基于網絡技術的變電站電壓無功自動控制系統

趙 斌

(大慶油田有限責任公司電力運維分公司 電力運維七部,黑龍江 大慶 163517)

0 引 言

對于配電網而言,其穩定性以及相關電力設備運行的安全性均與電壓的質量直接相關,在此背景下,電壓質量也成為評價電網電能質量的重要指標之一[1]。隨著電網規模的逐漸增大,復雜性逐漸增強,自動電壓控制(automatic voltage control,AVC)備受關注,并且成為應用廣泛的手段[2],其不僅在優化電壓質量發揮了巨大的積極作用,同時也在一定程度上提高了電力系統的安全水平,實現了減小網損的目的[3],更重要的是,其在極大程度上降低了相關控制工作對調度員的依賴性。在具體的控制過程中,針對變電站的主要控制目標是電壓無功控制(voltageand reactive power control,VQC)[4]。一般情況下,變電站子站的電壓無功控制都是通過受主站給出的指令實現的,具體分接頭的檔位以及無功補償設備運行狀態的調整主要以變電站監控系統數據為基礎進行[5],這就導致對應的控制命令只能通過現有的監控及數據采集裝置在下行通道中閉環執行[6],在一定程度上使得指令與實際情況之間存在一定的時間差和信息差,影響最終電壓無功控制的可靠性[7]。

該文提出基于網絡技術的變電站電壓無功自動控制系統,在充分考慮了變電站全局電壓計算復雜性的基礎上,對實現方式進行設計,并在實際應用中測試設計控制系統的作用效果。

1 變電站電壓無功自動控制系統硬件設計

應用網絡技術實現對系統運行邏輯以及功能的構建,以此達到變電站各參數數據有機協作的目標[8]。為此,將DSTREAM-HT仿真器作為網絡技術的應用載體,DSTREAM-HT具有快速數據傳輸效率,包括可以達到12.5 Gbps的單通道線路速率以及可以達到60.0 Gbps的組合通道速率,為變電站的數據包配置和捕獲提供支撐,在對CoreSight和自定義IP設備進行追蹤時,也具有更高時效性。表1為DSTREAM-HT的具體參數設置。

表1 DSTREAM-HT運行參數設置

從表1可以看出,DSTREAM-HT能夠結合實際應用環境進行適應性調節。DSTREAM-HT的另一個特點是支持多種協議,包括Arm HSSTP和Marvell@SETM,借助可編譯的IO,可以實現變電站電壓無功自動化測試和驗證工作流程。DSTREAM-HT也同樣設有設備寄存器、數據追蹤器等構架,在遠程千兆以太網或USB 3.0的連接模式下,DSTREAM-HT支持遠程和快速訪問,降低了變電站電壓無功自動控制的空間限制。

2 變電站電壓無功自動控制系統軟件設計

2.1 基于網絡技術的單位電壓無功控制量作用強度分析

在變電站的實際運行過程中,由于受多種因素的共同影響,使得單位電壓無功控制量作用強度存在一定的差異,為了確保自動化控制的合理性,對其進行分析是十分必要的。為此,采用網絡技術,結合當前的負荷數據,對調壓裝置和投切電容器組在電壓無功調節動作中的變化進行分析。

首先,將利用DSTREAM-HT仿真器追蹤,獲取調壓裝置和投切電容器組的運行數據,采用網絡技術中的數值分析手段對采集到的離散數據集之間的關系進行分析,其計算方式可以表示為

(1)

式中:Ud(t)為DSTREAM-HT仿真器追蹤到的t時間調壓裝置的輸出電壓;Ur(t)為追蹤到的t時間投切電容器組的輸出電壓;Qd(t)為追蹤到的t時間調壓裝置的容量;Qr(t)為追蹤到的t時間投切電容器組的容量;T為變電站運行階段,調壓裝置和投切電容器組狀態的執行周期。

