（电力系统及其自动化专业论文）基于可控主导节点的动态电压分区及电压校正的研究.pdf

河海大学硕土学位论文摘要 a b s t r a c t w t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e rn e t m o r ea n dm o r em o n i t o r e dn o d e ss h o u l d b ec o n t r o l l e ds ot r a d i t i o n a lm e t h o d s u s i n ge x p e r i e n c eo ft h eo p e r a t o r sc a r i t m e e tt h e c o n t r o ld e m a n d so ft h ep o w e r s y s t e mt h e r e f o r e ，u s i n gg r a p h i ct h e o r ya n do p e r a t i o n e x p e r i e n c eo ff o r e i g nt e r t i a r yc o n t r o l m o d e lf o rr e f e r e n c e ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r da d y n a m i cv o l t a g ep a r t i t i o n b a s e do nc o n t r o l l a b l ep i l o tn o d e sa n dv o l t a g er e c t i f i c a t i o n m e t h o dc o n s i d e r i n gt h ev o l t a g ei n f l u e n c eb e t w e e nv o l t a g ec o n t r o la r e a s ( v c a ) i nt h e m e t h o d ，i tu s e st h en e t w o r kt o p o l o g yb a s e do no b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y i nt h e n e t w o r kt o p o l o g y ，i tu s e sn o d e m e r g i n ga n di n d i v i d u a ls e a r c h i n g ，w h i c hs h or t e nt h e f o r m a t i o nt i m eo ft h en e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r ei nt h ev o l t a g ep a r t i t i o n ，i tu s e st h e i t e r a t i o n a l g o r i t h mb e t w e e nt h ep i l o tn o d e sa n dt h ev c a i nt h ei t e r a t i o n ，i t u s e st h e a d m i n i s t r a t i o n p a r t i t i o n a st h ei n i t i a lv a l u e i nt h ev o l t a g ec o n t r o l ，i tc o n s i d e r st h e v o l t a g ec h a n g i n go ft h en o d e s t h a tb e l o n g st ot h ec o n j o i n tv c aa n dl i n k e dt ot h et i el i n e b e t w e e nt h et w os v aa tt h es a m et i m e i nt h et h e s i s ，i ta d d st h ej n f l u e n c et ot h e t r a d i t i o n a ls e c o n d a r y v o l t a g e c o n t r o la saf e e d b a c k b yt h i sw a y ，t h er e s o l u t i o no fw h o l e p o w e r n e ti sd i v e r t e di n t oc a l c u l a t i n gs m a l l e rs u b - a r e a s a sar e s u l t ，i tc a nr e d u c et h e d i m e n s i o no ft h ef o r m u l aa n dt h em o v e m e n tt i m e so ft h er e a c t i v e - l o a dc o m p e n s a t i o n e q u i p m e n t ，s h o r t e nt h ev o l t