鄭晶晶，楊勇,王維洲

(甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050)

國家電網(wǎng)公司對無功電力的管理規(guī)定要求對投入或切除無功補(bǔ)償裝置，應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)自動控制方式的要求[1]。為使地區(qū)電網(wǎng)電壓與無功電能最大可能地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，采用地區(qū)電網(wǎng)無功電壓[2-6]優(yōu)化運(yùn)行集中控制系統(tǒng)，提高電壓合格率，減少了有載調(diào)壓變壓器分接頭開關(guān)動作次數(shù)，提高電容器投入率，提高了設(shè)備使用壽命和安全運(yùn)行水平[7]。手動控制勞動強(qiáng)度大，運(yùn)行人員很難做到精度較高的控制，多進(jìn)程實(shí)時控制減輕了調(diào)度中心、集控中心值班人員勞動強(qiáng)度，避免了人為誤差，真正實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)無功電壓實(shí)時控制，完善并提高了無人值班變電所自動化水平。

1 地區(qū)無功電壓控制存在的問題

1）地區(qū)無功電壓控制存在2個問題。自動控制：做不到精確控制，調(diào)整操作相對滯后[8]。

2）變電站VQC裝置控制：不能從全網(wǎng)考慮無功補(bǔ)償設(shè)備是否投入；不能實(shí)現(xiàn)無功功率區(qū)域平衡；不能從全網(wǎng)考慮是否調(diào)節(jié)主變分接開關(guān)檔位。

近年來，隨著變電站一二次設(shè)備的更新改造，調(diào)度自動化“四遙”功能已日趨完善。利用調(diào)度自動化“四遙”功能實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運(yùn)行實(shí)時閉環(huán)控制已成為可能[9-16]。研究開發(fā)新型全電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化自動控制系統(tǒng)條件已成熟。

2 地區(qū)電網(wǎng)無功集中控制系統(tǒng)的功能

2.1 全網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償功能

當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)內(nèi)各級變電站電壓處在合格范圍內(nèi),控制本級電網(wǎng)內(nèi)無功功率流向合理，達(dá)到無功功率分層就地平衡，提高受電功率因數(shù)[17-24]。同電壓等級不同變電所電容器組根據(jù)計算決策誰優(yōu)先投入。同變電所不同容量電容器組根據(jù)計算決策誰優(yōu)先投入。

2.2 全網(wǎng)電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)功能

當(dāng)無功功率流向合理，變電站母線電壓超上限或超下限運(yùn)行時，分析同電源、同電壓等級變電站和上級變電站電壓情況，決定是調(diào)節(jié)本變電站有載主變分接開關(guān),還是調(diào)節(jié)上級電源變電所有載主變分接開關(guān)檔位。電壓合格范圍內(nèi)，實(shí)施逆調(diào)壓;實(shí)現(xiàn)減少主變并聯(lián)運(yùn)行臺數(shù)，以降低低谷期間母線電壓；實(shí)施有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)優(yōu)化分配；實(shí)現(xiàn)熱備用有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)檔位聯(lián)調(diào)。

2.3 無功電壓綜合優(yōu)化功能

當(dāng)變電站10 kV母線電壓超上限時，先降低主變分接開關(guān)檔位，如達(dá)不到要求，再切除電容器；當(dāng)變電站10 kV母線電壓超下限時，先投入電容器，達(dá)不到要求時，再提高主變分接開關(guān)檔位，盡可能保證電容器投入量達(dá)到最合理。實(shí)現(xiàn)預(yù)算10 kV母線電壓，防止無功補(bǔ)償設(shè)備投切振蕩。

2.4 電容器最優(yōu)配置與在線損耗計算功能

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷，計算各變電站電容器單組或多組容量最優(yōu)配置值，為改造或新增電容器數(shù)量和容量提供理論依據(jù)[25]。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能損耗在線計算，并實(shí)時報告，為電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度提供理論支持。

3 地區(qū)無功電壓集中控制系統(tǒng)技術(shù)方案

地區(qū)無功電壓集中控制系統(tǒng)其主站及客戶端就是一套計算機(jī)系統(tǒng)，是完全可以滿足電網(wǎng)無功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)要求的。

