基于SCADA的無功電壓自動控制系統(tǒng)

　　0引言
　　
　　電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電壓質(zhì)量直接影響電網(wǎng)穩(wěn)定及電力設(shè)備安全、經(jīng)濟運行和電網(wǎng)電能損耗，對保證用戶安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益以及電器設(shè)備的安全與壽命有重要作用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，用戶對電壓質(zhì)量也提出了更高的要求。
　　
　　電力系統(tǒng)的無功補償與無功平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件。有效的電壓調(diào)節(jié)和無功補償不僅能提高電壓質(zhì)量，而且能提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，充分發(fā)揮電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。
　　
　　目前，雖然部分變電站已實現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)和無功補償?shù)淖詣涌刂芠1～4]，但大部分變電站仍是手動調(diào)節(jié)控制，這存在明顯的缺點：①增加運行人員的監(jiān)視和操作工作量；②運行人員不能準(zhǔn)確判斷zui合理的調(diào)節(jié)方式，致使調(diào)節(jié)設(shè)備不能充分合理地得到利用；③運行人員調(diào)節(jié)不及時，而站端控制設(shè)備只對變電站二次電壓有利，無功無全網(wǎng)優(yōu)化的意義，如不加電壓閉鎖將產(chǎn)生變壓器分接頭調(diào)壓的副作用[5]。
　　
　　因此，為了提高勞動生產(chǎn)率，減輕人員的勞動強度，提高電壓質(zhì)量，降低電網(wǎng)損耗，我們開發(fā)了一套無功電壓自動監(jiān)控系統(tǒng)。
　　
　　本系統(tǒng)拓展了SCADA的功能，相比單個變電站的電壓自動調(diào)節(jié)裝置，具有投資小、效益高，可以綜合利用主站系統(tǒng)提供的豐富信息進(jìn)行防錯處理和上下級廠站的統(tǒng)一考慮，適應(yīng)電網(wǎng)自動化發(fā)展的趨勢。隨著SCADA日漸完善成熟，遙測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和遙控的可靠性不斷提高，以及電網(wǎng)應(yīng)用軟件的實用化，必將發(fā)揮更大的作用。
　　
　　1無功電壓自動控制的基本原則和方案
　　
　　1.1基本原則
　　
　　a.安全可靠性：要考慮設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)（如檢修或保護(hù)等）、設(shè)備的安全運行條件、設(shè)備的投運率和使用壽命，以及各種異常情況并采取完善的防錯措施，避免設(shè)備的頻繁動作。
　　
　　b.靈活通用性：控制方案應(yīng)能修改，并同時滿足大多數(shù)用戶的共同要求和具體用戶特殊的不斷變化的要求，還能適用于各種不同的接線方式。
　　
　　c.循序漸進(jìn)性：應(yīng)能適應(yīng)不同廠站的實際情況，并據(jù)此采取開環(huán)或閉環(huán)方式，或先采取開環(huán)方式，經(jīng)人工干預(yù)來優(yōu)化和確認(rèn)控制方案，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定、正確、可靠后再投入閉環(huán)運行。
　　
　　1.2基于可描述監(jiān)控點的接線分析
　　
