（电力系统及其自动化专业论文）变电站电压无功控制应用研究.pdf

华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 问题的提出 在电能的传输和分配的过程中，由于线路和变压器的损耗的存在，每年都造成了数 量可观的电能损失。电能质量的好坏不仅与工农业生产的产品的质量和产量密切相关， 而且与电力系统的安全、可靠运行直接相关。 如何有效减少电力系统网损，向用户提供 可靠、优质、经济的电能，是关系到国家节约能源、减少开支、提高人民生活质量的重 要问 题。 本文将从降低网 损和提高变电 站自 动化运行水平的角度讨论变电站的电压无功 控制问题。 电压是衡量电能质量的一个重要指标， 保证电压接近额定值是电力系统运行调整的 重要任务之一， 这是由于各种用电设备都有是按额定电压设计制造的，电压偏移过大不 仅对用户的正常工作产生不利影响， 还可使网损增大，甚至危及系统运行的稳定性， 长 期的研究结果表明， 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， 所以电压调整问 题主要是无功功率的补偿与分布问 题。 作为变电站调压的主要手段， 一般都采用有载调压变压器和补偿电 容器， 有载调压 变压器可以 在带负荷条件下切换分接头。 从而改变变压器的变比， 可以 起到调整电压降 低损耗的作用， 而合理地配置无功功率补偿容量， 可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。 以上两种措施虽然都有调整电压的作用， 但其原理作用和效果是不同的， 在利用有 载调压变压器分接头进行调压时， 调压措施本生不产生无功功率。 因此在整个系统无功 不足的情况下不可能用这种方法来提高全系统的电压水平。而利用补偿电容器进行调 压，由于补偿装置本身可产生无功功率，因此这种方式既能弥补系统无功的不足， 又 可以改变网络中的无功分布， 然而在系统无功充足但由于无功分布不合理， 而造成电压 质量下降时，这种方式却又是无能为力的，因此只有将两者有机的结合起来 ，才有可 能达到良 好的控制效果， 在传统的控制方式下，这两种控制方式是运行人员根据系统调 度部门下达的电压无功控制计划， 根据运行情况进行调整的。 这不仅增加了值班人员的 劳动强度，而且对双参数调整难以 达到最优的控制效果。 随着无人值班变电站的建立和计算机技术在变电站控制系统中的广泛应用， 这种传 统的调节方式显然难以适应， 为了提高电 压合格率和降低能耗，目 前各种电压等级的变 电站中普遍采用了电压无功综合控制器， 就是在变电站中利用有载调压变压器和并联电 容器组。 根据运行情况进行本站的电 压和无功自 动调整，以 保证负荷侧母线电 压和高压 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 侧无功功率在规定范围之内的一种装置。 1 . 2电压、无功控制原理及发展概况 电力系统电压无功调节重要性随着电网规模的不断发展扩大而日 益突出， 在初期的 交流电网中， 因系统小、 发电厂靠近负荷中心， 负载消耗的无功功率全部由发电机发出， 用户端电压波动比较小，因此， 不需要进行专门的无功补偿和电压调整， 即使电压有所 波动，也可通过改变发电机励磁电流大小来实现电压、无功的调整。 随着电网规模的不断扩大， 各种用电设备介入电网消耗了大量的无功电力， 无功功 率不足和电压波动大等问题日益突出。 这时仅靠调节发电机励磁电流的手段己经不能满 足生产的需要，从本世纪初， 人们就无功补偿技术问题进行了大量的研究，为了改善负 荷功率因素，逐步采用了同步电机、小型同步调相机和并联电容器等无功补偿手段。 迄今为止，电网中无功补偿技术可以采用并联电容器、串联电容器、 静止无功补偿 设备、同步调相机等设备。其中，并联电容器是国内外应用最为广泛的无功补偿设备， 其具有一系列的优点:( 1 ) 适合分散安装， 能较好地满足就地补偿的要求; 2 ) 分组调 节电容器有良 好的无功调节功能， 尽管只能进行非连续的有级调节， 但由于调节级差可 以满足 “ 小于不动作的范围”的要求而满足电压、无功调节的需要。( 3 ) 投资省、能耗 低，运行维护方便。 目 前，国内外用于变电站电 压无功控制的装置有很多， 从控制原理上讲， 大体可分 为以下几种: ( 1 )时间顺序控制法: 这种控制法的原理就是根据历史负荷变化统计规律， 在指定的时间段内让特定电容 器组投入或退出运行，并使主变分接头维持在某特定位置。其优点是:各被控设备的动 作次数可控， 不需要专门的模拟测量软、 硬件开销; 其缺点是:不能真实反映负荷的实 际情况，由 季节、天气变化等因素造成负荷随机变化时， 可能出现控制不当， 导致负面 影响。 ( 2 ) 测量电压控制法: 其原理是通过检测母线电压决定电容器的投/ 切 ( 或主变分接头的升/ 降) ，这类装 置比较简单， 但无法控制其他调压设备， 未考虑无功电力的消耗， 难以作到无功功率的 合理就地平衡。 ( 3 ) 测量无功控制法: 其原理是通过检测变压器一次侧无功功率决定电容器的投/ 切。这类装置也比 较简 单，但未考虑电压因素，难以保证电压质量。 ( 4 )测量功率因素及电压控制法: 其原理是通过检测变压器一次侧功率因素和母线电压， 综合分析判断后决定变压器 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 分接头升/ 降 及电 容器组 ( 或电 抗器) 投/ 切。 因综合考虑到电 压、 无功两个参量， 控制 原理比较科学， 效果也比较好。 但是功率因数只能反映无功的相对值，并不是无功的实 际值，容易产生电容器组 “ 震荡投切”现象。 ( 5 ) 量电压及无功控制法: 其原理是通过检测变压器一次侧无功功率和母线电压， 经综合判断后决定变压器分 接头升/ 降及电容器组 ( 或电抗器)投/ 切。从控制原理自 身而言，它真实反应了电压、 无功的实际情况，具有原理科学，控制效果好的优点。实践表明，按该原理设计的控制 装置，能达到电压、无功综合优化控制的目的。 自 动控制装置的研制水平总是受当时的技术条件的制约。 从历史角度看， 变电站用 的v - q 控制装置大体上可分为电子型和微机型两大类。 前者的优点是结构简单、 成本低 廉， 缺点是功能单一、不具备通信能力、 适用性差。伴随着微机型控制器的出现， 这类 控制器目 前已经过时。由于微型计算机拥有强大的计算和逻辑判断能力， 微机型控制装 置具有灵活可靠、 功能强等一系列特点， 它除了能够完成测量和控制功能外， 还可具有 通讯、事故报警、事件顺序记录、统计、打印、显示等多项功能。 1 . 3目前主要存在的问题 微机型电压、无功控制装置已经应用于我国各种电 压等级的变电站中，并达到了比 较好的控制效果。自8 0 年代末9 0 年代初， 微机型控制装置投运以来， 在改善电压质量 和降低网损等方面起到了积极作用， 并获得了良 好的推广。 但在运行过程中也发现了一 些不足和值得完善的地方， 特别是进入9 0 年代中期后， 随着变电站自 动化水平的提高， 原有的电压无功调节装置普遍存在以 下一些问题: 1 、原有的v q c 装置普遍存在结构复杂、互换性差、体积大等特点。不仅装置本身 生产、调试工作量大，而且现场运行可靠性相对较差; 2 、 原 有 电 压 无 功 调 节 装 置 均 以 控 制 对 象 数 量 较 小 ， 大 部 分 是 以 2 台 有 载 调 压 变 压 器和两段母线上并接的并联电容器组作为控制对象， 难以适应新建大型变电站3 台以上 的有载调压变压器和3 - 4 段以上i o k v 母线的电压、无功控制要求; 3 、原有v q c 装置不具备通信功能， 难以适应变电站只能设备联网运行的要求，也 难以适应区域电网电压、无功综合优化控制的要求。在变电站运行管理逐步实行之后， 集控站或调度自 动化系统主站端难以 及时了解v q c 装置本身及被控设备和操作机构的 运 行情况， 难以实行远方参数的设置和定值的修改; 特别是近几年， 微机保护代替电 磁保 护， 原来为v q c 提供接点的继电 器换成了综合自 动化装置 制等信号给v q c 装置; ，不能再提供闭锁、位置、控 4 ,原有v q c 装置普遍精度不高， 在故障识别和处理能力上较差， 录功能，也不具备相应的运行情况的统计功能: 没有故障顺序记 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 5 、原有的v q c 系统造价较高，占 用变电站盘位，需要重复铺设大量的二次电缆， 信号重复采集，同时带来的日 常运行维护工作量也很大;由于v q c 是依赖硬件的， 故当 变电站系统接线或设备发生变化时，无法有效扩容，导致装置停运; 近几年，随着变电站自 动化水平的提高， 在新建变电站和旧站的自 动化改造中，大 量采用了变电站远程终端单元，即r t u 装置， 于是出现了将v q c 调节功能集成在r t u 中 的所谓软件v q c ，这种软件v q c 装置可以利用自 动化系统采集的实点信息或自 动化装置 传送的串口信息，做到资源共享，克服了硬件v q c 装置的很多不足。这样一来，我们完 全可以在不增加变电站投资的基础上， 在主站端 ( 或集控站) 通过程序的判断来实现无 功优化的目 的。 虽然此种方法存在通报延时， 有时难以及时进行控制， 而且调节功能 的实现依靠r t u 通信系统的完好的程度， 独立性相对要弱一些， 但是现在r t u 通道状况 的质量可靠性逐渐提高，已完全可以 满足要求， 且此种模式的优点是信息量全、 处理灵 活、 程序修改方便、安装简装， 变电站不需要施工等 。 .4 本文的主要工作 本文将在充分讨论变电 站电 压、 无功控制原理的基础上， 探讨电 压无功控制装 置的实用设计，主要工作包括: 简要回顾电压无功控制的发展概况，并着重指出了现有电压无功控制装置的 讨论电力系统电压、无功总体控制模式，以及变电站电压、无功优化控制原 对变电站v q c 装置的功能及各种问题进行了讨论; 对变电站r t u 装置进行了讨论; 对将v q c 功能集成在r t u 装置中进行了探讨; 结论和展望; (l)险(2);(3)(4)(5)(6) 缺理 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 变电站电压、无功优化运行控制 2 . 