变电站无功电压控制

随着无人值班变电站的不断增加，变电站综合自动化系统也在不断完善，功能亦不断强大。

在监控后台机上利用变电站综合自动化的监控系统，应用软件实现变电站的电压无功功率控制(VQC), 已经成为监控后台的强大功能之一。

在监控后台利用软件进行VQC, 比起传统利用专门硬件进行电压无功控制，具有节省投资，编程灵活，升级方便等优点。

下面简单介绍一下在监控后台进行VQC的原理及VQC的逻辑原理。

1. VQC在监控后台的实现。

在监控后台实现VQC, 如图1所示：
图1 监控后台实现VQC原理图
综合自动化测控系统将在变电站所采集到的一次设备的数据通过各种网络（如can网，以太网等）发到SCADA后台机上，然后后台监控机上的VQC软件从SCADA取得电压电流功率因数等数据，经过计算和逻辑分析，对测控系统作出调节指令，综自测控系统将接到的指令执行，控制相应的一次设备，如有载调压变压器分接头和电容器，将变电站的电压及无功功率控制在一个合格的范围内，从而达到电压无功控制的目的。

2. VQC逻辑原理。

变电站中一般有几台变压器，VQC根据主变的运行方式的不同选择不同调节方式。

对于两绕组的变压器，取高压侧的无功功率作为无功调节的依据，取低压侧电压作为电压调节的依据。

电压的调节主要靠调节主变的档位来实现，无功功率的调节主要靠无功设备的投切来实现。

2.1 9区图的定义
以U为纵坐标，无功功率Q为横坐标，组成U-Q坐标系，如图2所示，
图2 VQC 9区图
在第一象限中，将区域分为9个，分别从1~9编上号。

只有系统运行点, 即系统实时的电压和无功功率值，落在Umin<U<Umax，Qmax<Q<Qmin时, 即在9区时，才视为系统电压无功功率满足运行要求，其它区域为电压无功功率不满足要求。

2.2 9区图的控制策略。

2.2.1 VQC的调节方式
在主变高压侧电压不变及输入功率不变的程况下，主变分接头上调，高压侧绕组匝数减少，主变低压侧电压增大; 反之，主变分接头下调, 高压侧绕组匝数增加，主变低压侧电压减小。

对于并联电容器组，当投入时，系统无功功率得到补偿，无功功率减少，电压升高；反之，退出后，系统无功功率增大，电压降低。

2.2.2 9区图的策略制定
9区图定义的目的为方便制定出各个区域的U-Q控制策略。

根据变电站的系统运行点在9区图上的位置，从而制定相应的控制策略。

现在简单分析一下各个区域的情况并归纳一下控制策略。

如表1所示：
表1 VQC 9区图调节策略
2.3 9区图的改进
在实际的运行方式中，可能会遇到这样的一种情况，运行点落在6区的某个地方，VQC策略为切电容，但切电容后，系统电压下降，无功功率增大，运行点落在7区，7区策略为升分接头，升抽头后运行点又回到6区。

此时造成电容器和分接头频繁调节且运行点在6区与7区之间徘徊。

同样的道理，在2区的某个地方，也会造成运行点在2、3区之间徘徊，电容器和分接头频繁调节。

如图3所示：
图3 系统运行点在两区之间徘徊
造成上述电容器和分接头频繁调节的原因，是由于投切电容器后电压的升高或降低使得运行点向另一个不满足的区移动。

为此，可将9区区作进一步的细分，从而制定更详细的控制策略。

将9区图进行改进，得出如图4的11区图：
图4 改进后的VQC 11区图
注：ΔUq为投退一组电容引起的母线最大电压变化量。

61、62区为原来的6区细分而来，21、22区为原来2区细分而来。

在61区，Umin<U<Umax,U合格，Q<Qmin,可采取的策略为切电容，因为此时切一组电容后，运行点仍落在6区内（61区或62区），Umin<U<Umax,U合格,Q<Qmin。

在62区，因为切一组器后造成运行点在6、7间徘徊，为避免电容器的频繁投切及主变分接头的频繁动作，在电压优先的情况下可采取的策略为不动作。

同理，在21区，Umin<U<Umax,U合格，Q>Qmax,可采取的策略为投电容。

在22区，Umin<U<Umax,U合格, Q>Qmax,为避免电容器的频繁投切及主变分接头的频繁动作，在电压优先的情况下可采取的策略为不动作。

同样的道理，可将9区图作进一步的细分，制定更加详细的控制策略，从而使电压或无功功率达到运行时的合格条件而减少电容器和主变分接头的频繁动作。

如从9区改进得出的17区图，就是在各个区之间的分界处再划分新区，在各个区制定更详细的动作策略而得来，在此不作详细的讨论。

从上述分析可知，每个区的动作策略并不一定能满足使运行点落在9区，在调节策略不能使电压无功功率都合格的情况下，为避免电容器和主变分接头的频繁动作，必须在两者之间作取舍。

