SCADAbased VQC Program Design for District Power Network
任 冬，边少辉，王占辉，孙海新
（沧州供电公司，河北沧州061001）
摘 要：电网的电压控制和无功优化是提高电压合格率，降低网损，提高系统稳定性的有效手段。基于SCADA的地区级电网VQC程序是在现有设备基础上，通过编制软件实现的一种无功优化和电压控制方法。以一个地区级电网VQC程序设计为例，对区域电网VQC的控制原则进行了详细探讨，并对其实用化提出了一些处理方法。
关键词：电网；电压无功优化；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
近年来，负荷曲线峰谷差逐渐加大，电压与无功的调节很频繁，如果全部由值班人员进行，不仅大量增加值班人员的工作量，而且很难做到调节的及时性；对于无人值班变电站,人工调节显得更为困难。
研究人员根据等网损微增率提出了许多电网的无功优化算法，但由于工程复杂，这一典型问题的解决始终未能尽如人意。现在，大多数工作都是通过投切电容器和调节有载变压器分接头，达到使流经主变压器的无功潮流尽可能小和二次侧母线电压尽量维持在期望电压值附近的目的。近年来，单一变电站的电压无功控制（VQC）技术逐渐成熟，已经大量地应用到实际电力系统中。这一装置虽然解决了在一个变电站内的电压无功优化控制，但由于其仅仅采集一个变电站的运行参数，不能实现对全网范围内各变电站的电容器和有载调压变压器分接档位进行综合考虑协调控制，并且如果每个变电站都安装VQC，必将大量增加投资。目前SCADA已经稳定运行多年，为全网VQC的开发提供了良好的基础；而且EMS系统中的电网无功优化模块部分功能还不完善，执行策略中还存在一些自相矛盾的问题。因此，有必要研发一套基于电力系统已有设备的无功电压优化控制软件。
1基于SCADA的地区级电网VQC
1.1实现条件
这是一个设想在地区级电网范围内实现的全网VQC，它仍然依据著名的九区图原理，只是更多地考虑电力系统无功电压调节的内在关联性和各变电站之间的相互影响。
全网VQC能在地区级电网实现是由地区级电网自身特点决定的。以沧州电网为例，首先没有大的发电厂，不涉及发电机无功出力控制，这就使得调节手段简单；其次，110 kV变电站以220 kV变电站为中心，形成相对独立的供电小区，系统结构比较简单；最后，调度SCADA、EMS系统已经稳定运行多年，变电站中综合自动化站占有相当比例，具备了实现全网VQC的硬件条件。
1.2程序设计总体思路
本程序以全网网损尽量小、各节点电压合格为目标，以集控中心（调度中心）为核心，以各变电站有载调压变压器分接档位调节与电容器投切协调控制为手段。即利用调度SCADA采集到的变电站主变高中低三侧有功、无功、电压、电流、有载调压主变分头位置以及主变三侧开关、母联开关、电容器开关的遥信值，计算功率因数cosφ，判断运行方式、主变压器和电容器状态，然后按照给定的电压曲线和功率因数控制值对变压器分头、电容器组形成相关指令，通过远动装置自动调节，或者形成执行策略表，通过在主站端手动遥控，从而实现控制目标，并尽量减少调节次数。
1.3主程序流程
主程序流程图见图1。
a. 从“程序启动”到“读控制定值”主要实现量测数据监测、不良数据检测、状态监视、闭锁告警、读取控制定值、启动核心分析模块等功能。
b. “电容分析模块”和“电压分析模块”以及“运行方式判断模块”是本程序的核心模块，下文将仔细分析。
c. 执行策略表将把分析得到的电容器投退和主变分接头调节结果列表给出，形成相关操作指令，但并不出口执行。
d. EMS潮流返校是利用能量管理系统的“调度员潮流”功能先进行模拟操作，结果正确后再出口执行。
1.4主要功能
a. 全网电压和全网无功的在线监视、计算、调整，提高电力系统电压合格率，尽最大可能满足无功就地平衡。
b. 集中自动控制。无需值班人员干预，满足无人值守站的要求，实现“四遥”功能。
c. 操作管理。程序每一次操作命令发出后，都有控制操作的记录，保存分析。
d. 每个变电站根据不同季节不同时段有不同的电压曲线和功率因数控制值。
e. 系统采用了开放分布式结构,易于扩充和升级。
f. 系统软件具有在线线损计算功能，能够保存调整前后潮流断面和线损计算结果，进行电力系统分析。
g. 用户可以选择控制模式：模拟控制模式或实际控制模式，人工干涉模式或自动控制模式。可以选择控制区域：全地区或个别供电小区。
h. 完善的运行方式判别功能。
i. 完善的闭锁功能。
j. 系统具有良好的可维护性：友好细致的输入输出界面参数输入维护界面，以及各种结果的输出报表。
2核心程序模块及其控制原则
2.1运行方式判别模块
其程序流程图如图2所示。
本模块对运行方式判别能力的高低对VQC的实用化至关重要。其根据变电站内主变高中低压三侧受总开关、高中低压母线母联开关的状态判断主变的运行方式。正常运行方式包括：高压侧并列、分裂运行，中压侧并列、分裂运行，低压侧并列、分裂运行；考虑了某一段母线退出运行或通过母联由另一主变供电的特殊方式。主变分裂运行方式，应判别各段母线分别由哪一台主变供电。以上的判断结果都置相应记录，以备“电压分析模块”和“电容分析模块”调用。本模块主要应用于地区级典型变电站接线方式。
2.2电压分析模块