3.1 信息采集

使用了“內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)”，極大提高了數(shù)據(jù)存取速度，為無功優(yōu)化的快速計算提供了可能。同時，由于大量數(shù)據(jù)只與內(nèi)存交互而不存取硬盤，防止了硬盤的早損。使用了“多線程技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了無功優(yōu)化系統(tǒng)并發(fā)事件的執(zhí)行，達(dá)到實(shí)時控制的效果。動態(tài)使用好定時器的個數(shù)，防止計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行性能的下降。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型和要求的不同，采用不同的傳輸協(xié)議。

3.2 數(shù)據(jù)處理

1）將SCADA數(shù)據(jù)庫各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)有效讀入無功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)。

2）為每個數(shù)據(jù)設(shè)定上下限，用以判斷數(shù)據(jù)是否合理。

3）具備較長時間的數(shù)據(jù)積累能力。

4）數(shù)據(jù)庫應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)共享。

5）可以利用狀態(tài)量完成對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的描述。

6）可以人工設(shè)定對某一狀態(tài)是否進(jìn)行遙控操作，且用不同的顏色標(biāo)示出來；對于進(jìn)行檢修的區(qū)域,可以用顏色標(biāo)示出來。

3.3 人機(jī)界面

1）可以根據(jù)需要，在交互狀態(tài)下進(jìn)行特定數(shù)據(jù)處理，如遙控、遙調(diào)操作。

2）根據(jù)需要，顯示所有與電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行有關(guān)的圖形。

3.4 實(shí)時數(shù)據(jù)庫

1）支持上述所有有關(guān)數(shù)據(jù)的采集處理及人機(jī)界面所涉及的有關(guān)實(shí)時數(shù)據(jù)庫的操作。

2）實(shí)時數(shù)據(jù)庫應(yīng)留有備份。

3）數(shù)據(jù)庫的容量不受限制。

3.5 計算機(jī)系統(tǒng)方案及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓?fù)?/h3>

無功電壓優(yōu)化服務(wù)器，從SCADA系統(tǒng)采集全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓、無功功率、有功功率等實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)[26]，進(jìn)行優(yōu)化計算后，形成有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)指令、無功補(bǔ)償設(shè)備投切指令及相關(guān)控制信息，然后將控制信息發(fā)送至各TOP3000工作站，各工作站再將控制指令交SCADA系統(tǒng)執(zhí)行，如圖1所示。此后循環(huán)往復(fù)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓?fù)?/p>

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)從SCADA系統(tǒng)傳入數(shù)據(jù)，并通過SCADA系統(tǒng)下達(dá)指令。SCADA系統(tǒng)將本系統(tǒng)所需要的遙測遙信數(shù)據(jù)分別以數(shù)據(jù)報文形式轉(zhuǎn)發(fā)給本系統(tǒng)，系統(tǒng)通過解析所有傳送過來的報文后得到數(shù)據(jù)，計算得出相應(yīng)的操作指令，將指令同樣以報文形式發(fā)回到SCADA系統(tǒng)，SCADA收到指令后發(fā)出遙控命令。在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，避免了數(shù)據(jù)通過硬盤的存儲來實(shí)現(xiàn)，這樣會大大縮短數(shù)據(jù)傳輸所需要的時間。

5 安全性與安全策略

5.1 計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩呗?/h3>

使用“內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)”，提高了數(shù)據(jù)存取速度，防止了硬盤的早損。使用“多線程技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化系統(tǒng)并發(fā)事件的執(zhí)行，達(dá)到實(shí)時控制效果。動態(tài)使用好定時器的個數(shù)，防止計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行性能下降。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型和要求的不同，采用不同的傳輸協(xié)議。采用數(shù)據(jù)傳輸“回?！惫δ?，即網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)接受方向必須再向傳輸方進(jìn)行一次數(shù)據(jù)返送校驗(yàn)，以核實(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

5.2 調(diào)度SCADA系統(tǒng)的安全策略

深入掌握調(diào)度SCADA系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與安全控制機(jī)制，做好無功優(yōu)化系統(tǒng)“接口軟件”。為實(shí)現(xiàn)多條控制指令的并發(fā)執(zhí)行，確保系統(tǒng)控制的實(shí)時性，可以大量減少與調(diào)度SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

5.3 現(xiàn)場設(shè)備的安全策略

變壓器有載調(diào)壓開關(guān)、電容器投切開關(guān)，要進(jìn)行更新改造，確保可靠動作，系統(tǒng)需具備手動或自動調(diào)整的可靠設(shè)置。二次設(shè)備采集量要完整、準(zhǔn)確，且可靠傳輸。

