变电站电压无功的控制研究 - 全文

　　摘要：本文阐明了变电站电压无功的控制原理，控制方式。 同时，本文详述了各种控制策略，分析了人工智能技术在电压无功控制中的作用。尤其分析了目前电力系统广泛使用的“九区图”法所存在的问题，以及基于此的各种改进策略。最后本文对我国变电站电压无功控制的现状和未来发展所需要注意的问题进行了总结。

　　1 引言

　　电力系统中，电压时衡量电能质量的一项重要 指标，电压波动过大，不仅影响电气设备的利用效 率和使用寿命，而且会危及系统的安全稳定运行， 甚至会引起电压崩溃，并造成大面积的停电事故。 同时，无功功率也是影响电压质量的一个重要因素， 实现无功的分层、分区就地平衡，是降低网损的重 要手段，因此各级变电站承担着电压无功调节的重 要任务。

　　在变电站中，电压无功控制（voltage reactive power control，VQC）主要采取的是利用有载变压 器和并联补偿电容器组进行局部的电压及无功补 偿的自动调节，以保证负荷侧母线电压在规定的范 围内及进线功率因素尽可能接近 1。 VQC 保证了电压合格、无功基本平衡，同时也减少了变压器和电 容器的调节次数。频繁操作有载调压变压器分接头 开关和投切并联补偿电容器会引起变压器和开关 设备故障，因此各变电站对其每天的调节次数均有 严格的限制。采取合理的控制策略和控制手段，能 够降低电容器组的平均运行温度、减少投切开关的 动作次数及变压器分接开关的调节次数，可延长开 关、电容器、变压器的使用寿命。

　　变电站电压无功的调节性能与VQC的控制策 略是密切相关的。 VQC装置的研究是从上世纪70年 代开始的，如今内外已形成了一整套比较成熟的控 制策略［1~3］。近年来，随着电力系统信号采集和处 理技术、高速通信技术和卫星同步授时技术的迅速 发展［4］，为区域电网电压与无功的多级分层与分 区协调控制提供了技术支撑［5］。

　　本文首先论述了变电站无功综合控制的几种控制方式，随后对各种变电站电压无功控制策略做了详细的介绍和分析，最后对现在变电站常用的 “九区图”法的改进策略作了详细说明和分析。

　　2 变电站电压无功综合控制的主要方式

　　当系统无功电源不足时，不宜采用调整变压器变比的方法来提高电压，而必须增设无功补偿装置。 目前，国内外主要采用有载调压变压器和补偿并联电容器组，通过自动调节有载变压器的分接头位置和投切并联电容器来实现调节电压合格和无功平衡的目的。其控制方式分三种［6］：

　　2.1 集中控制方式

　　集中控制是指在调度中心对各个配电中心的调压 设备和无功补偿设备进行统一控制。这种控制方式 从理论上讲是保持系统电压正常和实现无功平衡 以及提高系统运行可靠性和经济性的最佳方案。但 它要求调度中心必须具有因地制宜的电压和无功 优化实时控制软件，而且它需要对各配电中心具有

　　2011-2012 学期电力自动化系统课程论文

　　遥测、遥信和遥控的功能， 对通道的可靠性要求高。 另外，最好各配电中心具备智能执行单元。但在我 国目前各变电站的基础自动话层次不一的情况下， 实现全系统的集中优化控制难度还比较大。

　　2.2 分散控制

　　分散控制是我国当前进行电压无功综合控制 的组要方式。它是在各个变电站或发电厂中，自动 调节有载调压变压器的分接头位置和其它电压调 节器，控制无功功率补偿设备的工作状态，使得当 前负荷变化时，该地区的电压和无功功率保持在规 定的范围内。分散控制对提高受控站供电范围内的 电压质量和降低局部网络变压器的电能损耗，减轻 值班员的操作很有价值，但它只能实现局部优化， 无法实现全局优化。

　　2.3 关联分散控制方式

　　关联分散控制是指在正常运行情况下，由安装 在各站的关联分散控制装置根据设计好的控制规 律对电压进行控制，调控范围和整定值是从整个系 统的安全、稳定和经济运行出发，可先由电压无功 优化程序计算好，做出责任分散、控制分散、危险 分散;而在紧急情况下或系统运行方式发生大的变 动时，则可由调度中心直接控制或由调度中心修改 下属变电站所维持的母线电压和无功功率的整定 值，以满足系统安全、稳定、经济运行的新要求， 从而从根本上提高全系统的可靠性和经济性。该控 制方式要求执行关联分散控制任务的装置一方面 要有较高的智能水平，能够进行逻辑分析、判断、 自动修改调整控制规律;另一方面要有强大的通讯 能力和手段，既能方便地向上级调度中心递交正常 运行报告，又能接受调度中心的各种控制命令。但 是这种方式需要采用专门的关联分散控制装置，这 就会带来投资成本的增加。