本模块采用“逆调压”原则。在电压合格范围内，高峰负荷时电压偏上限运行，低谷负荷时电压偏下限运行。如果电网无功潮流合理，当某变电站低压侧母线电压偏离合格范围时，分析同电源同电压等级变电站和上级变电站电压情况，自行决定是调节本站主变分接头还是调节上级电源变电站主变分接头。考虑了220 kV站110 kV母线电压调整对该供电区各110 kV站母线电压的影响。电容器组投切后对电压的变化量ΔU用以下经验公式计算：
ΔU=Q/Sd×U
式中ΔU——电压变化量；
Q——投入电容量；
Sd——母线短路容量；
U——运行电压近似计算。
主变并列运行时分接头的调节要联调，并考虑变压器有载调压步长不一致时的相互配合问题。从参数采集上避免振荡调节和越限调节，并保证动作次数最少。分析计算时，考虑主变分接头是否为有载。当功率因数合格、电压不合格时，如果投入电容器能达到要求，优先考虑投电容器，考虑冲击负荷对变电站母线电压的影响，考虑因闭锁操作或操作失败导致计算结果与执行结果不一致的情况。110 kV变电站调整电压时兼顾中压侧和低压侧电压情况，如2组电压调整发生矛盾时，则首先保证低压侧的电压合格率。220 kV变电站调整电压时兼顾中压侧和低压侧电压情况，如2组电压调整发生矛盾时，则首先保证中压侧的电压合格率。可将任意一台变压器的调压控制设置为自动控制方式或手动控制方式。主变分接头每天调节次数不大于规定次数。如果主变分接头调到死点，电压仍不合格，则考虑投入或切除电容器组，即遵循电压优先的原则。
2.3电容分析模块
如果电压在合格范围内，本模块先考虑本变电站内无功潮流是否合理，再考虑同级电网内无功潮流是否合理，在不向上一级电网倒送无功的前提下，允许同级电网内变电站之间部分无功倒送。无功分析首先从110 kV站开始，分析220 kV站时考虑本供电区内110 kV站的电容器投切情况。当电容器组串以不等百分电抗值的电抗器时，系统可以根据大小电抗器搭配的需要，自动确定投切顺序，并在此基础上实行循环投切。当任意一组或几组电容器退出自动控制方式时，本模块仍能按照大小电抗器搭配的需要，自动确定新的投切顺序，并在此基础上实行循环投切。当运行中某组电容器故障跳闸时，本模块将根据大小电抗器搭配的需要，自动确定是否需要切除其他电容器。除有投切顺序的电容器组外，其余电容器组本着轮换投切，先投先切，后投后切的原则投切，投切的时间间隔不小于规定时间，每天投切次数不超过规定次数。可将任意一组电容器的投切控制设置为自动控制方式或手动控制方式。对于主变中、低压侧都有电容器组的情况，要考虑无功功率的分配情况，使中、低压侧无功功率达到最优分配。220 kV站尽量使110 kV母线无功平衡分配。并列运行母线可以按同一条母线进行电容器组的投切。为求准确性，将要投切电容器的实际无功量不用电容器标称电容量，而由下式计算：实际无功量=（电容器所在母线实际电压/电容器标称电压）2×电容器额定容量。
3系统实用化处理
本系统不是进行全网潮流计算，而是试图建立符合全网网损尽量小，电压合格率尽量高的优化及控制判断规则。为保证操作指令在相应的元件中可靠地执行，本系统十分注意处理好与原来的调度自动化系统的数据、指令接口问题。
3.1系统设置的参数
本系统的控制参数整定和上下限值整定十分方便灵活，具体参数设置项目有：变电站表（序号、变电站名、所属区域、上行通道状态、下行通道状态），母线表（电压范围、短路容量、[WTBX]K[WTBZ]值表、调整前后电压实际值和计算值、电压历史曲线、接地告警、时间），开关刀闸表（遥信情况、人工置位、时间），变压器表（参数、量测、功率因数控制值和计算值、绕组损耗、时间），电容器表（参数、量测、时间），分接头表，线路表（参数、量测、功率因数、损耗、时间），峰谷表，测量信息表，遥测计算表，遥信计算表等。
3.2自闭锁功能
安全性如何是VQC能否用于实际的关键，本系统具有以下自闭锁功能：
a. 中压侧或低压侧母线电压低于额定电压的75％或高于标称电压的120%时，闭锁该站所有操作。
b. 中压侧或低压侧母线三相电压不平衡，有接地故障时，不进行电容器的投切操作。
c. 变压器的高压侧电流大于额定电流时，不进行主变调压操作。
d. 变压器故障跳闸时以及本体或调压轻瓦斯动作时，闭锁所有操作。
e. 变压器有载调压装置出现连调故障时闭锁调档指令并报警。
f. 当变压器并列运行，出现分头不同步时，闭锁调压操作并报警。
g. 主变分接头档位动作次数达到当天限值或总次数达到限值时，闭锁调压操作。
h. 电容器动作次数达到当天限值，闭锁电容器投切操作。
i. 电容器保护跳闸时，闭锁跳闸电容器的投切操作。
j. 系统发出电容器投切或变压器调压指令后，被控设备未完成预期的操作，则闭锁该设备的操作并报警。
k. 系统自检异常时闭锁所有操作并报警。
l. 在规定时间间隔内（可设），对同一控制对象发出相反的操作指令时闭锁操作。
m. 控制对象处于停运或检修状态时闭锁相应设备的操作。
n. 信息通道或者远动装置故障，闭锁该站所有操作。
本系统还具有完善的系统数据采集(包括不良数据的监测)、图形系统、报表工具等功能。
5结论
全网VQC软件对无功电压优化与控制实现了从离线处理到实时处理，从就地平衡到全网平衡，从单独控制到集中控制，优化过程不依赖于无功潮流计算，控制过程无需增加任何硬件设备，使系统软件具有实用性和可靠性。
