（电气工程专业论文）基于超短期负荷预测的变电站综合调压研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 变电站电压和无功控制中补偿电容器和变压器分接头的“投切振荡”问题一直 未能很好解决，针对这一问题，论文在研究常见补偿电容器投切和变压器分接头调 整方法的基础上，提出将负荷预测引入变电站电压无功实时控制，通过负荷预测， 掌握负荷变化和波动情况，在满足电压和功率因数合格的前提下，充分利用变压器 的过载能力，尽量减少电容器投切次数和不必要的调整，从而提高系统的稳定性。 论文的主要研究成果如下： 针对变电站电压无功控制的现状，论文提出将负荷预测引入电压无功实时 控制，提升了变电站电压无功控制的性能，延长主变分接头和电容器开关的寿命具 有重要的实用意义。 为了实现基于负荷预测的变电站综合调压，分析了各种负荷预测方法，根 据电网负荷的特点，采用一元线性回归法、指数平滑法和人工神经智能网络相结合 的综合负荷预测方法进行电网的短期和超短期负荷预测。为提高负荷预测的精度， 还讨论了伪信息的处理及模型的自适应功能等。实例分析证明，该综合负荷预测方 法能满足实时控制的需要。 提出通过变电站s c a d a 接口得到变电站实时负荷数据，进行短期和超短 期负荷预测实现变电站综合调压。 建立了补偿电容器和变压器分接头的实时控制解决方案，给出了系统框 图，并从硬件上实现了该方法。运行情况表明，该综合调压方案能提高功率因数和 电压合格率，更大幅度的降低网损，减少变压器分接头和补偿电容器动作次数，提 高设备的安全性和使用寿命。 关键词：超短期负荷预测，电压调整，优化 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo f p o w e ro s c i l l a t i o n o c c u r r e di nr e a c t i v ea n dv o l t a g ec o n t r o l l i n gb y s w i t c h i n gc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r so ra d j u s t i n gt a pj o i n ti sn o ts o l v e dw e l la l la l o n g ，t o t h i sp r o b l e m ，b ys t u d y i n gt h et r a d i t i o n a la d j u s t i n gm e t h o do fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s o rt a pj o i n t ，t h er e a l t i m ec o n t r o lm e t h o do fr e a c t i v ea n dv o l t a g ei ns u b s t a t i o nb a s e do n l o a df o r e c a s ti n p r o p o s e d b ym a s t e r i n gt h ec h a n g ea n d f l u c t u a t i o no fm a d ，t h e a d j u s t i n gm e t h o do fr e a c t i v ea n dv o l t a g ec a nf u l l yu t i l i z et h eo v e r l o a dc a p a c i t yo ft h e t r a n s f o r m e r , a n dr e d u c et h ea d j u s t i n gt i m e so ft h ec o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r so nt h e p r e m i s eo ft h eq u a l i f i e dv o l t a g ea n dp o w e rf a c t o r ，t h u si m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc o n t r o l l i n gm e t h o df o rr e a c t i v ea n dv o l t a g ei n s u b s t a t i o n ，t h er e a l - t i m ec o n t r o l l i n gm e t h o do fr e a c t i v ea n dv o l t a g ei ns u b s t a t i o nb a s e d o nl o a df o r e c a s ti np r o p o s e d ，w h i c hc a r le n h a n c et h ec o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c eo fr e a c t i v e a n dv o l t a g ei