电压无功调整二

基于五区图的变电站电压无功控制策略
1引言
变电站电压无功控制已成为保证电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性必不可少的措施。

从控制理论的角度上讲，变电站电压无功控制是一个多限值、多目标的最优控制问题。

从控制手段上讲主要有变压器分接头调节和电力电容器投切两种方法。

变电站电压无功控制的基本规律是：升(降) 主变分接头，变压器变比变大（小），低压侧电压变小(大)，高压侧无功变小(大)；投入(切除) 电容器后，高压侧无功变小(大)，低压侧电压变大(小)。

目前工程实际中应用最广泛的传统的“九区图”法，按照电压上、下限和无功上、下限将运行区域划分为9个区，各个区域对应不同的控制策略，系统根据电压无功所在的运行区域，采取相应的控制方法。

2控制思想的引入
2.1 九区图的控制原理与分析
九区图控制策略是典型的电压、无功双参数控制策略, 它是根据变电站运行中电压和无功均存在合格、过高和过低3种状态, 而将二维坐标平面分为九个区域。

电压无功综合控制的基本原理是实时采集变压器系统侧输入无功功率Q和低压侧母线电压U, 然后根据调节判据得出不同区域的控制方法, 通过调节有载变压器分接头位置或投切电容器,保证电压合格和无功基本平衡。

其控制目标是使电压和无功控制在9区，首要目标是将被测母线的电压控制在规定的U上
限和U 下限之间，保证电压合格。

同时要尽量使无功功率控制在Q 上限和Q 下限之间，如果电压无功不能同时达到要求，则优先保证电压合格。

控制装置根据电压、无功、时间、负载率、调压分接头和电容器所处状态（位置）等诸因素进行判别，根据实时数据判断当前的运行区域，再按照一定的控制方案，闭环地控制站内并联补偿电容器的投切及有载调压变压器分接头的调节，以最优的控制顺序和最少的动作次数使运行点进入到第9区（正常工作区）。

1
2
3
4
956
78Q H
Q L
U H
U L
图 “九区图”示意图
Fig Diagram of “nine-zone theory ”
具体来讲，传统九区图的控制规律为：调节主变分接头及投切电容器组, 使主变尽量运行于区域9；在另外八个区域调节控制中, 如果纯电压偏差, 无功功率正常（第2 、7 区域） 就只调电压；单纯无功功率越限，电压正常(第4 、5 区域) 就只投退电容器，如果电压和无功均越限，若先调分接头升降电压，会造成无功功率越限得更多时（第1 、8 区域）应先调无功功率为原则，后根据具体情况再调分接头；同理对于（第3 、6区域）应先调分接头再投切电容器。

其中，电压的上下限主要由该变电站的运行要求决定，无功功率的上下限之差应大于至少一组电容器的容量。

2.2 九区图控制策略存在的问题
在实际运行中，“九区图”控制策略存在以下几方面的问题：
(1)控制策略是基于固定的电压无功上下限而未考虑无功调节对电压的影响及其相互协调的关系。

(2)用于运算分析的信息具有随机性、分散性的特点，造成了控制决策的盲目和不确定性，实际表现为装置频繁调节。

(3)“九区图”的某些区对于两类设备的控制都起作用时，难以区分哪一类的效果更好。

(4)“九区图”中的两类设备动作的先后顺序对控制结果影响很大，如果顺序不当，会产生频繁动作、投切振荡等现象。

(5)“九区图”对于控制设备的使用是无限次的，而实际操作中分接头调节和电容器组投切次数是有严格限制的。

(6)由于只要进入第9区就不会再有调节,可能造成系统长时间运行在电压或功率因数不合格状态边缘,而不能做到将系统控制在额定最佳运行状态。

3 五区图的控制原理与分析
根据具体操作动作性质的不同，任何一种VQC 装置的最基本操作动作分为：无动作、升变压器档位、降变压器档位、投电容、切电容这五个动作。

根据所给的控制目标，同时兼顾闭锁约束条件，判断选择5种操作动作中最优的一个作为实际执行命令，这就形成了直接以装置动作为控制对象的，面向操作动作的控制思想。

将VQC 的五种操作动作在U-Q 平面上当前工作点处矢量化，可以得到VQC 的操作动作矢量图及其边界示意图,如图所示，图中cos /C C U Q θ=。

降档
2
图 操作矢量图及“五区图”边界示意图
Fig Operating vector and boundary of “five-zone theory ”
五个动作矢量分别如下： (1)不动作矢量：0(,)(,)f Q U Q U = (2)升档矢量： 1(,)(,)f Q U Q U dU =+ (3)降档矢量：2(,)(,)f Q U Q U dU =- (4)投C 矢量：3(,)(,)C C f Q U Q Q U U =-+ (5)切C 矢量：4(,)(,)C C f Q U Q Q U U =+-
设理想工作点（目标工作点）为(,)p p p M Q U ，当前工作点为(,)M Q U ，当执行完第i 项操作后，工作点移动到(,)i i i M Q U ，定义(,)i i i M Q U 到目标工作点(,)p p p M Q U 的距离的平方为操作优劣距离：
2
22()(Q Q )i i p i p i p L M M U U ==-+-
于是可以将电压无功综合控制装置的操作看成是进行可选的(0,1,2,3,4)i f i =动作，以i L 最小为最优控制目标，形成以操作优劣距离最短为判据来确定最优操作动作的控制策略，通过选择最优操作量i f ，使当前工作点(,)M Q U 不断的向最优控制目标工作点(,)p p p M Q U 逼近。