5.4 無功電壓優(yōu)化運(yùn)行管理的安全策略

制定“電網(wǎng)區(qū)域無功電壓綜合控制系統(tǒng)”運(yùn)行管理規(guī)程。廠、站、點(diǎn)號的調(diào)整必須嚴(yán)格保證無功優(yōu)化系統(tǒng)與調(diào)度SCADA系統(tǒng)的一致性[27]。手動操作時，應(yīng)先對無功優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖。實(shí)施用戶級別控制，使不同的用戶具有不同的權(quán)限。

6 項(xiàng)目實(shí)施后預(yù)期目標(biāo)

項(xiàng)目實(shí)施后預(yù)期目標(biāo)如下。

1）減少了有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)動作次數(shù)近40%，電容器的投入率提高到50%，延長了設(shè)備使用壽命，大大提高了現(xiàn)有設(shè)備的使用率，減輕了檢修勞動強(qiáng)度，受到了設(shè)備主人的支持;提高了地區(qū)受電功率因數(shù)，減少電能損耗[28];提高了電壓質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的變電站,10 kV母線電壓合格率可達(dá)到100%。

2）減輕了調(diào)度中心值班人員勞動強(qiáng)度，避免了人為誤差，真正實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)無功電壓實(shí)時控制，完善并提高了無人值班變電所自動化水平[29]。本系統(tǒng)由純計算機(jī)軟件構(gòu)成，免除了硬件維護(hù)。系統(tǒng)安全可靠，自適應(yīng)功能強(qiáng)，能自動糾錯,自動閉鎖,自動形成相關(guān)動作數(shù)據(jù)等，不會發(fā)出影響電網(wǎng)與主設(shè)備安全的操作指令。

3）準(zhǔn)確地統(tǒng)計了主變分接開關(guān)、電容器開關(guān)每年每月每日動作次數(shù)，為最大限度地發(fā)揮設(shè)備潛力和設(shè)備檢修提供了依據(jù)[30];同時促進(jìn)了電容器的配制,電器投切開關(guān)的更新,有載變覆蓋面的擴(kuò)大及其有載分接開關(guān)的性能的提高。

7 項(xiàng)目實(shí)施后應(yīng)用效果

該項(xiàng)目已在某供電公司應(yīng)用。以下就110 kV城西變進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對比投入無功電壓優(yōu)化系統(tǒng)前后的效果。

7.1 電壓合格率

表1是城西變電站未投入無功優(yōu)化系統(tǒng)的電壓合格率。從表1可以看出，城西變電站未投入無功優(yōu)化系統(tǒng)10 kV電壓合格率最高只可達(dá)到95.45%。

表1 城西變電站未投入無功優(yōu)化系統(tǒng)的電壓合格率

在城西變投入自動控制之后，電壓合格率有了很大提高，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 城西變電站投入無功優(yōu)化系統(tǒng)的電壓合格率

從表2數(shù)據(jù)可以看出，無功優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)后，10 kV電壓不合格時間減少，電壓合格率達(dá)到97%以上。

7.2 功率因數(shù)

表3和表4分別為城西變電站未投入和投入無功優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)。從表3可以看出，城西變電站未投入無功優(yōu)化系統(tǒng)主變功率因數(shù)最高只可達(dá)到0.973；而在城西變投入自動控制之后，功率因數(shù)有很大提高，數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 城西變電站未投入無功優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)

表4 城西變電站投入無功優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)

從表4數(shù)據(jù)可以看出，無功優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)后，功率因數(shù)提高，電壓合格率達(dá)到0.98以上。

8 結(jié)語

目前地區(qū)電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置投入率較低，未達(dá)到“分層控制、就地平衡”的目標(biāo)，以更加合理地實(shí)現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置投入，降低線損，控制電壓合格率，對地區(qū)電網(wǎng)無功系統(tǒng)加裝集中控制裝置，主要解決目前電容器投入率較低的問題。實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償設(shè)備合理投切和無功分層就地平衡，確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)主變分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)最少和電壓合格率最高，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)損率最小，進(jìn)一步提高電網(wǎng)調(diào)度自動化水平。

[1] 姚李孝,肖靚,王磊.基于改進(jìn)遺傳算法的配電網(wǎng)無功優(yōu)化[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(4):24-28.

