基于SCADA的无功电压自动控制系统

0 引言 电压是电能质量的重要指标。电压质量直接影响电网稳定及电力设备安全、经济运行和电网电能损耗，对保证用户安全生产、产品质量、经济效益以及电器设备的安全与寿命有重要作用。随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，用户对电压质量也提出了更高的要求。 电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件。有效的电压调节和无功补偿不仅能提高电压质量，而且能提高电力系统的稳定性和安全性，充分发挥电网的经济效益。 目前，虽然部分变电站已实现了电压调节和无功补偿的自动控制[1～4]，但大部分变电站仍是手动调节控制，这存在明显的缺点：①增加运行人员的监视和操作工作量；②运行人员不能准确判断最合理的调节方式，致使调节设备不能充分合理地得到利用；③运行人员调节不及时，而站端控制设备只对变电站二次电压有利，无功无全网优化的意义，如不加电压闭锁将产生变压器分接头调压的副作用[5]。 因此，为了提高劳动生产率，减轻人员的劳动强度，提高电压质量，降低电网损耗，我们开发了一套无功电压自动监控系统。 本系统拓展了SCADA的功能，相比单个变电站的电压自动调节装置，具有投资小、效益高，可以综合利用主站系统提供的丰富信息进行防错处理和上下级厂站的统一考虑，适应电网自动化发展的趋势。随着SCADA日渐完善成熟，遥测数据的准确性和遥控的可靠性不断提高，以及电网应用软件的实用化，必将发挥更大的作用。 1 无功电压自动控制的基本原则和方案 1.1 基本原则 a.安全可靠性：要考虑设备当前的状态(如检修或保护等)、设备的安全运行条件、设备的投运率和使用寿命，以及各种异常情况并采取完善的防错措施，避免设备的频繁动作。 b.灵活通用性：控制方案应能修改，并同时满足大多数用户的共同要求和具体用户特殊的不断变化的要求，还能适用于各种不同的接线方式。 c.循序渐进性：应能适应不同厂站的实际情况，并据此采取开环或闭环方式，或先采取开环方式，经人工干预来优化和确认控制方案，待系统运行稳定、正确、可靠后再投入闭环运行。 1.2 基于可描述监控点的接线分析 通过定义遥信点、遥信点状态、监控点、监控点部件和厂站状态表，完成厂站状态识别，自动生成当前监控点。能自动识别并记录未加定义的可疑状态，绝不误动。 遥信点：一组开关或刀闸的组合，其状态有合、分、可疑3种，由组成开关、刀闸状态决定。用于连接母线和变压器、电容器、母线等部件。 监控点：由母线、开关、变压器组成。母线作为受监控电压来源，开关作为潮流量测来源，变压器作为调节手段。本监控点可用电容器根据母线和遥信点状态自动搜索得到。 厂站状态：由本厂站遥信点状态决定。 通过在监控点和厂站状态之间建立关联便可完成接线分析，形成当前监控点。 1.3 以规则表实现的分区控制 以电压U为Y轴，无功Q为X轴，构成U-Q运行平面。 按照母线电压分时段考核上下限和功率因数上下限(根据有功转化为对应无功上下限后使用)，将U-Q平面分为不同的区域。具体分区方法及编号规则参见由U和Q或cosφ分区的16区控制图(见图1)。 建立规则表，每个分区对应一条控制规则，每条规则最多可由4种控制组成。 控制手段有：①无：不控制；②投电容：在电容器未投且不检修、保护无动作、容量小于当前无功、投后电压不越上限时投入电容器；③切电容：在切掉电容器功率因数不越下限、电压不越下限的情况下切除电容器；④强投电容：在电容器未投且不检修、保护无动作时投入电容器；⑤强切电容：切除电容器；⑥降分接头：变压器不检修、可有载调压、保护无动作、分接头高于最低挡、降挡电压不越下限时降一挡；⑦升分接头；变压器不检修、可有载调压、保护无动作、分接头低于最高挡、升挡电压不越上限时升一挡；⑧报警：对话框提示报警内容，同时声音警告。 强投与投相比，没有容量检查。强切与切相比，没有功率因数是否越下限检查。另外，当变压器和电容器的操作次数超限时，不再使用；当变压器或电容器延时未到时不再使用；当厂站延时未到时，该厂站不再进行操作。 程序从①至④顺序检索控制手段，判断该手段当前是否可执行，如找到可执行手段将终止搜索，形成控制方案；找不到可执行手段则放弃。 需注意的是，规定变电站无功流人为正，流出为负，即变电站从电网吸收无功为正值，而变电站向系统倒送无功为负值。为了实现无功精确连续控制，对功率因数(无功)进行如下变动：首先按照无功的正负，对功率因数进行正负区分，即当变电站吸收无功时，功率因数在(0，1)区间，而变电站向系统倒送无功时的功率因数则为(0，-1)。然后将(0，-1)区间的功率因数全部加2，相当于区间变成了(1，2)。