CN102055199A - 适用于不等容电容器组自动控制的无功需量二阶预测算法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种适用于不等容电容器组自动控制的无功需量二阶预测算法，包括以下步骤：(1)采集安装于变电站进线上的电压互感器、电流互感器信号；根据采集信号进行变电站有功功率和无功功率计算；计算各台主变的功率因数和全站功率因数；进行无功功率需量二阶预测；优化电容器的投切。(2)该发明还包括以下设计原则：“无功值按需投切”原则；“组从大”原则；“循环投切”原则；“投切顺序”原则；“电压变化量合并”原则。
Description
(一)技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及一种适用于不等容电容器组自动控制的无功需量二阶预测算法及其实现方法。
(二)背景技术
电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证电压稳定是电力系统运行的基本任务之一。电压偏移过大既影响用户工作，又增大网损，甚至危及系统运行的稳定性。长期的研究结果表明，造成电压质量下降的主要原因是系统无功功率不足或无功功率分布不合理，所以电压调整问题主要是无功功率的补偿与分布问题。
作为变电站调压的主要手段：采用有载调压和电容器组无功补偿。有载调压变压器可以在带负荷条件下切换分接头，从而改变变压器的变比，可起到调整电压、降低损耗的作用。而合理地配置无功补偿容量，可改变网络中的无功潮流分布，改善功率因数，减少网损，从而改善用户的电压质量。
以上两种措施都有调整电压的作用，但其原理、作用和效果是不同的。在利用分接头调压时，调压措施本身不产生无功功率，因此在整个系统无功不足的情况下不可能用这种方法来提高全系统的电压水平；而利用补偿电容器进行调压，由于补偿装置本身可产生无功功率。因此这种方式既能弥补系统无功的不足，又可改变网络中的无功分布。然而，在系统无功充足但由于无功分布不合理而造成电压质量下降时，这种方式却又是无能为力的。因此只有将两者有机地结合起来，才能达到良好的控制效果。在传统的控制方式下，这两种控制方式是运行人员根据系统调度部门下达的电压无功控制计划，根据运行情况进行调整的。这不仅增加了值班人员的劳动强度，而且对双参数调整难以达到最优的控制效果。
随着无人值班变电站的建立和计算机技术在变电站控制系统中的广泛应用，这种传统的调节方式显然难以适应。为了提高电压合格率和降低能耗，目前各种电压等级的变电站中普遍采用了电压无功综合控制器，就是在变电站中利用有载调压变压器和并联电容器组，根据运行情况进行本站的电压和无功自动调整，以保证负荷侧母线电压在规定范围之内，进线功率因数尽可能高的一种装置。这种电压无功综合控制器一般均以微机为核心，具有体积小、功能强、灵活可靠等一系列优点，同时又具有通信、打印等功能，便于实现全局(网)的无功优化，因此受到了普遍欢迎。
目前，在多数变电站中采用的电容器组为等容量电容器组。这种配置方式控制简单可靠，但是无功功率补偿的精度不够高。以某变电站一段10kV母线为例，对比两种电容器配置方案：
方案一：采用3台电容器组(C1＝C2＝C3＝2400kVar)
方案二：采用3台三分组不等容电容器
(C1＝1200kVar，C2＝2400kVar，C3＝3600kVar)
两种配置方案对无功功率的补偿情况如表一所示：
表一：无功功率的补偿情况对照表
由上表可见，当无功功率需量在1200、3600、6000kVar时，方案一的最小补偿误差在1200kVar，而方案二在表中所有点上的补偿误差均为0。由此可见，方案二的补偿精度较高，在实际应用中可以较好地提高功率因数，减少输电线路线损。但是方案二中电容器的控制较为复杂，开关动作次数较高，因此对于电压无功自动调节装置的要求也相应提高。
本方案着重针对变电站采用不等容电容器组时的控制进行研究，在杭州佳和电气公司VQC2000电压无功综合自动控制装置的软、硬件技术基础上，以期开发出适合多数变电站使用的、具有不等容电容器组自动控制功能的电压无功综合自动控制装置软件。
(三)发明内容
本发明包括以下内容：
适用于不等容电容器组自动控制的无功需量二阶预测算法，具体如下：
(1)、采集安装于变电站进线上的电压互感器、电流互感器信号。每周波采集N点，采集2个周波数据：
电压信号序列为Ui(i＝0，1，2，…，2N)
电流信号序列为Ii(i＝0，1，2，…，2N)
(2)、根据采集信号进行变电站有功功率和无功功率计算，注意要区分各台主变功率和全站总功率：
有功功率
P＝∑Ui*Ii
Q＝∑Ui*Ii+N/4
(3)、计算各台主变的功率因数和全站功率因数；
COSΦ＝sqrt[P2/(P2+Q2)]
(4)、无功功率需量预测方法：
系统实际无功功率需量为Qdem：
Qdem＝Q+∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
其中：Q为实测无功功率。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有已投入的电容器总容量。
Onj＝1表示j号电容器为投入状态。
(5)、无功功率需量二阶预测及电容器组的优化投切：
当系统无功功率总需量为Qdem时，投入的电容器Ci应该满足以下条件：
