（电力系统及其自动化专业论文）全网无功优化的变电站电压无功控制策略.pdf

全网无功优化的变电站电压无功控制策略 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gq u a l i t y , t h en e e do fp o w e rs u p p l yi si n c r e a s i n gq u i c h y , a sw e l la st h e r ei sh i 【g hr e q u i r e m e n tt o t h er e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo f p o w e rs u p p l y d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa ni m p o r t a n tp a r to f p o w e rs y s t e md i r e c t l yf a c i n gc o n s u m e r s r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z i n gp r o b l e mt a k e sa s u p e ri m p o r t a n tr o l ei np r o t e c t i n gt h es e c u r eo p e r a t i o no f n e t w o r ka n dp o w e rs u p p l y t h ee l e c t r i cq u a l i t yi sm a i n l yr e f l e c t e db yt h ev o l t a g e ，t h ep o w e rl o s si st e c h n i c a l a n de c o n o m i ci n d e xo fe l e c t r i cu t i l i t y t h ev o l t a g eq u a l i t yh a di m p o r t a n ti n f l u e n c et o s a f ea n de c o n o m yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m t oi n c r e a s ev o l t a g eq u a l i f i e dr a t ea n d d e c r e a s ep o w e rn e t w o r kl o s si st h ea i mo f g l o b a lo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f v o l t a g e a n dr e a c t i v ep o w e ri nr e g i o n a lp o w e rg r i d i to p t i m i z e sr e g i o n a lp o w e rg r i d ，a n d a c h i e v e ss o m es p e c i a lp l a n st or e g u l a t et r a n s f o r m e rt a pc h a n g e r sa n dt op u ti n - o u t p a r a l l e lc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r s i nt h i sp a p e rt h ec o m p l e x i t yo fv o l t a g ec o n t r o li np o w e rs y s t e mi sd i s c u s s e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pb c t w c c np o w e rs y s t e mb a l a n c e ds t a t e so fv o l t a g e a n dr e a c t i v ep o w e r am a t h e m a t i c a lm o d a li se s t a b l i s h e db ym e a n so ft h et h e o r yo f r e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o li nas u b s t a t i o n i tp r o p o s e dan c wc o n t r o ls t r a t e g y c o m b i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yb e c a u s eo ft h er e s e a r c ho fd i s a d v a n t a g e sr e s u l t i n gf r o mt h e t r a d i t i o n a ln i n e - z o