要么VQC运行在电压优先的方式下，在电压和无功功率不能同时得到满足的情况下，优先满足电压要求；要么运行在无功优
先方式下，优先满足功率因数要求。

具体是电压还是无功优先，要充分考虑当地的负荷情况及当地的系统运行规程。

3. VQC的定值整定
各VQC软件因厂家的实现方法不同而使得定值不尽相同。

但是在VQC中若干定值是共通的，在此探讨一下这些共通的定值的整定问题，对于因不同的厂家各自独有的定值要求，在此不作详细的讨论。

3.1 VQC的基本定值
3.1.1 Umax、Umin的整定
在9区图中，有四个值决定9区图的分布，它们分别是：Umax、Uimn、Qmax、Qmin。

对于Umax、Umin的整定，可参照当地的电网运行规程，设定合格电压的上下限，例如对于广州地区，根据广东电网公司广州供电局《生产技术规章制度汇编》，10kV的合格电压的范围为9.8~10.7kV,因此Umax设定为10.7,Umin 设定为10.0,对于10kV因馈线长网损较大的特殊情况，可将Umin适当增大。

3.1.2 无功Qmax、Qmin的整定
Qmax与Qmin的整定比较复杂，因为Q与负荷大小密切相关。

对于Qmax、Qmin的整定，应先根据当地电网对于功率因数的运行规定，确定COSΦmax及COSΦmin。

例如对于广州地区，根据广东电网公司广州供电局《生产技术规章制度汇编》，COSΦmax为0.98, COSΦmin为0.9。

现假设对于一台两卷变压器，容量为50000kVA。

现考虑该台变压器运行在额定负荷的80%,情况下，则可得出Qmax 及Qmin在80%的额定负荷条件下的值：
Qmax=80%*S*√(1-COSΦmin* COSΦmin=17436kVar
Qmin=80%*S*√(1-COSΦmax* COSΦmax=7960kVar
因为负荷是变化的，因此Qmax与Qmin随着不同的负荷变化而变化。

因此VQC软件一般都要求分时段执行定值。

所以可根据当地的负荷变化规律，在不同的时段整定不同的Qmax与Qmin大小。

3.1.3 投退一组并联电容器对电压的变化率ΔU
确定投一组并联电容器对母线电压的影响，通常比较困难。

因为为负荷受时间、季节的变化而不同，因此要精确整定是比较困难的。

可以利用综合自动化系统的遥测数据来确定此定值。

例如在一天中负荷的高峰期，通过观察一组电容器投入后母线的变化来确定ΔU1，在负荷的低谷期，观察一组电容器退出后母线的变化来确定ΔU2,将电压的变化率ΔU整定在ΔU1~ΔU2之间。

在实际的整定中，还应该按时段观察负荷的曲线，确定每个时段的ΔU1及ΔU2，取它们的平均值，从而确定各个时段的ΔU。

3.1.4 投一组并联电容器对无功的变化率
对于一组并联电容器，其出厂铭牌都会注明其容量，例如对于某电容器组，其参数为5010kVar, 则其容
量可直接作为投一组并联电容器对无功的变化大小，例如对于上述电容，则其对无功的变化率为
5010kVar。

4. 结束语
以上讨论的是分散式的电压无功控制方式，即在各个变电站中，自动调节有载调压变压器分接头和自动投切无功补偿设备，以控制当地的电压无功功率在合格的范围内。

从整个电网的宏观角度来看，此种方式缺乏潮流的大局观，因此存在不可避免的局限性。

为了实现全电网的无功优化控制，提高系统运行的可靠性和经济性，最好的无功控制方式为集中式控制，即调度中心对各个变电站的变压器的分接头和无功补偿设备进行统一的控制。

集中式控制是电力调度控制发展的最高阶段。

对于集中式电压无功控制的理论及算法，目前有不少的成果，如基于灾变遗传算法的无功规划优化等。

对于集中式控制的算法等问题，仍有待进一步的研究探讨。

参考文献：
[1] 何仰赞，温增银，汪馥英，等。

电力系统分析[M]。

武汉：华中理工大学出版社，1984
[2] 张勇军，任霞，钟红梅，唐卓尧，尚春[J]。

基于灾变遗传算法的无功规划优化。

电力系统自动化，2002，23：29--31。