1 引言

　　電力系統(tǒng)中，電壓時(shí)衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要 指標(biāo)，電壓波動(dòng)過(guò)大，不僅影響電氣設(shè)備的利用效 率和使用壽命，而且會(huì)危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行， 甚至?xí)痣妷罕罎?，并造成大面積的停電事故。 同時(shí)，無(wú)功功率也是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素， 實(shí)現(xiàn)無(wú)功的分層、分區(qū)就地平衡，是降低網(wǎng)損的重 要手段，因此各級(jí)變電站承擔(dān)著電壓無(wú)功調(diào)節(jié)的重 要任務(wù)。

　　在變電站中，電壓無(wú)功控制（voltage reactive power control，VQC）主要采取的是利用有載變壓 器和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組進(jìn)行局部的電壓及無(wú)功補(bǔ) 償?shù)淖詣?dòng)調(diào)節(jié)，以保證負(fù)荷側(cè)母線(xiàn)電壓在規(guī)定的范 圍內(nèi)及進(jìn)線(xiàn)功率因素盡可能接近 1。 VQC 保證了電壓合格、無(wú)功基本平衡，同時(shí)也減少了變壓器和電 容器的調(diào)節(jié)次數(shù)。頻繁操作有載調(diào)壓變壓器分接頭 開(kāi)關(guān)和投切并聯(lián)補(bǔ)償電容器會(huì)引起變壓器和開(kāi)關(guān) 設(shè)備故障，因此各變電站對(duì)其每天的調(diào)節(jié)次數(shù)均有 嚴(yán)格的限制。采取合理的控制策略和控制手段，能 夠降低電容器組的平均運(yùn)行溫度、減少投切開(kāi)關(guān)的 動(dòng)作次數(shù)及變壓器分接開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)次數(shù)，可延長(zhǎng)開(kāi) 關(guān)、電容器、變壓器的使用壽命。

　　變電站電壓無(wú)功的調(diào)節(jié)性能與VQC的控制策 略是密切相關(guān)的。 VQC裝置的研究是從上世紀(jì)70年 代開(kāi)始的，如今內(nèi)外已形成了一整套比較成熟的控 制策略［1~3］。近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)信號(hào)采集和處 理技術(shù)、高速通信技術(shù)和衛(wèi)星同步授時(shí)技術(shù)的迅速 發(fā)展［4］，為區(qū)域電網(wǎng)電壓與無(wú)功的多級(jí)分層與分 區(qū)協(xié)調(diào)控制提供了技術(shù)支撐［5］。

　　本文首先論述了變電站無(wú)功綜合控制的幾種控制方式，隨后對(duì)各種變電站電壓無(wú)功控制策略做了詳細(xì)的介紹和分析，最后對(duì)現(xiàn)在變電站常用的 “九區(qū)圖”法的改進(jìn)策略作了詳細(xì)說(shuō)明和分析。

　　2 變電站電壓無(wú)功綜合控制的主要方式

　　當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功電源不足時(shí)，不宜采用調(diào)整變壓器變比的方法來(lái)提高電壓，而必須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。 目前，國(guó)內(nèi)外主要采用有載調(diào)壓變壓器和補(bǔ)償并聯(lián)電容器組，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)有載變壓器的分接頭位置和投切并聯(lián)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓合格和無(wú)功平衡的目的。其控制方式分三種［6］：

　　2.1 集中控制方式

　　集中控制是指在調(diào)度中心對(duì)各個(gè)配電中心的調(diào)壓 設(shè)備和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制。這種控制方式 從理論上講是保持系統(tǒng)電壓正常和實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡 以及提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳方案。但 它要求調(diào)度中心必須具有因地制宜的電壓和無(wú)功 優(yōu)化實(shí)時(shí)控制軟件，而且它需要對(duì)各配電中心具有

　　2011-2012 學(xué)期電力自動(dòng)化系統(tǒng)課程論文

　　遙測(cè)、遙信和遙控的功能， 對(duì)通道的可靠性要求高。 另外，最好各配電中心具備智能執(zhí)行單元。但在我 國(guó)目前各變電站的基礎(chǔ)自動(dòng)話(huà)層次不一的情況下， 實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的集中優(yōu)化控制難度還比較大。