n ed i a g r a mm e t h o d s n i n e - z o n et h e o r yi so p t i m i z a t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g yw h i c ht a k e s t h eo p e r a t i n gp o i n tw h e t h e ri sl o c a t e dt h es u p e r i o rc o n t r o la r e aa st h es t a r tc o n t r o l c r i t e r i o n ；f i v e - z o n et h e o r yi so n el d n dr e g u l a t i v e s t r a t e g yh a s e do nt h em o v e m e n t e f f e c t , w h i c ha d o p t st h ec r i t e r i o no f o p e r a t i o nq u a l i t yd i s t a n c ea n df a c e st h ev o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ( v q c ) i n s t a l l m e n t ；i nv i e wo ft h eb o u n d a r yb l i n da r e ao f f i v e - z o n et h e o r yl a c k st h ee x p l i c i tm o v e m e n tc r i t e r i o n , w ei n t r o d u c et h ec r i t e r i o no f p u t i n - o u tc a p a c i t o r s t h ed i s c r e t er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo ft h ee n t i r ep o w e rn e t w o r ki s p e r f o r m e di nm a i ns t a t i o ns y s t e mt om i n i m i z ea c t i v ep o w e r l o s sa n dk e e pb u sv o l t a g e i i 郑州大学工学硕士学位论文 w i t h i na l l o w a b l er a n g ea c c o r d i n gt o2 4t i m es e g m e n td a t ao ft h en e x td a y sa c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e ro ft h el o w - v o l t a g es i d eo fe a c hs u b s t a t i o na n ds t a t u si n f o r m a t i o no f s w i t c h e s b a s e do nt h e s eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，t h ec o n t r o ls e t t i n gv a l u e so f v o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rs u b s y s t e mi ne a c hs u b s t a t i o nc 锄b eo b r a i n e d a c c o r d i n gt ot h em o s ts u p e r i o rl i m i t i n gv a l u ec u r v ed e s i g n e d , w ej u d g e se a c h s u b s t a t i o nt h eo p e r a t i n gp o i n tr e g i o na n ds t a r tu pl i m i t so fr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g e b a s e do nn i n e - z o n et h e o r yi nt h ee n t i r en e tt r a n s f o r f l l a - s u b s t a t i o n t h es u b s t a t i o n so v e r l i m i t sw e r ea d j u s t e du s i n gv q cd e v i c eb yf i v e - z o n et h e o r y w ec a nn o to n l yr e d u c et h e o p e r a t i o no f c o n t r o lv a r i a b l e , b u ta l s om a k e 鞠l