（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊聚类分析的无功电压控制分区.pdf

a b s t r a ，c t t h ev o l t a g ei so n eo ft h ei m p o r t a n tq u a l i t yi n d e x e s 。司! l eq u a l i t yo fv o l t a g e i n f l u e n c e st h es t a b i l i t yo fp o w e ts y s t e ma n dt h es a f er u no fe l e c t r i cf a c i l i t i e s t h e r e a c t i v ep o w e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o ro nt h eq u a l i t yo fv o l t a g e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fp o w e rs y s t e mi nc h i n a , p o w e r 掰dh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m p a c ta n dt h e p r o b l e mo ft h es t a b i l i t yo fv o l t a g ei sb e c o m i n gah o tp o t a t o h o wt oe f f e c t i v e l y p r e v e n tt h ec o l l a p s eo fv o l t a g ea n dh o wt ob e t t e ri m p l e m e n tt h e r e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o lh a v ea r i s e nt h ea t t e n t i o na n di n v e s t i g a t i o n ，曩l ev o l t a g ei np o w e r s y s t e mi sh i e r a r c h i c a la n dr e g i o n a l 1 1 1 ec o n t r o lo f t h es t a b i l i t yo f v o l t a g ea l s os h o u l d b eh i e r a r c h i c a la n dr e g i o n a l h i e r a r c h i c a lc o n t r o ls h o u l dm a i n t a i nt h ep i l o tn o d e s v o l t a g ea tr i g h ta r e aa n da v o i d i n gt h et r a n s m i s s i o no fr e a c t i v ep o w e ri nd i f f e r e n t g x a d e t h er e g i o n a lc o n t r o lo fv o l t a g ec a nb es e p a r a t e di n t op r i m a r yv o l t a g ec o n t r o l ， s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o la n dt e r t i a r yv o l t a g ec o n t r o li nt e r m so ft i m e , s p a c ea n df u n c t i o n n l cp r o j e c to fh i e r a r e h i c a lv o l t a g ec o n t r o lh a sh a v eb e e nw e l la p p l i e di nf r a n c ea n d i t a l ya n do t h e re u r o p e a nc o u n t r i e s h o wt op a r t i t i o np o w e r 鲥di n t ow e a kc o u p l i n gr e g i o n si sa ni m p o r t a n tt a s ki n c l a s s i c a lv o l t a g ec o n t r 0 1 t m sd i s s e r t a t i o np a r t i c u l a r l yd e s c r i b e st h em e t h o d so f p a r t i t i o n i n ga n dp r e s e n t st h ef u z z yc l u s t e r i n gm e t h o df o rp a r t i t i o n i n g 。