基于虚拟仪器的电压无功综合控制系统

张建良，齐冬莲，吴 越

基于虚拟仪器的电压无功综合控制系统

张建良，齐冬莲，吴 越

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

针对电压无功控制精度差及振荡等问题，基于LabVIEW的虚拟仪器技术，以变配电系统为实际对象，综合利用电力一次系统、继电保护装置和人机接口单元组成的硬件系统，以及LabVIEW为基础的变配电软件开发环境，设计并实现了基于虚拟仪器的电压无功综合控制系统。实验研究表明，该系统能够实现对电压无功的有效控制，可以为变配电系统电压无功稳定控制积累运行经验和实验支撑。

电压控制系统；虚拟仪器；无功控制；LabVIEW

电压是衡量电能质量的重要指标，而无功功率是影响电压质量的关键因素，因此需要综合电压和无功之间的相互影响和制约关系，从而实现变电站对电压无功的有效控制[1-3]。然而，现有的电压无功控制需要参考人工经验，以手动调节为主，因而存在调节精度差、反应速度慢等问题[4-6]，主变分接头和补偿电容器组在运行过程中易出现反复投切的“振荡调节”问 题[7-8]，使关键节点处电压忽高忽低，对电容器开关也有比较大的破坏作用。

针对以上问题，基于LabVIEW的虚拟仪器技术，按照变配电系统的技术要求和设计标准，改进了现有电压无功的综合控制策略，设计出开放性、交互性和快速性的电压无功综合调节系统，使系统电压和无功水平稳定在最佳运行状态，满足科研和工程应用的实际需求，并最大化保证设备的使用寿命和系统运行的经济效益。

1 系统总体结构

电压无功综合控制系统立足于智能变配电工程领域的技术需求和规范，以工业用电领域变配电系统为载体，体现现代智能变配电系统的功能和特点，涉及电气设备、电气测量、继电保护、电压无功自动 控制、电气“五防”闭锁、变电站综合自动化等综合应用。

本系统的构建基于110 kV变配电所物理模型，总体结构包括高层监控系统、中间层数据通信系统和底层电力对象系统3部分。底层电力对象系统包括现有工业变配电一次系统和二次系统；中间层数据通信系统包括规约转换单元、数据采集单元、PLC控制器等；高层监控系统是为有更好的人机交互界面而配置，由系统监控单元和人机交互控制系统组成，并在人机交互控制系统上实施了电压无功综合仿真控制程序。系统的总体结构如图1所示。

基于虚拟仪器的电压无功综合控制系统依托现有的工业变配电系统、数据通信系统和人机交互控制系统，利用LabVIEW软件开发环境而设计。软件部分主要包括对传统电压无功控制策略改进后的数据采集与显示程序、电压无功控制程序和故障闭锁与复归程序，分别实现对变电站电压、无功等模拟信号和分接头、投切电容器组等数字信号的实时采集和显示，对系统正常运行中电压无功的优化控制以及对故障情况下系统闭锁和故障排除后的复归操作等综合调节。系统软硬件系统的相互联系如图2所示。

图1 系统总体结构图

图2 系统软件与硬件连接图

根据变配电系统的运行特点和工程技术要求，电压无功综合控制系统的软硬件设计任务包括：

（1）系统方案设计：根据工程应用技术要求，确定工程应用系统总体设计方案，包括系统组成的原理内容和组成框图；

（2）系统硬件：微机线路保护装置、变压器差动保护装置以及变压器后备保护装置及其操作和参数整定方法，为系统的闭锁和复归操作提供基本装置条件；满足装置的灵活性、实时性、高精度和可扩展性；以模块化思想设计数据采集与处理模块、中央控制模块、开关量输入输出模块、人机接口模块以及通信等模块；

（3）系统软件：满足系统维护、交互和扩展的需要，基于LabVIEW语言设计系统软件，充分发挥硬件资源的作用，以模块化思路设计各个软件模块，从而实现各功能模块的互相独立；

