（电力系统及其自动化专业论文）二级电压控制系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e mp o w e rs y s t e m s ，t h ev o l t a g e r e a c t i v ep o w e r c o o r d i n a t ec o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t h i e r a r c h i c a lv o l t a g ec o n t r o li so n e o ft h em o s te f f e c t i v em e a s u r e st oe n s u r et h es e c u r i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m yi n t h e o p e r m i o n o fp o w e rs y s t e ma n dh e i g h t e nt h e v o l t a g e - r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l l e v e l h i e r a r c h i c a l v o l t a g e c o n t r o lc o n s i s t so ft h r e el e v e l sw h i c h a r e t e r t i a r yv o l t a g e c o n t r o l a v c ) ，s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ( s v c ) a n dp r i m a r yv o l t a g ec o n t r o l ( p v c ) r e s p e c t i v e l y s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1i st h ei n t e r m e d i a t el i n kb e t w e e n t h eh i g h e rt v c a n dt h el o w e rp v c i ns e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o ls c h e m e ，t h ew h o l ep o w e rs y s t e mi s d i v i d e di n t os o m e a p p r o x i m a t eu n c o u p l e d c o n t r o lz o n e s a c c o r d i n g t ot h ee l e c t r i cd i s t a n c e ， b u s e sc a l l e d p i l o tn o d e s a r es e l e c t e df o re a c hc o n t r o lz o n ea n d “c o n t r o lg e n e r a t o r s ” w h i c hc a l lp r o v i d ee f f e c t i v ev o l t a g e r e a c t i v ep o w e rs u p p o r tf o rt h ep i l o tn o d e sa r ea l s o p i c k e do u t d u r i n go n - l i n eo p e r a t i o n ，s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l l e r sr e c e i v et h ev o l t a g e c o n t r o lt a r g e t so ft h ep i l o tn o d e sf r o mh i g h e rt e r t i a r yv o l t a g ec o n t r o l l e ra n dm o n i t o rt h e v o l t a g em a g n i t u d eo f t h ep i l o tn o d e s ，u p d a t i n gt h ev o l t a g er e f e r e n c ev a l u e so f p r i m a r y c o n t r o l l e r s ，t r y i n gt om a i n t a i nt h ev o l t a g ep r o f i l et h r o u g h o u tt h ew h o l ec o n t r o lz o n e w i t h i nt h ed e s i r e dl i m i t s s o ，t h ev o l t a g el e v e la n dr e a c t i v ep o w e rd i s t r i b