在此基礎上,結合當前時刻主變分接頭對應的檔位信息,二者之間的關聯系數差異即為該時刻出現的電壓對其形成的暫態擾動強度,其計算方式為

(2)

式中:λ為單位電壓無功控制量作用強度;N為t時間主變分接頭對應的檔位;e為穩態下調壓裝置和投切電容器組的關聯系數。

計算得到單位電壓無功控制量作用強度,為后續的自動化控制提供執行基礎。

2.2 變電站電壓無功自動控制

對變電站電壓無功自動控制是以DSTREAM-HT仿真器追蹤到的實際運行數據為基礎進行的。假設DSTREAM-HT仿真器追蹤到的變電站電源電壓為Uz,并且其處于維持不變的狀態,對應發電機端的輸出電壓為U0,主變壓器高壓側和低壓側的母線電壓分別為UA和Ua,調節電壓無功控制裝置的輸出系數為

(3)

式中:k為電壓無功控制裝置的輸出系數,從式(3)可以看出,設計變電站電源電壓的允許波動范圍為0.05Uz;Q1為變電站進線線路的無功功率;q2為變電站負荷端復數功率的恒定均值;q3為電抗器吸收無功功率的恒定均值;Z為在穩定運行狀態下,低壓側的阻抗大小;Uy為變電站出線線路的等效電壓;q1為理想狀態下,變壓器輸出功率的恒定均值。

3 系統測試

3.1 測試環境

以某110 kV 的變電站為測試對象,其等值電路如圖1所示。

圖1 測試變電站等值電路

在運行期間,變電站的運行環境為理想的無窮大系統結構,這就意味著其內阻抗值為0,在變電站的進線端, 對應的阻抗為(15+j 35)Ω,無功的下限和功率因數的下限分別為0和0.6。有載調壓變壓器OLTC的初始檔位為+3 檔,對應的額定容量和額定電壓分別為 30 000 kV·A和110/10.0 kV,計算得到其二次側阻抗值為(0.016 5+j 0.354 4)Ω。變電站的電容器組共分為8組,額定電壓值為 10.0 kV,每組額定容量為2 400 kvar。其中,在母線的低壓側,對應的允許電壓閾值為9.75～11.50 kV。

測試在不同運行條件下,文獻[7]提出的以“四型機場”理念為基礎的變電站自動化控制系統,文獻[8]提出的建立在Hamacher算子基礎上的變電站自動化控制方法,以及該設計系統的控制效果。

3.2 測試結果與分析

統計了3種控制方式下變電站的運行情況,控制效果對比如表2所示。

表2 不同方法下變電站電壓無功自動控制效果對比

從表2可以看出,對比3種方法的變電站電壓無功自動控制效果,其中,文獻[7]方法下的變電站二次側無功電壓基本處于6.00～7.50 kV之間,雖然表現出了較高的穩定性,但是無功電壓的水平相對較高,表明其對變電站電壓無功自動控制的有效性有待提升;文獻[8]方法下的變電站二次側無功電壓的最小值僅為5.34 kV,但是最大值達到了7.54 kV,整體表現出了較高的波動性,表明其對變電站電壓無功自動控制的穩定性存在一定的提升空間;相比之下,觀察該文設計系統的控制情況,二次側無功電壓始終穩定在5.50 kV以內,具有較高的穩定性和控制效果,這是因為該文通過對變電站的整體運行數據進行分析后,在DSTREAM-HT仿真器中對理想控制參數進行驗證分析,確保了控制的可靠性。

4 結 語

借助網絡技術,設計了變電站電壓無功自動控制系統,將具有較高數據傳輸效率,并且能夠實現大量數據并行追蹤的DSTREAM-HT仿真器作為網絡技術的應用載體,實現了對變電站的無功電壓的有效控制。

測試結果進一步表明,該文設計的基于網絡技術的變電站電壓無功自動控制系統,可以有效降低變電站的無功電壓,具有實際應用價值。