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摘 要：对变电站电压无功自动控制系统的工作原理进行了介绍和分析，并提出了控制系统中存在的若干问题以及解决的设想，由此再进一步提出了未来值得研究的方向。
关键词：变电站；电压无功；控制系统
中图分类号：TM411+.4文献标识码：A文章编号：
引言：
电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件。有效的电压调节和无功补偿不仅能提高电压的质量, 而且能够提高电力系统的稳定性和安全性, 充分发挥电网的经济效益。过去, 变电站的电压调整是依靠变电站值班人员通过手动操作变压器的有载调压分接头和投退电容器来完成。
1. VQC的原理
目前地区电网的变电站一般采用的无功补偿控制方法一般是人工调节和 VQC 控制调节。人工调节即变电站值班人员根据本站母线电压运行情况，进行人工投切本站的并联补偿电容器或者调节变压器分接头进行补偿，这种方式存在及时性差、难以优化的缺点。实现了变电站综合自动化的变电站，一般采用电压无功综合控制装置(VQC)进行无功综合控制。
由于电压、无功功率、功率因数是紧密联系的，根据系统的运行情况，在保证电压合格的情况下，从系统角度计算出每个变电站应该补偿的容量和合适的主变分接头位置，这样可以实现全网的无功损耗最小。 但是，一方面电网调度自动化系统不具备这样的计算能力和防调控制能力。 另一方面，变电站的并联补偿电容还不能根据系统要求实现无级平滑的调节无功，只能是分组投切。 所以实际运行的变电站电压无功自动控制系统都是采用分区控制的原则。 其中比较著名的是“九区域图”控制原则。
2.系统架构
本产品控制主板采用 32 位 RISC 架构的 ARM10 微控制器， 该处理器具有极高的性能，主频高达 520MHz。 本主板是嵌入式结构，板形接口极其紧凑，功耗极低。整板功耗就可以控制在 5W 以内。 本主板具有 PC104 接口并且支持标准的 PC104 扩展板卡。 并且具有丰富的接口资源，集成 3 路工业级串口、一路 100M 以太网接口，可以方便的连接各种工业控制模块。 USB 主接口 2 路、USB 设备接口 1 路、1 路AC97 音频、1 路 LCD 及触摸屏等接口。 板载 VGA 接口， 分辨率可达800 x 600，可以直接连接电脑显示器 ，配以 USB 鼠标和键盘 ，即可连接成为一台具有极低功耗的工业控制计算机。 大容量的存储空间，64M 的 RAM ,256M 的 NandFlash，可满足客户对大量数据的存储。
3.模塊划分
VQC 系统包括以下几大功能模块 ：通讯模块 、规约模块 、数据库模块、算法模块、采集与控制模块、数据定时清除模块， GUI 模块。
3.1 通讯模块
主要负责与变电站后台机的通讯， 进行数据的传输。 通讯方式包括 TCP/IP 通信和 RS232 串口通讯,数据主要包括上行信息（遥测、遥信、定值信息）和下行信息（电容断路器位置及判别运行方式的断路器位置，远程操作命令及故障清除命令，定值的远程设定）以及电压、电流数据。
3.2 规约模块
包括 modubs 规约、CDT规约、IEC101 规约、IEC104 规约。用于通讯的数据封装。规约支持的功能，细化出来。
3.3 数据库模块
用于数据的存储，主要存储的数据有补偿参数、实时数据（硬接点采集或软件获取）、通过算法计算后的计算结果（有功、无功、功率因数）。
3.4 算法模块
应用电压无功模糊识别判据，根据当前电压、电流值计算有功无功分量、功率因数等量，并得出控制信号用于控制电容器的投切和变压器档位的调节。进行计算所需要的参数低压母线的电压 无功 功率因素，如果母联是闭合的，合起来计算。如果分开，则需要独立计算。一般不考虑中压侧母联。
3.5 采集模块
两种获取现场数据的方式， 一种是通过采集板采集 16 路电压、电流量和 128 路开关状态量；一种是通过网络或串口从变电站后台机要数据。
3.6 GUI 模块
界面部分分为开机欢迎界面、 功能选着界面和各功能子界面（运行实况、补偿设定、历史曲线、系统设定、故障信息、数据处理、手自动切换、使用帮助、恢复出厂设置、系统退出）。
4.变电站电压、无功综合控制的控制
变电站电压无功控制系统是一个多输人多输出(MIMO)的闭环自动控制系统。从控制理论的角度来说，它又是一个多约束(电压上下限、无功功率上下限、调压变压器分接头动作次数、并联电容器投切次数等)、多目标(电压合格和无功平衡)的最优控制问题。由于无法建立精确的数学模型，目前只能采用工程实用算法做出实用有效的控制决策。按照控制策略的不同可分为以下几种。