u t i o no ft h e w h o l e p o w e rs y s t e mb em a i n t a i n e di nag o o dp o s i t i o n f r o mt h ep o i n to fs y s t e ma n a l y s i s ，t h em a i np r i n c i p l e so fs e c o n d a r y v o l t a g e c o n t r o la r ee l a b o r a t e di nt h i st h e s i s i ta d d r e s s e st h em e t h o d si n v o l v e di n s e c o n d a r y v o l t a g ec o n t r o ls c h e m e ，w h i c ha l et h ed i v i s i o no fc o n t r o lz o n e s ，t h es e l e c t i o no fp i l o t n o d e sa n dc o n t r o lg e n e r a t o r sa n dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o lr u l eo ft h es e c o n d a r y v o l t a g e c o n t r o l l e r s c o n n e c t e dw i t ht h ed e s i g no ft 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 mo f s h a n d o n g p o w e r s y s t e m ：o n e o fi t s i m p o r t a n ts e c o n d a r yv o l t a g e c o n t r o l z o n e s 一- z o u x i a np o w e rp l a n ts e c o n d a r y v o l t a g ec o n t r o lz o n e ”i ss t u d i e di nd e t a i l t h e 5 0 0 k vb u sa n d2 2 0 k vb u si nt h ev o l t a g eb o o s t i n gt r a n s f o r r n e rs u b s t a t i o na r ec h o s e na s p i l o tn o d ea n dc r i t i c a ln o d er e s p e c t i v e l y , a tt h es a l n et i m e ，t h e6g e n e r a t o r so fz o u x i a n p o w e rp l a n ta r es e l e c t e da st h ec o n t r o lg e n e r a t o r so f t h i sz o n e s e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e t h o d i s e m p l o y e di nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fv o l t a g ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l i i 山东大学硕士学位论文 曼曼曼蔓! 鼍皇曼皇! 鼍鼍曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼量烹曼曼! 曼曼曼曼曼曼量曼鼍舅舅置舅詈詈舅暑曼曼曼曼曼曼詈曼曼曼! ! ! 曼 o p e r a t i o nm o d e s o ft h ep o w e r p l a n t ，t h ec o n t r o lv a r i a b l e sf o rc o n t r o l l i n g t h e6g e n e r a t o r s i nac o o r d i n a t ew a yi sa c q u i r eb a s e do ns e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e t h o d d i g i t a ls i m u l a t i o n u s e dt h e p r a c t i c a lp a r a m e t e r s o ft h e e q u i p m e n t s h a sb e e nd o n e t h ep o w e rf l o w c a l c u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m b a s e x lo nt h ea l g o r i t h m a n