基于負荷預測的變電站電壓無功綜合控制策略

束 娜，趙國生，周志勇，王 毅

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013；2.鄭州大學電氣工程學院，鄭州450001）

目前對變電站電壓無功綜合控制的研究主要集中在傳統的九區域圖方法、在九區圖基礎上的各種改進的區域圖控制方法[1-3]以及無功優化控制方法[4-7]。區域圖控制方法通常用在變電站級的電壓無功綜合控制裝置中或作為變電站綜合自動化系統的VQC 軟件模塊使用，區域圖控制方法僅考慮單個變電站的電壓無功控制，不能解決區域電網中各個變電站的調節配合問題，且區域圖控制策略的控制效果取決于電壓與無功上下限值的選取，其對短期負荷波動的適應性差，對于負荷波動頻繁的變電站會出現每天變壓器分接頭調節次數頻繁及電容投切次數過多現象，并且存在著調節振蕩現象；電壓無功優化控制方法是從區域電網的全局來考慮，雖然可以同時實現對多個變電站的電壓或無功進行控制，但該方法需要利用最小目標函數，通過求解功率平衡方程、控制變量約束條件、動作次數約束條件來實現，這些方程求解非常復雜，甚至還會出現無解與不收斂情況。目前也有不少文獻提到利用負荷預測的方法來進行電壓無功的綜合控制[8-10]，但這些文獻中并沒有給出利用超短期負荷預測的結果進行電壓無功控制的具體方案，實施起來比較困難。

為了克服以上缺陷，本文提出了一種地區變電站電壓無功綜合控制策略的數學模型，該模型結合超短期負荷預測的結果以及區域圖控制的思想，給出了地區變電站電壓無功綜合控制的具體實施方案。

1 地區變電站電壓無功綜合控制數學模型

一種基于超短期負荷預測的地區變電站電壓無功綜合控制策略數學模型，該模型由啟動判據、利用超短期負荷預測結果對控制量的修正算法、動作判據、動作定值整定方法、動作延時值整定方法5 部分共同組成。

（1）啟動判據。

設Umax，set、Umin，set、Qmax，set、Qmin，set分 別 為 設 定 的電壓和無功控制上、下限值，U、Q 分別為電壓與無功的當前測量值，則電壓無功綜合控制的啟動條件為

（2）電壓、無功實測值的修正算法。

電壓修正算法：設電壓的實測值為U（t），當前主變檔位為Nnow，主變變比為k，則當前電壓實測值的修正值Umod（t）為

無功修正算法：設無功的實測值為Q（t），當前在投電容容量為qnow，則當前無功實測值的修正值Qmod（t）為

（3）動作判據。

設ΔTB、ΔTC分別為運行人員設定的主變分接頭調節和電容器投切操作的超限影響因子觀測時間，不是執行動作需要等待的時間；α、β 分別為在電壓、無功的觀測時間內的綜合評價危險因子，則是否執行調壓和投切電容動作的判據如下。

調壓判據：

式中：N 為在ΔTB時間內的記錄數據個數；ΔT 為記錄數據的時間間隔。滿足以上兩式之一時即判調壓。

電容投切判據：

滿足以上兩式之一時即判投切電容。（4）動作定值整定方法。

地區變電站的高（下標1）、中（下標2）、低（下標3）電壓等級的變電站電壓上、限值（標幺值）設定依據為

地區變電站的無功上、限值（標幺值）設定依據為

（5）動作延時值整定方法。

地區變電站的高、中、低電壓等級的變電站設置的動作延時時間應滿足

式中：T1ty，set、T2ty，set、T3ty，set分別為高、中、低3 個電壓等級的主變分接頭調節延時設定值；T1tq，set、T2tq，set、T3tq，se分別為高、中、低3 個電壓等級的補償電容器投切延時設定值。

2 電壓無功綜合控制數學模型在地區變電站電壓無功綜合控制中的實施

地區變電站電壓無功綜合控制的數學模型在地區變電站電壓無功綜合控制中實施步驟如下。

步驟1 首先按模型（4）、模型（5）中的動作定值整定方法（式（6）、式（7））和動作延時值整定方法（式（8））進行地區級的各個電壓等級變電站的定值整定配合和時序整定配合，如一個地區級的變電站中存在220 kV、110 kV 和35 kV3 個電壓等級的變電站，則式（6）～式（8）中的下標1 表示220 kV 變電站、下標2 表示110 kV、下標3 表示350 kV 變電站的定值整定參數，注意時序整定配合時的延時級差必須大于調整時間并留有充足的余地。若只對一個變電站進行調整，不考慮變電站之間的梯級配合問題，則可以直接進入步驟2。

步驟2 實時測量變電站的電壓、無功等參數，并進行定時的記錄存儲（如每5 min 做1 次記錄存儲），判斷電壓或無功是否越限，若電壓或無功中的一項或兩項都超標，進入步驟3，否則繼續步驟2 的測量記錄存儲功能。