f et h ev o l t a g eq u a l i t ya n do p t i m a lp o w e r f l o wt h ew h o l en e t w o r k k e y w o r d ：v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，c o m b i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y , n i n e - z o n e t h e o r y , f i v e - z o n et h e o r y , o o b a lo p t i m i z a t i o n , b l i n da r e a i i ! 郑州大学工学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 电压是衡量电能质量的主要质量指标之一，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。如果无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送，就会在所经环节中 产生电压损耗，高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率；输送 的距离越远，中间环节越多，引起的电压降也就越大，负荷端的电压也就越低。 合理的无功分布既可保证网络的电压质量又可降低网络的有功损耗。变电站电压 无功综合自动控制可较好地实现对电压无功的控制”1 所谓无功优化，就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过对某些控制变 量的优化，找到在满足所有指定约束条件的前提下，使系统的某一个或多个性能 指标达到最优时的无功调节手段。电力系统发展规划中无功的优化规划是确定新 增无功补偿设备的最佳位置、容量、类型及投入时间；电力系统运行规划中无功 的优化规划是确定现有无功电源和设施的最佳运行方式，保证无功的合理分布和 系统的电压质量；后者是本文的研究重点。 从宏观上讲，目前的无功优化可分为两大类：一类是变电站电压无功综合控 制( v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，v o c ) ，它是利用有载调压变压器和并联 补偿电容器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，以保证负荷侧母线电压在规 定范围内，及进线功率因数尽可能接近1 ；另一类是全网无功优化，考虑全网范围 内所有无功电压控制设备以全网网损最小为目标函数进行定量的优化调度。 对变电站电压无功控制的研究主要也有两个方面，即离线优化和实时监控。 离线优化是运用人工智能或计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功 负荷预测基础上进行离线优化计算，得到第二天的调节方案，由调度下发给各个 变电站。 实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和目标侧( 中压侧或低压侧) 母线的电压不断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则 调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自允许 范围之内。 张玉璩：全罔无功优化的变电站电压无功控制策略 通过无功优化可以实现无功功率的优化调度，改善系统的电压质量和电网稳 定性，减少电能传输损耗，降低运行成本和提高稳定运行水平，保证有较宽的运 行裕度。 1 2 变电站电压无功综合控制的意义 随着电网结构的日趋复杂和电压等级的不断升高，电压无功的调节仅仅依靠 发电机的自动电压无功调节器远远不够，必须增强电网本身的调控能力。作为联 系电网和用户的变电站来说，保证变电站用户端的电压水平接近额定值和无功就 地平衡，对提高全网电压质量有着现实的重要意义。 目前我国的许多变电站中装设了用于电压无功调节的有载调压变压器和并联 补偿电容器组。 有载调压变压器可以在带负荷的情况下切换分接头，且调节范围较大，一般 在1 5 以上，它是多电压级网络中进行电压控制和控制无功功率流动的重要手段， 也是降低网络有功和无功功率损耗的重要途径之一当系统蕈载时，可以调节变 压器分接头使网络电压水平偏高，但并不超过电压允许范围，这样可以减少网络 中无功功率的需求量。同时增大并联电容和线路充电电容的作用；当系统发生轻 载时，通过调节变压器分接头使网络电压偏低些，以减少线路充电功率。各变电 站可以通过调节有载调压变压器来控制系统在每天、每小时或每分钟的电压变化 使其符合要求。 并联补偿电容器组通常安装在变压器的低压侧，其一方面可改善系统的功率 因素，降低电网中的电能损耗，提高系统的经济性，另一方面可以调整系统电压， 维持负荷点的电压水平，提高供电质量。 但是，过度频繁的调节有载分接开关和投切并联补偿电容器组会引起变压器 和开关设备故障。据统计，有载调压变压器约有8 0 的故障是由有载分接开关的不 正确动作引起的”1 。