ns u b s t a t i o n , p r o l o n gt h el i f eo ft h et a pj o i n ta n dt h ec i r c u i tb r e a k e ro ft h e c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s t or e a l i z i n gt h ei n t e g r a t e dv o l t a g ea d j u s t i n gm e t h o di ns u b s t a t i o nb a s e do nt h e l o a df o r e c a s t ，s e v e r a ll o a df o r e c a s tm e t h o da r ea n a l y z e d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h el o a di ne l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r k ，t h el o a df o r e c a s tm e t h o db a s e do nu l r 、e s a n da n ni sa d o p t e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fl o a df o r e c a s t , t h ed i s p o s eo f f a u l ti n f o r m a t i o na n dt h ea d a p t i v ef u n c t i o no fm o d e la r ed i s c u s s e d ，e t c b ya n a l y z i n g t h ee x a m p l e ，i ti n d i c a t e dt h ei n t e g r a t el o a df o r e c a s tm e t h o dc a nm e e tt h ed e m a n d so f r e a l t i m ec o n t r 0 1 g e t t i n gt h er e a lt i m ea n a l o gd a t at h r o u g ht h es c a d ai n t e r f a c ei sp u tf o r w a r d , a n dt h ev o l t a g ea d j u s t i n gb yl o a df o r e c a s ti sp r o p o s e d t h er e a lt i m ec o n t r o l l i n gs c h e m eo fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r sa n dt a pj o i n to f t r a n s f o r m e ri se s t a b l i s h e d ，t h es y s t e m a t i cb l o c kd i a g r a mi sp r o v i d e d ，a n dt h eh a r d w a r e b a s e do nt h i sm e t h o di sr e a l i z e d o p e r a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h i si n t e g r a t e dv o l t a g e a d j u s t i n gm e t h o dc a nr a i s et h ep o w e rf a c t o ra n dv o l t a g eq u a l i f i c a t i o nr a t e ，r e d u c e w a s t a g eo fp o w e rn e t w o r k , r e d u c et h eo p e r a t i n gt i m e so fc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r sa n d t a p j o i m ，i m p r o v et h el i f eo f t h ep o w e re q m p m e m k e y w o r d s ：s u p e rs h o r tt i m el o a df o r e c a s t ，v o l t a g ea d j u s t m e n t ，o p t i m i z e 重庆大学硕士学位论文1 问题的提出 1 问题的提出 1 1 变电站电压无功控制的重要性 电力系统作为国家经济生产和人民生活的基础设施之一起着至关重要的作用， 而随着国民经济的不断发展，电能作为一种重要能源也己得到广泛的应用。电能具 有易于和其它形式的能量相互转换，宜于大量生产、集中管理、远距离输送、自动 控制等优点，因而被广为利用。