步驟3 按運行人員設定的主變分接頭調節和電容器投切操作的超限影響因子觀測時間ΔTB、ΔTC進行延時等待觀測。若在觀測時間內越限量恢復正常，則返回步驟2；否則按模型中的動作判據進行調壓或電容投切的判別，若在觀測時間完成后，滿足調壓判據或電容投切判據，經過整定的電容投切延時Ttq或調壓延時Tty后進行調壓或投切電容，否則進行步驟4 中的進一步判斷；超限影響因子觀測時間ΔTB、ΔTC取3～5 min 即可。

步驟4 在電壓或無功出現越限但不滿足動作判據時，調用超短期負荷預測結果的預測值，進行短暫干擾波動負荷的判斷，具體判斷過程按照第3.3 節中的方法進行。若判該越限為短時間干擾波動，則不執行調節動作；若判斷為長時間的負荷波動或電壓變化，執行調節操作。

步驟5 回到步驟2，繼續執行循環判斷。

地區變電站電壓無功綜合控制的數學模型在地區變電站的電壓無功綜合控制策略流程如圖1所示。

圖1 控制策略流程Fig.1 Flow chart of control strategy

3 基于前一工作日與節假日的超短期負荷預測及其實現

地區變電站電壓無功綜合控制策略數學模型中給出的動作判據只是給出了在電壓或無功超限情況下，利用設定的超限影響因子觀測時間內的數據超限程度來決定是否進行電容投切或進行主變分接頭調整。在電壓或無功的超限幅度較小的情況下動作判據不會發出調節指令，這時就需要進行附加的判斷，即電壓或無功超限的持續時間長短的判斷，對于持續時間較短的電壓或無功波動。如果此時進行調整，則會在較短時間內還需要進行其逆調整，這樣便會出現電容器組投切或主變分接頭調整的振蕩。而對于持續時間較長的電壓或無功波動則需要進行調節動作，而調整后可能持續時間的長短的判定則需要利用超短期負荷預測結果的數據進行判斷，基于前一工作日或節假日負荷數據的超短期負荷預測是判斷動作可能持續時間這個重要物理量的最有效方法。

3.1 超短期負荷預測過程中的檔位與在投電容影響因子的修正

在變電站電壓無功綜合控制中，由于變壓器的檔位、電容投運的組數時刻變化，因此，需要對變壓器檔位影響和在投補償電容的影響進行修正。具體修正辦法如下。

（1）變壓器檔位影響因子的修正：設變壓器的變比（主變高壓側分接頭中性點到固定端匝數與低壓側匝數之比）為k，負荷預測模型預測的當前日t 時刻電壓值為U（t），在該時刻主變分接頭檔位為N（t），N（t）=0，±1，±2，±3，…，則變壓器檔位影響因子為

當前日t 時刻負荷預測電壓的修正值U*（t）為

（2）在投無功補償電容器影響因子的修正：設測量模型測得的當前日t 時刻無功功率值為Q（t），在該時刻在投電容容量為q（t），當前日t 時刻負荷預測無功功率的修正值Q*（t）為

3.2 基于前一工作日和節假日的超短期負荷預測方

法在變電站電壓無功綜合控制裝置中的實現

超短期負荷預測數據集按照如下的方式獲得：首先對當前日期是第1 個工作日或節假日進行判斷。若設備投運當日為周一至周五中的一天，則為第1 個工作日；若投運當天為周六、周日或法定節假日中的一天，則為第1 個節假日；同時每隔5 min 作為一個時間段，將該段時間間隔內每秒記錄的無功數據進行累加權取平均值，作為該時間段內無功值，在對無功負荷的各個時刻的離散數據進行記錄時，需要進行在投無功補償電容器影響因子的修正，這樣可以得到當前日的288 點等間隔離散無功數值集將該段時間間隔內每秒記錄的電壓數據進行累加權取平均值，作為該時間段內電壓值，在進行變壓器的各個時刻的離散電壓進行記錄時，需要進行變壓器檔位影響因子的修正，這樣可得當前日的288 點等間隔離散電壓數值集由于已經進行了無功補償在投電容和變壓器檔位影響因子的修正，就不再需要同時記錄該時間段內的變壓器檔位數據集n={n1，n2，n3，…，n288}及在投電容器的無功容量集q={q1，q2，q3，…，q288}了，記錄下當天的這些無功數值集Q*和電壓數值集U*作為下一個工作日或節假日的相應負荷預測參考值。

3.3 超短期負荷預測結果對電壓無功控制量的影響

由于受多種因素的影響，超短期負荷預測結果可能會與實際負荷值存在著一定的偏差，在確定當前日的電壓、無功控制策略時必須利用當前日的實測值。為此，制定了采用當前日的負荷實測值作為調壓和投切電容器組的主判據，將超短期負荷預測結果作為電壓無功調節動作判斷的輔助判據，用于判斷干擾負荷和短暫波動來制定電壓無功控制的控制量，解決短暫干擾負荷和負荷波動造成的分接頭調節次數及電容投切次數頻繁問題。具體的利用超短期負荷預測結果實現控制的方法如下：

