SCADAbased VQC Program Design for District Power Network
任 冬，邊少輝，王占輝，孫海新
（滄州供電公司，河北滄州061001）
摘 要：電網(wǎng)的電壓控制和無功優(yōu)化是提高電壓合格率，降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效手段�；�SCADA的地區(qū)級(jí)電網(wǎng)VQC程序是在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，通過編制軟件實(shí)現(xiàn)的一種無功優(yōu)化和電壓控制方法。以一個(gè)地區(qū)級(jí)電網(wǎng)VQC程序設(shè)計(jì)為例，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)VQC的控制原則進(jìn)行了詳細(xì)探討，并對(duì)其實(shí)用化提出了一些處理方法。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；電壓無功優(yōu)化；集中控制
Abstract：Voltage control and reactive power optimization are effective means to increase rate of qualified voltage, reduce grid losses, and improve the system stability. The SCADAbased voltage qualification control (VQC) program for district network is a reactive power optimization and voltage control method based on existing equipment and realized through programmed software. Using a district network as an example, this paper discusses control strategy of district network VQC and proposes some applicable treatment methods.
Keywords：power network;voltage reactive power optimization; centralized control
0引言
近年來，負(fù)荷曲線峰谷差逐漸加大，電壓與無功的調(diào)節(jié)很頻繁，如果全部由值班人員進(jìn)行，不僅大量增加值班人員的工作量，而且很難做到調(diào)節(jié)的及時(shí)性；對(duì)于無人值班變電站,人工調(diào)節(jié)顯得更為困難。
研究人員根據(jù)等網(wǎng)損微增率提出了許多電網(wǎng)的無功優(yōu)化算法，但由于工程復(fù)雜，這一典型問題的解決始終未能盡如人意。現(xiàn)在，大多數(shù)工作都是通過投切電容器和調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭，達(dá)到使流經(jīng)主變壓器的無功潮流盡可能小和二次側(cè)母線電壓盡量維持在期望電壓值附近的目的。近年來，單一變電站的電壓無功控制（VQC）技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)大量地應(yīng)用到實(shí)際電力系統(tǒng)中。這一裝置雖然解決了在一個(gè)變電站內(nèi)的電壓無功優(yōu)化控制，但由于其僅僅采集一個(gè)變電站的運(yùn)行參數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)范圍內(nèi)各變電站的電容器和有載調(diào)壓變壓器分接檔位進(jìn)行綜合考慮協(xié)調(diào)控制，并且如果每個(gè)變電站都安裝VQC，必將大量增加投資。目前SCADA已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行多年，為全網(wǎng)VQC的開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)；而且EMS系統(tǒng)中的電網(wǎng)無功優(yōu)化模塊部分功能還不完善，執(zhí)行策略中還存在一些自相矛盾的問題。因此，有必要研發(fā)一套基于電力系統(tǒng)已有設(shè)備的無功電壓優(yōu)化控制軟件。
1基于SCADA的地區(qū)級(jí)電網(wǎng)VQC
1.1實(shí)現(xiàn)條件