据估计，电力系统输送着世界上7 0 以上的所需 能量。 由于电能生产、使用的特殊性，要求电力系统产供销同时进行，生产、输送、 分配、消费备部门息息相关，必须密切配合来共同满足人民生产、生活的需要，而 且每时每刻都需尽力达到动态平衡，这就给电力系统运行带来了许多困难。电力系 统运行需满足以下要求： 1 ) 保证安全可靠地持续供电； 2 ) 保证良好的电能质量； 3 ) 保证系统运行的经济往。 和其它产品一样，电能也有质量问题，电压和频率就是衡量电能质量的两个基 本指标，也是电气设备制造的基本技术参数。根据调查，国外大多数系统都规定： 无论是正常运行还是事故后，高峰负荷或是低谷负荷期间，各节点电压的波动范围 都应在额定值的5 1 0 的范围以内。 显然，电压是电力系统一个很重要的质量指标，各种电气( 器) 设备的正常、 安全运行或使用与实际电压水平是否满足其所要求的标准密切相关。如果电压质量 不合格，不但不能正常运转从而带来经济上的损失，而且可能造成危及人民生命、 财产安全的严重事故。 同时，电压又直接影响到电力系统自身的安全性与经济性。电力系统运行的经 济性与安全性是一对矛盾的两个方面，如果一味地追求经济蛙丽忽视安全性，一旦 出一次事故就可使多年经济运行节约的费用损失殆尽。如1 9 6 5 年美国东北部包括 纽约大停电事故，停电区域2 0 万k m 2 ，经济损失达1 亿美元，影响约3 0 0 0 万居 民；1 9 7 8 年法国电力系统大停电事故，占全国四分之三的大部分地区停电，经济 损失约2 亿美元；1 9 8 3 年瑞典南部大停电，经济损失为2 3 亿瑞典克朗；1 9 8 7 年 日本东京大停电，事故损失负荷8 1 6 8 m w ，影响了大约2 8 0 万用户， 电压与无功功率直接相关联，由于“系统无功功率补偿严重不足，在运行中对 无功和电压问题没有给予充分注意”而造成的“电压崩溃”事故屡见不鲜，如 1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国电力系统历时数十小时的全国大停电，1 9 8 2 年8 月4 日比 重庆大学硕士学位论文1 问题的提出 利时北部电网停曳事故。1 9 8 3 年1 1 月2 7 日瑞典以及1 9 8 7 年7 月2 3 目日本发生的 电力系统事故等等都是由于电压不稳定引起的。得到的教训是系统应有足够的紧急 备用无功，以维持各节点电压不致于下降到最低允许值之下。因此，保证电压质量 无论对用户还是对电力部门都是重要的。 由于无功功率在系统中流动，不仅要损耗有功功率、占用输电线路和设备的容 量，而且在线路上要产生电压降落，影响电压质量和系统稳定性，所以，对系统无 功功率必须加以控制，限制它在系统中的流动。因此，电力系统中无功功率是采用 分层、分区就地平衡的方式，通过在各级变电站有选择性地安装一定容量的无功补 偿设备，根据运行时电压、负荷情况对无功功率进行有效控制。 通过无功补偿设备实现对电压的控制是手段之一，利用有载调压变压器分接头 的调整也可以有效地控制电压。变电站通过灵活、协调地利用这两种调节手段，就 可以实现在不同运行情况下对电压的有效控制。 然而，随着电力系统容量的不断扩大，分布在广大区域的电源和负荷被联系成 一个整体，即所谓的互联系统，城区电网的扩容和农村电网的改造，电力系统运行 的条件和情况日益复杂化；与此同时，对电力系统运行的要求也在不断地提高，对 电能供应不再只看重安全性、可靠性的要求，供电质量也成为了人们关注的焦点。 因此，变电站的运行必须摆脱以往单纯依靠人的经验的方式，充分利用先进的科学 技术，在现代电子与计算机技术的基础上，硬件与软件相结合，实现科学合理的运 7 豫作，在满足人民需要的同时，也实现电力系统自身的良性发展。电力系统的电 压和功率因数是衡量电能质量的重要指标，电压和功率因数能否维持在合格的范围 内，不仅影响电力系统本身的安全，而且直接关系到广大用户的利益。据有关资料 【1 显示，我国低压配电网由于建设相对滞后，网架薄弱，设施老化，线路长，线径 小，线损率普遍高达6 以上，电压合格率和功率因数较低，影响了供电可靠性， 电气设备不能充分利用。 电网无功功率的分布和流动决定了电力系统的电压水平和特性，在稳态工况下 直接影响着电压质量和功率因数。维持电网正常运行条件下的无功功率平衡是改善 和提高电压质量的根本条件。实践证明，利用自动化手段对变电站和用户端进行无 功补偿，可以有效提高功率因数，保证电压合格率。我国城乡电网改造的目标之一 就是通过无功功率的补偿和调控，来改善电压质量，降低网损，提高供电能力。 目前无功补偿手段主要是在配电线路变压器配置高、低压并联电容器，变压器 有载调压，同步补偿器，静止无功功率补偿器( t c r + t s x ) 等。随着我国城乡电 网的改造，越来越多的变电所实现无人值班，对电网的运行监控将更加依赖于自动 化设备，如负荷调整，电压调整，频率调整等。在这种发展趋势下，补偿电容的投 切、变压器分接头的调整将主要由无功补偿控制装置自动完成。完善的补偿电容器 2 重庆大学硕士学位论文 1 问题的提出 投切控制策略对保证用户电压合格率，提高功率因数，实现经济运行方式，延长设 备寿命有重要意义。 