110KV变电站VQC设计.docx

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110KV变电站VQC设计

摘要

VQC控制系统是提高电压合格率、降低网损、提高系统稳定性的有效手段和重要措施。

系统无功分布的合理与否，电压质量的好坏，直接影响着电力系统的安全稳定与经济运行。

无功不足将导致系统电压下降，用电设备不能充分利用，更为严重的是如果系统的无功不足，将使系统的整体电压水平低下，系统一旦发生较大的扰动，就可能使电压低于临界电压，产生电压崩溃，从而导致系统因失去同步而瓦解的灾难性事故；无功过剩亦会导致电压过高，危害系统和设备的安全，恶化系统电压状况，浪费不必要的投资；无功的不合理流，会使线路的压降增大、线路的损耗增加、供电的安全性和经济性都会下降。

因此，合理的运用电压无功的调节手段，提高优化控制水平，不仅能改善电压质量和提高电压合格率，而且能够有效的降低网损，提高电力系统运行的安全性和经济性。

变电站VQC（电压无功综合控制）系统主要是以微处理器为核心组成的控制系统和软件模块组合的自动装置。

它能根据变电站各种运行方式和自适应跟踪系统，通过一定的控制策略，对有载调压变压器的分接头切换及并联电容器组、电抗器等无功设备的选择投切，来控制电源侧无功功率和负荷侧母线电压，以保证供电电压和功率因数始终在合格的范围内变动，从而提高电能质量和系统的安全、经济运行水平。

关键词：

电压无功综合控制，控制策略

ABSTRACT

TheVQCcontrolsystemisenhancesthevoltagequalifiedrate,reducesthenettodamage,toenhancethesystemstableeffectivemethodandtheimportantmeasure.Systemidleworkdistributionreasonableornot,thevoltagequalityquality,isaffectingtheelectricalpowersystemsecuritydirectlystableandtheeconomicalmovement.Theidleworkinsufficientwillcausethesystemvoltagetodrop,thecurrentcollectorwillnotbeabletousefully,moreseriouswillbeifthesystemidleworkwillbeinsufficient,willcausethesystemtheoverallvoltageleveltobelow,oncethesystemwillhavethebigperturbation,possiblywillcausethevoltagetobelowerthanthethresholdvoltage,willproducethevoltagetocollapse,thuswillcausethesystemthedisastrousaccidentwhichwilldisintegratebecauseoffalloutofstep;Theidleworksurplusalsocancausetheovertension,theharmsystemandtheequipmentsecurity,theworsenedsystemvoltagecondition,wastesthenonessentialinvestment;Theidleworkunreasonableclass,cancausethelinethepressuredroptoincrease,thelinelossincreases,thepowersupplysecurityandtheefficiencycandrop.Therefore,thereasonableworkingvoltageidleworkadjustmentmethod,raisestheoptimizationcontrollevel,notonlycanimprovethevoltagequalityandenhancethevoltagequalifiedrate,moreovercaneffectivereducethenettodamage,enhancestheelectricalpowersystemmovementthesecurityandtheefficiency.

TransformersubstationVQC（voltageidleworkintegratedcontrol）thesystemmainlyistakemicroprocessorasthecorecompositioncontrolsystemandthesoftwaremodulecombinationautomaticdevice.Itcanactaccordingtothetransformersubstationeachmovementwayandtheauto-adaptedtrackingsystem,throughcertaincontrolstrategy,tohascarriesidleworkequipmentandsoontheregulatingtransformertappingcutandparallelcondenserbank,reactorchoicesthrowscuts,controlsthepowersourcesidereactivepowerandtheloadsidegeneratrixvoltage,guaranteedthepowerlinevoltageandthepowerfactorchangesthroughoutinthequalifiedscope,thusimprovestheelectricalenergyqualityandthesystemsecurity,theeconomicalmovementlevel.

Keywords:

Voltageidleworkintegratedcontrol,controlstrategy

1绪论-------------------------------------------------------------------1

1.1国内外研究动态-----------------------------------------------------1

1.2电压无功综合控制的意义---------------------------------------------3

1.3本章小节-----------------------------------------------------------4

2电压无功控制（VQC）的理论基础-----------------------------------------5

2.1无功功率补偿与电压调整的分析---------------------------------------5

2.2变电站电压无功控制的主要设备及调节手段-----------------------------6

3常用的控制策略原理及特性分析---------------------------------------10

3.1控制策略原理------------------------------------------------------10

3.2控制策略的现有改进方案--------------------------------------------14

3.3本章小节----------------------------------------------------------15

4变电站电压无功综合控制系统的实现----------------------------------16

4.1国内现有变电站电压/无功综合控制装置-------------------------------16

4.2变电站VQC控制装置的应用------------------------------------------18

4.3VQC的实现---------------------------------------------------------20

4.4VQC在电网中应用前景分析-------------------------------------------24

4.5变电站监控系统----------------------------------------------------24

4.6本章小节----------------------------------------------------------26

5VQC系统程序设计-----------------------------------------------------27

5.1VQC系统的主程序设计-----------------------------------------------27

5.2核心程序模块及其控制原则------------------------------------------29

5.3VQC系统实用化处理-------------------------------------------------31

5.4本章小节----------------------------------------------------------32

6结论-------------------------------------------------------------------33

参考文献---------------------------------------------------------------35

致谢--------------------------------------------------------------------37

1绪论

电压是衡量电能质量的主要指标之一。

电力系统是一个非线性系统，电压稳定是整个电力系统稳定在一个方面的表现，电压的稳定和质量对终端用户是非常重要的，对负载端的安全和经济运行有着至关重要的意义[1]。

电力系统中的电压水平和无功功率的状况密切相关。

无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送，要产生电压损耗。

高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率，输送的距离越远，中间环节越多，引起的电压降也就越大，负荷端的电压也就越低。

合理配置无功电源，使无功功率就近平衡，不仅可以提高电压水平，而且可以减少电网中有功功率的损耗。

然而，我国由于电网发展规划的滞后，电网结构往往不够合理，造成一些地区在电网发展过程中无功设备配备不足，使得局部地区在负荷增大后无功功率明显不足，造成局部电网较长时间处于低电压水平运行；另外，随着现代电网的发展，大容量机组直接接入超高压电网中，使超高压电网内无功过剩。

城市供电网的迅速发展由于电缆数量增加使得充电功率增长。

当电力系统不正常运行时，大容量发电机组或超高压输电线路退出运行，又会使部分超高压线路负荷过重而使无功出力严重不足。

这些问题的存在将对用户的电压质量，系统的输电能力，电能损耗及安全，经济等方面产生不良影响。

充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用，实现电压无功综合控制对于提高电压合格率和降低网损有很大的作用，能带来经济效益和社会效益，但问题是如何实现电压和无功的综合控制。

目前有全网电压无功优化和以变电站为单位的局部区域优化两种方式。

全网电压无功优化是从整个电网考虑，根据电网的潮流分布情况确定电网的运行方式，合理进行无功电源的调度和配置，减少无功功率在电网中的流动。

从理论上讲，通过电网调度中心实施全网电压、无功综合控制是最合理的方法，但限于我国目前电力系统的自动化水平，实现全系统的电压、无功控制困难较大，目前主要是以变电站为单位自动调节电压和无功功率就地平衡。

变电站电压无功控制（VQC）主要是采用有载调压变压器和补偿并联电容器组，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。

但是在电压、无功功率双参数需要凋节的情况下，靠人工调节往往难以做到准确判断和及时调节。

人工调节不仅增加了运行人员的劳动强度，而且不能充分利用无功电源设备的补偿作用和保证电压合格率。

因此，如何实现变电站电压、无功的自动控制是一个值得研究的问题。

1.1国内外研究动态

随着电力市场商业化运营的逐步推行，对电能质量的要求不断提高，以及节能降损的迫切要求，电压无功综合控制问题日益得到人们的广泛重视。

近年来，国内外专家、学者提出许多基于新理论、新方法的电压无功优化方法，概括起来讲，主要有两个方面，即全网电压无功优化和变电站电压无功控制。

全网电压无功优化的方法大致分为非线性规划法，线性规划法，混合整数规划法，分解法，人工智能方法[2]等。

它们要求电力系统具有遥测，遥信，遥控，遥调，遥视等很高的自动化水平，并且对计算机水平、数据库技术、状态估计、通信、实时监控等软硬件也有较高的要求，但是我国电力系统目前的自动化水平还比较低，且上述的一些软硬件技术比较落后，因此全网电压无功优化实现起来困难较大，目前较多存在于理论研究阶段，所以在我国电力系统中运用较多的是变电站的电压无功控制。

变电站的电压无功控制是一种分散控制方式，它虽然不易实现全网的最优控制，但可实现局部的优化，而电压、无功具有地区性特征，因此就地控制对提高受控站供电范围内的电压质量和减少局部网络的电能损耗是很有价值的。

由于分散控制成本低，见效快，符合目前国情，因此推广分散控制的应用是比较现实，也很有意义的。

对变电站电压无功控制的研究主要也有两个方面，即离线优化和实时监控。

离线优化[3-14]是运用人工智能或计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷预测基础上进行离线优化计算，得到第二天的调节方案，由调度下发给各个变电站。