這是一個(gè)設(shè)想在地區(qū)級(jí)電網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的全網(wǎng)VQC，它仍然依據(jù)著名的九區(qū)圖原理，只是更多地考慮電力系統(tǒng)無功電壓調(diào)節(jié)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和各變電站之間的相互影響。
全網(wǎng)VQC能在地區(qū)級(jí)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)是由地區(qū)級(jí)電網(wǎng)自身特點(diǎn)決定的。以滄州電網(wǎng)為例，首先沒有大的發(fā)電廠，不涉及發(fā)電機(jī)無功出力控制，這就使得調(diào)節(jié)手段簡(jiǎn)單；其次，110 kV變電站以220 kV變電站為中心，形成相對(duì)獨(dú)立的供電小區(qū)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；最后，調(diào)度SCADA、EMS系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行多年，變電站中綜合自動(dòng)化站占有相當(dāng)比例，具備了實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)VQC的硬件條件。
1.2程序設(shè)計(jì)總體思路
本程序以全網(wǎng)網(wǎng)損盡量小、各節(jié)點(diǎn)電壓合格為目標(biāo)，以集控中心（調(diào)度中心）為核心，以各變電站有載調(diào)壓變壓器分接檔位調(diào)節(jié)與電容器投切協(xié)調(diào)控制為手段。即利用調(diào)度SCADA采集到的變電站主變高中低三側(cè)有功、無功、電壓、電流、有載調(diào)壓主變分頭位置以及主變?nèi)齻?cè)開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)、電容器開關(guān)的遙信值，計(jì)算功率因數(shù)cosφ，判斷運(yùn)行方式、主變壓器和電容器狀態(tài)，然后按照給定的電壓曲線和功率因數(shù)控制值對(duì)變壓器分頭、電容器組形成相關(guān)指令，通過遠(yuǎn)動(dòng)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)，或者形成執(zhí)行策略表，通過在主站端手動(dòng)遙控，從而實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，并盡量減少調(diào)節(jié)次數(shù)。
1.3主程序流程
主程序流程圖見圖1。
a. 從“程序啟動(dòng)”到“讀控制定值”主要實(shí)現(xiàn)量測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、不良數(shù)據(jù)檢測(cè)、狀態(tài)監(jiān)視、閉鎖告警、讀取控制定值、啟動(dòng)核心分析模塊等功能。
b. “電容分析模塊”和“電壓分析模塊”以及“運(yùn)行方式判斷模塊”是本程序的核心模塊，下文將仔細(xì)分析。
c. 執(zhí)行策略表將把分析得到的電容器投退和主變分接頭調(diào)節(jié)結(jié)果列表給出，形成相關(guān)操作指令，但并不出口執(zhí)行。
d. EMS潮流返校是利用能量管理系統(tǒng)的“調(diào)度員潮流”功能先進(jìn)行模擬操作，結(jié)果正確后再出口執(zhí)行。
1.4主要功能
a. 全網(wǎng)電壓和全網(wǎng)無功的在線監(jiān)視、計(jì)算、調(diào)整，提高電力系統(tǒng)電壓合格率，盡最大可能滿足無功就地平衡。
b. 集中自動(dòng)控制。無需值班人員干預(yù)，滿足無人值守站的要求，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。
c. 操作管理。程序每一次操作命令發(fā)出后，都有控制操作的記錄，保存分析。
d. 每個(gè)變電站根據(jù)不同季節(jié)不同時(shí)段有不同的電壓曲線和功率因數(shù)控制值。
e. 系統(tǒng)采用了開放分布式結(jié)構(gòu),易于擴(kuò)充和升級(jí)。
f. 系統(tǒng)軟件具有在線線損計(jì)算功能，能夠保存調(diào)整前后潮流斷面和線損計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行電力系統(tǒng)分析。
g. 用戶可以選擇控制模式：模擬控制模式或?qū)嶋H控制模式，人工干涉模式或自動(dòng)控制模式�？梢赃x擇控制區(qū)域：全地區(qū)或個(gè)別供電小區(qū)。
h. 完善的運(yùn)行方式判別功能。
i. 完善的閉鎖功能。
j. 系統(tǒng)具有良好的可維護(hù)性：友好細(xì)致的輸入輸出界面參數(shù)輸入維護(hù)界面，以及各種結(jié)果的輸出報(bào)表。