t h i sp a p e rf i r s t d e f m e st h ee l e c t r i c a ld i s t a n c eb e t w e e nt h et w on o d e si np o w e rs y s t e mb a s e do nt h e s e n 斑i v i t yo f v o l l a 9 i et or e a c t i v ep o w e ri n j e c t i o nt h e na l lo b j e c t sc l a s s i f i e ds h o u l db e p r o p e r l yd e m a r c a t e d p a s s i n gb u n d l em e t h o di si m p l e m e n t e dt og e tt h ed y n a m i c c l u s t e r i n g a f t e rc a l c u l a t i n gt h es t a t i s t i cf t h ef i n a lo p t i m a lc l u s t e r i n gi sg o t n l e e m sm e m o r yo ft h i sm e t h o di ss m a l la n dt h ec a l c u l a t e 蒯o fi t sr a p i d + f i n a l l y t h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e dm e t h o da r ev e r i f i e do nt h en e w - e n g l a n d3 9b u ss y s t e m 。 k e y w o r d sf u z z yc l u s t e r i n ga n a l y s i ss e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l p a r t i t i o n o fs y s t e m f u z z ys i m i l a r i t yr e l a t i o n s h i p l l 论文舔越谯声臻 本入声明，所堡交的举经论文系在导师捂导下本入独立完成的磷究成采。 文巾依法等l 月他入黪成果，均已馓出眼确拣注或褥到许可。论文内容未包含法 搏意义上瑟矮予德入抟程蔼形式戆研究藏繁，遴苓惫含本人已蘑予冀穗学位串 请的论文藏成聚。 本人鳃违反上述声明，聪慧承担以下嚣任和簸果： 1 。交嚣学校授予豹学位证书； 2 。学校霹京疆关媒髂上瓣体骞零夭瓣行舞i 乏嚣遥缀； 3 本人按照学校窥宠的方式，薅鑫不骂彀褥举使淤学校造域鹣盘誉损害， 进行公开道歉。 4 。本人受爨理谂文成聚不实产生熬法律鲤给。 o 论文作者箍名；二冀焦 日期：趁丛年卫兵互岛 论文娲谖产投牧鬟声褥 本人在导师指导下所究成的论文及相荧的职务作晶，知识产权归属学校。 学校事有璐任俺方式发表、鬣觎、公开蠲憋、借阏以及审请专利簿投葶! l 。本人 鬻铰嚣发表蓑搜臻学整论文或与滚论文袁按稳关戆学拳谂文或或榘辩，羲客攀 饿仍然为零j e 电力大学。 论文作者撩名： 导筛签名： 童焦 半瞬 日期：塑蔓年生月上口 日期：兰堡年上胃互掰 第1 章绪 论 1 1 引言 第1 章绪论 电压是电能的主要质量指标之一。电压质量对电嗣稳定及电力设备安全运 行具有重大影响，而无功功率又是影响电压质量的一个重要因素。随着电力系 统联网容量的增大和输电电压的提高，输电功率变化和高压线路的投切都将引 起很大的无功功率变化，系统对无功功率和电压的调节和控制能力的要求越来 越高；另一方面为了充分利用电网设备，现代的电网越来越接近于其极限运行 状态，这使得电网缺乏灵活的调节能力，特别是在电网异常或事故情况下，电 网更加脆弱。 电压稳定和崩溃事故屡屡发生，这些事故往往造成巨大的经济损失和严重 的社会影响。如何有效的防止电压崩溃事故的发生及如何更好的进行无功电压 控制引起了电力工作者的关注和研究，目前电压稳定性方面的工作主要集中在 电压崩溃机理、电压稳定安全性能指标、防治电压崩溃的措施三个方面。电力 系统的电压具有分层分区的特点，因此相应的电压稳定控制也应是分层分区 的。分层控制就是要维持各个电压等级的电压在合适的范围，尽量避免和减少 无功功率在不同电压等级之间的传输。电压稳定分区控制按时间和空间从功能 上分为三个不同的等级；一级电压控制、二级电压控制和三级电压控制。一级 电压控制( p r i m a r yv o l t a g ec o n t r o l ，p v c ) 利用自动电压调节器( a u t o m a t i c v o l t a g er e g u l a t o r ，a v r ) 等调节装置将发电机母线电压闭环控制在设定值附 近，是整个系统电压控制的基础。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 o l ， s v c ) 通过修改级电压控制器的电压设定值来改变控制发电机的无功出力， 从而对本区域的中枢母线电压进行闭环控制，主要应用于地区电网，对地区电 网无功进行优化，合理地进行电网内变压器的分接头位置的调整及补偿电容器 的投切。