（电气工程专业论文）电网电压无功优化运行控制系统的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电力网络扩展与互联、大型联合电网的出现，使电网结构越来越复杂，电网的运行 对电压控制提出了越来越高的要求，在力图提高电压合格率、保证电网安全的同时，也 希望降低电网损耗、减少电网运行维护费用，获取更多的经济效益。这样分散、局部的 电压控制已经无法满足电网发展的要求，于是以全系统或整个区域的安全经济运行为指 标的协调电压控制系统成为必要。而近年来计算机技术、通信技术的迅速发展为这种控 制系统的实现提供了可能，基于e m s 数据的全网自动电压无功控制的出现成为发展的必 然。 本文在分析和对比国内外无功优化研究情况的基础上，结合调度自动化s c a d a 系 统的发展，提出了建立“电压无功优化运行控制系统( a v c ) ”的总体方案，借助s c a d a 系统的“四遥 功能，利用计算机技术和网络通信技术，对全网各节点的遥测、遥信等 数据进行实时采集和在线分析计算，在确保电网与设备安全运行的前提下，以各节点电 压合格为约束条件，从全网角度进行在线电压无功优化控制，从而实现对电网内各厂站 的有载调压装置和无功补偿设备的集中监视、控制和管理，最终达到全网电压无功优化 运行控制的目的。 在此基础上，本文对自动电压控制系统进行了更深入研究，兼顾经济性和安全性， 提出基于多目标的无功电压优化控制，引入未来2 4 小时运行方式预测处理离散变量约 束，采用负荷预测指导下的超前无功优化，使优化方案更具实时性和有效性。 现场应用表明，自动电压控制系统能够使调度自动化系统更好地为电力系统服务， 减轻值班人员人工调度的劳动强度，为现代电网安全、稳定运行和优化控制提供了先进 的技术手段，具有显著的经济效益和广阔的市场前景。 关键词：无功优化；电压质量 山东大学硕士学位论文 a b s ir a g i e x p a n s i o no fp o w e r 西da n de x i s t e n c eo fi n t e r c o n n e c t e dn e t w o r ka n dl a r g es c a l e n e t w o r kh a v em a d et h es 伽j c t u r eo fp o w e r 鲥dm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d o p e r a t i o n so f p o w e rg r i db r o u g h th i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ec o n t r o lo fv o l t a g e o no n eh a n d ， p e r c e n to fp a s so fv o l t a g ea n ds a f e t yo fp o w e rg r i dh a v et ob ee n s u r e d ，a n do nt h eo t h e rh a n d ， l o s sa n dm a i n t e n a n c ec o s to fp o w e rg r i dh a v et ob el o w e r e dt oe a l t lm o r ee c o n o m i cb e n e f i t s s u c hs c a t t e r e da n dl o c a lc o n t r o lo fv o l t a g ec a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e v e l o p m e n to f p o w e r 鲥dn o w a d a y s t h e r e f o r e ，ac o o r d i n a t e dv o l t a g ec o n t r o ls y s t e mi sn e c e s s a r yf o rt h e s a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o n so ft h ew h o l ep o w e rs y s t e mo ri nt h ew h o l ea r e a f o r t u n a t e l y , t h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sp r o v i d e d p o s s i b i l i t i e sf o rt h a to b j e c t i v e t h ep r e s e n t a t i o no fw h o l en e t w o r ka u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l w i l li n e v i t a b l ya p p e a r t h i sa r t i c l ea n