a g er e c t i f i c a t i o nt i m e ，i m p r o v et h ec o n t r o lv e r a c i t y t h e m e t h o d sa b o v ep r o v eav e r yp e r f e c te f f e c ti nt h ee m u l a t i o no ft h er e a ls y s t e mp r o f i l e d a t at h a tg e tf r o mt h ef i j i a np r o v i n c e sp o w e rn e t k e y w o r d s ：c o n t r o l l a b l ep i l o tn o d e n e t w o r k t o p o l o g y i n d i v i d u a ls e a r c h i n g v o l t a g ep a r t i t i o n a d m i n i s t r a t i o np a r t i t i o nn o d el i n k e dt ot h et i e - l i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得泣瀣盘芏或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：花房埤 签字日期：口r 年z 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑连盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权 渣盘盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文之外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容 的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院处理。 学位论文作者签名：茏房溶 签字日期：口s 年z 月j 日 导师签名：丁以秀7 签字日期： dr 年、一月 j 目 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代工农业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高，生产过程的自动控制和 家用电器设备的普及，广大用户迫切要求电力部门提供合理的电能质量。而我们知道，电 压是衡量电能质量的基本指标之一，是反映电力系统的无功平衡和合理分布的标志。电能 质量差，不仅会影响供电用户本身，还有可能给整个电力系统带来灾难性的后果。例如电 力系统的电压如果波动太大，直接影响了电器设备的性能，同时还将影响电力系统的安全 稳定运行，甚至会引起系统的电压崩溃”l ，造成大面积的停电，给国民生产带来严重损失。 和有功一样，无功作为电力网络所提供电力服务的一个有机部分必须供给用户。在电 力系统中，电压质量和无功功率的分布有着不可分割的关系，电力系统的运行电压取决于 无功功率的平衡，如果系统内无功功率不足，将使电压水平降低，系统有扰动的情况下， 就有可能使电压低于临界电压，以至电压崩溃，从而导致因失去同步而瓦解的灾难性事故 ”l 2 1 。在超高压电网中由于线路充电功率很大，有可能使电压过高，危机电力系统的安全 及系统运行的稳定。如t 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典的大停电， 1 9 8 7 年7 月2 3 日东京大停电，以及2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加“8 l 4 ”大停电【3 】【4 1 均由于 高峰负荷直接或间接使无功功率不足造成的电压崩溃，从而造成系统重大事故。 8 0 年代以前，我国电网长期处于低电压水平，主电网不稳定事故时有发生，给电力 工业和其他经济部门造成了不可估量的损失。自1 9 7 9 年以来，电网电压水平不断得到改 善，无功补偿设备的容量基本上与新增发电设备的容量相适应，但是也存在一些问题，如 一些电网在轻载时电压过高的现象时有发生，局部地区甚至超过设备的允许规定，严重影 响了设备的安全运行。随着电力系统的发展，电网规模越来越大，电压质量问题也越来越 突出，出现电压崩溃并发展成全网性事故的可能性也正在逐步增加，所以极需要全面改善 和提高系统的电能质量。 电压偏移过大对用户及电力系统本身都有不利的影响。对于占负荷比重最大的异步电 动机，电压过低时转差将增大，绕组中电流增大，温升增加，效率降低、寿命缩短。电动 机转速的下降将影响用户产品的产量和质量。对于发电厂本身，异步电动机转速下降，由 河海大学硕士学位论文第一章绪论 其拖动的厂用机械( 如风机、泵等) 出力将减小，影响到锅炉、汽轮机和发电机的出力。用 户的电热设备，将因电压降低而减小发热量，使产品产量和质量下降。电压过低时将减小 自炽灯的发光效率，各种转子设备也不能正常工作。当电压太高对，电气设备的绝缘会受 到损害；变压器和电动机由于铁芯饱和、损耗和温升都将增加。