1 2 常见的补偿电容器投切和变压器分接头调整方法 1 2 1 补偿电容器分组和投切 由于以往对无功补偿电容器投切优化问题不够重视，很多无人值守变电站无功 补偿电容器的投入与退出是定时倒换的，一般是分为低谷和高峰两个阶段。一种常 用的方法是先绘制无功负荷图，确定无功补偿容量，然后把轻负荷下的补偿容量固 定下来，其余的补偿容量作为按负荷变化的调整容量，根据无功负荷阶梯图按时间 顺序投切。 我国制定的力率调整电费办法中规定，计算用户的功率因数采用加数平均 值，以用户在一个月内所消耗的有功电量w 和无功电量q 进行计算，因此无功负 荷图可以采用无功电能表，按各个小时的读数进行绘制。 例如，某变电所无功负荷图如下： 图1 1 典型日无功负荷阶梯图 f i g ，1s t e p c h a r t o f t y p i c a lr e a c t i v e p o w e r l o a d o n e d a y 补偿电容器的分组和投切步骤如下： 1 ) 为追求较高的补偿度，选最大补偿容量q m a x = 7 0 k v a r 2 ) 根据无功负荷图，统计补偿容量的台阶数m = 6 。再根据m ， 分组数n ，1 1 和m 有下述关系： 12b m v 2 m a x ，q i v 2 m a x ，q 1 正常，先调节档位降压，若无法再调，则切除电容器。 4 区：v 2 v 2 m a x ，q l q l m a x ，先调节档位降压，然后再依情况投电容器。 5 区：v 2 正常，q l q l m a x ，投电容器直至q 1 正常。 7 区：v 2 v 2 m i n ，q l q l m i n ，先调节档位升压，然后再依情况切电容器。 8 区：v 2 v 2 m i n ，q 1 正常，调节档位升压，若无法再调，则投电容器。 9 区：v 2 q l m a x ，先投电容器，然后再依情况调节档位升压。 这种控制方式，应该说是一种最简单的直接控制方式，直接采集所需控制的状 态变量，根据其与理想状态的偏差，对控制变量进行调节，使其向所要求的方向进 行转化。这种方式的优点在于控制规律简单，通过微机来实现，可以满足实时性及 可靠性的要求；但同时缺点也是很明显的： 首先，这种方法所采用的无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标轴 的固定边界线，无功的调节本应是对电压有很大的影响的，然而此处的无功调节边 界竞与电压的状态无关，这显然不符合“保证电压合格，无功基本平衡”的变电站 电压无功综合调节的基本原则。并且，由于没有考虑至电压无功的相互作用，可能 造成并联电容器的误投切，从而引起电压波动和分接头的频繁动作。 其次，这种对运行状态的简单划分，只能满足很一般的要求，一旦遇到较为复 杂的负荷运行状况，就会产生许多问题，如当运行状态处于某些边界线附近的临界 区域时，根据上述的依区域而不同的控制策略进行调节，将导致运行状态在两个或 几个区域之间循环变动的情况。 第三，由于各区域的控制是根据实时检测的电压、无功和有功来进行的，当无 功并不越限、而电压越限时( 3 区、8 区) ，基本的控制策略是调节变压器的分接 头，然而，实际上每个变电站每天的有功和无功负荷变化有一定的规律性，在无功 负荷曲线上往往出现趋势变化陡峭的情况，即先出现电压下、上越限，紧接着就出 现无功上、下越限的情况。根据九区图的控制策略，将产生先由8 区( 或3 区) 调 变压器分接头进入1 区，紧接着状态变化又进入6 区，则再投电容器又状态恢复进 入1 区的控制过程，这是一个涉及分接头和电容器多次调节的反复过程，尤其是当 负荷变化较大时，就可能引起频繁的动作，并且影响到电压的合格率和最优的调节 效果。 第四，由于实时系统电压、有功和无功负荷变化的随机性，基于九区图的控制 方式对电压波动的控制适应性能较差。 重庆大学硕士学位论文1 问题的提出 最后需要指出的是，变电站的运行规程中明确要求，对有载调压变压器分接头 的日调节次数有一定的限制，因为分接头的调节装置是属于机械装置，很容易损 坏，有载调压变压器约有8 0 的故障就是由分接开关所引起的，而目前所投入运 行的v q c 装置，由于其采用的控制方式的限制，不可避免的存在频繁调节的现 象，无法在满足有效控制的同时，实现对调节次数的限制，从而导致许多变电站的 v q c 装置只是起到摆设的作用，调节仍多半是依靠人来操作，严重影响到电压无 功自动控制在电力系统中的推广应用。 针对上述的当前的v q c 装置及其控制方式所存在的种种问题，广大电力工作 者和电力科学研究人员结合实际情况，充分运用先进的科学技术，作出了各种有益 探索和研究，总结形成了各种各样的方法。大致来说，可以分为两大类型：一类是 在原有的以九区图为根据的控制方式的基础之上，对其进行改进，以改善前述的种 种不足之处。如在文献 5 中，针对有可能出现的循环动作和振荡情况，在考虑并 联电容器的电压特性的前提下，对九区图做了更为细致的划分，将整个状态平面划 为1 2 个区，如图1 3 所示，原有九区的控制策略不变，新划出来的4 个区，1 0 区 为调节档位降压，若在最高档，则切电容器；1 1 区为不操作；1 2 区为不操作：1 3 区为调节档位升压分，若在最低档，则投电容器。这样以来，就可以有效避免当运 行状态位于新划分出来的区域时，可能出现的振荡动作。