二种无功电压控制系统（装置）对比分析.pdf

第 3 o卷第 5 期 2 0 O 7 年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r ic Po w e r T e c h n o l o g y Vo 1 3 0 No 5 Oc t 。 2 O O 7 二种无功 电压控制系统( 装置) 对 比分析 李溟 ( 绵阳电业局 ， 四川 绵阳6 2 1 0 0 0 ) 摘要： 通过对变电站无功电压控制装置 V Q C和区域电网无功电压控制系统 A V C的对比分析 ， 发现 v O c在基本原 理和功能设计上存在一定的缺陷和不足 建议采用分区分层控制与全网控制相结合策略的 A V C系统， 最终实现 电容 器投切最合理、 电压合格率最高和输电网损率最小的综合优化目标。 关键词： 无功电压控制系统； 基本原理； 对比分析 A b s t r a c t ： T h r o u g h t h e c o m p a r a t i v e a n al y s b e t w e e n t h e r e a c t i v e v o l t a g e c o n t r o l d e v i c e V Q C i n s u b s t a t i o n a n d th e r e a c t i v e v o ! t a g e c o n t r o l s y s t e m AV C o f i n t e r co n n e c t e d p o w e r g ri d ，s o n i c d e f e c t s a n d s h o r t a g e s a r e f o u n d o u t i n fi l e b a s i c p ri n c i p l e a n d the f u n c t io n o f V Q C d e s i g n T h e s t r a t e g y c o m b i n e d w i th d e l a m i n a ti n g s u b a r e a con t r o l and w h o l e d c o n t ro l f o r A V C s y s t e m i s s u g g e s t e d ，a n d th e comp r e h e n s i v e o p t i mi z a t i o n t a r g e t i s r e a l i z e dti ma t dy ，tha t i s ，t h e mo s t r e a s o n a b l e c a p a c i t o r s wit c n g ，the h i g h e s t v o l t a g e q n m l i fl - c a ti o n r a t e an d the mi n i mu m l o s s o ft r a n s m i s s i o n n e two r k Ke y w o r d s ： t e fl c ti v e v o lt a g e con t r o l s y s t e m；b a s i c p ri n c i e ； com p a r a ti v e ana l y s i s 中图分类号： T M 7 6 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 3 6 9 5 4 ( 2 (X ) 7 ) 0 5 0 0 2 4 0 4 电压是电能质量的重要指标 ， 电压质量对电力系 统的安全与经济运行 ， 对保证用户安全生产和产品质 量以及 电器设备的安全与寿命有重要的影响； 而电力 系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量 的基本 条件 ， 有效地控制和合理 的无功补偿 ， 不仅能保证 电 压质量 ， 而且提高电力系统运行 的稳定性和安全性 ， 降低 电能损耗 ， 提高电网的经济效益。 无功电压优化的原则 ： 实现全电网最大范围的 电压合格( 优先条件 ) 。实现全 电网在满足功率 因 数 、 电压约束条件下实现网损最小的安全经济优化运 行。实现全电网设备动作次数尽可能少 。 1 现 阶段 国内的研 究现状 目前 ， 绵阳电网的无功电压控制主要是通过各变 电站的无功 电压控制装置( V Q C ) ， 根据定值对并联 电 容器 的投切和有载调压变压器分接头 的调节进行控 制 ， 在未安装 V Q C装 置的变 电站则 由操作 队或变电 站值班员按 照电压曲线范围要求进行手动控制。 1 1 变电站无功电压控制装置 V Q C基本原理 其基本原理图见图 1 。一般在变电站 内部 ， 根据 一 定 的原则 ， 利用硬件或者软件来实现利用本站内的 无功资源和电压调节设备的动作 ， 比如并联 电容器的 投切或者有载调压变压器分接头的调节 ， 来进行变电 所内的无功电压综合控制。 