分级式可控并联电抗器协调控制策略

朱岸明，周启文，杨 帆，孙 健

（1.西北电力调控分中心，西安 710048；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

在高压长距离交流输电线路中，一般使用固定高抗来限制线路过电压，但是固定高抗在线路重载时将带来很大的无功负担，限制了系统的调压能力。采用容量可调节的可控并联电抗器较好地解决了限制过电压和无功补偿之间的矛盾，目前该设备已在国内有实际工程投运，运行效果显示其对控制电压和调节无功有较好的作用。

可控并联电抗器控制策略一般都基于所在线路或母线的电压或无功波动来进行调节，每台设备可以实现在各自区内的控制目标，但目前也仅局限于各自区内，调挡所引起的电压和无功波动在某些场合下可能带来意想不到的后果。比如在双回线两条线路分别安装有一套分级式可控并联电抗器时，由于两条线路的电压在正常情况下十分接近，基于电压的控制策略可能导致两套设备同时动作引起电压波动过大甚至过调导致反复动作，同样的现象还可能发生在同一条线路两端均安装有该设备时。

本文首先介绍了一种常用的分级式可控并联电抗器的结构和工作原理，随后针对上述电压过调和设备反复动作的问题，在两种不同的应用场合下分别提出了各自的控制系统和控制策略的优化设计。该优化设计解决了多套设备之间的配合问题，消除了现有控制系统的局限性，具有良好的可扩展性。

1 工作原理

分级式可控并联电抗器主要由高抗本体和控制部分组成，其中高抗本体为高漏抗型降压变压器，漏抗率达90%以上；控制部分主要包括辅助电抗器、取能电抗器、旁路开关和晶闸管阀组[9-10]。分级式可控并联电抗器的容量级数为2 级或2 级以上，具体级数因系统需求不同而不同，不同容量等级一般采取等差数列原则，即相邻两个挡位之间的容量差为固定值。以4 级容量为例，其主电路结构如图1 所示。

图1 分级式可控并联电抗器结构Fig.1 Schematic diagram of stepped controllable shunt reactor

不同容量等级对应的旁路开关分合状态如表1 所示。

表1 不同容量等级对应旁路开关状态Tab.1 State of pass-by breaker with different levels

分级式可控并联电抗器通过旁路开关和晶闸管阀组的配合，改变串入本体二次侧等效电抗，从而达到调节容量的目的。晶闸管在调挡过程中短时导通，不但起到了保护旁路开关的作用，而且提高了调挡的响应速度。

2 控制策略和控制系统设计

2.1 传统控制策略

传统的分级式可控并联电抗器稳态控制策略主要采用电压/无功控制。以电压控制为例，基于电压变化的控制方法以分级式可控并联电抗器所挂线路或母线的电压为控制目标，预先设定电压上下限，实时检测电压值，当电压值在设定时间内持续高于上限，则上调一定容量，计时清零；如调挡后电压仍然高于上限，则重新计时直到超过设定时间，继续上调容量，以此类推。当电压值低于下限时，控制策略同上，只是将动作改为下调一定容量。

针对不同程度的电压越限，配合有不同的电压定值和延时定值，如图2 所示。

图2 电压控制策略图Fig.2 Diagram of voltage control strategy

图中纵坐标各电压定值的大小关系为Um-〈…〈U2-〈U1-〈U1+〈U2+〈…〈Um+，N1〈N2〈…〈Nm，各延时时间定值之间的关系为T1〉T2〉…〉Tm，电压定值在正常区域上下各有m 个，电压定值、延时定值和调节挡位一一对映，电压、延时以及调挡定值的设定原则为：电压偏离正常范围越严重，则应在越少的延时时间内调节越多的挡位。

基于电压或无功的控制策略仅以本设备所安装地点的电气量为唯一控制指令来源，当两套设备电气距离较近时，彼此之间的独立控制可能导致动作条件同时满足而引起过调。

以某变电站中安装在双回线上的两套分级式可控并联电抗器为例，假设任何一套设备每调一级容量都会对线路电压造成ΔU1的影响，若电压上下限定值为（U-ΔU1，U+ΔU2），则当某一时刻两套设备因电压同时超过上限Δu 而投入容量，将把电压向下拉低2ΔU1造成波动太大；若ΔU1〉ΔU2+Δu/2，则调节后的电压低于下限定值，经过延时后两套设备将同时切除容量，将电压又拉高至上限定值以上，导致反复动作，动作过程如图3 所示。

