（电力系统及其自动化专业论文）基于分区控制的电力系统电压稳定性研究.pdf

浙江人学硕1 学位论立 第一章绪论 1 1 电压稳定研究的重要意义 随着社会的快速发展，科技的不断进步，为满足人们f 1 益增长的电力需求， 世界各地的电力事业都在迅猛前进，不断出现新气象：就国内而言，单台发电机 组容量已由过去的1 5 万千瓦，上升到3 0 万、6 0 万和l o o 万千瓦，电力系统装 机容量由1 9 8 7 年的1 亿千瓦，飞速发展到2 0 0 5 年1 2 月2 9 日突破5 亿大关，从 1 9 9 6 年开始稳居世界第二位；配电网络电压等级不断攀升，5 5 0 千伏以上高压产 品逐年都有大幅增长，能源上已经遍及煤、水、气、风、核以及光能发电，这一 切都是让人可喜而又激动的，但与此同时，这个庞大的电力系统也给我们带来了 很多“意外”，系统越庞大，就越复杂，发生重大事故的可能性就越大，随之二 来则是巨大的经济损失。电力系统发生事故的原因很多，电压失稳就是其中非常 重要的原因之一，从上个世纪七十年代丌始，世界各地发生了多起由于电压崩溃 而导致的大停电事故。3 ，如1 9 8 5 年美国佛罗里达州南部系统和1 9 8 6 年加拿大温 尼伯湖地区 f v d c 系统由于暂态失稳导致电压崩溃，1 9 8 3 年在瑞典、1 9 8 7 年在日 本东京和同年在法国西部发生了由于长期电压失稳导致的电压崩溃事故等，它们 所造成的经济损失和社会影响是难以估量的，在国内虽然没有发生重大事故，但 是由于电压失稳而导致部分地区断电也是发生过的，因此电压稳定问题的研究越 来越受广大电力工作者和学术界人士的关注，也取得了相当多的研究成果。 电压稳定问题是与社会经济发展而带动的电力系统发展密切相关，比如由于 以往认识不够，或是经济原因，造成现有的电网结构相对来说比较脆弱，有功、 无功备用不足，加上由于社会经济快速发展而引起的长期重负荷运行，使系统时 常运行在输送功率极限状态，大大增加了系统运行的风险，一旦系统遭受扰动时， 很可能导致系统电压失稳，发生重大运行事故。如何判断电压是否稳定，我们一 般运用这一准则1 ：正常运行情况下，对于系统中的任意母线，电压值随该母线 注入无功功率的增加而升高；如果系统中，有条或一条以上的母线，其母线电 压幅值随无功功率的增加而降低，则该系统是电压不稳定的。电压崩溃更为复杂， 第一章绪沦 期门j 夹杂着电压失稳和功角失稳两方面，电压崩溃会使系统中一些母线电压大幅 度、持续性下降，进而破坏整个系统，用户断电，产生严重后果。 不仪仅是电压崩溃会给生产、生活带来严重影响，电压质量的下降，频繁波 动，也会造成电器运行寿命的缩短。在功率不变的情况下，系统电压降低，发电 机的定子电流将随着功率角的增大而增大，如果在电流源达到额定值的时候，电 压降低后，会使电流源超过额定值。为使发电机定子绕组不至于过热，就必须减 少其所发出的功率，同理，电压降低后，也不得不减少变压器负荷。而系统用户 中占很大比例的异步电动机，由于电压降低，使其转差率增大，绕组中电流增大， 温升增加，导致效率底下，寿命缩短；同时用户也会受到影响，如白炽灯的发光 效率低，用户的电热设备会减少发热量，电炉的有功功率与电压成平方比，电压 降低使钢厂的电炉功率大大降低，影响冶炼时间和冶炼的产品质量，电压降低也 会影响无功补偿设备，使系统无功减少，推动了电压失稳。电压降低不仅仅影响 用户正常的生产、生活，对于电厂本身来说也是不利的，异步电动机转速的下降， 使它拖动的常用机械出力变小，进而影响发电机组的出力。如果电压升高，很多 电气设备的绝缘会遭到破坏，照明设备在高压下工作，其寿命大大缩短，还会导 致变压器、电动机损耗增加、温升增加。 1 2 电压稳定的研究现状 同功角稳定问题相比，电压稳定问题的研究历史比较短，由于无功和电压关 系密切，系统的电压水平主要是由无功功率维持的，所以目前防止电压崩溃措施 的研究还是集中在电压无功控制上，无功功率已经成为电力系统稳定运行的重 要因素之一。 对于电压稳定的研究主要包括以下几方面的工作：解释电压崩溃的机理和物 理过程；分析对电压稳定有重大影响的因素；建立适于分析各类电压稳定的数学 模型；研究电压稳定的各种分析方法；确定判别电压稳定的各种指标。其中在研 究电压稳定的分析方法时，可以将各种方法分为两类，一类是静态分析方法，另 一类是动态分析方法，之所以这样分类是因为，电压稳定的早期定义认为在p v 曲线的捌点处将发生电压崩溃，由于电压稳定研究中一般假设系统不会发生功角 浙江大学坝上学位论义 失稳，所以忽略发电机的动态特性；而很多情况下负倚可以用衡功率表示或仅考 虑电压静态特性，于是将网络的极限传输功率作为系统的电压稳定极限，在分析 过程中采用潮流计算模型，所以称之为静态分析法。如果需要考虑电压的动态特 性，则在分析中就需要采取动态微分方程，这种分析方法就是动态分析法，目前， 电压稳定的静态分析法已逐渐趋于成熟。 静态电压稳定分析法是基于潮流计算方程的，而潮流方程在临界点，由于雅 可比矩阵的奇异，会有一些特殊性质，因此不同的静态分析法只是选取不同的特 征作为判断电压稳定临界点的判据。现有的静态分析方法有：功率裕度法、灵敏 度法、非线性规划法、奇异值分析法、连续潮流法、最近电压崩溃法等。