地區電網無功電壓優化運行集中控制系統

鄭晶晶，楊勇,王維洲

(甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州730050)

國家電網公司對無功電力的管理規定要求對投入或切除無功補償裝置，應逐步實現自動控制方式的要求[1]。為使地區電網電壓與無功電能最大可能地實現優化，采用地區電網無功電壓[2-6]優化運行集中控制系統，提高電壓合格率，減少了有載調壓變壓器分接頭開關動作次數，提高電容器投入率，提高了設備使用壽命和安全運行水平[7]。手動控制勞動強度大，運行人員很難做到精度較高的控制，多進程實時控制減輕了調度中心、集控中心值班人員勞動強度，避免了人為誤差，真正實現了全網無功電壓實時控制，完善并提高了無人值班變電所自動化水平。

1 地區無功電壓控制存在的問題

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

2）變電站VQC裝置控制：不能從全網考慮無功補償設備是否投入；不能實現無功功率區域平衡；不能從全網考慮是否調節主變分接開關檔位。

近年來，隨著變電站一二次設備的更新改造，調度自動化“四遙”功能已日趨完善。利用調度自動化“四遙”功能實現全電網無功電壓優化運行實時閉環控制已成為可能[9-16]。研究開發新型全電網無功電壓優化自動控制系統條件已成熟。

2 地區電網無功集中控制系統的功能

2.1 全網無功優化補償功能

當地區電網內各級變電站電壓處在合格范圍內,控制本級電網內無功功率流向合理，達到無功功率分層就地平衡，提高受電功率因數[17-24]。同電壓等級不同變電所電容器組根據計算決策誰優先投入。同變電所不同容量電容器組根據計算決策誰優先投入。

2.2 全網電壓優化調節功能

當無功功率流向合理，變電站母線電壓超上限或超下限運行時，分析同電源、同電壓等級變電站和上級變電站電壓情況，決定是調節本變電站有載主變分接開關,還是調節上級電源變電所有載主變分接開關檔位。電壓合格范圍內，實施逆調壓;實現減少主變并聯運行臺數，以降低低谷期間母線電壓；實施有載調壓變壓器分接開關調節次數優化分配；實現熱備用有載調壓變壓器分接開關檔位聯調。

2.3 無功電壓綜合優化功能

當變電站10 kV母線電壓超上限時，先降低主變分接開關檔位，如達不到要求，再切除電容器；當變電站10 kV母線電壓超下限時，先投入電容器，達不到要求時，再提高主變分接開關檔位，盡可能保證電容器投入量達到最合理。實現預算10 kV母線電壓，防止無功補償設備投切振蕩。

2.4 電容器最優配置與在線損耗計算功能

根據電網實際負荷，計算各變電站電容器單組或多組容量最優配置值，為改造或新增電容器數量和容量提供理論依據[25]。實現電網電能損耗在線計算，并實時報告，為電網實現經濟調度提供理論支持。

3 地區無功電壓集中控制系統技術方案

地區無功電壓集中控制系統其主站及客戶端就是一套計算機系統，是完全可以滿足電網無功優化集中控制系統要求的。

3.1 信息采集

使用了“內存數據庫技術”，極大提高了數據存取速度，為無功優化的快速計算提供了可能。同時，由于大量數據只與內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”，實現了無功優化系統并發事件的執行，達到實時控制的效果。動態使用好定時器的個數，防止計算機系統運行性能的下降。根據傳輸數據類型和要求的不同，采用不同的傳輸協議。

3.2 數據處理

1）將SCADA數據庫各節點數據有效讀入無功優化集中控制系統。

2）為每個數據設定上下限，用以判斷數據是否合理。

3）具備較長時間的數據積累能力。

4）數據庫應支持數據共享。

5）可以利用狀態量完成對電網運行狀態的描述。

6）可以人工設定對某一狀態是否進行遙控操作，且用不同的顏色標示出來；對于進行檢修的區域,可以用顏色標示出來。

3.3 人機界面

1）可以根據需要，在交互狀態下進行特定數據處理，如遙控、遙調操作。

2）根據需要，顯示所有與電力系統調度運行有關的圖形。

3.4 實時數據庫

1）支持上述所有有關數據的采集處理及人機界面所涉及的有關實時數據庫的操作。

2）實時數據庫應留有備份。

3）數據庫的容量不受限制。

3.5 計算機系統方案及系統網絡結構和拓撲

無功電壓優化服務器，從SCADA系統采集全網各節點運行電壓、無功功率、有功功率等實時運行數據[26]，進行優化計算后，形成有載調壓變壓器分接開關調節指令、無功補償設備投切指令及相關控制信息，然后將控制信息發送至各TOP3000工作站，各工作站再將控制指令交SCADA系統執行，如圖1所示。此后循環往復。