但这种方法所作的改进只 是对原九区图的细分，且可能有的频繁动作仍未消除。而在文献 6 中就进一步对 九区图进行细分，将原有的3 区、8 区靠近两端无功边界线的临界区域及5 区、6 区中靠近两端电压边界线的临界区域全部单独划分出来，每个区域都设置一定的控 制策略，在一定程度上实现了控制性能的改善，但也未摆脱对九区图细分的思想， 所以其性能的提高只能是有限的。 v 2 。 - 2i o l3 4 v 2 m a。1 16 5 1 v 2 m 1 厂 781 39 c o s l p l m ac o s c p l m l c o s q 0 1 图1 3 改进九区图 f i g1 3 t h ei m p r o v e dn i n e - z o n es t a t ed i a g r a m 在文献【7 】中基于“保证电压合格、无功基本平衡、尽量减少调节次数”的控 制原则，认为无功调节的边界应当是一个受电压的状态影响，且在一定范围内服务 重庆大学硕士学位论文1 问题的提出 于电压调节的一个模糊边界，即电压高时，无功不是太缺就不投电容( 或多切一点 电容) ；电压低时，可以多投一点电容( 或无功不是太超就不切电容) 。基于这一 原则，提出了模糊边界的无功调节判据，将固定的无功上下限边界改变成受电压影 响的模糊边界，即无功调节的边界为与电压有关的两条斜线，其斜率可以根据具体 的投切边界条件进行调整，从而在原九区图的基础上划出一些特殊区域，使得原来 不用调节的情况现在需要调节，而原来要调节的情况则不对其调节，在一定程度上 实现了对临界区域的特殊处理，避免了由此造成的误投切和频繁动作，同时又保证 了无功补偿效果和无功调节次数没有变化。 综上所述，对九区图进行改进的方法，由于九区图本身所存在的限制，即当发 现实际情况偏离了理想状态( 中心区域) 后，通过施加可以改善状况的控制手段， 希望可以实现达到理想状态的目标，这在控制效果上不可能对电压无功的相互作用 和影响所造成的问题有大的改善，只是通过在一定程度上或细分九区图或以较简单 的形式计及电压无功相互作用而达到一定的校正提高。 正因为这样，所以有不少电力科研人员尝试采用一些新的科学方法，从不同于 九区图方式的角度对变电站电压无功的综合优化控制进行探索研究。文献 8 中基 于一、二次侧电压的状态关系，建立了电压的各偏差等级的模糊隶属度函数和与之 对应的控制程度( 经过量化) 的模糊隶属度函数，考虑以人的控制经验为基础的模 糊控制原则，形成模糊推理语句，最终得到了与不同电压偏差情况( 共分为1 3 级) 所对应的控制策略。该方法优点在于所需信息量少，计算量小，能在一定程度 上反映电压的变化情况，通过模糊化，可以处理电压波动的情况；然而，该方法未 计及无功对电压的影响作用，单纯以电压为决策依据，而且对于负荷变动较大时， 仍不可避免地会出现频繁调节的现象。文献【9 】也采用了模糊控制的方式，首先将 电压和无功偏差量大致分为7 档，转换至模糊集论域( 离散值) ，并定义模糊词 集，再依据文献【7 】所建立的电压无功调节的模糊边界形成模糊控制的规则。在具 体处理中，由于双输入( 电压无功) 双输出( 分接头和电容器) 模糊控制器实现的 复杂性，采用了解耦算法，转变成2 个单变量模糊控制器的相交组合。该方法与文 献 8 】相比，采用了电压无功两个变量依据，有一定的性能改善；虽然运用了模糊 方法，由于控制规则的建立仍依赖于电压无功平面的状态划分，所以在电压无功耦 合关系上采用的是一维近似处理，有一定的局限性，且对于负荷波动情况未能计 及，对分接头调节和电容器投切的优化也未能作仔细地考虑。 由于上述方法的实质还是基于电压无功状态划分后的控制策略确定，在处理电 压无功耦合关系上存在一定局限，因此研究人员纷纷提出了各种采用现代优化方法 的、完全不同的控制策略实现。文献【1 0 在模糊控制的基础上，考虑到模糊控制虽 然有易于实现的控制表达，但缺乏自适应、自学习的能力，因此将模糊控制与神经 重庆大学硕士学位论文 1 问题的提出 网络相结合，采用神经网络来获取利用分接头的调节和电容器组的投切来控制电压 无功的模糊模型，从而改善了单纯使用模糊控制方法难以处理双变量控制的复杂性 和隶属度函数不易获取的不足。由于采用了神经网络对电压无功偏差模糊化后的模 糊量进行控制规则的确定，在一定程度上实现了对电压无功耦合关系的处理，即通 过实际样本的训练来将这种耦合关系的影响存储记忆在神经网络之中，但这种方法 并未明确地规定对分接头调节和无功投切的优化策略，而是依赖实际样本所包含的 优化考虑来影响控制决策，并且对于负荷波动情况也未能计及，只是单纯地为控制 而控制，智能考虑不足。文献【1 1 提出了一种基于人工神经网络的无功预测和优化 策略相结合的变电站电压无功综合自动控制，作者认为以往的控制判据对电压越限 因素的综合识别能力不充分而导致自动调节判据的缺陷，会影响系统的调节性能， 即影响电压合格率和最优调节率，有鉴于此，提出用神经网络对无功负荷的变化进 行预测，易实现全局最优的控制策略。在实际运行时，将实时采集的电压、无功、 功率因数及预测得到的无功数据经模糊化处理后输入用于产生控制决策的神经网络 模块，在无功变化趋势的指导下，躲过负荷波动，同时利用模糊化的神经网络实现 适当的控制策略，极大地改善了控制效果和全局最优性。