（电力系统及其自动化专业论文）分层电压控制系统的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 根据电 力系统电压稳定性问 题的 特点以 及大系统递阶控制理 论， 并考虑到目 前二级 电 压控制系统存在的一些问题以 及我国电网的现状， 提出了新的分层电 压控制方案 在线稳态递阶电 压控制， 同时 建立了控制系统的模型。 采用基于扩展潮流方程雅可比 矩 阵的特征结构分析法寻找系统中电 压稳定性最差的区域， 并 通过在线寻优的方法对此区 域进行协调控制。 另外， 在线寻优过程中通过引入 发电 机参与因子保证了 各发电 机上无 功功率的 合理分 配，以 进一步提高系统电压。最后以n e w e n g l a n d 和等值系统系统为例 进行数字仿真，验证了新的分层电压控制方案的有效性。 关键词: 二级电压控制，电 压稳定 性，模式分析，电 力系统 abs t r a c t a n e w 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 l s y s t e m , o n l i n e s t e a d y - s t a t e 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 l s y s t e m , i s e l a b o r a t e d i n t h i s p a p e r . a n d t h e m o d e l o f t h e c o n t r o l s y s t e m t h a t b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c o f v o lt a g e s t a b i l i t y o f p o w e r s y s t e m a n d h ie r a r c h i c a l c o n t ro l t h e o ry o f l a r g e s c a l e s y s t e m i s b u i l t . t h e p r o b l e m s i n t h e s e c o n d a r y v o lt a g e c o n t r o l s y s t e m a n d t h e a c t u a l i t y o f p o w e r g r i d i n c h i n a a r e c o n s i d e r e d i n t h i s p a p e r . t h e m e t h o d u s e s t h e e i g e n v a l u e - e i g e n v e c t o r a n a l y s i s o f e x t e n d e d l o a d f l o w j a c o b i a n m a t r i x t o d e t e r mi n a t e t h e a r e a s w h i c h h a v e t h e w o r s t v o l t a g e s t a b i l i t y a n d c o n t r o l t h e a r e a s b y a p p l y i n g t h e o n l i n e s e a r c h i n g o p t i m i z a t i o n . i n a d d i t i o n , i t e n s u r e d t h e r e a s o n a b l e a s s i g n m e n t o f r e a c t i v e p o w e r i n e a c h g e n e r a t o r b y a p p l y i n g t h e p a r t i c i p a t e f a c t o r o f g e n e r a t o r s i n t h e p r o c e s s o f s e a r c h i n g o u t o p t i m i z a t i o n , t h e s y s t e m v o lt a g e s a r e f u rt h e r i n c r e a s e d t h e r e b y . a t l a s t , t h e v a l i d i t y o f n e w l a y e r e d v o l t a g e c o n t r o l p r o j e c t i s p r o v e d b y s i m u la t i o n t o t h e n e w e n g la n d s y s t e m a n d e q u i v a l e n t s y s t e m. z h a o y a n ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d i t s a u t o ma t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a o d o n g me i k e y w o r d s : 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 e s t a b i l i t y , m o d a l a n a l y s i s , p o w e r s y s t e m 二丝. o口 开刁明 本 人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的 成果。 