某县级电网区域无功电压自动控制系统设计.pdf

第2 9 卷第 4 期 2 O O 6年 8月 四 川 电 力 技 术 S i u a n E l e c i c P o we r T e c h n o lo g y v0 1 2 9。 No 4 Al】 g 。 2 O O 6 某县级 电网区域无功电压 自动控制系统设计 尹琦 ( 德阳电力调度局， 四川德阳6 1 8 0 0 0 ) 摘要： 介绍了某电网无功电压运行存在问题， 为解决这些问题设计的区域电压无功 自动控制 系统的体系结构、 应用 功能、 系统配置等。该系统采用区域控制方法， 按照分层控制结构设计， 利用 S c 舡IA数据进行优化计算， 通过变电站 V Q C 装置或综 自( r mJ ) 实现站端控制。实施该系统是为了有效改善电压质量， 适应调度 自 动化发展的需要。 关键词： 无功电压； 结构； 设计 l ：T h e 8 6 I l g p r o b l e m s i n r e a c t i v e p o we r v o l t a g e o p e r a ti o n o f a p o w e r d a i n t r o d u c e ，a n d t h e s t r u c t u r e d e s i g n ， fi t h r a d E ： 8 i a n d f u n o l l d e s i g n a b o u t d i s t r i c t I e e p o w e r v o l t a g e a u t o ma ti c c o n t r o l s y s t e m a 。 l a i I l e d U s i r l g t h e t e a l t h n e d a t a o fp o w e r s y s t f r o m S ( ： A J ) At h e c o n t r o l s y s t e m c o mp l e t e s t h e I e a v e p o w e r o p t h n i z t i o n a n d t h e r e mo t e c o n t r o 1 T h e c o n t r o l fl c h e l i i s o p e r a t e d b y V Q C o r s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m( g I U) I t c a n i mp r o v e t h e v o l t a g e q u a l i t y e ff e c t i v e l y ， a I l d r e p r e s e n t s t h e d e v e l o p me n t d i r e c ti o n o f r e a c t i v e p o w e r v o l ! g e m明 ；臼I i n t h e d i s t r i c t p o we r d Ke y w0 r 凼 ：r e a c t i v e p o w e r v o l t a g e ；s t r u c t u r e ；d e s i g n 中图分类号： T M 7 6 1 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 3 6 9 ( 2 0 0 6 0 4 0 0 5 5 0 4 1 需求分析 1 1 某县级电网现状 某县级电网以 2 个 2 2 0 k V变电站( 五里堆、 古 城) 为核心， 由8 个 l l O k V变电站( 广汉、 三星堆、 炳 灵官、 向阳、 大塘、 连山、 雒城、 金兴) 、 3 个 3 5 k V变电 站向周边变电站放射式供电。此次方案涉及古城、 广 汉、 向阳、 三星堆、 大塘、 连山、 雒城、 炳灵宫共 8 个变 电站。 2 2 0 k V古城站主变 2 台， 变电容量 3 0 0 M V A ， 容 载比为 1 7 4 ， 其他 7个 1 1 0 k V变电站主变 l l 台， 变 电总容量 3 6 3 5 M V A 。广汉境内 2 2 0 k V线路 7 条， 7 2 8 0 9 k m， l 1 0 k V线路 l 5 条 ， 7 2 8 0 9 k m。 