因此，各变电站对有载调压变压器和并联电容器组的日调节次 数有严格的限制。 变电站电压无功综合控制的目标是通过调节有载调压变压器的分接头位置或 投切并联补偿电容器组来确保变压器二次侧电压合格和迸线侧无功基本平衡，并 尽量减少变压器有载分接开关的日调节次数和并联补偿电容器组的日投切次数。 综上所述，可知研究变电站电压无功综合控制对提高电压质量、保证系统安 全，可靠和经济运行都具有重要的意义。 2 郑卅i 大学工学硕士学位论文 1 3 电压无功控制的研究现状 对变电站电压无功综合控制的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，经过十多年的发 展，现己达到一定的水平；概括起来。对电压无功综合控制的研究主要涉及数学 模型、调节判据、控制方式、控制策略和具体实现五个方面的内容，下面分别加 以阐述。 1 3 1 数学模型 目前主要采用连续模型和离散模型，连续模型较为简单，求解容易，但误差 较大，而离散模型更符合实际，误差较小，精度高。 1 3 2 调节判据 电压无功综合控制的调节判据到目前为止大致包括以下七个阶段”1 或方式： ( 1 ) 按功率因素控制； g a 引起q n ，q 0 ( 无 功过剩) ，使电压矿升高，离开原来b 点逐步摆到a 点而稳定下来。当扰动使矿 玩， q 0 ( 无功不足) 导致电压进一步下降，形成正反馈，导致“电压崩溃”使系统 瓦解。正常时，系统运行于交点a 处。 由图2 2 可得出电压的稳定判据是皇等 1 ( 3 - 3 1 ) 鲫= 2 0 匀铲一2 器纠( 3 - 3 2 ) 3 7 五区图控制原理的优点 ( 1 ) 动作区间划分更加清晰，动作选择更加合理。 “九区图”系列的演进可以说是一种对“五区图”的逼近。面向“操作动作” 而不是面向“u q ”的划分方式，使得“五区图”的动作区间划分更合理。 ( 2 ) 软件实现简易 虽然出现了较“九区图”中水平和垂直边界线更复杂的有斜率的一次曲线， 但是通过m a t l a b 6 5 仿真可见，“五区图”的软件实现也很简单，除去绘图语句， 真正的逻辑实现只有1 8 行，在程序软件开发和硬件执行工作量上也只是略有增加 ( 3 ) 面向未来的架构 电压无功控制问题的未来发展有两个不可忽略的重要趋势：一是调节能力更 强的无级调节机构的出现；二是基于全网无功优化的网络化无功综合控制“”。 未来的无级调压机构或无级电容装置精确的微调能力，可以为更加细致的控 郑州大学工学硕士学位论文 制理论提供硬件上的保证。在一个已经达到硬件瓶颈的控制理论会产生控制质量 差别不大的结果。旦硬件瓶颈被更新的技术所突破，两者就可能在控制质量上 拉开距离。随着向无级机构更新的趋势，电压无功综合控制也会从一个离散的开 环系统向连续化的闭环系统演进，“五区图”原理则可以实现与更高级硬件设施的 配套合作。 在全网化综合考虑的方向上，引入“五区图”的“面向操作”的控制思路， 可以更方便地实现软件的全网仿真模拟，从而得到优化的全网控制逻辑。 3 8 五区图控制策略存在的问题 3 8 1启动动作区 系统对控制不仅有准确性要求，还有对稳定性的要求。从电压无功问题控制 对象的特性来看，它是一个阻尼系数很大的系统，过于灵敏的控制对其稳定性来 说可能适反。所以，类似“九区图”系列原理中的做法，在“五区图”中最优控 能目标不能选取一个工作用点，而应选择个最优控制区域作为控制指向的目标。 在最优控制区域内是系统的非启动动作区，控制机构不动作，只有在工作点 越出最优控制区域，系统才可能启动动作，并按照“五区图”逻辑进行判断，给 以动作出口。 目前v q c 装置大多实行分散控制，仅仅采集一个变电站的运行数据，缺乏电 网全局协同优化的概念，只能实现局部优化，保证受控母线电压合格，不能实现 全系统的最优控制以达到全网功率损耗最小的目的。同时v q c 装置的调节控制是 基于给定的电压无功上下限，如果上下限值给定不合理，无论调节措施多么完美， 都不可能得到合理的控制。相关的文献提出利用全网的最优无功潮流分布和最优 无功补偿量，由此算出各变电站的最优无功限值和电压限值。 3 8 2 电容( 感) 特性参数( q c ，) 相对于“九区图”来说，在“五区图”中投切电容( 感) 操作的特性参量， 即投( 切) 一组电容( 感) 引起的无功变化蜴和电压变化【厂c 非常重要，是构建“五 区图”所必须的。 在模型设计中，投c 矢量正、切c 矢量工被简单地描述成一次曲线。但是， 张玉珠：全网无功优化的变电站电压无功控制策略 如果以更高的精度来要求，一次直线模型仍不足以精确地描述实际电容( 感) 投 ( 切) 操作。 3 8 3 无功及电压的死区( q ，u 埘) 在电压无功控制中，会面临许多“界限值判断”，如区间判断、过压闭锁判断 等，因此会有一个对系统抖动的考虑。加入延时可以在时间上比较有效地滤去很 多干扰，另外还可以在u q 平面上引入“死区”处理，也称为“防振带”。 “死区”就是根据“滞环”原理，将设定的限值总是向远离当前工作点的方 向挪动一个偏移量，从而增大系统跳跃到不同状态区的限值门槛，使得系统更难 发生状态迁移，达到从幅值空间上有效抑制干扰的目的。 3 8 4 新的定值规范 “九区图”模型之所以能在电压无功综合控制问题中得到广泛的接受，其简 单、直观的定值规范是其中一个重要原因。