基于负荷预测的变电站电压无功综合控制策略

束 娜，赵国生，周志勇，王 毅

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013；2.郑州大学电气工程学院，郑州450001）

目前对变电站电压无功综合控制的研究主要集中在传统的九区域图方法、在九区图基础上的各种改进的区域图控制方法[1-3]以及无功优化控制方法[4-7]。区域图控制方法通常用在变电站级的电压无功综合控制装置中或作为变电站综合自动化系统的VQC 软件模块使用，区域图控制方法仅考虑单个变电站的电压无功控制，不能解决区域电网中各个变电站的调节配合问题，且区域图控制策略的控制效果取决于电压与无功上下限值的选取，其对短期负荷波动的适应性差，对于负荷波动频繁的变电站会出现每天变压器分接头调节次数频繁及电容投切次数过多现象，并且存在着调节振荡现象；电压无功优化控制方法是从区域电网的全局来考虑，虽然可以同时实现对多个变电站的电压或无功进行控制，但该方法需要利用最小目标函数，通过求解功率平衡方程、控制变量约束条件、动作次数约束条件来实现，这些方程求解非常复杂，甚至还会出现无解与不收敛情况。目前也有不少文献提到利用负荷预测的方法来进行电压无功的综合控制[8-10]，但这些文献中并没有给出利用超短期负荷预测的结果进行电压无功控制的具体方案，实施起来比较困难。

为了克服以上缺陷，本文提出了一种地区变电站电压无功综合控制策略的数学模型，该模型结合超短期负荷预测的结果以及区域图控制的思想，给出了地区变电站电压无功综合控制的具体实施方案。

1 地区变电站电压无功综合控制数学模型

一种基于超短期负荷预测的地区变电站电压无功综合控制策略数学模型，该模型由启动判据、利用超短期负荷预测结果对控制量的修正算法、动作判据、动作定值整定方法、动作延时值整定方法5 部分共同组成。

（1）启动判据。

设Umax，set、Umin，set、Qmax，set、Qmin，set分 别 为 设 定 的电压和无功控制上、下限值，U、Q 分别为电压与无功的当前测量值，则电压无功综合控制的启动条件为

（2）电压、无功实测值的修正算法。

电压修正算法：设电压的实测值为U（t），当前主变档位为Nnow，主变变比为k，则当前电压实测值的修正值Umod（t）为

无功修正算法：设无功的实测值为Q（t），当前在投电容容量为qnow，则当前无功实测值的修正值Qmod（t）为

（3）动作判据。

设ΔTB、ΔTC分别为运行人员设定的主变分接头调节和电容器投切操作的超限影响因子观测时间，不是执行动作需要等待的时间；α、β 分别为在电压、无功的观测时间内的综合评价危险因子，则是否执行调压和投切电容动作的判据如下。

调压判据：

式中：N 为在ΔTB时间内的记录数据个数；ΔT 为记录数据的时间间隔。满足以上两式之一时即判调压。

电容投切判据：

满足以上两式之一时即判投切电容。（4）动作定值整定方法。

地区变电站的高（下标1）、中（下标2）、低（下标3）电压等级的变电站电压上、限值（标幺值）设定依据为

地区变电站的无功上、限值（标幺值）设定依据为

（5）动作延时值整定方法。

地区变电站的高、中、低电压等级的变电站设置的动作延时时间应满足

式中：T1ty，set、T2ty，set、T3ty，set分别为高、中、低3 个电压等级的主变分接头调节延时设定值；T1tq，set、T2tq，set、T3tq，se分别为高、中、低3 个电压等级的补偿电容器投切延时设定值。

2 电压无功综合控制数学模型在地区变电站电压无功综合控制中的实施

地区变电站电压无功综合控制的数学模型在地区变电站电压无功综合控制中实施步骤如下。

步骤1 首先按模型（4）、模型（5）中的动作定值整定方法（式（6）、式（7））和动作延时值整定方法（式（8））进行地区级的各个电压等级变电站的定值整定配合和时序整定配合，如一个地区级的变电站中存在220 kV、110 kV 和35 kV3 个电压等级的变电站，则式（6）～式（8）中的下标1 表示220 kV 变电站、下标2 表示110 kV、下标3 表示350 kV 变电站的定值整定参数，注意时序整定配合时的延时级差必须大于调整时间并留有充足的余地。若只对一个变电站进行调整，不考虑变电站之间的梯级配合问题，则可以直接进入步骤2。

步骤2 实时测量变电站的电压、无功等参数，并进行定时的记录存储（如每5 min 做1 次记录存储），判断电压或无功是否越限，若电压或无功中的一项或两项都超标，进入步骤3，否则继续步骤2 的测量记录存储功能。