三级电压控制( t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r o l ，t v c ) 以运行的经济性为目 标，给出各个控制区域中的中枢母线电压设定值，供s v c 使用，主要应用于 省一级电网，主要协调各个地区电网电压控制，对整个电网的安全性和经济性 进行协调控制。 无功电压控制问题对提高电力系统的安全性和经济性具有重要意义，一直 得到研究人员和运行人员的关注。在各种电压控制方案中，由法国e d f 最早 提出的分级电压控制。1 方案在法国、意大利、比利时、西班牙等国家的电网中 东北电力大学硕士学位论文 得到了较好的应用。“。在电力系统中，大多数控制或扰动仅仅对其发生地点附 近区域的运行状态有较大影响，而系统其他大部分区域所受影响甚微，因此， 在分析扰动的影响或确定控制策略时，应重点考虑受影响较大的区域。此外， 电力系统分析软件的计算量和内存占用量一般与所研究系统的规模即节点数或 其平方成正比，如果将一个大的电力系统分解为多个子系统，对每个子系统分 别计算，则可大大提高计算速度，减少内存占用量。基于以上原因，在电力系 统电压控制、稳定控制和状态估计等领域中，常常需要对电力网络进行分区。 本文所研究的基于模糊聚类分析的无功电压控制分区的课题，提出在定义 的电气距离的基础上运用模糊聚类分析方法对系统进行分区，比其他传统的分 区方法更直观、简便和快捷。 1 2 无功电压控制的发展历史及现状 电压无功的优化控制，是电力系统长期关注的一个问题，现有的电压无功 综合优化大多属于最优潮流( o p f ) 的研究范畴。最优潮流的概念在6 0 年代初 由法国学者c a r p e n f i e r 首次提出，长期以来，对o p f 的研究虽然数不胜数，实 际应用却踌躇不前。这一方面是无功电压控制对系统的自动化程度和数据的准 确性有较高的要求：另一方面是o p f 算法本身不成熟。 从七十年代末以来，世界范围所发生了多起电压失稳及电压崩溃事故，引 起了人们对电压安全问题的广泛重视。特别是对于电压崩溃机理，电压稳定安 全性能指标和防止电压崩溃事故的措施等几个方面做了深入细致的研究。如何 在保证电网安全的前提下实现无功电压的优化控制已成为各国普遍关注的重要 课题。 近年来，随着计算机技术、通信技术的迅速发展以及电力系统运行调度自 动化水平的提高，国内电网调度自动化s c a d a 系统大部分已达到实用化，省 级电网已实现了自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t ec o n t r o l ，a g c ) ，这为无功 电压的优化控制提供了必要的条件。同时，电力体制改革和电力市场化的发 展，也迫切要求深入研究电力系统的经济运行，提高电网的安全水平和输送能 力。在理论方面，基于l a g r a n g e 函数、牛顿方法和对数障碍函数三者结合的内 点法于9 0 年代被引入到最优潮流，它继承了牛顿法o p f 的优点，可以将函数 型不等约束与变量型不等约束一并处理，使o p f 的研究大大前进了一步，o p f 算法的实时性及收敛可靠性有了很大的提高，使在线应用成为可能。 1 9 6 8 年，日本k y u s h u 电力公司首先在a g c 系统上增加了系统电压自动 控制功能，可以看作是从全局观点进行电压无功控制的第一步。法国、意大利 第1 章绪论 等欧洲国家从2 0 世纪7 0 年代末开始开发、应用分层分区的a v c 控制系统。 法国输电网于1 9 7 9 年开始广泛使用区域性电压二次调节控制系统，其控制原 则为：通过自动控制区域内被选为“控制机组”的部分机组吸收或发出的无功 功率，以控制某一“控制区”内“主导节点”的电压，到1 9 8 6 年已有2 7 个控 制区；在多年实践基础上，又提出新的协调二次电压控制系统，并于1 9 9 3 年 投入试运行。 意大利国家电力系统也实现了电压与无功功率的自动控制，分别于1 9 8 4 年在佛罗伦萨、1 9 8 6 年在西西里地区实现了电压二次调节，运行效果非常好， 并于1 9 9 3 年在整个超高压电网普遍实现二次及三次电压调节，它是一个在线 的分层控制结构的自动控制系统。此外，西班牙、比利时也基于传统的最优潮 流( o p f ) 开展无功优化工作。 采用三级控制系统的运行经验表明，尽管遇到某些困难，但达到了初始目 标。然而随着系统的老化以及电网的发展，在2 0 世纪9 0 年代初也出现了一些 不足，这种控制方式仍需进一步改进和完善。 国内对于系统范围无功电压自动控制的研究人处于起步阶段，主要集中在 无功电压优化控制算法、仿真分析和无功电压管理等方面。至今，在国内省级 电网还没有真正意义上的全国实时无功电压优化控制的实现。目前，电压的调 控仍主要依赖于管理上的手段和现场运行人员的责任心和自觉性，未能从技术 上实现类似于有功a g c 那样的闭环控制，电压质量也难尽人意。 目前，国内大部分在线运行的无功电压控制装置，基本都是以就地无功电 压控制为目标，其控制原理以九区图为基础，仅保证就地无功电压控制在上下 限范围内，可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利影响。另外，这些装 置也不具备网络联调功能，不能实现全网无功电压的优化控制。 