　　3 电压无功控制的调节判据

　　变电站的电压无功控制其实是一个多目标（电 压合格、无功平衡）及多约束（无功功率上下限、 电压上下限、并联电容器投切次数和调压变压器分 接头动作次数）的最优控制问题。但是，对于这个 多输入多输出的闭环控制系统（MIMO），实际上很 难建立精确的数学模型。目前所采用的实用有效的 控制策略是根据工程实用算法得到的。按控制策略 的不同可分为以下几种：

　　3.1 单一控制策略

　　3.1.1 按功率因素控制

　　功率因素数值实时变化是在一定范围内的，以 功率因素作为判据是，即当功率因素低于所设定的 变化范围下限时，电容器组投入，当功率因数高于 所设定的变化范围区间的上限时，电容器组切除。 但是这种控制方式没有考虑投切并联电容器后无 功功率的变化对母线电压的影响，而且假如负荷较 小，投切电容器组产生的无功功率的变化会使功率 因数发生较大的变化，因此，投切电容器组的动作 过于频繁， 极易引起投切振荡。 为了克服这些缺陷， 出现了改进的自动投切装置，这种装置根据负载区 的不同自动整定各负载区不同的功率因数，并采用 自动选取法进行自动投切，此外，临界因数法也是 一种解决临界振荡问题经常采用的方法，这种方法 限定了轻负荷时的临界震荡区，有效地解决了电容 器投切的振荡问题。

　　3.1.2 按电压控制

　　电压控制是通过实施监控母线电压的变化看、来进 行电容器组的投入或切除操作。当母线电压低于所 设定的限定值时，投入相应数量的补偿电容器组， 当母线电压高于所设定的变化范围限定值时，自动 切除相应数量的补偿电容器组。但是这种判据忽略 了无功功率因数平衡这个要求，虽然对母线电压的 调节取得了一定的效果，但是在无功功率补偿问题 上，作用并不明显。

　　3.2 综合控制策略

　　3.2.1 按电压和昼夜时间负荷控制

　　此方法是通过研究采集到的变电站的日负荷 曲线变化特点，然后通过给曲线分段来确定负荷时 段分布的。采用这种方法，可以在不同负荷阶段及 时监控变电站电压和无功功率，调节变压器的分接 头和并联电容器组。由于需要对负荷进行分段，此 方法的适应性较差，只适和变电站的负荷比较稳定 的情况，而且随着季节和负荷的不断变化，负荷时 段的划分需要进行相应调整。

　　3.2.2 按电压综合控制有载分接开关和电容器组

　　其电压控制边界如图 A1 所示，当母线电压 U≤ Ut下限时， 降有载分接开关升压;当 U≤Uc 下限 时，投入电容器组;当 U≥ Ut上限时，升有载分接 开关降压;当 U≥Uc 上限时，切除电容器组。这种 方案比仅调节电容的方案好一些，但仍没有考虑无 功的补偿效果，且调节过程也不合理，比如电压高是升有载分接开关还是切电容，要首先判别电压高 是由无功过剩引起的还是由于有载分接开关位置 过低引起的，不能简单的规定调有载分接开关或是 投切电容器组。

　　3.2.3 按电压和功率因数复合控制

　　按电压、功率因数复合控制构成的判据有两种 判别方式，一是以电压以主，功率因数为辅，即只 要电压合格， 则不考虑功率因数， 当电压不合格时， 根据电压和功率因数的性质决定电容器组的自动 投切;另一种是以电压和功率因数作为两个并行的 判据，即使电压在合格范围内，如果功率因数满足 投切的条件，则对电容器组发出投切指令。第一种 判别方式，尽管考虑了无功补偿效果，但由于在某 些运行状态下，缺无功补不上去，超无功切不下， 致使无功补偿效果仍然较差;第二种判别方式， 在某 些运行状态存在对并联补偿电容频繁误投切现象。

　　3.2.4 电压和无功综合控制

　　利用电压和无功构成综合判据，按照电压上、 下限和无功上、下限将运行区域划分为九个区，形 成了目前应用最广泛的“九区图”控制理论。在变 电站实际运行中， 根据采集的电压、 无功数据信息， 来判断当前运行在哪个区域，然后分别按照九区图 的每个区的控制调节策略，制定变压器分接头挡位 和补偿电容器组的投切控制策略。在图 A2 中，U 上限和 U 下限根据电压合格范围确定， 有时为了实 现电压逆调整，需要根据各个负荷时段确定电压的 上、 下限;Q 上限和 Q 下限是根据每组电容器容量、 电容偏差及无功基本平衡和保持投切基本稳定原 则确定。Q 下限表示无功过剩，Q 上限表示无功不 足。各个区的控制规则如下［7，8］：