照明设备在电压过高时寿 命将明显缩短，例如电压偏移r 1 0 时，自炽灯寿命缩短一半。所以，为了保证电器设备的 正常工作，电力系统运行中必须进行系统各节点电压的监视和调节。以保证电压偏移在允 许的变化范围之内。 电力系统中的电压水平与系统中无功功率”i 的状况密切相关。无功功率从电源端经 线路和变压器向负荷端输送，要产生电压损耗( 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，经过的环节越多，则其引起的电压降就越天，负荷 端的电压就越低。所以，电力系统中潮流的变化，特别是无功功蛊潮流的变化，会使电力 线路和变压器的电压损耗发生变化，并引起各节点电压的变化。因此要合理地配量无功功 率电源，做到就近供应无功功率，即根据负荷对无功功盏的需求，在其附近设置无功补偿 电源。这样不但能提高电压水平而且能减小电网中的有功功率损耗，同时还能减小电网。 无功功率的变化幅度，减小各节点电压的波动。同样，提高负荷的功率因数，也能起到同 样的作用。因此，电压的调整与无功电源配置、负荷无功功奎的补偿、电网中无功潮流的 调整以及运行的经济性都是密切相关的，必须整体研究确定， 因此，为了保证电能质量和提高电网的电压合格率，就必须增强对电压无功的调控 能力，它的合理调整对电网的输送能力，稳定水平，电能的损耗和供电电压的质量将有极 大的影响。运用电压无功的合理调节手段，可保证电力部门及用户总体设备的运行指标达 到最佳状态。而且随着电力系统自动化程度的不断提高，电压无功控制将越来越多地得到 人们的重视。 1 1 1 电压无功控制特点及其关系 无功负荷的传送及供给需要由无功规划来完成。无功规划【6 1 ”1 的目的是确定网络中无 功补偿设备的类型、安装地点及时间，以确保电网正常及事故运行方式下的电压质量及稳 定性，并使规划期内投资及运行费用总和最小。因此它也是一个动态多目标不确定性非线 性整数规划问题，该问题具有如下特点： ( 1 ) 离散性：无功补偿设备所调节的容量是离散的。 2 河海大学硕士学位论义第一章绪论 ( 2 ) 动态性：不仅要满足规划年限内的经济、技术等性能指标要求，而且要考虑到 网络的今后发展以及今后网络性能指标的实现问题。 ( 3 ) 非线性：线路电气参数与线路功率及网损等费用的关系是非线性的。 ( 4 ) 多目标性：规划方案不仅要满足经济、技术上的要求，还必须考虑社会、政治 及环境等因素，这些因素常常是相互冲突和矛盾的。 ( 5 ) 不确定性：负荷预计等都存在显著的不确定性。 系统中的无功电源主要包括集中在发电厂的发电机，还有分散在各个变电站的电容器 和电抗器，前者是连续的无功控制设备，而后者是离散的无功控制设备。此外还有一种比 较特殊的无功控制设备：有载调节变压器。它不是无功电源，但是它可以通过调节无功的 流向来调节电压，是重要的无功调节手段。无功负荷与电压之间的变换关系较为重要，因 为在电压变化时无功负荷的变化远远大于有功负荷的变化。如图1 。1 所示： 图卜l 电压无功的关系 线路电压损失的计算公式： 址等竖弋k v l 0 k v ) “= o o 。( 1 u 其中：p 、q 线路传送的有、无功功率； r 、x 线路的电阻和电抗； u 。额定电压。 当线路增加了补偿电容后，其电压损失减少值为 “：掣。1 0 一，( y ) u 。 、 可见当增加补偿容量时，电压损失的减少与补偿容量q l 成正比。 f i - 2 1 河海大学硕士学位论文第章绪论 i 1 2 电网电压无功控制手段 在电力系统中，电压无功的调节手段较多。在各种手段中，首先应考虑发电机的自 动电压无功调节器”l 。发电机除作为有功电源外，还供应一定的无功功率，所以可用它来 进行调压，这是一种不需要耗费投资的而且最直接的调节手段。发电机在系统低谷负荷时 有可能要用进相运行调压，即欠励磁运行。此时发电机向系统发出有功而吸收无功。这是 由于随着电力系统的不断发展，大型发电机组日益增多，同时输电线路的电压等级越来越 高，输电距离越来越长，加之许多配电网络使用了电缆线路，从而引起了电力系统电容电 流的增加，增大了无功功率所致。尤其是在节假日，午夜等低负荷情况下，由线路引起的 剩余无功功率，就会使系统的电压上升，以致超过容许的范围。过去一般是采用并联电抗 器或利用调相机来吸收这部分剩余无功功率，但这样做增加了设备投资。因此早在5 0 年 代国外就开始试验研究大容量发电机进相运行调压。近些年我国也比较广泛地开展了进相 运行的试验研究。实践说明，进相运行是一项切实可行的办法，不需要额外增加设备投资， 就可吸收无功功率，进行电压调整。但由于进相运行对系统的静态稳定和端部发热有不良 影响，所以运行中对其限制较严，要求在具有自动励磁调节装置时，可容许短时在c o s 为0 9 5 至0 1 的进相范围内进行。但为了调压，如果c o s 函需超出规程的限额以外，就 要适当限制其出力以保证运行安全。 但是由于电网结构日趋复杂，电压等级不断提高，各种用电设备接入电网消耗了大 量的无功电力，无功功率不足和电压波动大等问题日益突出，这时电压无功的调节仅仅依 靠发电机的自动电压无功调节器已远远不够，必须增强电网本身的调控能力【9 l 。一般情况 下，无功补偿采用就近补偿的原则考虑，既实行分散控制，它避免了无功的远距离输送， 降低了线路的压降和损耗，提高了功率因数，增加了社会效益和技术效益。