（4）系统综合和调试：综合系统硬件和软件，设计开放型电压无功综合控制系统，通过综合有载调压变压器的分接头切换和合理配置无功功率补偿容量，并在工程应用平台上进行试验调试和修正系统设计，保持电站电压稳定和无功水平的优化；

（5）在系统运行工况变化时运行测试和异常故障下的闭锁复归设计，确保工程应用系统在负荷变化时，以及电容器、变压器或其他一次设备发生时的基本功能实现和异常处理功能[9-11]。

2 基于LabVIEW电压无功综合控制的实现

2.1 电压无功综合控制策略

目前国内的变电站电压无功综合控制装置一般是根据变压器的实时运行状况，再由预先给定电压、无功（或者功率因数）上下界，在电压、无功平面上划分成九个区，如图3所示，然后判断电压和无功是否超越上下限来决定相应的分接头位置和无功补偿电容器组的投切控制[1,5-6]。

图3 传统电压无功九区图控制策略

传统的九区图控制策略有可能造成投电容器和切电容器不断地循环，使运行点不停地在不同区域间振荡，造成电压忽高忽低，并严重影响电容器开关的使用寿命。其中主要的原因是电压调节判据和无功调节判据是互不相关的，没有涉及无功调节对电压的影响。

近年来，有学者提出利用模糊边界的概念改进无功调节判据，将电压状态引入无功调节判据，把九区图中原先固定的无功上下限边界变为受电压影响的模糊无功边界[12-15]，从而可得投电容的动作判据为

切电容的动作判据为

图4 改进的电压无功平行四边形区图控制逻辑

与九区图控制策略相同，平行四边形控制策略如表1所示。

表1 平行四边形电压无功综合控制策略

平行四边形控制策略和传统的九区图并无区别，但基于模糊无功边界的思想，考虑到了电压无功的动态平衡。当低压母线电压偏高时，高压侧无功不是太大就可不投电容（或可切电容）；当电压偏低时，无功不是太小就可不切电容（或可投电容），从而避免由于负荷和电压波动所可能导致的电压不合格和档位频繁调整[15-16]。

2.2 基于LabVIEW的电压无功综合控制系统实现

基于LabVIEW软件环境，开发基于平行四边形控制策略的电压无功综合控制系统。开发过程大致分为2个步骤：

步骤1：基于变配电系统的软硬件资源，通过配置和调整一次模拟单元、测量仪表、继电保护单元、自动控制单元、通信网络以及智能变配电监控管理系统，使智能变配电系统处于预定的本地运行模式，负荷全部投入；

步骤2：利用仿真单元和LabVIEW软件，设计基于平行四边形区域的电压无功综合控制程序，实现对低压侧母线电压和高压侧无功功率的自动控制，以保证母线电压合格和无功功率的就地平衡。