　　通過定義遙信點、遙信點狀態(tài)、監(jiān)控點、監(jiān)控點部件和廠站狀態(tài)表，完成廠站狀態(tài)識別，自動生成當(dāng)前監(jiān)控點。能自動識別并記錄未加定義的可疑狀態(tài)，絕不誤動。
　　
　　遙信點：一組開關(guān)或刀閘的組合，其狀態(tài)有合、分、可疑3種，由組成開關(guān)、刀閘狀態(tài)決定。用于連接母線和變壓器、電容器、母線等部件。
　　
　　監(jiān)控點：由母線、開關(guān)、變壓器組成。母線作為受監(jiān)控電壓來源，開關(guān)作為潮流量測來源，變壓器作為調(diào)節(jié)手段。本監(jiān)控點可用電容器根據(jù)母線和遙信點狀態(tài)自動搜索得到。
　　
　　廠站狀態(tài)：由本廠站遙信點狀態(tài)決定。
　　
　　通過在監(jiān)控點和廠站狀態(tài)之間建立關(guān)聯(lián)便可完成接線分析，形成當(dāng)前監(jiān)控點。
　　
　　1.3以規(guī)則表實現(xiàn)的分區(qū)控制
　　
　　以電壓U為Y軸，無功Q為X軸，構(gòu)成U-Q運行平面。
　　
　　按照母線電壓分時段考核上下限和功率因數(shù)上下限（根據(jù)有功轉(zhuǎn)化為對應(yīng)無功上下限后使用），將U-Q平面分為不同的區(qū)域。具體分區(qū)方法及編號規(guī)則參見由U和Q或cosφ分區(qū)的16區(qū)控制圖（見圖1）。　　
　　建立規(guī)則表，每個分區(qū)對應(yīng)一條控制規(guī)則，每條規(guī)則zui多可由4種控制組成。
　　
　　控制手段有：①無：不控制；②投電容：在電容器未投且不檢修、保護(hù)無動作、容量小于當(dāng)前無功、投后電壓不越上*投入電容器；③切電容：在切掉電容器功率因數(shù)不越下限、電壓不越下限的情況下切除電容器；④強投電容：在電容器未投且不檢修、保護(hù)無動作時投入電容器；⑤強切電容：切除電容器；⑥降分接頭：變壓器不檢修、可有載調(diào)壓、保護(hù)無動作、分接頭高于zui低擋、降擋電壓不越下*降一擋；⑦升分接頭；變壓器不檢修、可有載調(diào)壓、保護(hù)無動作、分接頭低于zui高擋、升擋電壓不越上*升一擋；⑧報警：對話框提示報警內(nèi)容，同時聲音警告。
　　
　　強投與投相比，沒有容量檢查。強切與切相比，沒有功率因數(shù)是否越下限檢查。另外，當(dāng)變壓器和電容器的操作次數(shù)超*，不再使用；當(dāng)變壓器或電容器延時未到時不再使用；當(dāng)廠站延時未到時，該廠站不再進(jìn)行操作。
　　
　　程序從①至④順序檢索控制手段，判斷該手段當(dāng)前是否可執(zhí)行，如找到可執(zhí)行手段將終止搜索，形成控制方案；找不到可執(zhí)行手段則放棄。
　　
　　需注意的是，規(guī)定變電站無功流人為正，流出為負(fù)，即變電站從電網(wǎng)吸收無功為正值，而變電站向系統(tǒng)倒送無功為負(fù)值。為了實現(xiàn)無功連續(xù)控制，對功率因數(shù)（無功）進(jìn)行如下變動：首先按照無功的正負(fù)，對功率因數(shù)進(jìn)行正負(fù)區(qū)分，即當(dāng)變電站吸收無功時，功率因數(shù)在（0，1）區(qū)間，而變電站向系統(tǒng)倒送無功時的功率因數(shù)則為（0，-1）。然后將（0，-1）區(qū)間的功率因數(shù)全部加2，相當(dāng)于區(qū)間變成了（1，2）。通過這種變換，實現(xiàn)了分區(qū)水平方向無功的連續(xù)控制，即由（0，2）的功率因數(shù)對應(yīng)于無功為（－∞，＋∞）的連續(xù)離散控制（受制于設(shè)備的離散性）。
　　