1 概述 电力系统的无功功率平衡和电压调整与有功功率和频率的调整有很大的不同， 具有 调节手段多， 可分散进行等特点。 变电站电压、无功优化运行与控制的任务就是充分利 用站内无功补偿容量和电压调节手段， 随时使母线电压和从系统中吸收的无功功率保持 在允许范围内， 从而达到提高供电质量，降低网 损的目 的。 它是电力系统v - q 总体控制 体系的重要组成部分。 一般地， 变电 站电压、 无功控制可采用两种模式，即就地控制和 集中控制模式。 所谓就地控制模式是指以变电站为综合研究对象， 根据给定的电压和无 功限值曲线， 对站内电压、无功调节设备进行综合优化控制。该模式主要是为适应电力 系统电压、 无功个别调节的要求，同时也可作为集中控制模式在中心计算机或信道故障 条件下备用。所谓集中控制模式是指， 在各节点状态满足一定的约束条件下，以全网损 耗最小为目 标的一种控制模式。 2 . 2 电力系统v - o 总体控制 2 . 2 . 1 电压、无功总体控制模式 从理论上讲，以整个电力系统为研究对象，以系统网络损耗最小为控制目 标，对系 统内的发电机组、无功补偿设备、调压设备、网络结构、无功负荷等可控量进行整体综 合优化控制，随时保持系统无功潮流最优分布及各节点电压合格， 无疑是最理想的。 但 是， 电力系统动态优化是一个十分复杂的时空分布的多目 标、 非线性优化问题。 一方面， 某一时刻的优化具有空间复杂性;另一方面， 一段时间 ( 如一天)内的优化又具有时间 复杂性。 其次， 优化目 标函数包括安全运行、经济运行、电能质量、电能损耗、发电成 本、故障处理与快速恢复等;而且被控设备千差万别。显然，对如此复杂而庞大的系统 直接进行多目 标优化控制实际上仍无法实现。 为此，根据电压、无功调节所具有的分散性的特点，国内外普遍采用的做法是将整 个系统根据一定原则分解成众多子系统分别进行协调控制。 我国在无功电刀调发上 了无功电力分层分区就地平衡的总体控制原则， 纵向按电压等级进行分层协调控制 alk r f 4 r .功电 为 i i i r .提出 横 向按地域进行分区协调控制。 v - q 总体控制结构如图2 . 1 所示。无功电力调度共分五级 进行， 实行按调度权限划分下的分级管理 由 上、 下两极调度部门 对调度衔接点的无功 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电力送出或受入量进行监督和控制， 根据实际情况协商确定“ 界面” 无功电 力交换量( 或 功率因数)范围。当 “ 界面”处的无功电力送出 ( 或受入)量超过规定值时，高峰时受 入方应首先予以调整至允许范围内;而低谷时送出方调度予以首先调整。当“ 界面” 上 母线电压超出规定的允许范围时，上级调度部门有权并有责任保持电压水平不越限。 各级调度部门对各自 所辖区域的调度是根据所属发电厂、变电站的无功电源容量和 调节能力， 进行综合协调调度， 以达到区域供电网络无功电力分层就地优化平衡的目 标。 在电网无功电力充足的条件下， 如果局部网 络电压下降或升高， 可通过改变有功与无功 潮流分配、 运行方式、 变压器变比及网络参数等措施进行电压调整， 保证本区域内 各节 点电 压运行在规定的允许范围内。 区域电力系统电 压、 无功调节元件的协调控制关系如 图2 . 2 所示。 图 2 . 1 我国电力调度分级 发 电厂 曰曰川日- 曰夕 丽。一 翌 器一六 一 * - 丫_ 变电站 件二 级 一 川一 二土一 止 一 is j c 一 ( -) - - -d 调相机 j控制器 州匕一 图 吕己 电力系统电压. 无功设备控制及协调关系 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 2 . 2 . 2 变电站电压、无功控制装置的地位与作用 由图2 . 2 不难看出，变电站电压、无功控制装置是v - q 总体控制系统的重要组成 部分。由它根据现场电压、无功调节设备 ( 包括有载调压变压器、并联电容器等)的配 置情况， 完成对现场设备的综合优化控制任务， 并经通信系统与调度中心取得协调。若 要做到区域电网电 压、无功综合优化控制，首先必须实现变电站电压、无功自 动控制。 总之，电力系统v - q 总体控制原则可概括为:分层集中综合控制，所谓分层就是 将整个电力系统按电压等级分解，由上、下级调度负责界面电压、无功协调控制; 所谓 集中就是将电力系统按区域划分， 每个调度区域对各种无功补偿设备、 调压设备， 根据 各自的功效及控制特性进行合理使用，协调控制。 2 . 3 变电站电压、无功控制原理 变电站电压、无功控制分就地 ( 分散)控制和集中控制两种模式，下面对这良 种模 式的控制原理分别作一讨论。 2 . 3 . 