地區電網無功電壓優化系統的研究與設計

汪 清

（深圳供電局有限公司電力技術研究中心，廣東 深圳 518000）

1 地區電網無功電壓優化系統的設計

1.1 地區電網無功電壓優化系統的體系結構

某地區電網有無人值守的自動化變電站7 座，調度通過SCADA 系統來實時監控所有變電站的運行情況，遙測、遙信和遙控都能可靠實現，因此在系統設計中可以借助調度SCADA 系統來實現無功電壓優化。

1）系統的架構

在區調遠動機房安裝1 臺Web 服務器，2 臺系統主備服務器，在調度中心安裝1 臺監控工作站。運行時，SCADA 系統采集的全網實時數據（包括檔位、電壓、無功、功率因數等遙測數據，刀閘信息、斷路器等遙信數據）通過接口程序傳輸給主服務器，主服務器根據分析得到的無功電壓情況來發出相應的調節指令。當主服務器發生故障而無法正常運行時，備服務器自動投入運行（見圖1）。

在上述架構中，地區電網無功電壓優化系統通過Web 服務器與辦公MIS 網連接，以此便于系統管理人員的瀏覽設備的動作記錄、有功功率分析表、無功功率分析表、電壓曲線等。本系統采取的隔離措施為“防火墻、單向隔離器和Web 服務器”，主要是為了對電網的運行狀態進行準確的數據采集和傳輸[1]。

圖1 地區電網無功電壓優化系統的架構

2）系統的運行流程

SCADA 系統將采集到的全網實時數據（包括檔位、電壓、無功、功率因數等遙測數據，刀閘信息、斷路器等遙信數據）通過接口程序傳輸給內存數據庫，然后主控程序計算分析后（包括電壓優化計算、無功優化計算和無功電壓綜合優化計算等），得出無功補償設備投切指令、有載調壓變壓器分接開關調節指令和相關控制信息，然后經工作站傳輸給SCADA系統執行，達到全網無功電壓優化的目的[2-3]。

1.2 地區電網無功電壓優化系統的功能設計

1）全網無功優化。全網無功優化主要通過以下幾種途徑實現：①如果省網關口的功率因數不合格，系統通過對220kV 及下級變電站的無功補償設備進行控制來改善功率因數；②如果系統各級變電站的電壓都處在合理運行范圍，系統通過對電網無功功率的流向進行調節來改善功率因數。

2）全網電壓優化。當變電所電壓處于不合理運行范圍時，系統對電壓、同電源等級變電站和上一級變電站的電壓進行綜合分析，根據分析結果來對上級變電站全部調壓主變壓器分接頭開關檔位或本地變電站全部調壓主變壓器分接頭開關位置進行調整，從而實現良好的全網電壓調節效果。

3）網損優化。當功率因數和電壓都處在合理運行范圍時，系統通過對電壓、網損靈敏度分析和綜合費用管理辦法來對調控設備進行控制，從而對調控頻度和調控優先級進行限制[4]。

4）無功電壓綜合優化。當變電站10kV 母線電壓越下限時，系統如果通過投電容器而無法將電壓調節至合理范圍，此時將變壓器分接開關檔位進行提升；當變電站10kV 母線電壓越上限時，系統如果通過下降主變分接開關檔位而無法將電壓調節至合理范圍，此時投電容器。

5）其他功能。除了上述功能外，系統還需要具備如下功能：允許操作人員在線修改各種參數；同一變壓器分頭調控時刻間隙＞3min，同一電容器投切時刻間隙＞5min；對控制指令、控制方案和控制設備的動作情況進行自動記載，對控制設備動作前后的網損進行統計；能夠覺察SCADA 數據中的錯誤量，并且對主要數據錯誤進行自動報警；對多個設備進行協調管理；當控制設備每日動作次數超過限定最大次數、控制指令超過設定時間而控制設備沒有工作、變壓器檔位每次控制變化超過上一檔時，要閉鎖相關設備控制系統。

2 地區電網無功電壓優化系統的安全策略

地區電網無功電壓優化系統的安全策略包括無功電壓優化控制系統、系統安全防護、設備封鎖、調度SCADA 系統及無功電壓優化運行管理的安全策略，具體說來：

1）無功電壓優化控制系統的安全策略。雙主變并聯運行時，控制系統通過聯調主變分接頭來減少環流，降檔時限對負荷輕的主變進行調節，升檔時先對負荷重的主變進行調節；根據負荷的變化趨勢，系統通過是否實施逆調壓來減少設備的動作次數；設備每日允許動作次數和動作間隔可以由管理人員根據實際需求來設置，并實現設備動作次數按負荷和時段優化分配；通過遙信和遙測聯判方式，系統對要遙信量的真偽進行辨別；在規定時間段內，同一電容器組只能投切一次。