而变电站是实 现分散控制方式的理想场所。通过对变电站的无功功率的就地平衡能很好地保证用电电压 质量，因此，研究变电站的电压无功控制具有重要的意义。 在变电站中。为了调压，目前普遍采用有载调压变压器，它通过改变高压绕组的分 接头进行调压。这种调压方式灵活、可靠，投资较省，但存在很多问题，首先它不能平滑 调压，只能分级调节，在目前的变压器分接头，主要有3 档和8 档，对应的电压增量 为2 5 和l2 5 ；其次，它只能改变副方的电压水平，也就是说，它的调节只是改变了无 功在电网中的分布，不会产生任何的无功功率，尽管有时它可以改变一个地方的电压水平， 河海大学硕士学位论文第一章绪论 但它是以其他地区的无功减少为代价的。因而在无功缺乏的电网中需要慎重对变压器分接 头的调节，否则极有可能形成连环的电压降低，导致电压崩溃。 因此，为了补偿无功消耗，控制无功功率”，可以采用： ( 1 ) 静止无功补偿器 静止无功补偿器可以平滑调节，响应速度很快，是一种比较理想的无功电源。但是这 种装置目前国内还不能大量生产，因此比较难普遍推广应用。 ( 2 ) 同步调相机 调相机是一种专门设计的无功功率发电机。确切的说，是一种不带机械负载的可以过 励磁( 经常的运行状态) 或欠励磁( 较少的运行状态) 运行的同步电动机。在系统电压偏 低时，过励磁运行供给无功功率而将系统电压调高。在系统电压偏高时，欠励磁运行吸收 系统多余的无功而将系统电压调低。它与静电电容器一样装设在枢纽变电站，比并联电容 器有以下优点：可双向，连续调节；能独立地用调节励磁来调节无功功率：较大的过负荷 能力。缺点：设备投资高，起动，运行，维修复杂：动态调节响应慢；不适应太大或太小 的补偿；只能用于三相平衡的补偿：增加系统短路容量等。 调相机的运行方式与发电机不同。发电机由原动机拖动运转，当失磁时，它的电磁转 矩将小于原动机的驱动转矩，因而电机被加速，并按原动机的调速特性在新的转矩平衡点 作稳定的异步运行。这时仍向系统送出有功功率，但从系统中吸收无功功率。调相机情况 则不同，由于它没有原动机，故在正常运行时b 口从系统中吸收无功功率，以补偿同步运转 中的各种有功损失( 机械损失、风损及电气损失等) ，维持同步运行因为调相机不带外加 的机械负荷，只有上述的自身损失，数值不大，一般仅为调相机自身额定容量的2 左右。 ( 3 ) 并联电容器 并联电容器补偿是目前应用最广的种调压方式。可永久连接或断路器连接至系统某 些节点上。当系统无功不足时，补偿装置要尽量装在无功负荷的中心，做到无功功率就地 平衡。通常小容量的、分散的、或用户的无功补偿采用电容器；而大容量的、系统中枢点 的无功补偿则采用调相机或兼用调相机和电容器。 电容器和调相机相比较，其优点是：投资省；运行经济；结构简单；维护方便；容量 可任意选择；适用性强。缺点是：不能连续调节；负荷的调节特性较差，这是由于当无功 负荷增大，电容器的补偿容量o = u ：c o c ，因电压下降而减小，故调压效果下降：对系统 中的高次谐波有放大现象，在谐波电流过大时，可能引起爆炸。 河海大学硕士学位论文 第一一章绪论 并联电容补偿与串联电容补偿相比，在调压方面，串联电容补偿比并联电容补偿的调 压性能为好。这是由于与并联补偿相反，串联补偿的容量随无功负荷的增减而增减。在降 低网损及提高用户的功率因数等方面，并联电容补偿要比串联电容补偿优越的多。因为并 联补偿降低了线路上的无功输送容量，而串联电容补偿基本上未改变输电线路上的无功输 送容量。此外，串联补偿会产生铁磁谐振和自励磁等许多异常现象。 ( 4 ) 并联电抗器 并联电抗器调压主要用在超高压( 3 3 0 k v 及以上) 系统的线路上。将它并联在线路末 端或中间，吸收线路上的充电功率，以防止超高压系统线路在空载充电或轻负荷时的末端 电压升高。 因此，为了调整电压和无功，许多变电站同时配置了有载调压变压器和无功补偿并联 电容器设备。根据负荷的变化对有载调压变压器和无功补偿电容器进行综合调节，可以显 著地提高电压、降低线路的损耗。目前我国在许多变电站中装设了有载调压变压器和无功 补偿并联电容器组等设备，电压质量得到了有效的改善。有载调压变压器不仅能在有载的 条件下调整电压，而且能在与电容器组投切相配合的情况下使电容器的容量充分发挥作 用。然而，目前绝大多数变电站还没有对电压和无功实行综合自动调节，而是依靠调度值 班人员进行手动调节。由于采用人工手动调节不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保 持功率因数和电压质量所要求的指标，电容器补偿达不到应有的经济技术效益，不能充分 发挥设备的潜力。因此，产生了与电压无功自动控制相应的自动控制装置。随着变电站综 合自动化的发展，电压无功自动控制装置也不断发展并已逐步成为变电站综合自动化的一 个重要组成部分。 1 1 3 各种调压方法的比较及应用 电压调整是个比较复杂的问题，因为整个系统每一个节点的电压都不相同，运行条件 也有差别。因此，电压调整要根据系统具体情况，选用合适的方法，才能达到目的。 发电机调压 1 1 1 是各种调压手段中首先被考虑的。因为它不需要附加设备，从而不 需要附加投资，而是充分利用发电机本身具有发出或吸收无功功率的能力。