1 就地控制 就地控制就是以发电厂或变电站为中心，通过开展本站 或厂)内的调压设备和无 功补偿设备， 使该节点母线电压和进线无功功率维持在允许范围内。 变电站电压、无功 就地控制，从控制原理上讲，是一个多目 标 ( 电压合格，从系统中吸收容性无功功率最 小) ，多约束 ( 主变分接头开关日调节次数;电容器日投切次数;电压、无功上下限， 有功功率上下限;用户特殊要求等)的最优控制问题，但由于各个变电 站的电 容容量， 设备情况、运行条件不同，被控设备的优先级不同，要得到最优解相当复杂。 一、变电站v - q 控制的数学模型 为便于讨论，将输电系统简化为如图2 . 3 所示的形式。图中各符号定义如下 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 一 一 爪 芬一卜 r -. ; y . 不) 十 广 i 图2 . 3输 电系统简化图 u s - ， 一系统电 压 u . . 变电站主变高压侧电压 u 0 . . . 变电站主变低压侧电 压 u l 一 负 荷 端电 压 t x “ 一变压器变比 ( 可调) q, p . . 一分别为无功负荷和有功负荷 qc . . 变电 站内 补偿的无功功率 ( 从系 统吸收容性无功为正) a t , x * - 一变压器等值参数 r s , x s . . . 系统等值阻 抗 r l . x l . . 变电站线路等值阻抗 为达到无功功率就地平衡以及保证用户端电压合格的控制日 标，该系统电压、无功 控制的 数学 模型可表示为以 下目 标函 数: 1 、荷端电 压u l 与其额定电 压u ,， 的偏差最小，即 玩一 u l x 卜m i n ( 2 一1 ) z 、使变电 站无功尽可能就地补偿，即 q c 十 必十 q t 二 面n ( 2 一2 ) 约束条件: 1 、接点电压约束方程，即 u g = u s 一( 几十 a p t ) r , + ( q l + r 1 q t 一 q c ) x s ug ( 2 一3 ) u a二u g / t x -aur ( 2 -4 ) 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 u n 二 u l + r l + x l tg (u l p l 队 ( 2 一5 ) 2 、变电站可提供的无功补偿容量范围，即 q = n n q c q e w x 3 、主变分接头可提供的变比调整范围，即 介 、 。 丛介 三介 m ax 4 、并联电容器组的调节级差，即 q c = n a q c n = 1 , 2 , 3 . . . 或 孕 = n i a q c+ n 2 4 q c 2 + 十 na q c +.二 5 、变压器分接头调整级差 u n=u n 。 十入 7 u g 6 、变压器与电容器日允许动作次数，即 nc a u b ; 而且也应该大于投 ( 或切) 容量最大一组电 容器引起的最大电 压变化量 u c ，即 u a l e ; 3 、 无 功 上 下限 宽 度 q 宽 度必 须大 于 单 组电 容 器 容 量 q c ， 即 q a q c ; 而 且 也 应 该大于升 ( 或降)一档分接头引起的最大无功变化量 q b ，即 q a q b ;一般取 a q = 1 . 3 a q c ; 变电站电压、无功限值一般用阶梯曲线表示。在实际运行当中，根据变电站的实际 情况及特殊要求，在具体确定电压和无功上、下限值时，还可以考虑以 下一些办法: 1 、 为满足某时间段内让电容器投入的要求， 可以对无功上、 下限曲线做这样的处理: 如图2 . 6 所示， 将该时间 段内 的 无功 上、 下限曲 线同时向 左做适当 平移， 使 得该时间 段内运行状态比较容易进入1 区或2 a区。让电容器切下的做法刚好与此相反; 2 、 为满足负荷较轻的时间段内让电压维持在较低水平下运行的要求， 可以对电压上、 下限曲线做这样的处理;如图2. 6所示将该时间段内的电压上、下限曲线同时向下做 适当的平移，使得该时间段内运行状态比较容易进入3 区、4 区或5 区。为了满足较中 负荷的时间段内维持较高的电压水平下运行的要求， 对电 压上、 下限曲线所做处理刚好 与此相反; 3 、 为了满足减小动作次数的要求， 可以适当加宽电压和无功上、 下限曲 线之间的宽 度; ( 二)关于控制策略的说明 在实际 运行当中， 具体控制策略除了与此时的运行状态有关外， 也受当时所处的 运 行方式的制约。 简单说来运行状态确定控制策略， 而运行方式确定控制对象和方式 ( 并 列、解裂) 。 变电站电 压、无功控制对象按照当时的运行方式可分为并列和解列良 种情 况， 然后分别进行运行状态识别， 据此确定具体的控制策略。 