基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變電站電壓無功自動控制系統(tǒng)

趙 斌

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

0 引 言

對于配電網(wǎng)而言,其穩(wěn)定性以及相關(guān)電力設(shè)備運(yùn)行的安全性均與電壓的質(zhì)量直接相關(guān),在此背景下,電壓質(zhì)量也成為評價電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大,復(fù)雜性逐漸增強(qiáng),自動電壓控制(automatic voltage control,AVC)備受關(guān)注,并且成為應(yīng)用廣泛的手段[2],其不僅在優(yōu)化電壓質(zhì)量發(fā)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(tǒng)的安全水平,實(shí)現(xiàn)了減小網(wǎng)損的目的[3],更重要的是,其在極大程度上降低了相關(guān)控制工作對調(diào)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(biāo)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(shí)現(xiàn)的,具體分接頭的檔位以及無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整主要以變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行[5],這就導(dǎo)致對應(yīng)的控制命令只能通過現(xiàn)有的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集裝置在下行通道中閉環(huán)執(zhí)行[6],在一定程度上使得指令與實(shí)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變電站電壓無功自動控制系統(tǒng),在充分考慮了變電站全局電壓計算復(fù)雜性的基礎(chǔ)上,對實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行設(shè)計,并在實(shí)際應(yīng)用中測試設(shè)計控制系統(tǒng)的作用效果。

1 變電站電壓無功自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行邏輯以及功能的構(gòu)建,以此達(dá)到變電站各參數(shù)數(shù)據(jù)有機(jī)協(xié)作的目標(biāo)[8]。為此,將DSTREAM-HT仿真器作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用載體,DSTREAM-HT具有快速數(shù)據(jù)傳輸效率,包括可以達(dá)到12.5 Gbps的單通道線路速率以及可以達(dá)到60.0 Gbps的組合通道速率,為變電站的數(shù)據(jù)包配置和捕獲提供支撐,在對CoreSight和自定義IP設(shè)備進(jìn)行追蹤時,也具有更高時效性。表1為DSTREAM-HT的具體參數(shù)設(shè)置。

表1 DSTREAM-HT運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

從表1可以看出,DSTREAM-HT能夠結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。DSTREAM-HT的另一個特點(diǎn)是支持多種協(xié)議,包括Arm HSSTP和Marvell@SETM,借助可編譯的IO,可以實(shí)現(xiàn)變電站電壓無功自動化測試和驗(yàn)證工作流程。DSTREAM-HT也同樣設(shè)有設(shè)備寄存器、數(shù)據(jù)追蹤器等構(gòu)架,在遠(yuǎn)程千兆以太網(wǎng)或USB 3.0的連接模式下,DSTREAM-HT支持遠(yuǎn)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(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的單位電壓無功控制量作用強(qiáng)度分析

在變電站的實(shí)際運(yùn)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(qiáng)度存在一定的差異,為了確保自動化控制的合理性,對其進(jìn)行分析是十分必要的。為此,采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),結(jié)合當(dāng)前的負(fù)荷數(shù)據(jù),對調(diào)壓裝置和投切電容器組在電壓無功調(diào)節(jié)動作中的變化進(jìn)行分析。

首先,將利用DSTREAM-HT仿真器追蹤,獲取調(diào)壓裝置和投切電容器組的運(yùn)行數(shù)據(jù),采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的數(shù)值分析手段對采集到的離散數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系進(jìn)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(diào)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(diào)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(yùn)行階段,調(diào)壓裝置和投切電容器組狀態(tài)的執(zhí)行周期。

在此基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前時刻主變分接頭對應(yīng)的檔位信息,二者之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)差異即為該時刻出現(xiàn)的電壓對其形成的暫態(tài)擾動強(qiáng)度,其計算方式為

(2)

式中:λ為單位電壓無功控制量作用強(qiáng)度;N為t時間主變分接頭對應(yīng)的檔位;e為穩(wěn)態(tài)下調(diào)壓裝置和投切電容器組的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

計算得到單位電壓無功控制量作用強(qiáng)度,為后續(xù)的自動化控制提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。假設(shè)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(tài),對應(yīng)發(fā)電機(jī)端的輸出電壓為U0,主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的母線電壓分別為UA和Ua,調(diào)節(jié)電壓無功控制裝置的輸出系數(shù)為

(3)

式中:k為電壓無功控制裝置的輸出系數(shù),從式(3)可以看出,設(shè)計變電站電源電壓的允許波動范圍為0.05Uz;Q1為變電站進(jìn)線線路的無功功率;q2為變電站負(fù)荷端復(fù)數(shù)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(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,低壓側(cè)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(tài)下,變壓器輸出功率的恒定均值。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)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(yùn)行期間,變電站的運(yùn)行環(huán)境為理想的無窮大系統(tǒng)結(jié)構(gòu),這就意味著其內(nèi)阻抗值為0,在變電站的進(jìn)線端, 對應(yīng)的阻抗為(15+j 35)Ω,無功的下限和功率因數(shù)的下限分別為0和0.6。有載調(diào)壓變壓器OLTC的初始檔位為+3 檔,對應(yīng)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(cè)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(cè),對應(yīng)的允許電壓閾值為9.75～11.50 kV。

測試在不同運(yùn)行條件下,文獻(xiàn)[7]提出的以“四型機(jī)場”理念為基礎(chǔ)的變電站自動化控制系統(tǒng),文獻(xiàn)[8]提出的建立在Hamacher算子基礎(chǔ)上的變電站自動化控制方法,以及該設(shè)計系統(tǒng)的控制效果。

3.2 測試結(jié)果與分析

統(tǒng)計了3種控制方式下變電站的運(yùn)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(xiàn)[7]方法下的變電站二次側(cè)無功電壓基本處于6.00～7.50 kV之間,雖然表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)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(xiàn)[8]方法下的變電站二次側(cè)無功電壓的最小值僅為5.34 kV,但是最大值達(dá)到了7.54 kV,整體表現(xiàn)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(wěn)定性存在一定的提升空間;相比之下,觀察該文設(shè)計系統(tǒng)的控制情況,二次側(cè)無功電壓始終穩(wěn)定在5.50 kV以內(nèi),具有較高的穩(wěn)定性和控制效果,這是因?yàn)樵撐耐ㄟ^對變電站的整體運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,在DSTREAM-HT仿真器中對理想控制參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析,確保了控制的可靠性。

4 結(jié) 語

借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計了變電站電壓無功自動控制系統(tǒng),將具有較高數(shù)據(jù)傳輸效率,并且能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)并行追蹤的DSTREAM-HT仿真器作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用載體,實(shí)現(xiàn)了對變電站的無功電壓的有效控制。

測試結(jié)果進(jìn)一步表明,該文設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變電站電壓無功自動控制系統(tǒng),可以有效降低變電站的無功電壓,具有實(shí)際應(yīng)用價值。