现有的 动态分析方法有：小扰动电压稳定分析、暂态电压稳定性分析方法和长期电压稳 定性分析方法。 目前关于静态分析方法的研究比较多，且在实践中广泛应用，通过静态分析 方法得到的系统极限运行状态在指导调度方面起到重要作用。但是它有个缺点， 就是不能反应各个元件的动态特性，直接将电力系统的潮流极限作为小于扰电压 稳定的极限点，完全抛弃了事关稳定性存在与否的系统动态方程，因此这仅是电 压稳定的必要条件，而非充分条件，其理论基础不扎实，争议性较强。而动态电 压分析方法考虑了元件的动态特性，更能揭示电压失稳过程的本质，因此逐渐受 到了重视。 1 3 电压稳定性分析的展望 电压稳定的研究已经持续二十多年，这些年里取得了很多的成果，但是由于 问题本身的复杂性，使得在很多方面仍需继续探索。： l 、电压稳定性分析的模型。建模是电力系统中的一个难点，电压稳定的负荷模 型比功角稳定的更为复杂，虽然现有的建模方法很多，但都是在复杂性和合 理性之间进行折中的，没有兼顾二者，因此目前建模方面期待着一个由复杂 到简单的过渡过程。 2 、电压稳定性分析的方法。由于静态分析方法和动态分析方法各有千秋，又各 有不足，所以在运用静态分析方法时要把握其应用范围和适用条件；对于动 态分析方法应设法降低系数矩阵的阶数，识别并保留对电压稳定影响贡献大 第一章绪论 的元件，正确确定需要加以详细描述的元件模型。 3 、电压稳定性的控制措施。由于电压稳定涵盖几乎系统内所有元器件，现有的 r 巳压稳定指标又都采用了不同程度的简化，因此其准确性、合理性还需验证， 目前迫切需要开发一种基于动态模型，具有实际物理意义和良好的线性，并 遁合在线应用的指标。 1 4 本文的工作 本文主要从分解一控制的角度出发，着重研究了二级电压控制中关于电压 无功分区控制的一些问题，主要内容有： 首先论述无功功率与电压稳定性的关系，并就电压稳定的定义、电压稳定的 机理和电压稳定的预防校正措施进行了说明，从预防校正措施的分析中阐明 了无功功率的平衡对于保持电压稳定的重要作用，并进一步就无功优化的基 本问题进行了分析。 由电压无功控制各种措施的利弊引出如何将这些控制方法在大系统中协调 发挥作用的问题，经分析提出了采用基于电压分层、分区控制的全局电压控 制系统，并就二级电压控制的原理、方法等进行了阐述。 在进行二级电压控制分区时，改进原有的基于图论的口动态分区法，并给出 了一种有效的电压分区数的确定方法，在分区过程中，提出了在电压崩溃点 附近选取分区点进行分区，其紧急状态下分区控制效果更明显的思想。 根据提出的在临界状态附近选取分区点的思想，分析了电压临界状态求取方 法，确定中枢节点，进行二级电压控制。 第二章电力系统r u 压稳定o 无功优化 生电压不稳定，可用p - v 曲线或q - v 曲线进行解释。静态失稳过程比较缓慢，电 压崩溃发生点往往与潮流方程的明卵# 嬲印似! 嫠烈墨型辔旦一攒翅。磊磐耄霹 黜箸陧携编；涮燥 6 | j 岩崂溺。 攀pv 如车毒妻 娶1 蝴岳苏弼霸薪拼基蟊型群棼基翻渐蝌莨彰孵越二萄嚆蔫濯舄淫鲳 薪辨拢嬲稻驷弼j 国弼俚灞逛溥薯嘭j 岢 滞嵯卿：骷盛帮曝g 于厂站级的变压器和电容器按照九区图基本 原理分时段协调配合控制，电压限值根据逆调压规则确定，即高峰时电压下 限偏高，低谷时电压上限偏低，实现逆调压。 区域电压控制：响应时间也在数十秒，控制区域中枢厂站的无功设备， 校正或优化区域的整体电压水平。区域整体电压水平受相应枢纽厂站无功设 备的控制，是区域整体无功平衡结果。结合实时灵敏度分析和自适应区域嵌 套划分确定中枢厂站。当区域内电压普 遍偏高或偏低时，调节中枢厂站无功 补偿设备，以尽可能少的次数，使最大 范围内电压合格，或得到优化，避免 两极主变调节振荡。 区域无功控制： 响应时间较长，为5 m i n 1 5 m i n ，全面协调控制，使线 路无功最小，网损最少。 对于，卜述三种控制模式，全局电压控制系统根据电压无功空间分布选择控制 模式，优先级为： 区域电压控制 就地电压控制 区域无功控制。电压越限时自动 选取“区域就地 以此保证电压合格，当电网电压满足要求后就需要 x 浙江人学颀t 学位论文 当电力系统某一负荷节点无功功率不平衡对该节点电压的导数小于o 时，该节点 的电压是稳定的；大丁0 时则是电压不稳定的；等于o 的状态对应于静态电压稳 定临界点。 如图2 3 给出了系统中向某一负荷书点供电的电源无功功率静态电压特性 曲线如和负荷的无功功率静态电压特性曲线研。正常运行时该点输入、输出的 无功功率平衡，即运行于q 。和g 的交点，由于有两个交点，因此用小下扰法确 定是否系统均可稳定运行。 q ( u ) 图2 3 罟磐判据的概念 日u 在点1 运行时，如果一个微小的扰动使该节点电压略微下降，则负荷需 要的无功将改变到与l 对应的值，电源供应的无功功率将改变为与1 对应的值， 该节点的无功功率将有过剩，电源向该节点输送的无功将减少，网络中的电压降 落也相应的减少，该节点电压又恢复到初始值，当系统中出现微小的扰动使该节 点电压略微上升时，则该节点无功功率将有缺额，迫使电源多送无功功率，网络 的电压损耗相应增大，导致该节点电压下降恢复到初始值，因此，在点1 运行时 电压是静态稳定的。 第二章电力系统屯雎稳定与无功优化 在点2 运行时的情况完全不同了，用相似的方法i 叮以得到，_ 2 电压不稳 定的结论。 