1 3 电力系统的无功电压特性 在电力系统中，无功功率电源除发电机外，还有调相机、电容器和静止补 偿器等，而无功功率负荷却很多，各种用电设备中，除相对很少的白炽灯照明 负荷只消耗有功功率，为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多 数都要消耗无功功率，因此，无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行，其 值约为0 6 0 9 。除无功功率负荷外，变压器、线路也要消耗无功功率，变压 器中的无功功率损耗分两部分：励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗，对单级电压 网络，变压器中的无功功率损耗并不大，满载时约为额定容量的百分之十几。 但目前电力系统均是多电压级网络，这样变压器中的无功功率损耗就相当可 东北电力大学硕士学位论文 观。输电线路上的无功功率损耗也有两部分：并联电纳和串联电抗中的无功功 率损耗，并联电纳中的这种损耗又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈 容性，串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。一般对超高 压、长距离输电线路，其容性无功较大，使线路电压升高，有可能出现工频过 电压，而在配电网络中，般电压等级不高，输电距离也不长，以感性无功为 主，消耗无功，出现电压损失，电压降低蛳。 就整个系统而言，无功功率必须保持平衡即有 一地- q z 2 0( 1 - 1 ) 式中，2 包。系统供应的无功功率总和 2 匆，负荷消耗的无功功率总和 q ，无功功率损耗 但由于无功功率负荷包变化剧烈，使得系统电压剧烈波动。系统在高电 压区无功功率负荷本身的具有正值的电压调节效应，当系统中无功电源不足 时，系统电压水平的下降，负荷在低电压下消耗的无功减少，从而在一个较低 的电压下全系统的无功功率达到新平衡。 无功功率平衡和系统电压水平的关系见图1 1 。 q q 6 c j q g c 7 绕+ q u 图1 - 1 无功功率平衡和系统电压水平的关系 为使系统无功功率平衡而电压不致偏离标准范围，也为了电力系统的高效 和可靠运行，对电压和无功功率的控制有如下要求： ( 1 ) 输电线路主要任务是为了有功功率传输，因此由无功功率潮流引起的 线路损失应最小。 ( 2 ) 电网内各点的电压都应在允许范围内，例如：变电所的母线电压允许 偏差值3 5 k v 及以上母线，正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定 第l 章绪论 电压的+ 1 0 ；最低运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、厂用电 的正常使用及下一级电压的调节。 ( 3 ) 电网应有足够的无功功率储备以应付突然的需要。 ( 4 ) 电网无功电源与无功负荷都应采用电压分层和分区供电平衡的原则进 行控制。 如图1 - 1 ，当系统中存在大量的异步电动机拖动负荷时，系统电压下降超 过临界电压后，负荷需要的无功随电压下降反而上升，将可能导致全系统电压 崩溃。 1 4 本课题的主要研究内容 提高系统电压稳定水平，防止电压崩溃事故的发生是电力系统安全运行必 须考虑的问题。尽管电力系统电压稳定的研究已取得了很多成果，但仍有很多 问题待解决，尤其是有关防止电压失稳措施的研究。其中，由法国电力公司提 出的二次电压控制是一种分区控制，每一分区都有相应的二次电压控制器。二 次电压控制器通过监视主导节点的电压以及本分区的其他信息，由主控计算机 计算出每一受控机组应有的控制量，将该控制量直接送至各控制机组，改变控 制机组励磁系统的电压设定值：协调一个分区内所有控制机组的控制行为，恢 复主导节点的电压，以改善这一分区的电压稳定性。二次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：如何建立二次电压控 制系统的模型：如何将系统进行分区：如何选择主导节点：如何进行控制才能 有效地防止系统电压失稳等。 本文正是基于这种现实背景，提出二次电压控制分区的研究课题，以期能 进一步优化系统的资源配置，提高电网运行稳定性，实现电力系统运行安全性与 经济性的科学协调。本论文的主要研究内容如下： l 、概要地介绍本课题的研究背景和研究现状，并对二级电压控制系统、 分区计算原则、电气距离定义进行系统地阐述。 2 、提出一种基于电气距离的模糊聚类分析的无功电压控制分区的计算方 法，建立系统的分区模型，在定义的电气距离基础上运用模糊聚类分析的方法 将系统分区来实现各个分区的协调控制。 3 、采用基于电气距离的模糊聚类分析算法求解上述模型。并以i e e e3 9 节点系统为例进行仿真计算。计算结果验证了本文提出方法的合理性和有效 性，以及在二级电压控制分区中的必要性。 2 1 概述 第2 章无功电压控制 无功电压控制问题对提高电力系统的安全性和经济性具有重要意义，一直 得至q 研究人员和运行人员的关注。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的电压崩溃对国民经济会造成 极大的危害。