dt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so fz o u x i a np o w e rp l a n t ，a ne n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o ns c h e m e u s i n g l o n w o r k sf i e l db u s t e c h n i q u ei sd e s i g n e d k e y w o r d s ：h i e r a r c h i c a l v o l t a g ec o n t r o l ；s e c o n d a r y v o l t a g e c o n t r o l v o l t a g es t a b i l i t y ；s e n s i t i v i t y a n a l y s i s ；l o n w o r k sf i e l d b u s l l i 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 、1 引言 经过一百多年的发展，电力系统已发展成为当今世界上规模最大、结构最复杂 的人造动力系统。而当前，电力工业正在经历着场以市场经济为导向的巨大变革， 其发展迎来了前所未有的机遇。以数字电力系统( d p s ) 为代表的计算机技术、通 信技术、控制理论与信息技术，以及新材料、新工艺的高速发展，使得电力系统发 展速度大大加快；为提高电力系统运行的经济性与安全性，电力系统互联网络的发 展成为大势所趋，形成了全国甚至跨国的大型联合电力系统；由于发电厂站远离负 荷中心，大容量、超高压、远距离交直流输电线路得到普遍应用。但与此同时。在 环境保护、经济效益和放松电力管制的要求下，电力系统的运行正越来越接近其极 限状态；电力网络的发展跟不上电力负荷快速增长的需要，使得一些传输线路处于 重载或超重载运行的状况，这种情况使得维持电压水平越来越成为一个挑战性的问 题。由于电压严重异常而引起的设备损坏、电压稳定破坏或电压崩溃( v o l 协g e c o l l a p s e ) ，曾导致国内外许多电力系统发生大面积停电事故【l 】，见表1 - l 。所以，保 持电力系统的电压处于规定水平，不仅是为了保证供电的质量指标，也是保持电力 系统安全稳定运行的重要内容。 表1 - i 近年来世界各大电回电压崩溃事故 时间事故地点造成的经济损失 9 7 7 年7 月1 3 日美国纽约损失负荷6 0 9 0 m w ，停电5 2 5 小时 1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国损失负荷2 9 0 0 0 m w ( 占全国负荷7 5 ) ，停 电扣7 小时，直接经济损失2 亿美元 1 9 8 2 年1 2 月1 4 日加拿大魁北克损失负荷1 3 2 0 0 m w ，停电8 5 小时 1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典瑞典南部停电，损失负荷1 1 4 0 0 m w ( 占全国 负荷6 7 ) 停电7 小时，经济损失3 0 0 0 5 0 0 0 万美元 1 9 8 7 年7 月2 3 曰日本东京损失负荷8 1 6 9 m w ，停电3 小时 1 9 8 9 年3 月1 3 日加拿大魁北克魁北克系统损失9 4 5 0 m w 发电负荷 和1 3 2 5 m w 外送负荷，停电2 7 5 小时 山东大学硕士学位论文 1 、2 电压稳定性问题的研究现状 1 1 1 2 d 1 1 4 1 1 5 世界各大电网陆续发生的由电压问题引起的大面积停电恶性事故，引起了电力 界对电压稳定性的普遍关注。美国、日本、法国在几次电压崩溃事故的推动下，从 二十世纪八十年代开始广泛开展了电压稳定性问题的研究。美国电力科学院( e p r 工) 专门发表了关于电压稳定性问题的报告；日本和法国则分别提出了电压崩溃事故应 急措施的初步方案；在1 9 9 0 年国际大电网会议( c i g r e ) 上电力系统运行和控制小 组将电压稳定性问题列为第一号重点课题，研究在系统规划中如何考虑防止系统出 现这类事故，建议在系统规划中采取( n - 2 ) 安全准则，并在必要时采取按电压降低 自动减负荷装置作为抵消变压器带负荷调压控制所产生的影响的紧急措施，限制局 部扰动发展为全网或主干网的电压崩溃事故。国际电气电子工程师协会( i e e e ) 专 门成立了关于电压稳定的两个专家小组t f 3 8 0 2 1 0 和t f 3 8 0 2 1 l ，前者注重于电压 崩溃机理的探讨和模型的建立，后者则注重于计及动态的电压稳定安全措施的研究。 第一个电压稳定判据是由h m 马尔科维奇在二十世纪四十年代初以静态稳定 极限，即潮流方程的雅克比矩阵奇异为判据提出的。从此，该领域一直没有多大的 进展，这种状况一直延续到二十世纪七十年代末期。1 9 7 8 年法国电网的灾难性电压 崩溃事故把电力界关注的焦点引向这个长期被忽略的课题。