（电气工程专业论文）安徽区域发电厂无功电压自动控制（avc）分析及应用.pdf

安徽区域发电厂无功电压自动控制( a v c ) 分析及应用 摘要 随着大机组、超高压电网的形成，电压不仅是电网电能质量的一项重要指 标，而且是保证大电网安全稳定运行和经济运行的重要因素。 无功电压优化控制是减少电网损耗、保持电压稳定性、提高电力系统安全 性和经济性的有效措施。无功电压优化是个非线性、多变量、多约束和多目标 的优化问题。区域电网统一的自动电压控s t j ( a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l ，a v c ) 是进一步提高系统电压水平、提高系统经济效益的重要手段。它优点明显，但 由于电压、无功自身特有的非线性特性，使其实现有相当的复杂性。由于计算 机技术、通讯技术、网络技术的发展，以及发电厂自动化的普及，使电网实现 统一的a v c 有了可能。 本文介绍了安徽区域电网，特别是区域发电厂a v c 系统的设计方案和初步 运行效果。运行情况表明自动电压控制( a v c ) 系统是电网安全、优质和经济运 行的重要手段，在高压电网实现a v c 系统是可行的，效果是显著的。 关键词：无功功率，发电侧，电压，优化，自动电压控制。 t h ea n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n p l a n tr e a c t i v ep o w e r o fa n h u ir e g i o n a lp o w e r p l a n ta u t o m a t i cv o l t a g e c o n t r o l ( a v c ) a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee x p a n s i o no fp o w e r 瓯d ，v o l t a g e i sn o to n l yav e r yi m p o r t a n t i n d e xo fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m b u ta l s o i ti si m p o r t a n tt or e d u c et h el o s sa n d i m p r o v et h eb e n e f i to f t h es y s t e m a p p r o p r i a t ev o l t a g el e v e lc c a ne n s u r et h es e c u r i t y a n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g eo p t i m i z a t i o ni sa ne f f e ：c t i v em e a s u r et or e d u c ep o w e r l o s s e s ，k e e pv o l t a g es t a b i l i t y , i m p r o v ep o w e rs y s t e ms a f e t ya n de c o n o m y i ti sa n o n l i n e a r ，m u l t i v a r i a b l em u l t i c o n s t r a i na n dm u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l ( a v c ) i sa ne f f e c t i v em e a s u r ef o ri m p r o v i n g v o l t a g el e v e la n db e n e f i t i t sa d v a n t a g ei so b v i o u s ，b u ti t si m p l e m e n t a t i o ni sv e r y c o m p l i c a t e db e c a u s eo ft h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r w i t ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k sa n d a u t o m a t i o nl e v e lo fp o w e rp l a n t ，i ti sp o s s i b l et oa p p l ya u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r 0 1 耶1 i sp a p e rp u t st h ed e s i g no fa v c s y s t e mi na n h