4.1按一次侧电压控制
根据系统要求设定一次侧母线电压的上限电压和下限电压。当一次侧母线电压小于允许最低电压值时，投人补偿电容器组提升电压;当母线电压大于允许最高电压值时，切除补偿电容器组降低电压。但由于没有考虑无功功率平衡这一基本条件，单纯进行电压控制，很难实现合适的无功平衡，控制效果不太理想。
4.2按功率因数控制
根据功率因数自动投切并联电容器组，若功率因数低于下限则投人电容器组，高于上限则切除电容器组。由于功率因数容易受到系统负荷的影响，当系统带较小负荷时，较小的无功功率的变化会引起功率因数较大的变化，容易造成投切电容器组动作频繁。另外该方法没有考虑投切并联电容器组对母线电压的影响。
4.3按电压、无功功率的综合控制
根据母线电压和无功功率将运行情况划分为如图1所示的9个区域。图1中纵坐标为电压U，横坐标为无功功率Q(功率因数Coso)。U。为运行过程要求保持的目标电压。为避免控制过程中频繁动作，电压和无功(功率因数)都有一个允许的波动范围。只有当电压或无功(功率因数)超出允许的上下限时才进行调节。在不同的区域采取不同的控制决策，综合利用有载调压器的自动电压调节和投切并联电容器组平衡无功功率这两种手段，达到电压和无功都控制在系统允许的范围内。
4.4人工神经网络(ANN)预测无功
根据大量的历史数据应用人工神经网络(ANN)对无功负荷进行预测，然后将预测结果连同当前的母线电压、无功功率、功率因数等模糊化后作为另一个人工神经网络的输人，输出即为调节动作决策。由于该方法需要进行大量的计算，对系统硬件运行速度要求高，实时性差，仅只能作为离线控制;并且人工神经网络算法的解容易陷人局部最优解，所得控制决策是否合理与训练工作的可靠性密切相关。因此，该方法只是处于理论研究阶段，尚未进人应用。
5.结语
采用变电站综合自动化系统的先进技术，能达到减员增效、减少或避免误操作、误判断、缩短事故处理时间、提高供电质量和供电可靠性，并提高了整个电力系统的自动化水平。 本文仅对变电站综合自动化系统作了粗浅的分析和研究，随着计算机技术、电力技术、自动控制等技术的迅猛发展，变电站综合自动化系统的技术水平将会得到进一步提高，功能将会更趋合理和完善，以不断满足电力的发展需求。
参考文献：
[1]吴希再．电力工程[M]．华中科技大学出版社．2005．
[2]戴晓亮．无功补偿技术在配电网中的应用．电网技术．1999.23(6)．
[3]邓飞凤．变电站电压无功自动控制系统的分析[J]．江西电力．2004．
关键词：变电站；电压无功；控制系统
中图分类号：TM411+.4文献标识码：A文章编号：
引言：
电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件。有效的电压调节和无功补偿不仅能提高电压的质量, 而且能够提高电力系统的稳定性和安全性, 充分发挥电网的经济效益。过去, 变电站的电压调整是依靠变电站值班人员通过手动操作变压器的有载调压分接头和投退电容器来完成。
1. VQC的原理
目前地区电网的变电站一般采用的无功补偿控制方法一般是人工调节和 VQC 控制调节。人工调节即变电站值班人员根据本站母线电压运行情况，进行人工投切本站的并联补偿电容器或者调节变压器分接头进行补偿，这种方式存在及时性差、难以优化的缺点。实现了变电站综合自动化的变电站，一般采用电压无功综合控制装置(VQC)进行无功综合控制。
由于电压、无功功率、功率因数是紧密联系的，根据系统的运行情况，在保证电压合格的情况下，从系统角度计算出每个变电站应该补偿的容量和合适的主变分接头位置，这样可以实现全网的无功损耗最小。 但是，一方面电网调度自动化系统不具备这样的计算能力和防调控制能力。 另一方面，变电站的并联补偿电容还不能根据系统要求实现无级平滑的调节无功，只能是分组投切。 所以实际运行的变电站电压无功自动控制系统都是采用分区控制的原则。 其中比较著名的是“九区域图”控制原则。
2.系统架构
本产品控制主板采用 32 位 RISC 架构的 ARM10 微控制器， 该处理器具有极高的性能，主频高达 520MHz。 本主板是嵌入式结构，板形接口极其紧凑，功耗极低。整板功耗就可以控制在 5W 以内。 本主板具有 PC104 接口并且支持标准的 PC104 扩展板卡。 并且具有丰富的接口资源，集成 3 路工业级串口、一路 100M 以太网接口，可以方便的连接各种工业控制模块。 USB 主接口 2 路、USB 设备接口 1 路、1 路AC97 音频、1 路 LCD 及触摸屏等接口。 板载 VGA 接口， 分辨率可达800 x 600，可以直接连接电脑显示器 ，配以 USB 鼠标和键盘 ，即可连接成为一台具有极低功耗的工业控制计算机。 大容量的存储空间，64M 的 RAM ,256M 的 NandFlash，可满足客户对大量数据的存储。