为了提高系统电压稳定水平，防止电压崩溃事故的发生是电力系 统安全运行必须考虑的问题。在各种电压控制方案中，由法国e d f 最早提出 的分级电压控制是一种很有吸引力的方案，并且已在意大利、比利时、西班牙 等国家的电网中得到了较好的应用。 2 1 1 电压稳定控制的概念 从电力系统电压稳定性看，电力系统运行状态空间可以分为三个区域，如 图2 - 1 所示。 图2 - 1 以电压稳定性表示的运行区域 1 、稳定区域a ，系统没有电压问题，具有大的负载能力s a ； 2 、弱稳定区域b ，系统无功储备不足，一些控制设备达到它的运行极 限，只有比较小的负载能力s b ； 3 、不稳定区域c ，此时潮流方程无解并发生电压崩溃。 我们可以根据不同的控制目的将电压稳定控制分为预防性控制和校正性控 制。预防性控制是指系统在发生故障或者负荷连续增长的情况下运行点接近稳 第2 章无功电压控制 定边界，有电压崩溃的可能，需要进行稳定控制使运行点远离稳定边界，保持 一定的稳定裕度，预防电压崩溃事故的发生，即将运行状态s b 拉回到运行状 态s ，从弱稳定区域回到稳定区域运行。此时的电力系统仍然处于稳定状 态，操作人员有足够的时间选择控制方式，因此预防性控制可以是一种慢速 的、调节性的控制。 校正性控制是指在发生严重故障或负荷连续快速增长等情况下系统处于电 压不稳定或电压崩溃的过程中，在这种紧急状态下进行控制使系统能够恢复稳 定并保持一定的稳定裕度，即将系统运行点从不稳定区域c 拉回到稳定区域 a 。由于此时的系统已经处于不稳定状态，需要尽快地采取控制措施，因此梗 正性控制是一种快速、紧急的控制方法。 图2 - 2 电压不稳定和电压崩溃运行状态 事故 暂态电压 不稳定 没有快速 校正措施 图2 2 表示了电力系统运行状态、事故、预防校正控制相互转化关系”1 。 图中虚线表示系统从警戒( 不安全) 状态恢复到安全状态不适由于预防措施， 而是由于一些正常事件如负荷需求的减少、天气的变化、退出设备的恢复等造 成的。 图2 - 1 中系统运行状态是以系统的负荷能力划分的。这是因为系统的负载 能力e ( m w 或m v a r ) 是电力系统电压稳定性的一个量度( 它是一个近似性指 标) ，它表示目前的系统运行状态到达电压不稳定可以增加的负荷量 东北电力大学硕士学位论文 e = f ( o ，u ，万，“) 式中：0 、u 是电压角度和幅值矢量； g r 。) 是控制参数矢量。 增强或控制电压稳定性定义为 f ：r 2 + 呻r ( 2 1 ) n ( i 1 r m ) 是变压器变化矢量；u ( u e = f ( 0 a ，u ， 1 ，) 一r ( 巳，u b ，栉日，u b + a u ) ( 2 - 2 ) l 阻0 e ( 2 - 3 ) a e o( 2 - 4 ) 式中是正常数。式( 2 4 ) 保证控制作用后，系统负载能力是增加的。 不同控制对电压稳定性有不同的影响，有一些具有灵敏度的控制作用，好 的电压控制应能以最小的控制代价获得最大的负载能力的增加。 实际电力系统中，有许多控制作用对电压稳定性有影响。电压稳定性控制 策略研究需要辨别这些控制作用，哪一个影响最强，在哪儿和如何采取控制。 2 1 2 电压稳定分层分区控制 电力系统电压具有分层分区的特点，因此相应的电压稳定控制也应是分层 分区的。分层控制就是要维持各个电压等级的电压在合适的范围，尽量避免和 减少无功功率在不同电压等级之间的传输。 图2 - 3 本地控制、区域控制和全局控制示意图 电压稳定分区控制可分为本地控制、区域控制和全局控制( 见图2 3 ) 。本 地控制通过测量本地的电压、电流、功率等物理量。根据其变化决定稳定控制 方式。由于本地控制只需要测量小范围内的物理量，不需要复杂的通信设备的 第2 章无功电压控制 支持，因而成本低，可靠性高。同时由于不需要考虑与其他地点控制设备间的 配合，其控制规律也相对简单，相应速度快。本地控制可以是系统的备用控制 方式，也可以是一个独立的控制方法。 区域控制是控制一个范围内电压水平和功率分布，这个区域可能包括一条 或一组传输线、变电站、h v d c 变换站、f a c t s 等电网的关键部分。二次电 压控制就是一种典型的区域控制方法。 全局控制需要控制整个系统的电压水平和功率分布，使系统处于最稳定、 经济的运行状态。全局控制一般通过监视和控制电网中的关键节点( 如重要发 电机节点和网络的枢纽节点) 来实现对整个系统的控制。 2 1 3 电力系统电压自动控制 电力系统无功功率和电压的自动控制系统按作用空间和时间的不同，从功 能上分成三个不同的等级，即一次、二次和三次控制，有时也称局部的、区域 的和整个系统的( 或国家的) 控制。从时间上划分是为了防止三个系统之间交互 作用而造成振荡或不稳。1 。 1 、一次控制 由于负荷的自然波动、网络拓扑改变和偶然事故造成的快速随机电压变 化。先由交流发电机本身的一次电压调节系统部分地吸收。在发生高振幅电压 波动时，变压器上的带负荷抽头切换装置开始工作，并联电容器自动投切。这 种一次控制是分散的、自动的，往往是根据电压的高低而动作的，其目的是维 持节点电压在一定范围内。 