u ip o w e rs y s t e m ，e s p e c i a l l yi n r e g i o n a lp o w e rp l a n ta n dt h ep r i m a r yb e n e f i t ap e r i o do fo p e r a t i o ns h o w st h a t a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l ( a v c ) s y s t e mi si m p o r t a n tf o rp o w e rs y s t e mr u n n i n gm t h es t a t u so fs e c u r i t y ，h i 幽q u a l i t ya n de c o n o m y mp e r f o r m a n c eo f a v ci i l 1 1 i g hv o l t a g ep o w e rs y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v et k e yw o r d s ： r e a c t i v ep o w e r , a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o ( a v c ) p o w e rp l a n ts i d e ，v o l t a g e ，o p t i m i z a t i o n ， 插图清单 图2 1 无功电压控制分层分区结构图9 图3 1 普通智能体控制策略示意图13 图3 2 核心智能体控制策略示意图1 4 图3 3 安徽电网a v c 系统控制环示意图1 5 图4 - 1 无功电压自动调控系统拓扑图1 3 图4 2 自动调控装置远离逻辑图1 4 图4 3 安徽铜陵发电厂撑2 机无功出力运行趋势图( 2 0 0 7 年1 月9 日8 ：5 5 - - 2 2 ：0 9 ) ：i ! ( ) 图4 4 大唐洛河发电厂撑3 机无功出力与母线电压运行趋势图( 2 0 0 7 年4 月 2 7 日11 ：0 8 - - - 1 3 ：0 0 ) 2 1 图4 5 安徽淮北国安发电厂a v c 系统投运前后同期无功潮流比较2 1 图4 - 6 安徽淮北国安发电厂a v c 系统投运前后同期母线电压比较2 2 图4 7 安徽淮北国安发电厂国高出1 ：3 # 2 7 2 3 、# 2 7 2 4 线路a v c 系统投运前后 同期无功潮流比较2 2 图4 8 淮北厂分区中淮北二厂# 1 机组无功调整曲线2 6 图4 - 9 铜陵地区无功平衡曲线2 8 图4 1 0 下级a v c 系统响应上级a v c 系统指令时变化曲线2 9 图5 1 全局电压控制的三级组织机构3 0 图5 2 电厂侧压无功控制系统3 0 图5 3 下位机装置原理3 2 图5 4 电厂侧电压无功控制系统软件结构3 4 图5 5a v c 装置柜体图3 4 图5 6a v c 控制流程逻辑框图3 5 图5 7 电压控制器典型系统拓朴图3 6 图5 8 发电厂电压切换逻辑图3 8 图5 - 9a v c 与d c s 系统连接逻辑框图3 9 图5 1 0a v c 系统主界面示意图4 l 图5 1 1a v c 控制柜后视图4 5 图5 1 2 某电厂集控室总貌4 5 图5 1 3a v c 控制柜前视图4 6 图5 1 4a v c 装置组屏图4 6 插表清单 表4 1 系统参数设置界面和统计界面2 3 表4 2 智能体学习分区时消息板上内容2 4 表4 3 涡阳变到核心智能体电气距离表2 4 表4 4 智能体集簇分区表2 5 表4 5 分区包括智能体表2 5 表4 - 6 淮北厂分区统计信息及核心控制智能体调节信息2 6 表4 7 马鞍电厂厂分区中机组无功协调情况( 马一厂和马二厂受控时) 。2 7 表4 8 马鞍电厂厂分区中机组无功协调情况( 仅马二厂受控时) 2 7 表4 - 9 智能体协商时消息板上内容2 8 表5 1a v c 系统历史数据查询表4 1 表5 2a v c 系统趋势曲线查询表。4 2 表5 3a v c 系统运行日志查询表4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金月巴工业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 黜签名彩卜 眦珊瑚8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目巴王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日规多必矿年文月扩日 歹否 导师签名： 嗽： j9 | 魄1 1p f 。 邮编： 更3p d ，辘 倚 司叁词啄 讯习锄 端瞩 业衙p黝钸 致谢 在本人攻读工程硕士学位两年多的时间里，自始至终得到了导师王建平教 授的悉心指导和无微不至的关怀。