二、电压稳定的动态特性 电压稳定的动态特性比较复杂，其复杂性在于涉及到电力系统众多元件的动 态特性，主要分为以下4 个简化问题：发电机、有载调压器、继电保护、负荷等。 2 4 电压稳定的预防校正措施 虽然与功角稳定相比，电压稳定的研究历史比较短，并且至今为止关于电压 稳定的问题大多建立在电压无功控制基础上，但通过多年研究，已取得许多成 果，目前防止电压失稳的措施可以分为三大类1 ：预防控制、校难措施、紧急控 制措施，下面将就这三方面进行讨论。 预防控制 预防控制是在扰动并未发生时就作用，从而将系统的工作点向稳定域内 部移动的一种措施，是在规划阶段所要考虑的，因此主要研究的问题是系统 的无功优化，包括无功功率补偿容量的确定和无功补偿设备的运行方式等。 在下一节中将就无功优化问题进行综合论述。 校正措施 校正措施是在系统运行过程中实时进行的，其作用是防止电压失稳初始 状态的出现。这一类的措施主要依靠系统电压无功调整，也就是改变运行 中电压无功控制设备的可控参数。文献1 6 从提高电压稳定性的角度研究 了一种新的无功调度方案，使指示系统电压稳定程度的指标达到最优，并 按此重新进行无功调度。文献4 利用灵敏度分析确定相应的校正措施，并 运用仿真方法验证其有效性。文献5 采用模糊控制技术，通过协调补偿电 容和有载调压变压器分接头的控制，提高系统的电压稳定性。还有文献则 利用g p s 研究了基于同步测量电压相量的静态电压稳定分析法，提出了基 于电压向量的静态电压稳定指标，并利用该指标初步讨论了防止电压失稳 的实时控制策略。电压的分层分级控制是近些年来提高系统电压稳定性的 热点控制系统，它首先出现在法园，现在欧洲很多国家已投入使用。 浙江人学硕i 学位论史 此需要装设大量的无功补偿设备使得q 。一q 一绞；o 其中q “为发 电机和补偿设备共同提供的无功源，如图2 4 所示，罗现为负荷需求的无功功 率，q ：为系统无功损耗包括变压器无功损耗、线路电抗无功损耗、线路电纳无 功损耗，q g 。为系统实际所能提供的无功功率，q 。为系统额定状态f 所能 提供的无功功率，“是系统正常电压水平。和有功功率一样，系统中也应保持 一定的无功功率备用，否则负荷增大时，电压质量无法保证。 口 2 5 3 无功优化模型 经典数学模型 v ” v 图2 4 无功功率平衡图 m i n ，( “，工) j g ( ，x ) ；0 ( 2 5 ) ( “，x ) eo 其中控制变量“为认为调节的变量，包括：p q 发电机节点的无功功率、可调变压 器的抽头位置、无功补偿设备的容量及p v 和平衡节点的电压模值。状态变量x 包 括除平衡节点外其他所有节点的电压相角、除发电机或具有无功补偿设备的节点 的电压模值。目标函数是多种多样的，如以系统总网损最小为目标、以系统总电 压偏移量最小为目标等，现有的其他模型都是在经典模型基础上演变而来。 第二二章电力系统电压稳定与无功优化 2 5 4 无功优化方法的分类 无功优化问题是从最优潮流的发展中逐渐分化出的一个分支l u j 题，是一个复 杂的非线性规划问题，从式( 2 5 ) 的模型可以看出其目标函数与约束条件的非 线性、控制变量的离散性与连续性相混合特点，因此到目前为止还没有一种切实 可行、快速完善的无功优化方法。目前常用的有：非线性规划法、线性规划法、 混和整数规划法、人工智能法及动态规划法等。 1 ) 非线性规划法( n o n li n e a rp r o g r 咖i n g ) 非线性规划法是处理无功优化最直接的方法，计算精度高，物理概念清晰。 其形式为设定一个目标函数，以节点功率平衡为等式约束条件，利用引入松弛变 量的方法将不等式约束条件转换为约束条件，然后运用拉格朗日乘数法构造增广 的目标函数，根据k u h n t u c k e r 条件将问题转变为求解一组非线性代数方程组。 2 ) 线性规划法( l i n e a rp r o g r 锄j n g ) 线性规划法理论基础成熟，收敛可靠，计算速度较快，对各种约束条件的处 理简单。主要是找到一种有效的规划建模方法，使模型能够较为准确的反映原来 的非线性无功优化问题，并用一种有效的线性规划求解方法，使得到的优化结果 精度满足工程实际需要。 3 ) 混和整数规划法( m i x e d i n t e g e rp r o g r a 咖i n g ) 该方法能够有效地解决优化计算中变量地离散性问题，通过分支定界法不 断定界，以缩小可行域，逐渐逼近全局最优解。 4 ) 人工智能法( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 主要包括专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 、神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) 、遗传算法( g e n e t t ca l g o r i t h m s ) 、模拟退火方法( s i u l a t e da n n e a l ) 、 t a b u 搜索法、模糊集理论( f u z z ys e t ) 等。 遗传算法( g a ) ：遗传算法把自然界自然遗传和自然随机选择机制引 入到数学理论中，是一种概率搜索算法。