尽我所知， 除文中已经 注明引 用的内容 外， 本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内 容。 对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体， 均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门 送交学 位论文的原件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印或 其它复 制手 段复制 并保存学位论文; 学校可允许学位论 文被查阅 或借阅; 学校可以学术交流为 目的 ， 复制 赠送和交换学位论文;同意学校可以 用不同方式在不同媒体上发表、传 播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: ) ii j : 导师签名: l期: 华北电力大学硕士学位论文 第 一 章 绪论 课题研究的目的和意义 电力系统的稳定性问题一直是人们研究的 重要课题。多年来，无论是经典的还 是现代的电力系统稳定性理论，其关注的重点主要集中在功角稳定性问题上。并月 _ 由 于控制理论、计算机和电力电子技术的迅速发展及其在电力系统中的广泛应用以 及各种计算机在线监控和快速可靠的保护系统的出现，使电力系统的功角稳定性得 到控制。然而，作为电力系统稳定问题的另一个方面电压稳定性问题.的研究却相对 滞后。特别近年来，电力系统正朝着高电压、大容量、长距离和电网互连的方向 发 展。发电机的单机容量逐渐增大，功率因数越来越高，使得同步发电机标么电抗增 大， 惯性时间常数减小以 及无功出力相对降低都对系统稳定造成不利的影响. 另外， 超高压直流输电系统的并网运行， 其输送容量在系统中的比重越来越大，这使相应 的交流系统变得较弱 ，给系统的安全稳定运行带来了很多问题，其中一个突出的问 题就是直流受电端的交流系统的电 压稳定 性问 题。在这些情况下国内外许多电力系 统都曾发生过电压不稳定或电 压急剧下降为主要现象的系统事故 ( 见表 1 - 1 ) 。 这些 电压不稳定事故有着和传统的功角稳定性事故所不同的一些特点，各国学者越来越 意识到电力系统的电压稳定问 题有其自身的特点。电 压 ( 负荷)稳定性目 前已成为 电力系统规划和运行中主要关心的问题，而日 越来越多的电力系统正面临着电压稳 定性的限制 。 电力系统电压/ 无功调整是一个比有功/ 频率调整更复杂的问题。传统的电压调 整采用的是进行就地无功补偿或者无功再分配的方法。这些方法的原理和实现的方 式不同，但从控制层次上来看都属于分散的局部 控制，即 每台设备的控制系统都是 以设备附近的信息作为输入信 号，因此分散托制的调节难以相 勺 _ 协调，往往会给系 统带来负面影响， 比如无功功率的振荡、 电仄的周期变化、 系统功率损耗的增加等。 随着我 国电力工业的迅速发展，我国的电网越来越呈现超高压、大电网、远距 离和重负荷输电的特点，这在很大程度上增加了维持系统正常运行的难度 ，电压稳 定问题 1 1 益突出。传统的分散电压控制方式 已经不能适应我国电力生产的需要，研 究具有全局性的电力系统分级电压控制的方法无疑是必要的。 2 电压稳定性问题的研究现状 电压不稳定和功角不稳定都是非线性动力学系统失稳的一个表现形式， 在很多 情况下两者是相互联系相互影响的，因此需要用动态分析方法对其进行分析。但同 时，电压稳定问题也有着区别于功角稳定iu j 题的一些特点。电压稳定io j m ao 7 y h e 1 11 华北电力大学硕士学位论文 第 一 章 绪论 课题研究的目的和意义 电力系统的稳定性问题一直是人们研究的 重要课题。多年来，无论是经典的还 是现代的电力系统稳定性理论，其关注的重点主要集中在功角稳定性问题上。并月 _ 由 于控制理论、计算机和电力电子技术的迅速发展及其在电力系统中的广泛应用以 及各种计算机在线监控和快速可靠的保护系统的出现，使电力系统的功角稳定性得 到控制。然而，作为电力系统稳定问题的另一个方面电压稳定性问题.的研究却相对 滞后。特别近年来，电力系统正朝着高电压、大容量、长距离和电网互连的方向 发 展。发电机的单机容量逐渐增大，功率因数越来越高，使得同步发电机标么电抗增 大， 惯性时间常数减小以 及无功出力相对降低都对系统稳定造成不利的影响. 