（电力系统及其自动化专业论文）电网分级电压控制研究.pdf

第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 超高压、人容量、跨区域电网的迅速发展，对电压稳定利电能质量提出了更高的标准平更严格的要求。 目前我国电力行业对电压的控制方法一般是将每日分为几个典型时段，以不同的上、_ 卜限值，进行比较粗 糙的人一i 。控制。调度运行人员在发现l 乜压越限时，凭经验进行简单的调整，不但劳动强度人，而且无法及 时发现问题，解决问题，造成电压质量的降低。另一方面现代化工业设备利家用电器对电压质量提出了很 高的要求，只有采j _ ；i 白动电压控制的方法才能进一步提高电压质量。再者，随着中国l b 力市场化进程的不 断深入，厂网分开以后，降低网络损耗对电网公司来说尤为重要。降低网损的重要途径是减少电网分层分 区之间不必要的无功交换，网此做好电网的无功调度，1 ：作不但可以提高电压质量，而且可以降低网络损耗 口】。目前，人多数电网无功凋度只是根据典型的负荷数据进行离线分析计算，没有进行实时的电网无功 潮流计算和优化控制，闻此不能及时降低电嘲中不合理的无功流动所带米的有功损耗。为提高电网的安全 稳定水平，进一步提高电网电压质量，降低网损，减轻值班人员调整l b 压的一作强度，研发电网的自动电 压控制系统( a v c ) 显得十分必要，它为现代电网安全、优质、经济运行提供了先进的控制手段。 电力系统在每一天的止常运行过程中一般都要经历电压偏低和电压偏高的运行t 况，可以通过无功， 电压控制来消除或减小这种不利的l u 压波动。通过控制无功的产生、传输和消耗，将系统的电压维持在一 个能够接受的合理范同内，同时可减少传输损耗。在过去的近3 0 年里，无功电压控制问题引起了广大r 乜 力系统运行人员年研究人员的浓厚兴趣，各种电压无功控制方法和调1 ，装置不断出现，一些国家的实际运 行系统中已经实施了系列有效的控制手段，并取得了较为满意的结果。溯本求源，为了对电力网络的电 压，无功进行合理有效的控制，首先必须对系统的电压，无功控制装置、方法、策略的发展情况有一个充分 的了解。冈此本章首先闸述电网中无功与电乐之问的相互关系，在此基础上掌握系统中常川的无功源和电 压控制装置的特点，然斤探讨近年米发展起米的一些从全局的观点对整个电网进行全局【乜压无功控制的典 型方法，譬如：最优无功潮流( o r p f ) 、分级电压控制、专家系统以及模糊逻辑等等。其中包括了传统的 数值计算方法、人】：智能方法、年一些i ：稃应h j 当中采川的分级控制方法，人体上反应了当前全局无功， 电压控制的发展现状。 1 2 系统电压与无功的基本关系 对接入电网运行的任一电力元件而言，都有送出和吸收功率的问题。一般以向带机械负荷的感应l b 动 机送电作为送出有功功率羽1 无功功率的标准，取电网向i b 动机送电的方向为电流的止方向，而电流落后电 压( 9 0 。) 则是电网向该方向送山了有功功率和无功功率的相量条什。 e m 铲e n 一8 p m j q m p n 图l l 简化示例系统 为了说明传输功率的基本关系式，采_ 如图所示的简化示例系统，约定送“j 无功功率时为0 q ，即规定 以电流为基准与电压的共扼值相乘而求得视在功率s 。以岛为基准相量，言落f | 亓瓦的相位角为j ，联 络阻抗为z 么d ，可以求得图中电流为： 第l 页 东南大学硕士学位论文 j 。= 一j 。= 兰叠二! ! 笋= 三( e 。z ( 一口) 一。么( 一口一回) ( 1 1 ) ： 复功率为：s = p j q = e ，其中e 为e 的共扼值 得：一q 。= 等陋。c 。s 口一日c 。s 陋+ j ) 】二j 争【s i n ? 一s i n 陋+ 别 ( 1 _ 2 ) p 一缘= 譬峨c 。s 口一c 。s ( 盯一硼+ j 譬陋扣n 口一s i n ( a 一硼 ( 1 - 3 ) 传输线上的有功损耗为： 仰= + p = 三k 2 + “2 2 “c 。s 占) c 。s 口 ( 1 _ 4 ) 传输线上的无功损耗为： q = q o + q = 寺2 + e 2 2 e e ，c o s j ) s i n 口 ( 1 5 ) 考虑至高压电阿中一般x ) r 假定= 9 0 。，此时线路上的无功损耗q 0 是： q 0 = 三h2 + 日2 2 。c 。s 砷= 三i ( 毛一) 2 + 4 目s i n 2 害f ( t 6 ) 从上式中可以看到经电抗传输功率时产生的无功功率损耗由两部分组成，一部分是因为沿电抗传输了有 功功率( d o ，这是不可避免要发生的；另一部分则是因为经联络电抗传输了无功功率( 矗f f ) 。