但这种方法往 往只能满足电厂地区负荷的调压要求，对于通过多级电压输电的负荷，还需要采取其他调 压措旖才能保证系统电压质量。合理使用发电机调压常常可以在很大程度上减轻其他调压 措施的负担。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 在无功功率不足的系统中，首要的问题是增加无功功率补偿设备，而不是只依靠调变 压器分接头的方法。在无功电源充足的系统中，应该大力推广和采用有载调压变压器，这 是在各种运行方式下保证电网电压质量的关键手段之一。随着现在我国经济发展和人民生 活水平的提高，电网负荷的峰谷差也越来越大，线路、变压器在高峰和低谷负荷产生电压 损耗的差别也比较大。对一些通过多条不同电压等级线路、多级变压器供电的负荷，其高 峰负荷与低谷负荷的电压损耗差别，已经大到无法仅仅用发电机调压或无功补偿的方法来 满足两种运行方式下用户电压的要求了，其结果不是高峰负荷时用户电压太低，就是低谷 负荷时用户电压太高。这种情况下，输电系统中的一级变压器或多级变压器采用有载调压 是保证用户电压质量唯一可行的办法。但是供电变压器普遍采用具有自动调压功能的带负 载调分接头装置，在电网某些运行方式下，有时也会起不良作用。在系统中，如果由于系 统故障而产生较大无功功率缺额时，若仍然要维持负荷原有的无功功率需求，就会破坏系 统的无功功率平衡，这种状况是无法维持的。这种不良的作用，在几次著名的电压崩溃事 件中已经得到了证实。因此对于这种不良作用，需要进一步研究。 总的来说，推广和普及有载调压变压器是大势所趋。但这种装置也是有条件的，即电 网的无功电源比较充裕，不缺无功，而且系统还要留有足够的事故情况下能够快速投入的 备用无功电源。尽管考虑到自动调压有载调压变压器的这种不良作用，但是我们必须认识 到，在我国电网有条件、逐步地推广和普及有载调压变压器，是保证电网电压质量的重要 手段。 1 2 电网分区及二级电压控制策略 1 2 1 概述 电压崩溃的基本原因是由于电网中某些地区无功不足，造成局部电压下降，进而导 致全网电压水平下降，最终使系统发生电压崩溃。地区无功不足产生的原因来自两方面： 一是整个系统无功储备不足；二是系统其他地区尚有较多的无功储备，但是没有利用上。 第一种情况需要通过增加系统的无功储备来解决，而第二种情况则需要对系统的无功流动 进行合理的协调与分配。在此认识的基础上，产生了对电力系统采取分级电压控制的思想。 整个控制系统分为三级控制【”】：一级电压控制、二级电压控制和三级电压控制。其中二 级电压控制的主要目标是以某种协调方式重新设置区域内各自动电压调节器( 一级电压控 河海大学硕士学位论文第一章绪论 制) 的参考值( 或设定值r e f e r e n c ev a l u e ) ，使得各节点电压满足运行要求。二级电压 控制是连接其他两个层次的关键环节，它能够从区域电压稳定的角度出发，合理、协调地 分配本区域内各电压无功支持源的无功储备，突破了只根据本机附近信息进行电压控制 所固有的分散性和局部性，充分利用区域的无功储各，在一定程度上能够改变区域的电压 水平和提高系统的电压稳定性。二级电压稳定控制已经进行了较多的研究和实践，是一种 可行的、比较成熟的电压稳定综合控制技术。 随着电力网络不断增大，其需要监控的节点越来越多，监控节点电压越限的情况也日 益增多，传统的根据运行人员经验来调节的方法已不能满足要求。二级电压控制就是为了 解决这个复杂的问题，首先利用图论的基本理论，将整个电力系统分成若干各控制区域”3 】 ( c o n t r o lz o n e s 或r e g i o n s ) ，这些区域最理想的状态是彼此电气距离较远，相互近似解 耦。在每个控制区域内选出其最关键的负荷节点成为“主导节点”( p i l o tn o d e s ) ，该主 导节点的电压变化能够反映整个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至干扰 前的水平，则能够使得区域内的负荷电压同样得到恢复。二级电压控制则是根据区域各控 制发电机( c o n t r o lg e n e r a z o r s ) 的自动电压调节器( a v r ) 的参考电压设定值或其他无 功源的设定值，从而使得主导节点的电压基本保持不变，进而维持整个系统的电压水平和 无功分布在一个良好的状态。 运用二级电压控制，相对于整个电力系统电网的整体控制，不仅减轻了工作人员的工 作力度，便于工作人员进行电压控制，同时对于电网的优化起了很大的作用：减少了设备 的动作次数。 二级电压控制是一种新型的电压控制方式，有许多问题值得研究。这些问题包括：如 何建立二级电压控制系统的模型：如何将系统进行分区：如何选择主导节点和控制发电机； 如何选取二级电压控制策略【| 4 1 进行控制能最有效地防止系统的电压失稳等。 1 2 2 电网分区的情况 对于二次电压控制中所用到的电网分区，控制区域间及控制区域内满足的条件1 为： ( 1 ) 区域之间弱耦合，区域内强耦合；在电压控制中，就是要尽量减少相邻区域之 间的耦合程度，这样更便于控制，使在某一个控制区域内进行电压控制时，其对相邻区域 河海大学硕上学位论文第一章绪论 的电压无功影响最小。 ( 2 ) 保证各子区域中要有足够的无功设备以便于进行电压控制；无功补偿是电压控 制的一个极其重要的手段，如果在二次电压控制中的某个子区域内不能满足有足够的无功 控制，则该子区域中的电压控制将难以进行。 ( 3 ) 子区域的个数和大小要适中，而且要利于控制策略的实施；子区域太大，则花 在电压控制上的计算速度就太长，而且不利于控制。子区域太小，那么该子区域内的无功 肯定不足，而且太小的子区域对于电压控制没有实际意义。 对于控制区域的划分，主要有三种选择计算方法：一种是按照地域分布或行政划分， 将全系统分成若干个控制区域；另一种则是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，找到所有的主导节点，由己找到的主导节点的分布，控制区域的划分可 以根据节点的逐个拉入形成控制区域的划分；第三种刚是根据电网灵敏度矩阵直接对电网 进行控制区域的划分。 文献【4 7 】中提出一种基于图论的口分解法，该方法的难点在于阀值口的选取；文献 2 9 1 中提出了一种基于多阀值的分区算法，该文主要思想认为个区域不能由个阀值来决定 整个系统的分区，一个阀值a 只能把整个电网中所有节点划分成两种模式：耦合度大于口 的节点和耦合度小于a 的节点。如此划分出来的区域当阀值d 较大会产生若干个孤立节 点，较小划分出来的区域较大，区域个数很少。这两种方法将在第二章中详细介绍。 1 2 3 二级电压控制规律简述 对于二级电压的控制策略，最早的应用是在欧洲法国采用的三级电压控制模式”】， 这种分层组织机构由三级控制”5 1 组成，分别为：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 y v o l t a g ec o n t r 0 1 ) 和三级电压控制( t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ( 1 ) 一级电压控制由广泛分布在整个电力系统中的各种现有的自动控制装置组成， 为本地控制( 1 0 c a lc o n t r 0 1 ) ，只用到本地的信息。控制器由本区域内控制发电机的自动 电压调节器( a v r ) 、有载调压分接头( o l t c ) 及可投切的电容器组成，控制时间常数一般 为几秒。控制设备通过保持输出变量尽可能地接近设定值吒，来补偿电压的快速和随机的 变化。 河海大学顾士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 二级电压控制由多个相互独立的区域电压控制器( s v c ) 组成，通过修改一级控 制器整定值吒，来协调区域内一级控制器的行为。控制时间常数为几十秒到分钟级，控制 的主要目的是保证主导节点( p i l o tn o d e ) 电压等于设定值圪叫。它是一种区域控制 ( r e g i o nc o n t r 0 1 ) 。 ( 3 ) 三级电压控制是其最高层，以e m s 为决策支持系统，以全系统经济运行为优化目 标，考虑安全性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值虬吲供二级电压控制使 用。在三级电压控制中要充分考虑到协调的因素，利用了整个系统的全局信息来进行优化 计算，一般说来，它的时间常数在十几分钟n d , 时级，一般采用最优潮流技术( o p f ) 。 在采用二级电压控制以前的大部分电压越限校正都采用直接校正法，但是面对着大电 网，其计算速度已经远远满足不了电压校正的要求，因此更适用于大电网电压越限校正的 内点法被很多专家提出，这种方法不因电网节点的增大而使计算时间呈正比递增趋势。但 目前这种方法因其技术不是很成熟，在大电网中的实际应用较少。在采用二级电压控制以 后的区域控制，提出了很多种二级电压控制规律 对于二级电压控制规律，其基础是根据前述的电网分区。因此，对于二级电压控制规 律，在分区时的“区域间弱耦合，区域内强耦合”就显得尤为重要。如果区域问达不到区 域的弱耦合，则在区域内的电压控制时势必会影响到相邻区域的无功电压变化。当然在现 在电网联系如此紧密的实际情况下，希望能达到区域间弱耦合也并非易事! 因此在众多的 二级电压控制规律中，考虑区域间无功电压影响则成为一种必要。 1 i3 网络拓扑的研究现状 1 3 1 传统网络拓扑方法介绍 所谓网络拓扑【l “，就是指根据网络结构的变化( 一般是由开关变位引起的) 实时地 确定该网络新的结构，及时地传送信息便于电力系统的计算。电力系统中，开关的变位引 起网络拓扑的变化，可能会使母线段所对应的计算节点数发生变化，也可能引起开环、闭 环等接线方式的变化，因此就需要及时地判别网络的拓扑状态，为在线潮流计算、状态估 计、安全分析等及时地提供网络结构数据。 网络拓扑是状态估计的基础，同时也是能量管理系统( e m s ) 的核心。网络拓扑作为 0 河海大学硕士学位论文第一章绪论 一个公用的基础模块，其功能直接影响到电力系统其他应用程序的运行。在早期的网络拓 扑中，通常采用的是深度优先法【1 7 1 ，这种方法需要首先建立一些关联表和关联列表，如： 开关一节点关联表t k e 、变电站开关起点表t t k i 、支路一节点关联表t l e 、注入量一节点 关联表t h e 、量测系统信息表m s y s 。