8 个变电站所有主变均具备有载调压能力。补 偿电容实际配置组数为 2 2 组， 电压等级为 l O k V ， 总 容量为 1 0 2 9 0 0 k v a r ， 各站无功补偿设备全部投入， 基 本能保证各站无功电量的需要。8 个站除 l 1 O k V大 塘站、 炳灵宫站外全部装设了具有独立 L O接 口的 V Q C 装置， 雒城站因负荷较轻 V Q C装置未投入运行， 其他 V Q C装置均投入运行。 1 2 电网无功电压运行存在问题 三星堆供高能耗负荷， 特点是一天之内按峰、 谷、 平段负荷变化明显， 波动大引起电压骤变； 向阳站带 钢厂负荷， 为冲击负荷， 引起电容器投切和主变档位 调整频繁， 2 0 0 5 年 日 均电容器投切次数为 l 2 次， 日 均 主变档位调整次数为 l 6 次； 古城 l O k V分列运行， 两 段母线上电容投切不均衡， 段电容投切次数是段 的两倍 。 V Q C 装置有 自身的数据采集和控制输出设备 不需要借助于网络或其它装置工作， 省去中间环节， 因而有较高的可靠性 。此外， 闭锁信号均直接采集于 相关装置的硬接点， 闭锁及时可靠； 控制输出也直接 接到出口回路， 调节响应较迅速。 但由于 V Q c 装置的固有缺点( 某些厂家 V Q c装 置软件不够完善， 无法判别特定运行方式而合理进行 自动调整， 对波动性负荷过于灵敏， 使一天的调档和 电容器规定调整次数在段时间内用完而闭锁装置) ， v Q c装置运行时还需要人工干预。另外 ， 通过综合 自动化上传的v Q c装置闭锁信号没有给出具体是哪 种闭锁信号， 值班员不能在短时间做出正确判断而进 行处理。固定时段的固定定值 ， 如果方式人员没有及 时掌握负荷变化， 或者一次设备故障无法运行， 定值 没有及时调整， v O c装置的动作都可能不满足运行 要求。 I 3 系统建设目标 充分利用已有的 v Q c装置， 发挥其优势建立电 压无功优化的自动控制系统。对没有安装 V Q C 装置 的变电站， 随着变电站综合自动化技术的不断提高和 网络通讯设施的完善， 闭锁速度将有较大改进， 同时 55 维普资讯 第2 9 卷第4 期 2 O 0 6年 8 月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y 为节省投资， 由综 自或分散型 R T U完成区域无功电 压控制系统控制出口。 根据地区电网的实际情况， 以及电网调度运行管 理的实际需求来建设。采用两层结构的分散与集中 相协调的闭环控制系统， 和传统的无功电压分层分区 调度模式一致， 有效地协调控制设备。 区域无功电压控制系统在利用现有设备基础上， 利用 S C A D A实时数据， 进行无功优化， 以最小的网 损， 较少的设备动作次数， 实现全网最优运行。 2 无功电压控制系统设计 2 1 体系结构 控制系统针对电力系统无功优化调度分层、 分区 的实际特点， 在控制结构上采取相应的分层控制架 构， 实施分散协调的优化控制， 符合电网结构和调度 运行特点。 控制系统可以分为两层： 即全网的协调层( 调度 中心) 和各变电站内的执行层。控制系统分层采用混 合模式方式。混合模式， 已安装 V Q C装置站采用分 散协调控制的方式 ， 即主站协调层和子站 V Q C完成 分散协调控制， 是物理分层； 未安装 V Q c 装置采用集 中控制的方式， 即由主站协调层， 逻辑控制层和远动 控制层实现集中控制， 是一种逻辑分层。 蛹 层 执 褥 图 1 两层双闭环控制 反 馈 协 调 在全网协调层 ， 建立全网模型， 电网正常情况下， 根据实时数据进行以网损最小为目标的无功优化计 算和紧急情况下控制量最小使系统电压恢复到正常 两种目标函数， 确定各枢纽结点电压整定值和利率整 定值。 在物理分层方式下各变电站的电压无功自动控 制装置( V Q C ) 按给定的定值 自动调整有载调压变压 器抽头和电容器 电抗器投切。当发生异常时， 各子 站 V Q C 装置可依据分散控制原理独立完成当地的电 5 6 Vo 1 2 9 No 4 A u g 2 0 O 6 压无功控制， 并自主处理控制中的紧急状况。 逻辑分层方式下 ， 控制服务根据优化计算给定 的 约束， 使用专家规则和模糊逻辑实时动态对电刚状态 进行监控， 并最终直接生成控制指令下发到各远动装 置执行。在两种方式下协调层和电网、 执行 监控层 和电网均形成了两层的闭环控制结构。 