以 送电俣蜷出的无功功率q hs 为标准，经阻抗传输后产生的无功功率损耗比率是： ( 1 7 ) ( 1 7 ) 式说明传输的无功功率越大，联络线的阻抗越大，所发生的无功功率传输损失的份额就会成比例 的增大，这就说明长距离传输无功功率是极不经济的。由上式还可以看出，当联络阻抗增大时，为了传 输柑同的无功功率q m ( e = 0 ) ，势必成比例地增加两侧电压幅值的差值要么使送端电压过高，要么使受端 电压过低，这两者在正常的电力系统运行中都是不允许的。 如果联络阻抗中有电阻分量n ( 9 0 。，则将在联络线中产生有功功率损耗： 1 ，、 a p = + r = 号【+ e 一2 e e mc o s j 扣o s 盯= q o c o s 口 ( 1 - 8 ) 上式说咀，联络线中产生的有功功率损耗正比于联络线上纯电感时的无功功率损耗。这就是说，长距离 传输无功功率，不但有很大的无功功率损耗，同时也增大了有功功率损耗。这是又一大缺点。当o l d ，。i ；当z 为止值，即接 入并联电抗器时，p ，l g ( 尸( 。) ，则令j d 。= j d ( u u 】，丘= 足+ ，转至步骤( 1 ) ： ( 6 ) 如果 = ，p 停r 计算。 3 4 4 控制发电机的选择 控制发电机的选择也是极其重要的，即在控制区域内必须选择能够为主导节点提供有效的l b 压无功支 持的发电机作为一级电压控制器的控制对象。控制发电机应具备的条件是： ( 1 ) 该发电机具有相当的无功储备，即在系统紧急情况r ，发电机能够为系统提供必要的无功支持；另 一方面，当系统电压水平过高时，发电机能够减少自己的无功山力，甚至吸收系统多余的无功，以 保证系统具有良好的电压水平。 ( 2 ) 该发电机的无功山力变化能够最有效地改变主导节点的电乐幅值，改善本区域的电乐水平。 根据条件( 】) 可以对系统l = | 所有的发l h 机作一次初步的筛选，条件( 2 ) 实际可以表示为系统的灵敏度方 v l2 h a q c ，其中h = a v l 府q c 式中v 。为负荷1 ，点电压变化向苗；q c 为发电机发出无功的变化向餐。 v p = r a q g ，其中r = c h 对于主导1 ，点有 式中：v p 为主导节点的电压变化向量；c 为主导点选择矩阵。为了比较各发电机对同 响程度，对灵敏度矩阵r 作如r 变换，将r 中的每一个元素都除以所在行所有元素之利， 即 ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 一主导节点的影 再乘以l o o ， 吩2 r x 1 0 0 ( 3 3 9 ) 这时得到一个相对灵敏度矩阵，它表征了区域内的各台发电机对每一个主导1 ，点电压的调1 ，能力。比较同 一行各元素值的人小，就能看系统l ! | 哪些发电机能为主导节点提供有效的无功，l 乜压支持。通过设定相对 灵敏度的r j 槛值可以将相对灵敏度人的发电机筛选出米。 当系统的主导节点以及各白对应的控制发电机确定以1 i 亓，能够人致的确定山各个控制区域，主导节点 和控制发电机的选择是在全系统的规模上进行的，控制区域的划分与前面的方法相比具有定的模糊性， 这符合现代l 也力系统的网架结构越来越紧密的情况，控制区域的划分是可行的，但相邻控制区域之间存在 一定程度的相互渗透和相互影响。 3 4 5 算例 根据上文所述的灵敏度算法重新对n e we n g l a n d3 9 节点系统进行分区计算，其结果如r 表所示： 分区序号l最终分区节点号 分区il2 31 51 71 82 4 2 52 62 73 03 73 9 第2 2 页 第三章系统分医和主导节点选择 分区2 45 6 78 】0 l l1 2 l3 1 43 i3 2 分区3 91 62 l2 22 33 53 6 分区4j 92 03 33 4 分区52 82 93 8 表3 4 灵敏度分式算法结果 可见其结果和上。侮所提山的基丁电气距离的分区算法人体相同，从另一个侧面印证了利_ l jl b 气距离拓扑 分析的方法进行分区计算的有效性，同时需要指 ，在研究过程中得出如r 结论灵敏度分区算法较之电气 距离算法而言，编程较为复杂，物理意义不太直观，维护起来有一定凼难，推荐使川基于改进的电气距离 的分区算法。 第2 3 页 东南大学硕十学位论文 4 1 概述 第四章二级电压控制策略研究 二级电压控制策略的设计是指，当系统控制区域的划分已经确定，主导节点以及控制发电机的选抨已 经完成，系统在线运行时如何根据主导1 ，点的电压幅值偏著得到对一次l b 压控制器本区域内控制发电 机上的励磁控制器的l 乜乐参考设定值的凋整量。