文献[3,4,5]提出了变电站电压无功综合控制专家系统，以运行状态辨识及专家经验为知识库，将统计法用于推理策略。

文献[6]将变电站电压相对于给定值的偏移以及主变高压侧无功作为目标函数，以有载调压变压器分接头和电容器动作投切次数作为约束条件建立了一个动态规划模型。

文献[7,8,9,10]通过模糊动态规划的方法，将基于操作者过去经验的电压无功控制规则和操作者的直观推断加以考虑，以决定一个合适的控制进程，并用模糊变量来描述一些非确切的语言表达。

文献[11]设计了一个人工神经网络来得到电容和有载调压变压器的预先控制调度表，然后这个预先控制调度表被模糊动态规划加工改进而成为最终的调度表。

文献[12]建立电压无功控制的求解模型，针对其计算空间过大的特点，在负荷预测的基础上引入遗传算法在全局范围内求最优解使主变高压侧无功和二次侧电压偏移最小。

文献[13,14]运用多层前馈人工神经网络找到电容和有载调压变压器的合适的控制策略。

这些离线优化的方法都是通过离线计算得到第二天的调节方案，调节方案一般以小时为间隔，很粗糙，而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基础的，当预测数据不准确时调节方案就失去了意义。

实时监控[15-21]是通过对变电站主变高压侧无功功率和目标侧（中压侧或低压侧）母线的电压不断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自允许范围之内。

就实时监控装置[15]的实现方式来看大致可以分为三类：

第一类为基于自动化系统后台软件实现的VQC[16,17,18]，这种VQC依附于变电站监控主站，是监控系统的一个功能子模块。

其数据采集和控制输出均由间隔层的相关监控装置来完成，它本身没有专用的I/O硬件系统。

第二类称为自动化系统网络VQC[19]，它的核心采用单独的CPU装置，但其I/O设备仍由网络借助于自动化系统实现，其本身不带硬件I/O系统，无需单独组屏。

装置通过通讯以插件的形式嵌入自动化控制或保护中，不需要单独铺设电缆，减少工作量。

由于其核心采用单独的CPU装置，因而调节和闭锁速度快。

第三类为独立的VQC装置[20,21]，这种VQC不依赖于其他的设备，数据采集和控制输出都是自身功能的一部分，VQC集I/O系统和计算判断于一身。

特别是有关闭锁信号由相关装置的硬接点输入，大大增强了VQC闭锁的快速性和可靠性。

1.2电压无功综合控制的意义

电力系统的电压是衡量电能质量的一个重要指标，电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的产量和质量，影响用电设备的寿命和效率，甚至危及电力系统的稳定性，引起“电压崩溃”，造成大面积停电。

从70年代以来，国内外电网发生了多起以电压稳定破坏为特征的电网瓦解事故，如1987年7月23日日本东京大停电，美国西部1900年7月2日和8月10日接连发生两次大停电事故[22]。

长期研究结果表明，造成电压质量下降的主要原因是系统无功功率不足或无功功率分布不合理。

电压调整与无功功率平衡有着密不可分的关系。

因此调整系统电压在合格范围内，控制无功潮流的合理平衡，对提高供电质量，保证系统安全、可靠和经济运行均有着重要的意义.

目前，由于电网结构日趋复杂，电压等级不断升高，电压无功的调节仅仅依靠发电机的自动电压无功调节器己远远不够，必须增强电网本身的调控能力。

为此在电网中安装有载调压变压器和并联电容器组等设备，成为调压的主要手段。

有载调压变压器可以在带负荷条件下切换分接头，改变变压器的变比，从而起到改变电压、降低电压损耗的作用。

而合理地配置无功功率补偿容量，可以改变网络中的无功潮流分布，改善功率因数，减少网损和电压损耗，从而改善用户的电压质量.

我国的许多变电站中装设了用于电压无功调节的有载调压变压器和并联电容器组。

有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头，且调节范围大，一般在15%以上，它是多电压级网络中进行电压控制和控制无功功率流动的重要手段，也能使网络中的有功功率和无功功率损耗最小。

当系统重载时，可以调节变压器分接头使网络电压水平偏高，但并不超过电压允许范围，这样可以减少网络中无功功率的需求量，同时增大并联电容和线路的充电电容。

当系统轻载时，通过调节变压器分接头使网络电压偏低，以减少线路充电功率。

各变电站可以通过调节有载变压器来控制系统每天、每小时或每分钟的电压变化使其符合要求。

并联补偿电容器组通常安装在变压器的低压侧，一方面可以改善系统的功率因数，降低电网中的电能损耗，提高系统的经济性，另一方面可以调整系统电压，维持负荷点的电压水平，提高供电质量。