　　0 区——电压无功均合格，不调节，此区为稳 定工作区。

　　1 区——电压越上限，降压。

　　2 区——电压越上限，无功越上限，先降压， 如无功仍越上限，投电容。

　　3 区——电压合格，无功越上限，投电容。 4 区——电压越下限， 无功越上限， 先投电容， 若电压仍越下限则升压。

　　5 区——电压越下限，升压。

　　6 区——电压越下限，无功越下限，先升压， 如无功仍越下限，切电容。

　　7 区——电压合格，无功越下限，切电容。

　　8 区——电压越上限， 无功越下限， 先切电容， 如电压仍越上限则降压。

　　3.3 基于人工智能的电压无功控制策略

　　3.3.1 基于模糊控制理论的电压无功控制原理

　　模糊控制适用于不确定的、有不同量纲的、相 互冲突的多目标优化问题。通过模糊隶属度函数， 把电压和无功偏差量、分接头档位、可调电容器组 数等模糊化处理，转化为模糊集论域的词变量，作 为模糊控制器的输入。控制器的输出对应于控制规 则表内电压和无功偏差的一种组合，最后把控制器 的输出模糊化，得到作用于分接头调节和电容器组 投切控制的精确值。

　　模糊算法所需信息量少、计算量小，且能很好 的反映电压的变化情况，容易在线实现，在模糊控 制下，系统的电压性能及稳定性均有令人满意的控 制效果［9］。

　　3.3.2 基于人工神经网络负荷预测的电压无功控制

　　原理 人工神经网络有集体运算和自适应学习的能 力，有预测性、指导性和灵活性的特点，将无功预 测与优化决策相结合，该控制策略首先将相关的历 史数据输入无功预测神经网络训练样本集，再将负荷预测结果及电压、无功、功率因数等系统实时数 据模糊化，输入控制决策神经网络，输出控制信号 ［10］。

　　利用神经网络技术，分析电压发生变化的原因 和趋势，确定综合控制策略，能大大减少变压器分 接头调节次数。

　　3.3.3 基于专家系统的电压无功控制原理

　　专家系统是在一个特定领域内用人类专家水 平去解决该领域中难以用精确数值模型表示的困 难问题的计算机程序。专家系统的基本思想是让计 算机能够存储某一领域的专门知识，并能够像专家 那样有效地利用这些知识去解决该领域的复杂问 题。

　　专家系统具有启发性、 透明性、 灵活性等特点。 在实际应用中，运行调试人员预先根据经验和具体 要求，根据可能出现的各种情况制定一套基于规则 的专家系统。运行时，专家系统针对具体的变电站 配置情况、电压等级、系统运行时段，模拟专家决 策的过程，根据规则综合、智能地调节无功电压， 从而达到预期的控制目标。目前许多学者利用专家 系统这些优点和特点研究开发变电站无功电压专 家系统的控制策略。它的典型应用是将己有无功电 压控制经验或知识用规则表示出来，形成专家系统 的知识库，进而根据上述的规则由无功电压实时变 化值求取电压的调节控制手段［11］。

 

　　3.3.4 基于遗传算法的电压无功控制原理

　　遗传算法（GA）是一种通过模仿生物遗传和进化过程寻求复杂问题的全局最优解的搜索和优化方法。遗传算法具有较高的鲁棒性和广泛的适应性， 对求解问题几乎没有什么限制，也不涉及常规优化问题求解的复杂数学过程，并能够获得全局的最优解集，因此在电力系统研究涉及优化问题的领域中得到了广泛的应用。利用遗传算法求解实际问题的过程是，首先将实际问题编码成染色体，将实际问题的目标函数转化为染色体的适应函数，然后在初 始种群的基础上，按一定的适应值在种群中选择个体，使之进行生殖，交叉，变异等遗传操作，产生下一代种群，这样逐代遗传，直到满足期望的终止 条件。

　　通过遗传算法搜索变压器分接头的档位和投切电容器组的组合，得出母线电压，再根据电压求 解线路和变压器损耗，并统计投切电容器组数，计算出适应度函数，寻找适应函数最小的优化方案。 由于有历史数据的指导以及遗传算法强大的寻优能力，采用所提方法进行控制时，使电压合格、裕度较大，从而系统的安全经济性能更高［12］。

