一种变电站AVC系统及其无功实时调节量计算方法与流程

本发明涉及一种变电站avc系统及其无功实时调节量计算方法，属于电力技术领域。

背景技术：

变电站按照在电力系统中的地位和作用可划分为系统枢纽变电站、地区一次变电站、地区二次变电站和终端变电站。一般在电网末端直接向用户供电的终端变电站装设无功补偿装置和自动电压无功控制(简称avc)系统，进行无功和电压的调节，以达到保证用户端供电的电能质量，并降低电网系统中有功功率损耗的目的。

avc系统是一套对变电站内电压和功率因数自动进行控制的软件系统，它实时跟踪变电站内电压与无功的变化情况，并自动采取投切无功补偿装置(如并联电容器组、并联电抗器组)、调节动态无功补偿装置(如svg、svc)的无功出力、调节变压器分接开关的档位等控制手段，使得变电站的电压和功率因数品质均符合用户正常用电的要求。

在avc系统中存在四类电压无功调节的响应参数，即：投入单位无功功率引起的母线电压增量ku,q、投入单位无功功率引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量kq,q、变压器分接开关调节一档引起的母线电压增量ku,δ、变压器分接开关调节一档引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量kq,δ。由于电压的变动与无功功率及其它参数之间相互影响，其关系错综复杂。

现有技术在传统变电站avc应用系统中，运行人员通过经验或实测的方式去设置这些参数的值。实际上四类电压无功调节的响应参数不是一个静态值，而是一个与电网当前的运行状态(如高、低压侧母线的实际电压，变压器高、低压侧流过的实际功率，无功负荷的电压响应特性等)息息相关的动态值。因此基于静态参数配置的传统变电站avc系统存在调节次数多、调节过程长以及容易出现振荡调节现象的缺陷。这大大延长了avc系统调节响应的时间，降低了功率因数调节的效率和准确性，降低电网质量，越来越难以满足智能变电站对系统自动化和智能程度的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种变电站avc系统及其无功实时调节量计算方法，用以解决现有技术在变电站对母线电压和电网功率因数调节中存在的调节次数多、调节过程长以及容易出现振荡调节现象的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种变电站avc系统的高压侧无功补偿动态响应参数的计算方法，包括以下步骤：

采集变电站有载调压变压器当前分接开关的档位n、变压器高压侧三相母线线电压的平均值u1、变压器低压侧三相母线线电压的平均值u2、由电网输入变电站高压侧的总有功功率p1、由电网输入变电站高压侧的总无功功率q1、变压器低压侧母线输出给用电负荷的总有功功率p2、低压侧母线输出给用电负荷的总无功功率q2；

计算高压侧无功补偿动态响应参数，所述高压侧无功补偿动态响应参数包括：高压侧母线补偿单位无功功率引起低压侧母线电压增量ku2,q1；

其中，kqu,t＝2(xty²-bt)u2，zt²＝xt²+rt²，

其中，xl为大电网电源端至变电站高压侧母线之间等效电路的电抗、rt为变压器归算到低压侧的支路电阻、xt为变压器归算到低压侧的支路电抗、bt为变压器归算到低压侧的对地电纳、u1e为变压器高压侧额定电压、u2e为变压器低压侧额定电压、δu％为变压器的级电压；所述级电压为变压器分接开关每档调节范围的百分值。

进一步的，所述高压侧无功补偿动态响应参数还包括：高压侧母线补偿单位无功功率引起高压侧母线电压增量ku1,q1；

进一步的，所述高压侧无功补偿动态响应参数还包括：高压侧母线补偿单位无功功率引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量kq,q1；

本发明的一种变电站avc系统的低压侧无功补偿动态响应参数的计算方法，包括以下步骤：

采集变电站有载调压变压器当前分接开关的档位n、变压器高压侧三相母线线电压的平均值u1、变压器低压侧三相母线线电压的平均值u2、由电网输入变电站高压侧的总有功功率p1、由电网输入变电站高压侧的总无功功率q1、变压器低压侧母线输出给用电负荷的总有功功率p2、低压侧母线输出给用电负荷的总无功功率q2；

计算低压侧无功补偿动态响应参数，所述低压侧无功补偿动态响应参数包括：低压侧母线补偿单位无功功率引起低压侧母线电压增量ku2,q2；

其中，kqu,t＝2(xty²-bt)u2，zt²＝xt²+rt²，

其中，xl为大电网电源端至变电站高压侧母线之间等效电路的电抗、rt为变压器归算到低压侧的支路电阻、xt为变压器归算到低压侧的支路电抗、bt为变压器归算到低压侧的对地电纳、u1e为变压器高压侧额定电压、u2e为变压器低压侧额定电压、δu％为变压器的级电压；所述级电压为变压器分接开关每档调节范围的百分值。