2 、二次控制 按电压的观点将超高压电网分成不同的控制区域，在每一个区域里面可以 保持一个大体上平坦的电压水平，且每一个区域内有一个或数个特殊节点，即 “控制节点”( p i l o tn o d e ) ，控制节点上的电压波动代表着整个控制区域内的电 压波动。该区域内所有发电机及无功功率补偿设备，都是根据控制节点电压水 平进行调整。二次控制系统是通过改变控制区域内的发电机励磁调节器的整定 值自动地进行校正动作。二次控制系统也可以直接投切并联电容器，改变带负 荷调节变压器分接头的位置。系统的时间常数大约为数分钟睁“1 。 一9 东北电力大学硕士学位论文 如前所述，法国电网于1 9 7 9 年开始广泛采用二次电压控制，至1 9 9 0 年输 电网已包括2 7 个控制区域，共含有1 0 0 台燃煤或核能火电机组，1 5 0 台水电机 组，控制的无功功率为3 00 0 0 m v a r 。它的主要功能是： 1 、在正常运行和事故情况下，各个区域中的电压都保持接近于调度中心 所给定的整定值。其控制信号是为包含多个控制节点的地区而计算的，考虑到 了该地区所有电压等级上的每台发电机的作用。 2 、地区计算机计算出的控制信号是直接加在每台发电机励磁调节器上的 整定电压。 3 、对发电机产生的无功功率进行协调，减少无功功率的流动，但并不是 加上严格的校正约束。 4 、控制系统监视着有限数目的控制节点或“关注”节点的电压。关注节 点是一组根据经验选择的节点，由于电网结构的原因，它们的电压不能反映在 控制节点上，包括线路末端节点和电缆网供电节点等。 5 、控制系统根据各个发电机的工作范围( 发电机的工作范围由有功功率、 无功功率和电压等参数确定) 计算控制信号，从而将各发电机工作点保持在允 许的范围之内。 6 、闭环系统的暂态特性是：不带超调量的无静压调整，l 2 m i n 的时间 常数，各控制电压的闭环不相互关联，一个控制电压的修改不影响其他回路。 3 、三次控制 三次控制是以经济和安全准则优化电网的运行状态，对各二次电压控制区 进行协调。控制方式是用位于中央调度所的三次电压调节器控制位于各个地区 调度所的二次电压调节器。这种自动控制功能尚未实现，例如在法国，三次控 制是按国家调度中心电话的要求手动进行的。 实际上，电压的运行水平、无功功率的供给以及无功功率的设备，直接关 系到系统的安全运行，无功功率缺乏和电压支持弱甚至会造成电压崩溃。已有 学者提出要考虑三种运行方式下的无功功率控制和管理。 1 、正常运行方式下。 2 、在安全被削弱的情况下。 3 、在扰动紧急情况下。 在正常运行方式下，调度员应运用各种无功电源及控制手段，达到以下目 标： 1 、电网的运行点一定要离电压稳定的临界运行条件有一定的安全距离。 2 、输电系统的输送能力必须充分利于传输有功功率。 一1 0 3 、有功功率损耗和无功功率损耗必须是最小的。 安全被削弱指的是发生线路开断的情况。线路开断一般很少发生，但为了 满足在发生线路开断后系统仍然保持安全运行状态，开断前系统将运行在一种 很不经济的方式或者说系统为此付出了高昂的代价。现在的一种趋势是开断时 间内允许出现过负荷等现象，但通过校正控制可以使系统回到一个非扰动状 态。这种运行模式称为事故后的重新调整。 紧急状态是指由于一系列的事件( 包括不能预见的开断) ，电网将出现过负 荷、低电压、不稳定等情况。一类紧急状态时间很短( 只有几秒钟) ，不可能通 过手动操作加以校正。另一类紧急状态可延续一段时间( 如几分钟) ，足够采取 一些对策。紧急状态控制的目标必须是使系统恢复到正常状态或者把扰动限制 在局部地区内。如果所有连续性控制手段，如发电机、无功功率补偿装置等提 供的无功功率已经用尽，就要采取一些开断操作和切除部分负荷的措施。 2 2 二级电压控制 2 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：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，他能够从区域电压稳定的角度出发，合 理、执调地分配本区域内各电压无功支持源的无功功率，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备，在 一定程度上能够改善区域的电压水平和提高系统的电压稳定性“。二级电压控 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。 东北电力大学硕士学位论文 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 引导节点；如何进行控制才能有效地防止系统的电压失稳等。 2 2 2 二级电压控制原理 二级电压控制首先将整个电力系统分成若干个控制区域( 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 个控制区域中选出其最关键的负荷节点称为“引导节点”( p i l o tn o d e s ) ，该节 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。如果将引导节点的 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 电压控制则是根据引导节点的电压偏离( u 。= u 。