对于装有多台主变的变电 站， 在各种运行方式下的运行状态识别和控制对象确定原则说明如下: 1 、 主变独立运行时电压、 无功分别取各台主变监视侧电压和进线无功功率，以主变 为单元进行9 区状态识别; 而几台主变并列运行时，电压、无功取自 监视侧母线电 压和 各主 变进线无功功率之和， 将并列运行的主变看成一单元进行9 区状态识别; 2 、并列运行的主变保证同步调压; 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 3 、 同 一段母线 ( 或并联母线) 上的并联电 容器组 ( 或电 抗器) 实行循环投切; 对于 三卷变， 如果并有电容器侧母线分裂运行，而未并有电容器侧母线并联运行，则容性无 功功率缺额大的主变对应母线上的电容器组优先投入 ( 或靠后切除) ; 也即，就地控制模式就是通过实时检测站内电压、无功两个状态变量，与相应事端 下的电压和无功上下限值比较，并结合当时变电站运行方式，按表 2 -2所列的控制规 律， 对变电站内的有载调压变压器分接头和并联电 容器组 ( 或电抗器) 进行综合优化控 制，以使电压、无功都尽可能运行在允许范围内; 2 . 3 . 2 集中控制 前面所讨论的就地控制模式，并没考虑在调节某个调压和无功补偿设备时对整个电 网的贡献和影响。事实上，无论是对变压器变比还是对并联电容器组的调节，都或多或 少地对电网内给接点电压和系统潮流产生影响。 就地控制虽然能实现站内电 压、 无功的 最优控制， 但对整个系统未必就是最佳。 所谓集中控制模式就是指针对某一个特定系统， 以 最小网络损耗为优化控制目 标， 在满足有关约束条件下，由中心计算机根据优化计算 结果， 实时给出各接点电压及允许从系统吸收的无功功率量， 各节点据此进行电压、 无 功设备的调节。 变电站电压、无功集中控制可通过两种途径实现:一是由中心计算机根据系统优化 结果， 以 绝对控制指令的方式发到站内， 站内再根据收到的指令， 执行相应的控制操作; 二是中心计算机根据优化计算结果， 实时给出各节点当前时段内的电压、 无功上下限值， 变电 站根据该电压、 无功上下限值以及当天的运行状态和运行方式， 进行逻辑运算， 完 成具体控制对象的选择与执行任务。 前者的优点在于可省去变电站电压、无功控制装置 的 模拟量测量软、 硬件开销; 其缺点是极大增加了调度中心的负担。 后者优点在于大大 减轻了调度中心的负担，可靠性更高。 由 此不难看出，集中控制与就地控制的区别在于:就地控制模式下，电压和无功上 下限 值一般事先给定。 这种方式只能做到本站电压、无功优化控制， 缺乏与整个系统电 压、 无功控制的协调， 主要是适应当前电网在线电压、无功优化计算和控制系统仍未健 全条件下实现 v -q自 动控制的要求。而集中控制下，电压和无功上、下限值根据系统 优化结果实时给出。该方式主要为实现区域电网电压、无功综合优化控制作准备。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章 v q c 装置及控制原理介绍 3 . 1 概述 电力系统各类变电站已广泛使用有载调压变压器和安装了高压电容器组， 过去有载 调压开关操作大多数是采用手动调节，高压电容器组仍采用人工监视手动投切的方式。 在电网波动大， 要求能及时调整的场所， 人工操作是相当繁重的工作， 操作不当， 不但 加大电压波动，还会影响电压质量，使电网电能损耗增加，影响电气设备使用寿命。一 般在变电站加装硬件电压无功调节装置来解决这个问题，v q c 装置发展到目 前，一般采 用工控机技术和数字信号处理技术， 实时交流采样电网参数，自 动综合地进行有载分接 开关的调节及电容器组的投切。早期的硬件v q c 装置采用z 8 0 为核心设计的控制系统， 后来基本上以高性能的1 6 位单片机8 0 1 9 6 k c 为核心设计，该芯片具有运算速度快，功 耗小、可靠性高、指令效率高、程序设计方便等一系列优点，较之原来的系统，不仅大 大提高了系统可靠性， 而且也大大节省了外围芯片开销， 从而降低设计成本和设计难度。 为防止系统因各种干扰出现 “ 死机” 情况，微机内部设有硬件 “ 看门狗”电路。系统万 一出 现死机情况，一段时间后，系统自 动复位， 重新启动系统。 测量电路一般使用专用 p t 取代普通变压器， 不仅可提高测量精度， 而且可缩小体积， 提高可靠性，同时以专用 c t 代替取样电阻， 在提高测量精度的同时， 消除了取样电阻对变电站电 流测量回路的影 响。 3 . 2 主要结构 电压无功综合控制装置硬件主要由以下几个部分构成:电压无功综合控制器、电源 及信号单元、电流电压变换单元、 主变控制单元、电容器组控制单元及打印机。 一般的 硬件结构框图如图3 . 1 所示: 3 . 3 控制对象 原有变电站用的硬件电压无功自 动控制装置，均按最多为2 台主变和2 段母线上的 并联电容器 ( 或电抗器) 作为控制对象。 前的硬件电压无功装置一般都满足3台 随着变电站变压器台数和母线段数的 增加，目 主变及 3 -4 段母线全部分列运行、部分分列运 行、 部分并列运行和全部并列运行等运行方式下的最优控制要求。 控制方式采用电 压限 值和无功限值综合控制，电压限值可选择曲线方式和计算方式; 无功限值可选择曲线方 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 式和优化方式。 图3 . 