应当说明的是，随着研究的深入与技术的发展，现代电力 系统电压分级控制系统中的“控制发电机”的概念已经随之拓宽。“控制发电机”作为二级电压控制的基 层执行单元，不仅仅只包括发电机单元，而应理解为能够接受二级电压控制信号，并按要求为系统提供电 压，无功支持的所有无功源和l b 压控制殴各的集合，如晶闸管控制的电容电感、静i t 无功补偿器、静【r 无 功发生器等”“。我们首先以发电机的自动电压调1 ，器( a v r ) 为例进行研究，然后将其他一级控制各加 入到二级电压控制系统中去。 迄今为止二级电压控制的控制策略主要经过r 两个发展阶段。第一个阶段首先提出了分散二级电压控 制( d s v c ) 的框架结构，_ l l j 丁可划分为独立电压控制区的电力系统”。第二个发展阶段是协调二级电压 控制( c s v c ) ，更多地考虑到各种控制手段之间的相互配合，府川丁电网结构相对密集的地区”。实现分 散二级电压控制( d s v c ) 的关键在于：二级电压控制器的殴计，而协调二级电压控制的重点在丁控制的日 标和约束条件，本章论述两种控制方法时将羽绕着这些关键问题展开。 4 2d s v c 控制策略 4 2 1d s v c 总体框架 分散二级l b 压控制( d s v c ) 的原则是将幕个电力系统划分为儿个相互独立的区，称作“控制区域”， 在每一个控制区域内通过白动调二仃该区域内控制发l b 机的自动电压调：竹器( a v r ) 来控制主导节点的电乐 波形。这种调整将会使得机组的无功出力发，上变化，调整的幅度是由主导竹点的电压与其设定值的偏差所 决定的。 分散二级l b 压控制( d s v c ) 通过两个控制环节米实现对区域内控制机组无功出力的调整，其输出控 制信号作t l | j 丁受控机组的白动电压调节器( a 、哏) ”i 。总体框幽如。f 所示： h4 1 二级电压控制器框幽 整个控制系统分为两人部分，区域中心控制部分利现场机组控制部分。在区域控制中心，采集本区域 内主导节点的i u 乐值v p ，根据v p 和主导1 ，点电压设定值v m 的偏著( v p s e 。v p ) ，采_ i _ j 比例积分h 控制规 则产生控制信号q 。f ( 代表着“二级电压控制”区域水平) 。该信号由设置在地区控制中心的专川微型机 第2 4 页 第四章二级电压控制策研究 处理得山后送到区域内每一台控制机组，这样就完成了第一个控制环节。发电机现场控制器是励磁控制器 电压设定的凋整单元，它将区域控制中心送米的控制信号q 。f 作为输入，井考虑到各个机组的参与冈子。 处理后得到发l b 机机端电压设定值的凋整最v 。r 与原先的整定值叠加后就得到了作州丁每一个机组的 自动电压凋1 y 器的新的整定值。 其中第一个控制环1 ，中得到的通控制信号的表达式为： q o 。) ：嘶f 兰学r + 屈学+ q o o ：o ) ，2 l ( 4 1 ) 4 q2 。删：从区域f 中心控制器输出的二级电压控制信号。 口，、届：区域 二级电豚控制的积分常数录l 比例常数。 妒”、：区域f 主导仃点的l b 压没定值和电压额定值。 y ，( f ) 、v ( f ) ：区域f 主导：h 点上电压幅值的瞬时值和平均值。其中平均值由来自主导节点的连续三 次采样后经数字滤波得到。主导忸点的电压值人约每隔l o 秒钟左右进行采样和模数转换、，f 传送到区域 r1 控制中心。区域控制中心的控制规律可以写成如r 传递函数的形式ik 。+ = 二，这样得到了区域无功控 l7 j s j 制信号d 旦。，送往各个控制机纽。同时需要选择适当的控制的积分常数坼雨i 比例常数昂，使得整个控 制系统的控制性能符合要求。通常采用如下的值：1 0 s i 坼2 0 s 且1 昂酢= 4 0 。考虑到通信传输的延时 以及采样间隔的关系，这样的话整个控制过利将耗时2 分钟3 分钟左右，由区域控制中心的专埘计算机 进行处理。需要注意的是，一旦现场r t u 与控制中心的通信中断导致无法获得主导节点的实时电压，或 区域控制信号到达了极限值，那么控制信号4q 。r 的值将同定不变。 该控制信号分别传递给区域内的每一台控制发电机。以发【也机i 为例说明，当主导节点电压v r 低丁- l 乜 j l ! 设定值v 。时n q 。户0 ，说明廊增加发电机的无功出力；当主导节点电乐高 二设定值v h 。，时d q w 0 q 名 。 斟 ( 4 3 ) 鳊= 貉，枷 同时控制发电机 的参与冈子变为： 线= q ：m 缸一q ： ( 4 4 ) q 赢= q ：一q ：q 一 o 时，使得发电机的现场控制器的输入为q 呵( q ：一磁) ；当 ( o 为( k ( 磁一q ：) 。