3.模塊划分
VQC 系统包括以下几大功能模块 ：通讯模块 、规约模块 、数据库模块、算法模块、采集与控制模块、数据定时清除模块， GUI 模块。
3.1 通讯模块
主要负责与变电站后台机的通讯， 进行数据的传输。 通讯方式包括 TCP/IP 通信和 RS232 串口通讯,数据主要包括上行信息（遥测、遥信、定值信息）和下行信息（电容断路器位置及判别运行方式的断路器位置，远程操作命令及故障清除命令，定值的远程设定）以及电压、电流数据。
3.2 规约模块
包括 modubs 规约、CDT规约、IEC101 规约、IEC104 规约。用于通讯的数据封装。规约支持的功能，细化出来。
3.3 数据库模块
用于数据的存储，主要存储的数据有补偿参数、实时数据（硬接点采集或软件获取）、通过算法计算后的计算结果（有功、无功、功率因数）。
3.4 算法模块
应用电压无功模糊识别判据，根据当前电压、电流值计算有功无功分量、功率因数等量，并得出控制信号用于控制电容器的投切和变压器档位的调节。进行计算所需要的参数低压母线的电压 无功 功率因素，如果母联是闭合的，合起来计算。如果分开，则需要独立计算。一般不考虑中压侧母联。
3.5 采集模块
两种获取现场数据的方式， 一种是通过采集板采集 16 路电压、电流量和 128 路开关状态量；一种是通过网络或串口从变电站后台机要数据。
3.6 GUI 模块
界面部分分为开机欢迎界面、 功能选着界面和各功能子界面（运行实况、补偿设定、历史曲线、系统设定、故障信息、数据处理、手自动切换、使用帮助、恢复出厂设置、系统退出）。
4.变电站电压、无功综合控制的控制
变电站电压无功控制系统是一个多输人多输出(MIMO)的闭环自动控制系统。从控制理论的角度来说，它又是一个多约束(电压上下限、无功功率上下限、调压变压器分接头动作次数、并联电容器投切次数等)、多目标(电压合格和无功平衡)的最优控制问题。由于无法建立精确的数学模型，目前只能采用工程实用算法做出实用有效的控制决策。按照控制策略的不同可分为以下几种。
4.1按一次侧电压控制
根据系统要求设定一次侧母线电压的上限电压和下限电压。当一次侧母线电压小于允许最低电压值时，投人补偿电容器组提升电压;当母线电压大于允许最高电压值时，切除补偿电容器组降低电压。但由于没有考虑无功功率平衡这一基本条件，单纯进行电压控制，很难实现合适的无功平衡，控制效果不太理想。
4.2按功率因数控制
根据功率因数自动投切并联电容器组，若功率因数低于下限则投人电容器组，高于上限则切除电容器组。由于功率因数容易受到系统负荷的影响，当系统带较小负荷时，较小的无功功率的变化会引起功率因数较大的变化，容易造成投切电容器组动作频繁。另外该方法没有考虑投切并联电容器组对母线电压的影响。
4.3按电压、无功功率的综合控制
根据母线电压和无功功率将运行情况划分为如图1所示的9个区域。图1中纵坐标为电压U，横坐标为无功功率Q(功率因数Coso)。U。为运行过程要求保持的目标电压。为避免控制过程中频繁动作，电压和无功(功率因数)都有一个允许的波动范围。只有当电压或无功(功率因数)超出允许的上下限时才进行调节。在不同的区域采取不同的控制决策，综合利用有载调压器的自动电压调节和投切并联电容器组平衡无功功率这两种手段，达到电压和无功都控制在系统允许的范围内。
4.4人工神经网络(ANN)预测无功
根据大量的历史数据应用人工神经网络(ANN)对无功负荷进行预测，然后将预测结果连同当前的母线电压、无功功率、功率因数等模糊化后作为另一个人工神经网络的输人，输出即为调节动作决策。由于该方法需要进行大量的计算，对系统硬件运行速度要求高，实时性差，仅只能作为离线控制;并且人工神经网络算法的解容易陷人局部最优解，所得控制决策是否合理与训练工作的可靠性密切相关。因此，该方法只是处于理论研究阶段，尚未进人应用。
5.结语
采用变电站综合自动化系统的先进技术，能达到减员增效、减少或避免误操作、误判断、缩短事故处理时间、提高供电质量和供电可靠性，并提高了整个电力系统的自动化水平。 本文仅对变电站综合自动化系统作了粗浅的分析和研究，随着计算机技术、电力技术、自动控制等技术的迅猛发展，变电站综合自动化系统的技术水平将会得到进一步提高，功能将会更趋合理和完善，以不断满足电力的发展需求。
参考文献：
[1]吴希再．电力工程[M]．华中科技大学出版社．2005．
[2]戴晓亮．无功补偿技术在配电网中的应用．电网技术．1999.23(6)．
[3]邓飞凤．变电站电压无功自动控制系统的分析[J]．江西电力．2004．