4 五区图的控制边界和控制区
降档
2
理想工作点的坐标为(,)Mp Qp Up 。

根据投切一组电容容量C Q ，相应电压改变C U ，变压器升降一档可改变电压大小dU ，可以推出0区的宽度为22/C C C U Q Q +（），高度为dU 。

控制区的动作分别为在1区进行升档动作1f ，在2区进行降档动作2f ，在3区进行投C 动作
3f ，在4区进行切C 动作4f ，0区为不动作区。

5 五区图盲区的判断与处理
在“五区图”模型中，对于2个控制量Q 、U 给以相同程度的重视，这样处理会带来“盲区判断”，即在对优劣距离的计算中，当工作点位于两个操作区的边界上时，同边界两边的两种操作的优劣距离相等，这时将无法判断采用哪种操作，形成盲区问题。

根据变电站VQC 的基本原则：保证电压合格、无功基本平衡，尽量减少调节次数，尤其是减少变压器分接头的调节次数，有2种解决方法。

一是加入“U 优先”判据，优先保证电压合格，尽量采取投切电容的策略，但是这一处理仍不能充分满足通常现场用户对电压优先控制的期望。

二引入优先系数P K ，重新定义优劣距离2
22
[(-)(-)]Ri Mi Mp Kp U Up Q Qp ==+，式中P K 大
于1。

P K 的值可以量化的反映对U 重视相对于对Q 重视的优先程度，亦即对U 的优先控制程度，如图3-4所示：
Q
Q
Kp=1
Kp=3
图 优先系数Kp 不同时的仿真结果比较
Fig “Five-zone ” simulating on different priority modulus Kp
优先系数P K 增大时，1区和2区的区域面积相对缩小了，也就是直接对电压影响最大的升档和降档操作被弱化了，在这样的“五区图”中，控制策略会更加倾向于选择对电容器组进行操作。

通过改变P K 可实现程度可以量化的电压优先控制，这时原边界上工作点的优劣距离判断问题虽得以解决，新边界上的工作点又出现优劣距离相等无从判断的问题，因此仅加入电压优先系数是不够的，还应采取优先操作电容的策略，当已无电容可调时，再考虑升降变压器档位。

考虑到变压器不能作为无功电源，调节变压器的分接头只能改变系统无功潮流的分布，在边界上应采取优先操作电容的策略，当已无电容可调时，再考虑升降变压器档位。

考虑到无功调节对电压的影响，应将电压状态引入无功调节判
据，以确保无功调节与电压调节的协调关系，使无功的调节边界是受电压影响并在一定程度上服务于电压调节的模糊边界。

根据这一思想，引入投入电容的动作判据：
2220
202-133S N N C Q U U Q U Q =+≥投
切除电容的动作判据：
2220
-2021S N N C Q U U Q U Q =-≤-切
当工作点位于两个操作区的边界时，在边界上优先进行电容器投切判断，满足投切判据进行优先选择电容器进行操作，否则进行有载变压器分接头的调整。

采取这种盲区处理
方法，使VQC装置的控制动作有了更明确的判据，动作选择更加合理，减少了控制装置的频繁操作。

6五区图控制原理的优点
(1)动作区间划分更加清晰,动作选择更加合理。

“九区图”系列的演进可以说是一种对“五区图”的逼近。

面向“操作动作”而不是面向“U-Q”的划分方式，使得“五区图”的动作区间划分更合理。

(2) 软件实现简易
虽然出现了较“九区图”中水平和垂直边界线更复杂的有斜率的一次曲线，但是通过Matlab6.5仿真可见，“五区图”的软件实现也很简单，除去绘图语句，真正的逻辑实现只有18行，在程序软件开发和硬件执行工作量上也只是略有增加。

(3) 面向未来的架构
电压无功控制问题的未来发展有两个不可忽略的重要趋势：一是调节能力更强的无级调节机构的出现；二是基于全网无功优化的网络化无功综合控制。

未来的无级调压机构或无级电容装置精确的微调能力，可以为更加细致的控制理论提供硬件上的保证。

在一个已经达到硬件瓶颈的控制理论会产生控制质量差别不大的结果。

一旦硬件瓶颈被更新的技术所突破，两者就可能在控制质量上拉开距离。

随着向无级机构更新的趋势，电压无功综合控制也会从一个离散的开环系统向连续化的闭环系统演进，“五区图”原理则可以实现与更高级硬件设施的配套合作。

在全网化综合考虑的方向上，引入“五区图”的“面向操作”的控制思路，可以更方便地实现软件的全网仿真模拟，从而得到优化的全网控制逻辑。

7 五区图控制策略存在的问题
7．1 启动动作区
系统对控制不仅有准确性要求，还有对稳定性的要求。

从电压无功问题控制对象的特性来看，它是一个阻尼系数很大的系统，过于灵敏的控制对其稳定性来说可能适反。

所以，类似“九区图”系列原理中的做法，在“五区图”中最优控能目标不能选取一个工作用点，而应选择一个最优控制区域作为控制指向的目标。

在最优控制区域内是系统的非启动动作区，控制机构不动作，只有在工作点越出最优控制区域，系统才可能启动动作，并按照“五区图”逻辑进行判断，给以动作出口。

目前VQC装置大多实行分散控制，仅仅采集一个变电站的运行数据，缺乏电网全局协同优化的概念，只能实现局部优化，保证受控母线电压合格，不能实现全系统的最优控制以达到全网功率损耗最小的目的。

同时VQC装置的调节控制是基于给定的电压无功上下限，如果上下限值给定不合理，无论调节措施多么完美，都不可能得到合理的控制。

小结：本次课讲述了“九区图”和“五区图”的控制原理；“五区图”的控制边界和控制区以及“五区图”盲区的判断和处理。