另外， 超高压直流输电系统的并网运行， 其输送容量在系统中的比重越来越大，这使相应 的交流系统变得较弱 ，给系统的安全稳定运行带来了很多问题，其中一个突出的问 题就是直流受电端的交流系统的电 压稳定 性问 题。在这些情况下国内外许多电力系 统都曾发生过电压不稳定或电 压急剧下降为主要现象的系统事故 ( 见表 1 - 1 ) 。 这些 电压不稳定事故有着和传统的功角稳定性事故所不同的一些特点，各国学者越来越 意识到电力系统的电压稳定问 题有其自身的特点。电 压 ( 负荷)稳定性目 前已成为 电力系统规划和运行中主要关心的问题，而日 越来越多的电力系统正面临着电压稳 定性的限制 。 电力系统电压/ 无功调整是一个比有功/ 频率调整更复杂的问题。传统的电压调 整采用的是进行就地无功补偿或者无功再分配的方法。这些方法的原理和实现的方 式不同，但从控制层次上来看都属于分散的局部 控制，即 每台设备的控制系统都是 以设备附近的信息作为输入信 号，因此分散托制的调节难以相 勺 _ 协调，往往会给系 统带来负面影响， 比如无功功率的振荡、 电仄的周期变化、 系统功率损耗的增加等。 随着我 国电力工业的迅速发展，我国的电网越来越呈现超高压、大电网、远距 离和重负荷输电的特点，这在很大程度上增加了维持系统正常运行的难度 ，电压稳 定问题 1 1 益突出。传统的分散电压控制方式 已经不能适应我国电力生产的需要，研 究具有全局性的电力系统分级电压控制的方法无疑是必要的。 2 电压稳定性问题的研究现状 电压不稳定和功角不稳定都是非线性动力学系统失稳的一个表现形式， 在很多 情况下两者是相互联系相互影响的，因此需要用动态分析方法对其进行分析。但同 时，电压稳定问题也有着区别于功角稳定iu j 题的一些特点。电压稳定io j m ao 7 y h e 1 11 华北电 力大学硕士学 位论文 个系统所有元件的动态特性，和系统的结构、参数、运行工况以及与控制系统有紧 密的关系，十 分复杂。其研究内容主要包括电 压稳定性的分类及定义、数学模型、 分析方 法、 稳定性判据以及影响电压稳定性的因素等等一系列的问题。 表 卜1 近年来电压不撇定事故11 1 1 2 1 电压稳定性分析主要内容包括: 1 1弄清楚电压崩溃的原因; 2 )电压稳定性和电力系统中其他问 题的相互关系 3 )电力系统中众多元件对电压稳定性的影响及其在电压稳定性事故中所起的 作! 11 ,并以此建立分析电压稳定性问题的系统模型。 在过去的几十年中，各国学者提出了多种静态、动态和中一 长 期 川i ;. 稳定性的分 析方法。对于过程变化缓慢的电压失稳通常作为静杰问题分析，4要的丰段i d : 潮 i k i 华北电力大学硕士学位论文 仿真 。 主要仿 真 电力 系 统在 元 件开 断后 或 负荷增 长 过程 中 各运 行 点 的变化 情况 。p -v曲线法和q -v 曲线法就是基于潮流仿真基础上的两种主要的电压稳定性分析方 法.由于这种方法计算速度快、算法成熟， 所以电压稳定性的静态分析方法己经在 电力系统中电压稳定性监视系统中得到应用1 6 1 。另外，通过对潮流方程的雅可比矩 阵进行特征结构分析的方法1 7 1 也属于一种静态电压稳定性分析方法。这种方法的优 点是在对 电压稳定性进行分析的同时可以为如何提高电压稳定性提供有价值的信 息。 随着电压稳定性问 题的研究工作深入展开，一些动态因素对电压稳定性的影响 开始受到重视，如负荷的动态特性、有载调压器 ( o l t c )的调压过程以 及发电 机过 励磁限制器的作用受到关注1 8 1 1 9 1 1 1 0 1 。通过研究表明:无功功率的平衡、发电机的无 功出力限制、有载调压变压器的动态特性以及负荷的动态特性都与电压崩溃过程有 密切的关系。但是，在考虑元件的动态特性后对系统进行动态电压稳定性分析的方 法由于在微分方程的解算时间等方面的问题不能满足实际工程的需要。在这种情况 下，对电压稳定性分析常采用在静态分析的基础上利用系统运行时的动态信息其进 行修正的方法，并且从仿真结果和理论上都证明了 这种方法的正确性 i g p z l 电压稳定性指标是对系统接近电压崩溃程度的一种度量，它能告诉运行人员当 前电 力系统运行状态是不是电压稳定、 距离崩溃点还有多远1 2 1 。目前 广泛应用的电 压稳定性指标多数是基于潮流方程的，是以电力系统的极限输送能力作为电压崩溃 的临界点， 是系统各负荷节点到达最大功率点， 其数学特征是潮流雅可比 矩阵奇异。 现有常用的电压稳定性指标可分为状态指标和裕度指标两类。主要的状态指标有: 各类灵敏度指标、潮流雅 可比矩阵奇异值指标、负荷状态空间中潮流多解间距离指 标、临界电压指标;主要的裕度指标有:o p. 4 q 和 v。两类指标都能给出系统 当前运行点离 电压崩溃点的距离的某种量度。状态指标只取用当前运行状态的信 息，而裕度指标的计算则涉及过渡过程的模拟和临界点的求取问题。 3 电力系统电压稳 定问题的特点 电压失稳事故 通常是由两类系统变化引起的p :一类是系统运行参数的缓慢改 变， 如负荷或发电机的有、 无功功率随时间发生逐渐的变化; 另一类则是系统改变， 如线路因故障退出 运行，或者系统中的某个区域应为某种原因突然丧失大量无功支 持源。在故障发生之后，山于许多电压控制设备和保护系统的相互影响使得电 压失 稳多表现为比较慢的电压下降。