圖1 系統網絡結構和拓撲

4 系統數據通信

系統從SCADA系統傳入數據，并通過SCADA系統下達指令。SCADA系統將本系統所需要的遙測遙信數據分別以數據報文形式轉發給本系統，系統通過解析所有傳送過來的報文后得到數據，計算得出相應的操作指令，將指令同樣以報文形式發回到SCADA系統，SCADA收到指令后發出遙控命令。在數據傳輸過程中采用了內存數據庫，避免了數據通過硬盤的存儲來實現，這樣會大大縮短數據傳輸所需要的時間。

5 安全性與安全策略

5.1 計算機與網絡傳輸的安全策略

使用“內存數據庫技術”，提高了數據存取速度，防止了硬盤的早損。使用“多線程技術”，實現無功優化系統并發事件的執行，達到實時控制效果。動態使用好定時器的個數，防止計算機系統運行性能下降。根據傳輸數據類型和要求的不同，采用不同的傳輸協議。采用數據傳輸“回校”功能，即網絡傳輸數據接受方向必須再向傳輸方進行一次數據返送校驗，以核實數據傳輸的正確性。

5.2 調度SCADA系統的安全策略

深入掌握調度SCADA系統內部數據傳輸與安全控制機制，做好無功優化系統“接口軟件”。為實現多條控制指令的并發執行，確保系統控制的實時性，可以大量減少與調度SCADA系統的數據傳輸。

5.3 現場設備的安全策略

變壓器有載調壓開關、電容器投切開關，要進行更新改造，確保可靠動作，系統需具備手動或自動調整的可靠設置。二次設備采集量要完整、準確，且可靠傳輸。

5.4 無功電壓優化運行管理的安全策略

制定“電網區域無功電壓綜合控制系統”運行管理規程。廠、站、點號的調整必須嚴格保證無功優化系統與調度SCADA系統的一致性[27]。手動操作時，應先對無功優化系統進行閉鎖。實施用戶級別控制，使不同的用戶具有不同的權限。

6 項目實施后預期目標

項目實施后預期目標如下。

1）減少了有載調壓變壓器分接開關動作次數近40%，電容器的投入率提高到50%，延長了設備使用壽命，大大提高了現有設備的使用率，減輕了檢修勞動強度，受到了設備主人的支持;提高了地區受電功率因數，減少電能損耗[28];提高了電壓質量。實現閉環控制的變電站,10 kV母線電壓合格率可達到100%。

2）減輕了調度中心值班人員勞動強度，避免了人為誤差，真正實現了全網無功電壓實時控制，完善并提高了無人值班變電所自動化水平[29]。本系統由純計算機軟件構成，免除了硬件維護。系統安全可靠，自適應功能強，能自動糾錯,自動閉鎖,自動形成相關動作數據等，不會發出影響電網與主設備安全的操作指令。

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

7 項目實施后應用效果

該項目已在某供電公司應用。以下就110 kV城西變進行數據分析，對比投入無功電壓優化系統前后的效果。

7.1 電壓合格率

表1是城西變電站未投入無功優化系統的電壓合格率。從表1可以看出，城西變電站未投入無功優化系統10 kV電壓合格率最高只可達到95.45%。

表1 城西變電站未投入無功優化系統的電壓合格率

在城西變投入自動控制之后，電壓合格率有了很大提高，數據如表2所示。

表2 城西變電站投入無功優化系統的電壓合格率

從表2數據可以看出，無功優化系統投運后，10 kV電壓不合格時間減少，電壓合格率達到97%以上。

7.2 功率因數

表3和表4分別為城西變電站未投入和投入無功優化系統的功率因數。從表3可以看出，城西變電站未投入無功優化系統主變功率因數最高只可達到0.973；而在城西變投入自動控制之后，功率因數有很大提高，數據如表4所示。

表3 城西變電站未投入無功優化系統的功率因數

表4 城西變電站投入無功優化系統的功率因數

從表4數據可以看出，無功優化系統投運后，功率因數提高，電壓合格率達到0.98以上。

8 結語

目前地區電網無功補償裝置投入率較低，未達到“分層控制、就地平衡”的目標，以更加合理地實現地區電網無功補償裝置投入，降低線損，控制電壓合格率，對地區電網無功系統加裝集中控制裝置，主要解決目前電容器投入率較低的問題。實現無功補償設備合理投切和無功分層就地平衡，確保系統電壓穩定，實現主變分接開關調節次數最少和電壓合格率最高，實現輸電網損率最小，進一步提高電網調度自動化水平。

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