从课题的选题到课题的研究都倾注了老师的 大量心血。在王老师的指导下，我拓宽了自己的知识面，顺利地完成了工程硕 士学位论文。王老师渊博的知识、务实的作风，创新的治学精神和诲人不倦的 指导作风，使我获益匪浅，无微不至的关怀更令人感动，这对我以后的工作和 学习都有极大的帮助。在此，谨向给予我巨大帮助的王老师致以最诚挚的谢意 和祝福! 感谢各级领导对我的工作和学习的认可。 感谢丁勇、苏寒同学在学习上给我的关心和帮助。 感谢我的母亲和我的爱人在生活上的关心和事业上的支持。 感谢所有关心支持我的同学和朋友! 作者：刘强 2 0 0 8 年6 月10 日 第一章概述 电能的频率和电压是衡量电能质量的重要指标，电网为给用户提供充足的电 能，往往更注重有功的调节，一次调频和a g c 被放在非常重要的地位上，电压的 调节主要是控制中枢点电压在安全范围内，以保证电网的安全稳定，而降低网损 和控制无功的合理流动没有被充分重视起来。 随着电网的不断扩大，备用容量越来越多，随着社会的发展，对电能质量的 要求越来越高，电压质量对电网安全稳定运行，对电力设备安全、经济运行，对 降低网损达到优化运行，对用户安全生产、产品质量、经济效益都有重要作用， 对电压和无功的控制也越来越重要了。要达到控制电压的目的，要从变电站和发 电厂两个方面做工作，变电站的无功补偿设备分静态和动态补偿设备，调相机等 动态补偿设备因消耗大量电能渐被淘汰，静态补偿设备容量小，在电网事故需要 大量无功时作用有限，而发电厂的发电机提供和吸收无功容量大。响应速度快、 作用持久，是最理想的调节对象 1 1 我国无功电压控制的现状 我国目前对发电厂无功电压的管理考核方式，主要是由调度中心按照高峰、 平谷和低谷等不同时段划分母线电压控制范围，按季度向各发电厂下达曲线指标， 发电厂则根据曲线要求，实行人工2 4 小时连续监视盘表，及时调节发电机无功出 力，以维持母线电压在合格范围内。这种沿用了多年的就地分散控制管理模式， 在当前电网结构日益复杂的形势下逐渐暴露出了一些弊端，存在的主要问题是： 1 、事先给定的电压曲线和无功设备运行计划是离线确定的，并不能反映电网 的实际情况，按照这种方式进行调节往往带来安全隐患。 2 、电网运行人员需要时刻监视系统电压无功情况，并进行人工调整，工作强 度大，而且往往会造成电网电压波动大； 3 、电厂之间，无功调节对相互母线电压影响大，无功调节矛盾突出。由于各 电厂只关注自身母线电压，没有从全局角度协调无功分配，电网无功功率无谓搬 运现象突出，经常出现无功环流现象，造成不必要的有功损耗。各厂、站无功电 压控制没有进行协调，造成电网运行不经济。 上述问题的存在，既增加机组进相深度，影响机组和电网安全稳定运行，也 使网损增加，影响经济性。因此，有必要从全局对电网无功潮流和发电机组无功 功率进行协调控制，实现电厂母线电压和无功功率的自动调控，合理协调电网无 功分布，以保证电网安全稳定运行，提高电压质量和减少网损，降低运行人员劳 动强度。 近几年来国际上几次重大的电网事故如美加大停电，都有无功电压的问题造 成电压崩溃，致使电网瘫痪。无功电压自动控制技术越来越引起重视。 1 2 世界各国无功电压控制的发展趋势 在过去几年中，基于分层分区控制技术的- - - - 次电压控制技术在法国和意大 利等欧洲电网得到应用，并取得明显的控制效果。二三次电压控制技术的基本概 念主要有以下几点： 1 、实时自动控制电网中成千上百个各个节点的电压是不现实的和不经济的， 也是太复杂的和不必要的； 。 2 、发电机无功是电网中电压支撑和调节的主要资源，是最容易控制的也是最 优质的； 3 、现实简单的电压控制系统应当只考虑控制少数主导母线，使电网电压达到次 优； 4 、和主导母线靠近的厂站母线组成一个控制区； 5 、通过控制主导母线的电压使控制区域内所有母线电压满足要求，各个控制 区域控制是独立的； 6 、区域内控制资源主要是大机组无功功率，即通过控制发电机组无功功率来 调节区域内母线电压在允许范围。 1 2 1 人工智能技术在无功电压控制领域的应用可行性 目前欧洲电网主要采用人工智能技术研究无功电压控制技术，探索在无功电 压控制领域进行人工智能技术的应用可行性。 基于电力系统无功电压的复杂性、非线性、不精确性及实时性等特性，其中 有些方面难以用传统的数学模型和常规的控制方法来描述和实现。人工智能技术 由于具有传统方法不具备的智能特性，如可以引入专家的经验知识、能够处理不 确定性的问题、具有自学习和获取知识的功能、适于处理非线性问题等，因而在 无功电压控制中具有很好的应用前景。 常用的人工智能技术包括专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 、人工神经网络 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 、模糊理论( f u z z yt h e o r y ，f t ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 以及近来比较流行的多a g e n t 系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 。 