这种网络拓扑分析方法主要分为如下三个步骤： ( 1 ) 厂站的网络结线分析 我们根据深度优先法可以形成节点一母线结点关联表( t e b ) ，它的内容说明了每个厂 站内所有的端点( 根据开关状态) 合并成多少个母线结点、分别属于哪些母线结点的情况。 一一般一个厂站可以分为几个母线结点，在这个关联表中，我们可以得知每个端点分别属于 哪个母线结点的情况。 ( 2 ) 系统网络结线的分析 主要根据厂站之间的支路的分析，形成母线结点一子系统关联表( t b s ) 。由这步我们 知道整个网络由厂电站之间的支路连接成多少个子系统，子系统指连接在一起的所有母线 结点，也即连接在一起的母线结点组成一个子系统。在这个关联表中我们可以得知各个母 线结点分别属于哪个子系统，一般一个电网可以分为几个子系统。该步骤的搜索方法类似 与第一步骤搜索母线结点的方法。只是第一步骤的节点和母线结点分别对应与该步骤的母 线节点和子系统。 ( 3 ) 分析量测量的可用性 因为在实际的计算中，有些分析的结点或子系统并不是可行的，比如对于无电源的或 无负荷的结点或子系统，这样就需要对他们处理予以删除。而分析量测量的可用性可以对 此作出很好的分析。 在电力系统的只能系统研究中，电网拓扑描述是人们一直普遍关注的问题。电网拓扑 描述的好坏直接关系到整个智能系统实现的难易程度以及系统的可扩充性、可维护性及推 理过程的效率等。一个好的电网拓扑描述应使电网拓扑信息能够更快的传送、更完整地存 储，被灵活地访问。因此，速度、直观正成为网络拓扑软件所必须需要满足的条件。 目前在提高网络拓扑效率上主要从两方面着手：一是寻求新的快速网络搜索方法；另 一种则是采用动态跟踪、局部修正拓扑的技术。无论采用哪种途径，其实质也只是提高网 络拓扑搜索的处理速度。因为即使采用局部修正的拓扑技术，我们仍要对网络的局部进行 拓扑分析。如在网络开关操作次数较多或进行了多次的局部修正以后，网络方程的优化排 序已遭较大破坏的情况下，又要进行一次全新的全网拓扑搜索。在考虑由于一条母线可能 ? 可海大学硕士学位论文 第一章绪论 连有多个元件，且出线达到3 4 条，因此，如果采用上述深度优先的方法，势必会进行多 次的重复搜索，大大浪费了网络拓扑形成的时间。基于这种情况，浙江大学苏义荣等提出 了一种邻接矩阵法i ，但尽管这种方法在其改进的基础上，算法上仍需要多次乘法运算。 东南大学的万华等把广度优先法m 1 应用到网络拓扑中，这样减少了多次的重复搜索，节 省了大量的搜索时间，提高了网络拓扑的搜索效率。 1 3 2 应用面向对象技术( o o ) 的网络拓扑 以前用于电力系统的智能系统，电网拓扑大都采用框架式的表示方法，一般都是以设 备为核心，当表示较复杂的变电站接线时，将造成信息的冗余度大、不直观，以此为基础 开发的智能系统，只适用于特定问题的求解。数值计算采用各种关联表方法表示电力网络 拓扑，不利于逻辑推理的实现，有必要探索一种适用于各种智能系统的电网拓扑表示的一 般化方法。随着计算机技术的不断提高，面向对象技术和方法”儿1 9 1 ( o o t & o o m 简称0 0 方法) 也随之更加普遍地应用到了网络拓扑中来。 面向对象技术和方法是7 0 年代提出，8 0 年代发展，9 0 年代趋于成熟的，被人们称之 为主宰9 0 年代的一种新的软件工程理论。它的出发点和基本原则是解决问题空间和求解 空间的不一致性问题。这种方法和技术是一种认识学，既提供从特殊到一般的演绎手段， 又提供从特殊到一般的归纳形式。它也是一种程序设计的方法学，基于信息隐蔽和数据类 型的概念把系统中所有资源都看成对象，每个对象拥有数据和方法，方法实施对数据的处 理。目前o o 方法己在电力系统的研究中得到了初步应用，包括智能系统开发环境、人机 界面的实现和智能系统的开发。初步研究开发表明，采用0 0 方法，具有其他各种软件工 程方法不可比拟的优点： ( 1 ) 有利于对事物的认识，通过采用o o 方法对系统的分析，加深了对系统的了解， 有利于及时完善和建立完整的模型。 ( 2 ) 单个对象中封装了数据和行为，为知识和被模拟领域中实体的表示提供了条件， 可将设计的注意力放在实体上，并构造具有相同抽象能力的计算实体。 ( 3 ) 面向对象技术能将传统程序集成，有利于建立智能数值混合模型口。 ( 4 ) 由于对象封装了状态和行为，且具有一致性良好的信息交换能力，易实现分布式 多处理机智能系统。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 应用0 0 方法，电网拓扑札可以表示为( 卜3 ) ： n 。= ( 4 ，r ( s ( f ) ) ( 1 3 ) 其中：a 为电力系统中设备的集合，a = e 。，e ，艺，岛，e ， ，e 。、e 。、e 。、e 。、e ，分 别表示开关设备、连接设备、终端设备、节点设备及线路设备的集合，r 表示电力系统中 各设备的联接关系，s 。( f ) 为设备的状态，依赖于时间f 。 现代大型的互联电力系统，是由发电厂、变电站、线路及负荷组成，大量的设备主要 集中在发电厂和变电所。对于面向对象技术( o o ) 方法的网络拓扑，首先要根据各个设备 特性将他们分为若干个类 2 1 j ，通常会将整个电网设备分为：支路类、节点类、负荷类、 变电站类、母线结点类、子系统类及电网类等，同时用关联来表示他们之间的关系：继承 关系、聚集关系和其他关联关系。