（1）在電壓、無功都合格的情況下不利用超短期負荷預測結果的值參與電壓無功控制；

（2）在電壓、無功兩個控制量中至少出現一個越限的情況下，調用超短期負荷預測結果來判斷當前出現的電壓或無功越限是否為短暫的擾動，若不是短暫擾動則執行電壓或無功的調節操作。若為短暫的擾動但滿足動作條件則執行相應動作；否則不執行調節動作躲過這次短暫擾動。

利用短期負荷預測數據來判別當前時刻出現的電壓或無功越限是否為短暫擾動的具體判別方法如下：

（1）利用數值分析中離散數據集的函數曲線擬合方法，將前一工作日和節假日的288 點等間隔離散無功修正數值集和288 點等間隔離散電壓修正數值集進行曲線擬合，得到其修正后的負荷預測的無功日負荷曲線Q*（t）和電壓日負荷曲線U*（t）。

（2）將當前實測的無功功率與電壓進行修正，得到當前無功實測值的修正值Qmod（t）和當前電壓實測值的修正值Umod（t）。

（3）把用戶設定的持續時間小于Tdisturb的電壓波動視為電壓短暫擾動，如果當前越限量為電壓且電壓越上限，若修正后的電壓日負荷曲線Q*（t）在t=tnow+Tdisturb時刻滿足條件

并且滿足：

式中，N 為當前時刻主變分接頭檔位，則可判別該時刻出現的電壓越上限波動為暫態擾動。同樣，在出現電壓越下限值情況下，若滿足

并且滿足

則可判別該時刻出現的電壓越下限波動為暫態擾動。

（4）利用第（3）中判別暫態擾動的方法，可以進行無功越上限或下限的波動是否為暫態波動的判別。

4 實例分析

為了驗證本文所提出的基于前一工作日和節假日超短期負荷預測的地區變電站電壓無功綜合控制策略的正確性，研發了一臺實現該算法的變電站電壓無功綜合控制裝置。該裝置可以實現對一個變電站的2 臺主變分接頭調節和2 分段母線下的電容器的自動投切。裝置在河南省供電公司唐河供電局35 kV 昝崗變電站掛網運行，該變電站的主要設備參數如下：1 號主變容量為6 300 kVA；2 號主變容量為8 000 kVA；1 段母線電容器組數為1 組；2 段母線電容器組數為2 組；1 段母線電容器容量為450 kvar；2 段母線電容器容量為Q1=900 kvar，Q2=600 kvar；主變分接頭檔位數為7 檔。

為了與正在運行的采用九區圖控制策略的變電站電壓無功綜合控制裝置的性能進行對比，采用原來的控制裝置直接動作于設備，開發的裝置動作于出口的方式（采用了與實際高度吻合方式）來實現，控制器的主要參數設置如下：控制優先級為電壓無功；電壓上限為10.7 kV；電壓下限為10.0 kV；調壓動作延時為180 s；投切動作延時為180 s；電壓影響因子為1.20；無功影響因子為1.20；觀測時間為60 s。

研發的裝置在2013-12-04 開始投入運行，在2014-02-04 對裝置的動作結果和原來的裝置動作結果進行了統計，兩者結果比較如下。

研發的裝置：動作次數33 次；主變分接頭調整次數23 次（上調12 次，下調11 次）；電容器投切次數10 次（2 段母線電容器投切次數8 次，1 段母線電容器投切次數2 次）。

原來的裝置：動作次數38 次；主變分接頭調整次數25 次（上調13 次，下調12 次）；電容器投切次數13 次（2 段母線電容器投切次數10 次，1段母線電容器投切次數3 次）.

通過對試運行2 個月結果的數據分析可以看出，按照本文所提方法研制的變電站電壓無功綜合控制裝置在減少變電站主變分接頭調節次數與電容器投切次數，增加變電站的抗短期負荷干擾能力方面效果顯著。

5 結論

（1）本文提出了一種地區變電站電壓無功綜合控制策略的數學模型，該算法模型由啟動判據、利用超短期負荷預測結果對控制量的修正算法、動作判據、區域配合算法幾個數學模型構成。

（2）通過本文所提算法數學模型中的動作定值整定方法和動作延時值整定方法的定值整定的配合可以實現地區級內不同電壓等級變電站的電壓無功控制。

（3）所提數學模型通過與基于前一工作日和節假日負荷的超短期負荷預測結果相結合來實現地區變電站的電壓無功綜合控制時，可以明顯減少九區域圖方法及在九區圖基礎上的各種改進的區域圖控制方法應用于負荷波動較為頻繁的變電站時出現的變壓器分接頭調節次數頻繁及電容投切次數過多現象，并且減少調節振蕩現象。實例分析證實了所提算法具備很好的對短期負荷波動的適應性，能減少設備動作次數。

（4）在利用本文所提算法模型與超短期負荷預測結果相結合實現電壓無功控制過程中，提出了對變壓器檔位影響和在投補償電容的影響進行影響因子修正的算法，減少了實現控制時所需考慮的數據量，使得僅需考慮電壓與無功2 個因素即可實現控制。

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