a l y z e da n dc o m p a r e dr e s e a r c h e so no p t i m i z a t i o no fr e a c t i v ea th o m ea n d a b r o a d b a s e do nt h o s ea n a l y s e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fs c a d a s y s t e m , t h ea r t i c l ep u t f o r w a r dt h eg e n e r a lp l a n n i n g v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z i n gc o n t r o ls y s t e m b y u s i n gt h e f o u rr e m o t ec o n t r o l f u n c t i o no fs c a d as y s t e ma n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d a t ag o tf r o mr e m o t em e a s u r e m e n ta n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o nt o e a c hn o d eo ft h ew h o l e 鲥dw i l lb eg a t h e r e da n do n l i n ea n a l y z e d o nt h eb a s i so f e n s u r i n g s a f er u n n i n go fp o w e rg r i da n de q u i p m e n t s ，c a r l yo u tt h e v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r o p t i m i z i n gc o n t r o li nt h ew h o l ep o w e rg r i d h o w e v e r , v o l t a g ea te a c hn o d em u s tb eu pt o g r a d e i nt h a tw a y , l o a d e dp r e s s u r er e g u l a t i o ne q u i p m e n t sa n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n e q u i p m e n t so fe a c hs t a t i o nw i t h i nt h ep o w e rg r i dw i l lb em o n i t o r e d ，c o n t r o l l e da n dm a n a g e d c o l l e c t i v e l ys oa st or e a l i z et h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z i n gc o n t r o lo ft h ew h o l e g r i d b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e d , t h i sa r t i c l ea l s oc o n d u c t e df u r t h e rr e s e a r c ho nt h e a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l s y s t e m a n dp u tf o r w a r dt h e o p t i m a lc o n t r o lo fr e a c t i v e p o w e r v o l t a g ew h i c hg a v ec o n s i d e r a t i o n st ob o t he c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n ds e c u r i t y d i s c r e t e v a r i a b l er e s t r a i n sf o rn e x t2 4 一h o u rr u n n i n gm o d ep r e d i c t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e da n dl e a d i n g h i 山东大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o no fr e a c t i v ep o w e rg u i d e db yp r e d i c t i o no fl o