　　方案的3層協(xié)調(diào)處理為：①根據(jù)U和Q分區(qū)和規(guī)則表形成監(jiān)控點方案；②根據(jù)本廠站各監(jiān)控點方案形成廠站方案，主要考慮三端變壓器中壓側(cè)并列、低壓側(cè)分列運行的情況；⑧根據(jù)各廠站方案，綜合考慮上下級廠站關(guān)系和等待時間、方案性質(zhì)等，形成本次控制方案。主要有兩種方式：一種是根據(jù)全網(wǎng)的功率因數(shù)以及各母線的電壓、當(dāng)前可用設(shè)備的無功補償情況以及設(shè)備操作引起的無功電壓變化，按照電壓等級分層排隊的優(yōu)先級生成本次的控制方案；另一種是綜合考慮全網(wǎng)運行的可能狀態(tài)，利用各廠站的分區(qū)、規(guī)則協(xié)調(diào)來實現(xiàn)全網(wǎng)的方案，主要通過人工干預(yù)或設(shè)立專家方案來實現(xiàn)。一般說來，電壓越限的情況，控制方案較明確；電壓合格時的情況較復(fù)雜。因此，對變壓器增加定義有升變電壓、升變無功、降變電壓、降變無功；對電容器增加定義有投變電壓、投變無功、切變電壓、切變無功；相當(dāng)于在（4，11）區(qū)域內(nèi)再進(jìn)行細(xì)化分割，以滿足更為控制的要求。
　　
　　2系統(tǒng)的可行性和實現(xiàn)中的注意事項
　　
　　2.1可行性
　　
　　a.“四遙”（遙測、遙信、遙控、遙調(diào)）的實現(xiàn)為自動控制提供了可能性。
　　
　　b.有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)補償電容器為自動控制提供了手段。
　　
　　c.計算機技術(shù)的發(fā)展為無功電壓自動控制的實現(xiàn)提供了*的條件。
　　
　　2.2注意事項
　　
　　a.遙測數(shù)據(jù)可能會有誤差或錯誤。
　　
　　b.遙信狀態(tài)會有錯誤，尤其是刀閘的狀態(tài)。
　　
　　c.有時命令下發(fā)不能正確執(zhí)行的問題。
　　
　　d.并列變壓器的統(tǒng)一調(diào)節(jié)問題，兩主變分接頭個數(shù)不相等的情況，三端變壓器的特殊問題。
　　
　　e.電容器的統(tǒng)一調(diào)節(jié)循環(huán)使用問題。
　　
　　f.設(shè)備檢修或保護(hù)的處理。
　　
　　g.防止方案死鎖的處理。
　　
　　h.調(diào)節(jié)的頻率問題，與電壓變化的規(guī)律有關(guān)系。電壓穩(wěn)定，變化幅度較小，調(diào)節(jié)次數(shù)就少；反之，如每日電壓變化幅度較大，調(diào)節(jié)次數(shù)就較多。但對同一種規(guī)則，每天的調(diào)節(jié)次數(shù)是基本穩(wěn)定的。經(jīng)驗表明，人工自動混合控制由于控制規(guī)則不*相同，會增加調(diào)節(jié)的頻率。因此，建議對實現(xiàn)閉環(huán)自動控制的廠站，盡量通過規(guī)則表去調(diào)整控制行為而不是直接干預(yù)其控制過程。
　　
　　i.以功率因數(shù)代替無功作為分區(qū)判據(jù)的問題。由于系統(tǒng)容量不同且運行狀態(tài)隨時變化，無功額定值不好確定，但系統(tǒng)的功率因數(shù)允許范圍是有明確規(guī)定的。因此，用功率因數(shù)上下限和當(dāng)前的有功、無功計算出當(dāng)前無功上下限作為判據(jù)更為合理。
　　
　　j.無功倒送的問題。如果以有功網(wǎng)損zui小為目標(biāo)，無功是否要倒送需要通過計算才能確定。但一般的規(guī)定是不允許無功倒送。
　　
　　k.在實際控制中，設(shè)備的動作頻率和動作次數(shù)是應(yīng)該嚴(yán)格控制的。由于設(shè)備動作后引起監(jiān)控點位置的跳躍，應(yīng)確保不出現(xiàn)在相關(guān)區(qū)域內(nèi)設(shè)置可能引起相反操作的規(guī)則。通過日動作次數(shù)限制設(shè)備的日可動作次數(shù)上限，在達(dá)到限值時自動禁用設(shè)備，并報警提示。如想繼續(xù)使其操作，只有人為干預(yù)才可解除禁用。通過接收SCADA的事項，可處理各種保護(hù)動作的情況，并據(jù)此判斷設(shè)備是否可繼續(xù)運行。通過設(shè)置廠站方案處理后以及設(shè)備動作后的延時，可以控制設(shè)備的動作頻度，以滿足要求。