图3 同时动作引起电压超调图Fig.3 Voltage over-regulation caused by synchronous action

同样的问题可能出现在一条线路两端各安装有一套设备的情况，动作过程和图3 类似。

2.2 控制策略改进

第2.1 节的问题是由于每套分级式可控并联电抗器独立控制引起。针对该问题，介绍两种不同设备配置情况下控制系统和控制策略的改进优化方法。

2.2.1 多回线各挂一套设备

当多回线的同一端均安装有一套分级式可控并联电抗器时，采取一定的协调控制策略，将总的动作挡数合理分配给每套设备，在确保整体调节效果达到要求的前提下，尽量使各设备的挡位保持一致或接近，以平衡每套设备在运行中的损耗，延长设备使用寿命。

对于上述的设备配置情况，一般多套设备的控制屏柜均安装在同一个变电站内，较近的安装距离使得采用一般的站内通信网络便可以实现信号和指令的互传。考虑到当前对220 kV 及以上电压等级电力自动化设备的双重化配置要求，图4展示了多套分级式可控并联电抗器的控制系统架构示意。

图4 控制系统架构示意Fig.4 Diagram of control system

由图4 可以看出，多回线上安装的多套分级式可控并联电抗器设备在控制逻辑上分为一主多从结构，在主从通信正常的情况，任何时刻调挡指令均只由身为主控的那套设备中的值班机发出，从控仅在接收到主控下发的指令后才由值班机出口调挡动作。若某一套设备因通信故障脱离了主控设备的控制，则该设备将闭锁自动调节功能，以避免出现和其他设备同时动作的情况。

该控制结构的实现方法为：所有设备通过交换机组成一个局域网，实现两两通信。同一时间存在且只存在一套主控设备，主控不固定，可以根据设备状态在多套之间切换。主控设备以本线路电压为唯一控制目标，这是因为多套设备安装地点靠近同一条母线，所以各设备所采电压在正常情况下基本一致。每套从控设备的两台控制装置均接收到主控设备下发的调挡指令，但仅由值班机最终出口动作。

在搭建上述控制系统结构的基础上，主控采用一定的协调控制策略，在电压满足动作条件后，根据每套设备当前的挡位、可控状态等，将总的调挡级数合理分配给自己和各从控设备。协调控制策略主要遵循两个原则：①总调节效果满足要求；②动作后各设备挡位尽量保持一致。

以某750 kV 变电站中所采用的如图1 所示的分级式可控并联电抗器为例，通过系统分析，当电压波动时，单套设备电压控制策略如表2 所示。

表2 3 层电压控制策略Tab.2 Strategy of 3-class voltage control

由图可知，随着电压越限程度由低到高，单套设备动作依次为动作一挡、两挡、至最高/最低。当多回线各安装有一套分级式可控并联电抗器时，应控制多套设备动作使得总调挡级数和单套设备时相同（最外层除外，此时多套设备应同时升/降至最大/最小容量）。

下面以双回线上各安装一套设备为例，在电压分别越不同层的上限定值时，介绍3 层电压的控制流程。

当电压满足内层越上限动作条件时，两套设备总调挡数为一挡，所以只需其中一套设备升一挡即可，且应使档位较低者优先动作，以保证调挡后两套设备档位相同或尽量接近。内层越上限控制流程如图5 所示。

对于电压越内层下限动作，控制思路和越上限类似，但是对比两套设备档位时需将“本机挡位〉从机？”改为“本机挡位〈从机？”，将设备动作由“升一挡”改为“降一挡”，即此时应让档位较高的设备优先降挡。详细的控制策略和控制流程不再赘述。

图5 内层升档控制流程图Fig.5 Flow chart of 1 st level upward regulation

当电压满足外层越上限动作条件时，应在设备允许情况下满足总升挡达到两档且尽量使两套设备各动一档，控制流程如图6 所示。

图6 外层升挡控制流程Fig.6 Flow chart of 2 nd level upward regulation

由图6 可以看到，当两套设备均可以升挡时，每套设备各升一挡；当只有一套设备可以升挡时，根据其剩余挡位情况控制其升两挡或升一挡。外层降挡和外层升挡类似，此处不再赘述。