这样无功功率已经越界的控制发电机接受到限制无功山力的信号，可以 将其无功拉同至极值附近，而乩区域无功信号在无功没有越界的控制发乜机之间重新分配，从而为系统提 供所需的无功支持，相当于将原米应该由无功越界的控制发电机提供的无功功率改由其他的发电机提供， 这样就做到了区域内各控制发电机2 间的互相协酾和补充。 经过以上的一些处理就得剑了送往机组控制单元的控制输入信号q 。p 纵，在机纽控制单元中存在一 厂i 个一阶惯性控制环节l 二一i ，它是白动电压调1 ，器电压设定值的调整环1 ，n 为时间常数，通常取为 l l + 7 月5 j 2 0 s 左右，以实现二级电1 i 控制与一级l b 压控制在时间一r 的解耥。这样得到r 经限幅后，输入到相应白 动电压调节器的参考电压入口，_ l i j 以改变其原先的电压参考值。 4 2 2 模糊逻辑二级电压控制器设计 从上一1 y 对分散二级1 乜压控制框架结构的描述中可以看到，在整个d s v c 电压控制体系当中比较关键 的环节就是二级l 乜压控制器的设汁，上文讨论的是最基本的二级电压控制器的结构，到目前为l l 国内外在 此基础上进行了各种研究和改进m ，其中包括了新的控制结构和新的控制方法。f 面就介绍一种将模糊逻 辑加入到控制环h 中去的新璎二二级电压控制器，并在此基础上对将模糊集理论引入到二级电压控制中的做 法加以的讨论。 由前所述，在基本的二级电压控制器中，主导节点的l h 压偏差：p f f ) = ，一作为输入信号引入到 ：级【乜乐控制模块中，可以在二级电压控制器的前项加入一个模糊逻辑控制模块，以便实现对主导仃点电 】i 的智能控制。模糊逻辑控制模块的结构如【到所示。 靠 v k j 削4 2 二级电压控制器模糊逻辑输入 其中p r 和出r f 协作为模糊逻辑控制规则的前项输入，经推理得山相应的l u 乐控制信号。在模糊逻辑 控制模块包含有模糊逻辑控制规j l ! i j ，在离散状态fe f f ) 平出f j 分别由目削平d e 例代表， d 跗j - r 日 j e 似一，) ) d l 这里的47 是抽样间隔。主导1 ，点的状态可以由相平面上的点来表示，其坐标为 目纠，坳目纠】，这里的是一个比例系数， j 米调。1 ，肚用le d f u 之问的幅度关系。原点是电压的平衡状 态。将要实施的控制动作就是为了将系统从目前的状态抟闸到原点。采h j 极坐标形式来制定模糊规j j ! | j ，可 将前项输入转化为、r 径尺r 闻】口r 七j ，由以r 的公式进行转换： 第2 6 页 第四章二级电压控制策研究 r ( t ) = 扛两了面丽 口：a r c t a n 丝：丝塑( 4 _ 5 ) 、 e 限1 为了得到控制规律，把相平面分为两个区：止向区称为p 区，负向区称为，v 区，a 为两个【廷的重叠角。 尸夏剥戍l l ：控制量区，区对应负控制量区。p 区利，v 区均是具有模糊边界的模糊区域。在p 区中，特别 是在第一象限，若低丁i - 给定的电压v 。而且还在r 降过程当中，此时e f r j 和出r 删f 均为正，处于相 平面的第一致限，应增人控制信号v 以提高发电机机端电乐，这样我们就得到以下的控制规律。 k - 8 e f k i 侮 、 型粕 7 幺盟 幽4 4 正负控制区的隶属函数 尸f 口j 代表控制电压y ( o ) 增加的隶属函数；f 口j 代表控制l b 乐v ( o ) 减小的隶属函数。通过这两个隶 属函数可以很方便的实现上述儿条规则。此外根据经验，还可以列山另外一条规j i ! i j 。 规则4 ：控制信号的人小正比丁状态点离开平衡点的距离d f u 。 通过上述四条规则，总结山r 面模糊逻辑控制环的输出信号为 y ( k ) = ；i ；。g ( t ) = 1 2 ( 臼( k ) ) 】t g ( 女) ，( 。一s ) 式中g 例是电压洲信号的增益龇呲彻叫暇炉j 掣刚哪n ，仇由。y 1 o d y ( ) d 5 确定，也就是等丁最人输出信号v 所对麻的那个距离值。这样上式就体现了前述四条模糊控制规则。 模糊控制规则的整个推理过样都包含在一个公式中，使这种j j 法计算简洁，实施起来也方便可靠。如前所 述将主导协点的电压偏筹p f j = y ，一咐f j 作为误差信号，p r 一和如f 巩作为模糊逻辑控制规j l ! l j 的前项输入， 与规则作州斤，抑理山相应的电乐控制信号4y f f j ，然斤引入到区域电压控制器中，就可以实现模糊逻辑 二级电压控制。 