另一方面，当线路两端电压相角差较大时，即使两 端的电压幅值差值再大，也不可能通过 该线路传输无功功率。而且根据 电力系统运 行要求，各点电压幅值应维持在1 士 5 % ( p . u . ) 的范围，这更增加了无功传输的难度。 另方面， 通过输电线路远距离传输无功功率会增加线路的有功损耗、降低线路的 华北电力大学硕士学位论文 仿真 。 主要仿 真 电力 系 统在 元 件开 断后 或 负荷增 长 过程 中 各运 行 点 的变化 情况 。p -v曲线法和q -v 曲线法就是基于潮流仿真基础上的两种主要的电压稳定性分析方 法.由于这种方法计算速度快、算法成熟， 所以电压稳定性的静态分析方法己经在 电力系统中电压稳定性监视系统中得到应用1 6 1 。另外，通过对潮流方程的雅可比矩 阵进行特征结构分析的方法1 7 1 也属于一种静态电压稳定性分析方法。这种方法的优 点是在对 电压稳定性进行分析的同时可以为如何提高电压稳定性提供有价值的信 息。 随着电压稳定性问 题的研究工作深入展开，一些动态因素对电压稳定性的影响 开始受到重视，如负荷的动态特性、有载调压器 ( o l t c )的调压过程以 及发电 机过 励磁限制器的作用受到关注1 8 1 1 9 1 1 1 0 1 。通过研究表明:无功功率的平衡、发电机的无 功出力限制、有载调压变压器的动态特性以及负荷的动态特性都与电压崩溃过程有 密切的关系。但是，在考虑元件的动态特性后对系统进行动态电压稳定性分析的方 法由于在微分方程的解算时间等方面的问题不能满足实际工程的需要。在这种情况 下，对电压稳定性分析常采用在静态分析的基础上利用系统运行时的动态信息其进 行修正的方法，并且从仿真结果和理论上都证明了 这种方法的正确性 i g p z l 电压稳定性指标是对系统接近电压崩溃程度的一种度量，它能告诉运行人员当 前电 力系统运行状态是不是电压稳定、 距离崩溃点还有多远1 2 1 。目前 广泛应用的电 压稳定性指标多数是基于潮流方程的，是以电力系统的极限输送能力作为电压崩溃 的临界点， 是系统各负荷节点到达最大功率点， 其数学特征是潮流雅可比 矩阵奇异。 现有常用的电压稳定性指标可分为状态指标和裕度指标两类。主要的状态指标有: 各类灵敏度指标、潮流雅 可比矩阵奇异值指标、负荷状态空间中潮流多解间距离指 标、临界电压指标;主要的裕度指标有:o p. 4 q 和 v。两类指标都能给出系统 当前运行点离 电压崩溃点的距离的某种量度。状态指标只取用当前运行状态的信 息，而裕度指标的计算则涉及过渡过程的模拟和临界点的求取问题。 3 电力系统电压稳 定问题的特点 电压失稳事故 通常是由两类系统变化引起的p :一类是系统运行参数的缓慢改 变， 如负荷或发电机的有、 无功功率随时间发生逐渐的变化; 另一类则是系统改变， 如线路因故障退出 运行，或者系统中的某个区域应为某种原因突然丧失大量无功支 持源。在故障发生之后，山于许多电压控制设备和保护系统的相互影响使得电 压失 稳多表现为比较慢的电压下降。另一方面，当线路两端电压相角差较大时，即使两 端的电压幅值差值再大，也不可能通过 该线路传输无功功率。而且根据 电力系统运 行要求，各点电压幅值应维持在1 士 5 % ( p . u . ) 的范围，这更增加了无功传输的难度。 另方面， 通过输电线路远距离传输无功功率会增加线路的有功损耗、降低线路的 华北电力人学硕十学位论文 有功传输能力。所以无功不适合远距离传输。另外， 所以，电 压失稳事故多表现出以下一些特点1 2 1 1 ) 电压崩溃前的系统往往处于重负荷运行状态， 系统运行备用( 特别是无功) 紧张，传输线潮流接近最大功率极限; 2 ) 电压崩溃起因可能不同: 系统负荷持续增加; 大的突然扰动; 失去发电机 组;线路重负荷:运行人员在处理非正常工况过程中判断错误，误操作，使事故扩 大等。有时一个表面平静无事的扰动也可能导致事故扩大，最终引起 电压崩溃。 3 ) 电压崩溃问题的核心是系统满足无功需求的不稳定。通常 ( 但不都是这 样) ，电压崩溃包括系统具有重负荷线路的情况，当从邻近区域传输无功功率发生 困难时，再要增加无功功率支持就可能导致电压崩溃。 4 ) 低电压下， 线路距离保护动作， 使并行输电线相继跳闸;发电 机励磁限制 器动作，引起发电机级联跳闸;低电压情况下， o l t c 动作， 恢复二次侧负荷，使一 次系统电压进一步跌落。这些是电压崩馈的重要机理。 5 ) 电压崩溃通常显示为慢的电压衰减， 这是由于许多电压控制设备和保护系 统作用及其相互作用积累过程的结果。电压崩溃过程可持续几分钟量级。有些电压 崩溃动态时间为儿秒钟量级，这样的事故通常是有不利的负荷成分 ( 感应电动机、 直流换流器)引起的。这种电压不稳定的时间框架与转子角不稳定时间框架相同。 在许多情况下，电 压不稳定和转子角不稳定是相互祸合的。 6 ) 电压崩溃可能因过分使用并联电容补偿而恶化。 通过并联电容器、 静止无 功补偿器和同步 调相机的合适选择和协调才能使无功补偿最有效。 7 ) 继电保护、低频减载等缺乏协调足导致电压不稳定发展的 一 个重 v-原因。 