对于最外层升挡/降挡，其控制逻辑较为简单，只需在设备允许情况下控制两套设备均调至最大/最小容量即可。

在调挡过程中若有一套设备发生拒动（即旁路开关没能到达既定的分位或合位），为保证整体调节效果不变，可采用补充调挡策略。每次调挡后各设备独自判断本套设备拒动情况，并把信号汇总到主控设备，主控设备综合拒动、挡位、可控状态等信号后，控制未发生拒动且仍有剩余挡位的设备完成补充调档。控制框图如图7 所示。

图7 拒动后控制框图Fig.7 Diagram of control strategy after switch rejection

主控设备补充调档控制流程如图8 所示。

图8 补充调挡控制流程Fig.8 Flow shart of supplementary control

图8中设置“是否全投/全切时发生拒动？”这一判断条件是因为若设备在最外层动作时发生拒动，则此时其他无故障设备均调至最大或最小容量，没有多余挡位进行补充调节；若设备在线路故障时全投拒动，因此时不属于稳态电压调节，其他线路设备同样不应进行补充调节。

2.2.2 单线路两端各挂一套设备

当单线路两端各安装有一套分级式可控并联电抗器时，为达到最佳控制效果，需采取一定的控制策略，但此处的控制策略不同于多回线各安装一套设备时的策略。

首先，线路两端电压幅值在一般情况下是不同的，两套设备所整定的电压定值也不同，发生两套设备同时达到电压越限条件而动作的概率比较小，故无需太复杂的控制策略；其次，两套设备分别安装在两个变电站内，要想实现如站内那般的通信条件成本较高。综合这两个因素，在单回线两端安装两套设备时采用分时段控制的协调策略。

具体策略为：人为规定两套设备动作时间的区间，例如线路首端设备在[0 s，30 s）动作，而线路末端设备在[30 s，60 s）动作。设备在电压越限超过整定延时并且持续到动作时间区间内才允许动作。需要说明的是分时段控制策略仅针对内层电压控制而言，外层及最外层由于延时较短并且电压越限较为严重，在延时条件满足后直接动作。

采用分时段控制策略后，假设两套设备电压同时在n min 15 s 时越内层上限，则60 s 后时间为（n+1）min 15 s，此时两套设备均达到整定延时60 s，但只有首端设备的动作时间区间[0 s，30 s）满足要求，所以首端设备升一挡将电压调低至正常范围，从而避免了末端设备同时动作。

一般情况下整定两套设备的动作时间区间没有特别要求，只需在60 s 内保证两者动作区间平分即可。实际动作时，根据电压越限发生的时刻不同，首末端两套设备具体哪套优先动作也不同。

2.3 其他协调控制

分级式可控并联电抗器还可以和其他无功设备以及远程调控系统进行配合。

当站内安装有SVC 时，可以将SVC 作为主要控制设备，率先发挥其平滑控制的特点；待SVC 调节至满容量后由可控并联电抗器发挥调节作用，每次动作时SVC 根据自身电压/无功特性适当反调，以达到总体更为平滑的调节效果。

可控并联电抗器还可和AVC 及稳控系统进行配合，接收AVC 及稳控子站下发的调节指令。其中AVC 控制可作为单独远程无功控制，也可作为稳控的协同控制，在稳控需调挡前确保可控并联电抗器留出预调挡位。可控并联电抗器和其他设备及系统间的协调配合更大程度地发挥了其调节作用，使电网的安全合理运行达到更优效果。

3 仿真验证

以新疆-西北二通道沙州—鱼卡线沙州站的分级式可控并联电抗器等值系统为框架，哈密南、柴达木、敦煌站的等效电源为仿真用参数，线路参数为实际参数，搭建PSCAD 仿真模型进行仿真。

3.1 仿真参数

沙州—鱼卡线无功补偿装置配置如下：

1）沙州—鱼卡两回线路共配置4 组分级式可控并联电抗器，每组额定容量390 Mvar，共分4 个挡位：10%、40%、70%和100%。

2）鱼卡站配置一套330 Mvar 磁控式母线可控高抗。

3）沙州站配置静止无功补偿装置SVC（-360 Mvar～360 Mvar）。

西北二通道沙州—鱼卡750 kV 输电线路简化接线如图9 所示。

图9 沙州—鱼卡750 kV 线路简化接线图Fig.9 Simplified wiring diagram of 750 kV Shazhou-Yuka transmission line