　　2.2 分散控制

　　分散控制是我國(guó)當(dāng)前進(jìn)行電壓無(wú)功綜合控制 的組要方式。它是在各個(gè)變電站或發(fā)電廠中，自動(dòng) 調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置和其它電壓調(diào) 節(jié)器，控制無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的工作狀態(tài)，使得當(dāng) 前負(fù)荷變化時(shí)，該地區(qū)的電壓和無(wú)功功率保持在規(guī) 定的范圍內(nèi)。分散控制對(duì)提高受控站供電范圍內(nèi)的 電壓質(zhì)量和降低局部網(wǎng)絡(luò)變壓器的電能損耗，減輕 值班員的操作很有價(jià)值，但它只能實(shí)現(xiàn)局部?jī)?yōu)化， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。

　　2.3 關(guān)聯(lián)分散控制方式

　　關(guān)聯(lián)分散控制是指在正常運(yùn)行情況下，由安裝 在各站的關(guān)聯(lián)分散控制裝置根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制規(guī) 律對(duì)電壓進(jìn)行控制，調(diào)控范圍和整定值是從整個(gè)系 統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行出發(fā)，可先由電壓無(wú)功 優(yōu)化程序計(jì)算好，做出責(zé)任分散、控制分散、危險(xiǎn) 分散;而在緊急情況下或系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生大的變 動(dòng)時(shí)，則可由調(diào)度中心直接控制或由調(diào)度中心修改 下屬變電站所維持的母線(xiàn)電壓和無(wú)功功率的整定 值，以滿(mǎn)足系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的新要求， 從而從根本上提高全系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。該控 制方式要求執(zhí)行關(guān)聯(lián)分散控制任務(wù)的裝置一方面 要有較高的智能水平，能夠進(jìn)行邏輯分析、判斷、 自動(dòng)修改調(diào)整控制規(guī)律;另一方面要有強(qiáng)大的通訊 能力和手段，既能方便地向上級(jí)調(diào)度中心遞交正常 運(yùn)行報(bào)告，又能接受調(diào)度中心的各種控制命令。但 是這種方式需要采用專(zhuān)門(mén)的關(guān)聯(lián)分散控制裝置，這 就會(huì)帶來(lái)投資成本的增加。

　　3 電壓無(wú)功控制的調(diào)節(jié)判據(jù)

　　變電站的電壓無(wú)功控制其實(shí)是一個(gè)多目標(biāo)（電 壓合格、無(wú)功平衡）及多約束（無(wú)功功率上下限、 電壓上下限、并聯(lián)電容器投切次數(shù)和調(diào)壓變壓器分 接頭動(dòng)作次數(shù)）的最優(yōu)控制問(wèn)題。但是，對(duì)于這個(gè) 多輸入多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)（MIMO），實(shí)際上很 難建立精確的數(shù)學(xué)模型。目前所采用的實(shí)用有效的 控制策略是根據(jù)工程實(shí)用算法得到的。按控制策略 的不同可分為以下幾種：

　　3.1 單一控制策略

　　3.1.1 按功率因素控制

　　功率因素?cái)?shù)值實(shí)時(shí)變化是在一定范圍內(nèi)的，以 功率因素作為判據(jù)是，即當(dāng)功率因素低于所設(shè)定的 變化范圍下限時(shí)，電容器組投入，當(dāng)功率因數(shù)高于 所設(shè)定的變化范圍區(qū)間的上限時(shí)，電容器組切除。 但是這種控制方式?jīng)]有考慮投切并聯(lián)電容器后無(wú) 功功率的變化對(duì)母線(xiàn)電壓的影響，而且假如負(fù)荷較 小，投切電容器組產(chǎn)生的無(wú)功功率的變化會(huì)使功率 因數(shù)發(fā)生較大的變化，因此，投切電容器組的動(dòng)作 過(guò)于頻繁， 極易引起投切振蕩。 為了克服這些缺陷， 出現(xiàn)了改進(jìn)的自動(dòng)投切裝置，這種裝置根據(jù)負(fù)載區(qū) 的不同自動(dòng)整定各負(fù)載區(qū)不同的功率因數(shù)，并采用 自動(dòng)選取法進(jìn)行自動(dòng)投切，此外，臨界因數(shù)法也是 一種解決臨界振蕩問(wèn)題經(jīng)常采用的方法，這種方法 限定了輕負(fù)荷時(shí)的臨界震蕩區(qū)，有效地解決了電容 器投切的振蕩問(wèn)題。

