将原来9 区图中的2 、4 、6 、8 区的每一个区细分 为3 个区。为了便于记忆与分析，编号1 9 仍对应原来的9 区图位置( 逆时针编 号) ，1 0 1 7 的编号顺序按照原来的逆时针编号次序，从1 区上面开始编号( 如 图2 6 示) 。 1 4 第二章v q c 的功能和实现方式 1t 1r 1r 5 区 4 3 区 13 1 2 川，4 i t t 1 1p u 6 区 9 区 2 区 h c o sc o s 一n t ， u川s i 7 区 佰 l 。 1 7 1 区 i l 一d彳d o n 图2 - 6 十七区图 a u u 分接头调节一档引起的电压最大变化量 a u q 投切一组电容器引起的电压最大变化量 a q u 分接头调节一档引起的无功最大变化量 q q 投切一组电容器引起的无功最大变化量 在这种动作模式中，可以尽量作到一次调整动作就可以达到调整的目的，减 少了无功设备的投切次数和分接头的调节次数。一般来说，如果投切无功设备能 够达到调压的目的，就优先投切无功设备，如果无功设备还没有具备投切的条件， 为了确保电压质量，就要及时调节分接头以电压调整的满足要求。但是这种控制 策略的缺点是定值整定比较困难，尤其是a u q 和a q u 的计算。 控制策略： l 区：电压越下限，无功越上限 调整方式：优先投电容器，电容器不可投时，上调分接头 2 区：电压正常，无功越上限 调整方式：投电容器 3 区：电压越上限，无功越上限 调整方式：下调分接头 4 区：电压越上限，无功正常 1 5 华南理工大学硕士学位论文 调整方式：下调分接头 5 区：电压越上限，无功越下限 调整方式：优先切电容器，电容器不可切时，下调分接头 6 区：电压正常，无功越下限 调整方式：切电容器 7 区：电压越下限，无功越下限 调整方式：上调分接头 8 区：电压越下限，无功正常 调整方式：上调分接头 9 区：电压正常，无功正常 调整方式：合格区域，不调整 1 0 区：电压正常偏小，无功越上限 调整方式：投电容器 1 1 区：电压正常偏大，无功越上限 调整方式：下调分接头 1 2 区：电压越上限，无功正常偏大 调整方式：下调分接头 1 3 区：电压越上限，无功正常偏小 调整方式：优先切电容器，电容器不可切时，下调分接头 1 4 区：电压正常偏大，无功越下限 调整方式：切电容器 1 5 区：电压正常偏小，无功越下限 调整方式：上调分接头 1 6 区：电压越下限，无功正常偏小 调整方式：上调分接头 1 7 区：电压越下限，无功正常偏大 调整方式：优先投电容器，电容器不可投时，上调分接头 2 3 4 基于模糊边界控制的九区图法【1 叼 传统九区图模型中无功调节与电压无关，这显然是不能精确模拟实际的电力 系统。模糊控制适用于不确定、有不同量纲、互相冲突的多目标优化问题。电力 系统无功调节对电压会产生影响，因此可考虑采用无功模糊边界的调节方法。将 电压状态引入无功调节判据，把原先固定的无功上下限边界变为受电压影响的模 糊边界。如图所示，电压边界固定，无功边界与电压成线性相关，即无功缺额较大 时，无功边界下限值随着电压的升高而线性增大；无功缺额较小或为负值时，无功边 1 6 第二章v q c 的功能和实现方式 界的上限值随着电压的下降而增大。 无功功率变化对系统电压的影响可近似由下式表示： u u o = aq ssc( 2 - 1 ) 式中u 0 为无功功率等于0 时的母线电压；ssc 为系统短路容量。可见， 无功功率的变化将引起电压成比例的变化。 根据这一基本原理，针对电容器的投切判据可建立如下的数学模型： qct = ( un u ) a 1 un + qa 2 q0( 2 2 ) qcq = ( ur l u ) a 3 un + qa 4 q0 ( 2 3 ) 式中，un 为标准电压，u 为实时电压；q 0 为每组电容器的容量，q 为实时 无功功率；a 1 、a 2 、a 3 、a 4 为权重系数，由无功调节的边界条件决定；qct 为 电容投入的判别量，qcq 为电容切除的判别量。例如：假设，u = un 时，q 1 5 q0 则可投入一组电容器；u = 1 0 5 u1 1 时，q 2 q0 也可以投入一组电容器，u = u1 2 时，q - 0 5 q0 则可切除一组电容器：u = 0 9 5 un 时，q 一q0 也可以切除 一组电容器，将上述条件代入式( 2 ) 、式( 3 ) 并解方程组可 得：a 1 = 2 0 3 ，a 2 = 2 3 ，a 3 = 2 0 ，a 4 = 2 。 