a dh a sb e e na d o p t e d ，w h i c hm a k e t h ep l a n n i n go fo p t i m i z a t i o nm o r ei nr e a l - t i m ea n dm o r ee f f i c i e n t t h eo n - s i t ea p p l i c a t i o n sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ea u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m c a nm a k et h ea u t o m a t i o ns y s t e mo fm a n a g e m e n tp r o v i d eb e t t e rs e r v i c ef o rt h ep o w e rs y s t e m , r e d u c et h el a b o ri n t e n s i t yo np e r s o n n e ls c h e d u l i n go fo p e r a t o ro nd u t y b e c a u s et h e a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o ls y s t e mc a np r o v i d ea d v a n c e dm e t h o d sf o rs a f ea n ds t a b l er u n n i n g a n do p t i m i z e dc o n t r o lo fm o d e mp o w e r 鲥d ，i tw i l lh a v eo b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n d g r e a tm a r k e tp r o s p e c t i v k e yw o r d ：i d l ew o r ko p t i m i z a t i o n ：v o l t a g eq u a l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 期：班，r 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无功优化的意义和目的 自7 0 年代以来，国内外电网连续发生了以电压稳定破坏为特征的电网 瓦解事故。比较著名的有：1 9 7 2 年7 月2 7 日我国湖北武汉和黄石地区的电压 崩溃事故，使受端系统全部瓦解；19 7 3 年7 月12 日大连地区电压崩溃，造成 全地区停电。国外的比如19 7 8 年l2 月19 日法国电网大停电，19 8 7 年7 月2 3 日日本东京大停电，美国西部l9 9 6 年7 月2 日和8 月1o 日连续发生两次大停电 事故，都是因为电压失稳导致大面积、长时间停电，造成巨大的经济损失 和社会生活的混乱。2 0 0 3 年8 月i4 日又发生美加大停电事故，这次事故既是 一次稳定破坏事故，又是一次电压崩溃事故，事故后美国总统将电网的安 全运行提高到国家安全的高度。这次事故再次对我国电力界敲响了警钟， 必须正视我国电网中存在的问题，特别是应使电压稳定性成为关注的焦点。 随着电网的不断发展，电网结构日趋复杂，用户对于电能质量的要求也 日益提高。加上电力市场机制的引入，采取有效手段降低网损、改善系统电 压水平，已经成为直接关系电力企业自身经济效益的课题。电力系统电压和 无功功率控制是一个关系到保证供电质量、满足用户无功功率需求和系统 电压稳定的问题，同时也是减少线损、提高电网运行经济性的十分有效的措 施，因此一直得到电力系统运行人员和研究人员的重视比3 。 我国目前很多地方还是采用分散调整的方式实施无功电压控制，即在 各变电站内利用本身所具有的无功资源实施对变电站电压无功控制。比较 常用的方法是根据系统当前的运行状态在九区域图上所处的位置来决定相 应的控制方案，调节变压器的分接头档位或者投切电容器，从而保证一定的 电压合格率和功率因数。这种方法相对简单，但是难以完全实现全范围的无 功电压最优控制。就单个站而言，提高了电压合格率和电容器利用率，但是 在二级有载调压电网会出现电压频繁调整，容易造成电压调节不合理现象。 随着城网改造的进行，越来越多的电网中的有载调压分接开关和电容 器补偿装置投入使用。为了充分发挥此类设备的作用，必须从当前的人工调 山东大学硕士学位论文 节方式转变为利用专家决策系统进行自动调节的方式口1 。随着调度自动化 系统( s c a d a ) 的日益普及，如能在此基础上进行功能的再扩充，发展电网无 功控制系统，不但可以提高系统的电压合格率，降低系统网损，而且可以使 s c a d a 的效益变得更加明显、直观。 