4 2 3d s v c 控制策略的局限 第2 7 页 尔南人学硕十学位论文 通过对分散二级电压控制系统( c s v c ) 的论述，可以发现c s v c 控制策略存在着以r 几个局限性m 】： ( 1 ) 在实现c s v s 以后随着系统网架结构的不断发展，某些原本解耦的控制i 域之问的联系越来越紧密， 相互影响也会越来越明显，原来的解耦关系遭到了一定程度的破坏。为了避免在控制过科中系统的 稳定，要么就增加分区的数目，要么就降低控制的动态响应速度，但无论使_ 【 j 哪一种方法都会影响 控制的效果。 ( 2 ) 直接作州丁发电机纰的无功功率控制环。竹是一个潜在的不稳定冈素，在某些情况r 会拍：开始阶段放 人某些初始扰动。 ( 3 ) 系统没有考虑到一些约束条件，如某些点的l u 压限制，以及发电机组的力限制等。 ( 4 ) 控制系统的参数是闶定的从而不能对一些运行条件进行优化。 ( 5 ) 代表区域 勺无功需求水平的信号在某些情况r 可能会急剧变化而没有考虑到发电机本身山力变化 的响廊速度是否能够满足要求。 冈此针对c s v c 控制策略的这些不足和l b 力系统的发展状况必须建立新的控制方法，其中要考虑到各 个控制区域之间的相h 影响，也可以理解为控制区域的边界已经越米越模糊了，各个区域有相互融合的趋 势。从而提山了卜| 文所述的协调二级电压控制策略( c s v c ) 。 4 3 c s v c 控制策略 4 3 1c s v c 控制策略简介 当输电网变得日益的紧密，致使在分散电压控制进行分医时，要想得到充分解耦的电压分医十分幽难， 从而使得分散电压控制的效果夫打折扣4 ”。如何克服分散电乐控制的缺陷，这就是设计协调电乐控制策 略的出发点，其目标是从全局的观点米实现无功的调度平电压的控制。在原先分散电压控制中儿个独立的 控制分区由丁电网联系的日益紧密其解耦性越米越弱，从而由这些控制分区形成j ，一个人的区域，通过协 惆二级控制能够实现整个人区的电压控制设备的相互配台。二级电压控制的结构示意图如f 所示： l ： 幽4 5 c s v c 总体框架图 在每一个协调控制的人区内有一个控制中心，控制中心搜集所有主导”点和电乐敏感节点m 1 ( 对电压 问题特别敏感的系统母线) 的电压遥洲值，以及参与二级i 乜乐控制的控制机组的母线电压和有功，无功山力。 第2 8 页 第四章二级电压控制策研究 根据这些遥测信息在线估出适当的灵敏度冈子。将这些信息输入多变量二级电压协调控制系统。 c s v c 系统的典型运行模式是通过将所有控制机组的无功山力使其维持在区域统一无功出力水平左 右，从而同时调1 ，一个爻域内的所有主导：1 ，点的电压。每一次控制与下一次控制之间都有一定的时问间隔， 这样做的好处是可以忽略信号传输的时间和一次电乐控制器的控制暂态，从而把其简化为一个稳态问题米 处理。控制系统必须将一些系统运行约束考虑进去，并对控制信号进行校验，防i r 不合理的控制命令。如 果不满足其中的一条约束，那么控制规律就必须重新修改。 4 3 2c s v c 控制策略的特点 相比较d s v c 控制系统而言，c s v s 系统的特点可以简述如r 。某个地趸内电嘲电压水平的变化可以 由一些主导仃点的电压变化米代表。“地区”可以理解为在d s v c 系统中的儿个相互耦合的比较紧密的电 乐控制区域。c s v s 系统首要的控制目标就是要将这些主导：诲点的电压维持在其设定点附近。而我们可以 预见，发电机的数目即控制变量的数目要人于主导节点即输出变量的数目。冈此c s v s 的控制h 标除了要 维持主导仃点电乐以外，还充分利川这些控制变量米满足其他额外的运行约束。其第二个控制目标在于将 受控机组的无功山力维持在给定值附近，其优先级要比第个控制目标要低。接着可以让整个系统的无功 需求尽可能的最小化以保持系统有充分的无功储备米庶付各种各样的扰动，对提高系统的电压稳定性起到 一定的作j 1 。 在c s v c 控制系统中，主要要f | j 到电力网络的灵敏度模型，记及每一台发电机绢对主导节点电挑的影 响，通过这种方式对各个发电机组的控制行为进行有效的协调，从而对整个区域的电压实施良好的控制。 与d s v c 控制系统相比较，c s v c 系统的控制区域更为广泛。原先在d s v c 系统中山现的控制区域间相互 影响的情况在c s v c 系统中经过协调得到了有效的解决。 c s v c 控制方法的另一点改进在丁，在每一步的控制过群当中都记及了网络约束。在实施控制时会监 测电网i _ r i 的某砦电压敏感1 ，点和发电机点的电压变化情况，以及发电机的运行约束。电压敏感1 ，点不同 丁主导：订点，其电乐不会表征一定地区范嗣| 4 的电压整体状况，但其l b 压较易变化，相比其他节点而言缺 乏无功支撑，会在小良1 况r 首先山现问题，比如一些远离发电机的节点，或者由电缆连接的负荷节点。 