　　4 目前变电站电压与无功综合控制策略的问题及其改进

　　4.1 传统控制策略存在的问题

　　目前工程实际中应用最广泛的是传统的“九区图”理论，按照电压上、下限和无功上、下限将运行区域划分为九个区，各个区域对应不同的控制策略，根据实时电压、无功所在的运行区域，采取相应的控制方法。

　　“九区图”的无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标轴的固定边界线，而实际运行中无功的调节对电压是有影响的，但在“九区图”中 无功的调节的边界竟然与电压状态无关，因此产生一系列问题：

　　（1）控制策略是基于固定的电压无功上下限而未考虑无功调节对电压的影响及其相互协调关系， 造成控制振荡、频繁动作问题。

　　（2）用于运算分析的信息具有随机性、分散 性的特点，造成了控制决策的盲目性和不确定性， 实际表现为装置频繁调节。

　　（3） “九区图”的某些区对于两类设备的控制 都起作用时，难于区分哪一类效果更好。

　　（4） “九区图”中两类设备动作的先后顺序对 控制结果影响很大，如顺序不当会产生频繁动作、 投切振荡等现象。

　　（5） “九区图”对于控制设备的使用是无限次 的，而实际操作中分接头调节和电容器组投切次数 是有严格限制的。

　　（6）由于“九区图”中只要进入第 0 区就不 会再有调节，可能造成系统长时间运行在电压、无 功或功率因数不合格状态边缘，而不能做到将系统 控制在额定最佳运行状态。

　　4.2 九区图的改进

　　电压无功综合控制策略应综合考虑变压器分 接头和电容器组调节过程中，所引起的系统电压无 功变化趋势以及其它一些相关的变化。近年来，针 对以上的一系列问题进行了改进（如采用 17 区域图 法、 模糊边界法等）， 虽然在一定程度上改善了控制 效果，但实际运行效果仍不太理想。

　　4.2.111 区图法

　　针对传统九区图法对于某些区控制结果产生 的振荡现象以及装置频繁动作的缺陷，增加了 2-3 和 6-7 这两个小区作为防震区，得到如图 A3 所示 改进的“九区图” 。当运行点位于 2-3（或 6-7 ）小区 内时，控制策略为下调分接头降压（或上调接头升 压）。

　　4.2.2 13 区域图法

　　有人对九区图进行更细致的划分，提出了较图 A3 更加完善的改进九区图（实质为 13 区域图法）， 如图 A4 所示。

　　4.2.317 区图法 更为改进的策略是在九区图中再细分 8 个小区，采 用 17 区域图法的控制策略。如图 A5 所示。每个区 的控制方案可自动整定，也可手动整定，自动整定 可按五种方式进行：只考虑电压， 只考虑无功，电压 优先，无功优先，综合考虑。

　　由上所述可以发现，以上控制策略的改进以动 作区间的进一步细化为特点，然而这些改进的控制 策略存在一个普遍问题是控制为单向控制，认为其 设定的限值为恒定值，即未考虑无功调节对电压的 影响及其之间相互协调关系， VQC 一直使用这些定 值，这些定值与实际值的误差往往会导致装置的误 动作或控制振荡。

　　4.2.4 电压无功模糊边界调节

　　电压调节边界应该是相对固定的（各个负荷时 段可不同）， 无功调节边界应该是一个受电压状态影 响且在一定范围内服务于电压调节的一个模糊边 界。考虑到无功调节对电压产生的影响，将电压状 态引入无功调节判据，把原来固定的无功上下限边 界变为受电压影响的模糊边界，就形成了模糊边界 的电压无功控制策略，如图 A6 所示。

　　5 结束语

　　我国目前各变电站的基础自动话层次不一的 情况下，实现全系统的集中优化控制难度还比较大。 采用并联分散控制虽然满足系统安全、稳定、经济运行的要求，但是采用专门的关联分散控制装置带 来投资成本的增加。同时，分散控制仍然是我国变 电站的主要控制方式。因此，如何实现全系统的集 中优化控制是我国未来变电站自动化建设上所需 要解决的问题。

　　变电站电压无功综合控制是一个多目标、多约 束的复杂的非线性控制问题。它受到电压、无功、 时间、负荷率、负荷电压静态特性、运行方式、有 载调压变压器分接头档位和电容器组状态等多种 因素的影响，其控制规律难以用精确的数学模型表 达。同时，作为变电站电压无功控制的两个主要手 段：运用有载调压变压器进行有载调压和运用并联 电容器组进行无功调节，不是独立的，他们之间存 在着一定的关联性，在有载调压的同时也会影响无 功，在无功调节的同时也会影响电压。现在，各种 智能算法已经与传统的“九区图”法相结合，提出 了各种改进的控制策略。但是，如何完全解决九区 图法的缺陷，还是需要进一步研究。