4 电压分级控制系统 针对电压分散控制的不足， 各国开始研究从全局进行电压控制的方案. 1 9 7 2 年， 法1 :) 的研究人 员在闲际大电网 ( c i g r i ; )会议 首次提出了以先 f 1点和控制、域 为基础的电j :i l l 分级控制方案，这是电)f i,. 个局拧制和局部控制相结合的拎制方案。随 后在法国，意大利，西班牙等地把分级控制方案运用到实际中，取得了很好的效果 h n u 5 n 1 6 1 o 7 1 1 18 1 。电 压分级控制方案突破了 传统的分散电压控制的局限性，以系统的安 全、稳定、经济运行为控制目 标， 所以 被认为是预防和维护电压崩溃和系 统内 无功 合理分布的有效手段，受到了各国电力专家的 热切关注。 分级i 匕 1 i. 抓 制原理0图 i 一i户 了 / j : ,即 一 级i包f r 控制 ( p r i m r l r y v o i t a g (, c o n t r o l ) ， 二级电压控制( s e c o n d a r y v o l t a g e c o n t r o l ) 和三级电压控制 ( t e r t i a r y v o l t a g e c o n t r o l ) 。 华北电力人学硕十学位论文 有功传输能力。所以无功不适合远距离传输。另外， 所以，电 压失稳事故多表现出以下一些特点1 2 1 1 ) 电压崩溃前的系统往往处于重负荷运行状态， 系统运行备用( 特别是无功) 紧张，传输线潮流接近最大功率极限; 2 ) 电压崩溃起因可能不同: 系统负荷持续增加; 大的突然扰动; 失去发电机 组;线路重负荷:运行人员在处理非正常工况过程中判断错误，误操作，使事故扩 大等。有时一个表面平静无事的扰动也可能导致事故扩大，最终引起 电压崩溃。 3 ) 电压崩溃问题的核心是系统满足无功需求的不稳定。通常 ( 但不都是这 样) ，电压崩溃包括系统具有重负荷线路的情况，当从邻近区域传输无功功率发生 困难时，再要增加无功功率支持就可能导致电压崩溃。 4 ) 低电压下， 线路距离保护动作， 使并行输电线相继跳闸;发电 机励磁限制 器动作，引起发电机级联跳闸;低电压情况下， o l t c 动作， 恢复二次侧负荷，使一 次系统电压进一步跌落。这些是电压崩馈的重要机理。 5 ) 电压崩溃通常显示为慢的电压衰减， 这是由于许多电压控制设备和保护系 统作用及其相互作用积累过程的结果。电压崩溃过程可持续几分钟量级。有些电压 崩溃动态时间为儿秒钟量级，这样的事故通常是有不利的负荷成分 ( 感应电动机、 直流换流器)引起的。这种电压不稳定的时间框架与转子角不稳定时间框架相同。 在许多情况下，电 压不稳定和转子角不稳定是相互祸合的。 6 ) 电压崩溃可能因过分使用并联电容补偿而恶化。 通过并联电容器、 静止无 功补偿器和同步 调相机的合适选择和协调才能使无功补偿最有效。 7 ) 继电保护、低频减载等缺乏协调足导致电压不稳定发展的 一 个重 v-原因。 4 电压分级控制系统 针对电压分散控制的不足， 各国开始研究从全局进行电压控制的方案. 1 9 7 2 年， 法1 :) 的研究人 员在闲际大电网 ( c i g r i ; )会议 首次提出了以先 f 1点和控制、域 为基础的电j :i l l 分级控制方案，这是电)f i,. 个局拧制和局部控制相结合的拎制方案。随 后在法国，意大利，西班牙等地把分级控制方案运用到实际中，取得了很好的效果 h n u 5 n 1 6 1 o 7 1 1 18 1 。电 压分级控制方案突破了 传统的分散电压控制的局限性，以系统的安 全、稳定、经济运行为控制目 标， 所以 被认为是预防和维护电压崩溃和系 统内 无功 合理分布的有效手段，受到了各国电力专家的 热切关注。 分级i 匕 1 i. 抓 制原理0图 i 一i户 了 / j : ,即 一 级i包f r 控制 ( p r i m r l r y v o i t a g (, c o n t r o l ) ， 二级电压控制( s e c o n d a r y v o l t a g e c o n t r o l ) 和三级电压控制 ( t e r t i a r y v o l t a g e c o n t r o l ) 。 华北电力人学硕十学位论文 图1 一1 分级电压控制的原理图 一级电压控制为本地控制，主要是无功电压控制设备，如发电机自 动电压调节 器 ( a v r ) 、静止无功补偿器 ( s v c ) .静止无功发生器 ( s t a t c o m )等。这些设备通 过维持电压或无功为设定值进行无功电压的瞬时快速调控 ，控制时间常数以秒记: 二级电压控制为区域控制，一般设置在区域调度中心。控制 目标是当系统中变 化相对缓慢的负荷变化 ( 相对一级电压控制)或者区域网络结构变化导致区域的先 导w ! ! i 电 压发生变化后，根据三级电压控制器确定的先导节点参考值电压，按照预 定的控制策略，以某种协调方式重新设置( j . 域内控制无功电源的电压参考值 ( r e f e r e n c e v a l u e ) ，以达到系统范围内良 好的运行性能，控制时间常数一般为几 分钟; 三级电压控制是电压分级控制中的最高层，属于全局控制。.l以 全系统的经济 运行为优化 目标，并考虑稳定性指标 。