一u 。) ，按照某种预定的 控制方式协调地改变区域各个控制发电机( c o n t r o lg e n e r a t o r s ) 的自动电压调节 器( h v g ) 的参考电压设定值或其它无功源的设定值，从而使得引导节点的电压 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。 在二级电压控制中，整个系统被划分为若干近似解耦的控制区域，每个区 域选择其关键性的、能够反映本区域负荷电压水平的节点作为引导节点，并为 各引导节点挑选能够为之提供有效电压支持的无功源作为控制发电机。在系统 图2 - 4 二级电压控制原理示意图 第2 章无功电压控制 运行中，二级电压控制器监视引导节点的电压，通过调整本区域一次电压控制 器的电压参考值，将引导节点的电压幅值维持在设定值附近，从而达到维持整 个区域电压水平的目的。图2 - 4 是二级电压控制原理示意图。 二级电压控制对系统电压稳定性的影响取决于它的具体实现。一个好的二 级电压控制系统将有助于提高系统的电压稳定水平，有效防止电压崩溃事故的 发生；反之不但不能改善系统的电压稳定性，还有可能给系统带来新的稳定问 题。 任何一个电力系统都可以看作是由一组局部受控的发电机组、负荷以及连 接它们的传输网络组成。当仅考虑系统的无功电压特性时，存在二级电压控 制的电力系统基本结构可以由图2 5 表示。 二级控制回路 联络线 图2 - 5 采用二级电压控制的电力系统的基本结构 由图2 5 可见，系统的电压动态由两部分组成：一级电压控制引起的一级 电压动态以及由二级电压控制引起的二级电压动态。其中影响系统一级电压动 态的主要系统部件包括发电机及其励磁系统、负荷和网络，二级电压控制只在 励磁系统中引入附加控制量。 当建立发电机、励磁系统、负荷以及网络的模型后，将这些方程线性化， 经过化简，可以得出二级电压控制的模型 a u l = s , a q l + s 2 u( 2 - 5 q 。= s 3 q i + 只a u ， ( 2 6 式中：a u l 为负荷节点电压变化量；绞为发电机输出无功的变化量；q l 为 负荷节点无功变化量；c ，为二级电压控制附加信号的变化量；墨、墨、 s ，、氏为相应的系数矩阵。式( 2 5 ) 反映了负荷节点电压与负荷无功变化和二 级电压附加控制之间的关系。式( 2 - 6 ) 反映了发电机输出无功与负荷无功变化 和二级电压附加控制之间的关系。 由式( 2 - 5 ) 、式( 2 - 6 ) 表示的动态系统一般是不完全可控系统，这说明二级 电压控制无法完全控制系统中所有负荷节点的电压。一般情况下，电压控制区 内的所有发电机节点都被选为控制机组参与调节，当系统中的引导节点数目确 东北电力大学硕士学位论文 定后，就需要考虑哪些负荷节点被选为引导节点。选出的引导节点应该具有以 下的性质：当引导节点的电压保持不变时，系统中出现的任何无功负荷的变化 造成的所有负荷节点的静态电压偏移最小。引导节点的上述性质可以用如下的 最小化问题来描述 m i n ( a w q a v , ) ( 2 - 7 ， 其中q 为权矩阵，用以体现对系统中重要节点电压变化的关注程度。引 导节点的选择可以用如下的优化问题来描述 m i n e ( a u ? q a u 。) ( 2 8 ) 其中e ( ) 表示对随机函数取期望值，这是因为无功负荷的变动是随机 的。 二级电压控制问题包含了两个子问题，即： 1 、划分控制区域、选择引导节点和相应的控制发电机； 2 、设计控制规律，根据引导节点的电压偏差调整一次电压控制器的电压 参考值。 其中1 是由离线计算完成的，对一个给定的系统只做一次计算，选择出合 适的引导节点和控制发电机，在以后的计算或运行中就不再重新选择。2 的实 现有不同的方法，一类是在线寻优计算，即根据运行过程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 法针对性较强，缺点是对算法的快速性要求高，难于实现。另一类则是以p i d 控制器或其它控制器实现。 实现1 有两种方法：一种是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，找到该区域的引导节点及控制发 电机；另一种则按照选择引导节点的性能指标，对全系统的所有节点进行筛 选，找出所有的引导节点和与之对应的控制发电机。找出了引导节点和控制发 电机的分布，控制区域的划分也就确定了。在解决实际问题时，应针对实际系 统的不同情况，灵活地使用上述两种方法。 每一个节点都可以提供系统的运行信息，但是这种运行信息的获得却并不 需要遍及每一个节点。也就是说总有一些节点的动态信息是具代表性的，我们 从这些节点就有可能获得反映整个系统的某方面运行情况的信息。“引导节 点”就是电力系统中这样的有代表性的节点。典型情况下，每一个控制区域中 只选1 个引导节点，而电压无功的二级电压控制规律就以该节点的电压偏差 作为反馈输入。 2 2 3 电气距离方法选择引导节点和划分控制区域 第2 章无功电压控制 电力网络中各状态变量之间存在着如下的数学关系 【】= 【k 。】【u 】 a u 】- z b 。】【 【q 】= 【固影】【卅 a u 】= 【刃，a 2 a q 】 式中：，、d 分别为各节点注入电流、节点电压变化量；q 、u 分别为 各节点注入无功、电压幅值变化量；a 2 甜是系统潮流方程雅克比矩阵中与 无功、电压幅值相关的部分，它与系统节点导纳矩阵【e 。】