利用某种编码技术作用于 被称为染色体的字符串，其基本思想是模拟由这些串组成的群体的 进化过程，核心操作是复制、交叉、变异。g a 在遗传迭代过程中任 意一代所得的最优解都可以作为整个问题的次优解，根据要求总能 浙江人学预p 学位论文 给出一个合理可行的无功优化解。该方法收敛性好，适应十牛强，可 达到全局最优。 模拟退火算法( s a ) ：是模拟加热熔化金属的退火技术来寻找全局最 优解的有效方法。模拟退火方法用一个随机接受准则有限度地接受 恶化解。因恶化解中可能包含有导致优良解的基因片，使算法从局 部最优解中跳出，同时接受恶化解的概率慢慢变小，保证了算法的 收敛性。该算法的寻优能力比简单的遗传算法更强。 t a b u 搜索法( t s ) ：禁忌搜索是局部邻域搜索方法的推广，具有记忆 能力是t s 独创的特点之一，禁忌搜索算法的特点是采用了禁忌技术。 为了回避局部邻域搜索陷入局部最优的不足，t s 用一个禁忌表记录 下已经到达过的局部最优点，在搜索过程可以接受劣解，具有较强 的“爬山”能力，使得在搜索过程中能够跳出局部最优解。 混合算法：将g a 、s a 与t s 结合起来，采用模拟退火的接受概率来 提高简单g a 的收敛性，而t a b u 搜索算法用来寻找更优的解。g a 、 s a 与t s 混合的算法是一种很有j j i 途的人工智能算法，若能将该算法 和专家系统相结合，即用电力系统的特点指导搜索，将会得到令人 满意的效果。 5 ) 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a l l 咖i n g ) 动态规划法是数学规划地一个分支，其特点是从动态过程地总体上寻优，将 问题分阶段求解，每个阶段包含一个变量，尤其适合多变量方程。 2 5 5 无功补偿设备 电力系统常用的无功功率补偿设备”有：同步调相机、电力电容器、并联电 抗器、静止无功补偿器、静止调相机等。 同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机：在过励磁运行时，向系统供给感 性无功功率，起到了无功电源的作用；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功 率，起到了无功负荷的作用。对于装有自动励磁调节装冠的同步调相机，在端电 浙江人学预 学位论丈 i 以) )( c ) 1 c 中 图2 5 静止补偿器 ( a ) t c r 型；( b ) t s c 型；( c ) s r 型 不论何种类型的s v c ，之所以能作为无功源提供无功，都依靠补偿器中的电 容器，而电容器所产生的感性无功功率与其端电压的平方成正比，因此s v c 具有 同并联电 x 第二章l u 力系统j 乜堆稳定与无功优化 2 6 小结 图2 6 静i 调相机 本章主要讨论了电压稳定与无功功率之间的关系，首先介绍了电压稳定基本 定义，然后通过对时问框架上的两类电压稳定机理的说明，包括电压稳定的静态 特性和动态特性，解释了无功功率与电压稳定之间的密切关系，接着总结了现有 的电压预防校正措施，其中无功优化对电压稳定起到举足轻重的作用，因此又着 重分析了无功优化原理、优化模型和方法分类，还指明了各种无功补偿设备的优 缺点。通过本章叙述，为后面的讨论提供清晰的理论基础，为二级电压控制分析、 研究做好铺垫。 浙江人学硕上学位论文 3 1 引言 第三章电力系统全局自动电压控制 作为电力系统自动化的一个组成部分，电力系统电压控制是保证现代电力系 统正常运行的重要环节，由上一章的分析我们知道，电压与无功功率关系密切， 要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功 率的需求和损耗，而传统的电压控制主要依靠分散配置的无功电压控制设备以及 电压控制器来实现的，控制器仅采集控制设备附近的信息，进行电压控制，没有 全盘考虑系统运行状态，很难获得令全局满意的控制效果，近年来法国等欧洲国 家丌始采用分级电压控制方案，按时间和空间将电压控制分成多级，有效的提高系统的稳定性，使系统维持了较好的无功储备水平。 本章首先比较了现有的电压无功控制措旎的优缺点，从而说明分层分级电 压无功控制措施的优越性，进而提出三级电压控制系统，并就二级电压控制展 开了详细的讨论。 3 2 不同电压无功控制措施的比较 电力系统中电压无功控制措施很多，但是每一种措施的有效性和可行性对 环境因素依赖性很大，即系统状况不同，相同的措施会得到不同效果，下面先简 单介绍一下各种措施的优缺点： 1 同步电机 同步电机包括发电机和调相机，发电机是整个系统中最为重要的电压无功 控制设备，它的响应速度快，容量变化范围广，因此无论是正常运行时维持系统 电压水平，还是紧急情况下防止电压崩溃，发电机都有着举足轻重的作用。发电 机在向系统提供无功支持时，也是受到自身限制的：转子电流过负荷、定子电流 过负荷、功角稳定等。这些限制造成发电机在控制过程中的严重非线性，因此在 紧急状态下，应尽可能保持发电机继续运行，不会因受无功限制而被切除，旦 一台发电机被切除，就会产生连锁反应，其他发电机相继达到无功功率上限。另 第三章1 乜力系统全局自动电琏控制 外发电机的过负荷能力与其励磁调节回路的设计有着重要关系。