1)QCi＜Qdem-QL-∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
2)QCi≥QCj(j＝1～n且Onj＝0)
3)LCi＝0
其中：QL为无功功率下限额定值。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有已满足投入条件的电容器总容量。
QCj(j＝1～n且Onj＝0)为所有不满足投入条件的电容器容量。
LCi＝0表示该电容器没有闭锁。
但上述方法是一种较为理想状态，有如下因素没有考虑：
■无功功率的实时变化：无功功率在其变化方向上会保持一段时间，因此可能在进行一次电容器投切(指按上述方式改变电容器的运行状态)结束后，系统地无功需量已经发生了改变，可能需要立即进行电容器的投切，这样会造成电容器组频繁投切，影响电容器的寿命。
■一次电容器投切时间：按要求改变电容器组的运行状态需要依次进行电容器的投切，这个过程需要一定的时间。
鉴于上述原因，可以采用无功功率需量二阶预测算法，其方法如下：
Qdem(2)＝Qdem+ΔQdem×Top
其中：无功需量的变化率ΔQdem＝Qdem(本饮)-Qdem(上次)
Top为一次投切电容器时间值
用Qdem(2)取代上述Qdem重新计算投切的电容器组。
本发明还包括以下优化电容器组投切原则：
(6)“无功值按需投切”原则
本原则要求电容器组的投切按照无功功率实际需量的大小进行投切。
(7)“组从大”原则
当存在满足组有多方案的情况，按满足组从大原则处理。例如表一中，当无功功率需量为3600kVar时，应当投入3600kVar的电容器组，而不能投入1200kVar+2400kVar两组电容器。或10kV两段母线并列运行时，当无功功率需量为2400kVar时，应当投入2400kVar的电容器组，而不能投入1200kVar+1200kVar两组电容器。
(8)“循环投切”原则
同等条件下实现电容器组循环投切。
(9)“投切顺序”原则
当无功太大需投入电容器组时按“先投后切”原则，当无功太小需切除电容组时按“先切后投”原则。
(10)“电压变化量合并”原则
因为一个策略可能需两步投切操作来完成，两步操作之间的间隔时间应小于30s，投切电容器组引起的电压变化量ΔU按两步操作合并后考虑。
本发明的有益效果主要表现在：(1)、提出了一种根据当前实测无功功率计算无功功率需量的方法；(2)、本发明对不等容电容器组自动投切设计了一套原则，以保证电容器组的安全投切和变电站无功功率合格运行；(3)、对于等容电容器组的投切仍然适用；(4)、采用普通的PT、CT，不需要另外安装其他专用耦合设备及监测设备；(5)、不受系统规模和线路结构变化影响；(6)、因为具有预测系统无功功率的功能，所以可以避免电容器组的震荡投切(即投上电容器组后立刻又切除)，保证变电站的安全运行；(7)、由于变电站电容器组类型多样，冲放电时间不相同，本系统可以适用于各种电容器组的情况。
(四)附图说明
图1是110KV变电站典型主接线图
图2是电压无功综合控制装置硬件组成框图
图3是软件的流程图。
图4是本发明的电容器优化投切的流程图。
图5是本发明的软件的原理框图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照附图二，作为独立的电压无功综合控制系统，它主要由以下几部分组成：
1、检测部分采用先进的交流采样技术，通过ACM计算将数字量送往CPU进行处理；主变的工作状态、主变和电容器组的开关状态、保护的动作信号以及闭锁信号等，则可由开关量输入环节经光电隔离后送往CPU。
2、CPU系统利用检测部分所获得的有关信息，对系统的运行方式和运行状态进行识别，从而确定控制对策和控制对象，并发出有关控制信号。
3、输出部分来自CPU系统的控制信号经开关量输出接口送往系统，对变压器分接头和补偿电容器组进行控制。
4、通信系统可将运行状态信息、自诊断信息送往主站或调度中心，亦可接收调度或监控主机发来的命令，从而实现运行定值、运行方式的远方设定。
参照附图五，发明的装置软件组成部分如下：
1、任务调度：定时处理各个任务。
2、开关量输入采集：采集现场的各种开关量状态。包括现场开关、刀闸状态以及主变分接头位置、各种保护及闭锁状态等。
3、交流量输入采集：采集变电站的交流信号(PT、CT等)，计算出电压、无功功率。
4、控制输出：根据VQC控制算法得到当前应该实施的控制操作，控制出口并且延时判别控制成败。
5、VQC控制算法：根据当前的开关量状态、交流量数值判定变电站的运行工况，计算得到当前应该做的控制操作。VQC控制算法为本装置的核心。
6、闭锁状态判别：根据变电站的运行工况、主变分接头位置、电容器及主变保护、闭锁状态等实时判别各个控制对象的闭锁状态。
7、装置自诊断：当装置发生自身硬件故障时，CPU能通过自诊断程序判断出故障类型并报警。
8、时钟管理：对装置的时钟、各种定时器进行管理。
9、显示及键盘处理：装置LCD面板上可以实时显示变电站的运行工况、各种实时数据和参数。通过键盘可以对各个参数实时修改。
10、串口驱动：处理串口报文的收发。其中，串口1为本地调试串口；串口2、3为远动通讯串口，可以与变电站内的监控系统通讯；串口4为本地打印串口。
参照附图三、附图四，本发明的软件实施步骤为：
(1)、定时采集安装于变电站进线上的电压互感器、电流互感器信号。每周波采集N点，采集2个周波数据：
电压信号序列为Ui(i＝0，1，2，…，2N)
电流信号序列为Ii(i＝0，1，2，…，2N)