“五区图”模型也可以提出自己的一套 切合现场实际情况的定值规范。由以上讨论来看，“五区图”模型需要整定的几个 重要参量如下：最优控制点或者最优控制区、电容( 感) 特性参数，死区。 3 8 5 以九区图作为比较对象 “五区图”理论也有它不足和待改进的地方。在讨论“五区图”的优、缺点 时，需要注意的一个闯题是参照系的选择。应该是“九区图”或者是。九区图系 列”，而不应拿一个“绝对完美模型”作为与“五区图”之间的比照。若用后一种 方式来讨论，“五区图”同样也会在一些技术细节上暴露出不够完善之处( 注意， 是相对于“绝对完美模型”的不够完善，而非相对于“九区图”及其系列模型的 不够完善) 。 3 9 本章小结 变电站电压无功控制已成为保证电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经 济性必不可少的措施。本章从经典变电站电压无功控制策略九区图入手，阐述了 郑州大学工学硕士学位论文 九区图的控制原理，指出了九区图控制策略存在的问题。介绍了以装置动作为控 制对象的、面向操作动作的控制思想五区图的控制原理，并分析了五区图的控制 边界和控制区以及五区图的两种操作模型：基于双参数调节的五区图操作模型和 引入计及调节增量思想的五区图操作模型。针对五区图的边界盲区，提出了用电 容投切判据来判断是采取变压器分接头调节，还是投切电容器，从而使v q c 动作 有了更加明确的判据，动作的选择更加合理，减少了控制装置的频繁动作，最后 分析了五区图控制策略的优点及其存在的问题。 张玉珠：全网无功优化的变电站电压无功控制策略 4面向全网无功优化的变电站电压无功控制策略 4 1 引言 电网的电压和无功是紧密结合的两个物理量，对电压、无功实施控制，对于 提高电能质量、使电网中潮流分布更加合理、有效降低网损，都具有重要意义。 针对供电环节，调节有载调压变压器分接头和投切无功补偿设备是对电压无功进 行控制的主要手段“。 目前，单变电站的电压无功控制技术逐渐成熟，已经逐步应用到实际电力系 统中，但这种方式从技术应用到管理模式上都有所局限。由于其仅仅采集一个变 电站的运行参数，未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 接头档位进行综合考虑协调控制，会出现局部优化而全网受影响的局面。因此， 改进现有调节方式，实现面向全网的电压无功优化和自动控制，不仅是提高电能 质量满足用户需求的需要，还是电网安全、经济、稳定运行的需要。 电力系统无功优化是指在满足系统各种运行约束的条件下，通过优化计算确 定发电机的端电压、有载调压交压器的分接头档位和无功补偿设备的投入容量等。 以达到系统的有功网损最小，无功补偿设备的投资最小，无功补偿设备的补偿容 量最小等“1 。 国内外有关无功优化的文献报导有很多，但大多集中在对优化算法的研究上， 对无功补偿设备的控制策略却少有提及。随着电力系统的联系日趋紧密，控制动 作间的相互影响已经不可避免和忽视。能否协调控制好无功补偿装置，直接关系 到是否可以防止系统电压的波动和振荡。 4 2 全网无功优化的数学模型 无功优化问题是指某电力系统在一定运行方式下，满足各种约束条件，达到 预定目标的优化问题，它涉及无功补偿装备投入地点的选择、无功补偿装置投入 容量的确定、变压器分接头的调节和发电机机端电压的配合等，是一个多约束的 非线性规划问题。 在配电网无功优化中，目标函数通常要考虑以下几个方面： 郑州大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 网损最小；( 2 ) 电压水平最好； ( 3 ) 无功补偿容量最小；( 4 ) 综合经济效益最好。 不同的目标函数，确定的补偿方案也不同。优化规划中，可以根据不同的目 标选择需要的数学模型。 本文以配电网年综合费用最小为目标函数，在系统多负荷水平下综合考虑系 统网损费用、无功补偿费用、电压水平等因素，将补偿电容器的组数设为离散的 决策变量，在保证电压水平的同时保持系统有较好的经济性。 4 2 1 目标函数 目标1 ；配电网系统投资费用最小： = 艺( o + g q d ) ( 4 - 1 ) 式中； 0 为补偿节点集；g 为补偿节点f 的安装费用；g 为补偿节点i 的单 位运行费用；q d 为补偿节点i 的补偿容量。 目标2 ：从经济性角度出发的经典模型是考虑配电网系统总网损费用最小： 圪= 墨乞c ( 4 - 2 ) 式中：墨为单位电价；f f 为系统根据负荷曲线确定的负荷水平数；f ，为在负 荷水平s 下系统的运行时间；只为在负荷水平s 下的系统网损。 系统有功网损费用是一个非线性函数。本文的无功优化规划是在网络的有功 潮流已经优化的基础上进行的，所有讨论都基于以下假设： 除了平衡节点外，其余节点的有功注入都假设是恒定不变的； 各节点无功注入变化对于节点电压的角度影响可以忽略不计。 目标3 ：从系统安全性出发的经典模型是选取节点电压偏离规定值最小为 目标函数矧 只= 墨喜( k 一e t ) 2 ( 4 - 3 ) l 杉。 ( 巧 巧一) k 。= 巧 ( 巧。m k 巧一) ( 4 - 4 ) l 巧m h( 巧 k m 缸) 张玉珠：全网无功优化的变电站电压无功控制镱略 式中：巧为节点i 的电压；n 为系统节点数；墨为电压越界惩罚因子；p 厶 为节点f 的设定电压；k 一、巧。