根据上述无功投切判据，可将电压、无功平面划分为如图2 7 所示的9 个 区无功边界变成了与电压线形相关的直线，其斜率与设定条件有关 图2 7 基于模糊控制的九区图 从图2 7 可以看出，在aa bc 区域中，电压u 大于标准电压un ，小于u 上 限，若按照原q 下限，则需要投入电容，这将使电压u 更加偏离un ，且有可能超过 1 7 华南理工大学硕士学位论文 u 上限进入2 区，引发电压调节按照新q 下限，此时电压较高，无功功率缺额不大， 可以不投电容，避免了因投切电容引发的电压升高越线和电压调节在ac de 区 域中，电压u 低于标准电压un ，接近u 下限，此时无功缺额也接近原q 下限，若遇 负荷或电压波动，可能导致电压低于u 下限进入5 区，引起电压调节按照新q 下 限，acde 已进入3 区，可投入电容，投入电容将使电压远离下限而接近标准电 压，避免了一次不必要的电压调节从图2 还可以看出，aabc 区域为无功不动 作区，而acde 为无功动作区，2 个区的面积相等，所以与原q 下限的无功调节 相比，无功补偿效果和无功调节次数是相同的，但是减少了母线电压的波动和电压 调节次数对fgh 和ahmn 进行分析可得出同样的结论， 该调节判据可以在保持无功补偿效果和无功调节次数不变的情况下，有效 地减少有载分接开关的调节次数，延长有载分接开关使用寿命，并提高了电压质 量。 2 3 5 五区图”3 1 经典的九区图以及在此基础上发展的改进九区图、十七区图、模糊边界控制 策略等，其数学模型中使用的都是u q 二维坐标和简易的大小比较方法u 4 1 ；电压 无功综合控制装置一般有五种行为，即不动作，升变压器分接档位，降变压器分 接档位，投入电容器( 电抗器) ，切除电容器( 电抗器) 。如果将研究的对象改v q c 装置的五种行为，则可以得到五区图的控制策略。 丹撼五 降挡正 图2 - 8 五种调压行为模型 1 8 第二章v q c 的功能和实现方式 图中c o s 口= u c ，q c ，5 个动作矢量分别是： 不动作矢量：f o ( q ，u ) = ( q ，u ) 升档矢量：f l ( q ，u ) = ( q ，u + d u ) ； 降挡矢量：f 2 ( q ，u ) = ( q ，u - d u ) ； 投电容矢量：f 3 ( q ，u ) = ( q q c ，u + u c ) ； 切电容矢量：f 4 ( q ，u ) - - ( q + q c ，u u c ) ； 从而可将v q c 的操作看做是f i ( i - o ，l ，2 ，3 ，4 ) 的行为序列，使得u q 平面上的 工作点m i ( q j ，u i ) 不断逼近目标点m p ( q p ，u p ) 的过程。 定义r i = ( u u p ) 2 + ( q q p ) 2 】为u q 平面上工作点到最优点的距离，取r i 最小 为优化目标条件，则五区图的原理可写成： o p e r a t en = ii f ( r i = m i n ( r o ，r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 ) ) i ( o ，1 ，2 ，3 ，4 ) 经仿真计算，可画出5 个动作矢量在u q 平面的大致区域分布并得到其示 意图，当工作点m i ( q i ，u i ) 处于其中的一个区域内时，则采取相应的动作既可。 图2 9五区图示意图 通过分析可知，五区图的特性于，q c ，u c ，d u ，占等之间有以下关系： a 边界分别与f 1 、f 2 、f 3 、f 4 矢量垂直。 b 0 区的高度h = d u ；0 区的宽度w = q c c o s 2 口，即日越小，q c 越大，则w 1 9 华南理工大学硕士学位论文 越大。 c 若u c 。d u ，则1 4 区边界的斜率可近似取k a - - - 一k b k ck d ：q c d u ， 随着q c d u 增大，五区图的4 条边界臂会向中轴线收拢，l 区和2 区的面积相 对缩小，系统更多地采用电容器的操作，反之亦然。 d 若u c 与d u 比较不可忽略，则u 。越大，五区图的4 条边界臂会顺时针方 向旋转，1 4 区的分布也会围绕0 区顺时针方向旋转，反之亦然。 e 若u 。0 ，即忽略投退电容器对电压的影响，则0 区的形状更趋向于矩形， 五区图更趋向于九区图的图样形式。 2 4 本章小结 本章从四个方面对v q c 进行了分析。 首先分析了v q c 的功能和结构。v q c 主要是按照给定的控制策略，控制变 压器分接开关的档位升降和改变电容器的投切状态，使受控节点的电压和功率因 数保持在目标范围内 其次，分析了v q c 从功能结构上的划分，以及独立组屏、嵌入综合自动化 以及嵌入r t u 等不同实现形式的优缺点。 然后，对v q c 的控制策略进行了分析对比。最基本的是九区图。但基本的 九区图不能准确模拟实际情况，不一定是实际条件下最优的