增加对发电机的运行约束保证了受控机组不会经常运行在其极限值附近。c s v c 系统的控制命令由：级电 压控制中心给山，是受控机组的机端电压设定值改变量，由控制中心直接_ 卜达至各个机组的白动电压调1 ， 器( a v r ) 。 4 3 3 基本目标函数 c s v c 二级电乐控制的控制策略描述为：为防止电乐崩溃事故的发生，在任意一个电压控制区内的二 级电压控制系统应该是该电压控制区内主导节点的电压偏移最小，而且控制区内的控制机组应尽可能保持 较多的无功储备。这样一米基本的c s v c 二级电压控制策略可以表示为如r 的优化问题，日标函数是一个 多变量二次函数”“。 约束条件如r c 嚣u ( 4 - 7 ) k e 口( ，j v “”v + 瞄k v ” i ，敏感节点电压约束。 拒 v “v + v ；v f d ，g ，控制发电机节点电压约束。 纠“q + 嘿k q ，“ i ，发b 机节点无功出力约束。 k a 。 v l 兰v “1f ，单步调1 ，最人苗约束。 其中口p 、口g 、口c ：分别是主导节点、受控机组1 ，点、l 乜压敏感甘点的1 ，点集合。 第2 9 页 v f肌 lm | z nm 尔南人学硕+ 学位论文 v 8 ”、v 、v ：分别是1 ，点f 上的l 乜压参考值、实际电压值、电压偏差量 c 篡、c 墨、c 嚣：分别是主导节点电压变化、无功注入变化、电压敏感节点电压变化对发电机机端电压 的灵敏度矩阵的第j 行，第t 列元素。 q ，、q ，：分别是仃点f ：的实际无功注入和无功注入极限。 4 3 4 改进目标函数 随着现代电网的发展，网内的电气联系越来越强，解耦性变差，当菜区域的电压水平出现变化，相 应的控制发电机动作时，难免会列相邻区域的l 乜压水平产生影响，于是出现了区域问的互调，严重情况f ， 会使得系统| = | 的电压出现振荡，难以在二级电压控制所要求的时间内平息。同时，随着发电市场的逐步建 立干完善，对于发电厂的运行人员而言机组的安全稳定运行显得比以往更加重要，冈此在实施二级电压控 制时对控制机组的影响应该考虑的更加全面。基丁以上的现实，应该对基本的c s v c 控制的目标函数进行 修_ i j 三和改进，本文提出改进的目标函数如f ： 厂 2r 2 m i n z = 1 4 ( v 8 ”一v ) 一c 嚣ki + w 研( q 8 ”一q 。酽1 ) 一吃kl ( 4 8 ) * 郇l 拓 j 一l * j 约束条什如r ： v ；v + c 嚣k v ”“ f d ，c 敏感仃点电乐约束。 v “v + v v f l b 乐控制节点电压约束。 钟q + 嚷ks q ，“ i 5 发电机节点无功出力约束。 k v l v i o r g 单步调节撮人量约束。 口，、k “7 、v 、v 、c 鬈、c 嚣、c 墨、q ，、q 等参数的含意与基本的c s v c 目标 函数相】司。 w ：权重冈子。w 的人小应使得整个目标函数仍然以第一项为重，同时义使得帮个区域内的发电机的无功 功率储各趋丁平衡。 矿”：称为区域无功山力平均系数，其计算方法如。f ： q “= q 。q ，“ ( 4 - 9 ) a | i e n ( ； 改进的目标函数包含了两个优先级不同的控制功能。按照其优先级从高到低依次为：消除主导1 ，点的 电压偏差；使每台控制机组的无功出力接近丁i 叉域内的平均山力水平。在优化模型中所使州的约束条什均 为线性，具体体现了系统实际运行时的如f 限制条什：所有电压敏! 卷肖点的电“乏约束、所有受控机组的无 功山力限制、每一步控制中发l 乜机机端电压变化跨度的限制。既然在上一个时刻主导：1 ，点口，、受控发电 机1 ，点6 吃、电压敏感节点髓c 上的l b 压值k ，以及受控发电机1 ，点的无功注入q 。都可以经测量得到，那 么在上述目标函数中唯一的朱知变量就是电压变化量v ，f d ，g 。使用二次规划算法来解算上述优化模 型。同时在目标函数中最小化主导节点的电压偏移量的优先级要高于消除发电机无功山力偏差和限制发电 机- 1 y 点的l 也压偏移，这一点通过合理选择权重网子r 米实现。从系统的观点来看，一个实施了c s v c 控制 第3 0 页 第四章二级电压控制策研究 的系统具有如r 三个状态： ( a ) 主导1 ，点电压维持在殴定值附近，且电压敏感1 ，点的电骶没有越界，整个区域内的无功分布均匀。 ( b ) 某些主导节点的电压轻微地偏离其参考值，电压敏感节点的电压没有越界。 ( c ) 哇土乐敏感节点的电压不能维持在合理的范同以内。 