　　
　　3積成PAS無功電壓自動控制系統(tǒng)
　　
　　本模塊運行于IES500主站系統(tǒng)，可方便地增加需要監(jiān)視的分站，監(jiān)視分站個數(shù)沒有限制，分站只要有基本的遙信、遙測、遙控功能即可實現(xiàn)電壓與無功的監(jiān)控，不需增加特殊的設(shè)備，以節(jié)省投資。
　　
　　具有3種工作方式：按級別由低到高排列為“退出”、“開環(huán)”和“閉環(huán)”。退出：可顯示或不顯示運行狀態(tài)，不進(jìn)行無功電壓的檢測處理。開環(huán)：檢測越限，并彈出控制方案提示對話框，可語音報警；一經(jīng)確認(rèn)，則下發(fā)遙控命令；否則，過30s，對話框自動消失。閉環(huán)：自動進(jìn)行電容器的投切、有載調(diào)壓變壓器分接頭位置的調(diào)整。
　　
　　工作方式有3級設(shè)置：全網(wǎng)、廠站、設(shè)備（變壓器、電容器）。實際的工作方式是三者中級別zui低的方式。工作方式設(shè)置到設(shè)備使本模塊有了很大的靈活性和適應(yīng)性，根據(jù)各分站的不同情況，設(shè)備能可靠量測的廠站可采取閉環(huán)方式，條件差一點的可采取開環(huán)方式；變壓器可采取開環(huán)方式，電容器可采取閉環(huán)方式。
　　
　　分區(qū)控制的原則：將電壓、無功平面根據(jù)電壓和功率因數(shù)考核上下限分為不同的區(qū)域，根據(jù)運行狀態(tài)所在區(qū)域采取相應(yīng)的控制方案，控制靈活及時，具有智能性。控制規(guī)則通過規(guī)則表實現(xiàn)，擴充、修改方便，可充分發(fā)揮人員經(jīng)驗的作用。
　　
　　可建立分時段、分廠站規(guī)則表，實現(xiàn)不同時間、不同廠站有不同的控制規(guī)則。每天的時段數(shù)可靈活定義。根據(jù)不同地區(qū)的需要，可方便地擴充分區(qū)數(shù)，使控制更為。
　　
　　采取數(shù)字濾波，可濾掉電壓、無功的擾動，避免或減少誤動。取數(shù)周期、濾波時間、顯示方式、檢測周期都司設(shè)置。
　　
　　自動記錄電容器投切、分接頭變動后電壓和無功的變化量。電容器在運行一段時間后，其無功補償容量往往并不等于其額定容量，而且電壓變化量一般也不知道，有了記錄便可為控制提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)。
　　
　　根據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷變壓器是否并列運行。并列運行變壓器統(tǒng)一調(diào)節(jié)。
　　
　　若母聯(lián)開關(guān)合，兩段母線上電容器統(tǒng)一投切，電容器循環(huán)投切，以延長使用壽命。
　　
　　可根據(jù)檢修、保護(hù)等信息決定設(shè)備是否可控。
　　
　　廠站監(jiān)控的順序可設(shè)置，可以考慮上下級廠站關(guān)系。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，廠站下設(shè)“監(jiān)控點”的概念，根據(jù)遙信數(shù)據(jù)動態(tài)生成監(jiān)控點。監(jiān)控點是zui基本的監(jiān)控單位，主變并列運行在同一監(jiān)控點內(nèi)，分列則自動歸于兩個不同的監(jiān)控點。
　　
　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向和簡化程序流程如圖2、圖3所示。
　　4結(jié)語
　　
　　本系統(tǒng)目前運行于福建省8個地市以及安徽省的銅陵、合肥等地。經(jīng)長期運行證明，能保證電壓合格率在99％以上，在規(guī)則時段制定合理的情況下，能夠解決設(shè)備頻繁動作的問題。