1 2 2 研究无功电压控制的主要技术种类 1 、专家系统( e s ) 专家系统发展较早，也是一种比较成熟的一类人工智能技术，它根据某个领 域的专家提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家作出决策的过程，提供具 有专家水平的解答。目前电力系统运行和控制是由具有经验的调度人员借助自动 化系统完成。这是由于一方面传统数值分析方法缺乏启发性推理能力，同时也无 法进行知识积累，另一方面电力系统自身的复杂性使一些必要的数据模型及状态 量难以获取，单纯的数值方法难以满足电力系统的要求。此外电力系统中由于种 种原因，造成量测系统数据出问题，利用专家系统可以很好的识别坏数据。在电 2 力自动化系统中引入电力系统专家的经验知识是十分必要的。 专家系统在电力系统应用范围很广，特别是在电力系统操作票系统中应用范 围很广。在无功电压控制中也有较多的应用成果。专家系统在无功电压控制中的 典型应用是将已有无功电压控制的经验或知识用规则表示出来，形成专家系统的 知识库，进而根据上述的规则由无功电压实时变化值确定控制手段。专家系统知 识库可包括每条母线电压上限和下限、每一控制器控制量上限和下限、每条母线 电压和控制量灵敏度以及控制潮流的逻辑规则等信息，推理机则按照知识库描述 的各条规则，依次寻求和选择消除母线电压偏差最有效的控制器，直至该母线电 压恢复为设定值。在电力系统电压分层优化控制模式下，可根据基于电气距离概 念的向上分级归类的分区算法，利用基于电力系统的专家知识进行自动分区和优 化，进一步保证电力系统分区的合理性和子区域电压的可控性。 2 、人工神经网络( a 1 州) 人工神经网络是模拟人类传递和处理信息的基本特性，由人工仿制大量简单 的神经元以一定的方式连接而成：单个人工神经元实现输入到输出的非线性关系， 它们之间的连接组合使得a n n 具有了复杂的非线性特性。与e s 相比，a n n 的特 点是用神经元和它们之间的有向权重来隐含处理问题的知识，它具有以下的优点： 信息分布存储，有较强的容错能力；学习能力强，可以实现知识的自我组织，适 应不同信息处理的要求；神经元之间的计算具有相对独守性，便于并行处理，执 行速度较快。正是由于a n n 有极强的非线性拟合能力和自学习能力，且具有联想 记忆、鲁棒性强等性能，使a n n 对于电力系统这个存在着大量非线性的复杂大系 统来说有很大的应用潜力。 3 、模糊理论( f t ) 模糊理论( f t ) 是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻 辑，具有完整推理体系的智能技术。模糊控制是模拟人的模糊推辨和决策过程的 一种实用控制方法，它根据已知的控制规则和数据，由模糊输入量推导出模糊控 制输出。主要包括模糊化、模糊推理与模糊判决三部分。随着模糊理论的发展和 完善，模糊控制的一此优点得到了广泛的应用，如：适于处理不确定性、不精确 性以及噪声带的问题；模糊知识使用语言变量来表述专家的经验，更接近人的表 达方式，易于实现知识的抽取和表达：具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化 对模糊控制的影响不明显等。近年来，模糊理论在电力系统应用的研究不断增加， 并取得不少研究成果，显示模糊理论在解决电力系统问题上的潜力。 电力系统电压无功控制受电力系统时变性、运行条件和网络参数经常变化等 特点以及许多条件下无功负荷不能精确给定的影响，很难建立精确的数学模型， 在这种情况下，模糊理论可被引入电压无功控制的研究。考虑到在电力系统实际 运行中电压和无功限制并不是一成不变的，容许少量的越限这一情况，将电压限 值模糊化，利用模糊线性规划方法，目标是确定维持电压所需增加的最少无功功 3 率。 为了解决系统无功优化控制问题，可将功损耗最小、提高电压质量、减少控 制次数等多个目标加以平衡，把这些目标和电压等状态变量的限制模糊化，再优 化控制模糊多目标。 4 、多a g e n t 系统( m a s ) a g e n t 是分布式人工智能的- - i - 新技术，它能使在逻辑上和物理上分散的系统 并行、协调地实现问题求解，最初土要用于构造复杂的软件系统，是开发大型分 布式软件系统的有效方法。随着m a s 的发展和成熟，这一技术得到了广泛的应用， 近年来也受到控制界的关注。 a g e n t 是对过程运行山的决策或控制任务进行抽象而得到的一种具有上动行 为能力的实体，它可以利用数学计算或规则推开完成特定操作任务，并能够通过 消息机制与过程对象及其它a g e n t 交互以完成信息传递与协凋。