其中状态( a ) 是最理想的情况，主导1 ，点的电压和三级电压控制所给出的优化参考值一致，并且具 有一定的动态无功储备，系统处丁较稳定的运行点。处丁状态( b ) 时，系统仍然是安全的，但离三级电 压控制所给出的优化的电压水平有一定距离。处于状态( c ) 时，系统是不安全的，说明c s v c 系统已经 无法补偿电压敏感节点的电压偏移，电压敏感1 ，点的电压正处在i 乜压崩溃的过样中。 从另一个观点i q 以看出协调二级电压控制( d s v c ) 是分散二级电压控制( c s v c ) 的一种发展：系统 成功实施d s v c 控制后，某一个x 域内的主导：1 ，点的l u 乐值将同到其参考值，并且l b 压敏感：忸点的电压来 越界，发电机的无功山力率一致，这种状态可以看作实施c s v c 控制后系统处在( a ) 状态下的一个子集。 说明c s v c 控制系统与d s v c 控制系统相比控制目标更加全面灵活，适应了实际系统的发展状况。 4 3 5 紧急协调目标函数 当出现了c s v c 系统通常无法起作f 【 i j 的紧急情况，l 乜网的某些1 ，点正处在电压崩溃的过程当中，那 么此时c s v c 系统的控制目标廊该发生变化，此时应该充分及时地利i | _ j 系统中可川的动态无功储备米最_ 人 限度地维持系统地电乐稳定性，延缓电乐崩 j ；i 的过程，为调度人员采取合理的校i l 措施争取宝贵的时间。 这种控制行为只在紧急情况f 发生，称之为c s v c 的紧急协调模式，与j i ：常模式f 的c s v c 控制之间的相 互关系示意幽如f ： 卜，步调节h c s v c 基木控制摸武 任一敏感竹点低电压越界 c s v ( ：紧急控制模式： 脚调控制 v r 桃端竣定慎 下一步调节i电压不稳定消除? 一步增日a v r 帮l 定值是否珥能? 其他紧急控常i 装置动作 幽4 6c s v c 在线优化流程 在l b 压不稳定的情况r 控制策略从止常模式转为紧急控制模c ，紧急模式加速协调控制机组的a v r 控制器，一步一步地修正电压设定值，当然这种控制只仵州丁尚有充足无功储备的机组。在控制的每一步， a v r 的机端电压设定值的提高由r 而的优化目标函数决定： 第3 l 页 东南人学硕十学位论文 约束条什 m i nz = r w j lm ( v “。一k ) 一c 鬈k m 即 l k j 广 + h l 中( q ”一q 。q 孑。) 一c 宝ki ( 4 1 0 ) + p ，b ( v 。一v ) 一v v + c 嚣k v 。 i 6 咕 限制电压敏感节点的电压越界 拓嘶j v ”v + v v “。+ v “ 掣“q + 嚷k 鳄“ ( ， l v i s k f 限制电压控制节点r 乜乐越界 j 0 0 发电机无功出力限制 涎o ，g 单步调1 ，最人量约束 其中和肼是用户定义的权重冈子，其中v “是发电机母线i 上在电压失稳期问内可以允许的短时 间内电压颥外升高值，在电j i 紧急情况f 可以这么做。注意到在c s v c 紧急控制模式中的优化目标函数与 止常情况r 有所不同其主要差异在于醇新定义了日标函数的相关项。新的目标函数在每一步控制中使得关 键负荷点和控制1 ，点的电压最人化。这样，目标函数就定义为电压敏感订点利控制机组二1 ，点最人期望调 1 y 量利实际凋1 y 量偏差的加权剐。在此情况r 电压敏感：协点的l b 压衰落趋势已经确定，发电机1 ，点电压变 化也是。卅负的注意到目标两数是线性的，所以没有必要采州平方平| j 最小二乘形式的目标函数，可直接采川 线性形式的目标函数，简化问题求解。适当地选择加权冈子和p 使得情况危急的节点l b 压增加最人。 而紧急控制目标函数的约束条什与止常模式r 基本相同，唯一的著异在于紧急控制f 电压敏感节点的 电压没有r 限约束，同时发电机节点允许的虽高电乐短时间内可以高丁正常水平一定范同。在此模型中唯 一的未知量仍然是发l b 机机端电压的改变量v 。使川解算线性规划的方法对其进行求解，比如单纯野4 法 等，求解速度比止常模式f 的c s v c 目标函数的二次规划法要有较人提高。使_ | _ j 紧急控制模式的目标函数 求得控制机组的机端l 乜压设定值的改变量，在每一次调1 ，步骤完成之后判断系统是否同到稳定状态如果同 到了稳定状态则取消紧急控制模式旧到c s v c 的止常控制状态。 4 4c s v c 控制策略详解 4 4 1 灵敏度计算方法及算例 ( 1 ) l u 压控制1 ，点电压和主导1 ，点以及电压敏感：协点电压的灵敏度关系计算方法【4 ” 这里，我们是要给山l 电压控制节点的电压变化和电压敏感点以及主导节点电压变化两者之间的灵敏度关 系，在协调二级电压控制的目标两数中要j h 到这种灵敏度关系。