长期以来，由于受到设备技术水平、管理水平及财力物力的限制，我 国电力系统无功调节存在一些问题，主要表现在： 第一，由于系统无功补偿容量不足或分布的不合理，致使某些负荷中 心地区电压水平偏低，稳定性差，损耗大； 第二，由于系统调压手段缺乏或不合理，致使系统在高峰负荷时电压 偏低，低谷负荷时电压偏高，由于电力系统规模日益扩大，以及无功调节 手段的多样化，使得单凭经验进行无功配置已不能适应现代电力系统的需 要。这要求在现代电子与计算机技术的基础上，研究建立无功优化模型， 并提出相应的算法；在电网的规划建设和实际调度运行中实现无功优化， 满足电网的安全运行和在各种安全约束的前提下，调节无功补偿容量或者 变压器分接头位置，确定最佳的无功补偿位置和补偿容量以及最有利的变 压器分接头位置，减少有功损耗和投资。它对于提高系统电压质量减少有 功损耗，保证系统安全可靠和经济运行均有着重要的意义。随着电网自动 化程度的不断提高，城市电力网络的遥信、遥测和遥控己逐渐成为现实。 这就为无功电压的综合优化控制提供了可能，而实际系统中缺乏对电压调 节手段的综合管理，从而造成无功潮流分布的不合理，电压质量的下降， 影响了人们的生活和生产。这种不利现象迫切要求供电部门加强对配电系 统的电压控制和无功优化。无功的实时优化是基于调度自动化基础上发展 起来的，由于从全网角度来考虑问题，以及优化的实时性和效益的显著性 等优势，无功实时优化的研究具有非常重要的学术和现实意义。无功优化 的目的就是使电力系统在保证电压质量的条件下，无功补偿设备的布局和 配置容量最合理，无功运行的网损最小。电网在进行有功规划和建设的同 时，也要切实搞好无功的电力平衡和无功运行的优化补偿。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 无功优化研究的历史与现状 国内外针对无功优化模型和算法进行了大量的研究，并提出了各种方 法，但它们各有优缺点，现做简要分析如下： 第一，经典法。在二十世纪三十年代发展起来，最初应用于有功经济 调度，也可应用于解决无功电源的最优分布和无功负荷的最优补偿。它的 优点是快速可靠。不足之处是只能处理等式约束，而不能采用违限取限的 方法处理上下限约束和处理状态变量约束。 第二，试验误差法。它是指在几种假定的运行情况下，依靠反复调整 和计算潮流来寻求一种较好的无功补偿方案。这种方法是一种原始的启发 式方法，渗透了人为因素，一般很难做出最佳的扩展方案，不利于实时调 度。但它可以将人们进行方案调整时的经验及规则用产生式规则模拟出来， 形成一个用于规划决策的专家系统，使其具有处理大型网络的能力。 第三，线性规划方法。这是一种较成熟的规划方法，具有收敛性好、 收敛速度快的优势。但是将非线性的无功优化模型线性化，也带来了诸如 精度差等问题，主要体现在解的可行性和最优性问题上。因此人们在求解 无功优化的线性化模型时，每迭代几步通常都要进行一次交流潮流校验以 保证其解的可行性，同时在线性化步长和方向上采取一些措施，以保证其 解接近最优性。 如何更加合理地、快速地解决无功优化的实际问题，还存在着许多问 题需要探索研究。总之，人们对电力系统无功优化问题的研究是很活跃的， 也是很有成效的，它经历了一个漫长的发展过程，不断地推出了许多新的 日益成熟的方法。但是由于数学理论的局限及问题的复杂性，使得到目前 为止，仍没有一种比较通用、合理、有效，能达到实时控制要求的电网无 功优化方法。 1 3电压无功优化运行控制方法的概述 电力系统的电压及无功功率控制通常采用分层分区控制的原则。许多 电力系统都按照空间和时间将电压控制分为三个等级：一级、二级和三级 3 山东大学硕士学位论文 控制。此外还可以有一个安全预测级。控制功能按时间和空间分开，可以 防止各级控制之间的交互作用而造成的震荡及不稳定n3 哺3 。三级电压控制 示意图如下图所示： 回团口 口圈口 图1 1 三级电压控制示意图 ( 1 ) 设置在发电厂、用户或各供电点( 就地的) 的一级电压控制 一级电压控制通常是快速反应的闭环控制系统，响应时间一般在1 秒至 几秒内。例如：同步电机( 发电机、调相机、同步电动机) 的无功功率控 制，静止无功补偿器的控制，以及快速自动投切电容器和电抗器等。由负 荷波动、电网切换和事故引起的快速电压变化，通常是由一级电压控制进 行调整的。变压器有载分接开关自动切换也属于就地的一级电压控制设备。 但其响应速度慢，通常为几十秒至几分钟，主要用于缓慢但幅度大的负荷 变化时维持电压质量，但要注意，它对输电系统的电压稳定性可能产生消 极作用。 ( 2 ) 设置在系统枢纽点( 区域的) 的二级电压控制 二级电压控制响应速度一般在几分钟以内。二级控制系统协调一个区 域内各就地一级控制设备的工作，比如：改变发电机或s v c 的电压调节值、 投切电容器和电抗器、切负荷、以及必要时闭锁变压器有载分接开关切换 等。这类控制也是自动闭环进行的，因为这样短时间内，值班人员来不及 4 山东大学硕士学位论文 干预。二级电压控制系统除了将上述实时控制命令从控制中心送到执行地 点外，还可以将各种电压安全监视信息送给有关值班人员。 ( 3 ) 设置在系统调度中心( 全网的) 的三级电压控制 三级电压控制为预防控制，包括的时间跨度为几十分钟。它的目的在 于发现电压稳定性的劣化和采取必要的措施。这类控制主要是协调各二级 控制系统，指导值班员的干预。除安全监视和控制外，经济问题主要在三 级控制考虑，通常要求按安全和经济准则优化运行状态。 