线路参数如表3 所示。

表3 西北二通道线路参数Tab.3 Line parameters of northwest dual power transmission channel

仿真用等值电源参数如表4 所示。

表4 西北二通道仿真用等值电源参数Tab.4 Equivalent power supply parameters of northwest dual power transmission channel in simulation

3.2 控制效果分析

在RTDS 试验中，进行了手动调节、电压稳态调节、单相跳闸重合和单相接地故障等试验。下面主要介绍电压稳态调节中沙州站内两套分级式可控并联电抗器之间的协调控制试验以及沙鱼Ⅰ线两端两套设备之间的分时段控制试验，对优化后的控制策略进行验证。3 层电压、延时定值、动作策略分别如表5 所示。

表5 控制参数Tab.5 Control parameter

3.2.1 无优化控制

试验1 先让两台控制器分别控制沙州站内安装在双回线上的两套分级式可控并联电抗器，闭锁协调控制功能，使其仅在单套模式下进行电压调节。两套设备初始挡位均为10%，两条线路电压均稳定在770 kV 左右。以内层升挡试验为例，调节负荷使得线路电压升高为778 kV，高于内层上限值775 kV。6 s 后两套设备同时上升一挡至40%，将线路电压拉低约20 kV 至758 kV，低于内层电压下限值765 kV；60 s 后两套设备同时下降一挡至10%，将线路电压抬高约20 kV 至778 kV，再次高于内层电压上限值775 kV。

由试验结果可知，当两套设备由于所采电压基本一致导致同时动作时，不但会使电压波动过大，而且在电压定值配合不利的情况下将反复动作。

试验2 让两台控制器分别控制同一条线路两端变电站内的两套设备，试验前将分时段控制功能退出，设备初始挡位为10%。由于线路电压降，线路末端设备每层电压定值比首端设备低8 kV。试验中负荷波动对两个站内设备电压的影响随着负荷所在地点的不同而不同，为了模拟两站设备电压同时越限的现象，在线路两端各加一个可调负荷。调节负荷使两站设备电压同时高于内层电压上限定值，经过60 s 后，线路两端设备同时升挡导致电压过调，进而出现反复动作现象。

3.2.2 双回线两套协调控制

针对试验1 中双回线两套设备同时动作的问题，试验开始前将协调控制功能投入，重复试验1的内容，试验初始状态和无优化控制时相同。

仍以内层升挡试验为例，调节负荷使得线路电压升高为778 kV，高于内层电压上限值775 kV。60 s 后主控设备上升一挡至40%，将线路电压拉低约10 kV 至768 kV，电压处于内层上下限定值之间；此后电压稳定在768 kV 左右，不再满足越限条件，两套设备均不再进行调挡。

图10 电压调节效果对比Fig.10 Comparison of voltage control with/without coordinated

3.2.3 单线路两端分时段控制

针对试验2 中单线路两端设备同时动作的问题，试验开始前将分时段控制功能投入，重复试验2 的内容，其中线路首端沙州站设备内层调挡时间整定为[0 s，30 s），末端鱼卡站设备整定为[30 s，60 s），试验初始状态和无优化控制时相同。

调节负荷使两站设备电压同时高于内层上限定值，此时时间为15 s，经过60 s 延时后时间仍为15 s，延时条件满足且时间落在沙州站设备的动作区间[0 s，30 s）内，沙州站设备升1 挡到40%，将两站电压均拉回至正常范围。此后电压不再越限，两套设备不再动作。

4 结论

本文介绍的分级式可控并联电抗器协调控制策略是在原有系统和策略的基础上改进增加了协调控制和分时段控制功能，主要解决了以下问题：

（1）在同一个变电站内安装在多回线上的多套设备之间，设计了协调控制功能，避免了同时动作引起的电压过调和设备反复动作。

（2）协调控制系统采用了一主多从的控制结构，主控设备采用一定分配原则，尽量保证多套设备运行在相同挡位，平摊损耗，有利于延长设备寿命。同时主从控制结构还有利于将来功能的扩展，可以运用到更多设备之间。

（3）在同一条线路两端安装的两套设备之间，设计了弱耦合的分时段控制功能，策略简单但控制效果良好，有效地避免了两套设备同时动作。

基于以上分析和试验验证，优化后的控制系统和控制策略改进并扩展了分级式可控并联电抗器的功能，使其在电力系统中达到更佳的调节效果，具有很好的实用价值并对其他类型的调节设备具有一定的参考意义。

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