通过最优潮流计算 ，二级电) k 控制给出侮个 先f7 节 点的电 压 参考值( k 州 ) 以 达 到控制i 1 标， k 制时间 常数 般 为 ( 儿 分钟 到 儿 个小时。 图 1 - 2为分级电 压控制系统的组织结构图，从图中可以看出，每一层控制器 都有各 自的控制 日标 ，本层控制器接收其_ 卜一 层控制器的信号作为自己的林制目 华北电力大学硕十学位论文 标，并向下一层控制器发出控制信号。这种分级控制方式实现了控制的多目 标化， 各级都有各自的控制目标。每一级控制环节通过设置不同的控制时间常数使各控制 目 标的优先级别有所不同:一级电压控制环节的控制时间常数最小所以本级控制目 标的优先级别最高，相反三级电 压控制环节的控制时间常数最大所以其控制目 标的 优先级别最低，这样就可以在保证系统安全性的前提下实现系统的经济运行. 1翻魂翎唯绷 下|1丰?|苦|车r|上 区 域电 压 控制界3 ( s v c 3 ) 区城电 压 勺 句 月 纽 邪 pc 域电 压 控书粉t ( s v c l ) ( s v c 2 ) 电 力设 各 的自 动控 制装里 电 力设各 的自 动控 制装置 图 1 -2 分级电压控制的组织结构 5 二级电压控制系统国内外研究现状 在分级电压控制系统中，二级 电压控制是实现电压分级控制的重要 一环，它连 接着三级电压控制和其下的一级电压控制。其主要任务是以某种协调方式设置区域 内各自动电 压调节器 ( 一级电压控制器)的设定值，以达到在系统范围内合理配置 无功的目的。因此，二级电 压控制方法的研究是目前分级电压控制研究的核心，二 级电压控制器的原理如图1 -3 所示。二级电压控制的主要问题有:控制区域划分、 先导节点选择、控制策略研究。 华北电力大学硕十学位论文 标，并向下一层控制器发出控制信号。这种分级控制方式实现了控制的多目 标化， 各级都有各自的控制目标。每一级控制环节通过设置不同的控制时间常数使各控制 目 标的优先级别有所不同:一级电压控制环节的控制时间常数最小所以本级控制目 标的优先级别最高，相反三级电 压控制环节的控制时间常数最大所以其控制目 标的 优先级别最低，这样就可以在保证系统安全性的前提下实现系统的经济运行. 1翻魂翎唯绷 下|1丰?|苦|车r|上 区 域电 压 控制界3 ( s v c 3 ) 区城电 压 勺 句 月 纽 邪 pc 域电 压 控书粉t ( s v c l ) ( s v c 2 ) 电 力设 各 的自 动控 制装里 电 力设各 的自 动控 制装置 图 1 -2 分级电压控制的组织结构 5 二级电压控制系统国内外研究现状 在分级电压控制系统中，二级 电压控制是实现电压分级控制的重要 一环，它连 接着三级电压控制和其下的一级电压控制。其主要任务是以某种协调方式设置区域 内各自动电 压调节器 ( 一级电压控制器)的设定值，以达到在系统范围内合理配置 无功的目的。因此，二级电 压控制方法的研究是目前分级电压控制研究的核心，二 级电压控制器的原理如图1 -3 所示。二级电压控制的主要问题有:控制区域划分、 先导节点选择、控制策略研究。 华北电力人学硕十学位论文 先 导 节 点 电 压 发钵 i 奋 与因子 -01,kuh g 靛 值 切 发 电 机 : 区 域电 网 - 一价 一 争 发 电 机 计 1 发 电 机 0 2 图 1 -3 二级电压控制的原理图 5 . 1 控制区域划分 最简单最直观的电力网络分区可以根据地域或电网所属的电力公司来划分，但 这样的分区没有考虑系统的电气特性，而且可能导致控制区域中无功电源不足，同 1 时区域之间的祸合度高，不适于系统分析和运行控制。 k i 前电压控制区域划分的基本准则是电力系统各节点间的电气距离，主要满足 以 卜3 个条件: 1 )域之间要相互解祸; 2 )区域中要有足够的无功电源; 3 ) ix域内的先导节点要能反映区域的电压水平。 山此，研究人员提出了多种分x力 一 法。文献 1 9 1 根据其定义的 “ 电气n j 离” 使 用信息论理论对系统进行电压控制区域划分。这种方法是利用潮流方程形成灵敏度 矩阵，以此得到任意两点之间的祸合度，通过祸合度定义节点之间的电气距离，电 气跟离反映了两个节点之间的祸合程度。文献 2 川提出了利用a分解的嵌套算法进 行， 匕 月控制区域划分。其主要是以图论为基础，这种算法把系统的变量用图的竹 点 表小，各个变, - a. r i. 间的相几 _ 关系用连接相应 竹 点的边表示，各个变量之l ii l 的祸合强度 用赋予每一条边的 权重系数表示， 从而可以将一给定系统用图的形式表示出来。然 后确定一个门槛值a，消去图中那些权重小于a的边，并对完成消去操作后图的节 华北电力人学硕十学位论文 先 导 节 点 电 压 发钵 i 奋 与因子 -01,kuh g 靛 值 切 发 电 机 : 区 域电 网 - 一价 一 争 发 电 机 计 1 发 电 机 0 2 图 1 -3 二级电压控制的原理图 5 . 1 控制区域划分 最简单最直观的电力网络分区可以根据地域或电网所属的电力公司来划分，但 这样的分区没有考虑系统的电气特性，而且可能导致控制区域中无功电源不足，同 1 时区域之间的祸合度高，不适于系统分析和运行控制。 