步骤3 按运行人员设定的主变分接头调节和电容器投切操作的超限影响因子观测时间ΔTB、ΔTC进行延时等待观测。若在观测时间内越限量恢复正常，则返回步骤2；否则按模型中的动作判据进行调压或电容投切的判别，若在观测时间完成后，满足调压判据或电容投切判据，经过整定的电容投切延时Ttq或调压延时Tty后进行调压或投切电容，否则进行步骤4 中的进一步判断；超限影响因子观测时间ΔTB、ΔTC取3～5 min 即可。

步骤4 在电压或无功出现越限但不满足动作判据时，调用超短期负荷预测结果的预测值，进行短暂干扰波动负荷的判断，具体判断过程按照第3.3 节中的方法进行。若判该越限为短时间干扰波动，则不执行调节动作；若判断为长时间的负荷波动或电压变化，执行调节操作。

步骤5 回到步骤2，继续执行循环判断。

地区变电站电压无功综合控制的数学模型在地区变电站的电压无功综合控制策略流程如图1所示。

图1 控制策略流程Fig.1 Flow chart of control strategy

3 基于前一工作日与节假日的超短期负荷预测及其实现

地区变电站电压无功综合控制策略数学模型中给出的动作判据只是给出了在电压或无功超限情况下，利用设定的超限影响因子观测时间内的数据超限程度来决定是否进行电容投切或进行主变分接头调整。在电压或无功的超限幅度较小的情况下动作判据不会发出调节指令，这时就需要进行附加的判断，即电压或无功超限的持续时间长短的判断，对于持续时间较短的电压或无功波动。如果此时进行调整，则会在较短时间内还需要进行其逆调整，这样便会出现电容器组投切或主变分接头调整的振荡。而对于持续时间较长的电压或无功波动则需要进行调节动作，而调整后可能持续时间的长短的判定则需要利用超短期负荷预测结果的数据进行判断，基于前一工作日或节假日负荷数据的超短期负荷预测是判断动作可能持续时间这个重要物理量的最有效方法。

3.1 超短期负荷预测过程中的档位与在投电容影响因子的修正

在变电站电压无功综合控制中，由于变压器的档位、电容投运的组数时刻变化，因此，需要对变压器档位影响和在投补偿电容的影响进行修正。具体修正办法如下。

（1）变压器档位影响因子的修正：设变压器的变比（主变高压侧分接头中性点到固定端匝数与低压侧匝数之比）为k，负荷预测模型预测的当前日t 时刻电压值为U（t），在该时刻主变分接头档位为N（t），N（t）=0，±1，±2，±3，…，则变压器档位影响因子为

当前日t 时刻负荷预测电压的修正值U*（t）为

（2）在投无功补偿电容器影响因子的修正：设测量模型测得的当前日t 时刻无功功率值为Q（t），在该时刻在投电容容量为q（t），当前日t 时刻负荷预测无功功率的修正值Q*（t）为

3.2 基于前一工作日和节假日的超短期负荷预测方

法在变电站电压无功综合控制装置中的实现

超短期负荷预测数据集按照如下的方式获得：首先对当前日期是第1 个工作日或节假日进行判断。若设备投运当日为周一至周五中的一天，则为第1 个工作日；若投运当天为周六、周日或法定节假日中的一天，则为第1 个节假日；同时每隔5 min 作为一个时间段，将该段时间间隔内每秒记录的无功数据进行累加权取平均值，作为该时间段内无功值，在对无功负荷的各个时刻的离散数据进行记录时，需要进行在投无功补偿电容器影响因子的修正，这样可以得到当前日的288 点等间隔离散无功数值集将该段时间间隔内每秒记录的电压数据进行累加权取平均值，作为该时间段内电压值，在进行变压器的各个时刻的离散电压进行记录时，需要进行变压器档位影响因子的修正，这样可得当前日的288 点等间隔离散电压数值集由于已经进行了无功补偿在投电容和变压器档位影响因子的修正，就不再需要同时记录该时间段内的变压器档位数据集n={n1，n2，n3，…，n288}及在投电容器的无功容量集q={q1，q2，q3，…，q288}了，记录下当天的这些无功数值集Q*和电压数值集U*作为下一个工作日或节假日的相应负荷预测参考值。

3.3 超短期负荷预测结果对电压无功控制量的影响

由于受多种因素的影响，超短期负荷预测结果可能会与实际负荷值存在着一定的偏差，在确定当前日的电压、无功控制策略时必须利用当前日的实测值。为此，制定了采用当前日的负荷实测值作为调压和投切电容器组的主判据，将超短期负荷预测结果作为电压无功调节动作判断的辅助判据，用于判断干扰负荷和短暂波动来制定电压无功控制的控制量，解决短暂干扰负荷和负荷波动造成的分接头调节次数及电容投切次数频繁问题。具体的利用超短期负荷预测结果实现控制的方法如下：