目前，可选的一些控制方式如下1 ： 第一，基于厂站的电压无功控制。一般是在发电厂或者变电站内部， 根据一定的原则，利用硬件或者软件来实现利用本厂站内的无功资源和电 压调节设备的动作，比如发电机无功出力、并联电容器的投切或者有载调 压变压器分接头的调节。这种办法简单易行，可以保证一定的电压合格率 和功率因数，但是难以完全实现全范围的无功电压最优控制。就单个站而 言提高了电压合格率，但是在二级有载调压电网，会出现电压频繁调整， 容易造成电压调节不合理现象。而且如果新添变电站，还要同时增加相应 的硬件或软件，投资较大。 第二，基于s c a d a 主站系统的电压无功控制。和第一种方案在控制 原则上没有区别，所不同的是利用了s c a d a 的数据采集系统将母线的无功 和电压采集到主站系统，在主站系统上利用软件给出相应的动作方案，然 后利用s c a d a 的遥控遥调接口将动作方案通过下行命令通道传送给厂站 执行。这样，充分利用了s c a d a 的现有功能，将来新增变电站不需要增加 新的无功电压控制设备，节省了开支。但是同样不能实现全范围的无功电 压最优控制。 第三，基于e m s 优化潮流功能的电压无功控制方案。这种方案基于e m s 的状态估计和在线潮流。s c a d a 将实时的数据断面发送给e m s ，在状态估计 和在线潮流运行之后，e m s 利用优化算法求解整个电网的无功优化问题，并 根据优化解给出控制方案，再通过s c a d a 系统的下行命令通道执行优化控 制方案，完成闭环控制。在这种方案中，最关键的有两个部分：其一是无 功优化的核心算法，它完成的工作是给出一个优化控制方案：其二是实时 控制部分，它解决的问题是如何执行优化算法所给出的控制方案。而从系 山东大学硕士学位论文 统的设计上，一方面利用了s c a d a 的四遥功能，来完成数据的采集和控制 方案的执行；一方面又利用了e m s 的状态估计和在线潮流功能来进行全网 的潮流分析，在此基础之上完成以降低网损和减少越限为目标的无功优化 计算。这样综合了这两套系统各自的优势，可以更加充分的发挥现有调度 自动化系统的功能。 1 4 论文所做的主要工作 1 ) 介绍了国内外无功优化的研究现状和主要的调节方式，分析了基于 调度自动化系统的电压无功优化软件的现状，阐述了无功电压优化控制方 法中三级控制的概念。 2 ) 提出了基于s c a d a 的电压无功优化运行控制系统的总体设想，建立 了数学模型，对系统软件组成及各模块功能进行了分析，并进行了开发。 3 ) 通过应用实例分析说明电压无功优化运行控制系统的优点及效益， 进行了运行效果分析。 4 ) 对无功电压控制系统进行更深入研究，提出基于多目标的无功电压 优化控制，引入未来2 4 小时运行方式预测处理离散变量约束，采用负荷预 测指导下的超前无功优化，使优化方案更具实时性和有效性。 1 5 小结 随着电网的不断发展和电力体制改革的逐步深化，人们对电压和无功 问题的重视程度逐渐增加。它不仅是供电质量问题，而且对电力系统的安 全经济运行、保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全和寿命等 方面都具有重要影响，同时也是电力企业管理水平的具体体现，电网电压 无功优化控制是一个离散变量、多约束的非线性优化问题。长期以来，这 一经典问题一直未能解决得尽如人意，大多数工作都是单独使用电容器和 有载变压器分接开关，来分别控制流经主变压器的无功潮流尽可能小和母 线电压尽量维持在期望电压值的附近。因此，电压和无功控制一直得到电 力系统运行人员和研究人员的重视。 6 山东大学硕士学位论文 第二章现有无功调节方式分析 2 1 现有无功调节方式分析 随着人们对电网建设的重视和无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿 技术无论从静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿，都取得了 丰富的运行经验。 2 1 1 传统九区图法 长期以来，为满足用户端电压需求，供电部门通常采取多项补偿措施。 变电站中变压器有载分接开关调节及电容器无功补偿装置应用直采用分 散调整、就地平衡的方式实施电压无功控制，l o 千伏母线广泛使用基于“九 区图 1 原理的变电站电压无功控制装置( v q c ) ，它的基本原理是“九 区图 。按电压和无功上下限值将电压一无功平面划分为9 个区域，各个区 域对应不同的控制策略。实际运行时，系统根据电压、无功运行的区域采 取相应的控制方法。传统的九区图法存在的主要问题是：控制策略是基于 固定的电压无功上下限而未考虑无功调节对电压的影响及其相互协调关 系；用于运算分析的信息有分散性、随机性的特点，这造成了控制决策的 盲目和不确定性，实际表现为设备频繁调节。例如：当系统电压正常而无 功不正常，同时又无足够的电容器组投切，而一天内变压器分接头动作次 数之和未达其限定值时，采用传统的九区图控制将导致变压器分接头频繁 动作。如图2 1 所示。 7 山东大学硕士学位论文 _ 下一2 纛 2 l 曩 ii 固 i 蛉 参； 住 痧i i 彩 戡l 堰回 l _ ll 囝 ，曩 图2 1分接头频繁调节的原因示意图 当系统运行于第l 区的运行点1 时，电压正常、无功越上限。