分别为节点i 电压的最大、最小值 总目标函数为；综合费用最小 m i n f = 4 - 最+ 0件5 ) 式中，为系统的综合费用，罡为多负荷水平下的系统综合网损费用； 为无功补偿费用；为电压越限惩罚费用。 4 2 2 约束条件 无功优化规划必须满足一定的约束条件，这些条件是保证规划系统安全稳定 运行的重要保障。约束条件包括等式约束和不等式约束，等式约束即满足潮流方 程；不等式约束可考虑：p v 节点或平衡节点的电压、可调变压器的抽头、发电厂 的无功出力、无功补偿装置的容量等控制变量的上下界，p q 节点的电压幅值、p v 或平衡节点的无功注入、支路电流幅值、支路的视在功率、支路两端电压角度差 等运行边界约束。 ( 1 ) 节点功率的约束 卅= 呓一露一嘭哆( 岛c o s 嘭+ 岛豳嘭) = o ( 芦l ，2 ，n ；f l ：n , p q ) ( 4 - 6 ) j f f i l 饼= 璐一线+ 聪西一嘭哆( qs i n 喏一岛c o s 嘭) = o ( 卢1 2 ，i l ；f e p v , p q ) ：f f i t 件7 ) 式中：毛、如为节点f 注入的有功和无功功率，毛、纯为节点f 的负荷有 功和无功功率，n 为系统节点总数，k 为节点i 的电压，q d 为电容器( 电抗器) 每组无功补偿容量， 0 为电容器( 电抗器) 的补偿组数。k 为系统不同负荷水平 参数( 下同) 。 ( 2 ) 相关变量的约束 无功优化的变量分为控制变量与状态变量，控制变量为节点补偿容量q 、带 负荷调压变压器变比l 状态变量为节点电压矿。 状态变量约束： l 哆l ( f = 1 , 2 ，珥) ( 4 8 ) 式中：巧。，k 。为节点电压的上、下限。 郑州大学工学硕士学位论文 控制变量约束： j 霉卿s 矿霉一( 纠如一( 4 - 9 ) i 璐曲磁s 磁一 ( 净慵- w 式中：珥为有载调压变压器个数，墨有载调压变压器变比，霉。、霉一为有载 调压变压器变比的上、下限；为电容器( 电抗器) 补偿节点数，q d 为i 节点的 补偿容量，线。，q d 一为节点f 补偿容量的最小值、最大值。 4 3 全网无功优化思想的引入 全局无功优化是以提高电压合格率，降低网损为目标，从全局角度对地区电 网进行优化，得到变压器分接头档位升降以及并联电容器投切方案，考虑全网范 围内所有无功电压控制设备以全网网损最小为目标函数进行定量的优化调度。 目前v q c 装置大多实行分散控制，但这种方式从技术应用到管理模式上都有 所局限，实际电力系统中只是针对本站的电压无功水平而没有电网全局协同优化 的概念，当约束范围较小时，由于电网中各站的v q c 各自为政的调节，未能实现 全网范围内各变电站的电容器和有载调压变压器分接头档位进行综合考虑协调控 制，会出现局部优化而全网受影响的局面，使得全网的电压波动缺少规律性且较 为频繁。因此可能导致某些站抽头的频繁调整。 对无功欠缺地区，在用电高峰时，若本地区是以受电为主，且本身电源容量 较小，自动调节装置为了满足中低压侧电压要求，会使变压器比差减少，导致高 压网向低压网的无功传输加大，造成输电线和变压器的无功损耗增加，使高压侧 电压严重降低。其结果不仅使上级2 2 0 k v 电网的有功网损增加，而且还由于受端 电压的降低而使电网在输送同等容量负荷情况下，稳定域度降低，严重时甚至造 成电压崩溃，电网失稳和最终造成电网事故。如何完善v q c 装置使之适应大规模 电网的全局优化对全网的电压安全稳定具有重大意义。 系统对控制不仅有准确性要求，还有对稳定性的要求。从电压无功问题控制 对象的特性来看，它是一个阻尼系数很大的系统，过于灵敏的控制对其稳定性来 说可能适得其反。所以类似“九区图”系列原理中的做法，在“五区图”中最优 控制的目标不能选取一个工作点，而应选择一个最优控制区域，根据电压、无功 合格上下限值选择一个最优控制区域。最优控制区内是系统的动作非启动区，当 工作点越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断。文献 1 6 提出了一种从操 作优劣距离角度考虑的新的非启动区的整定方法。 张玉珠：全两无功优化的变电站电压无功控制策略 这种方法根据电压无功合格上下限选择一个晟优控制区，当工作点越出最优 控制区，启动控制进行最优操作判断。可以根据运行经验，整定一个合适的操作 距离值三，在u - q 平面上形成一个以理想工作点为圆心，以l 为半径的圆形动作 非启动区。圆形动作非启动区避开了非启动区中电压无功合格的边缘状态，将系 统控制在额定的最佳状态。通过改变工值，实现可以量化的启动灵敏设置，可随 时调节最优运行区域的大小，便于现场调试，增强控制的适应性，但是这个方法， 仅仅根据运行经验进行整定，可能导致电网无功潮流分布不合理和节点被控对象 频繁操作，无法实现全局的最优控制。 为了更好地实现全局最优控制，将五区图和九区图相互配合，形成九区图和 五区图的组合策略，九区图动作启动值是基于全网最优无功电压整定，当工作点 越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断，选取合适的操作动作。对于全网 的变电站，根据设定的最优限值曲线，按照九区图判断各变电站的无功调压设备 的工作点区域及启动区的上下限，仅对有越限的变电站按照五区图进行v q c 装置 的调控，既可减少控制变量的频繁操作，又可保证全网电压的质量和全网潮流的 最优分布。 