(2)、根据采集信号进行变电站有功功率和无功功率计算，注意要区分各台主变功率和全站总功率：
有功功率
P＝∑Ui*Ii
Q＝∑Ui*Ii+N/4
(3)、计算各台主变的功率因数和全站功率因数；
COSΦ＝sqrt[P2/(P2+Q2)]
(4)、无功功率需量预测方法：
系统实际无功功率需量为Qdem：
Qdem＝Q+∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
其中：Q为实测无功功率。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有已投入的电容器总容量。
Onj＝1表示j号电容器为投入状态。
(5)、无功功率需量二阶预测及电容器组的优化投切：
当系统无功功率总需量为Qdem时，投入的电容器Ci应该满足以下条件：
4)QCi＜Qdem-QL-∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
5)QCi≥QCj(j＝1～n且Onj＝0)
6)LCi＝0
其中：QL为无功功率下限额定值。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有已满足投入条件的电容器总容量。
QCj(j＝1～n且Onj＝0)为所有不满足投入条件的电容器容量。
LCi＝0表示该电容器没有闭锁。
无功功率需量二阶预测算法，其方法如下：
Qdem(2)＝Qdem+ΔQdem×Top
其中：无功需量的变化率ΔQdem＝Qdem(本次)-Qdem(上次)
Top为一次投切电容器时间值
用Qdem(2)取代上述Qdem重新计算投切的电容器组。
其中，上述第(5)步进行电容器优化投切时满足以下原则：
(6)“无功值按需投切”原则
本原则要求电容器组的投切按照无功功率实际需量的大小进行投切。
(7)“组从大”原则
当存在满足组有多方案的情况，按满足组从大原则处理。
(8)“循环投切”原则
同等条件下实现电容器组循环投切。
(9)“投切顺序”原则
当无功太大需投入电容器组时按“先投后切”原则，当无功太小需切除电容组时按“先切后投”原则。
(10)“电压变化量合并”原则
因为一个策略可能需两步投切操作来完成，两步操作之间的间隔时间应小于30s，投切电容器组引起的电压变化量ΔU按两步操作合并后考虑。
Claims (4)
1.一种适用于不等容电容器组自动控制的无功需量二阶预测算法及其实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)、采集安装于变电站进线上的电压互感器、电流互感器信号。每周波采集N点，采集2个周波数据：
电压信号序列为Ui(i＝0，1，2，…，2N)
电流信号序列为Ii(i＝0，1，2，…，2N)
(2)、根据采集信号进行变电站有功功率和无功功率计算，注意要区分各台主变功率和全站总功率：
有功功率
P＝∑Ui*Ii
Q＝∑Ui*Ii+N/4
(3)、计算各台主变的功率因数和全站功率因数；
COSΦ＝sqrt[P2/(P2+Q2)]
(4)、无功功率需量预测方法：
系统实际无功功率需量为Qdem：
Qdem＝Q+∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
其中：Q为实测无功功率。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有已投入的电容器总容量。
Onj＝1表示j号电容器为投入状态。
(5)、无功功率需量二阶预测及电容器组的优化投切：
由于进行无功功率投切控制需要一定的时间，当系统无功功率总需量为Qdem时，投入的电容器Ci应该满足以下条件：
1)QCi＜Qdem-QL-∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
2)QCi≥QCj(j＝1～n且Onj＝0)
3)LCi＝O
其中：QL为无功功率下限额定值。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有满足投入条件的电容器总容量。
QCj(j＝1～n且Onj＝0)为所有不满足投入条件的电容器容量。
LCi＝0表示该电容器没有闭锁。
无功功率需量二阶预测算法，其方法如下：
Qdem(2)＝Qdem+ΔQdem×Top
其中：无功需量的变化率ΔQdem＝Qdem(本次)-Qdem(上次)
Top为一次投切电容器时间值
用Qdem(2)取代上述Qdem重新计算投切的电容器组。
2.如权利要求1所述的小接地电流电网单相接地故障选线方法，其特征在于：该方法还包括以下设计原则：
(6)“无功值按需投切”原则
本原则要求电容器组的投切按照无功功率实际需量的大小进行投切。
(7)“组从大”原则
当存在满足组有多方案的情况，按满足组从大原则处理。例如表一中，当无功功率需量为3600kVar时，应当投入3600kVar的电容器组，而不能投入1200kVar+2400kVar两组电容器。或10kV两段母线并列运行时，当无功功率需量为2400kVar时，应当投入2400kVar的电容器组，而不能投入1200kVar+1200kVar两组电容器。
(8)“循环投切”原则
同等条件下实现电容器组循环投切。
(9)“投切顺序”原则
当无功太大需投入电容器组时按“先投后切”原则，当无功太小需切除电容组时按“先切后投”原则。