从那时起大量的研究工 作开始进行，因为有记录的电压崩溃事故离初始故障时间都比较长，早期普遍认为 电压稳定是一个静态问题，研究的重点集中在静态机理的探讨和基于潮流方程的极 限运行状态的求取，尔后碰到的困难使人们充分认识到电压稳定问题的复杂性和对 动态过程进行研究的必要性，研究人员反过来重视了电压崩溃现象的物理本质探讨、 动态机理分析和尽量简单而又包含了主要相关的动态系统模型的研究。 目前的研究工作按照其目的不同可以分为三大类，即：电压崩溃现象机理探讨、 电压稳定安全指标计算和防止电压崩溃事故的措施的研究。 ( 1 ) 电压崩溃机理探讨的目的主要是弄清楚导致电压崩溃的本质因素，以及电 压稳定性问题和电力系统中其它问题的相互关系，电力系统中众多元件对电压稳定 性的影响，在电压崩溃事故中所起的作用，从而建立起分析电压稳定性问题的恰当 的系统模型。在这方面主要的研究手段由定性的物理讨论、电压崩溃现象的剖析， 小干扰分析方法和时域仿真计算。早期静态研究中的机理认识集中体现在p v 曲线 山东大学硕士学位论文 和q v 曲线分析，潮流多解的稳定性分析和基于灵敏度系数的物理概念讨论。动态 因素受到重视以后，负荷动态特性、有载调压器( o l t c ) 的调压过程以及发电机励 磁限流器的作用受到普遍关注。目前比较一致的看法是无功功率的平衡、发电机的 无功出力限制、有载调压器的动态特性、负荷的动态特性与电压崩溃过程有着密切 的联系。 ( 2 ) 电压稳定安全性能指标计算包括两个方面：寻找恰当的安全性指标和尽量 快速又有足够精度的计算方法。这方面的工作在早期的静态研究中格外受到重视， 现有的安全指标也都建立在静态方法的基础上。已提出的安全性指标主要有：各类 灵敏度指标、潮流雅可比矩阵奇异值指标、最小模特征值指标、负荷状态空间中潮 流多解间的距离指标、临界电压指标和裕度指标a p 、a q 和a v 。 ( 3 ) 研究预防电压崩溃措施的目的在于为电力系统的规划设计、运行安排、电 压控制和紧急控制提供依据。因为电压崩溃的机理还不很清楚，该方面的研究还处 在不断地探讨之中。在这方面日本和法国所作的事故对策最为出色。前者强调事故 状态下的电压控制能力的增强，东京电力公司在主要的变电所设置了基于微处理机 的电压无功控制器，大量的投资被用于静止无功补偿器的研究和安装。法国则基于 其对电压崩溃过程的时段划分，侧重于事故发生前的紧急状态下的预防措施。总之， 目前普遍认为加强无功备用，提高紧急状态下的无功应变能力，防止无功功率的远 距离传输、紧急切负荷、闭锁甚至反调有载调压器是预防严重事故的有效措施。 1 、3 电压无功控制与调整【5 ，6 ，7 】 电力系统的无功配置和无功优化运行必须以保证电压稳定为前提，否则可能导 致因电压崩溃而造成停电事故。 电压失稳事故通常是由两类系统变化引起的：一类是系统运行参数的缓慢改变， 如负荷或发电机的有功、无功功率随时间发生逐渐的变化：另一类则是系统故障， 如由于永久性的接地短路迫使某条重要线路退出运行，或者系统中的某个区域因为 某种原因突然丧失了大量无功支持源。在第一种情况下，电压失稳的发展过程是一 种准稳态的方式，发生的时间范围是几十分钟至几十小时，系统从相对稳定的平衡 点不断转移到脆弱性增大的运行点，直至电压崩溃的发生。而在第二种情况下，系 3 山东大学硕士学位论文 统则是在大干扰之下丧失电压稳定的。无论是哪一种原因引起电压稳定性恶化，都 需要设计实施有效的控制干预才能保证系统安全、稳定、经济运行。 从前面的论述中可以看出，无功功率的生产、传输、消耗，即无功功率在全系 统的分布，对维护系统的电压水平起着举足轻重的作用。加强无功功率储备，提高 紧急状态下的无功应变能力是增强系统电压稳定性，防止电压崩溃发生的有效措旋。 电压无功调整是一个比频率有功调整更为复杂的问题，因为整个系统的每一个 节点的电压都不同，用户对电压的要求也不一样，所以在不同的节点，要采用不同 的方法，但总不外乎进行无功补偿或进行无功再分布。具体的措施有： ( 1 ) 用发电机、调相机、并联电容器、并联电抗器、静止无功补偿器( s v c ) 或改进的静止无功发生器( a s v g ) 进行电压调节，这属于无功补偿，即以产生无 功功率为系统提供电压支持。 ( 2 ) 用调压变压器或改变变压器分接头进行调压，这属于重新分布无功。由于 这种调压措施本身不产生无功，只能改变无功的分布，因此在整个系统无功不足的 情况下不可能用这种方法来提高系统的电压水平。 ( 3 ) 用串联电容补偿进行调压，这属于改变网络参数来达到调压的目的。无功 电源基本上是不增加的，串联电容器所产生的无功功率用来抵消线路感抗所消耗的 无功。 ( 4 ) 用f a c t s 设备进行调压。 以上各种电压无功调整设备为改善系统的电压稳定水平，提高系统安全经济运 行发挥了重要作用。尽管他们的具体工作原理不同，控制方法各异，从控制的层次 上来看，他们都属于分散的局部的控制，即每一设备的控制系统都是以设备附近的 系统信息作为输入信号。以发电机的自动电压调节器( a v r ，a u t o m a t i c v o l t a g e r e g u l a t o r ) 控制为例，其控制信号为发电机的机端电压，在其它改进的多变量励磁 控制器中，输入信号还可以包括发电机的频率、转子角等状态量，但是这些都是本 台发电机的信息，属于系统的局部状态量。