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摘要：电压是衡量电网电能质量的重要指标之一。电压过高或者过低，都会影响到电力系统中各类电力设备的正常运行。而电力系统的电压水平与无功功率有着十分密切的关系，故维持电网中的无功功率平衡可以有效地提高电能质量，并保证电力系统的安全、可靠、经济运行。本文结合智能变电站中电压无功综合控制子系统的目标，介绍了一些学者提出的电压无功控制综合策略的内容，分析它们各自所具有的特点，最后结合已有成果对这一领域的发展进行了展望。
关键词：电压无功控制；无功补偿；控制策略；智能变电站
引言
我国国民经济不断发展，工业贡献了其中非常重要部分。工业的发展离不开合格的电能质量。改善电压质量可以有效地节约能源，防止电力系统电压出现崩溃以及提高电网的安全运行水平。由于电力系统中无功功率与电压水平紧密相关，变电站往往通过补偿无功功率实现系统中无功功率的平衡。
无功补偿的作用主要有以下几点[1]：
1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。
2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输定系统的稳定性，提高输电能力。
3）在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。
1 无功补偿的方法
电网无功补偿方案有以下4种：变电站集中补偿、低压集中补偿、配电线路固定补偿和用户终端分散补偿。
变电站集中补偿的装置包括同步调相机、并联电容器、静止补偿器等。这种补偿方式一般将装置集中接在变电站的10kV母线上，其优点是便于实现自动投切，利用率高，降低了事故出现的概率，有效减少电网的无功负荷。但是该方式不能解决下一级电网的网损或线损，因此10kV配电网降损不能采取这种补偿方案。
目前无功补偿的方式主要是220kV、110kV、35kV变电站低压侧集中补偿，以及在配电台区装设固定联接的电容器补偿和高压配电线路分散补偿。220kV变电站、110kV变电站配置的无功补偿容量较大，而35kV变电站及配电台区配置无功补偿容量偏小，大部分无功补偿装置采用的是手动投切[2]。
2 变电站自动化
变电站在电力系统中占有非常重要的地位。变电站是否正常运行，对电力系统的安全、稳定运行起到决定性的作用。在当今我国大力提倡智能电网的背景下，进一步提高变电站自动化和发展变电站智能化已成为电力系统研究中的热点。
在IEC61850标准中，对变电站自动化系统SAS的定义为：变电站自动化系统就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化。
变电站自动化系统中的子系统有监控子系统，继电保护子系统，自动控制子系统等。
3 变电站电压无功综合控制子系统
变电站自动化系统需要保证设备的安全、可靠运行以及提高电能质量。为此，在变电站自动化系统中，需要电压无功综合控制子系统，低频低压减负荷控制子系统，单相接地选线控制子系统，备用电源自投控制子系统等。这些系统均采用了独立的自动装置。
3.1 电压无功综合调控的意义
电压无功综合调控的目的是：维持供电电压在给定范围内；保持电力系统达到合适的无功平衡；在保证电压质量合格的前提下尽量降低电能损耗。
目前，在我国变电站应用最广泛的调压方式是结合并联补偿电容器组与有载调压变压器来对电压和无功功率进行调节。对补偿电容器进行投切操作，可以改变电力系统中的无功分布，从而提高电能质量，改善功率因数，减少网络中的电能与电压损耗。而通过切换有载调压变压器的分接头位置就可以改变变压器的变比，从而对电压进行调整。
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3.2 电压无功综合控制的实现
目前我国变电站主要使用基于微机技术的电压无功综合控制系统（VQC）来解决电压和无功的调节问题。常用的VQC有两类：变电站监控系统实现的电压无功控制和独立的VQC成套装置。
利用变电站监控系统实现电压无功控制，是通过在变电站自动化系统站控层监控机中装设VQC控制软件实现的。该软件通过RTU远动装置获取到模拟量、开关量等信息后对所得信息进行分析和计算，从而确定所采取的调控决策，发出调控指令交由RTU远动装置进行执行，故而这种VQC也被称为基于RTU的VQC控制系统。