同步调相机是用 来提供平滑电压控制的，在卜一章无功补偿设备中已经介绍过。 2 电力电容器、s v c 、静止调相机等 3 有载调压变压器 它是通过改变调节有载调雕变压器的分接头来改变变压器两边的无功功率 分配，进而使变压器压降改变，以达到调压的作用，在小扰动下，有载调压变压 器可以减少负荷侧的电压波动，降低负荷对电压的依赖性，但是在临界状态下， 有载调压变压器却对系统的电压稳定产生消极作用：在供电系统由于无功功率缺 乏而电压下降时，有载调压变压器不但不能供给无功功率，反而将无功功率的缺 额转嫁到高压侧电网，如果系统中很多这样的调压变压器同时动作，就非常可能 造成高压侧电网电压下降，甚至电压崩溃。因此通常会锁定有载调压变压器。 4 灵活交流输电技术“” 即所谓的f a c t s 技术，是由美国电力科学研究院电力专家h i n g o r a n i 博士于 1 9 8 6 年提出来的，1 9 9 7 年，在i e e ep e s 冬季会议上h i n g o r a n i 博士对f a c t s 定义为：所谓灵活交流输电系统，即是装有电力电子型或其他静止型控制器以加 强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。可见f a c t s 主要是在传统的交流 输电基础上，应用电力电子技术和现代控制理论，实现对交流系统参数、变量和 网络结构的快速灵活控制，达到合理分配输送功率，降低功率损耗的目地，提高 系统运行的安全性和稳定性。 5 切负荷 切负荷1 ”是最不希望使用的一种电压控制措施，只有在危急情况下才使用， t a y l o r 在文献6 中介绍了低电压切负荷的基本概念，并提出了控制方法，但提 出的负荷切除量是事先确定的固定量，无法考虑故障的特点。a r n b o r g 在文献2 l 中提出了一种基于动态负荷模型的低电压切负荷方案，同时计及了发电机和负荷 动念，在分析电压失稳的基础上提出了迭代算法。另外文献2 6 提出一个门槛值a 作为表征系统稳定性的指标，有效的克服了系统运行到临界状态时，雅可比矩阵 的奇异性。 通过上面的分析我们可以看出，各种电压控制措施都有其固有的优缺点，针 对不同的系统情况，需要进一步分析、选择。因此对于一个系统而言，它所采用 浙江人学硕_ 上学位沦文 的电压控制措施是多种多样的，如何选用一种控制方式，使众多的电压无功控 制措旖和控制设备更为协调的运行，就成了当今电压稳定问题中比较重要的一个 方面。对大舰模的电力系统而言，进行电压控制，一般要分层、分区控制，即所 谓的全局电压控制。 3 3 电压分层、分区控制 3 3 1 全局自动电压无功控制 1 全局自动电压无功控制的概念 实时全局电压自动控制( a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r 0 1 一a v c ) 原理是在分层、 分区空间解耦基础上，构建不同的a v c 控制模式，并且各个控制模式按响应周期 在时间上解耦。控制模式构建方法遵循商电压水平下无功分层分区平衡优化原 则，综合了厂站级九区图和区域级无功电压控制的优点，利用地区电网分片辐射 供电特点实现分区、分级协调、等值递推的实时优化控制，还利用了e m s 中建立 的电网模型和s c a d a 的实时数据，将地区电网划分为着干个辐射状无功电压控制 区，按控制区以实现网损最小为目标进行无功电压控制，另一方面，改进传统的 九区图方法，实现厂站级无功电压控制，保证在不具备进行区域无功电压控制条 件时的鲁棒性。对于a v c 控制模式之间的协调应该优先保证电压和功率因数约 束，然后再考虑系统网损。通过模式优先级和响应周期考虑控制动作次序问题， 可以避免控制过调或振荡”“”3 。 作为电网分析计算软件a v c 系统需要电网拓扑结果、设备电气参数和实时运 行数据等三类信息，同时作为闭环控制系统，还需要处理电网运行中出现的各种 异常信息，以及发送控制命令。a v c 系统由模型维护工具、无功电压综合分析计 算模块、命令执行模块以及结果显示模块组成o ，其体系结构如图3 1 所示 浙江大学颂 j 学位论文 考虑经济运行了，采用“区域无功控制”，图3 2 为控制流程图。 图3 2a v c 控制流程图 另外全局自动电压控制系统根据不同时间段电压无功的状态选择控制频 率。当负荷变化剧烈、频繁，出现同一控制周期多个厂站就地电压越限时，则要 同时启动就地电压控制；相反，若负荷平稳，电压质量良好时则采用序列分步投 切的方式启动区域无功控制。 在全局电压自动控制系统中，电压无功控制的主要策略就是分层、分区控 制。所谓分层控制”“就是将整个控制系统按控制性质、复杂程度和其他相关因素 划分为不同的控制层，将全系统的监视和控制功能分别由属于不同级别的控制层 来完成，只有属于全局的、综合的控制功能才由最高级别的控制层来完成。在各 个级之间，属于较低级别的控制层除了要完成应有的任务外，还需将处理过的有 关全局的信息传送到上一层，低级别的控制层应服从上一级的命令。因此如果将 一个大规模地区电网分为一个次输电网络和若干个配电网，每部分的规模都较 小，降低了优化问题的计算复杂度“。 电力系统电压无功的这种分层、分区控制方式决定了用以防止电压失稳的 组织结构也必然是分层、分区的。 