尽管运行人员可以在运行过程中按照某 种需要改变a v r 的电压参考设定值来调整发电机对系统提供的无功功率，但是由于 缺乏对于整个系统的电压无功稳定性的全面的了解，运行人员只能根据有限的信息 来进行调节。由于各分散的调节无法相互协调，这种调节往往会给系统带来坏的而 不是好的影响。 4 山东大学硕士学位论文 电力互联网络的发展，大型联合电网的出现，电压稳定性问题的日益突出使得 以全系统或整个区域的安全经济运行为指标，以保证电压稳定性为目的，协调的电 压控制系统成为必要。而近年来计算机技术、通讯技术的迅速发展，则为这种控制 系统的实现提供了可能 2 0 1 。 1 、4 电压分级控制系统的出现 1 ，3 ，5 】 8 1 7 在过去五十年中，常规的自动发电控制( a g c ，a u t o m a t i c g e n e r a f i o n c o n t r 0 1 ) 技术已发展得相当成熟。国内外投入了大量的人力、物力和财力研究开发能量管理 系统( e m s ，e n e r g ym a n a g 锄e l l ts y s t e m ) ，提高其可移植性、可维护性和可发展性， 使得a g c 功能不断增强，而且具有开放性，便于功能和规模的扩展。 相比之下，电压无功控制则显得有些落后，造成目前这种局面有其历史原因： 首先，直到近二十年内，电压稳定现象才成为关系电力系统安全运行的重要问题。 由于电力系统前期的大规模投资建设使得电力传输系统在很长时间里在轻负荷水平 上运行，影响系统稳定的主要因素是暂态稳定限制。其次，由于无功功率支持本身 具有局部有效的特点，即无功功率不能远距离传送，使得电压控制多年来一直是以 一种不正规的方式实现的。例如，当美国e p r j 设计第一套数字计算机a g c 系统时， 研究人员花费大量时间在系统中逐点搜索无功功率分布情况，以便校正所发现的无 功功率不平衡。而当时提出的建立自动电压控制的建议并没有被采纳，原因是他们 认为这种搜索过程有助于系统运行人员了解和熟悉整个电力网络。 这种状况显然不能满足电力系统的发展需要了。于是最优潮流计算被引入以便 为运行人员提供指导。电力电子设备的出现和使用为系统提供了反应更为迅速的无 功控制手段，但是全局电压控制问题却在相当长的时间里被忽略了。 1 9 6 8 年，日本蛐电力公司首先在他们的a g c 系统上增加了系统电压自动 控制功能，这可以看作是从全局观点出发进行电压无功控制的第一步。在1 9 7 2 年 国际大电网会议上，b e m g n y 等人提出了在系统范围内实现协调性电压控制的必要 性。这篇文章详细介绍了法国e d f 以“主导节电”、“控制区域”为基础的电压分级 控制方案的结构。现在这种电压分级控制方案已在法国、意大利、巴西等国付诸实 施，并且取得了令人满意的效果。另一方面，法国e d f 对原有电压分级控制方案作 了一定的改进以适应法国电网的联系日趋紧密，解偶性变差的情况。 山东大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! i ：；：；：。i ；，+ ；：；，。一i i i 正如前面所述，以自动电压调节器( a v r ) 为代表的各种电压，无功调节器为提 高电力系统安全、稳定运行发挥了重要作用，这些控制器的主要特点是根据本地故 障信息( l o c a lc o n t i n g e n e ei n f o r m a t i o n ) 自动迅速的提供相应的调节作用，但是这种 控制却是分散的、局部的。另一方面，随着电压稳定性问题研究的不断深入，人们 对它的认识也更深刻、更确切，即：现代电网的发展已经对系统中的电压无功控制 的协调性提出了更高的要求。于是一种新的在区域范围( r e g i o n a ll e v e l ) 甚至在国 家范围( n a t i o n a ll e v e l ) 内进行电压无功调节和分配的控制方式一电压分级控制 ( v o l t a g eh i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1 ) 应运而生。 电压分级控制分三个层次：一级电压控制( p r i m a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，二级电压 控制( s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，三级电压控制( t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，其工作 原理示意图如图l 一1 所示。法国e d f 以此为模式，成功地实现了电压分级控制， 在全国范围内将其电网划分为2 7 个二级电压控制区域，每个控制区域都选择出一个 关键性节点作为主导节点，控制机组中包含了1 0 0 个火电厂和5 0 个水电厂，二级电 压控制包含的无功总量为3 0 0 0 0 m v a r 。 图1 一l 电压分级控制示意图 山东大学硕士学位论文 在电压分级控制中各个层次的关系与作用是：三级电压控制是电压分级控制的 最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑稳定性指标。