进一步的，所述低压侧无功补偿动态响应参数还包括：低压侧母线补偿单位无功功率引起高压侧母线电压增量ku1,q2；

进一步的，所述低压侧无功补偿动态响应参数还包括：低压侧母线补偿单位无功功率引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量kq,q2；

本发明的一种变电站avc系统的变压器分接开关调节动态响应参数的计算方法，包括以下步骤：

采集变电站有载调压变压器当前分接开关的档位n、变压器高压侧三相母线线电压的平均值u1、变压器低压侧三相母线线电压的平均值u2、由电网输入变电站高压侧的总有功功率p1、由电网输入变电站高压侧的总无功功率q1、变压器低压侧母线输出给用电负荷的总有功功率p2、低压侧母线输出给用电负荷的总无功功率q2；

计算变压器分接开关调节动态响应参数，所述变压器分接开关调节动态响应参数包括：变压器分接开关升高一档引起低压侧母线电压增量ku2,δ+，以及变压器分接开关降低一档引起低压侧母线电压增量ku2,δ-；

其中，kqu,t＝2(xty²-bt)u2，zt²＝xt²+rt²，

其中，xl为大电网电源端至变电站高压侧母线之间等效电路的电抗、rt为变压器归算到低压侧的支路电阻、xt为变压器归算到低压侧的支路电抗、bt为变压器归算到低压侧的对地电纳、u1e为变压器高压侧额定电压、u2e为变压器低压侧额定电压、δu％为变压器的级电压；所述级电压为变压器分接开关每档调节范围的百分值。

进一步的，所述变压器分接开关调节动态响应参数还包括：变压器分接开关升高一档引起高压侧母线电压增量ku1,δ+，以及变压器分接开关降低一档引起高压侧母线电压增量ku1,δ-；

进一步的，所述变压器分接开关调节动态响应参数还包括：变压器分接开关升高一档引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量kq,δ+，以及变压器分接开关降低一档引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量kq,δ-；

本发明的一种变电站avc系统，包括采集模块和处理器，所述采集模块用于采集变电站有载调压变压器当前分接开关的档位n、变压器高压侧三相母线线电压的平均值u1、变压器低压侧三相母线线电压的平均值u2、由电网输入变电站高压侧的总有功功率p1、由电网输入变电站高压侧的总无功功率q1、变压器低压侧母线输出给用电负荷的总有功功率p2、低压侧母线输出给用电负荷的总无功功率q2；所述处理器用于执行权利要求1～9中任一项的计算方法。

本发明的有益效果为：

本方案通过设置一系列特征值，将母线电压和无功功率以及其它参数之间错综复杂相互影响简化为数个仅包含特征值的单位无功调节导致母线电压变化的模型，利用该模型可高效快捷的得出无功调节对电压的影响；将该模型引入avc系统功率因数的调节策略中时，能够辅助avc系统合理的执行调节动作，从而产生了一种新的变电站avc系统。新avc系统能够大大减短控制策略执行的轮次和时间，提高系统的工作效率和自动化程度，同时提高系统调节的准确性，提高电能质量。

附图说明

图1为流过终端变电站的潮流等效电路图；

图2为终端变电站的电压无功功率微增量电路示意图；

图3为高压侧母线投入电容器情况的电压无功微增量示意图；

图4为低压侧母线投入电容器情况的电压无功微增量示意图；

图5为变压器分接开关升高一档情况的电压无功微增量示意图；

图6为一种变电站avc系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供一种变电站avc系统及其无功实时调节量计算方法，适用于终端变电站。

对于双绕组变压器的变电站，流过输电线路、变压器、母线、并联电容器组和电力负荷的功率可以用等效电路图来表示，如图1所示。

u0、u1、u0、u′1分别为大电网电源端母线电压、主变压器高压侧母线电压、主变压器低压侧母线电压、主变压器高压侧母线电压经过理想变压器降压到低压侧的电压。

rl、xl、bc分别为大电网电源端至变电站高压侧母线之间等效线路的电阻、电抗、对地电纳。

rt、xt、gt、bt分别为变压器归算到低压侧的支路电阻、支路电抗、对地电导、对地电纳。其中，ud％为需要进行补偿的变压器一侧(低压侧)的阻抗电压百分值，io％为变压器空载电流百分值；se为变压器的额定容量，u2e为变压器低压侧的额定电压。