2核心程序模塊及其控制原則
2.1運(yùn)行方式判別模塊
其程序流程圖如圖2所示。
本模塊對(duì)運(yùn)行方式判別能力的高低對(duì)VQC的實(shí)用化至關(guān)重要。其根據(jù)變電站內(nèi)主變高中低壓三側(cè)受總開關(guān)、高中低壓母線母聯(lián)開關(guān)的狀態(tài)判斷主變的運(yùn)行方式。正常運(yùn)行方式包括：高壓側(cè)并列、分裂運(yùn)行，中壓側(cè)并列、分裂運(yùn)行，低壓側(cè)并列、分裂運(yùn)行；考慮了某一段母線退出運(yùn)行或通過母聯(lián)由另一主變供電的特殊方式。主變分裂運(yùn)行方式，應(yīng)判別各段母線分別由哪一臺(tái)主變供電。以上的判斷結(jié)果都置相應(yīng)記錄，以備“電壓分析模塊”和“電容分析模塊”調(diào)用。本模塊主要應(yīng)用于地區(qū)級(jí)典型變電站接線方式。
2.2電壓分析模塊
本模塊采用“逆調(diào)壓”原則。在電壓合格范圍內(nèi)，高峰負(fù)荷時(shí)電壓偏上限運(yùn)行，低谷負(fù)荷時(shí)電壓偏下限運(yùn)行。如果電網(wǎng)無功潮流合理，當(dāng)某變電站低壓側(cè)母線電壓偏離合格范圍時(shí)，分析同電源同電壓等級(jí)變電站和上級(jí)變電站電壓情況，自行決定是調(diào)節(jié)本站主變分接頭還是調(diào)節(jié)上級(jí)電源變電站主變分接頭。考慮了220 kV站110 kV母線電壓調(diào)整對(duì)該供電區(qū)各110 kV站母線電壓的影響。電容器組投切后對(duì)電壓的變化量ΔU用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
ΔU=Q/Sd×U
式中ΔU——電壓變化量；
Q——投入電容量；
Sd——母線短路容量；
U——運(yùn)行電壓近似計(jì)算。
主變并列運(yùn)行時(shí)分接頭的調(diào)節(jié)要聯(lián)調(diào)，并考慮變壓器有載調(diào)壓步長(zhǎng)不一致時(shí)的相互配合問題。從參數(shù)采集上避免振蕩調(diào)節(jié)和越限調(diào)節(jié)，并保證動(dòng)作次數(shù)最少。分析計(jì)算時(shí)，考慮主變分接頭是否為有載。當(dāng)功率因數(shù)合格、電壓不合格時(shí)，如果投入電容器能達(dá)到要求，優(yōu)先考慮投電容器，考慮沖擊負(fù)荷對(duì)變電站母線電壓的影響，考慮因閉鎖操作或操作失敗導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與執(zhí)行結(jié)果不一致的情況。110 kV變電站調(diào)整電壓時(shí)兼顧中壓側(cè)和低壓側(cè)電壓情況，如2組電壓調(diào)整發(fā)生矛盾時(shí)，則首先保證低壓側(cè)的電壓合格率。220 kV變電站調(diào)整電壓時(shí)兼顧中壓側(cè)和低壓側(cè)電壓情況，如2組電壓調(diào)整發(fā)生矛盾時(shí)，則首先保證中壓側(cè)的電壓合格率�？蓪⑷我庖慌_(tái)變壓器的調(diào)壓控制設(shè)置為自動(dòng)控制方式或手動(dòng)控制方式。主變分接頭每天調(diào)節(jié)次數(shù)不大于規(guī)定次數(shù)。如果主變分接頭調(diào)到死點(diǎn)，電壓仍不合格，則考慮投入或切除電容器組，即遵循電壓優(yōu)先的原則。
2.3電容分析模塊
如果電壓在合格范圍內(nèi)，本模塊先考慮本變電站內(nèi)無功潮流是否合理，再考慮同級(jí)電網(wǎng)內(nèi)無功潮流是否合理，在不向上一級(jí)電網(wǎng)倒送無功的前提下，允許同級(jí)電網(wǎng)內(nèi)變電站之間部分無功倒送。無功分析首先從110 kV站開始，分析220 kV站時(shí)考慮本供電區(qū)內(nèi)110 kV站的電容器投切情況。當(dāng)電容器組串以不等百分電抗值的電抗器時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)大小電抗器搭配的需要，自動(dòng)確定投切順序，并在此基礎(chǔ)上實(shí)行循環(huán)投切。當(dāng)任意一組或幾組電容器退出自動(dòng)控制方式時(shí)，本模塊仍能按照大小電抗器搭配的需要，自動(dòng)確定新的投切順序，并在此基礎(chǔ)上實(shí)行循環(huán)投切。當(dāng)運(yùn)行中某組電容器故障跳閘時(shí)，本模塊將根據(jù)大小電抗器搭配的需要，自動(dòng)確定是否需要切除其他電容器。除有投切順序的電容器組外，其余電容器組本著輪換投切，先投先切，后投后切的原則投切，投切的時(shí)間間隔不小于規(guī)定時(shí)間，每天投切次數(shù)不超過規(guī)定次數(shù)�？蓪⑷我庖唤M電容器的投切控制設(shè)置為自動(dòng)控制方式或手動(dòng)控制方式。對(duì)于主變中、低壓側(cè)都有電容器組的情況，要考慮無功功率的分配情況，使中、低壓側(cè)無功功率達(dá)到最優(yōu)分配。220 kV站盡量使110 kV母線無功平衡分配。并列運(yùn)行母線可以按同一條母線進(jìn)行電容器組的投切。為求準(zhǔn)確性，將要投切電容器的實(shí)際無功量不用電容器標(biāo)稱電容量，而由下式計(jì)算：實(shí)際無功量=（電容器所在母線實(shí)際電壓/電容器標(biāo)稱電壓）2×電容器額定容量。