1 v q c 装置硬件结构图 3 . 4 运行方式的识别 运行方式是指变电站内， 主变处于并列运行还是独立运行，或是部分并列、部分分 列运行; 母线处于并联运行还是处于分裂运行，或是部分并联、部分分裂运行。为了制 定控制策略和确定控制对象， 必须对运行方式进行识别。自 动识别是微机根据变电 站主 接线短路器位置状态进行分析判断，以确定当时的运行方式，这对于主变台数不多，接 线方式比较简单的变电站来说比 较容易实现。 对于具有两台主变压器的变电 站， 其运行 方式比较简单，实际上只有四种运行方式。即: 两台主变压器均运行时:两台主变 压器并列运行/ 两台主变压独立运行。 只有一台主变压器运行时:一号主变压运行， 二号主 变压器停运; 二号主变压器运行， 一号主变压器停运。 但对于主变台数较多， 接 线方式比 较复杂的变电站， 就不再是一个简单的任务， 可能出 现的情况太多， 如果不根 据现场实际情况和实际需要分析判断， 找出一种行之有效的识别方法， 要实现自 动识别 相当困难。运行方式识别一般原则如下: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 1 ) 对于供电 变压器， 主变中、 低压两侧的出口断路器， 只要有一侧合上， 即可认 为该主变处于运行状态，多台主变运行时， 变压器中压侧与低压侧， 只要有一侧并联即 可认为主变并列运行。因此，判断运行方式时不需要知道主变高压侧断路器位置状态; ( 2 ) 对于电 压、无功自 动装置而言，运行方式没必要分得过细，只要知道: a 、 主 变和并有电容器组侧母线是否运行; b 、主变之间是并列运行还是独立运行，或是部分 并列、部分分裂运行;c 、并有电容器侧母线之间是并联运行还是分裂运行，或是部分 并联、部分分裂运行;d 、各段母线分别是由哪一台主变带; 图3 . 2运行方式自 动识别原理图 运行方式自 动识别软件， 在设计中采用了分布搜索策略， 其原理框图如3 . 2 图所示。 工作流程为: 首先根据读取的主接线断路器位置状态， 判断运行的主变台数; 然后根据 主变台 数识别出变压器当前运行方式， 根据母线段数识别出母线连接方式; 最后判断主 变与母线之间的关系。 微机随时都在判断主 接线断路器是否发生变位， 一旦 有断路器位 置发生变化，立即执行运行方式自动识别程序。 3 . 5 不同主变分接头情况处理 目 前，国内 各类变电 站中运行的有载调压变压器的分接头情况比 较复杂。 从分接头 档位数分，常见的大约有五种:即5 档、7 档、9 档、1 7 档、1 9 档等，在具体使用上， 对于1 9 档的分接开关， 往往把第9 , 1 0 和1 1 三档连在一起成为一个等电位点， 也有的 站因为 各种原因， 出 现具有不同 档位数的几台 有载调压变压器并列运行情况。 对于具有 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 等电 位点的 情况， 分接头位置信号的返回方式又有两种:( a ) 9 , 1 0 和1 1 各档为仍有各 自 的位置返回信号;( b ) 9 , 1 0 和1 1 三档看成一档信号返回。 本文将分接头情况处理分 为以下几种: 1 、正常情况:即站内主变分接头型号一样，每次主变分接头开关仅调一档，且变 压器调压机构每调一档的时间基本相同; 2 、动作时间不同:指有等电位且等电位各档仅有一个位置信号的情况，此时，调 到 ( 或过) 等电位点时， 动作时间较长， 虽然调压机构实际走了两档， 但从位置返回信 号来看，仅指示走了一档; 3 、等电 位调压:指有等电位点且等电位点各档仍返回各自 的位置信号的情况，此 时，调压机构过等电位点时，机构实际走了两档，返回信号指示也调了两档。 主变分接开关的显示一般采用十进制输入方式， 包括一一对应输入方式或b c d 码输 入方式: 3 . 6 防连调功能 连调是指由于主变调压机构失灵或其它原因，造成v q c 装置发调压指令，变压器调 压机构连续走过多档的现象。 对变电站而言， 连调是一种相当严重的故障现象， 如果不 能做出处理，不仅会造成电压严重不合格 压器并列运行， 其中一台主变发生连调， ， 而且有可能烧毁调压机构。此时若有几台变 势必加大变压器之间的环流， 从而导致负荷分 配不成比例， 甚至造成一台轻载，一台严重过负荷。 所以v q c 装置必须识别调压机构连 调并做出相应的反应。 一般情况下，每升 压机构的调压马达电源， ( 或降)一档分接头所用的动作时间基本相同，可以通过切断调 来控制变压器调压机构以停止升或降分接头操作。 其实现思路 如图3 . 3 所示。防连调功能是当发出调压指令， 等待时间t 秒 ( 现场可根据不同调压机 构的调节时间设定) 后， 的v q c 功能， 若己 动作， 首先判断机构是否拒动，若拒动，则发报警信号并闭锁该单元 则在下一个t 秒 ( t 为调节下一档分接头所需动作时间) 内，系统检查是否发生连调，一旦发现连调， v q c发急停指令，切断调压马达电源 后发报警信号，如果在时间t 内没有发现连调现象， 则认为调压操作正常完成。 