通过这种变换，实现了分区水平方向无功的连续控制，即由(0，2)的功率因数对应于无功为(－∞，＋∞)的连续离散控制(受制于设备的离散性)。 方案的3层协调处理为：①根据U和Q分区和规则表形成监控点方案；②根据本厂站各监控点方案形成厂站方案，主要考虑三端变压器中压侧并列、低压侧分列运行的情况；⑧根据各厂站方案，综合考虑上下级厂站关系和等待时间、方案性质等，形成本次控制方案。主要有两种方式：一种是根据全网的功率因数以及各母线的电压、当前可用设备的无功补偿情况以及设备操作引起的无功电压变化，按照电压等级分层排队的优先级生成本次的控制方案；另一种是综合考虑全网运行的可能状态，利用各厂站的分区、规则协调来实现全网的方案，主要通过人工干预或设立专家方案来实现。一般说来，电压越限的情况，控制方案较明确；电压合格时的情况较复杂。因此，对变压器增加定义有升变电压、升变无功、降变电压、降变无功；对电容器增加定义有投变电压、投变无功、切变电压、切变无功；相当于在(4，11)区域内再进行细化分割，以满足更为精确控制的要求。 2 系统的可行性和实现中的注意事项 2.1 可行性 a.“四遥”(遥测、遥信、遥控、遥调)的实现为自动控制提供了可能性。 b.有载调压变压器和并联补偿电容器为自动控制提供了手段。 c.计算机技术的发展为无功电压自动控制的实现提供了必备的条件。 2.2 注意事项 a.遥测数据可能会有误差或错误。 b.遥信状态会有错误，尤其是刀闸的状态。 c.有时命令下发不能正确执行的问题。 d.并列变压器的统一调节问题，两主变分接头个数不相等的情况，三端变压器的特殊问题。 e.电容器的统一调节循环使用问题。 f.设备检修或保护的处理。 g.防止方案死锁的处理。 h.调节的频率问题，与电压变化的规律有关系。电压稳定，变化幅度较小，调节次数就少；反之，如每日电压变化幅度较大，调节次数就较多。但对同一种规则，每天的调节次数是基本稳定的。经验表明，人工自动混合控制由于控制规则不完全相同，会增加调节的频率。因此，建议对实现闭环自动控制的厂站，尽量通过规则表去调整控制行为而不是直接干预其控制过程。 i.以功率因数代替无功作为分区判据的问题。由于系统容量不同且运行状态随时变化，无功额定值不好确定，但系统的功率因数允许范围是有明确规定的。因此，用功率因数上下限和当前的有功、无功计算出当前无功上下限作为判据更为合理。 j.无功倒送的问题。如果以有功网损最小为目标，无功是否要倒送需要通过精确计算才能确定。但一般的规定是不允许无功倒送。 k.在实际控制中，设备的动作频率和动作次数是应该严格控制的。由于设备动作后引起监控点位置的跳跃，应确保不出现在相关区域内设置可能引起相反操作的规则。通过日动作次数限制设备的日可动作次数上限，在达到限值时自动禁用设备，并报警提示。如想继续使其操作，只有人为干预才可解除禁用。通过接收SCADA的事项，可处理各种保护动作的情况，并据此判断设备是否可继续运行。通过设置厂站方案处理后以及设备动作后的延时，可以控制设备的动作频度，以满足要求。 3 积成PAS无功电压自动控制系统 本模块运行于IES 500主站系统，可方便地增加需要监视的分站，监视分站个数没有限制，分站只要有基本的遥信、遥测、遥控功能即可实现电压与无功的监控，不需增加特殊的设备，以节省投资。 具有3种工作方式：按级别由低到高排列为“退出”、“开环”和“闭环”。退出：可显示或不显示运行状态，不进行无功电压的检测处理。开环：检测越限，并弹出控制方案提示对话框，可语音报警；一经确认，则下发遥控命令；否则，过30s，对话框自动消失。闭环：自动进行电容器的投切、有载调压变压器分接头位置的调整。 工作方式有3级设置：全网、厂站、设备(变压器、电容器)。实际的工作方式是三者中级别最低的方式。工作方式设置到设备使本模块有了很大的灵活性和适应性，根据各分站的不同情况，设备能可靠量测的厂站可采取闭环方式，条件差一点的可采取开环方式；变压器可采取开环方式，电容器可采取闭环方式。 分区控制的原则：将电压、无功平面根据电压和功率因数考核上下限分为不同的区域，根据运行状态所在区域采取相应的控制方案，控制灵活及时，具有智能性。控制规则通过规则表实现，扩充、修改方便，可充分发挥人员经验的作用。 可建立分时段、分厂站规则表，实现不同时间、不同厂站有不同的控制规则。每天的时段数可灵活定义。根据不同地区的需要，可方便地扩充分区数，使控制更为精确。 采取数字滤波，可滤掉电压、无功的扰动，避免或减少误动。取数周期、滤波时间、显示方式、检测周期都司设置。 自动记录电容器投切、分接头变动后电压和无功的变化量。电容器在运行一段时间后，其无功补偿容量往往并不等于其<