步骤2包括以下若干子步骤。

（1）对变配电应用系统运行数据的采集、分析和显示。

①确定需要采集的模拟量对应的采集卡端子列表，需要采集13个模拟通道的电量，基于LabVIEW的数据采集程序如图5所示。

②基于LabVIEW编程实现对数据的处理，处理后的波形图得到的就是实际一次侧的波形，如图6所示。

③根据波形数据计算出系统的电压电流以及有功无功等数值，并且基于LabVIEW软件实现数值显示控件。

图5 基于LabVIEW的数据采集程序实现

图6 基于LabVIEW的数据波形计算程序实现

（2）基于LabVIEW实现电压无功综合控制策略的设计。

①按照平行四边形区图边界条件，先在前面板上用布尔量画出九区图，每个布尔状态代表区图每个控制区的状态。

③根据采集到的且已计算出的低压侧线电压与新定义的电压边界和无功边界比较，判断当前系统状态的区域，基于LabVIEW实现过程如图7所示。

图7 基于平行四边形控制策略的区间判断程序实现

④根据当前系统状态的区域与基于平行四边形区图的控制策略，切换变压器分接头以及投切电容。

⑤将实时软件里的变压器分接头以及电容投切状态的数字量输送到PLC单元，变成控制实际的变压器分接头切换以及电容投切的模拟量，程序实现如图8所示。

图8 数字控制到模拟控制的程序实现

⑥所有的LabVIEW程序编完后，需要生成安装程序后，才能运行电压无功控制软件，从而实现如下的控制目标：

当负荷发生变化时，基于LabVIEW的虚拟仪器程序能对电压和无功功率进行自动控制，并使主变压器分接开关调节次数和电容器投切次数较少，无功交换较少，谐波保持在合理的范围内，保障电能质量；

当电容和变压器等一次设备发生故障时，控制程序能够快速实现故障自锁；

基于LabVIEW的虚拟仪器程序能够实时显示和监测变压器高压侧的无功功率和低压侧的电压，并可根据系统实际运行条件设置电压上下限。

3 测试

通过结合实际的变配电系统，在人机交互控制系统上建成基于虚拟仪器技术设计的电压无功综合控制系统，并通过通信与控制连接进行系统功能检验和性能测试。测试内容和结果如下。

（1）系统运行信息设置界面。打开控制软件，在参数设置页面，根据系统配置信息设置相应电压上下限数值，点击确定，并投入自动运行模式。

（2）系统运行数据的监测与显示。电压无功综合控制程序可以通过监控系统查看整体应用系统的运行数据。

（3）变压器保护动作闭锁告警显示。针对变压器差动保护故障，通过平台进行了仿真验证其闭锁效果。首先，在负荷投入的情况下，通过投入变压器低压侧的故障设置，投入三相故障并确认；然后，通过变压器差动保护装置设置“差动速断保护”投入，保护定值根据观测值进行定值设置；最后，在故障设置中将三相故障再次投入，可以观测到变压器差动保护动作，跳闸信号显示，并且一次系统主变断路器和进线断路器动作。此时，在基于LabVIEW开发的虚拟仪器软件界面上，提示告警信息：变压器保护动作，系统闭锁故障发生并停止运行，如图9所示。

图9 变压器保护动作闭锁告警界面

4 结语

以LabVIEW软件环境为基础开发的开放型电压无功综合控制系统可以有效地提高电压和功率因数的合格率、减少电压的波动，并极大抑制系统投切过程中的振荡现象。针对系统运行中的负荷变化和异常故障，预设操作接口实现自动化的应对措施，保证系统的安全稳定运行，有助于为变配电系统电压无功稳定控制积累运行经验和实验支撑。

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Comprehensive control system for voltage and reactive power based on virtual instruments

ZHANG Jianliang, QI Donglian, WU Yue

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In view of the problems of poor precision and oscillation of voltage and reactive power control, based on LabVIEW virtual instrument technology, and by taking the transformer and distribution system as the actual object, the hardware system composed of primary power system, relay protection device and human-machine interface unit is synthetically utilized, and the software development environment of transformer and distribution based on LabVIEW is designed and realized. The experimental results show that the system can achieve effective control of voltage and reactive power, and accumulate operational experience and experimental support for voltage and reactive power stability control of power transformation and distribution systems.

voltage control system; virtual instruments; reactive power control; LabVIEW

TM72

A

1002-4956(2019)07-0141-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.034

2019-01-04

国家自然科学基金项目（51707172）；浙江省实验室工作研究项目；天煌科技-教育部产学合作协同育人项目；浙江大学电工电子国家级实验教学示范中心资助；国家电网科技计划项目（5442JL170012）；浙江大学本科实验教学自制仪器设备项目

张建良（1984—），男，河南新野，博士，讲师，主要研究方向为信号分析与处理、电力系统的优化控制.E-mail: jlzhang@zju.edu.cn