引入负荷预测的变电站电压无功控制

引言
在电压无功综合控制方面，国内科研和生产部门研究开展得比较早，提出了很多控制策略，如模糊控制、神经元控制、九区图等，并研制出实际的电压无功综合控制装置。但是，从实际使用情况来看，存在着投切效率低、甚至出现投切振荡等问题。目前一般的处理措施是采取延时动作，一般整定15 min。但在实际运行中发现，定延时的方法在过滤掉大部分负荷波动的同时，不能及时调整较长时间的负荷变化，影响了功率因数和电压合格率。此外，如负荷波动仅为16 min，超过整定值1 min，也要投切变压器或调整变压器分接头一次，对设备寿命和系统安全可靠性有较大影响。这种情况的出现，原因是VQC装置控制策略中缺少负荷波动的信息。本文提出将负荷预测引入变电站电压无功控制，以满足无功综合调节“电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数”的要求。
1、典型电压无功控制装置中出现的问题
目前推出的大多数电压无功综合控制装置都是基于“九区图”原理。如图l所示，控制装置根据电压、无功、时间、负荷率、开关信息、有载调压变压器分接头挡位和电容器组投退等所处状态等因素进行综合判别，以最优的控制顺序和最少的动作次数，使运行区域进入到第9区，亦即使被检测母线电压控制在规定的上、下限值(V上，V下)之间，以确保电压合格；同时，尽量使交换无功功率控制在设置的上、下限值(Q上、Q下)之间。

当无功负荷发生波动时，如果系统恰好运行于第4S小区，根据九区图的调控原则，将投入一组补偿电容器，结果不仅会减少交换的无功，而且还会使电压提高，运行区不是进入第9区，而是进入第2区或第3区，此后装置可能根据第2区和第3区的控制规则，运行点又回到第4S小区，从而发生振荡动作。
2、引入负荷预测的电压无功控制
2.1 基本思路
从前面分析可以看出，为了解决典型电压无功控制存在的问题，关键是要掌握负荷变化，特别是短时波动情况。变压器允许短时间过负荷，当过负荷1.3倍时，可以延续2 h，而负荷波动持续时间通常为20 min～30 min。因此，可以充分利用变压器的过负荷能力，减少不必要的投切和调整。
考虑到目前越来越多的变电所安装了综合自动化系统，能够实时监测电网运行情况，并存储了大量历史负荷数据，可以实现电网短期和超短期负荷预测。通过预测值与实时数据的比较，将结果作为电压无功综合控制策略的重要参考量，来实现投切和调整的优化，在保障安全的前提下实现最优运行方系统流程框图如图2所示。

2.2 负荷预测方法
本文采用人工神经网络(ANN)法、一元线性回归(ULR)法、指数平滑(ES)法相结合的综合短期负荷预测方法。这3种预测方法的权重系数通过求解如下的二次规划问题获得最佳预测结果：

2.3 电压无功控制判据
通过短期和超短期负荷预测，可以得到未来24 h或未来10 min的负荷预测曲线，例如无功—时间负荷变化曲线。当发生电压无功越限时，通过预测的负荷曲线，得到本次越限的可能的持续时间△T(预测数据)，然后作为一个判据，用来判断是否需要投切电容器或调整变压器分接头。至于如何投切和调整，则由相应的VQC控制策略模块决定。例如，当VQC装置检测到负荷开始越限时，可以从负荷预测曲线得到其可能的持续越限时间△T。根据电网的需要和变电站设备的情况，可以设电压无功补偿控制装置的延时定值为了Ts，则有关判据如表1所示。

3、仿真算例
某变电所主变采用8组400 kvar电容器进行无功补偿，通过短期负荷预测得到该地某日无功负荷曲线，如图3所示。

从图3可以看出，该地区在11:00～13:00出现了3次负荷波动，设电压无功补偿装置定延时定值为了Ts＝25 min，则控制策略如表2所示。

如果按照常规电压无功控制方法，在出现负荷波动以后，采用定延时15 min的办法，虽然能躲过第1次和第3次负荷波动，但第2次负荷波动时补偿电容器在15 min以后(12:00)才投入，15 min后又切除，实际投入的时间只有15 min。而引入负荷预测后，能够由负荷预测结果得知该负荷波动持续的时间大于25 min，因此不必等待，可以直接投入一组补偿电容器。在此种情况下，补偿电容器发挥作用的时间为30 min。相比之下，后一种控制策略可以明显提高功率因数和电压合格率，更大幅度地降低网损，因此该方法明显优于常规电压无功控制策略，电网经济性和安全性都得到很大提高。
4、结语
作为对传统VAQ控制策略的补充和完善，本文对引入负荷预测的变电站电压无功控制进行了探讨，负荷预测的结果作为重要参考量提供给电压无功控制装置，并建立了相应的控制策略。通过SCADA接口，得到电网实时运行数据，进行短期和超短期负荷预测，并得到负荷波动时间，同时考虑变压器的过载能力等，判断是否需要投切补偿电容器或调整变压器分接头，然后调用传统的VQC控制策略进行调整，从而避免不必要的延时，消除投切振荡。该方法不仅能提高变电站母线电压合格率和功率因数，同时有效地减少开关操作次数，延长设备寿命，减少对系统安全的影响。