一般硬件v q c 装置具有二级分接开关防连调功能，通过硬件电路实现延时控制 时间 ，之 即采 在非连调档位采用工 段延时实现防连调， 在正常连调档位自 动闭锁工 段防连调回路 用1 1 段延时实现防连调，无需对主变调压机构箱做任何改动; 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 图3 .3防连调功能原理图 3 .7 交流采样 老式v q c装置中y c量采集部分一般采用直流采样，现场所测量的电气信息量通过 p t , c t 经变送器转换为直流信号， 再接入采集单元， 相对而言， 存在精度比 较低， 反应 速度比较慢， 无相位信息等缺点， 而且造成现场二次复杂， 变送器维护不易保证的问题。 目 前的电压无功控制装置一般采用交流采样实现有关电气量的测量。 由于v q c 装置的任 务是根据电 压、 无功情况进行实时优化控制，因此，电压和无功的测量力求准确。 装置 从外部p t( 或c t )回路引进模拟信号，以一周波采3 2 点为例，各量的测量原理简述如 下:交流采样的方法是将一个周期t 的波形3 2 等份，采集每一等分时刻的电压、电 流 信号瞬时值u 和i ， 通过计算直接获得电 压、电 流、 有功、 无功等电 气量。 交流采样的算 法一般分为积分算法和富氏算法， 现简述如下: 3 . 7 . 1 积分算法 ( 1 )电压测量公式为 、 一 责 i j=nvii u jzj=1 取 n = 3 2 ，得 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 、 一 1 j=32(1i y, u 232 jr- ( 2 )电流测量公式为 i a _ 生 .侨 n v 置 - 取n = 3 2 ，得 i n = ( 3 ) 无功功率 ( 指各台变压器从系统中吸收的总无功功率， 在三相对称系统中) 测 量公式为 u, . _， 。 。 ， 、仄， r q 一 x u b i b s in 0 一 ” “ 言1 b s m (y u 一 十 0 1) = y j cu ca t b t,u w i 所以其测量公式可表示为: 万 i jt . v 一 nv l . li u i=r 取 n = 3 2 ，得: 行 j am. v 一 3 2 ( 4 )视在功率 s = gu i ( 5 )有功功率 p = 廿 s 2 一 q 2 ( 6 )功率因数: c 口 s rp = p n 其中 n . . . . 一个周波采样点数; ij . 电 流 采 样点 瞬时 值; 。 ， 电 压 采 样 点 瞬 时 值 ; 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 3 . 7 . 2 傅氏算法 交流采样算法中，积分算法不能有效抑制零点漂移，保证测量精度;并且其无功测 量精度受电网对称度的影响， 而采用富氏算法可有效的克服上述问题， 更符合电力系统 的需要，全周波富氏算法如下: f ( t ) = a + 艺a k s i n ( k ru t + ) 将f ( t ) 分别乘以s i n w t 和 波分量: c o s r o t再积分一个基波周期， 便可消去各次谐波分量获得基 r , = q ， = 手 i f (t) sln (w t)d t 子 ff (t， 一 w t)d t 用3 2 个采样和代替积分，则基波分量为 r , = 丢 鑫 f (t) 2 威 s i n -= n 。 一 2n 鑫 f (t) 116 氢 f (t) sin 壳 氢 f (t) cos 2 欣 3 2 2 威 3 2 由此可得: u =u,2 + u , 2 i= 尸 = y = 1 , 2 + 1 2 u r i r + 叽抢 u r i q 一 叽i r s = 廿 p 2 + q 2 c o s rp 3 . 8 闭锁功能 为了使电压无功综合控制装置能够做到安全 外， 还应考虑它的闭锁条件，即在某种条件下， 致动作，这些条件主要包括: ， 可靠地运行，除了考虑它的控制条件 应闭锁电压无功综合控制装置， 使其不 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 系统发生故障、变电站母线发生故障、主变压器故障、主变压器异常运行。 变压器或电容器的使能压板或手把置手动位置时闭锁操作; 低压侧母线电压低于额定电压的7 5 % 时，闭锁所有操作; 变压器的高压侧电流大于额定电流1 . 0 5 倍时，闭锁调压操作; 变压器故障跳闸以及本体调压轻瓦斯，闭锁调压操作; 有载调压开关出现连调故障时闭锁调压操作，同时切除调压机构电 源; 电容器保护跳闸时，装置闭锁电容器的投切操作; 当控制装置发出电容器跳闸或变压器调压指令后，被控设备未完成预期的操作， 则闭锁再次对该设备进行控制; 在5 分钟内，对同一被控对象发出相反的操作指令，予以闭锁; 变压器档位已到达上下限， 主变压器分接头日调节次数己达上限，电容器日 投切 次数已 达上限，上一次动作后，延时末到时均应将装置自 动闭锁; 主变压器或电力电容器正常退出操作时， 应闭锁该台主变压器或电容器控制装置。 