协调好系统运行 的安全性与经济性的关系，以及系统的无功储各如何分布才能获得最大的安全性是 三级电压控制的目标函数应解决的问题，也是决定电压控制系统有效性的关键所在。 经过最优潮流计算( o p f c ，o p t i m a l p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ) 之后，三级电压控制器 给出每个主导节点电压的设定参考值( 一般情况下每3 0 分钟计算一次，发生大的负 荷扰动和网络拓扑扰动之后，则应尽快启动o p f c ) ；二级电压控制器接受三级电压 控制的控制信号，保证主导节点的电压幅值在设定参考值附近。如果主导节点的电 压幅值发生偏差，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 定参考值。一级电压控制器主要是本二级电压控制区域内控制发电机上的自动电压 励磁调节器( a v r ) ，扩展后还可包括有载调压器( o l t c ) 、自动投切电容器或电抗 器组的控制器等。二级电压控制的时间常数约为几分钟。一级电压控制器根据二级 电压控制器的控制信号为系统提供所需的无功支持，从而维持系统电压的稳定性。 这种金字塔式的控制结构如图1 - 2 所示，各级控制之间在时间上是解耦的，表1 2 总结了各级控制的特点和作用。 图1 2 电压分级控制结构图 7 山东大学硕士学位论文 表l 一2 各级电压控制的作用及特点 层次作用特点，时间常数 三级电压控制确定各控制区域内主导节整个电网内的协调控制 点的电压设定参考值v 一 ( 1 5 分钟一几小时) 二级电压控制设定本控制区域内各电压本控制区域内的协调控制 调节器的电压设定值v 1 。f( 几十秒一几分钟) 一级电压控制发电机励磁系统或其它电分散的、局部的控制 压无功自动调节器的控制( o - l 一几十秒) 可见，在电压分级控制系统中，每一层都有其各自的控制目标，低层控制接受 上层的控制信号作为自己的控制目标，并向更下一层发出控制信号。三级电压控制 经过优化计算后，给出对二级电压控制的控制信号，即制定各主导节点的期望电压 幅值( 主导节点的电压设定参考值) 。二级电压控制则根据该指定值进行本层及下层 ( 一级电压控制) 的电压无功进行调节，最终完成全系统的控制目标。 l 、5 二级电压控制的基本概念【8 9 】【1 ，3 ，5 】 主导节点电压却 i 1 主导母城! 图l 一3 二级电压控到示意图 电力； l 统 牛 一一卜 山东大学硕士学位论文 ii m 二级电压控制的主要任务是以某种协调的方式重新设置区域内各自动电压调 节器( 一一级电压控制器) 的参考电压设定值( r e f e r e n c e v a l u e ) ，以达到系统范围内 的良好运行性能。它首先将电力系统分成若干控制区域( c o n t r o lz o n e s ) 这些区域 最理想的状态是彼此间电气距离较远，互相近似解耦。在每个控制区域中选出其最 关键的负荷节点称为“主导节点”( p i l o tn o d e s ) ，即该节点的电压变化能够反应该区 域内所有负荷节点的电压变化情况，而且在一般情况下，当区域内的负荷电压水平 因受干扰发生变化之后，如果将主导节点的电压恢复到干扰前的水平，则能够使得 区域内的负荷电压同样得到恢复。二级电压控制就是根据主导节点的电压偏差 u p = 一，。，按照某种预订的控制方式协调地改变区域各控制发电机( c o n t r o l g e n e r a t o r s ) 的自动电压调节器( a t ) 的参考电压设定值或其它无功源的设定值， 从而使得主导节点的电压基本保持不变，进而维持整个系统韵电压水平、无功分布 在一个良好的状态。二级电压控制示意图如图1 3 所示。 1 、6 进行二级电压控制研究的意义及国内外的研究状况 1 ，3 ，5 【8 _ 2 4 2 8 3 l 】 随着电力工业的发展，电力网络变得日趋复杂，现代电力网络的特点为：大规 模、网络紧密相联和发电中心远离用户，甚至是跨国界重叠联结。而且很难再建新 的线路、发电厂等，所以网络管理就更为重要。问题在于如何最大限度地利用网络， 使其接近设备的物理极限丽不必牺牲对用户的供电质量水平。电力系统的电压水平 管理是非常复杂的问题，对此，控翩中心运行人员并非一直有合适的方法。问题的 复杂性和规模，各种控制方式、约束条件的多样性，还有对所采取工具的局限性， 都表现出需要解决的难度，只有解决这些才有可能用最好的方法实现系统控制。电 力系统电压水平管理还意味着能够控制幅值和时间常数都有巨大差别的各种动态过 程。所以必须从整体上分析这个问题，并且建立能够帮助运行人员处理各种可能遇 到的运行状况的控制系统及仿真工具。 电压分级控南突破了单纯豹级电压控制的局限性，以系统范围内的安全、稳 定、经济运行作为控制目标，所以被认为是预防和阻止电压崩溃，实现系统内无功 合理分布的有效手段，因而受到了各国电力界的热切关注。二级电压控制则是电压 山东大学硕士学位论文 分级控制系统中至关重要的环节，体现了电压分级控制的基本原理和实现方法。 