kt为变压器的当前变比，n为变压器分接开关的当前档位，u1e为变压器高压侧额定电压，δu％表示变压器分接开关每档调节范围的百分值(即级电压)。

1)进线线路的电压无功微增量计算

设等效电路图中线路首端(即大电网电源端)的母线为平衡节点，其电压为参考电压(幅值和相角固定)。首端电压为

首端电压幅值为

其中，代入上式，得

考虑到电压幅值的变化对有功功率的变化影响很小，设p1保持不变，上式两边对电压、无功求微分，用du、δq分别表示电压微增量、无功微增量，得：

由于线路首端的电压为参考电压，其幅值恒定，有du0＝0；再考虑到bcxl＜＜1，可将上式化简为

由上式可知：若线路末端电压升高(du1>0)，则线路输出的无功功率减少(δq1<0)。设末端的电压从u1变为(u1+du1)时，末端输出的功率由(p1+jq1)变为p1+j(q1-dq1)，其中线路输出的无功功率dq1为减量。则线路的电压无功增量关系式为

化简上式，得线路的电压无功微增量方程式：

上式中，当时，有e≈(0.95～1.15)，可以用1.0近似取代e的值。

2)变压器的无功功率微增量计算

流过变压器的无功功率的损耗为

所以，由高压侧流入变压器的无功功率为

设变压器高、低压侧电压的增量分别为du1、du2，高压侧输入无功、低压侧输出无功的增量分别为δq1、δq2，定义变压器分接开关调节方向为对式(9)两端求微分，得：

令化简上式，得变压器的无功微增量方程式：

3)变压器的电压微增量计算

在图1中，变压器支路阻抗两端的电压关系式为

上式转化为

设变压器高、低压侧电压的增量分别为du1、du2，低压侧输出无功的增量为δq2，对式(12)两端求微分，并进行化简，得

化简上式，则有变压器的电压微增量方程式

用式(15)化简式(11)，并考虑btxt＜＜1,得

4)负荷的电压无功响应特性

根据就地侧容性无功补偿原则，以提高变电站母线运行电压为目的时，负荷端母线需补偿的容性无功量的计算式为：

du2为低压侧并联电容器组投入后的母线线电压的升高值；u2为并联电容器组投入前母线运行的线电压值；dqc为投入母线的并联电容器组的容性无功量；xσ为回路总电抗。

上式适用于忽略电阻的情况；如果回路总电阻时，必须用总的阻抗来替代上式中的总电抗xσ。对于终端变电站的低压侧母线，一般满足于其中，

由式(7)可知，变压器低压侧输出的无功功率减量δq2-为

对照式(17)，可见δq2-<dqc，那么无功补偿装置补偿的无功功率，除了一部分抵消掉变压器低压侧输出的无功功率减量以外，还有一部分流入母线所带的负载。因此，当母线电压提升du2时，设负载无功功率增量为dq2，可获得负荷的电压无功微增量方程式如下

5)变电站电压无功功率微增量计算

综上所述，令

组合式(7)、式(11)、式(15)、式(19)，可得变电站的电压无功功率微增量方程组如下：

上式是变电站内变压器高、低压侧母线处的电压无功功率微增量的关系。其中，q1、u1可分别由式(9)、式(13)求得，uδ、kqu,l、kuu,t、kuq,t、kqq,t、kqu,t、kqu,f均可由无功变化前的已知数值求得。将终端变电站的电压无功功率微增量表示在电路图上，如图2所示。

下面将结合图3～图5的电路图，详细说明变电站电压无功动态响应参数的计算方法。

本发明将根据以下三种情况分别分析变电站的电压及无功功率变化时对应的电压无功动态响应参数的计算式：a)变压器高压侧补充容性无功(或切除感性无功)；b)变压器低压侧补充容性无功(或切除感性无功)；c)变压器分接开关升高(或降低)一档。

对于变压器高压侧切除容性无功(或补充感性无功)、低压侧切除容性无功(或补充感性无功)的情况，以同样的处理方式可求得其对应的电压无功动态响应参数的计算公式。

(1)变压器高压侧补充容性无功(或切除感性无功)dqc1

如图3所示，变压器高压侧补充容性无功(或切除感性无功)dqc1，则有：输入变压器高压侧无功功率增量为δq1＝dqc1-dq1，变压器低压侧输出无功功率增量为δq2＝dq2，变压器分接开关调节方向为dδ＝0。将它们代入变电站的电压无功功率微增量方程组(21)，可解得：