3 3 2 分层、分区的电压无功控制 第三章电力系统全局自动电压控制 电压无功的分层分区控制中，将大规模动态系统分解成几个弱耦合的予系 统，针对各个子系统进行分析、控制，其效果较好，对电力系统电压无功控制 起到了非常重要的作用。这是因为，首先不同于系统的有功电源，系统中的无功 电源种类繁多，而且数量也多，对大系统中的所有无功电源同时进行协调控制是 不可能的；其次无功的传输是有限制的，线路上过多的无功传输会造成系统损耗 的增加，因而在实践中很少将无功进行大规模、远距离传输。因此在采用电压 无功控制措施改善系统的电压稳定性时，由于电压稳定现象自身具有的区域特 性，采用区域控制能有更好的效果，它可以使局部的变化不至于影响整个系统， 提高系统的可靠性。目前，典型的全局无功优化控制系统的组织结构有以下两种： 一、德国r w e 电力公司采用的两级组织 在该控制系统中，没有二级控制，三级控制直接通过一级控制发生作用。在 调度控制中心里，无功优化潮流基于s c a d a 、状悉估计和在线潮流等决策支持， 实时运行在e m s 的最高层次上，调度人员根据实时o p f 的计算结果下令调度系统 中的发电机无功出力和变压器分接头档位，来实现考虑运行约束的网损最小的全 局无功优化控制，一天控制几次，是一种开环的控制模式。 这种两级控制在实现中，主要有以下几个方面的缺点： 在最优潮流计算结果中，控制量多，调整幅度大，可操作性不好。尤其 是在开环控制模式下，完成一次完整的优化控制，要花费很长的时阳j ， 对调度人员的素质要求很高，较难推广。 最优潮流计算复杂性高，决策周期长，即使实现自动的闭环控制，控制 质量也难以满足要求，特别是当系统中发生大的扰动或突发性事故时， 由于响应速度慢，导致事故发生时系统的安全性无法保证，显然，在该 系统中，最重要的电压安全性控制未得至0 足够的考虑。 最优潮流运行在e m s 的最高层次上，对e m s 各软硬件环节的运行质量和 可靠性有十分苛刻的要求，任何一个环节运行异常都有可能影响优化结 果，因此直接以最优潮流汁 x 浙江大学倾 学位论立 1 7 次数约束、位于不i j 的电网层次( 发输配) 等等，仅仅依靠考虑静 态断面的最优潮流控制软件，无法协调这些复杂的实际凶素。 二、欧洲电力公司普遍采用的三级组织 各级的控制目标、控制方法及控制的响应时间如表1 示，在1 9 7 2 年围际大 电网会议上，b e r t i g n y 等人详细的介绍了电力系统电压无功分区控制方案的结 构，它是以“中枢节点”、“控制区域”为基础的，符合电压无功优化的区域性 和电力系统分层、分区调度体制的要求，现在已经在法国、意大利等国家付诸实 旌。 表3 1 三级控制的比较 控制目标控制方法响应时间 一级电压控制调整由负荷波动、网络切换和a v r 等一级电压控1 秒至几秒 事故引起的快速电压变化制 二级电压控制协调区域内的各改变中枢母线的电几分钟 一级电压控制压参考设定值 三级电压控制协调电网的二级电压控制 o p f 几十分钟 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 ) ：是系统中整个防止电压失稳控 制框架中，首先响应的控制系统，一般设置在发电厂、用户和各个供电点( 本地 控制l o c a lc o n t r 0 1 ) ，是比较快速反应的闭环控制，响应时间通常在1 s 到几秒 内，是由广泛分布在整个电力系统的各种现有的发电机的自动电压调节器组成， 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，以及有载调压分接头( o l t c ) 、快速自动投切电容器和电抗器等等， 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。在这级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值v 一来 补偿电压的快速而随机的变化。另外由于 浙江人学硕j 学位论史 压下降，引起连锁反应，导致全州电压水平下降，而另外一些地区的无功源又没 有被充分利用来阻止这现象的发生，最终系统发生电压崩溃。综合调动全系统 的无功源，最大限度的产生无功，并村无功潮流进行最佳的控制，是防止电压崩 溃事故的有效途径。 3 4 1 二级电压控制的基本原理 二级电压控制是一种区域控制( r e g i o nc o n t r 0 1 ) ，是实现电力系统电压分 级控制的重要一环，图3 4 为二级电压控制原理图。 q i l 谭堕q 商 一一婵慝 g 嗣 l j 圪 图3 4二级电压控制基本原理示意图 二级电压控制的主要目标是以某种协调的方式重新设置区域内各自动电压 调节器( 一级电压控制) 的参考值，使得各个节点电压满足运行要求。它以中枢 母线、控制区域的划分为基础的，将电力系统划分为若干个弱耦合的控制区 ( c o n t r o lz o n e s 或r e g i o n s ) ，区域内选择一个或多个最关键的电压母线，作为 中枢母线( p i l o tn o t e s ) ，中枢母线的电压需要具有一定的代表性，可以反应区 域内其他母线的电压状况，即当区域内各节点电压因受扰动发生变化时，如果将 中枢母线的电压恢复至干扰前的可接受水平，那么区域内其他节点的电压同样能 够得到恢复。