k i 前电压控制区域划分的基本准则是电力系统各节点间的电气距离，主要满足 以 卜3 个条件: 1 )域之间要相互解祸; 2 )区域中要有足够的无功电源; 3 ) ix域内的先导节点要能反映区域的电压水平。 山此，研究人员提出了多种分x力 一 法。文献 1 9 1 根据其定义的 “ 电气n j 离” 使 用信息论理论对系统进行电压控制区域划分。这种方法是利用潮流方程形成灵敏度 矩阵，以此得到任意两点之间的祸合度，通过祸合度定义节点之间的电气距离，电 气跟离反映了两个节点之间的祸合程度。文献 2 川提出了利用a分解的嵌套算法进 行， 匕 月控制区域划分。其主要是以图论为基础，这种算法把系统的变量用图的竹 点 表小，各个变, - a. r i. 间的相几 _ 关系用连接相应 竹 点的边表示，各个变量之l ii l 的祸合强度 用赋予每一条边的 权重系数表示， 从而可以将一给定系统用图的形式表示出来。然 后确定一个门槛值a，消去图中那些权重小于a的边，并对完成消去操作后图的节 华北电力大学 硕十学 位论文 点重新安排， 将其中不相连的各个子系统分出来，则这些子图实际上就是相互间祸 合强度小于或等于a 的子系统。 这种方法也叫a 分解方法。 由于两节点的拐合程度多少算 “ 强”多少算 “ 弱尸 ，这是一个人为的概念;对 于嵌套的a分解算法 ，不同的a值对应了不同数目的区域个数，这是就需要人为确 定合适的区域个数。因此文献 2 2 1 在提出的基于电气距离概念的向 l 分级归类的自 动分区算法基础上，又基于电力系统专家知识对算法自 动分区结果进行调整和优 化，从而进一步保证了系统分区的合理性。 5 . 2 先导节点选择 由于电力系统中无功电源节点少于系统中负荷节点的数目，因此电力系统是一 个不完全可控系统，即:通过无功电 源的调节，不能保证系统中所有的负荷节点的 电压偏移量都为零。因此在二级电压控制中需要选择一些可以反映本区 域电 压水平 的节点作为监控节点，由 此产生了 选择先导节点的问题。 二 级电压控制考虑的是系统的中期电压稳定，系统变量的变化是缓慢的，所以 可以 把系统方程线性化。线性化系统后可以得到如下方程: i a q .aq, i一 b , bi,(, a vb, b(icilav(; (i 一 i) 其中 v , - a q ,， 分 别是发电 机节点的 电 压和无 功 变化，a v ,_, a q . 是 负荷 节点 的电 压 和无 功变 化 b u ., 凡 。 、 凡: 、 b ,;t: 为 灵敏 度 矩阵， 即 潮 流方 程 雅可比 矩阵中 和电 压无 功相关的部分。 在电压控制区内的先导节点数确定后， 就需考虑哪些负荷节点可被选为先导节 点。实际上，所选出的先导节点应具有以下性质:当 先导节点的电压保持不变时， 系统中出现的任何无功负荷变动造成的所有负荷节点静态电压偏移最小。参照方程 ( 1 一1 ) ，先导节点的上述性质可用如下的最小化问题表示 m i n (0 v , q o 片 )( 1 一 2 ) 式中q 为权矩阵，是对称阵，用以体现对系统中节点对电压变化的适应能力，即维 持系统中某些 节点的电压为定值比其他 节点更重要。为了提高先导节点的鲁棒性， 研究人员针对不同的负荷扰动模型提出了各自的目 标函数: 文献 2 3 在建立选择先 导节点的目 标函数时假设系统受到g a u s s 随机负荷扰动，其期望值为零，标准差正 比j 几 扰动前节点无功负荷;文献f 2 1 1 在建_.j _ 选择先导节点的目 标函数时进一 步考虑 到无功负荷的变动包括多种形式，可以是单y 点的无功负 荷变动，也可以是多个 节点无功负荷变动的组合。 式 ( 1 -2 )是一个典型的组合优化问题，其 目标函数值与先导节点的选择 ( 数 华北电力大学 硕十学 位论文 点重新安排， 将其中不相连的各个子系统分出来，则这些子图实际上就是相互间祸 合强度小于或等于a 的子系统。 这种方法也叫a 分解方法。 由于两节点的拐合程度多少算 “ 强”多少算 “ 弱尸 ，这是一个人为的概念;对 于嵌套的a分解算法 ，不同的a值对应了不同数目的区域个数，这是就需要人为确 定合适的区域个数。因此文献 2 2 1 在提出的基于电气距离概念的向 l 分级归类的自 动分区算法基础上，又基于电力系统专家知识对算法自 动分区结果进行调整和优 化，从而进一步保证了系统分区的合理性。 5 . 2 先导节点选择 由于电力系统中无功电源节点少于系统中负荷节点的数目，因此电力系统是一 个不完全可控系统，即:通过无功电 源的调节，不能保证系统中所有的负荷节点的 电压偏移量都为零。因此在二级电压控制中需要选择一些可以反映本区 域电 压水平 的节点作为监控节点，由 此产生了 选择先导节点的问题。 二 级电压控制考虑的是系统的中期电压稳定，系统变量的变化是缓慢的，所以 可以 把系统方程线性化。线性化系统后可以得到如下方程: i a q .aq, i一 b , bi,(, a vb, b(icilav(; (i 一 i) 其中 v , - a q ,， 分 别是发电 机节点的 电 压和无 功 变化，a v ,_, a q . 