（1）在电压、无功都合格的情况下不利用超短期负荷预测结果的值参与电压无功控制；

（2）在电压、无功两个控制量中至少出现一个越限的情况下，调用超短期负荷预测结果来判断当前出现的电压或无功越限是否为短暂的扰动，若不是短暂扰动则执行电压或无功的调节操作。若为短暂的扰动但满足动作条件则执行相应动作；否则不执行调节动作躲过这次短暂扰动。

利用短期负荷预测数据来判别当前时刻出现的电压或无功越限是否为短暂扰动的具体判别方法如下：

（1）利用数值分析中离散数据集的函数曲线拟合方法，将前一工作日和节假日的288 点等间隔离散无功修正数值集和288 点等间隔离散电压修正数值集进行曲线拟合，得到其修正后的负荷预测的无功日负荷曲线Q*（t）和电压日负荷曲线U*（t）。

（2）将当前实测的无功功率与电压进行修正，得到当前无功实测值的修正值Qmod（t）和当前电压实测值的修正值Umod（t）。

（3）把用户设定的持续时间小于Tdisturb的电压波动视为电压短暂扰动，如果当前越限量为电压且电压越上限，若修正后的电压日负荷曲线Q*（t）在t=tnow+Tdisturb时刻满足条件

并且满足：

式中，N 为当前时刻主变分接头档位，则可判别该时刻出现的电压越上限波动为暂态扰动。同样，在出现电压越下限值情况下，若满足

并且满足

则可判别该时刻出现的电压越下限波动为暂态扰动。

（4）利用第（3）中判别暂态扰动的方法，可以进行无功越上限或下限的波动是否为暂态波动的判别。

4 实例分析

为了验证本文所提出的基于前一工作日和节假日超短期负荷预测的地区变电站电压无功综合控制策略的正确性，研发了一台实现该算法的变电站电压无功综合控制装置。该装置可以实现对一个变电站的2 台主变分接头调节和2 分段母线下的电容器的自动投切。装置在河南省供电公司唐河供电局35 kV 昝岗变电站挂网运行，该变电站的主要设备参数如下：1 号主变容量为6 300 kVA；2 号主变容量为8 000 kVA；1 段母线电容器组数为1 组；2 段母线电容器组数为2 组；1 段母线电容器容量为450 kvar；2 段母线电容器容量为Q1=900 kvar，Q2=600 kvar；主变分接头档位数为7 档。

为了与正在运行的采用九区图控制策略的变电站电压无功综合控制装置的性能进行对比，采用原来的控制装置直接动作于设备，开发的装置动作于出口的方式（采用了与实际高度吻合方式）来实现，控制器的主要参数设置如下：控制优先级为电压无功；电压上限为10.7 kV；电压下限为10.0 kV；调压动作延时为180 s；投切动作延时为180 s；电压影响因子为1.20；无功影响因子为1.20；观测时间为60 s。

研发的装置在2013-12-04 开始投入运行，在2014-02-04 对装置的动作结果和原来的装置动作结果进行了统计，两者结果比较如下。

研发的装置：动作次数33 次；主变分接头调整次数23 次（上调12 次，下调11 次）；电容器投切次数10 次（2 段母线电容器投切次数8 次，1 段母线电容器投切次数2 次）。

原来的装置：动作次数38 次；主变分接头调整次数25 次（上调13 次，下调12 次）；电容器投切次数13 次（2 段母线电容器投切次数10 次，1段母线电容器投切次数3 次）.

通过对试运行2 个月结果的数据分析可以看出，按照本文所提方法研制的变电站电压无功综合控制装置在减少变电站主变分接头调节次数与电容器投切次数，增加变电站的抗短期负荷干扰能力方面效果显著。

5 结论

（1）本文提出了一种地区变电站电压无功综合控制策略的数学模型，该算法模型由启动判据、利用超短期负荷预测结果对控制量的修正算法、动作判据、区域配合算法几个数学模型构成。

（2）通过本文所提算法数学模型中的动作定值整定方法和动作延时值整定方法的定值整定的配合可以实现地区级内不同电压等级变电站的电压无功控制。

（3）所提数学模型通过与基于前一工作日和节假日负荷的超短期负荷预测结果相结合来实现地区变电站的电压无功综合控制时，可以明显减少九区域图方法及在九区图基础上的各种改进的区域图控制方法应用于负荷波动较为频繁的变电站时出现的变压器分接头调节次数频繁及电容投切次数过多现象，并且减少调节振荡现象。实例分析证实了所提算法具备很好的对短期负荷波动的适应性，能减少设备动作次数。

（4）在利用本文所提算法模型与超短期负荷预测结果相结合实现电压无功控制过程中，提出了对变压器档位影响和在投补偿电容的影响进行影响因子修正的算法，减少了实现控制时所需考虑的数据量，使得仅需考虑电压与无功2 个因素即可实现控制。

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