每个区域的二级电压控制器按照接受三级电压控制的信号，保证中 枢母线的电压幅值在设定值附近，当中枢母线电压发生偏移，二级电压控制器根 浙江大学预十学位论文 ，k2 s l 耽+ 5 2 v g( 3 4 ) i a q g = s 3 q l + s 4 式( 3 - 4 ) 中表示各个无功电压控制、发备的电压控制变化量，s ，a q 。表 示无功扰动引起的负荷节点电压变化，s ：表示控制对负荷节点电压的影响。 由式( 3 4 ) 所表示的系统一般是不完全可控的。“，这是因为，式中系统的可控 性出矩阵_ s ：决定，该矩阵的维数是kx n 。，其中n 。为负荷节点数，为无功源 节点数。在实际的系统中，负荷节点数通常都远大于无功设备节点数，即一般都 有。，成立。而对于控制矩阵5 ：，它的秩在最佳的情况下为m i n ( n 。，n ：) ，因 此有r a n k ( s ：) s n 。c n 。，即控制矩阵5 ：的秩小于系统的状态变量数，系统的不 完全可控实际上表明，二级电压控制无法完全控制系统中所有负荷节点的电压。 由于系统中无功设备相对于负荷来讲是很少的，采用二级电压控制时，每一个电 压控制区内的无功设备更少。为充分利用无功设备的控制能力，一般情况下，电 压控制区内的无功设备都被选为控制机组参与调节，选择的余地很小。但是即使 所有无功设备都参与调节，电压控制区内的负荷数仍然远大于无功设备数。在最 好的情况下，当电压控制区内的负荷数与参与调节的控制机组数相等时，该电压 控制区才是完全可控的，但是这是不切合实际的，因此用选择中枢母线的方式进 行二级电压控制，具有一定的实用价值。 3 4 2 二级电压控制的工作分类 二级电压控制的主要工作一般集中在两个方面： 控制区域的划分和区域内中枢母线的选择。控制区域的划分和中枢母线 的选择结果对整个控制系统起到了决定性作用，因此在这方面的研究对 于二级电压控制发展至关重要，分区时基本要求是：区域内强耦合，区 域问弱耦合，以及区域内充足的无功备用。在进行区域划分过程中，尽 量考虑减少区域问的相互联系，将无功电压耦合度较大的节点划分在一 个电压控制区内。目前有很多学 第二三章电力系统全局自动电压控制 献2 3 提出电气距离的概念，并用基于电气距离的方法对电网的结构进 行分析，给出确定电网二缴电，k 控制分区和选择中枢母线的方法。在此 基础上，文献4 2 提出一种向上级归类的分区算法，并通过对子区域无 功电源储备指标的动态校验，保证系统分区结果的合理性和各个子区域 无功电压的可控性。文献3 2 用二级电压控制结构化模型推导出选择中 枢母线的优化目标，讨论了遗传算法在主导节点选择中的应用。文献4 0 将电气节点映射到r 维几何空间，提出一种电网分区的优化模型，然后 运用t a b u 搜索算法进行电压控制分区。文献3 6 利用图论的基本知识， 提出基于多阀值分解的电压控制分区算法。 电压控制器的设计。有了好的分区和中枢母线，没有好的控制策略也是 不能发挥二级电压控制的作用的，所谓的控制策略就是设计二级电压控 制器，其作用是根据中枢母线的电压偏差，按照某种预定的控制方式， 有效的调整区域内各控制发电机的自动调节器的参考电压设定值或其 他无功源的设定值，从而使得中枢母线的电压保持不变，维持良好的系 统电压水平。最早引入二级电压控制的欧洲国家大多实行分散的二级电 压控制，每个控制区域的二级电压控制器的控制采用经典的p i d 控制规 律，输入为区域唯一中枢母线的电压偏差，输出为控制信号。文献5 0 设计了一种基于极坐标二值模糊逻辑规则的模糊逻辑二级电压控制器， 将中枢节点的电压偏差及其微分作为模糊逻辑控制规则的前项输入，与 规则作用后，推出相应的电压控制信号，然后导入比例积分器，得到区 域无功控制信号。文献4 7 根据二级电压控制系统的特点和与离散系统 的关系，将二者结合一起，设计了一种离散二级电压控制器。文献2 2 将紧密联系的控制区域合并进行协调控制，提出协调的二级控制方法。 文献3 3 引入控制发电机无功裕量的大小作为参与因子，将子区域所需 无功在各个控制设备间合理分配，达到相互协调和补充的效果。 3 5 小结 本章主要针对电压无功控制对电压稳定性的影响进行了讨论，首先分析了 各种电压无功控制方法的利弊，从而引出如何将这些控制方法在大系统中协调 发挥作用的问题，解决这个问题的关键就是电压的分层、分区控制。然后根据这 第p u 章二级电压的分隧拎制 去了实际崽义；篇四各个控制区内中枢母线应能够真实的反映该区域的电压水 平；第五控制区中无功储备应满足控制术区域电压变化的需要。现有的分医方法 很多，多数是基于电气距离这一概念基础卜，本文在原有的动态。值分区法上加 以改进。 4 2 1 电气距离映射函数 电气距离的定义很多”“2 “，实际上它就是表示节点间相互联系的紧密程度， 本文采用文献2 3 中的定义：用某一节点处的电压变化幅值a v 对另一节点处的 无功功率注入变化q 的灵敏度来衡量节点间的电气距离。电气距离大说明电气 上相隔较远，相互问影响小；电气距离小说明电气上联系紧密，相互影响大。 