如果执行层( v Q c装置) 故障退出运行， 相应变 电站无功电压控制人工转成集中控制模式。 2 2 无功优化算法 准实时的无功优化控制要求以能够接受的无功 调节设备的动作次数和调节量为代价， 获得尽可能大 的有功损耗的下降。这就要求必须同时兼顾系统运 行的安全性和经济性， 同时使系统具备一定的承受负 荷波动的能力。优化后的运行点不能偏离原来的运 行点太远， 可以采用成熟的牛顿算法来解决这一问 题。考虑到地区电网低压线路较多， 一般不能满足 X的条件， 不适于采用有功、 无功解耦算法。采 用一种带约束条件松弛的最优潮流无功优化方法， 以 提高无功优化的收敛性和计算速度。潮流算法采用 计及二阶项的牛顿潮流算法， 以适应地区电网的特 点。只要网络结构不变， 不必修改雅可比矩阵， 它具 有计算精度高、 收敛性较好等特点， 已大大提高了计 算速度。 2 2 1 正常运行方式下的 目标函数 输电线路的有功损耗可以表示为： Pres s= K p2 L 则在正常运行方式下的数学模型为： 0 b M i n F= P t o s s 式中： P是线路传输的有功功率； U是线路电 压； L是线路长度； c 0 s 为功率 因数。若电压等级 高， 当传输一定功率 P时， 线路损耗 P 将减小。 由于这一损耗与电压平方成反比， 所以可以通过减少 线路上流动的无功功率， 使电压提高， 从而减小线路 损耗 。 2 2 2 故障运行方式下的 目标 函数 在故障运行方式下的数学模型为： Mi n f ( ) =t,： O i c ( 置) 其中 c ( X i ) 表示优化控制 置偏离其初始值或 额定值所需的费用。乘子 是一个用户提供的偏差 加权因子( 其缺省值为 1 ) ， 可用来指定每个控制改变 量对 目标 函数的影响大小。 维普资讯 第 2 9 卷第 4 期 2 0 0 6年 8月 四 川 电 力 技 术 S i c h u m Ele c P o w e rT e c h n o l o g y V0 1 2 9。 No 4 Au g ， 2 0 0 6 ( 1 ) 约束条件。无功优化的约束有： g( ， H ) ： 0 i Q g i 嘶 。 O Q 。 Q 。 式中： 为状态变量向量， 11, 为控制变量向量。 公式分别代表了发电机和负荷母线的运行极限， 控制变量的范围。 其中： 、 、 Q 分别是发电机无功出力及 其下 限、 上 限。 、 、 l II i 、 、 m 眦分别是节点电压 及发电机端电压值及其下限、 上限。 、 分别为变压器有载调压分接 头挡位值及其下限、 上限。 Q Q 。 一分别为可调电容器投切容量及其上限。 ( 2 ) 控制变量。无功优化的控制变量包括： 发电机节点电压幅值； 有载调压器变压器抽 头电压 无功控制 ； 并联电容器( 电抗器) 组的投切。 ( 3 ) 约束条件松弛。在对优化的 目标函数求解 时， 为了更好地解决算法的收敛性以及真正做到在各 种情况下都给出解， 文中设计了约束条件松弛求解的 方法： 即对每种约束条件给出从“ 严格” 至“ 松弛” 几种 优先级， 例如节点电压在 0 9 8 p u 一1 0 3 p u 为严格级， 0 9 5 p u一1 0 5 p u为次严格级 ， 0 9 0 p u 一1 1 0 p u为松 弛 级 ， 在算法上如果不能得到严格可行解， 程序允许 自 动从“ 严格” 转入“ 次严格” 直至“ 松弛” ， 从而克服了优 化中有可能出现无可行解现象。 2 3 实时控制 2 3 1 优化约束条件 从延长设备寿命和电网安全角度考虑， 增加必要 的约束条件： 变压器分接头日调节次数， 连续调节次 数； 电容器投退间隔时间， 日 调节次数； 并列变压器分 接头的同步调节等。 不同调压方式的要求( 逆调压、 顺调压、 常调压) 可以通过母线( 节点) 的电压约束体现。控制系统可 以按时段为母线设置不同的电压限值约束， 满足用户 对调压方式的要求。例如， 按逆调压的要求， 在电压 合格范围内， 在高峰负荷时电压偏上限运行， 在低谷 负荷时电压偏下限运行， 则设置母限电压约束时， 对 高峰负荷时段、 低谷负荷时段的电压限值进行适当地 收缩 ， 以满足逆调压要求。 2 3 2 减 少设备动作 如果不存在电压越限， 则必须判断系统的发电、 负荷等是否已经产生足够大的变化， 即系统当前的运 行方式偏离上一个优化计算时刻的方式已经足够远。 