法国电力公司e d f 于1 9 7 4 年首次在一个地区对二级电压控制方式进行了试验， 于1 9 7 7 年决定在全国范围内推广，于1 9 7 9 年二级电压控制器在第一个控制区域内 运行，到1 9 8 5 年j l 乎所有的法国电网上都装设了二级电压控制器。此后二级电压 控制在法国全国电力系统中的实施中不断发展和改进。意大利电力公司e n e l 也在 全国范围内推广了二级电压控制方案，以提高本国电力系统的电压稳定性。 欧洲其它国家也普遍开展了对二级电压控制的研究。美国、日本、加 拿大也将二级电压控制作为本国电力系统主要的研究课题之一。 目前我国电力系统已经步入大电网、超高压、大机组、远距离输电的时代，出 现了大量功率的远距离传输。尤其当举世瞩目的三峡工程竣工后，我国电力网络将 更加密集，潜在的屯压失稳事故所带来的损失和影响范围也会更加严重。由于投资 能力和建设速度的限制，电力建设落后于经济发展速度的状况在我国不会是个短时 期内能解决的问题。这就迫使电力系统难免运行于接近极限输送能力状态。在我国 尽管还未发生恶性的电压崩溃事故，但是因电压失稳导致局部地区停电的事故时有 发生，另一方面，随着中国电力系统的不断发展，电压稳定问题已显得日益突出， 维持整个系统的电压水平，无功功率的合理分配也越来越重要。在目前的形式下， 吸取国外恶性电压崩溃事故和我国以往局部电压失稳的经验和教训，研究加强系统 电压无功支持和事故应急的措施，避免恶性电压崩溃事故的发生，具有特别重要的 意义。相比于欧美发达国家，我国在二级电压控制方面的研究开展的较少。为了增 强我国电力系统的电压稳定性，协调电网内各电压无功控制器的运行，以实现系统 安全、稳定、经济运行，开展二级电压控制的研究具有非常正要的理论意义和实际 意义。 1 、7 本文的主要工作 电压分级控制是防止电压失稳，保证电力系统的安全、稳定、经济运行，提高 电压无功的控制管理水平的有效措施，已在法国、意大利、日本和巴西等国付诸实 施并取得了满意的效果。它包括自上面下的三个层次：三级电压控制，二级电压控 山东大学硕士学位论文 制和一级电压控制。其中二级电压控制是联结其它两个层次的关键环节，起着承上 启下的作用，本文从系统分析的角度论述了二级电压控制的主要原理、控制区域的 划分、主导节点和控制发电机的选择及控制规律的设计方法。结合山东电网自动电 压控制系统，以邹县电厂二级电压控制区域为对象，对其二级电压控制系统进行了 深入研究。邹县电厂作为山东电力系统的枢纽厂站，根据山东电网自动电压控制系 统的设计思想，以其为电气中心设立邹县电厂二级电压控制区域，其升压站5 0 0 k v 母线为该二级电压控制区域的主导节点，2 2 0 k v 母线为临界节点，6 台发电机为控 制发电机，组成二级电压控制系统。采用灵敏度分析的方法进行电压控制分析研究， 根据邹县电厂实际运行模式，基于灵敏度获得相应的控制量，取用实际参数进行数 字仿真计算，潮流计算结果表明了该方法的有效性，具有一定的工程应用参考价值。 在此基础上结合邹县电厂具体情况对工程实现进行了分析研究，以l o n w o r k s 现场总 线技术为核心设计了一种工程实现方案。 山东大学硕士学位论文 第二章二级电压控制的原理 2 、1 二级电压控制研究的两个子问题【8 ，9 ，l o 1 1 ，3 ，5 】f 2 2 】 由第章介绍可见，二级电压控制是实现电压分级控制的重要环节，连接着其 上的三级电压控制和其下的一级电压控制。二级电压控制问题包含了两个子问题， 即： ( 1 ) 划分控制区域，选择每一控制区域的主导节点和相应的控制发电机组及其它 一级电压控制设备； ( 2 ) 设计控制规律，根据主导节点的电压偏差调整一级电压控制器的电压参考值。 其中，( 1 ) 是由离线计算完成的，对系统只作一次计算，划分出控制区域，选 择出每一区域内合适的主导节点和相应的一级电压控制设备，在以后的计算或运行 中就不再重新选择。( 2 ) 的实现方法主要有两类，一类是在线寻优计算，即根据运 行中出现的不同类别的扰动信息选择相应的性能指标，并进行在线寻优计算，确定 控制规律，这种方式针对性强，缺点是对算法的快速性要求高，难以实现。另一类 是以p i d 控制器进行动态跟踪控制。值得提出的是，近年来随着对多a g e n t 系统( m a s ) 研究的深入，这技术得到了广泛的应用。多a g e n t 系统是分布式人工智能( d a i ) 的- - i 1 新技术，它能使逻辑上和物理上分散的系统并行、协调地实现问题求解。近 年来有学者对基于多a g e n t 技术的电压分级控制系统进行了研究，提出了一系列用 该技术解决二级电压控制的分散协调控制方案，从目前公开的文献来看这是一个比 较有前途的研究方向【2 5 3 0 】。 2 、2 划分控制区域、选择主导节点和相应的一级电压控制设备 控制区域的划分有三个标准【5 ，8 ，9 ，l o 】【2 2 】： ( 1 ) 主导节点能够反映区域内所有节点电压的情况 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 区域内有足够的电压无功源维持本区域的电压水平； ( 3 ) 区域间相互近似解耦，彼此影响较小，即当某区域的二级电压控制器动作时， 不应当影响到其它区域的电压水平。 