设系统节点数为n ，其中p 矿节点个数为，l ，则在极坐标下系统节点注入 功率方程可表示为： 只2 k 善_ ( g f c o s 岛+ 既s l n ” 妒瞧：_ ( g z js i n 0 f - 岛c 鸣) _ 1 式中：鼻、q 分别表示第i 节点的注入有功功率、无功功率， 、只是相应 节点的电压幅值与角度，0 f = q - 0 ，是相角差，g 口和岛分别为节点导纳矩阵元 素的实部和虚部，f 表示f 与，直接相连的节点且包括，：i ，由此根据牛顿一 拉夫逊潮流计算法可以得到以下式子： 阱e 雄习 c ， 其中尸和q 分别为节点注入有功功率和无功功率的变化量；a o 和a v 分 别为节点电压相角和幅值的变化量，因为本文研究电压一无功关系，且有功与电 压间属于弱耦合关系，因此在化简过程中，假设a ps0 ，得到下式： q = 【，口p j 卵i ，月- 1 ，且y ( 4 3 ) ) 浙江人学硕- | 学位论文 改变系统运行情况) ，做逆变换得 a v = 【j q r i ，a 日j p - 日1 i ，p p 】- 1 q 或 矿罩i ，一1 q ( 4 4 ) 令式( 2 ) 中的【j 口，一j q o i ，- 。1 j ，】_ j = s ，则s 即为所要求的电压对无功变化的灵 敏度矩阵，由于电气上的对称性，当i 一，时应该有s 。= s 。，但是上面求得的s 矩 阵中通常不满足这个特征，所以要对其进行修正，采用映射函数“： d,j-d=一ln(s口s“)(4-5) 进行计算，得到的矩阵d 便是电气距离矩阵。 4 2 2 分区个数的确定 在电力系统分区方面，很多文章给出了不同方法，但是大多没有给出确定分 区个数的确切方法，一般都是根据专家经验，由于电网的复杂，和经验积累的困 难，给实际应用带来了一定障碍，本文在已有知识的基础“2 3 上给出一个方法来拟 定分区数。 系统中分区数与电压幅值对无功功率变化的灵敏度矩阵是密切相关的，假设 系统节点数为n ，分区数为m ，分区半径为r ，则1 m d t ，ks n j v ； 根据这组序列划分出置一1 个区间：强，d ：) 、“：，d ，) 、q ，d 。) 。，d ，) 令n ；1 ，d ， 口， d ：对矩阵d 做如下运算，构造出新的矩阵d “： 如果或z a 。，则o , = 1 ：否则d ：一0 。这样就构造出一个。一1 矩阵d ”，很明显 当a = 0 时，子图就是全图，整个系统只分成一个区域；而当吐。1 ，也就是 凸凸 浙江大学顾十学位论文 。：m a x d i 时，每个节点都是一个子图，整个系统分成n 个区域。 正： 。 f e 二 对于得出的o 一1 矩阵d ”作出如下搜索：出于矩阵d ”是对称的，从第一个非零 对角元出发向右搜索，当搜索到非零元素时就以这个非零元素为基准继续向右、 向下搜索，r 一直到没有右向的和下向的非零元素为止，记录下搜索到的元素，山 这些元素构成的集合就是一个连通子图，代表系统的个子区域。然后从未被搜 索到的非零对角元出发，重复上面的过程，直到所有元素都被搜索一次为止。这 样就可以得到一个在阀值“，下的一种子图的划分。如果得到的分区不满足要求， 即所得分区数不等于所要求的分区数，则继续进行上述过程，n f ， d ，哦t d 。，直到满足要求为止。 下面以六个节点的系统来演示，d ”矩阵如下： 1o 01 o o 00 o 0 o o 0 o o 0 lo o1 0 0 0 o 第一个节点簇的搜索如下 1o 10 oo 01 10 o1 0oo 0 0 第二个节点簇的搜索如下： 1o0 o ol o o 0 0 o o o o o o 1o 1o 0 o 然后取a ；q + l 又可以得到一种子图的划分，以此类推，一直到出现一种 合理的予图划分为止。 第旧章一级电压的分区控制 在此将上述方法进行改进，可以减少计算量，尤其对于大系统向言： 寻找d 中最大的d 。；，令d ；d ，使得d ；所有的元素鄙在区间( o ，1 一m a x 内。 根据网络的对称性得d ；= d j ，为了减少计算量可以将d 阵巾所有的下二二 角元素置0 ，将上三角元素按从小到大的顺序排列，得到d ，、d ：d 。，根 据这组序列划分出k 一1 个区间：( d 。，d ：) ( d ：，d 。) q 。，d 。) ，令 驴生些。 首先从中间取1 七之间中间一组，即取a 。! + ，按上述方法对d 进行化 简，若划分区域数大于给定值，说明口值取得过大，则取罢+ 1 与l 之问 中间一组，即取口= a ! + 。；若划分区域数小于给定值，说明a 值取得过小， 则取等+ 1 与t 之间中间一组，即取口。a 塑，依此类推，直到找到满足 要求的口值为止。 需要注意的是口值的选取并不是连续的，即当a = 、口；+ 。乜= 口。时 得到的分区是相同的，直到d = 。，时，分区情况才发生变化，也就是说，并不 是每一次口值的改变都引起分区结果的改变，只有a 取值从一个临界值变为另一 个临界佰时，才会发生变化。 4 2 4 口分解的物理意义“9 已面讨论了二次电压控制区域的动态口分解方法，下面将就a 分解方法的实 质进行分析。根据式( 4 4 ) 对，进行特征值分解，有 ，= 中a r( 4 一l o ) 式中币为j 的归一化右特征向量阵，r 为- ，的归一化左特征向量阵，a 为j 的特 征值对角阵。 浙江人学硕上学位论文 运用与小干