是 负荷 节点 的电 压 和无 功变 化 b u ., 凡 。 、 凡: 、 b ,;t: 为 灵敏 度 矩阵， 即 潮 流方 程 雅可比 矩阵中 和电 压无 功相关的部分。 在电压控制区内的先导节点数确定后， 就需考虑哪些负荷节点可被选为先导节 点。实际上，所选出的先导节点应具有以下性质:当 先导节点的电压保持不变时， 系统中出现的任何无功负荷变动造成的所有负荷节点静态电压偏移最小。参照方程 ( 1 一1 ) ，先导节点的上述性质可用如下的最小化问题表示 m i n (0 v , q o 片 )( 1 一 2 ) 式中q 为权矩阵，是对称阵，用以体现对系统中节点对电压变化的适应能力，即维 持系统中某些 节点的电压为定值比其他 节点更重要。为了提高先导节点的鲁棒性， 研究人员针对不同的负荷扰动模型提出了各自的目 标函数: 文献 2 3 在建立选择先 导节点的目 标函数时假设系统受到g a u s s 随机负荷扰动，其期望值为零，标准差正 比j 几 扰动前节点无功负荷;文献f 2 1 1 在建_.j _ 选择先导节点的目 标函数时进一 步考虑 到无功负荷的变动包括多种形式，可以是单y 点的无功负 荷变动，也可以是多个 节点无功负荷变动的组合。 式 ( 1 -2 )是一个典型的组合优化问题，其 目标函数值与先导节点的选择 ( 数 华北电力大学硕十学位论文 学上通常表示为矩阵形式)相关。对该问 题的精确求解应对所有可能的先导节点组 合进行评估，所以当系统规模过大时会耗费大量机时。对于这样一个问题，研究人 员提出了多种解决办法， 其中有贪婪算法1 2 4 11 2 5 1 和模拟退火算法1 2 6 1 等算法， 这些算法 在一定程度上解决了计算速度的问题。 5 . 3 控制策略研究 这部分主要研究在负荷扰动的情况下， 如何协调发电机等无功电源以使先导 节 点电压变化最小，从而达到抑制电压波动或提高全系统的电压稳定性的目的。 其控制系统设计应满足以下基本要求: 1 )正常情况下通过调节各电压控制器的整定值控制受控区域的无功电压至优 化状态; 2 )调节过程中应确保控制设备在安全稳定的范围内运行; 3 )在负荷急剧变化或系统发生故障造成电压异常的紧急情况下，能迅速调节 就近的无功电压控制设备，使节点电压尽快恢复至正常范围; 电压控制可以通过装设在各个控制发电机上二级电压控制器来实现。其主要过 程为:由先导节点的电压偏差得到区域无功控制信号，这个控制信号从区域调度中 心直接传递给区域内每一台 控制发电 机，按照预先设计好的控制规律调整发电机的 无功出力。 随着对分级电压控制规律研究的深入， 中外学者提 出了多种控制策略。 文献 2 3 1 针对早期二级控制器给出的控制信号没有考虑到一级电压控制设备的运行限制的 问题，提出在调节无功功率的大小时应根据各控制发电机的无功裕量大小进行分 配 。 文献 2 7 1 2 8 1 将基于多a g e n t 的协调机制技术应用于电力系统电压控制器的设 c 1- . a g e n t足对过程运行中的决策或控制任务进行抽象而得到的 ， 种具有主 动行为 能力的实体，它可以利用数学计算或规则推理完成特定操作任务， 并通过消息机制 与过程对象及其他a g e n t 交互以完成信息传递与协调。多a g e n t 的控制系统的主要 特点是自治、协调四，这非常符合分级电 压控制的要求。 卜 述方法具有可以对系统电压进行实时闭环控制的优点 ，但 由于控制策略和参 数己预先给定，所以如果实际运行中出现设计中没有考虑到的情况时其控制效果会 变差。 针对 l 述缺点，研究人员提出了电压的在线寻优控制方案。在线寻优是山 先计 省 点的电压偏差作为区域无功控制信号，在区域调度中心利用小型或大型机计算出 各个无功电 源的应具有的电 压和无功出力，把计算后的控制信号送到各个无功控制 器，改变无功电源的无功出力。 华北电力大学硕十学位论文 学上通常表示为矩阵形式)相关。对该问 题的精确求解应对所有可能的先导节点组 合进行评估，所以当系统规模过大时会耗费大量机时。对于这样一个问题，研究人 员提出了多种解决办法， 其中有贪婪算法1 2 4 11 2 5 1 和模拟退火算法1 2 6 1 等算法， 这些算法 在一定程度上解决了计算速度的问题。 5 . 3 控制策略研究 这部分主要研究在负荷扰动的情况下， 如何协调发电机等无功电源以使先导 节 点电压变化最小，从而达到抑制电压波动或提高全系统的电压稳定性的目的。 其控制系统设计应满足以下基本要求: 1 )正常情况下通过调节各电压控制器的整定值控制受控区域的无功电压至优 化状态; 2 )调节过程中应确保控制设备在安全稳定的范围内运行; 3 )在负荷急剧变化或系统发生故障造成电压异常的紧急情况下，能迅速调节 就近的无功电压控制设备，使节点电压尽快恢复至正常范围; 电压控制可以通过装设在各个控制发电机上二级电压控制器来实现。其主要过 程为:由先导节点的电压偏差得到区域无功控制信号，这个控制信号从区域调度中 心直接传递给区域内每一台 控制发电 机，按照预先设计好的控制规律调整发电机的 无功出力。 随着对分级电压控制规律研究的深入， 中外学者提 出了多种控制策略。 文献 2 3 1 针对早期