3系統(tǒng)實(shí)用化處理
本系統(tǒng)不是進(jìn)行全網(wǎng)潮流計(jì)算，而是試圖建立符合全網(wǎng)網(wǎng)損盡量小，電壓合格率盡量高的優(yōu)化及控制判斷規(guī)則。為保證操作指令在相應(yīng)的元件中可靠地執(zhí)行，本系統(tǒng)十分注意處理好與原來的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、指令接口問題。
3.1系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)
本系統(tǒng)的控制參數(shù)整定和上下限值整定十分方便靈活，具體參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目有：變電站表（序號(hào)、變電站名、所屬區(qū)域、上行通道狀態(tài)、下行通道狀態(tài)），母線表（電壓范圍、短路容量、[WTBX]K[WTBZ]值表、調(diào)整前后電壓實(shí)際值和計(jì)算值、電壓歷史曲線、接地告警、時(shí)間），開關(guān)刀閘表（遙信情況、人工置位、時(shí)間），變壓器表（參數(shù)、量測(cè)、功率因數(shù)控制值和計(jì)算值、繞組損耗、時(shí)間），電容器表（參數(shù)、量測(cè)、時(shí)間），分接頭表，線路表（參數(shù)、量測(cè)、功率因數(shù)、損耗、時(shí)間），峰谷表，測(cè)量信息表，遙測(cè)計(jì)算表，遙信計(jì)算表等。
3.2自閉鎖功能
安全性如何是VQC能否用于實(shí)際的關(guān)鍵，本系統(tǒng)具有以下自閉鎖功能：
a. 中壓側(cè)或低壓側(cè)母線電壓低于額定電壓的75％或高于標(biāo)稱電壓的120%時(shí)，閉鎖該站所有操作。
b. 中壓側(cè)或低壓側(cè)母線三相電壓不平衡，有接地故障時(shí)，不進(jìn)行電容器的投切操作。
c. 變壓器的高壓側(cè)電流大于額定電流時(shí)，不進(jìn)行主變調(diào)壓操作。
d. 變壓器故障跳閘時(shí)以及本體或調(diào)壓輕瓦斯動(dòng)作時(shí)，閉鎖所有操作。
e. 變壓器有載調(diào)壓裝置出現(xiàn)連調(diào)故障時(shí)閉鎖調(diào)檔指令并報(bào)警。
f. 當(dāng)變壓器并列運(yùn)行，出現(xiàn)分頭不同步時(shí)，閉鎖調(diào)壓操作并報(bào)警。
g. 主變分接頭檔位動(dòng)作次數(shù)達(dá)到當(dāng)天限值或總次數(shù)達(dá)到限值時(shí)，閉鎖調(diào)壓操作。
h. 電容器動(dòng)作次數(shù)達(dá)到當(dāng)天限值，閉鎖電容器投切操作。
i. 電容器保護(hù)跳閘時(shí)，閉鎖跳閘電容器的投切操作。
j. 系統(tǒng)發(fā)出電容器投切或變壓器調(diào)壓指令后，被控設(shè)備未完成預(yù)期的操作，則閉鎖該設(shè)備的操作并報(bào)警。
k. 系統(tǒng)自檢異常時(shí)閉鎖所有操作并報(bào)警。
l. 在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)（可設(shè)），對(duì)同一控制對(duì)象發(fā)出相反的操作指令時(shí)閉鎖操作。
m. 控制對(duì)象處于停運(yùn)或檢修狀態(tài)時(shí)閉鎖相應(yīng)設(shè)備的操作。
n. 信息通道或者遠(yuǎn)動(dòng)裝置故障，閉鎖該站所有操作。
本系統(tǒng)還具有完善的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集(包括不良數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè))、圖形系統(tǒng)、報(bào)表工具等功能。
5結(jié)論
全網(wǎng)VQC軟件對(duì)無功電壓優(yōu)化與控制實(shí)現(xiàn)了從離線處理到實(shí)時(shí)處理，從就地平衡到全網(wǎng)平衡，從單獨(dú)控制到集中控制，優(yōu)化過程不依賴于無功潮流計(jì)算，控制過程無需增加任何硬件設(shè)備，使系統(tǒng)軟件具有實(shí)用性和可靠性。
