维普资讯 http://www.cqvip.com 水电站设计 第２２卷第４期 Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ ２００６年１２月 县区电网电压无功控制系统设计 徐筱涛，廖亮 ６１０５００） （成都电业局新都供电局，四川成都摘要：针对目前地区电网电压无功控制的现状。提出了电网电压无功监控系统的设计方案。说明优化控制系统应该实现的功 能，选用线性规划（ＬＰ）算法为核心程序，正常状态下以有功网损最小为目标函数。依据分离原理提出两层分级控制的系统结构， 分析优化控制系统的工作流程及特点。 美ｔ词：县区电网；电压；无功功率；控制系统 中圈法分类号：Ｔ￣＇／６１．１ 文献标识码：Ｂ 文章壤号：１００３—９８０５（２００６）ｏ４—００２３—０３ １前 言 运行情况下和事故情况后电网中各枢纽点的电压在 正常水平，确保电网的安全稳定运行。作为县区的 受端网络，常用的调节手段主要是变电站的无功补 偿装置投切和有载调压变压器分接头的调整。 并联电容器依据无功补偿分层分区平衡的原 电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安 电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对 全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直 则，分散布置在各变电站内。其安装方便、投资经 但是只对安装地点具有较好的补偿效果，且不能 接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因 济，素，电力系统的无功补偿和无功平衡是保证电压质 量的基本条件。各级调度作为电网电力生产的运行 指挥部门，负责电网运行中的无功平衡和电压质量， 必须采取有效的控制调节和合理的无功补偿，确保 电压质量，提高运行的稳定性和安全性，降低电网电 连续调节。 有载调压变压器调节电压灵活方便，但在负荷 的峰谷差较大时，可能会出现频繁调整，引起电压的 波动。同时如果系统的无功不足，调整变压器档位 将扩大系统的无功缺额，从而导致整个系统的电压 能损耗，提高电网设备的输电能力，发挥电网的经济 效益。 水平更加下降，严重的还会产生电压崩溃。 由于电力系统实际分散布局的物理特性，要维 持整个电网电压水平在合理的范围，实现整个电网 的无功功率平衡，是一个综合协调的问题，需要选用 目前电压无功控制的问题在于：传统的人工手 动调节方式早已不能适应电网的发展，而各变电站 安装的电压无功控制装置ＶＱＣ只能做到局部的控 合适的调节手段，实现有效协调。 ２．２电压无功控制的现状 制，不能实现全网的最优。随着电力系统自动化技 术的迅速发展，电网设备的逐步改造，使实现全网的 综合电压无功优化自动控制成为可能。本文重点讨 目前在新都地区，电网中的变电站均为无人值 班，通过调度自动化ＳＣＡＤＡ系统在中心实现 集中监控。其中１１０ｋＶ及以上的变电站还配置了 “电压无功自动控制装置”（即Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ（Ｑ）Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称ＶＱＣ），站端自动调节。ＶＱＣ 的原理简单，均采用九区图的原理（或改进后的十一 论在县区电网系统建立一个电压无功综合控制系 统，利用电网调度自动化ＳＣ：ＡＤＡ系统提供的实时 数据，实现电压无功的实时闭环自动控制。 ２电压无功控制 ２．１电压无功控制的手段 区图），控制方便可靠，但是在实际运行中也存在不 足： （１）控制策略是静态的，没有预测性，有时会出 现盲目调节。 电压无功控制主要是合理安排和充分利用电网 中的无功功率补偿容量和调节能力，随时保持正常 收稿日期：２００６—０ｌ—ｌ４ （２）电压和无功本应根据季节、高峰、 作者简介：徐筱涛（１９７３一），女，江苏常州人，工程师，从事变电站运行管理工作。 ２３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 低谷变化，但没有专门软件的分析辅助，现场运行人 运行方式改变或者小干扰的情况下，以尽量少的设 员不可能进行调整，不能针对不同时段的运行状况 备动作次数实现其基本功能，有效控制电容器频繁 采取不同的控制策略。 （３）不能在系统事故时，采用与正常运行不同的 控制方式，有时还可能加重事故的后果，特别是重负 荷低电压的情况。 （４）九区图对电压无功的控制都是无限次的，但 实际上每天的变压器档位调节、电容器组投切的次 数都有明确，ＶＱＣ运行时一旦达到限值，便自 动闭锁，运行失去自动控制的作用，电压质量无法保 证。 ＶＱＣ最主要的问题是只采集本变电站内部的 运行参数，控制目标仅为本地的电压质量，不能顾及 整个系统的运行状况，很可能发生这样的情况：从本 站来看，电压偏低应当调节分接头升高电压，但从全 网的运行状况看可能有更合适的方法，不必进行分 接头的调节。可见，ＶＱＣ的控制始终只能做到就地 的最优。当电源点的枢纽变电站电源供出的电压不 合格时，该变电站涉及的负荷点变电站势必频繁动 作，以期达到合格的目标，即增加了设备的动作次 数，又可能引起调节过程中的振荡，在电网中出现不 合理的无功潮流，即使达到局部控制的目标，也还是 无法实现整个电网的全局最优。 同时在县区电网中不是所有变电站均安装了 ＶＱＣ装置，部分变电站仍然依靠人工遥控调节，实 时性差，调节效率低，运行人员很难做到精度高、多 进程的实时控制。而电网调度自动化的ＳＣＡＤＡ系 统已经提供了电网的实时数据，通过高级分析软件 的应用，完全可以实现全网电压无功优化计算，实施 电压无功优化运行控制。 ３控制系统的设计思想 ３ ｌ设计目标 电压无功控制的总体目标是：在现有的网络结 构下，有效、合理地控制无功补偿设备，保证电压质 量，提高系统运行的稳定性和安全性，降低电网电能 损耗，提高电网设备的输电能力，发挥电网运行的经 济效益。 要实现以上目标，电压无功优化控制系统必须 满足以下条件： （１）基本条件：在正常运行时，保持各节点电压 合格并尽可能趋于目标值，在此基础上实现全网的 网损最小。 （２）设备保护：预先计算控制措施的执行效果， 防止因无功补偿设备投切引起系统振荡；特别是在 ２４ 投切、主变分接头的上下调整，延长设备使用寿命。 （３）防止电压失稳：通过选择有效的电压稳定指 标，在优化控制中，对电网的重负荷节点电压的稳定． 性进行监控，在紧急情况下，通过电压控制或切负荷 等措施避免系统崩溃。 ３．２功能要求 电压无功优化控制系统必须与现有的实时监控’ 系统紧密结合，从简化设备、充分利用现有资源的角 度出发，两者应全面兼容，并具备以下功能： （１）网络拓扑分析。为了能适应不同运行方式 的需要，对全网的接线进行分析是必不可少的，它是 进行状态估计、潮流计算、电压、无功优化的基础。 （２）状态估计。因为即使一个极为完善的采集 系统，也不能保证遥信和遥测的准确率达到１００％， 所以在系统中应充分考虑这一点，对采集的数据进 行了预处理，对采集中的坏数据和不良数据进行辨 识，保证数据有很好的一致性。 （３）网络功能。系统装置除支持通常的串口通 信外，还支持Ｅｔｈｅｍｅｔ及ＴＣＰ／ＩＰ通信方式，可以通 过ＴＣＰ／ＩＰ网络收发现场采集的各种数据。 （４）与高级应用软件的协调功能。系统应可与 高级应用软件的电压、无功、网损优化计算进行配合 控制，发挥巨大功效。 （５）系统的冗余性。自动化系统中设备的可靠 性是非常重要的，设备的冗余性和信息的冗余性是 保证系统可靠工作的重要手段。 （６）系统的管理功能。系立运行，有清晰的 图形窗口显示当前的电压无功状态，各种调节投切 记录都准确统计形成报表打印，可人工设置开环、闭 环运行，操作人员分级别设置用户名、口令及权限， 监测系统运行状况，音响报警等等。 ４系统软件设计 电网电压无功优化控制系统的核心是无功优化 程序。无功优化在数学上表现为一带有非线性约束 的大规模优化问题，数学求解的算法很多，其中线性’ 规划（ＬＰ）算法的收敛性和解算的鲁棒性较好，计算 速度快，易于处理大量的不等式约束条件，因而采用； 较多。本系统采用无功优化ＬＰ算法，以有功网损 最小为目标函数： ｆ＝ｒａｉｎ 尸ｌｍ （１） 等式约束条件为基本潮流方程中的无功平衡方 程： 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｑｌ 一 ∑ （Ｇ ｓｉｎ００Ｂ ｃｏｓ０ ）＝ＡＱｉ＝０（２） 不等式约束条件为： 各节点电压幅值Ｉ，不能超过允许的上、下限约 ‘ 约束条件，因此在进行优化后，不仅能实现降低全网 束，即 ｓ Ｖ ｓ ； 有载调压变压器分接头 调整范围约束为 ｓ Ｔ ｓ ； 损耗的目的，也能通过优化无功分布提高电网电压 的合格率。 