浅析变电站电压无功控制

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1.3P 5幅小图 若干公式

摘要：本文作者通过对变电站电压无功控制的原理分析，介绍了VQC的控制原则及策略，并结合电网的实际讲述了电压无功控制的实现方法。

关键词:变电站；无功电压控制；VQC；AVC

中图分类号：TM76文献标识码：A

1．前言

随着电网自动化技术的发展，全网电压无功控制逐渐成熟。变电站电压无功控制是通过调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组来实现调节电压合格和无功平衡的目的，对提高电压合格率和降低网损有很大的作用，同时可减少运行人员工作量。

2．变电站电压无功控制原理

图1所示为简单电力系统,说明变电站电压无功控制原理。

图1

US:系统电压――UT1、UT2：变电站主变高低压侧电压

UL:负荷电压――PL、QL：负荷有功和无功功率

KT:变压器变比――QC:补偿无功功率

RS、XS、RL、XL：线路阻抗参数――RT、XT：变压器阻抗参数

在未投入补偿电容器之前有：

式中， 为 UL的共轭。

略去与UL垂直的分量 ,则

可见,为了保持负荷端电压与额定值ULN偏差最小,必须随着负荷PL+jQL的变化调节UT2,以减小线路上的电压损耗,目前常用调节方法有:①调节有载调压器的变比。②改变电容器组的容量。

同理，采用同上的分析方法并略去垂直分量且投人QC后，

变电站低压侧电压:

投入QC后网损为

可见网损随 ，即主变低压侧无功功率的平方而变化,在输送功率一定时,越小网损越小。变电站电压无功调节对降低网损有重要意义。

3．VQC的控制策略

3.1．VQC的控制原则

1)电压无功控制主要以主变低压侧的母线电压和主变高压侧无功功率（或功率因数）为控制目标，同时可以将主变中压侧的母线电压作为辅助侧控制目标，在保证控制电压和参考电压的电压质量后，再优化无功功率；

2)电容器投切优先的原则，即：当系统具有电容器投切、调节主变分接头两种控制策略时，如投切电容器能够达到调整目的，则优先考虑投切电容器，尽可能减少主变分接头动作次数；

3)电容器循环投切的原则，即当全站装有多组电容器时，在电容器投切策略执行过程中，应依次、顺序、循环投切各组电容器；

4)基于预测机制动作的原则，投切电容器、调整主变分接头之前对动作结果进行一定程度的预测，以防止来回动作造成震荡。

3.2．标准九区图见图2

图2标准的九区图

横轴为无功功率Q（或功率因数），纵轴为控制侧电压U，阴影部分为强投强切的动作区域，UQ为电容器电压调整率。这样主变的运行状态可以映射到图中，电压的限值与功率因数的限值将图分成九个区域，第九区电压合格，功率因数也合格是调节的目标区域，在这个基础上，加上强投强切的区域，将区域划成11个区域。其VQC调节控制策略如表1。

表1

优点：策略简单、整定方便、控制过程直接。

缺点：存在振荡区（3、4区之间 ，7、8区之间）、装置易频繁动作，限值固定,不能很好地反映电压无功变化的特点，无法实现电压无功合格及装置动作次数的综合最优。

3.3．改进的九区图

这种控制策略特点是当功率因数合格、电压越限时，可以通过预测投切电容器能否保证功率因数合格且可以调整电压。如功率因数合格，将通过投切电容器进行调压，否则调整主变分接头，以达到减少分接头动作次数的目的如图3。

图3

其中1和8区，4和5区的边界在不同的运行条件下并不固定，它是在预测电容器的投切是否可以达到目的时才确定的。

Uq为投切一组电容器引起的电压最大变化量；Qq为投切一组电容器引起的无功最大变化量。

其VQC调节控制策略如表2。

表2

优点：设置了防振区，解决了产生振荡以及装置频繁动作的问题。

缺点：难以准确确定电容器对电压的调整程度，所以在整定电容器的电压调整率时，需整定为最大值，即在负荷最轻时投切一组电容器所改变的电压比率。

3.4．控制策略选择

通过比较和综合分析，电网一般都选取改进的九区图VQC策略控制。VQC一般整定为：控制方式为自动控制，控制侧为低压侧，动作原则为循环投切，优先级为电压优先。在实际应用过程中，这种方式灵活、整定计算简便、便于理解、运行管理方便，获得了较好的效果。

3.5．需要注意闭锁问题

VQC的闭锁是指VQC在变电站异常或系统异常情况下，能及时停止自动调节，是VQC能否正确投运的关键。如果装置闭锁条件不全面，或者闭锁条件整定不合理，都会导致闭锁系统在电网出现异常情况下拒动，将严重威胁到变电站的安全运行。因此闭锁条件整定是一项跟现场实际紧密相关的复杂工作。

4．电压无功控制的实现方法

4.1．独立的VQC装置

以前使用的VQC装置大多是独立装置，多应用于非综合自动化变电站，例如大部分装有泰坦公司的PTE-VQC-110/30智能电压无功控制装置，该装置占据一面屏柜，通过对电容器组和主变有载调压开关综合控制达到无功就地平衡和达标的电压合格率。装置直接通过二次电缆获取所需的模拟信号、开关状态量，进行分析、计算及判断，在电压越出设置的预警区时，依据一定规则能快速对控制设备发出控制量。