然而，该方法在处理分接 头和电容器的调节上未能考虑到其约束条件，可能带来一定的影响，并且，在确定 了控制策略之后，要对假定调节后的系统作潮流计算，如结果不能满足要求必须重 新修正控制策略后再次计算，从而影响到控制的有效性。文献 1 6 1 在集中控制和分 散控制的基础上，提出了一种新的分散关联控制方式，其特点是：在正常运行情况 下，由安装在各厂( 站) 的关联分散控制装置根据设计好的控制规律进行调控，调 控范围和定值是从整个系统的安全、稳定和经济运行出发的，可先由电压无功优化 程序计算好，在紧急情况下或系统的运行方式发生大的变动时，可由调度中心直接 控制或由调度中心修改下属变电站所维持的母线电压和无功功率的定值，以满足系 统安全、稳定、经济运行的新要求。通过采用这种方式，优点是可以从全局的角度 对变电站的控制进行指导，着眼系统优化性能，但对单个变电站来说，虽然通过系 统地考虑电压和无功的设定值，可以在一定程度上改善其控制的效果和电压合格 率，但其所面临的问题仍然存在，分接头和电容器的调节优化是必须自行处理的， 负荷的波动仍会对调节造成影响。 综上所述，可以看出广大电力科研人员对变电站电压无功综合优化控制问题的 研究是十分活跃的，也是卓有成效的，它经历了一个循序渐进的发展过程，不断地 提出了许多新的日益成熟的方法。但是由于所涉及问题的复杂性和约束条件的多样 性，使得到目前为止，仍没有一种比较通用、合理、有效、能达到综合控制要求的 电压无功控制方法。 9 重庆大学硕士学位论文l 问题的提出 1 4 本文的主要解决思路 随着我国城乡电网改造，对配电网建设的越来越重视和无功补偿技术的发展， 低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及，从静态补偿到动态补偿，从有触点 投切到无触点投切，都取得了丰富的运行经验。目前无功补偿控制装置控制物理量 主要有：无功功率控制、功率因数控制以及电压、无功综合控制。从控制策略来 看，无功功率控制或电压、无功综合控制的控制器控制比较合理，而采用功率因数 控制虽然比较简单明了，但如不采取相应措施，则可能产生投切振荡问题。 根据有关资料分析，目前多数电压无功补偿控制装置( v q c ) 的控制策略不 完善，没有进行优化，主要表现在变压器分接头和补偿电容器调整次数过多、影响 设备寿命和安全以及负荷波动时的投切振荡问题。 所谓“投切振荡”，是指在电网无功与电压波动情况下，为满足功率因数或电 压的要求，并联补偿电容器开关频繁投切，变压器分接头档位频繁调整。由于电力 系统负荷构成的多样性，不可避免存在着类似于电炉、轧钢等冲击性负荷以及一些 不可预见的随机负荷波动，其特点是随机性强，持续时间不定( 一般较短) ，起停 快。根据有关资料统计，该类负荷约占总负荷的2 3 ，是不可忽视的。由于这些 特点，如果单纯从提高功率因数和电压合格率的角度出发，补偿电容器和变压器分 接头将随负荷变化而不断投切调整，运行指标虽然有一点提高，但频繁操作对设备 寿命和系统安全造成的威胁更大。这种现象的发生，一方面与电容器组的分组数和 容量，控制值的上下限范围、调节时间等因素有关，另一方面与控制器的控制策略 有很大关系。 目前无功补偿控制装置的一般对策是采取加“延时”的方法，在监测到负荷扰 动后，延时1 5 分钟左右投切补偿电容或调整变压器分接头。该方法虽然有一定效 果，但由于无功负荷的多样性和各种随机因素的影响，“定延时”的方法很多时候 不能准确适应负荷的变化，例如负荷波动的时间超过1 5 分钟时，要等到1 5 分钟延 时才能投入，往往错过最佳投入时机，影响了功率因数合格率，因此实用性不强。 另一方面，目前很多无人值守变电站无功补偿电容器的投入与退出是定时倒换的， 一般是分为低谷和高峰两个阶段。由于负荷变化和气象因素、政治因素、重大社会 活动等的影响，负荷高峰与低谷有时提前，有时延迟，因此定时倒换方式限制较 多，效果有时不好。 为解决上述问题，首先必须对变压器分接头调节和补偿电容器投切控制策略进 行优化，充分利用二者的优势，实现优化的综合调压；必须能判断负荷波动的情 况，掌握负荷变化趋势。因此，一种可行的方法是采用负荷预测的控制策略。其思 路是建立一种闭环控制，建立将实际负荷同预测曲线相比较，通过优化计算，判断 是否投切电容器和调整变压器分接头，并充分利用变压器的过负荷能力。 重庆大学硕士学位论文 2 电压无功调节t 作原理 2 电压无功调节工作原理 2 ，l 补偿电容对功率因数的影响 通过投切低压补偿电容器，不仅可以调整变电所母线的电压，更可以提高功率 因数合格率，减少线路损耗。它主要是在确定用户端补偿和配电线路补偿的基础 上，解决无功的动态补偿，满足无功负荷增长的需要。 提高功率因数 如果本变电所最大负荷月的平均有功功率为，投入补偿容量q c ，设补偿前 的功率因数为c o s ( 0 1 ，补偿后的功率因数为c o s 口，则有以下关系： g = 嘞惭t t g p 2 ) = 翰( 1 - 皇堕， ( 2 1 ) g 华匕 其中，c o s ( f i 应采用最大负荷日平均功率因数，c o s p 2 确定必须适当。通常， 将功率因数从0 9 提高到1 0 ，与将功率因数从0 7 2 提高到0 9 所需要的补偿容量相 当。园此，在高功率因数下进行补偿其综台效益将显著下降。