q ”q 上i 图4 一l “五区图”动作启动区示意图 f i 9 4 - 1d i a g r a m o f a c t i v e a l g a f i v e - z o n e t h e o r y 4 4 系统整体设计思路 系统整体设计的基本思路是“”：建立主站系统，根据未来一天各母线的有功 和无功负荷曲线，( 由短期负荷预测获得) 及开关状态信息，以控制整个电网节点 电压在允许范围内和有功损耗最小为优化目标，进行地区电网离散无功优化计算， 并以此为基础计算出各个v q c 的控制范围( 限值) ；利用技术上已成熟的v o c 装置， 研究可支持全网优化控制和本地控制模式的v q c 控制策略，即建立变电站v q c ， 负责变压器和电容器的状态，采集电网运行参数及根据主站系统提供的电压无功 4 0 郑，l l 大学工学硕士学位论文 限值( 或自定义的电压无功限值) 实施电压无功控制，并可实现在全网优化状态下 与本地状态下电压无功控制模式的切换；建立通信子系统( 也可以利用现有调度自 动化子系统的通信通道) ，以实现主站系统后台程序与子站系统v q c 控制程序之间 的数据通信。该系统可应用于整个地区电网的电压无功控制，也可以应用于地区 电网的某一区域的电压无功控制。 4 5 变电站电压无功控制的整定计算原则 因为要通过调整无功功率在系统的分布来达到降低损耗的目标，而且在一般 情况下，有功和无功负荷曲线的变化趋势是基本一致的，因此本文采用了对无功 负荷曲线进行分段的方法“。 电力系统的实际负荷是连续变化的，但连续的负荷曲线无法直接用于优化求 解“。通常的处理方法是分时段静态化，即将连续变化的负荷曲线简化为阶梯状 分布的曲线，认为各时段内负荷保持不变。分段越多，最终求得的解越接近实际 最优解。一般可将全天分为2 4 + 时段( 每个小时为一个时段) ，对每个时段进行全 网无功优化计算，得出全网在最优状态下的变压器低压侧母线电压变化曲线( 最优 电压曲线) 和交压器高压侧无功变化曲线( 最优无功曲线) ，据此可给出相应时段的 电压和无功整定值。对于每台变压器，全天共有2 4 个定值。 图4 - 2 给出了电网典型有功负荷的变化曲线，无功负荷的变化曲线和有功负荷 的变化曲线非常相似。负荷在8 ：0 0 前后剧烈上升，此后一直维持在较高水平，直到 2 1 ：0 0 ：左右有较大的下降，此后一直到凌晨6 ：0 0 ，负荷维持在比较低的水平。按负 荷的变化规律，可将一天分为4 个时段“：高峰负荷时段、低谷负荷时段、由谷荷 转入峰荷和由峰荷转入谷荷的时段。 图4 - 2 某城市电网典型有功负荷变化曲线 f i 9 4 - 2t y p i c a lc h a n g el - u g v eo f a c t i v ep o w e rl o a dv o l t a g e 4 1 张玉珠：全网无功优化的变电站电压无功控制策略 考虑逆调压的要求，在电压合格范围内，在高峰负荷时线路电压的损耗大， 此时应该提高电压，补偿掉部分电压损耗，使负荷点电压不致过低；在低谷负荷 时线路电压的损耗小，此时应该适当降低电压可使负荷点电压不致过高。因此负 荷高峰时应该提高电压上下限，负荷低谷时应该降低电压上下限。 在谷荷转入峰荷或由峰荷转入谷荷的时段，如图在8 ：0 0 时，无功负荷曲线出现 趋势陡峭的情况，它会先出现电压越下限，紧接着又出现无功越上限，即控制过 程为先由2 区调变压器的分接头进入9 区，紧接着由于无功不足又进入4 区，则再投 电容器又恢复进入9 区。可以看到，8 ：0 0 电压越限是由于无功不足造成的，此时若 靠投电容器来完成升压，这样就可以减少变压器分接头的调节次数，直接将运行 点调节n 9 区。类似的情况也会发生在峰荷转入谷荷的时段。因此在谷荷转入峰荷 或由峰荷转入谷荷时，应该放宽电压上下限，同时收缩无功上下限，使电压控制 由投切电容器来完成，值得注意的是，此举并不会增加电容器的投切次数。 变电站电压无功控制整定计算的基本思路是： ( 1 ) 首先根据一天各负荷点的有功和无功负荷曲线及电网结构，进行全网离散 无功优化计算，其优化目标是保证节点电压在允许范围内，且使整个网络的有功 功率损耗最小。通过计算得出每个变电站变压器高压侧无功功率和低压侧母线电 压的最佳变化曲线。 ( 2 ) 根据所得无功和电压最佳变化曲线确定变压器高压侧无功功率和低压侧 母线电睚的上下限值。 如果能通过变压器分接头的调节和电容器组的投切，使变压器高压侧无功和 变压器低压侧母线电压维持在所得出的最优曲线上，则从理论上不但能保证电压 无功合格，并且能使网损降至最小。 下面从变电站电压无功控制装置的调节原理出发，结合无功负荷变化的规律 性以及无功在不同时段的不同要求，提出计算电压无功整定值的方法。 4 5 1 电压上下限的确定原则 ( 1 ) 考虑逆调压的要求，在电压合格范围内，在高峰负荷时，电压偏上限运行， 在低谷负荷时，电压偏下限运行。因此要适当收缩电压上下限值。 ( 2 ) 结合无功负荷的变化规律，应在负荷发生较大趋势性变化时，放宽电压上 下限值( 同时收缩无功上下限值) ，使电压控制由投切电容器来完成。值得注意的 是，此举并不会增加电容器的投切次数。