m a s 是一个有组 织、有序的a g e n t 群体，共同工在特定的环中，每个a g e n t 根据环境信息完成各自 承担的工作，同时可以分工协作，合作完成特定的任务。基于m a s 的控制系统不 同于传统意义上的分散控制，而是把控制器当作具有自治性和协作性的主动行为 能力的a g e n t ，通过相关a g e n t 的通信和任务分享进行协调上作，以实现预定的控 制目标。 5 、遗传算法( g a ) 遗传算法( g a ) 是一种通过模仿生物遗传和进化过程习求复杂问题的伞局最优 解的搜索和优化方法。遗传算法具有较高的鲁棒性和广泛的适应性，对求解问题 几乎没有什么限制，也不涉及常规优化问题求解的复杂数学过程，并能够获得全 局优解集，因此在电力系统研究涉及优化问题的领域得到广泛的应用。在无功电 压控制领域，遗传算法可用于解决无功优化控制问题。 电力系统无功优化是一个多变量、非线性、小连续、多约束的优化控制问题， 传统的数学优化方法往往难以找到完全符合运行要求的全局最优解，所以遗传算 法这一基于群体优化的全局搜索方法在无功优化中受到极大的关注。 综上所述，人工智能技术可在电力系统无功电压控制方面中具有很大的应用 潜力和前景。但由于无功电压控制的复杂性和困难性，实际应用还不够深入，还 没有形成系统的分析和设计方法，实用化的研究还需进一步加强。 1 3 论文研究的主要内容和前景 本文重点就安徽电网a v c 系统技术解决方案进行了论述。主要关注以下几个 方面： l 、电力系统中的电压控制器是按地域分散配置的，控制器之间的相互协调和 协作是需要研究和解决的重要理论和实际问题。发电机自动电压调节器( a v r ) 、静 卜无功补偿器( s v c ) 、静止无功发生器( s n 订c o m ) 以及其它控制器作为a g e n t ，各 a g e n t 一方面根据自身的环境信息( 如电压、有功、无功等) 自主完成其特定的调节 4 任务，另一方面可接受其他a g e n t 的调压任务请求和反馈任务执行信息，整个多 a g e n t 系统共同的目标是维持区域内的电压水平和无功平衡。利用a g e n t 可较好地 解决电压二三次协调调节问题。 2 、采用基于m a s 的电压控制系统进行系统无功电压控制与传统的集中控制 相比，有着不少优势： 3 、在多a g e n t 模式下，即使某些a g e n t 失效，其他a g e n t 也可以在一定程度 上替代它的工作；采用并行工作方式的多a g e n t 模式，增加了系统的灵活性和通 用性； 由于每个a g e n t 具有自主性，因而它们可以按照任务的要求进行组合，使整 个系统适应动态的环境； 通过修改a g e n t 规则库、控制算法和协调方式等可以满足不同的无功电压控 制要求； 每个a g e n t 具有一定的学习能力，简化了系统计算复杂性。 近年来，基于a g e n t 技术的人工智能由于可以引入专家的经验知识、能够处 理不确定性的问题、具有自学习和获取知识的功能，在自动控制领域具有很好的 应用前景。 本文研究内容利用多智能体协调控制技术原理，研究成果成功应用于安徽电 网无功电压控制( a v c ) 系统。 安徽电网a v c 系统通过控制区域发电厂发电机组无功功率结合地区电网a v c 控制系统，实现了2 2 0 k v 及以上厂站母线电压在要求的合格范围内，合理协调大 机组无功出力分配，同时尽可能减少不同地区之间的无功传输，减少网损，同时 也减轻运行人员负担。 第二章安徽区域电网无功电压控制优化策略 经过多年电网网架结构的加强和无功电源、无功补偿容量的大量增加，安徽 电网无功不足不再是主要矛盾，而电网无功潮流不合理分布和大机组无功功率不 合理分配的矛盾日益显露。 2 1 安徽区域电网无功电压控制的主要问题 这些问题主要表现在： l 、安徽电网坑口电厂集中，大电厂之间距离短，电厂之间无功调节对相互母 线影响大，无功调节矛盾突出。电厂内部的发电机之间无功协调仍需由值长人工 干预。调度员人工实时监视和干预发电机组无功分配，劳动强度大。 2 、由于各厂站只关注自身母线电压，没有从全局角度协调无功分配，电网无 功功率无谓搬运突出，造成不必要的有功损耗，5 0 0 k v 系统特别明显，甚至经常 出现无功环流现象。 3 、目前大多数供电局电容器投切都采用早8 ：0 0 全投、晚1 0 ：0 0 全切方式，没 有与发电机组协调，致使白天机组无功进相，而不能适应电网最大无功负荷往往 出现在晚1 0 ：o o 以后的情况。有的变电所白天向2 2 0 k v 主网倒送无功，既加大机 组进相深度，影响机组安全，又使网损增加，影响经济性。 4 、在电厂侧，发电机之间无功协调需值班人员人工干预；在供电局侧，变电 站和区调值班人员也要根据电压变化来做出无功设备的方式调整；省调制定的大 机组进相运行管理规定对大机组无功功率运行范围作了规定，也需要调度员人 工实时监视和干预，劳动强度大。 因此，有必要从全局对电网无功潮流和发电机组无功功率进行协调控制，即实 施电网自动电压控制( a v c ) 系统，以保证电网安全稳定运行，保证电压质量和减少 网损，减轻运行人员劳动强度。