从c o s 伊的曲线也可 以看出，在高功率因数情况下，曲线上升率变小，相比之下，此时提高功率因数所 需的补偿容量将要相应增加。 降低网损 线损是电网经济运行的一项重要指标，降低网损是无功补偿的主要目标之一。 设补偿自u 后线路电流分别为n ，：，相应补偿容量： g = 4 3uf ，is i l l 优- 1 2s i n 妒2j 印r 培吼- t g 妒2 j ( 2 2 ) 此种情况下，应适当考虑电容器的有功损耗：a p s , = u l c o s p = q s t g d ，其中6 为 电容器的介质损失角，一般取枷= n 0 0 3 。 2 2 综合调压模式 随着计算机和网络通信技术的飞速发展，对变电站无功和电压调节装置的自动 化程度的要求越来越高、调节方式要求越来越灵活，以适应电力网络的不断扩展。 目前，国内现有综合自动化变电站的电压无功综合自动控制通常采用以下四种模式 电压无功装置控制模式 该模式采用单独的电压无功控制装置调节有载调压变压器分接头位置和无功补 偿殴各，该装置直接从一次设各采集收据量，装置内部进行计算和分析后通过通信 接口接入总线网，将实时测量数据、统计记录数据、故障信息输入到后台及监控设 接口接入总线网，将实时测量数据、统计记录数据、故障信息输入到后台及监控设 重庆大学硕士学位论文2 电压无功调节工作原理 2 电压无功调节工作原理 2 1 补偿电容对功率因数的影响 通过投切低压补偿电容器，不仅可阻调整变电所母线的电压，更可以提高功率 因数合格率，减少线路损耗。它主要是在确定用户端补偿和配电线路补偿的基础 上，解决无功的动态补偿，满足无功负荷增长的需要。 提高功率因数 如果本变电所最大负荷月的平均有功功率为p 。j ，投入补偿容量q c ，设补偿前 的功率因数为c o s 仍，补偿后的功率因数为c o s 妒，则有以下关系： g 嘞惭一t g q z j = 劬1 - 马 ( 2 1 ) 侣妒2 其中，c o s 仍应采用最大负荷日平均功率因数，c o s 乒 2 确定必须适当。通常， 将功率因数从0 9 提高到1 0 ，与将功率因数从0 7 2 提高到0 9 所需要的补偿容量相 当。因此，在高功率因数下迸行补偿其综合效益将显著下降。从c o sc p 的曲线也可 以看出，在高功率因数情况下，曲线上升率变小，相比之下，此时提高功率因数所 需的补偿容量将要相应增加。 降低网损 线损是电网经济运行的一项重要指标，降低网损是无功补偿的主要目标之一。 设补偿前后线路电流分别为h ，2 ，相应补偿容量： 9 2 3ur ，ls i n e l 一1 2s i n2 ，) 2 pf 留吼一辔吼j ( 2 2 ) 此种情况下，应适当考虑电容器的有功损耗：a p s = u l c o s 5 0 = q s t g d ，其中，j 为 电容器的介质损失角，一般取堙6 = n 0 0 3 。 2 2 综合调压模式 随着计算机和网络通信技术的飞速发展，对变电站无功和电压调节装置的自动 化程度的要求越来越高、调节方式要求越来越灵活，以适应电力网络的不断扩展。 目前，国内现有综合自动化变电站的电压无功综合自动控制通常采用以下四种模式 电压无功装置控制模式 该模式采用单独的电压无功控制装置调节有载调压变压器分接头位置和无功补 偿设备，该装置直接从一次设备采集收据量，装置内部进行计算和分析后通过通信 接口接入总线网，将实时测量数据、统计记录数据、故障信息输入到后台及监控设 重庆大学硕士学位论文2 电压无功调节工作原理 备，同时接受远方控制，进行参数整定，工作方式切换等，其优点是管理和维护方 便，可靠性和稳定性高，但成本较高，是现有变电站普遍采用的模式。 电压无功总控控制模式 该模式是采用监控系统的总控单元调节有载调压变压器分接头位置和无功补偿 设备，总控单元直接从总线采集数据，在总控单元进行计算分析后进行有效的无功 自动综合控制，同时总控单元将无功综合控制等信息传递至后台和地调。该模式信 息化程度高，具有全面考虑综合调节的能力，对总控数据处理和通信要求较高。 电压无功后台主机控制模式 该模式是后台主机通过监控单元调节有载调压变压器分接头位置和无功补偿设 备，后台主机从总线上采集数据，主机单元进行计算分析后再通过总线网进行有效 的无功自动综合控制，同时将无功综合控制处理的信息，通过挂在总线网的远功主 机发至地调和监控设备。该模式信息化程度高、成本低，需要可靠的网络层和通信 手段。 电压无功调度集中控制模式 该模式是由调度端采取各综合自动化变电站节点电压和无功补偿量通过调度端 或s c a d a 系统进行综合计算和分析，保证各变电站电压在允许限值之内同时使电 网功率损耗晟小。该模式易实现全局各站最优控制，维护系统电压正常，但应用软 件复杂，通信通道和通信技术性能要求高，增加了调度员负担。 综上所述，目前无功功综合自动调压系统在变电站的作用越来越重要，为了充 分利用长期期负荷进行离线计算，实现全网电压无功局部优化目标，就要求无功综 合自动系统具有较高的整体运行的可靠性和稳定性，并要求工作方式转换方便，自 动适应功能强，后三种模式功能强，但过于集中，风险控制大，现尚未能较好实现 电压无功综合控制，而第一种控制模式目前广泛使用，其稳定性和可靠性较高，比 较适合目前综合自动化变电站的要求，它主要具有以下特点： 1 ) 结构简单，主要由工控工作站、接口机箱和打印机构成。 