但由于过度频繁的调节有载分接开关和投切并联补偿电容器组会引起变压器和开关设备故障。

据统计，有载调压变压器约有80%的故障是由有载分接开关的不正确动作引起的[23]。

1.3本章小结

本章介绍了电压无功综合控制的意义.介绍了国内外电压无功调节判据的发展情况。

主要介绍了VQC在电网中的应用，对改善电压质量、提高经济运行水平发挥了重要的作用。

另外，随着我国电力工业的飞速发展、电力体制改革的深入和电力市场的逐步开放，电力部门越来越重视电力系统的安全性和经济性。

由于传统的基于离线数据的无功电压优化手段显然已经不能满足现代电力企业的要求，使得能够跟踪反映电力系统实时运行状态，基于实测数据的在线电压/无功优化控制成为研究和应用的热点，受到人们越来越多的关注。

因此，加快研究开发适合于我国电网实际情况的面向全网的在线电压/无功优化控制系统是十分迫切而且必要的。

可喜的是我国各级电网已普遍配置SCADA系统，为实现电压/无功的在线控制奠定了基础。

综上所述，深入研究在线电压/无功优化控制的理论和方法，实现面向全网的无功资源实时优化调度具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

2变电站电压无功控制的理论基础

2.1无功功率补偿与电压调整的分析

电力系统中的负荷需要消耗大量的有功功率，同时电力网络也会引起无功功率损耗。

电力系统中的电源必须发出足够的无功功率以满足用户与网络的需要，这就是无功功率平衡。

系统中无功功率平衡是指在一定节点电压下的平衡，无功功率电源不足将导致节点电压下降。

与有功功率平衡不同的是:

有功功率平衡是全系统的平衡，且全系统只有一个频率;而无功功率平衡要满足众多的结点电压的要求，除了对全系统需要平衡外，地区系统也需要平衡。

无功功率平衡应避免长距离输送而要就地平衡。

在电力系统中无功功率需要分级分层就地平衡，无功电力的生产同有功电力的生产一样同等重要。

2.1.1无功功率与电压变动的关系

在电力系统中，节点电压的变化和无功潮流的分布有着密切的联系。

电力网的电压损失可借助下式求出。

△U=（PR+QX）/U（2-1）

式中△u是电压损失，P是线路的有功功率，Q是线路的无功功率，R和x分别是线路的等效电阻和电抗。

对于高压电网有R<

因此，适度地进行无功补偿，可以有效地提高补偿点的电压质量。

2.1.2无功功率与电力网电能损耗的关系

长期以来，电力网电能损耗就是衡量电力系统完善程度及运行管理水平高低的一项综合性指标，进行合理的无功补偿，不但可以调节电压，也是降低网络损耗的有效措施。

电力线路有功功率损耗计算公式为:

△P=（P2+Q2）R/U2（2-2）

式中△P为电力线路上的有功功率损耗（KW），P和Q分别为电力线路输送的有功功率（KW）和无功功率（KVar），u为电力线路的电压（KV），R为电力线路的电阻（欧姆）。

由式（2.2）可以看出，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。

一方面，当输送功率一定时，功率损耗与网络电阻（R）成正比，即网络电阻越大，功率损耗越大;另一方面，当输送的有功功率一定时，输送的无功功率越多，总的有功损耗就越大，反之输送的无功功率越少时，总的有功损耗就越小。

但通常情况下网络电阻由固有的网络结构决定，改造费用比较大，因此总的功率损耗的增加或减少决定于输送的无功功率的变化。

因此要尽量减少无功的传输，进行无功功率的就地补偿，可有效降低电网的线损。

2.1.3负荷无功和电压平衡过程

如图2-1所示，曲线1为负荷的无功电压特性，曲线2是系统的无功电压特性，这两条曲线的交点确定了负荷结点的电压UA，此时系统在电压UA下达到了无功功率的平衡。

当负荷无功突然增加，由于电源的无功不能突变，因此负荷点无法维持原来电压，负荷点电压沿曲线2下降到UA'，这是负荷点牺牲电压来平衡无功缺额的过程，此时无功负荷水平为曲线1'，此时若设置增加无功出力，使曲线2平移至曲线2'，在此过程中，负荷点电压逐步回复，负荷点电压沿曲线上升1'，直到与曲线2'相交，到达无功-电压新的平衡点，电压恢复至UA''。

图2-1负荷无功－电压平衡过程

2.2变电站电压无功控制的主要设备及调节手段

对于地区电网的电压无功控制而言，主要是控制其管辖范围内的各级变电站，使电网的电压合格，并实现无功的就地平衡降低网损。

变电站电压无功控制的主要设备包括有载调压变压器、并联电容器