2 4 区域 1 ： 电压越下限 ， 无功越下限 区域 2 ： 电压越 下限， 无功正常 区域 3 ： 电压越下 限， 无功越上 限 区域 4 ： 无功越上限 ， 电压正常 区域 5 ： 电压越上限 ， 无功越上 限 区域 6 ： 电压越上限 ， 无功正常 区域 7 ： 电压越上限 ， 无功越下限 区域 8 ： 电压正常 ， 无功越下限 区域 9 ： 电压正常 ， 无功正常 图 1 九区域 图 也就是说 ， 将一个变 电所 的母线 电压 ( 一般指低 压侧 l 0 k V 母线电压) 和无功负荷或者无功负荷转换 而来的功率因数综合起来分为九种状态 ， 根据数据在 不同的区域来调用相应的控制策略， 形成合适指令来 调节有载调压分接头升降和投切无功设备 。 1 2 V Q C装置的局限性 ( 1 )无法体现不同电压等级分接头调节对电压 的影响： 就单个站而言， 提高了电压合格率和电容利 用率， 但是在二级有载调压 电网， 会出现电压频繁调 维普资讯 第 3 0卷第 5期 2 O O 7年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i e h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y V o 1 3 O N o 5 O c t ， 2 O O 7 整， 容易造成 电压调节 不合理现象或 者设 备无谓 动 作。 ( 2 )无法对省网关 口( 如 2 2 0 k V变电站高压端母 线) 功率因数进行校正。因为这种模式只采集本厂站 的数据 ， 也只能校正本厂站 的母线调压 和功率 因数 ， 不可能从全网的角度优化无功 电源调度来校正省 网 关 口功率因数。 ( 3 )由于每个变 电所都必须安装 电压无功控制 装置， 投资大， 设备维护量显著增加。 ( 4 )不具备与地 区电网调度 自动化系统协调控 制的策略 ， 也不可能拓展此策略。 2 区域电网无功电压控制系统 A V C的 基本原理 在确保电网与设备安全运行的前提下 ， 从地 区电 网范围的角度 ， 以全网网损尽量小 、 各节点电压合格 、 有载调压分接头调节次数尽量少和补偿电容器设备 动作最合理为 目标 ， 以集控 中心 ( 调度 中心 、 配调 中 心) 为核心， 专家系统 、 模糊控制为原理 ， 以各变 电所 有载变压器分接头挡位调节与电容 器投切协调控制 为手段的电压无功闭环控制系统 。 2 1 A V C的数学模型 2 1 1 目标 函数 F=m i n ( P L o s s + 1 ( v i “ ) + 2 ( Q 一 Q k L i ) ) 第一项为有功 网损 ； 第二项 为节点电压约束 ； 第 三项为由省 网关 口功率 因数约束转换 而来 的无功功 率约束； i 为节点个数， 为省网关 口个数。 目标 ： 全网电能损耗最小 、 设备动作次数最少。 2 2 2 约束条件 母线电压不越 限、 调压开关 动作次数不越限、 电 容器投切次数不越 限、 供 电电源关 口功率因数合格。 包括以下三种模型 ： ( 1 )在线实时全网无功优化模型 ： 无功优化控制 系统模型， 不考虑投资 因素 ， 所 以取模型的 目标值 为 系统网损最小 F=m i n P L o s s ( 1 ) 同时要满足以下等式约束条件和不等式约束条 件 ： 节点电压约束 V i m iv i ( 2 ) 为母线 电压， m i n指最小值 ， n l a x指最大值 ， 以 下同。 省网关 口功率 因数约束 c o s O i C O S 0 i c o s O i a x ( 3 ) c os0 为省网关 口功率因数 ， 在文中指 2 2 0 k V变 电所的高压端功率因数值 。 发电机无功出力约束 Q e i i Q s i ( 4 ) 有载调压分接头档数调节上下限 i T i 一 ( 5 ) 设备动作次数上限 N i a x 1i = i a x i r fl i 对于无功优化问题 ，求得配 电网中节点无功变 化对系统有功网损的灵敏度系数 ， 选灵敏度较高的节 点作为无功补偿的候选投切点， 从而尽可能从降低线 损的角度来控制设备动作 。 系统 的总有功网损为 ： P 5 2 姿v s ( G o c 。 s + s in 岛 ) ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) 和潮流方程得 节点无功变化对 系统 网 损的灵敏度为 8 P 8 Q i =( 8 p 8 V ) ( aV a Q f ) +( a P 8 8 ) ( a S a Q ) ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中 Q f 节点注入无功； 节点电压幅值 ； 相角。 进行变化得 a 8P P 8 a 8 J 1 = a 8 P P i a 8 Q Q i a O V a O P P OP Qi 】 c 4 于是可得 8 P S P 1 ： 8 P f a Q i 1 a P 1 【 a p a p J 【 aP a a 0 a J L 8 p 8 J ( 1 5 ) 最后得 l a p O Q = 【 a 8 P P a V ( 1 6 ) 系统第 i 个节点， 有 a P 8 = 2 l G c 0 s 如 ( 1 7 ) cq P cq 8 i =一 2 V fl T ij s in a ij ( 1 8 ) S |D Q 为灵敏度矩阵 ， S P Q 中的各元素可由牛顿 一拉 夫逊法潮流计算中的雅可比矩阵求得。在求得各节 点 的灵敏度系数后 ， 按灵敏度从高到低依次选取设备 进行操作 。 ( 3 j节点无功变化对节点 电压 的灵敏度 很显然 ， 在无功 电压控制 中， 投切 电容器 电抗器 必将引起电网中各节点 电压 的变化 ， 为了控制的正确 性 ， 需知道节点无功变化对 电网中节点 电压 的灵敏 度。 式( 1 9 ) 为用传统牛顿法求解潮流时所用的雅可 比矩阵 ， 令有功注入保持恒定 ， 即式 ( 1 9 ) 中的 A P兰 0 ， 得 V= J Q v j j j P v 1 Q 2 0 令 S Q V = 一 ( 2 1 ) 则 V=S o Q ( 2 2 ) 其中 s Q 为 QV灵敏度矩阵， 其元素 s 表示 P Q节点 处的无功功率注入变化一个单位时 ， 节点 i 处的电压幅值 的变化量 。 2 2 快速求法 对 目标 函数 的快速 求解是实现全 电网实时闭环 控制的前提。对 目标 函数的直接求解相当复杂 ， 费时 费力 ， 无法实现实时控制。充分利用地 区电网是开式 电网的运行特性和无功电压控制“ 专家系统” ， 对无功 电压优化控制数学模型进行简化和分解 ， 再利用潮流 计算和专家系统等方法进行求解 。专家系统除了积 累大量的专家提供的知识与经验外 ， 还根据实际电网 利用电力系统潮流计算方法进行灵敏度校验 ， 并以此 产生系统规则库。 2 3 计算流程 无功电压优化系统首先从调度 S C A D A采集全电 网实时运行数据 ， 然后以全电网电能损耗最小为 目标 函数 ， 利用潮流计算 、 专家系统 、 数值分析等方法 ， 求 解主变分接开关最佳档数 、 电容器最佳投入容量和电 网最优运行电压等。再利用已求最优解， 求得 电容器 投切次数和主变分接开关调节次数。 限定全电网电能损耗最小数值范围， 在最小数值 范围内， 多次求得次优解， 再计算 出电容器与主变分 接开关动作次数。当动作次数最少时对应 的解即为 最优解。然后发出控制指令， 执行电容器投切与主变 分接开关调节操作。 3 系统技术特点 ( 1 )自适应电网运行方式 ； ( 2 ) 全网集中控制与分区分层控制相结合； ( 3 ) 集中控制与分布执行相结合； 维普资讯 第 3 O 卷第 5 期 2 O O 7年 1 O月 四 川 电 力 技 术 S i c hn a n E l e c t r ic P o w e r T e c h n o l o g y V o 1 3 0 No 5 Oc t 。 2 O O 7 ( 4 ) 无功平衡稳定 电压与分接开关调节 电压相 结合 ； ( 5 ) 潮流计算 、 灵敏度分析与专家系统规则判别 相结合。 4 系统功能特点 ( 1 )地县联调功能 ； ( 2 )全网无功优化补偿功能 ； ( 3 )全网无功电压综合优化调节功能 ； ( 4 )逆调压 ； ( 5 ) 安全控制功能。 5 V Q C与 A V C对 比分析 ( 1 )V Q C装置只采集本站数据 ， 校正本站的母线 电压和功率因数， 最多能实现“ 本地最优” ； A V C系统 基于调度 自动化 S C A D A系统采集全网各节点遥测遥 信实时数据 ， 从全 网角度 进行 电压无功优化控 制， 实 现“ 全网最优” 。 ( 2 )V Q C装置根据定 值对 变电站并 联电容器 的 投切和有载调压变压器分接头的调节进行控制 ， 基本 属于“ 静态调节” 范畴； A V C系统是通过对全 网各 电 压节点实时数据的分析、 计算 ， 对 区域电网内各变电 站的有载调压装置和无功补偿设备进 行集 中监视和 控制， 实现 区域 电网电压无功优 化运行闭环控 制管 理 ， 属于“ 全网动态调节” 范畴。 ( 3 )在二级有载调压电网， V Q C控 制会出现电压 频繁调节 ， 容易造成电压调节不合理现象或者设备重 复无谓动作 ； A V C系统 因采用分 区分层控 制与全 网 简讯 控制相结合的控制策略 ， 可实现无功分区分层就地平 衡和全 网电压稳定 ， 能最大限度地减少主变分接开关 无谓动作次数， 确保实现电容器投切最合理、 电压合 格率最高和输 电网损率最小 的综合优化 目标 。 6 小结 变电站无功电压控制装置 V Q C在基本原理和功 能设计方面存在较多缺陷和不足 ， 加之硬件设备投资 大 ， 运行维护费用高 ， 必将逐步被先进的 A V C系统所 取代 ； A V C系统从全 网角度进行无功电压优化控制 ， 实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与 电压稳定 ， 对进一步提高电网调度 自动化水平， 提高 电力系统运行的稳定性和可靠性， 全面改善和提高电 网电压质量 ， 降低 电网损耗等方面有着重要 的现实意 义 ， 值得推广应用 。 参考文献 1 孙伟， 李林川， 肖鸣， 茅波 基于遗传算法和 A L o p e x 方法 相结合的无功优化算法 R 第四届输配电技术 国际会 议 ， 2 0 0 3 2 许杏桃 地区电网无功电压优化运行与安全控制 C 江 苏省电机工程学会 学术 活动无 功 电压学术研 讨会论 文 集 ， 2 0 0 3 ， ( 3 ) ： 3 2 3 6 3 程莹 ， 刘明波 含离散控制变量的大规模电力系统无功 优化 J 中国电机工程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 5 ) ： 5 4 6 0 4 霍锦强 D W K一