一般闭锁信号有二种接入方法:一是采用中间继电器空接点信号;二是采用二极管 隔离与光字牌信号共用接点的方法。 3 . 9电容器投切原则 电容器组的投切应实行循环的原则，即 保证最先投入者最先切除， 最先切除者最先投 入; 电容器组轮换投切应考虑运行方式的影响，当每台主变压器既有关联又有独立性时， 应各自 投切本身所带的电 容器组，当一台 变压器停运， 变压器所对应的母线由 其他运行 中的 变压器供电， 控制装置能随即对两段母线上的电容器组进行优化循环投切; 可将任意一台变压器的调压机构和任意一组电容器的投切控制设置为自 动控制方式或 手动控制方式; 当电容器组串以 不等百分电 抗值的电 抗器时，主机可以根据大小电抗器搭配的需要， 按给定的顺序进行投切， 并在此基础上实现循环投切。当任意一组或几组电 容器退出自 动控制方式时， 主机仍能按照大小电抗器搭配的需要，自 动确定新的投切顺序， 并在此 基础上进行循环投切; 变电站低压母线、电压过高或过低时应闭锁电容器组的投切 电容器检修或保护动作时应将电容器组投切闭锁; 3 . 1 0 变压器分接头调整原则 多台主变压器并列运行时 必须保证同步调档 2 5 且并列运行的各主变压器必须同时升 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 降; 确保有载调压分级进行，每次只能调一档，前后两次调档应有一定的延时，档位上下 限应有限位措施; 人工闭锁或主变压器保护动作后应闭锁调档; 调档命令发出后要进行校验，发现拒动或滑档应闭锁调档机构; 变压器过负荷时应自 动闭锁调压功能; 主变分接头移动在有空挡或无空挡的情况下， 为保证动作的及时性，其反校时间不一 样。 3 . 1 1 限值计算 3 . 1 1 . 1 电压限值及计算方法 电压限值的计算方法一般有两种方式: ( 1 )曲 线方式: 按每日4 8 个时段设定电压上、 下限值， 保存在设备参数库中， 各时段的限 值，每半小时之内为同一个上、一 限值; ( 2 )计算方式: 按从系统吸收的实时有功负荷自 动计算确定电压上、下限值，电压上下限 由下式确定: 电压上限: u= u t + 1 / 2 a u 电压下限: u l =u s 一 1 / 2 4 u 确 m e x 一 玩 m m 尸 max 凡+ u d m in = kx 凡+ u d m m 其中: 单台变压器最大运行功率 ( m w ) ; 尸max u d . a c u d m in 对应p m 。 的低压母线电压值 ( k v ) ; p = 0 时低压母线电压值 ( k v ) ; a u . . . 设定的电 压上下限宽度; 尺 有功 功 率 实 时 测 量 值 ( m w ) ; 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 3 . 1 1 . 2 无功限值及计算方法 无功限值的计算方法一般有两种方式: ( 1 )曲线方式: 按每日4 8 个时段设定无功限值。 无功上、 下限宽度自 动设定为每组电容器的1 . 3 倍， 保存在设备参数库中，无功上、下限 值由 下式确定: 无功上限: q a = q a + 0 . 6 5 q , 无功下限: q ， = q ， 一 0 .6 5 q , 其中 q c ” ” ” q s 单组电容器容量 ( m v a r ) 无功上下限中间值 ( m v a r ) ( 2 ) 优化方式: 按曲 线 方 式中q s - 0 自 动 确 定 上 下限 ， 保 证功 率 因 数 尽 可能 高， 即: 无功上限: 无功下限: q 。 = 0 .6 5 q c q 。 = - 0 .6 5 q c 3 . 1 2 事件顺序记录 老 式 电 压 无 功 调 节 装 置 一 般 不 具 备 事 件 顺 序 记 录 功 能 ， 从 而 不 能 再 现以 往 发 生 的 事 件， 对故障和设备运行状况分析造成困难。目 前电压无功控制装置设计增加了事件顺序 记录功能，具体记录的事件包括: 各被控设备保护动作故障出现的时间、各被控设备拒动出现的时间、各台主变调压 机构出 现连调故障的时间、 各台主变过负荷出 现的时间、各台主变低电 压出 现的时间、 各台主变每次升/ 降分接头操作时间、各组电容器投/ 切的动作时间等; 3 . 1 3 显示功能 控制装置主要信息采用c r t 显示，人机界面友好，全部中文菜单提示; 正常运行时，同时显示 3台变压器高压侧、中压侧、低压侧的电压、高压侧电流及有 功功率、无功功率和功率因数; 具有掉电保护功能的自 动计时电路并显示实时时钟信息; . 能显示三台变压器的分头位置， 各电容器组的状态 ( 合闸状态、 跳闸状态、 故障状态) ; 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 能显示4 8 个时段的控制定值; 3 . 1 4 通讯功能 早期的v