它的优点是能根据变电站各种运行方式，自适应跟踪调整，装置设置了测量、显示、统计、通信等功能，具有主变过负荷、滑档和母线过压、欠压等报警闭锁，保证每一次动作的安全可靠。它的弊病在于需要增加复杂二次回路，特别是控制设备的闭锁回路，往往需外扩信号触点，增加设备，降低可靠性。而且该设备闭锁原因查找不直观，给日常运维护带来困难。还有从技术经济角度来看，需增加一套设备、占用一个屏位，还得增加二次电缆。此外，独立的VQC装置老版本升级也较麻烦。

4.2．后台软件式VQC装置

后台软件式VQC装置是目前电网电压无功控制装置的主流，它通过变电站内的计算机网络，对变电站计算机监控系统所获取的模拟量、开关量、保护信号进行分析计算，最后再通过计算机网络控制执行命令。它是将VQC功能嵌入监控软件中，使VQC和监控功能一体化。

它的优点是不必增加任何设备，只需一套与监控装置相配套的软件就能实现VQC功能，利用监控装置显示运行方式，自适应跟踪调整，远方调度VQC功能的投切和控制方式的选定也十分方便。对已进行四遥改造的常规变电站，只需就地增加一个调度端、一条通信线路、一台工控机和后台软件就能实现VQC功能和就地监控功能，实时监控画面可以作为模拟屏使用。另外使用后台软件式VQC装置，版本升级较容易，运行策略可根据变电站实际情况随意更改。欠缺处是它受综合自动化监控装置运行稳定限制，一旦系统不稳定或死机将直接影响VQC功能。

近年来在新建的变电站中，多采用北京四方公司CSC2000系列综合自动化系统，实现变电站电压无功的自动综合调整。该系统以VQC工作站模式，作为无功电压调节手段。

VQC电压无功综合调节主站是CSC2000变电站综合自动化系统的一个部分，作为一个软件模块嵌入在就地监控主站中运行，通过变电站内监控网络获得系统信息，包括相关节点的电压、电流、有功和无功、主变档位以及有关断路器和隔离开关的位置信息，通过按照预定的控制原则做出调整决策。

上述两种方式都为变电站级的电压无功控制，不能实现全局的最优控制。分散式的电压无功控制方式（独立VQC装置或软件VQC）达到了局部优化电压和无功的作用，但缺乏潮流的大局观，仅能保证受控母线的电压合格，不能达到全网功率损耗最小的目的。当电网中各站的VQC各自独立调节，可能导致某些站抽头的频繁调整。且对无功欠缺地区，在用电高峰时，调节装置为满足中低压侧电压要求，会使变压器比差减少，导致高压网向低压网的无功传输加大，输电线和变压器的无功损耗增加，使高压侧电压严重降低。其结果不仅使上级电网的有功网损增加，且由于受端电压的降低而使电网在输送同等容量负荷情况下，稳定域度降低，严重时可造成电压崩溃。

电压无功控制是一个全网关联的控制问题，应在考虑全网优化的前提下实现区域或变电站的局部优化。

4.3．区域电压无功控制

电力系统区域无功电压控制（AVC）是从全网角度分层、分区对电压和无功进行协调优化控制，实现电网所有无功装置自动调节，是提高电压合格率、降低调度集控人员劳动强度、提高系统电压稳定控制水平和电网运行经济性的有效手段。

区域电压无功控制是在主站（调度或集控站）系统软件中设置一个电压无功控制的高级应用软件。根据子站发送的遥信遥测量进行潮流计算和状态估计得出各个变电站节点的电压和无功范围，给出每个变电站的控制策略，通过远动通道下达控制分接头升降及电容器投切命令。该模式由于考虑了全网的运行方式和潮流变化，并可分层分级对电压无功进行优化控制，从根本上可以改变由于各局部变电站的独立电压无功控制影响全网电压无功的优化。

区域电压无功控制一般分地调、集控站、变电站三个控制层。地调负责对各集控站的控制，调解各集控站的电压和无功输出水平，并要求各区域尽量实现就地无功平衡，控制与系统电网的无功交换。集控站负责对低一级电压等级变电站的控制。这样集控站即是地调的子站，又是所辖变电站的主站。

把主站系统安装在地调自动化机房和各集控站，主站系统通过由子站系统采集并按一定时间间隔上送的变电站低压侧有功和无功负荷的实时数据及开关状态信息,进行全电网离散无功优化计算,然后根据优化计算结果,形成每个变电站的无功功率上下限(指变压器高压侧从系统吸收的无功功率)及低压侧电压上下限的控制策略表,并通过通信子系统传到变电站。子站系统需安装在各集控站及其所辖的变电站,各子站系统装置负责监控变压器和电容器状态、采集电网运行参数,并根据主站系统提供的电压无功限值按九区分割图实施具体控制策略。子站系统在原有变电站VQC的基础上进行了改进,支持按全网优化电压无功限值和本地电压无功限值两种模式控制。当通信中断或电网出现异常时,子站系统将自动切换控制状态,即从执行全网优化电压无功限值自动转换成执行本地预设的电压无功限值,保证电网安全运行。

结束语

在保证系统安全的前提下，充分考虑系统设备状况，通过VQC自动调节，正确选择控制调节策略，一般可实现当地电压合格以及无功平衡的目标。

参考文献

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[3]林小杉，吴千．变电站电压无功控制及其发展的探讨[J]．电气应用，2007.