判断过程以系统的接线方式、 开机、 负荷的偏移量为 基础， 既准确反映运行状态的转移， 又不过分敏感， 以 免频繁进行计算， 导致无功调节设备的频繁动作。 如果系统存在电压越限， 就进行 电压越限的校 正。电压越限校正采用就地控制和协调控制以控制 动作最小为优化目标结合灵敏度分析进行。可以根 据当前母线电压和功率因数， 决定电容器的投、 退和 分接头档位的调整。采用准实时的灵敏度分析的结 果， 进行辅助决策。对有效的电压校正策略， 按控制 效力的大小进行排队。并且根据设备的动作次数限 制， 按比例地由各个有效、 可用的设备共同承担对越 限电压的校正。分别从设备动作次数和涉及到的控 制设备种类、 校正有效性等三个方面进行综合比较， 选取简单有效的方案作为最终的校正控制方案。 硬件上具备两个 2 3 2 通讯 j ( 一个具备上下行通 道接区域电压无功， 一个只具上行通道接综 自或调 度) ； 能同区域无 功主站通讯 ， 支持 同主站 的通 讯规 约； 能接收主站定值设置， 并能对接收的主站定值进 行校验； 主站退出或通讯异常， V Q C能 自动切换到当 地定值； 能上传 自己的状态信息、 控制信息和闭锁信 息。 2 4 应用系统结构 控制系统在软件架构实现 采用分布式结构， 综 合客户机 月 艮 务器的体系结构。眼务器双机互备， 在 一 台服务器出现故障或异常的情况下 ， 自动切换到备 用服务器计算， 保证了控制的连续性和可靠性。 控制系统软件模块的基本划分如图 2 所示。 圈 园 l 字 时 敬 程 库 l I韶 II喷 。 f I 二 二 无功电压自动控制系统的推广是电力系统 自动 维普资讯 第2 9 卷第4 期 2 0 0 6 年 8月 四 川 力 技 术 S i e h u a ne c t r i c P o we rT e e h n o l o S Vo ! 2 9 N o 4 t J g 。 2 ( 化技术的发展趋势， 必将在地区全网实施， 届时， 可以 将无功电压 自动控制系统主站系统移至地调， 在县调 增加一台监控机一台通讯机。正常情况下， 由主服务 器进行全网优化和协调并经县调通讯机和 各熬 V Q C 、 综自( R T U ) 通信， 县调值班人员可以通过监控 机对系统控制进行人工干预。主站系统故障或和广 汉县调通信中断， 由监控机充当二级服务器， 进行局 部电网优化、 协调、 和各站 V Q C 、 综自( R ，I U ) 通信。这 种主站、 监控站模式和当前的无功补偿设备调度权限 划分相一致 ， 同时适应不断发展的电网规模的需要。 3 结语 实施集中决策、 多级协调、 分层分区控制的地区 电压无功自动控制系统能改变传统电压调度控制自 动化程度低、 工作强度大、 效能僬的状况， 把稠度系统 构特点 _翩自动优化控制的优势确效结合起来 ， j 成一 套完整的实时自动控制系统。这套系统耽能齐全、 性 能稳定、 接口清晰、 投资少、 见效快， 是未来调度发展 的趋势。 参考文献 1 郭庆来 ， 吴越等 地区电网无功优化实时控制系统的研 究与开发 J 电力系统自动化， 2 O 0 2 ， ( 1 3 ) ： 6 6 6 9 2 张明军， 曹立霞等 考虑多分区无功电压优化的多 A g e n t 系统 J 】 电力系统 自 动化， 2 0 0 4 ， ( 1 7 ) ： 7 0 7 4 3 张勇军， 任霞， 李邦峰 电力系统无功优化调度研究综述 J 电网技术， 2 0 0 5 ， ( 2 ) ： 5 0 5 6 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 5 1 5 ) ( 上接 第 5 4页) P 线路输送的有功功率， k w； p 线路输送的无功功率 ， k v a r ； c 0 s 线路负荷的功率因数。 由上式可知， 有功功率损失和功率因数的平方成 反比。提高功率因数可以大量降低线损。当功率因 数由0 6 提高到0 8 时， 铜损下降将近一半。 6 2 改善用户电压质量 线路电压损失的公式为： U=( P R+Q x) u1 0 一 式中： ， _线路电压损失 ， k V； 线路电压 ， k V； P 线路有功负荷， k w； p 线路无功负荷， k v a r ； X线路感抗 ， n； 线路电阻， Q。 由上式可以看出， 提高系统功率因数， 减少线路 输送的无功负荷， 则电压损失将下降。 6 3