完整的a v c 系统是一项复杂、庞大的系统工程。 不但要对发电机组无功进行控制，还要对电网中大量其他无功设备如电抗器、电 容器和变压器分接头等进行控制，而且约束条件也远远多于a g c 。 安徽电网a v c 系统通过控制发电机组无功功率，结合地区负荷功率因数考 核，实现发电机机组无功的合理分配，实现厂站母线电压在合格范围，尽可能减 少不同地区和电压等级之间的无功传输，减少线路损耗。 2 2 无功电压控制优化的理论和策略 2 2 1 无功电压优化的理论分析 理论上，无功分布可以达到最优，无功优化潮流就是使电网无功潮流最优。 但在一个实际复杂的电力系统中，却几乎不可能在线实现。 如当运行条件变化时，要维持系统无功潮流就是使电网无功潮流最优。但在 一个实际复杂的电力系统中，却几乎不可能在线实现。如当运行条件变化时，要 6 维持系统无功潮流优化，根据电网无功功率与电压分布的特点，势必要求全系统 各点各种无功功率调节手段与电压调节手段频繁动作，没有高度发达的通信网络 和自动化条件就办不到，实际上，许多无功控制设备也不允许频繁调节； 其次，与频率调节不同的是，变压器分接头、电容( 抗) 器的无功调节无法做到均匀 调节，由于不可能建立全网电压标准，只能以就地测量电压为依据，而分散的量 测误差势必给优化带来影响；另外，由于无功电压的非线性很强，理论上的无功 优化潮流算法的收敛性得不到保证，且即使收敛性能够解决，无功优化潮流计算 的基础一电网运行状态估计( s e ) 结果的准确性也无法保证。从工程应用角度看，现 实中的电力系统无功只能实现次优分布，如何实现次优分布目前也是研究中的课 题，还没有统一模式。但从电力系统总的概念出发，一般认为，比较接近无功次 优分布的做法是，无功功率尽量做到分区分层平衡，减少因大量传送无功功率而 产生的压降和线损，在留足事故紧急备用的前提下，尽可能使系统中的各点电压 运行与允许的高水平，此取不但有利于系统运行的稳定性，也可以获得接近优化 的经济效益。从下面三个电力系统公式可以得出上述次优概念： ( 1 ) 输电线路最大输电能力p m a x ： p m a x = u 送拳u 受z u 送：送端电压 u 受：受端电压 z ： 线路阻抗 ( 2 ) 输电线路有功损耗p l o s s ： p l o s s = ( p 2 + q 2 ) 木i v u p ：送受端传输的实际有功 q ：送受端传输的实际无功 r ：线路电阻 u ：送受端电压 ( 3 ) 输电线路电压压降u ： u = ( p r + q x ) m p ：送受端传输的实际有功 q ：送受端传输的实际无功 r ：线路电阻 x ：线路电抗 u ：送受端电压 现实中的电力系统无功只能实现次优分布，目前还没有统一模式。一般认为， 比较接近无功次优分布的做法是，无功功率尽量做到分区分层平衡，减少因大量 传送无功功率而产生的压降和线损，在留足事故紧急备用的前提下，尽可能使系 统中的各点电压运行于允许的高水平。这不但有利于系统运行的稳定性，也可以 7 获得接近优化的经济效益。通过把高压线路经济运行的条件运用到复杂电网中， 实现电网的无功优化分布，减小系统的电压降落、降低系统的运行网络损耗。维 持输电线路无功分点恰恰位于线路中点，线路首末端电压之差称为经济压差 ( a u j ) 。只有有功在电阻上的电压降落u 产( p i h q x ) 肥= p i w 时，电压质量最好， 接近直流线路运行；线路传输无功造成的有功损耗最小，它为无功分点在线路首 端或末端时有功损耗的1 4 。 与频率调节概念相似，电压调节也可分为一次、二次和三次调节。电压的快速 无规则变化由发电机组无功率“一次调节”进行补偿。一镒调节要求快速( 毫秒级) ， 必须自动( 类似机组一次调频) ，主要由机组励磁调节器( a v r ) 实现；二次调节是补 偿电压的慢变化，控制的是控制区域内“控制机组”所吸收和发出的无功功率，以使 区域内电压合格，其反应时间为1 m i n - - 5 m i n ( 类似二次调频，即a g c ) ；三次调节 是使系统电压和无功分布全面协调，控制电网在安全和经济准则优化状态下运行， 时间为1 5 m i n 以上( 类似三次调节，即经济调度) 。 2 2 2 无功电压控制优化策略 系统电压的全局控制分为三个层次，一级电压控制、二级电压控制、和三级 电压控制。 一级电压控制为单元控制，控制器为励磁调节器，控制时间常数一般为豪秒 级。二级电压控制为本地控制，控制器为发电厂侧电压无功自动调控装置，时间 常数为秒一分钟级，控制的主要目的是协调本地的一级控制器，保证母线电压或 全厂总无功等于设定值，如果控制目标产生偏差，二级电压控制器则按照预定的 控制规律改变一级电压控制器的设定值。 8 次 调 节 次 调 节下 夏 零 省调a v c 控制 i 【i - 。