[2] 王喜剛，翟智勇，楊海波.基于遺傳算法的無功電壓控制分區(qū)研究[J].陜西電力，2009,25(7):37-40.

[3] 鄭晶晶,王維洲,楊勇.平?jīng)?10 kV電網(wǎng)無功電壓問題分析及解決方案[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(7):48-52.

[4] 張術(shù).傳統(tǒng)、當(dāng)下和智能電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點(diǎn)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(1):47-50.

[5] 王萬軍，張世學(xué)，惠建峰.750kV電網(wǎng)對陜西無功電壓和線損的影響[J].陜西電力，2009,25(4):28-31.

[6] 宋元峰，吉安，呂一斌.西安地區(qū)電網(wǎng)無功電壓現(xiàn)狀分析和改進(jìn)措施探討[J].陜西電力，2007,23(4):47-50.

[7] 魏小淤,楊洪耕,張安安.基于控制設(shè)備狀態(tài)診斷的變電站電壓無功控制方法[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(2):17-20.

[8] 王薇，蘇煜.改進(jìn)遺傳算法在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展,2008，24(4):24-28.

[9] 張興然，常欣.變電站電壓無功綜合控制策略的研究[J].陜西電力，2009,25(8):26-28.

[10] 王劍，黃吾康，楊慧，等.有效提高配電網(wǎng)電壓合格率的措施[J].陜西電力，2010,26(7):69-71.

[11] 惠建峰，焦莉，張世學(xué).自動電壓控制系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用分析[J].陜西電力，2009,25(2):38-41.

[12] 李磊.基于暫態(tài)數(shù)學(xué)模型VSC—HVDC功率控制系統(tǒng)研究[J].陜西電力，2010,26(9):6-9.

[13] 章立宗，金乃正，吳凌燕，等.地區(qū)電網(wǎng)三級無功優(yōu)化模式研究[J].陜西電力，2007,23(10):50-52.

[14] 劉慧媛，楊俊華，陳少華，等.矩陣變換器空間矢量調(diào)制的閉環(huán)控制研究[J].陜西電力，2010,26(1):11-16.

[15] 郝海斌，唐小娜，郭懷德.基于非線性控制策略的智能電網(wǎng)DSTATCOM模型研究[J].陜西電力，2010,26(1):41-44.

[16] 傅旭，李冰寒.一種新的電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定預(yù)防控制方法[J].陜西電力，2009,25(6):21-25.

[17] 姜寧，王春寧，董其國.無功電壓與優(yōu)化[M].北京：中國電力出版社，2006.

[18] 劉桂龍,王維慶,張新燕,等.無功優(yōu)化算法綜述[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(1):4-8.

[19] 張靠社,華志強(qiáng),王媛,等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(4):22-25.

[20] 張洪蘭,彭晨光,劉連光.GIC作用下的變壓器勵磁電流及無功功率特性[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(2):13-17.

[21] 黃倫,左劍飛,吳敏.配電網(wǎng)無功優(yōu)化規(guī)劃及控制系統(tǒng)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(6):20-22.

[22] 王正風(fēng),黃太貴.發(fā)電機(jī)無功功率與機(jī)端電壓對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(3):36-40.

[23] 張樂斌,曹勝利,鄭明.電廠側(cè)無功控制方式與最優(yōu)控制模式[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(6):49-54.

[24] 何啟明,王奔.基于改進(jìn)粒子群算法的多目標(biāo)無功優(yōu)化[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(5):11-14.

[25] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社,2004.

[26] 段金長.改進(jìn)遺傳算法在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008,24(6):15-20.

[27] 何建軍,鄭霓虹,王官潔.基于改進(jìn)遺傳算法的配電網(wǎng)無功優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2002，24(3):56-60.[28]沈曙明.變電站電壓無功綜合自動控制的實(shí)現(xiàn)與探討[J].繼電器，2000,31(11):45-49.

[29] NALLAGOWNDEN P,THIN L T,GUAN N C,et al.Application of Genetic Algorithm for the Reduction of Reactive Power Losses in Radial Distribution System[J].Power and Energy，2006，28(2):38-42.

[30] 劉文穎，王維洲.甘肅電網(wǎng)內(nèi)無功環(huán)流的計算分析[J].甘肅電力技術(shù)，2005，5(5):12-15.