　　3.1.2 按電壓控制

　　電壓控制是通過(guò)實(shí)施監(jiān)控母線(xiàn)電壓的變化看、來(lái)進(jìn) 行電容器組的投入或切除操作。當(dāng)母線(xiàn)電壓低于所 設(shè)定的限定值時(shí)，投入相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)償電容器組， 當(dāng)母線(xiàn)電壓高于所設(shè)定的變化范圍限定值時(shí)，自動(dòng) 切除相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)償電容器組。但是這種判據(jù)忽略 了無(wú)功功率因數(shù)平衡這個(gè)要求，雖然對(duì)母線(xiàn)電壓的 調(diào)節(jié)取得了一定的效果，但是在無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題 上，作用并不明顯。

　　3.2 綜合控制策略

　　3.2.1 按電壓和晝夜時(shí)間負(fù)荷控制

　　此方法是通過(guò)研究采集到的變電站的日負(fù)荷 曲線(xiàn)變化特點(diǎn)，然后通過(guò)給曲線(xiàn)分段來(lái)確定負(fù)荷時(shí) 段分布的。采用這種方法，可以在不同負(fù)荷階段及 時(shí)監(jiān)控變電站電壓和無(wú)功功率，調(diào)節(jié)變壓器的分接 頭和并聯(lián)電容器組。由于需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分段，此 方法的適應(yīng)性較差，只適和變電站的負(fù)荷比較穩(wěn)定 的情況，而且隨著季節(jié)和負(fù)荷的不斷變化，負(fù)荷時(shí) 段的劃分需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

　　3.2.2 按電壓綜合控制有載分接開(kāi)關(guān)和電容器組

　　其電壓控制邊界如圖 A1 所示，當(dāng)母線(xiàn)電壓 U≤ Ut下限時(shí)， 降有載分接開(kāi)關(guān)升壓;當(dāng) U≤Uc 下限 時(shí)，投入電容器組;當(dāng) U≥ Ut上限時(shí)，升有載分接 開(kāi)關(guān)降壓;當(dāng) U≥Uc 上限時(shí)，切除電容器組。這種 方案比僅調(diào)節(jié)電容的方案好一些，但仍沒(méi)有考慮無(wú) 功的補(bǔ)償效果，且調(diào)節(jié)過(guò)程也不合理，比如電壓高是升有載分接開(kāi)關(guān)還是切電容，要首先判別電壓高 是由無(wú)功過(guò)剩引起的還是由于有載分接開(kāi)關(guān)位置 過(guò)低引起的，不能簡(jiǎn)單的規(guī)定調(diào)有載分接開(kāi)關(guān)或是 投切電容器組。

　　3.2.3 按電壓和功率因數(shù)復(fù)合控制

　　按電壓、功率因數(shù)復(fù)合控制構(gòu)成的判據(jù)有兩種 判別方式，一是以電壓以主，功率因數(shù)為輔，即只 要電壓合格， 則不考慮功率因數(shù)， 當(dāng)電壓不合格時(shí)， 根據(jù)電壓和功率因數(shù)的性質(zhì)決定電容器組的自動(dòng) 投切;另一種是以電壓和功率因數(shù)作為兩個(gè)并行的 判據(jù)，即使電壓在合格范圍內(nèi)，如果功率因數(shù)滿(mǎn)足 投切的條件，則對(duì)電容器組發(fā)出投切指令。第一種 判別方式，盡管考慮了無(wú)功補(bǔ)償效果，但由于在某 些運(yùn)行狀態(tài)下，缺無(wú)功補(bǔ)不上去，超無(wú)功切不下， 致使無(wú)功補(bǔ)償效果仍然較差;第二種判別方式， 在某 些運(yùn)行狀態(tài)存在對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容頻繁誤投切現(xiàn)象。

　　3.2.4 電壓和無(wú)功綜合控制

　　利用電壓和無(wú)功構(gòu)成綜合判據(jù)，按照電壓上、 下限和無(wú)功上、下限將運(yùn)行區(qū)域劃分為九個(gè)區(qū)，形 成了目前應(yīng)用最廣泛的“九區(qū)圖”控制理論。在變 電站實(shí)際運(yùn)行中， 根據(jù)采集的電壓、 無(wú)功數(shù)據(jù)信息， 來(lái)判斷當(dāng)前運(yùn)行在哪個(gè)區(qū)域，然后分別按照九區(qū)圖 的每個(gè)區(qū)的控制調(diào)節(jié)策略，制定變壓器分接頭擋位 和補(bǔ)償電容器組