以早晨8 点为例，此时的电压越限是由于 郑州大学工学硕士学位论文 无功不足造成的，应该由投电容来完成。如果此时仅通过降分接头来维持电压合 格，在下个时段由于负荷的增加使电容器投运，电压很容易越上限，则此时又要 升变压器分接头来维持电压合格，这是应该避免的动作可见，此举可避免变压 器分接头不必要的动作。 ( 3 ) 其余时段，依据最优电压曲线，整定计算变压器低压侧电压动作上下限值， 以实现对最优电压曲线的跟踪。 4 5 2 无功上下限的确定原则 无功控制范围的给定相对电压来说要复杂得多。系统无功功率的调节对电压 水平影响很大，无功分布不合理是网损增大的重要原因。对供电网来说，它直接 面向用户，对电压合格的要求相对来说较高，因此在保证无功就地平衡的前提下， 无功限值的给定需要配合电压限值的给定，具有较大的灵活性。 ( 1 ) 配合逆调压的要求，由于在高峰负荷时，电容器可能己全部投入，此时应 将无功上限值上调，避免无电容可投的情况。类似地，在低谷负荷时，将无功下 限下调。 ( 2 ) 在给定电压限值时已经提到，当负荷发生较大趋势性变化时，在放宽电压 上下限值的同时，要收缩无功上下限值。具体策略如下：由谷荷转入峰荷时( 如早 上8 ：0 0 前后) ，应将无功上限下调，使其对投电容的操作变得敏感；由峰荷转入 谷荷时( 如晚上2 1 ：0 0 前后) ，应将无功下限上调，使其对切电容的操作变得敏感。 ( 3 ) 其余时段，依据最优无功曲线，整定计算变压器高压侧流过的无功功率的 上下限值，以实现对最优无功曲线的跟踪。 综上所述，给定电压和无功整定值的方法如下： ( 1 ) 在高峰负荷时，将电压下限值上调，无功上限值上调：在低谷负荷时，将 电压上限值下调，无功下限值下调。 ( 2 ) 由谷荷转入峰荷时，将电压下限值下调，无功上限值下调：由峰荷转入谷 荷时，将电压上限值上调，无功下限值上调。 ( 3 ) 其余时段，依据上述给定的方法实现对最优电压和无功曲线的跟踪。 4 6 九区图与五区图的组合控制策略 将五区图和九区图相互配合，九区图动作启动值是基于全网最优无功电压整 张玉珠：全网无功优化的变电站电压无功控制策略 定，当工作点越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断，选取合适的操作动 作，形成九区图和五区图相互配合的控制策略，如图4 - 3 所示。 图4 - 3 启动动作示意图 f i 9 4 3 a c t i o na r e ao f f i v e - z o n ed i a g r a m 在实际操作中，首先根据次日2 4 小时的母线负荷预测，计算出次日全网的最 优无功潮流分布和最优无功补偿量，由此算出各变电站的最优无功限值和电压限 值，再根据负荷曲线的变化趋势以及补偿调压装置动作次数的限制，对最优无功 电压限值曲线进行分段，并对分段后的限值做校验计算“1 。 这样，各变电站的无功调压设备根据设定的最优限值曲线按照九区图进行工 作点所在区域判断，若越出最优控制区，再根据五区图选择最优操作，保证了全 网潮流最优，使投切次数合理分配。其优化的目标是保证节点电压在允许范围内， 且使整个网络的有功功率损耗最小，据此给定理想工作点和启动区的上下限。“九 区图”中电压和无功限值的宽度按式( 4 - 1 0 ) 进行设定。 i v m a x - v r f f m = v w q m a x q m i n = c v a r ( 4 - 1 0 ) 式中：v m a x 、v m i n 分别表示九区图中的电压上限和下限，单位为k v ；v w 表示电压限值的宽度，一般为o 5 k v ；夕为裕度系数：q m a x 、q m i n 分别表示九 区图中的无功上限和下限；c v a r 表示电容器单组补偿容量，考虑到无功功率的上 下限之差应大于至少一组电容器的容量，系数口取1 3 。 根据计算出来的各变电站的最优无功补偿量和电压，按式洚1 1 ) 计算最佳的无 功，电压启动值。 郑州大学工学硕士学位论文 v m a x = y o p z + _ 1 v w v n f m = v o p l 一彳2 v w q m a x ：q o p l + x 3 p c v 赶( 4 - 1 1 ) q m i n = q o p l - a 4 c v a r 式( 4 - 1 1 ) 中的知、五2 、a 3 、舢为裕度系数，一般取值为0 5 ，实际中可根据 不同时段的特点在0 3 0 7 之间调整；v o p l ，q o p t 表示由全网无功优化得到的最 优电压和无功。在峰转谷，谷转峰负荷段，适当收缩电压无功上下限，使装置动 作敏感，取值小些；在峰，谷负荷段，负荷发生不规则往返波动，适当放宽电压 无功上下限，尽量减少装置动作次数，取值大些。这种整定方法克服了变电站局 限于无功，电压就地控制，从优化与控制的角度使局部优化、分散控制变为全局 优化、集中控制与分散控制相结合，提高了系统电压的合格率、降低了系统的总 线损。 4 7 组合控制策略下变电站无功控制策略的实施 s i c p l 将次日短期负荷预测曲线分为2 4 个时段，在每一个分段中，选择一个 接近于该段平均负荷的典型负荷点，对每个时段进行全网无功优化计算。 s t y 2 进行最优潮流计算，根据得到的全网在最优状态下的各变电站变压器低 压侧母线电压变化曲线和变压器高压侧