在故障状态或越限状态下，电压、无功优化算法 是以控制调整量最小为目标函数，即，＝ｒａｉｎ∑ｃｊ Ｉ△ Ｉ，尽量满足各母线电压合格，线路、变压器不 越限的约束条件，优化无功分布提高系统的安全稳 ； 并联电容器组的出力为Ｑ ｓ Ｑ ｓ Ｑ。肘。 其数学模型可简化表示为： ｍｉｎｆ（ ， ） １ ３．￡．ｇ（“， ）＝０｝ （３） （Ｍ， ）＜０ Ｊ ５系统结构设计 ５．１两层分级控制 作为县区级的控制中心，本身具有县调中心和 变电站两个层次的物理结构，因此可以将县区电压 无功控制系统分为如下两层：即县区中心的全 网协调层和各变电站内的执行层。采用两层结构， 与县区电网的特点相吻合（见图１）。 扰动 圈１县区电压无功两层控制系统示意 这种结构基于分离原理，将稳态整定值控制和 动态电压控制分别处理。第二级（县区中心）根 据最优潮流控制，确定第一级（变电站）电压无功控 制器的整定值。第一级（当地变电站）则随电压动态 变化地按整定值进行控制。 在全网协调层中，将全网各电压等级的相关参 数（线路参数、变压器参数、电容参数）按标么值折算 ：至统一标准值下，再由县调中心根据实时数据进行 。 无功优化计算，确定各枢纽节点的电压整定值。由 于各电压等级（２２０ｋＶ、１１０ｋＶ、３５ｋＶ、１０ｋＶ）是相互耦 合在一起的，改变任何一处的潮流必然会引起全网 潮流或大或小的改变，优化计算就是要寻找不仅满 足局部最优，还能实现全网最优的调节方式。 程序设计在正常运行方式下，电压、无功优化算 法中是以网损最小为目标函数，即．厂＝ｍｉｎ∑Ｐ ，并 且以各母线电压不越限，线路、变压器不过负荷等为 定性。 在各变电站内部的执行层中，主要依靠的是变 电站中已装设的电压无功综合控制装置（ＶＱＣ），由 县调中心通过电压、无功优化计算确定各变电站节 点的电压整定值，而由各电站的电压无功自动控制 装置（ＶＱＣ）按给定的定值自动调整有载调压变压器 抽头和电容器投切。 ５．２分级控制的特点 采用两层控制系统结构的优点是： （１）分层的控制系统符合电网分散布置的物理 特点。分层控制不仅是结构上的分层，也是信息处理 的分层，使得各层信息处理量达到一定的均衡，同时 也符合无功就地平衡和区域经济运行的特点。当将 来电网发展、系统中变电站数量逐步增加、电网结构 变化时，这种分层控制更加具有适应性。 （２）充分利用变电站已经装设的ＶＱＣ装置，可 以处理诸如发生变压器分接头滑挡、电容器组三相 电流不平衡等故障情况下的相应闭锁操作，其功能 完善、可靠性高、响应迅速，可以紧急防止电压崩溃。 ＶＱＣ可实现电压无功的就地闭环控制，即使变电站 与调度中心的通信中断，ＶＱＣ仍可正常工作。这时 尽管达不到系统电压无功的最优控制，但仍能实现 局部最优控制。ＶＱＣ也是今后整个电网电压无功 控制系统必不可少的装置。 （３）只需在县调中心的ＳＣＡＤＡ主站系统中集 合一套电压无功控制软件，软件提供开环运行和闭 环控制两种方式。在开环运行中，软件通过电压无 功优化计算，给出当前的优化控制方案，供运行人员 参考，运行人员可以根据自已的经验，在此方案的基 础上，手动进行电压无功调节，整个过程需要运行人 员的人工干预。在闭环控制中，系统将优化控制方 案通过远动装置直接下发到各变电站，遥控执行一 系列的调整操作，整个过程不需人工干预。 ６系统工作流程 系统的实现过程是先从ＳＣＡＤＡ系统中获取全 网的运行数据，包括各节点的电压、有功和无功功 （下转第５１页） ２５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 不良的地质构造影响下，坝体应力状态将恶化。 （２）在超载的情况下，诱导缝首先出现局部初 裂，对该部位的拉应力释放起到了一定的作用，对控 ［１］陈兴华．脆性材料结构模型试验［Ｍ］．北京：水利电力出版社， １９８４． ［２］李朝国。等．普定碾压混凝土拱坝破坏试验研究［Ｊ］．水力发 电，１９９６，（１）：６３—６５． 制温度裂缝的产生和发展起到一定作用。诱导缝的 不对称分布对拱坝的开裂有一定的影响，因此诱导 缝宜设计成对称布置形式。 （３）孔口削弱了拱坝的整体刚度，造成孔口处及 其附近出现应力集中现象，对大坝的安全不利，且设 ［３］陈宗卿．普定水电站碾压砼拱坝设计及施工介绍［Ｊ］．贵州水 力发电．１９９４，（３）：１３—２１． ［４］，等．高碾压混凝土拱坝结构特性试验研究［Ｊ］．