(10)“电压变化量合并”原则
因为一个策略可能需两步投切操作来完成，两步操作之间的间隔时间应小于30s，投切电容器组引起的电压变化量ΔU按两步操作合并后考虑。
3.如权利要求1所述的基于无功功率需量二阶预测算法的适用于不等容电容器组自动控制的控制策略，其特征在于：上述的(4)中，利用当前实际无功功率和已投入的电容器组进行无功功率需量的二阶预测。上述的(5)中投切电容器的控制策略满足权利要求2所述的原则。
4.一种实现如权利要求1所述的适用于不等容电容器组自动控制的无功需量二阶预测算法的实现方法，包括微处理器、A/D转换装置、外部接口、安装于各条线路上的电压传感器、电流传感器、人机界面装置、电源，所述的电压传感器、电流传感器与外部接口通讯连接，外部接口通过A/D转换装置连接微处理器，微处理器连接人机界面装置，
其特征在于：所述的微处理器包括：
一交流信号采集单元，用于采集所述的电压互感器、电流互感器上的电压、电流信号，并计算有功功率、无功功率和功率因数；
一无功功率需量计算单元，用于利用当前实际无功功率和已投入的电容器组进行无功功率需量的预测：
系统实际无功功率需量为Qdem：
Qdem＝Q+∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)
其中：Q为实测无功功率。
∑QCj(j＝1～n且Onj＝1)为所有已投入的电容器总容量。
Onj＝1表示j号电容器为投入状态。
一无功功率需量二阶预测计算单元，用于利用当前实际无功功率和已投入的电容器组进行无功功率需量的二阶预测：
其方法如下：
Qdem(2)＝Qdem+ΔQdem×Top
其中：无功需量的变化率ΔQdem＝Qdem(本次)-Qdem(上次)
Top为一次投切电容器时间值
一优化电容器的投切单元，用于根据当前无功功率需量和上述权利要求2中所述的投切原则进行电容器组的优化投切。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Gaea Electric Co., Ltd. Document name: Notification of Publication and of Entering the Substantive Examination Stage of the Application for Invention |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: HANGZHOU GAEA ELECTRIC CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: HANGZHOU JIAHE ELECTRIC CO., LTD. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 310012 A-1506, Kang Xin Garden, No. 569, Xihu District, Zhejiang, Hangzhou, Wensanlu Road Patentee after: Hangzhou Gaea Electric Co., Ltd. Address before: 310012 A-1506, Kang Xin Garden, No. 569, Xihu District, Zhejiang, Hangzhou, Wensanlu Road Patentee before: Gaea Electric Co., Ltd. |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 1510 room 3880, Huarong Times Building, No. 310053 Jiangnan Road, Binjiang District, Zhejiang, Hangzhou Patentee after: Hangzhou Gaea Electric Co., Ltd. Address before: 310012 A-1506, Kang Xin Garden, No. 569, Xihu District, Zhejiang, Hangzhou, Wensanlu Road Patentee before: Hangzhou Gaea Electric Co., Ltd. |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 310053 Zhejiang city of Hangzhou province high and New Technology Industrial Park, Jiang Dongxin Road No. 69 building 4 Building 801 room 8 Patentee after: Hangzhou Gaea Electric Co., Ltd. Address before: 1510 room 3880, Huarong Times Building, No. 310053 Jiangnan Road, Binjiang District, Zhejiang, Hangzhou Patentee before: Hangzhou Gaea Electric Co., Ltd. |