2）系統安全防護。為了確保數據及運行安全，系統與外界要采用可靠的隔離措施，并位于安全 Ⅰ區。

3）設備封鎖。地區電網運行中會出現各種突發事件，因此可能需要設定不同的封鎖方式來對系統進行控制（見表1）。

4）調度SCADA 系統的安全策略。地區電網無功電壓優化系統的數據是調度SCADA 系統通過接口傳來的，由于系統實際運行中會有多條指令同時執行，因此需要對調度SCADA 系統的前置系統進行遙控、采集遙測和遙信數據。

5）無功電壓優化運行管理的安全策略。系統所有的操作動作都要準確記錄和保管，以便日后進行安全分析；調整廠、站、點號的時候，要確保調度SCADA 系統與無功電壓優化系統的一致性，如果手動調整則要首先閉鎖無功電壓優化系統；為確保無功電壓優化系統的可靠運行，企業要制定相應的運行管理規程并組織相關員工進行學習；無功電壓優化系統應實施用戶級別控制，確保不同用戶只能進行權限范圍內的相應操作。

表1 地區電網無功電壓優化系統的設備封鎖

3 系統投入運行后的效益分析

1）無功電壓優化系統運行后極大地減少了設備的動作次數

在地區電網中投入無功電壓優化系統后，原有的電容器開關、有載調壓變壓器分接開關等手動操作變為了自動操作，極大地減少了設備的動作次數，這不僅使檢修人員從繁重的檢修任務中解脫出來，而且延長了設備的使用壽命（表2為某地區電網投入無功電壓優化系統后，7 座變電站設備動作次數的具體情況，從結果可知，系統運行后原有的電容器、有載調壓變壓器等的動作次數減少了35%以上，這使得其受到了調度人員的極大歡迎）。

表2 某地區電網無功電壓優化系統運行前后的 設備動作次數

2）無功電壓優化系統運行后極大地提高了地區平均功率因數

在地區電網中投入無功電壓優化系統后，極大地改善了以往由調度人員憑借經驗操作所造成的滯后性和局限性，使得無功功率的控制更加準確和及時，從而提高了設備出力和地區平均功率因數（表3為某地區電網投入無功電壓優化系統后，7 座變電站平均功率因數的具體情況，從結果可知，系統的運行使得平均功率因數得以提高）。

表3 某地區電網無功電壓優化系統運行前后的 平均功率因數

3）無功電壓優化系統運行后的其他作用。具體表面為：①在地區電網中投入無功電壓優化系統后，使得閉環控制變電站10kV 母線的電壓合格率同比提高了1.69 個百分點；②在地區電網中投入無功電壓優化系統后，該地供電公司在2015年上半年的月平均網損為1.4%，同比下降0.3%，每年可為供電公司增加額外的經濟收益百萬以上；③在地區電網中投入無功電壓優化系統后，能夠對電容器開關動作次數、主變分接開關動作次數進行準確統計，為設備檢修和設備更新提供數據支撐；④在地區電網中投入無功電壓優化系統后，不會因指令發出錯誤而導致電網和主設備的安全受到影響。

4 結論

綜上所述，地區電網無功電壓優化系統的使用有助于減少設備的動作次數、提高地區平均功率因數和閉環控制變電站10kV 母線的電壓合格率，為供電公司增加額外經濟收益并為設備檢修和設備更新提供數據支撐，因此非常值得在各地推廣和應用。

[1] Wen Jy,Wu Qh,Chen Sj,et al.Optimal coordinated voltage control for power system voltage stability[J].IEEE Trans On PowerSystems,2004,19(2): 1191- 1203.

[2] 顏偉,高峰,王芳,等.考慮區域負荷無功裕度的無功電壓優化分區方法[J].電力系統自動化,2015,39(2): 61-66.

[3] 于汀,王偉.湖南電網電壓協調控制方案[J].電網技術,2011,35(4): 82-86.

[4] 李欽,溫柏堅.廣東電網電廠AVC 子站建設研究[J].電力系統保護與控制,2008,21(21): 38-42.