2 ) 软件采用面向对象技术和模块化设计，向用户提供了最优的人机界面。 3 ) 功能的程序化程度高，控制方式和功能的实现灵活，维护方便。 4 ) 采用了先进的接线识别技术用于变电站运行方式的自动识别，使装置可以 适应变电站各个电压等级各种主接线形式的需要。 5 ) 屏幕操作功能强，在屏幕上能进行主变的调档、电容器的投切、开关的手 动设置、闭锁和解除闭锁等操作。 6 ) 可视信息量大，在屏幕上有实时的各母线电压、主变高压侧的电流、主变 的无功、功率因素、主变档位、各断路器及刀闸的状态( 合上、断开) 、主变和电 容器的运行状态( 运行、停运、闭锁、检修) 、主变运行区域、实时动作和闭锁信 重庆大学硕士学位论文 2 电压无功调节工作原理 息；点击电压和无功表计可观察电量的日变化曲线；通过菜单可查看和打印历史动 作和闭锁信息。 7 ) 具有仿真功能，在不加任何外部交流量和开关量的情况下，通过键盘和鼠 标建立系统的仿真模型进行各种试验，试验中没有出口，可以通过电量和设备状态 的模拟变化，观察系统的所有动作过程。 8 ) 较完备的自检自恢复功能，当出现异常时能及时报警，当系统受到干扰 时，能自行恢复。 9 ) 具有谐波监测功能，当投入电容器引起谐波放大时，可切除所投电容器， 消除谐振现象。 2 3 典型电压无功调节装置 2 3 1 原理框图 v q c 自动装置由工控工作站，模拟量输入和开关量输入输出接口箱、打印机 等外部设备，组成了一个多输入多输出的闭环自动控制系统，如图2 1 所示。装置 通过接口检测中压侧和低压侧母线开关状态、电压和变压器无功，对运行方式和运 行区域进行识别和处理，当检测到电压和( 或) 无功越限，经过一定延时后即发出 控制命令，调节变压器分接头和( 或) 投切电容器，将电压和无功控制在给定范围 之内。 2 3 2 接线识另0 运行状态识别 图2 ，1 原理框图 f i g 2 1b l o c kg r a p hf o rp r i n c i p l e 重庆大学硕士学位论文 2 电压无功调节工作原理 对于双卷变的变电站，当高压侧和低压侧与母线均有连通时为变压器“运行” 状态，当高压侧或低压侧与母线无连通时为变压器“停运”状态。 对于三卷变的变电站，当中压侧或低压侧与母线有连通时为变压器“运行”状 态，当中压侧和低压侧与母线均无连通时为变压器“停运”状态。 运行方式识别 对于双卷变的变电站，当低压侧母线之间有连通时为变压器“并联”运行方 式，当低压侧母线之间无连通时为变压器“独立”运行方式。 对于三卷变的变电站，当中压侧或低压侧母线之间有连通时为变压器“并联” 运行方式，当中压侧和低压侧母线之间均无连通时为变压器“独立”运行方式。 运行区域识别 对于双卷变的变电站，以高压侧判无功，以低压侧判电压。 对于三卷变的变电站，以高压侧判无功，以目标侧判电压。 双卷变的变电站，目标侧为低压侧。三卷变的变电站，目标侧为中压侧或低压 侧可由用户设定。 2 3 3 控制对象和模式 控制对象 1 ) 可以同时1 - 2 台有载调压变压器分接头开关档位的升降和1 - 8 组并联电容器 组的投切； 2 ) 可以单独控制1 - 2 台有载调压变压器分接头开关档位的升降和1 - 8 组并联电 容器组的投切。 控制模式 1 ) 电压自动调节：根据母线电压波动以及负荷的大小自动调节有载调压变压 器分接头档位的升降，使母线电压始终处于规定范围内； 2 ) 无功自动补偿：根据无功功率的大小，自动控制并联电容器的投切，使整 个电网的功率因数在规定范围，以降低损耗。无功限值也可由给定无功曲线或定功 率因数来确定； 3 ) 电压、无功综合控制：根据主变母线电压、负荷大小以及无功功率的大 小，综合控制有载调压变压器分接头档位的升降及并联电容器组的投切，使其运行 在最佳状态。 2 3 4 控制目标 控制装置首要目标是将被检测母线( 低压侧或高压侧) 电压控制在规定( 或整 定) 的上、下限值( v 上、vt ) 之间，确保电压合格；同时要尽量使无功功率( 或 功率因数) 控制在设置的上下限值( q 上、qt ) ( 或功率因数) 之间。如果电压、 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 电压无功调节工作原理 无功不能同时达到要求，则优先保证电压合格。图2 2 为变电站电压、无功的双参 数图，其控制目标是使电压、无功处在图中9 区区域。 电压上、下限值v 上、v 下设置方法有两种：其一是按照供电部门根据日常负 荷情况下达到各变电站的负荷曲线来确定上下限值，每天最多可以按照2 4 时段整 定，整定时间段的最小单位为1 分钟；入设定在时段7 ：4 9 1 1 ：3 8 之间，上限电压为 1 1 8 k v ，下限电压为1 1 0 5 k v ；其二是按照逆调压原理即根据负荷的大小，自动调 整电压上、下限值：负荷大时，电压值高，负荷小时，电压值低。无功上、下限值 q 上、q - 设置办法同电压限值设置办法相似。 1 2 3 。藤y 4 s 8 9 4 8 s 触 7 6 5 图2 2 运行状态区域图 f i g 2 2z o n eg r a t eg r a p hf o ro p e r a t i o ns t a t e 2 _ 3 5 控制策略 根据电压