若此时 已无电容器可投，根据第1 区控制规则一一“先投电容器，若电容器不可 投，下调分接头”，则只有下调分接头到点2 ，而调节分接头一般对无功的 影响不大，此时系统仍可能运行于第1 区。根据规则将继续下调分接头至 运行点3 ，此时电压已接近下限但无功仍不满足要求。电压继续降落进入第 8 区即运行点4 ，则电压越下限、无功越上限。根据第8 区控制策略一一“先 投电容器，若电容器不可投则上调分接头”，此时又要上调分接头，造成分接 头频繁动作，类似情况还可能出现在第5 区。另一方面，九区图对控制设备 的操作次数是无限次的，而国标规定了每主变压器分接头的动作次数和电 容器的投切次数，结果是要么按九区图规则使设备动作次数超过限制，要么 运行人员很难把握为这些使用的限制。另外这一装置仅仅面向一个变电站 的运行控制，不能实现对全网范围内各变电站的电容器和有载调压变压器 分接档位进行协调控制，容易在一、二级有载调压电网中出现投切振荡和电 压频繁调整，同时又会增加设备的投资。 综上所述，传统九区图法原理清晰，易于用单片机实现，但对设备动 作次数、经济性欠考虑。 2 1 2 远方监控集中控制方式 全面实行变电站无人值班后，变电站1o 千伏母线端控制己由过去站内 山东大学硕士学位论文 人工控制方式转为在调度端通过自动化系统远方集中控制方式。这里，自 动化系统为运行人员提供监控的人机界面，并通过设置在变电站中自动化 设备来控制有载变压器分接头调节及电容器投切，显然，这是传统人工监 控方式的延续并立足于站内就地调节。从整个系统角度出发，它存在如下 缺陷： ( 1 ) 没有实现自动控制。 目前控制方式只是将就地人工控制方式移到远方来执行，在调节上其 监测方式仍以人监视盘面( 自动化系统人机界面) 为主，当发现电压越限后 再实施调节。这个过程仅是利用自动化系统的传输媒介；实际等效变电站 有人值班监控方式。此外，处理过程中的人工确认会影响调节的及时性： 即“远方集控没有摆脱“人的制约。这种制约产生的实时性矛盾让先 进的自动化系统功能产生“瓶颈 效应。因此，在技术支持下，让自动化 系统实现自身控制功能是缩短调节时间、解决实时性矛盾的重要举措。 ( 2 ) 无法实现全网优化控制。 目前的无功电压控制方式立足于各变电站的站内就地补偿，这在过去 没有先进自动化系统支持时，不失为较为有效的手段。但从整个电力系统 角度出发，如果是高压变电站( 电源点) 电压不合格，而该电源点同时涉及 几个电压变电站( 负荷点) 时，单纯在负荷变电站就地调节方式就无法从 全网范围进行合理调节，无形中增加厂站设备的调节次数，甚至负荷变电站 调节后也无法达到合格范围或在调节过程中出现振荡。在高峰时由于各负 荷点无功配置不平衡也需要从电源点合理补偿无功；而低谷时电源点不合 格则应首先考虑电源点的调节。因此，从优化控制角度出发，要及时调节 电源点无功、电压，使负荷变电站无功补偿设备充分利用，以尽可能降低 网损。 ( 3 ) 无法实施最佳控制方案。 及时判断变电站无功电压运行状态以决定采用何种控制方案调节是 控制实施的前提。目前的远方集中控制方式，仅能由自动化系统扫描监控 点的实时运行参数，越限报警，还不能实时地综合分析无功电压运行状态， 以使监控人员及时判断最为合理的调节方式。这将使调节设备不能充分合 9 山东大学硕士学位论文 理利用，增加了设备调节频繁度，影响其使用寿命，因此，优化控制和自 动化的前题是在自动化系统中定义相应的控制原则和具体的控制规则表并 实现自动生成，其实质是以网损为最小的优化目标去寻找电容器补偿的最 佳补偿量和变压器分头的合理调节位置。目前这种远方集中控制显然离目 标有相当差距。要实现这个目标，必须是自动化技术和管理思维的组合。 2 1 3 基于调度自动化系统的电压无功优化软件的现状分析 近年来，随着自动化技术的日益成熟，基于调度自动化系统的高级应 用软件如网络拓扑、状态估计、调度员潮流正逐步趋于实用化，在此基础 上进行功能的再扩展，开发电网电压、无功优化控制系统，不仅可以提高 系统的电压合格率，降低网损，而且可以使s c a d a e m s 系统的效益更加直 观、明显。 作为比较先进的“电压无功优化控制系统”来讲，国内电力部门正在 逐渐实施“全网电压无功优化控制系统 的应用，这一系统仅仅是一个软 件，在不增加硬件设备的前提下，就可以实现对全网电压无功优化控制。 这一系统的优化目标是：全网电压合格、网损尽量小、发电机无功、有载 调压变压器分接档位调节和电容器投切尽量合理；控制手段是：全网范围 内的发电机无功、有载调压变压器分接头档位调节和电容器投切；控制方 式是：集中、自动控制；控制原则是；依据全网无功补偿设备和调压设备 的状态及电网的运行参数在线计算、分析和决策全网无功补偿设备和调压 设备的综合协调，形成相关控制指令，由操作控制系统执行。 系统的主要功能包括： ( 1 ) 在线监测电网中的数据：可以在屏幕上监测电网母线电压、电流、 无功、变压器分接开关位置及电容器开关状态等信息。 ( 2 ) 电压越限控制：当母线电压越限时，系统发出相应的调节发电机 无功、有载分接开关或投切电容电抗器的指令，并自动执行操作指令。 ( 3 ) 无功潮流不合理控制：当电网无功潮流的流向不合理时，系统发 出相关指令，并自动执行操作指令。 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 集中自动控制：无需值班人员干预，满足无人值守站的要求，实 现“四遥 功能。 ( 5 ) 逆调压：实现在电压合格范围内，高峰负荷时电压偏上限运行， 低谷负荷时电压偏下限运行。 ( 6 ) 声音报告：系统中任何一项操作成功与否，均有语音报告，以提 示或通知值班人员掌握某一变电站主变压器分接开关调节、电容器投切动 作情况。 ( 7 ) 记录打印：程序在每一次操作命令发出后，都有控制操作的记录， 保存分析，自动统计每月、每日各变电站主变分接开关、电容器投切次数。 这些记录可以在屏幕模拟显示，也可以打印存档管理。 ( 8 ) 安全闭锁：在遇到主变压器分接开关、电容器开关、通信线路及 系统中出现各种异常状态不允许执行操作指令时，该系统能可靠闭锁，防 止误动。 2 2 小结 作为提高电压质量、降低系统网损和提高电压稳定水平的重要手段， 近年来自动电压控制( a v c ) 技术的研究得到了国内外科研人员和运行人员 前所未有的重视。围绕这一课题，也有越来越多的理论研究和工程实施成 果问世。必须承认，面向网省级大电网的无功电压控制系统是一个相当复 杂的问题，内容涵盖了电力系统分析与控制的多个领域，因此急需提出一 种有效的控制模式，一方面能够将原有的复杂问题分解为若干的子问题， 明确电压控制领域的研究重点，保证在每个子问题上的研究深度；另一方 面又能够将这些子问题有机地协调在一起，保证自动电压控制方案的可行 性。本文从省级大电网无功电压控制角度出发，提出了基于调度自动化系 统的无功电压控制总体设想，克服了电压与无功综合装置( v q c ) 仅能实现 就地平衡的不足，以达到全网电压、无功的总和平衡。 山东大学硕士学位论文 第三章省级电网电压无功优化运行控制方案的总 体设计 3 1 概述 电力网络扩展与互联、大型联合电网的出现，使电网结构越来越复杂， 电网的运行对电压控制提出了越来越高的要求，尤其是对网、省级大电网， 在力图提高电压合格率、保证电网安全的同时，也希望降低电网损耗、减 少电网运行维护费用，获取更多的经济效益。这样分散、局部的电压控制 已经无法满足电网发展的要求，于是以全系统或整个区域的安全经济运行 为指标的协调电压控制系统成为必要。而近年来计算机技术、通信技术的 迅速发展为这种控制系统的实现提供了可能，基于e m s 数据的全网自动电压 无功控制的出现成为发展的必然。 本文以山东省网为例，分析介绍电压无功优化控制运行方案的总体设 计。 为提高电网的电压安全水平和运行的经济性，山东电网开始实施以分 级电压控制原理为基础的自动电压控制系统( a v c ) 。该系统在原有能量管 理系统( e m s ) 的基础上，根据无功功率就地平衡的特点及大系统分解协调 的基本原理，按地域上分层、时域上分级来实现自动电压控制。 按照无功电压分层分级管理的原则，山东省调主要负责对调度管辖范 围内2 2 0 k v 及以上厂站的母线电压及机组无功实施控制与统计考核。山东省 调实施控制的主要手段( 可选) 包括：调整电厂机组无功电源、投切5 0 0 k v 变电站低压无功补偿设备及主变分接头调整，以及通过地调a v c 控制系统实 现2 2 0 k v 及以下变电站低压电容补偿装置的投切。 3 2 系统基本原理 自动电压控制系统( a v c ) 是由多个子系统组成的集散式控制系统， 山东大学硕士学位论文 各子系统包括省调度中心电压无功综合优化控制系统、地区调度中心电 压无功综合优化控制系统、变电站( 对山东省网主要为5 0 0 k v 变电站) 自动电压控制系统、火电厂自动电压控制系统等。各子系统及其实现的 主要功能如下： ( 1 ) 省调度中心的电压无功综合优化控制系统，为集散系统的集中控制 子系统，实现的主要功能为： a ) 母线电压考核越限的校正控制。当发现电网内母线电压考核越限 时，立即进行计算分析，提出基于快速实现的校正控制方案并进 行快速的控制，提高母线电压的合格率。 b ) 电压无功的经济调度控制。定期( 周期) 或根据事项触发进行电压 无功的综合优化，考虑母线电压的考核限值、各种控制设备的运 行限值、考虑电网的无功备用，在网损和控制费用最小的目标下 计算出全网的电压无功综合控制方案。在地区调度中心电压自动 控制系统、变电站和发电厂电压自动控制系统或装置的配合下共 同完成全网的电压无功优化控制。 ( 2 ) 地区调度中心的电压无功综合优化控制系统，实现的主要功能为： a ) 省、地区间关口功率因数的控制。根据省级调度中心下发的功率 因数定值进行控制，主要为配合省级的自动电压无功控制系统。 b ) 根据低压母线电压( 1 10 k v ，3 5 k v ，10 k v ) 变化进行的自动电压控 制。主要保证用户的电压质量，同时实现提高供率因数，降低网 损的目的。 c ) 电压无功经济调度。当关口功率因数和母线电压都在合格区域时， 可根据降低网损的目的，对低压电容器投切和主变分接头的调整 进行优化分析计算和综合指标排队，根据优先级进行无功和电压 的自动控制，实现无功电压经济调度。 ( 3 ) 变电站( 主要为5 0 0 k v 变电站) 的自动电压控制系统 a ) 根据层间( 如5 0 0 k v 和2 2 0 k v ) 无功交换功率的限值自动进行低 压电容器和低压电抗器的投切，实现无功的分层平衡。 b ) 根据电压的变化自动进行主变分接头的调整，实现逆调压。 山东大学硕士学位论文 c ) 接受省调度中心下发的控制指令进行综合的控制，包括低压电容 器和低压电抗器的投切，主变分接头的调整，实现全网的无功电 压优化控制。 ( 4 ) 火电厂自动电压控制系统 a ) 实现电厂内多台机组的电压无功综合同步控制，提高电压无功的 综合控制能力，提高系统的无功备用水平。 b ) 根据给定的高压母线电压计划曲线实现高压母线电压的自动控 制。 c ) 根据省调度中心下发的高压母线电压定值实现全网的优化控制。 1 4 山东电网a v c 控制系统可按省调a v c 主站、地调a v c 控制子系统、 电厂监控系统( a v q c ) 、变电站监控系统( a v q c ) 四个部分部署实施。 根据当前山东电网的实际运行情况及管理现状，目前控制手段主要考虑 发电厂及5 0 0 k v 变电站的可调设备，地调a v c 控制子系统在控制条件 具备后考虑接入。对于山东省调而言，主要工作在于a v c 主站系统的 开发和使用，确保无功电压控制方案的准确计算以及控制指令的正确下 发，省调a v c 主站系统原理图详见下图3 1 。 山东大学硕士学位论文 省调度中心a v c 主站系统原理图如下图所示： 图3 1 省调度中心a v c 主站系统原理图 山东大学硕士学位论文 3 3 系统控制目标 ( 1 ) 在系统正常运行时根据优化计算得到的无功电压控制方案自动对无 功电压控制设备( 如发电机、变压器、并联补偿设备等) 进行自动控 制，降低系统网损。 ( 2 ) 维持系统( 电网) 各个母线的电压在允许的限值范围内，当出现母线 电压越限时自动进行校正控制消除越限。 ( 3 ) 可在不同的时段或不同的条件下选择无功电压优化控制或无功电压 规则控制进行控制，可自动选择或人工选择。 ( 4 ) 通过通信将控制指令发送到控制设备或下级控制中心，保证控制指令 下发及时、准确。 ( 5 ) 自动进行母线电压、无功电压控制设备的考核、统计。 ( 6 ) a v c 控制效果及各种统计信息的管理和发布。 3 4 系统总体框架 按照分层分级控制的原则，山东电网a v c 系统可分为三个控制层： 一次控制：对电压的快速、随机变化由“一次作用”进行补偿，反应 速度为秒级，主要由机组的自动励磁调节装置( a v r ) 实现。 二次控制：装设在各a v c 控制点的a v q c 装置根据三次控制给定的该 点目标电压，控制有载调压变压器分接头的自动调整和低容低抗的自动投 退，反应速度为分钟级。 三次控制：通过无功优化软件周期性的优化计算或经验控制系统中预 设的离线计算、历史值给定二次控制层各a v c 控制点的目标电压，反应速 度为5 15 分钟。 在三次控制部分，无功优化软件分为优化和校正两种控制模式。多种 a v c 算法可使用统一的实时数据和状态估计数据接口，控制指令的执行通 过同一通道下发。 1 6 山东大学硕士学位论文 在系统正常运行时使用优化控制模式，根据无功优化计算得到的无功 电压控制方案自动对无功电压控制设备( 如发动机、变压器、并联补偿设 备等) 进行自动控制，降低系统网损。 当出现考核母线电压越限时自动切换到校正控制模式，形成控制方案 并下发到厂站端以消除越限。 系统框架图如下所示： 图3 - 2 山东2 2 0 k v 及以上电网a v c 系统框架图 图中虚箭头为信息流，单箭头为a v c 控制流。a v c 控制主要环节包 括以下几个部分： 中调e m s 系统从电网获得( 或经地调e m s 系统间接获得) 实时信息。 无功优化软件根据电网实时信息进行周期性计算，如果有电压越限，调 用校正计算模块，使电压达到合格，若无电压越限，则调用优化计算模 块，达到网损降低的目标；另外在负荷的下降时段里面采用逆调压控制， a v c 控制点目标电压送回中调e m s 系统。 1 7 山东大学硕士学位论文 发电厂和5 0 0 k v 变电站的a v c 控制点目标电压由中调e m s 系统直接下 发到就地v q c 装置，2 2 0 k v 变电站的a v c 控制点目标电压( 包括控制 上下限和考核上下限两个部分) 由中调e m s 系统传送到地调a v c 系统， 地调a v c 软件计算后得出方案，下发指令调节到就地v q c 装置，本期 暂不考虑地调a v c 控制系统的接入。 发电厂a v q c 装置根据a v c 点目标电压，根据一定的分配原则自动设 定各机组a v r 的机端目标电压或无功值，由机组a v r 自动完成电压调 整。 变电站v q c 装置根据a v c 点目标电压，兼顾变压器各侧电压的合理性， 控制有载调压变分头的自动调整和低容低抗的自动投退，或是接收上级 控制的指令，直接对设备进行控制。 3 5 其他 3 5 1e m s 系统及通信 a v c 系统计算出无功电压控制方案结果之后，将各控制母线电压通过 e m s 系统的现有通道，直接对发电厂a v c 点下发目标电压、对5 0