一样，具有稀疏 性：础固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，与节点阻抗矩阵 z 。】一样，具有非稀疏性。 【z 。】和础固可被用来计算系统中任意两点之间的“电气距离”。“电 气距离”的远近反映了任意两节点之间电压幅值变化的耦合性大小的关系，因 此，“电气距离”的定义需要满足以下两个基本条件： 1 、要保证“电气距离”的正定性； 2 、要保证“电气距离”的对称性。 由于电压控制过程比较缓慢，系统各节点电压幅值变化范围较小，因此可 假设在电压控制过程中区域内系统各节点的电压变化是成比例的，即 a u ，= a u j f ，_ ，es ( 2 9 ) 式中a g = p u ，0 9 j 】【a u ，0 0 , ，s 为电力系统节点集合。 考虑到电气距离空间集合中两节点间电气距离的对称性及正定性，定义电 气距离映射函数为 d 口= 一 曙 a “) ( 2 1 0 ) 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 出该节点邻近区域内其他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下降。所以根据“电气距离”可以引申出“邻近区域 结构客观性”的概念。同样当我们控制系统中某个节点的电压幅值时，这种控 制的影响同样可以波及到以该节点为中心的某个区域之内，由此我们也可以产 生“邻近区域结构可控性”的概念。不难看出，“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。 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 出该区域的关键性节点作为引导节点。划分区域的算法为： 步骤1 ：n 个节点划分为n 个集合，令n = n ： 东北电力大学硕士学位论文 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，令n n 1 ，并重新计算各集合间的电气距离； 步骤3 ：重复步骤2 ，直至n = 1 。 由上面的算法可以看得出，除了步骤l 外，“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取以下几种方 法： 1 、最小距离：d n o j = m i n d u ，k q ，q ，。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。 2 、平均距离：d n q = 巩 ! 兰一 c a r d ( 1 j ；) c a r d ( 1 2 ，) k q ，q ，。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，这样得到的集合间的电气距离具有统计学上的含义， 物理概念不清楚。 3 、最大距离：d 口m = m a x d n ，k q ，q ，。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，集合间的距离是逐 渐增大的，与工程直觉相附和。所以采用“最大距离”法来进行区域的划分较 合适。 虽然在前述的算法中，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) ，但在实际应用中，应根据系统的实际规模，确定系统中 的区域总数n 。，显然1 n 。另一方面，由于该方法完全依据“电气距 离”即网络的结构划分控制区域，所以对于某些特殊的电力系统，如发电中心 远离用户区域，分区时就有可能使它们各自形成一个孤立的子区，这种情况 下，要根据实际情况进行有效的无功支持* v 偿或对控制方案做一定的调整。 2 3 无功电压控制分区的求解方法 最简单、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，显然过于粗糙，不适于系统分析和运 行控制。研究人员提出了各种各样的电网分区方法，从优化数学的角度看，电 力网络分区是_ 个组合最优化问题。一些适合求解此类问题的现代启发式方法 被用于电力网络的分区。 目前无功电压控制分区的方法主要有： 第2 章无功电压控制 1 向上分级归类的算法 向上分级归类的算法。3 “1 在提出的基于电气距离概念的基础上，运用向上 分级归类的自动分区方法将系统分区。该方法的具体步骤如下： 首先给定一个初始分区半径屹，对待分区集合s 中的所有节点判断两节点 间的电气距离是否在给定的分区半径白范围内，根据两节点间电气距离大小， 将相距最近的两个节点合并为一个节点集合，该节点集合作为一个节点参加下 一级的合并运算。随着给定分区半径b 增大，s 集合中的独立节点( 指未归并 入任何节点集合的节点) 将或者与另一独立节点归并为一个新的节点集合，或 者归并到其它节点集合中。为了保证进入节点集合的节点都保持距离递增性， s 集合中的独立节点参与下一级归并运算时采用“最大一最小电气距离”准则 进行归并，即该独立节点归并到与它的最大电气距离所在所有节点集合中为最 小的那个节点集合中。两节点集合间的归并同样遵循“最大最小电气距离”