比如电网类为支路、节点、负荷、变电站等的聚集，变 电站为节点和母线结点的聚集，母线结点为设备、节点等的聚集( 一个母线结点可以包含 多个设备) 。而节点为输入节点、输出节点、连接节点、母线节点等的父类，设备为母线、 断路器、隔离刀闸、变压器等的父类，等等。 采用0 0 方法的网络拓扑，会使整个网络拓扑信息更加具有直观性。鉴于o o 方法有如 此多的优点，现在大量的网络拓扑软件中依据o o 建模的思想，分析实时电力网络拓扑， 提出了电力网络的表示方法，采用0 0 进行电力网络的拓扑模型的建立。在实际的应用中 得到了预期的效果。 1 4 本文的主要思路及工作 基于图论的基本理论，确定整个网络的实时网络拓扑结构。根据实时的网络拓扑结构 对电力网络结构进行修正，然后对网络进行分区，在分区中，采用主导节点和电网分区之 间的循环递归，并以电网行政区域划分结构作为递归初始值，收敛效果好。主导节点的选 取上采用主导节点的可观性和可控性的加权，既保证了主导节点的无功裕度，同时保证了 主导节点代表区域电压水平的能力，称为基于可控主导节点的电压分区。在得到的分区中 选取控制发电机，并考虑到电压控制中控制发电机作用的有限性，提出了无功电压扩展控 制设备法，本文对他们进行排序以便更好地应用于区域电压控制。也即，在控制发电机无 法控制到主导节点电压为其设定值时，把区域内的其他发电机甚至电容器、电抗器等无功 河海大学硕士学位论文第一章绪论 设备也拉入进行区域的无功电压控制，并对控制设备进行排序便于进行电压控制；在电压 校正的控制策略中，考虑区域联络线节点的电压因本区域电压控制产生的影响，把它们的 电压变化量作为反馈加到传统电压校正控制策略中。 本文的主要思路可以用图卜2 表示： r 选取可控主导节点 j 主导节点和区域划分之间迭代 l 采用向上分级台并节点法 、以行政划分作为迭代相始值 考虑区域间电压影响 区域内的灵敏度加权控制 图l 一2 本文思路的模块关系图( 虚线框非本文涉及内容) 在本文中，本人的主要工作如下： 1 、利用实时网络拓扑结构进行电网分区； 2 、在网络拓扑中应用面向对象技术、全新的电网拓扑描述以及分级搜索法： 3 、分区上采用行政区域划分和主导节点之间的递归法； 4 、分区中采用向上分级合并节点法； 5 、在无功分区中判断区域无功裕度以及考虑主导节点的可控性及可观性； 6 、电压校正时采用扩展控制设备法； 7 、电压校正时考虑区间电压相互影响，把区域联络线节点电压变化作为反馈进行控 制； 河海大学硕士学位论文第二章当前电压控制理论简述 第二章当前电压控制理论筒述 2 1 电力网络电压分区情况 随着电力网络不断增大，电网中需要监控的节点越来越多，监控节点电压越限的情况 也日益增多，传统的根据运行人员经验来调节电压的方法已不能够满足要求。因此基于以 上原因，利用图论的基本理论，借鉴国外电力系统电压三级控制模型和运行经验，已经提 出了多种有关基于主导节点的电压校正方法。这种方法根据电网结构和实时运行条件把全 网分成若干个电压控制区，然后在每个控制区内选择一两个重要节点作为主导节点，对于 区域内的电压越限，可以通过对主导节点进行电压控制设备灵敏度分析2 2 】f 2 3 或其他方 法，选择区域内合适的设备控制主导节点在一个合适的设定值上，从而保证本区域内所有 电压监控点均在合格范围内。由于每个区域之间的电压弱耦合性( 电压控制区的基本要 求) ，可以实现各个区域间电压控制的解耦。 在电网电压的分区、主导节点选取上，目前主要有两种方法：一种是按照地域分布或 行政划分【1 ”，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：另一种则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。找出了主导节点的分布，控制区域的划分也就确定了。但在解决实 际问题时，应针对实际系统的不同情况，灵活应用。 2 1 1 电压控制区( v c a ) 与电气耦合度矩阵 在电力系统无功电压控制中，为便于控制，往往会把个大的电网分成几个区域。对 于区域内的节点电压变化时，如果需要控制操作，只在本区域内进行电压无功控制。而对 于区域应该满足如下条件： 区域内强耦合，区域间弱耦合。在电压控制中就是尽量减少相邻区域电压控制的 影响： 保证各区域中要有足够的无功储各以便进行电压控制。无功补偿是电压控制中一 个极其重要的手段，当区域中无功储备不足时电压控制将难以进行； 子区域个数和大小要适中，要利于控制策略的实施。子区域太大，则计算时间就 15 河海大学硕士学位论文第二章当前电压控制理论简述 会太长，分区失去实际意义；子区域太小，无功储备肯定不足。所以要选择合适 的区域有利于控制策略的实施； 每个电压控制区都应包含发电机节点和负荷节点，应尽可能使输入( 发电机控制 及电容器等) 在电压控制区内均衡分布。 电压校正控制动作时间一般是几分钟，因此可以认为系统此时暂态过程已经结束，处 于稳态运行点，系统中的各个变量都处于“准稳态”，即都在一定程度上按正弦规律变化， 系统中电压、电流可以用“时变”相量表示。所以有以下的无功电压模型： 阱鲫倒 t ， 其中，一尸和一p 分别为节点注入有功功率和无功功率的变化量，一d 和av 分别为节 点电压相角和电压幅值的变化量。此时不计有功的影响，只考虑无功电压的关系，