依据上述标准，有两种方法实现区域划分和主导节点及一级电压控制器的选择： 方法一：按照地域分布或行政划分，首先将全系统分成若干个控制区域，对每 个区域进行选择计算，找到该区域的主导节点及一级电压控制设备： 方法二：按照选择主导节点的性能指标，对全系统的所有节点进行筛选，找出 所有的主导节点和与之对应的控制发电机及其它一级电压控制设备，至此按照主导 节点和一级电压控制设备的分布，控制区域的划分已经找到了。 在解决实际问题时，应根据实际系统的不同情况，灵活地使用上述两种方法。 在电力系统中，总有一些节点的动态信息具有代表性，从这些节点就可以获得 反映整个系统的某方面运行情况的信息。“主导节点”就是电力系统中这样的有代表 性的节点【1 1 】。通常，每个控制区域内只选一个主导节点，而电压无功的二级电压 控制规律就以该结点的电压偏差作为反馈输入。 为选择主导节点，首先要看其是否具有代表本区域电压水平的性质，最简单的 一种方法也就是工程上的一种直觉，即选择系统中那些具有最大短路电流的节点为 主导节点，因为这些节点与系统中其它节点电气距离较小，有较密切的联系。但考 虑到系统不同的运行方式及拓扑结构，可以有更精确的其它方法。所以，选择主导 节点有许多不同的方法，它们主要可分为两类：电气距离法和灵敏度法。 2 、2 、1 电气距离法选择主导节点和划分控制区域【5 】 1 电气距离的定义 文献【9 】介绍了一种以计算系统各节点间“电气距离”为基础的选择主导节点计 划分控制区域的方法： 电力网络中各状态变量之间存在着如下的数学关系： ， = k 。】 d c z - - ， 山东大学硕士学位论文 i u ： 乙。】m ljlj 阱黜刎 阱恸q 】 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 具甲2 一l o g ( a j ) a i ，u 分别为各节点注入电流、电压变化量：a q ，a u 分 别为各节点注入无功、电压幅值变化量；l 嚣ui 是系统潮流方程雅可比矩阵中与无功、 ldi 电压幅值相关的部分 它与系统节点导纳矩呲。】样具有稀疏性圈反映了 电压幅值对无功注入的灵敏度，称为电压，无功灵敏度矩阵，与节点阻抗阵【z 0 卜一 样，具有非稀疏性。 乙m 】和 嚣 可被用来计算系统中任意两点间的电气距离。电气距离的远近反 映了任意两点之间电压幅值变化的耦合性大小的关系，定义系统衰减矩阵为： o j 其中 r i 2 。( 2 5 ) 的物理含义为：当节点j 上的电压幅值变化为【，时，相应节点i 上的电压幅 值变化为a u , = u ， 定义节点i ，j 之间的电气距离为： 岛= 一l o g ( a o ) ( 2 - - 6 ) 加“一”号为了保证见的正定性，而采用( 口。) 则是为了保证对称性。 在实际电力系统中，当某个节点上的电压发生变化时，我们可以大致估计出该 节点临近区域内其它节点上的电压变化情况。而当电气距离过大时，这种估计的准 确性会大大降低。所以根据电气距离可以引申出“邻近区域结构可观性”的概念。 14 山东大学硕士学位论文 同样当我们控制系统中某个节点的电压幅值时，也可产生“邻近区域结构可控性” 的概念。可见，“邻近区域结构可观性”和“邻近区域结构可控性”是实现二级电 压控制的理论基础。 2 划分控制区域、选择主导节点、控制发电机或其它一级电压控制器的方法 为保证每个控制区域内有足够的无功支持源，首先对发电机节点( 包括其它重 要无功源) 进行区域划分，然后对负荷节点进行区域划分。再对每个区域内的节点 进行筛选，选择出该区域的“中心”节点作为主导节点。 区域划分算法： 步骤1 ：n 个节点划分为n 个集合，令n = n ； 步骤2 ：在n 个集合中，选出电气距离最近的两个集合，将之合并为一个集合， 另n - - n - 1 ；并重新计算各级合间的电气距离： 步骤3 ：重复步骤2 ，直至n _ l 。 由上面的算法可以看出，除了步骤l 外，对电气距离的计算会涉及到多节点集 合之间的距离计算。多节点集合之间的电气距离可采用以下几种方法： a 、最小距离：一n ，= i i l i n 巩， k e q j ，e g ；( 2 7 ) 该方法的缺点是受节点之间的局部紧密联系影响过大，而忽略了集合中所有节 点之间的联系紧密程度。 巩 b 、平均距离q = 苞瓦啄翥丽七q ， 7 o j ( 2 8 ) 该方法的缺点则是忽略了集合中节点的总数，而且随着计算的进行集合间的距离可 能会增大也可能会减小，这样得到集合间的距离具有统计学的意义，物理概念不清 楚。 c 、最大距离吨= m a x d m ，ke 0 , ，g ( 2 9 ) 这样得到的距离反映了集合间节点距离的最大值，物理概念清晰；随计算的进 行，集确定系统中的区域综合间的距离是逐渐增大的，与工程直觉相符合。所以一 般的计算经常会采用“最大距离法”来进行区域的划分。 山东大学硕士学位论文 虽然在上述的算法中，最终是要将系统中集合总数由n = n 降到n = l ( n 为系统 的节点总数) ，在实际应用中，应根据系统的实际规模，确定系统中的区域总数。 显然1 g ( 雄- 1 ) ) ，令4 竽= 1 u 瓴) ； 步骤4 ：如果耐( 4 ) = 饰，则停止计算； 如果瞻矽。烈雒。矽，) 占，停止计算；g t 筚。) 令k = k + l ，转向步骤1 。 其中，g 为目标函数增量的最小域值，它保证每次新选的主导