独立的VQC成套装置则包括独立的微计算机系统和模拟量采集、信号采集I/O系统以及控制输出回路，同时具有测量、显示、统计、打印功能和专门的控制软件，故其可以独立地对变电站的电压和无功进行控制。
4 变电站电压无功综合控制策略
对电压无功进行控制时，采用传统的功率因数补偿法容易对电网造成过补偿。经过理论研究和实践证明后，变电站的电压无功综合控制选取无功功率Q为无功控制量。因此，所谓电压无功综合控制，即根据电压和无功功率这两个判别量来对电压和无功进行综合调节。
变电站电压无功综合控制的目标是在保证电压合格和无功功率基本平衡的前提下，尽可能少地对并联电容器进行投切以及对有载分接开关进行调节。为了更好地实现这个目标，不断有学者对现有电压无功综合控制策略进行修正，从而提出新的策略。
4.1 基于区域图的控制策略
区域图控制策略是变电站电压无功综合控制中最基本的控制策略，同时也是在电力系统中世纪应用最广泛的控制策略。区域图控制策略主要包括九区图法、十二区图法和十四区图法。
九区图法由于其调控策略简单，程序易于实现的优点，在早期控制装置中被广泛采用。九区法根据电压的和无功功率的上下限将电压－无功平面划分为九个区域。
虽然九区法控制策略简单易行，但是它的缺点不容忽视。当无功功率或者电压值落在其上、下限边界附近时，采用调档或者投切电容等动作会可能引起过调，之后又进行相反的动作。如此反复，就会造成频繁投切，因而其可靠性较差。于是在九区图基础上，很多学者提出了多种改进策略来改善这一点。
十二区图法考虑到了调节分接头和投切电容后对电压的影响，可以有效降低投切振荡出现的频率。
考虑到负荷会随着电压的变化而变化，有学者假定变电站的负荷为100%恒定阻抗，在传统区域图控制策略的基础上提出了十四区图法的控制策略。
4.2 基于人工智能的控制策略
4.2.1 基于神经网络的控制策略
人工神经网络是由许多对生物神经元进行模拟与抽象的处理单元相互连接而组成，进行分布式并行信息处理的网络模型。其通过输入信息不断调整网络的权值，从而实现从输入到输出的映射人工神经网络具有分布存储和冗余性、并行处理性、自组织与自学习性、层次性、鲁棒性等特点，被广泛应用于多种领域。
文献[3] 提出了一种基于神经网络的无功功率预测与优化决策结合的变电站的电压无功综合控制方法。该方法采用历史数据训练无功功率预测的神经网络，再将系统的实时数据进行模糊化作为输入，通过控制决策神经网络输出控制信号。控制决策提供的预测指导能有效降低有载分接开关的动作次数，提高控制系统的可靠性。
4.2.2 基于模糊理论的控制策略
考虑到系统的电压水平与变电站的有功和无功负荷之间都存在随机关系，为了保证电压与无功调节的协调，有学者将模糊理论引入到区域图控制中，提出了基于模糊理论的电压无功控制策略。
文献[4]将九区图的分区域输入变量的模糊语言变量相结合，根据变电站的运行状况来确定综合控制方式，利用模糊算法得出控制策略，可有效提高电压的合格率和降低功率损耗。
5 对变电站电压无功综合控制策略的展望
基于区域图的控制策略已经发展了很长时间，由清华大学研发的MVR系列电压无功综合控制装置是其中的典型代表。然而，对于不同的变电站，不同的运行方式，都得对系统的最佳参数值进行重新整定。这就需要对整个程序进行修改，工作量大，不具有良好的经济性。而随着人工智能技术的发展，这一问题有望得到解决。对基于模糊理论的控制只需要修改控制规则，对基于专家系统的控制只需要修改知识库，对基于神经网络的控制只需要利用新采集到的样本对网络进行重新训练，得到修改后的网络权值。与传统方法相比，这些方法都能大大提高效率。如何将人工智能与传统的控制方法更好地结合，相信会成为电压无功综合控制领域未来一段时间的发展方向。
参考文献：
[1]罗安. 电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]. 中国电力出版社，2006.
[2]蔡敏．电网无功补偿方式的探讨[J]．华中电力，2004，（02）：23-26．
论文作者:李亚雄,苏力
论文发表刊物:《河南电力》2018年18期
论文发表时间:2019/3/13
标签：电压论文; 变电站论文; 策略论文; 功率论文; 子系统论文; 电网论文; 电力系统论文; 《河南电力》2018年18期论文;