基于网络技术的变电站电压无功自动控制系统

赵 斌

(大庆油田有限责任公司电力运维分公司 电力运维七部,黑龙江 大庆 163517)

0 引 言

对于配电网而言,其稳定性以及相关电力设备运行的安全性均与电压的质量直接相关,在此背景下,电压质量也成为评价电网电能质量的重要指标之一[1]。随着电网规模的逐渐增大,复杂性逐渐增强,自动电压控制(automatic voltage control,AVC)备受关注,并且成为应用广泛的手段[2],其不仅在优化电压质量发挥了巨大的积极作用,同时也在一定程度上提高了电力系统的安全水平,实现了减小网损的目的[3],更重要的是,其在极大程度上降低了相关控制工作对调度员的依赖性。在具体的控制过程中,针对变电站的主要控制目标是电压无功控制(voltageand reactive power control,VQC)[4]。一般情况下,变电站子站的电压无功控制都是通过受主站给出的指令实现的,具体分接头的档位以及无功补偿设备运行状态的调整主要以变电站监控系统数据为基础进行[5],这就导致对应的控制命令只能通过现有的监控及数据采集装置在下行通道中闭环执行[6],在一定程度上使得指令与实际情况之间存在一定的时间差和信息差,影响最终电压无功控制的可靠性[7]。

该文提出基于网络技术的变电站电压无功自动控制系统,在充分考虑了变电站全局电压计算复杂性的基础上,对实现方式进行设计,并在实际应用中测试设计控制系统的作用效果。

1 变电站电压无功自动控制系统硬件设计

应用网络技术实现对系统运行逻辑以及功能的构建,以此达到变电站各参数数据有机协作的目标[8]。为此,将DSTREAM-HT仿真器作为网络技术的应用载体,DSTREAM-HT具有快速数据传输效率,包括可以达到12.5 Gbps的单通道线路速率以及可以达到60.0 Gbps的组合通道速率,为变电站的数据包配置和捕获提供支撑,在对CoreSight和自定义IP设备进行追踪时,也具有更高时效性。表1为DSTREAM-HT的具体参数设置。

表1 DSTREAM-HT运行参数设置

从表1可以看出,DSTREAM-HT能够结合实际应用环境进行适应性调节。DSTREAM-HT的另一个特点是支持多种协议,包括Arm HSSTP和Marvell@SETM,借助可编译的IO,可以实现变电站电压无功自动化测试和验证工作流程。DSTREAM-HT也同样设有设备寄存器、数据追踪器等构架,在远程千兆以太网或USB 3.0的连接模式下,DSTREAM-HT支持远程和快速访问,降低了变电站电压无功自动控制的空间限制。

2 变电站电压无功自动控制系统软件设计

2.1 基于网络技术的单位电压无功控制量作用强度分析

在变电站的实际运行过程中,由于受多种因素的共同影响,使得单位电压无功控制量作用强度存在一定的差异,为了确保自动化控制的合理性,对其进行分析是十分必要的。为此,采用网络技术,结合当前的负荷数据,对调压装置和投切电容器组在电压无功调节动作中的变化进行分析。

首先,将利用DSTREAM-HT仿真器追踪,获取调压装置和投切电容器组的运行数据,采用网络技术中的数值分析手段对采集到的离散数据集之间的关系进行分析,其计算方式可以表示为

(1)

式中:Ud(t)为DSTREAM-HT仿真器追踪到的t时间调压装置的输出电压;Ur(t)为追踪到的t时间投切电容器组的输出电压;Qd(t)为追踪到的t时间调压装置的容量;Qr(t)为追踪到的t时间投切电容器组的容量;T为变电站运行阶段,调压装置和投切电容器组状态的执行周期。

在此基础上,结合当前时刻主变分接头对应的档位信息,二者之间的关联系数差异即为该时刻出现的电压对其形成的暂态扰动强度,其计算方式为

(2)

式中:λ为单位电压无功控制量作用强度;N为t时间主变分接头对应的档位;e为稳态下调压装置和投切电容器组的关联系数。

计算得到单位电压无功控制量作用强度,为后续的自动化控制提供执行基础。

2.2 变电站电压无功自动控制

对变电站电压无功自动控制是以DSTREAM-HT仿真器追踪到的实际运行数据为基础进行的。假设DSTREAM-HT仿真器追踪到的变电站电源电压为Uz,并且其处于维持不变的状态,对应发电机端的输出电压为U0,主变压器高压侧和低压侧的母线电压分别为UA和Ua,调节电压无功控制装置的输出系数为

(3)

式中:k为电压无功控制装置的输出系数,从式(3)可以看出,设计变电站电源电压的允许波动范围为0.05Uz;Q1为变电站进线线路的无功功率;q2为变电站负荷端复数功率的恒定均值;q3为电抗器吸收无功功率的恒定均值;Z为在稳定运行状态下,低压侧的阻抗大小;Uy为变电站出线线路的等效电压;q1为理想状态下,变压器输出功率的恒定均值。

3 系统测试

3.1 测试环境

以某110 kV 的变电站为测试对象,其等值电路如图1所示。

图1 测试变电站等值电路

在运行期间,变电站的运行环境为理想的无穷大系统结构,这就意味着其内阻抗值为0,在变电站的进线端, 对应的阻抗为(15+j 35)Ω,无功的下限和功率因数的下限分别为0和0.6。有载调压变压器OLTC的初始档位为+3 档,对应的额定容量和额定电压分别为 30 000 kV·A和110/10.0 kV,计算得到其二次侧阻抗值为(0.016 5+j 0.354 4)Ω。变电站的电容器组共分为8组,额定电压值为 10.0 kV,每组额定容量为2 400 kvar。其中,在母线的低压侧,对应的允许电压阈值为9.75～11.50 kV。

测试在不同运行条件下,文献[7]提出的以“四型机场”理念为基础的变电站自动化控制系统,文献[8]提出的建立在Hamacher算子基础上的变电站自动化控制方法,以及该设计系统的控制效果。

3.2 测试结果与分析

统计了3种控制方式下变电站的运行情况,控制效果对比如表2所示。

表2 不同方法下变电站电压无功自动控制效果对比

从表2可以看出,对比3种方法的变电站电压无功自动控制效果,其中,文献[7]方法下的变电站二次侧无功电压基本处于6.00～7.50 kV之间,虽然表现出了较高的稳定性,但是无功电压的水平相对较高,表明其对变电站电压无功自动控制的有效性有待提升;文献[8]方法下的变电站二次侧无功电压的最小值仅为5.34 kV,但是最大值达到了7.54 kV,整体表现出了较高的波动性,表明其对变电站电压无功自动控制的稳定性存在一定的提升空间;相比之下,观察该文设计系统的控制情况,二次侧无功电压始终稳定在5.50 kV以内,具有较高的稳定性和控制效果,这是因为该文通过对变电站的整体运行数据进行分析后,在DSTREAM-HT仿真器中对理想控制参数进行验证分析,确保了控制的可靠性。

4 结 语

借助网络技术,设计了变电站电压无功自动控制系统,将具有较高数据传输效率,并且能够实现大量数据并行追踪的DSTREAM-HT仿真器作为网络技术的应用载体,实现了对变电站的无功电压的有效控制。

测试结果进一步表明,该文设计的基于网络技术的变电站电压无功自动控制系统,可以有效降低变电站的无功电压,具有实际应用价值。