令

kqu,c＝kqu,l(kuu,t+kuq,tkqu,f)+kqq,tkqu,f-kqu,t(23)

由式(22)可知：参数kqu,c的值，就是只通过变压器高压侧投入容性无功操作时，使低压侧提升单位电压所需要的高压侧母线补偿的容性无功功率(mvar/kv)。则高压侧投入单位无功功率引起的低压侧母线电压增量为：

同理，由式(21)可解得高压侧投入单位无功功率引起的高压侧母线电压增量为：

高压侧投入单位无功功率引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量为：

(2)变压器低压侧补充容性无功(或切除感性无功)dqc2

如图4所示，在变压器低压侧母线补充容性无功(或切除感性无功)dqc2，则有：输入变压器高压侧无功功率增量为δq1＝-dq1，变压器低压侧输出无功功率增量为δq2＝dq2-dqc2，变压器分接开关调节方向为dδ＝0。将它们代入方程组(21)，可解得：

低压侧投入单位无功功率引起的低压侧母线电压增量为

低压侧投入单位无功功率引起的高压侧母线电压增量为

低压侧投入单位无功功率引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量为

(3)变压器分接开关升高一档

如图5所示，若变压器的分接开关位置增加一档，则有：输入变压器高压侧无功功率增量为δq1＝-dq1，变压器低压侧输出无功功率增量为δq2＝dq2，变压器分接开关调节方向为dδ＝1。将它们代入方程组(21)，可解得：

变压器分接开关升高一档引起的低压侧母线电压增量为

变压器分接开关升高一档引起的高压侧母线电压的增量为

变压器分接开关升高一档引起的由电网输入变电站高压侧的无功功率减量为

对于变压器分接开关降低一档引起的变电站电压无功动态响应参数ku2,δ-、ku1,δ-、kq,δ-的计算公式，分别为式(30)、式(31)、式(32)取相反值。

本发明基于变电站的进线等效线路、变压器、变压器母线、无功补偿设备和负荷的电气接线关系，以及各设备的电压无功功率响应特性理论，生成变电站的电压无功功率微增量方程组。

本方案设置一系列特征值，简化各参数之间错综复杂的关系，并利用特征值表达出：当变压器高压侧母线或低压侧母线投入无功补偿装置后，或者升高(或降低)一档变压器分接开关位置后，对变压器高、低压侧母线的电压，以及由进线线路流入变电站的由电网输入变电站高压侧的无功功率所产生的变化量的计算模型。

以上计算模型可以作为avc系统进行调节的参考，引入所述模型的avc系统不需要配置电压无功功率调节响应参数。具体为，当变压器低压侧母线电压异常，或变压器高压侧母线电压异常，或变压器高压侧输入无功功率异常时，利用所述模型和相应计算方法实时计算变电站低压侧母线需要补偿的无功功率，或变电站高压侧母线需要补偿的无功功率，或变压器分接开关需要调节的档位，并根据变电站当前实际的运行状况和可调节量的大小，选择一种最佳的调解方案去执行。执行流程如图6所示。

传统的avc应用软件采取按照偏大的电压无功功率响应参数值进行配置的方案，使得每次调节的无功功率值偏小，不会出现过调节；而通过多次小量的调节使得变电站的电压质量最终满足用户要求。它的缺陷是：第一、调节次数多，调节过程长，不能满足快速达到合格电压质量的要求，有时需要安装一些特殊的保护设备(如低电压自动减负荷装置)或自动无功调节设备(如svc、statcom、svg)来配合以满足快速性调节要求；第二、在某些特定的运行状况下可能出现振荡调节，使电压质量在合格值的两旁来回波动，此时需要人工干预或采取一些特殊措施来终止振荡调节。

本发明将变电站电压无功动态响应参数的计算公式作为内部算法直接应用于avc软件产品，这些计算式能够协助avc软件系统快速而准确地制定控制策略。当变电站的电压或功率因数偏离合格范围时，新avc产品将实时计算变电站当前运行状态下的电压无功功率响应参数值，从而求出需要的调节量，并选取一个最佳的控制方案去执行。在不考虑每次动作的最大允许调节量要求下，新avc软件可以通过1～2次调节动作，使变电站的电压及功率因数达到合格范围，满足快速性要求，并能很好地避免振荡调节现象。从而使变电站的电压和无功功率随时维持在合格范围内，提升了变电站输出的电能质量。