_ 、 ， 地调a v c 控制 、 ， 一 、， 电厂发电机无 功调节装置 5 0 0 k v 变电站监控系 统( a v q c 功能) 、， 、 ， 、， 阵篆势组励 2 2 0 k v 及以下变电站低 5 0 0 k v 变电站低压电 压电容器电抗器投退、 容器电抗器投退、主 主变有载分接头调节变有载分接头调节 八 1f 信息流 u i i 控制流 l 一 图2 - 1无功电压控制分层分区结构图 三级电压控制为全局控制，时间常数为分钟小时级，它以全系统的安全、经 济运行为优化目标，给出各厂站的优化结果，并下达给二级控制器，作为二级控 制器的跟踪目标。 9 第三章安徽区域无功电压控制设计方案 3 1总体设计思路 采用多智能体理论，利用智能体的自学习功能，避免传统方法中复杂计算，避 免因系统采集数据问题对计算带来误差：多智能体自学习自动分区功能，避免国 际上常用的事前分区法不能适应系统拓扑变化的弱点；多智能体相互协作，使各 区域电压无功调整更加协调合理，避免系统波动；通过无功买卖机制，使电网无 功流动尽量小，维持系统无功分层分区平衡，使电网网损减少，到达无功优化效 果：某个甚至某几个智能体出现问题并不影响其它智能体的正常运行，使整个控制 系统真正分布式运行。 3 1 1 智能体分类 智能体分为控制智能体和消息管理智能体。 3 1 2 控制智能体的确定 控制智能体是指能够进行控制电压和无功的智能体。控制智能体需要采集的 信息包括： 母线的实际电压量测，母线电压控制上、下限值； 每个出线两侧的有功、无功潮流，出线线路参数； 邻居智能体； 控制对象的实际状态； 控制对象的约束； 控制智能体有分为核心智能体和普通智能体 3 1 2 1 核心智能体( c o r ea g e n t ) ：能够较大范围调整无功和电压厂站 母线。每个电压等级作为一个智能体，每个智能体控制对象包括几个发电机或电 抗器。安徽电网核心智能体有以下几个： 淮北电厂，控制对象：# 5 、# 6 、# 6 机组 淮北二厂，控制对象：# 1 、# 2 机组 平圩电厂，控制对象：# 1 、# 2 机组 洛河电厂2 2 0 k v 系统，控制对象：# l 、# 2 机组 洛河电厂5 0 0 k v 系统，控制对象：# 3 、# 4 机组 洛河电厂3 5 k v 系统，控制对象：# 1 一# 5 低抗 田家庵电厂，控制对象：# l 、# 2 、# 3 、# 4 、# 5 机组 合肥电厂，控制对象：# 4 机组 合肥二电厂，控制对象：# 1 、# 2 机组 马鞍山二电厂，控制对象：# 1 、# 2 机组 马鞍山电厂，控制对象：# 1 1 、# 1 2 机组 铜陵电厂，控制对象：# 1 、# 2 、# 3 机组 1 0 芜湖电厂，控制对象：# 1 1 、# 1 2 、# 1 3 、# 1 4 机组 安庆电厂，控制对象：# 1 、# 2 机组 繁昌变，控制对象：撑1 桴7 低抗 肥西变，控制对象：撑1 撑6 低抗 颖州变控制对象：撑1 撑3 低抗 3 1 2 2 普通智能体：各2 2 0 k v 变电所母线，共有7 0 个。正常情况下通过下 级a v c 系统维持无功就地平衡，必要情况下辅助调整母线电压。每个核心智能体 需要采集的信息包括： 母线的实际电压量测，母线电压控制上、下限值； 每个出线两侧的有功、无功潮流，出线线路参数； 邻居智能体； 控制对象的实际状态； 控制对象的约束； 3 1 3 消息管理智能体 消息管理智能体的主要任务是定期清除公告栏各智能体张贴的过期信息，防 止公告栏阻塞。 多智能体消息类型： 请求信息包括请求最近核心智能体、请求电压调整、请求无功供给 响应信息包括以上请求信息的响应 确认信息对电压调整和无功供给响应信息的确认 转发信息对邻居智能体信息进行转发 公告信息智能体对系统进行相关公告，如推出控制、通讯中断、电压接近 限制、量测错误等。 3 2 控制智能体学习过程 3 2 1 分区学习 在系统初始运行时，所有智能体只知道自身信息，如电压和控制对象。对其 它智能体状况一无所知； 核心智能体向自己邻居智能体发请求信息，让其告之其它核心智能体信息， 该请求张贴在公告栏上； 邻居智能体通过读公告栏信息，收到核心智能体请求，如果自己已经有该核 心智能体的信息，则比较该消息路径是否比已有的短，是的话，重新记录该核心 智能体到自己距离及记录；如果自己就是核心智能体或有其它核心智能体信息， 则回答响应信息；如果该消息经过的跳数和距离小于规定的限值，则同时将此请 求向其邻居( 不包括消息来源方向) 转发。 以此循环( 一般经过5 次) ，每个智能体都知道自己相近的几个核心智能体的 距离，各智能体根据到核心智能体电气距离自动分成不同控制区域。 如系统某个线路停运，则相关智能体重新进行学习，以适应系统网络变化。 3 2 2 电压调整学习 当某个智能体检测到电压越限时，若自身有调节能力，则进行调节，否则向 较近的核心智能体发请求，核心智能体根据自己的能力和已有的信息进行响应， 再由发起请求智能体进行确认。 核心智能体根据请求请求智能体的确认进行调节，调节起始和结束后发公告， 各相关智能体根据调节前后电压变化学习该核心智能体对自动母线电压灵敏度。 若较近的核心智能体没有响应或没有能力，则依次向较远的核心智能体发请 求。