成都科技 大学学报，１９９５，（６）：１１—１８． ［５］ ，何江达．高碾压混凝土拱坝结构模型试验及破坏试验研 景孔口将会加大大坝的施工难度，从而影响大坝的 施工速度，因此在坝体应尽量少设或不设孔口。 （４）两坝肩的岩体地质构造不对称、夹层及岩层 究［Ｒ］．“九五”国家科技攻关成果报告．成都：四川大学水电学 院，１９９５． ［６］刘海成，等．碾压混凝土拱坝的发展与展望［Ｊ］．人民长江， ２０Ｏ４。（１２）：２９—３１． 产状有明显的差异，将会引起坝体在平面上伴有转 动变位。 参考文献： ［７］陈媛，，等．高碾压混凝土拱坝分缝形式及破坏机理研究 ［Ｊ］．水利学报，２００５。（５）：５１９—５Ｈ． ［８］李瓒．从四次地质力学模型试验看一座拱坝的上抬现象［Ｊ］． 大坝与安全，２００３，（３）：１—５． （上接第２５页） 率，电网目前的网络拓扑结构，然后以地区电网有功 网损最小或变压器和电容器投切次数最少为目标函 数，以各节点电压的规定范围、运行设备的功率 子站工作方式熏新自动切换为区域控制方式。 ７结束语 本文介绍了电网电压无功优化控制的理论，说 明了目前电压无功控制的现状，结合县区电网的结 构特点，提出了一种两层结构的县区电压无功控制 系统的设想，充分地利用分散安装在各变电站的 等为约束条件，进行电压无功综合优化，求得最优 解，形成区域内有载调压变压器分接头调节和电容 器无功补偿设备的控制策略，利用远动系统功能对 各个调节设备进行调整操作，实现县区电网无功电 压的优化控制，最终实现降低线路损耗、提高电压合 格率的目标。 ＶＱＣ装置，通过电力系统高级应用软件的优化计 算，实现众多调节补偿装置的联合调整，从全局的角 系统的具体工作流程： （１）利用采集的实时数据进行拓扑分析、状态估 计、潮流计算、最优潮流计算； 度实现全网的电压无功优化控制，改善电压质量，大 幅降低网络损耗。系统运用的实例分析计算证明， 效果显著。 参考文献： ［Ｉ］刘俊勇。刘晓川．变电站电压／无功模糊控制的理论研究［Ｊ］．四 川联合大学学报（工程科学版），１９９９，３（４）：１６—２１． ［２Ｊ Ｇ Ａ ＺＶ］ａｒ［＿ａ，Ｊ Ａ Ｆｍｄａｙ．Ａ Ｎｅｗｔｏｎ ０ｌ睹ｎａｌ Ｐｏｗｆｆ Ｈｏｗ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｏｎ— （２）利用优化计算结果生成各子站优化定值； （３）各子站依据各自的控制策略以及主站下发 的定值进行当地电压无功调整，并可将动作出现的 闭锁等故障情况反馈回主站系统； （４）主站可对子站的闭锁信息进行自动分析，重 新调整优化策略； （５）电压、无功优化控制可以设定为开环或闭环 ｒａｔｉｏ Ｈｙｄｒｏ ＥＭＳ［Ａ］．皿Ｅ Ｔｒａｉｌｓ．ｏｎ Ｐｏｗｆｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］．１９８７，２ （３）：５５９—５６．５． ［３］程浩忠，吴浩．电力系统无功与电压稳定性［Ｍ］．北京：中国电 力出版杜。２００４． ［４］Ｊ Ｐ Ｐａｕｌ。Ｊ Ｙ Ｌｅｏｓｔ，Ｊ Ｍ Ｔ￣ｓｃｒｏｎ．Ｓｕｒｖ￣０ｆ ｔｈｅ Ｓｅｃ０ｆｌｄａｒｙ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎ￣ｏ］ Ｆｒａｎｃｅ：Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｒｅａｌｉｚａｉｆ￣ａｎｄ ｈｌｖｅ鲥ｇ鲥０ｎ［Ａ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｉｌｓ．０Ｉｌ Ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓｌＣＪ．１９８７，２（２）：５０５—５１１． 方式，在开环方式下，可人工在线修改下发定值； （６）可人工设定各种优化间隔时间和各种优化 ● 参数； （７）主站与子站进行自动协调，当由于通道故障 等其他原因造成子站无法接收主站的正确定值时， 子站的工作方式将自动切换为当地自动控制，一旦 故障消除，子站重新接收到主站的调节切换指令时， ［５］翁利民，靳剑峰．电力系统无功优化方法综合分析［Ｊ］．电力电 容器，２０６４，（２）：１—６． ［６］丁晓群，黄伟，等．基于分级递阶的地调／中心站模式无功电压 控制系统［Ｊ］．电力系统自动化，２０６４，２８（５）：６３—６６． ５１