直至得到响应为止。 若所有核心智能体都不响应，则对下级a v c 系统发请求电压紧急控制( 牺牲 无功平衡) 。 3 2 3 无功优化学习 当普通智能体确定自身不能维持无功就地平衡时，向核心智能体发无功供给 请求； 核心智能体根据自身能力发响应，包括无功数量及价格； 发起智能体根据核心智能体的响应以及自己到核心智能体的距离，计算需购 买的无功数量，再发确认信息； 核心智能体根据确认信息进行调整； 3 3 核心智能体无功控制原则 区域内无功储备应满足要求，尽量留出发电机无功调节能力最为快速反应调 节。如高峰时，切除电抗器，逐步投入电容器，留足发电机无功上调空间；低谷 时，切除电容器，逐步投入电抗器，留足发电机无功下调空间。 3 4 核心智能体调节机组无功策略 机组无功调节对机组安全稳定运行至关重要，核心智能体调节机组无功调节 必须按下列次序满足： 保证机端电压满足机组厂用电及变压器运行要求； 保证考虑机组功率因数满足要求； 保证枢纽母线电压满足要求： 保证电厂内机组无功分配满足要求； 调节时应使发电机组无功出力分布尽量均衡，机组功率因数应大致相等。即 增加无功出力时，在满足安全的条件下，优先增加功率因数高的机组，反之则优 先减少功率因数低的机组。 1 2 3 5 发电厂a v c 策略原则 机组励磁调节系统是电力系统中最重要的电压和无功功率控制系统，响应速 度快，可控制的容量大，不论是正常运行时保证电压水平和紧急控制时防止电压 崩溃，都起着重要的作用。机组无功电源是实现a v c 重要的控制设备，但机组的 无功出力应留有一定的备用容量，以满足电网的稳定运行要求。 3 5 1 实施范围 接在2 2 0 k v 及以上母线、容量在1 2 0 m w 以上、励磁调节器( a v r ) 具备控 制条件的机组，均可实施a v c 。 3 5 2 控制模式 采用单机控制方式，即主站a v c 软件控制到单台机组，每台机组加装一台无 功调节装置； l 计算周期到 l 取实时数据 i 数据处理 图3 1 普通智能体控制策略示意图 i 计算周期到 l 取实时数据 l 数据处理 图3 - 2 核心智能体控制策略示意图 1 4 3 5 3 调节方式 主站a v c 软件根据系统电压及无功分布，计算各台机组的无功出力，通过下 行通道将机组无功指令下发到电厂当地功能： 对于a v c 投远方控制的机组：由当地功能将接收到的无功指令转发到各台机 组的无功调节装置，调节装置通过比较机组实际无功和指令的差别，调节机组机 端电压给定值，从而使机组a v r 调节励磁电流直至机组无功达到指令要求。 对于无a v c 功能或a v c 不能投远方控制的机组通过c r t 显示机组的无功指 令，再由运行人员手动调整机组无功出力跟踪指令。 3 5 4 主站指令方式 主站a v c 软件采取周期运行方式( 1 5 秒) ，为防止频繁调节机组，采取阶跃 性指令，即指令最小间隔为5 m v a r ，为防止机组无功扰动大，设置最大无功指令 偏差。对于a v c 投自动的机组，主站可根据系统情况实时下发指令，对于其它运 行机组，主站可设置最小间隔时间( 如1 5 分钟) 下发无功指令。 3 5 5 安全措施 为保证机组安全，主站在下发机组无功指令的同时，还将下发主站采集到的 机组其它实时信息，如机组实际有功、无功、机端电压，电厂母线电压，由电厂 当地功能进行比较，正常后才转发给无功调节装置或c r t ，否则将发报警。 图3 3安徽电网a v c 系统控制环示意图 1 5 供电局a v c 系统( 下级智能体) a v c 策略原则 a ) 地区供电公司a v c 系统控制对象是2 2 0 k v 及以下变电所电容器、电抗器 以及主变分接头； b ) a v c 优化控制策略使无功分布满足分层分区平衡原则，分片优化，在保证 电压合格的基础上，尽量减少各个区域无功流动，以降低网损； c ) 避免对主变分接头和电容器来回频繁调节，a v c 软件应具有对调节效果预 估算功能； d ) 能计算每个区域电网不使电压越限情况下可切投电容器容量功能； d 在主网电压过低的情况下，应有闭锁调节主变分接头的功能； f ) a v c 数据宜直接采用量测值，应有拓扑功能，自动对电网进行分片分区； g ) 在电网异常情况下，a v c 应自动退出控制； 省调( 上级) a v c 多智能系统和地调( 下级) a v c 协调控制策略 a ) 省调a v c 多智能体系统按照经济压差原理尽量控制2 2 0 k v 线路无功流动 小： b ) 在满足2 2 0 k v 母线电压合格的前提下，省调a v c 尽量控制2 2 0 k v 变电 所主变 高压侧无功负荷满足2 2 0 k v 线路无功达到经济分布，即无功就地平衡；在 系统电压越限且发电厂失去调节能力情况下，牺牲无功平衡使高压侧无 功负荷朝有利于电压恢复合格方向变化。 c ) 省调a v c 对地调a v c 下达每个2 2 0 k v 变电所期望无功负荷指令； d ) 地调a v c 应具有对省调