当电压控制仙点的电压改变时，假定主导 。1 ，点和l 也压敏感协点的无功功率保持不变，这时主导：竹点和电压敏感节点的电压将发生变化，改变量没为 u d 。 由快速解耦潮流计算的无功一电压迭代方程 巨= 卜v ik ( 4 _ 1 1 ) 第3 2 页 隅竺= _ 二 第四章二级电压控制策研究 记为矩阵形式a q = l a u ，一个具有n 个。1 ，点的系统，其中包括j 个平衡节点，r 个p v 协点，对丁这样 个系统米说上述方群为n r - 1 阶。式中u 和q 都是针对p q 母线而肓的，包括了区域主导仃点和电压 敏感1 ，点。如果将电压控制节点增“到上面的方科中去，并h j 卜| 标d 、g 区分负荷母线节点和电压控制节 点，则有 熙剐划= 剐 件 l l c dl g g 儿a u g jl a q g j 与r 标g 对廊的就是l b 压控制节点，在快速解耦潮流计算中不山现。式中的l d d 就是快速解耦潮流中的， l n c 和l g d 是电压控制节点和主导节点以及电压敏感1 ，点之问的互导纳，l g g 是电压控制节点的白导纳。 在近似计算中，可以忽略上式中的电压幅值项。 当调整u c 时，假定土导节点和电压敏感节点的注入无功不变，即q d = o ，式( 4 1 2 ) 中的第一式为 l d d a u d + l d g a u g = a q d = 0 ( 4 一1 3 ) l ! i j 有a u d = c ，a u g ，式中c ，= - i 。l 。g 是a u 。和a u g 之间的灵敏度矩阵，它是无量纲的。利_ | _ j 灵敏 度矩阵c ，可以知道电压控制节点对主导节点以及l t l 乐敏感1 7 点的电乐控制效果。 ( 2 ) 电压控制协点电压变化与1 ，点无功山力调整量2 间的灵敏度关系计算方法 当电压控制仃点电压变化时，节电本身的无功功率将发生变化，这两者之间的灵敏度关系是由电压控 制二社点向网络看进去的网络的l b 气特性决定。仍假定发电机无功功率变化时，其他母线的无功功率不变， 写山f 式 彳a u g = r g g a q g ，r g c 相当丁将b 增广后矩阵的逆中年| ll b 压控制节点有关的子矩阵。事实上 注意到分块阻抗矩阵和导纳矩阵的子矩阵之间的关系有r g g = - i 站g 其中l g c = l c c l g d i 矗d l d g 相当 丁只保留电压控制节点，消去其他1 ，点斤的等值网络的导纳矩阵。 ( 3 ) 说明羊l | 示例 以1 灵敏度计算方法的推导均以快进解耦法的潮流计算公j = l = 为基础，所需灵敏度关系在c s v c 系统控 制过程巾保持恒定，无需在线计算给山。但其精度有定的损火。在实际应州中可根据情况选州由牛顿法 潮流计算公式所推导出的较为精确的灵敏度计算方法扫：每一步求解c s v c 控制目标函数之前根据当前潮 流状况重新评估灵敏度园子，然f | 亓解算控制系统优化模型。本节的目的在丁给出推导思路，有关牛顿法潮 流汁算灵敏度公式与以上推导过程类似。给出一个示例系统的计算实例。 4 机l o 节点的系统接线幽、线路参数、节点参数如附录i i 所示，该系统分为两个控制区域。区域1 包 括l 、2 、3 、4 、5 号h 点，其中5 号1 ，点选为主导弘点，1 、2 号发电机1 ，点参与_ 二次电压调节。x 域2 包括6 、7 、8 、9 、1 0 号1 ，点，其中1 0 号仃点选为土导。1 点，7 、9 号发电机1 ，点参与二次电压调仃。区域 l 的3 、4 号。竹点和区域2 的6 号。1 ，点选为l 乜压敏感节点。由上文所述，在协调二级电压控制( c s v c ) 的 目标函数中所需的灵敏度冈子可以计算如r 表给出： 第3 3 页 4舡 t 吣 l l d d d g l l l = g g d g r r 叩 r r ，l 令 d g q q a a l g g d g l l d d d g l l l = d g 埘删 l 东南人学硕+ 学位论文 表4 14 机1 0 节点系统c s v c 控制灵敏度 4 4 2 解c s v c 目标函数的二次规划积极集方法 改进后的协调：级电乐约束的控制目标函数的求解，是一个二次规划问题，对于二级规划问题的解算 方法，到目前为l r 已经有相当成熟的算法o 。具有不等式约束的，次规划问题则常删积极集算法米求解。 积极集法通过求解有限数目的等式约束二次规划问题来解决一般约束下的二次规划问题。直观上不积极的 不等式约束在解的附近不起任何作川，可以去掉不考虑；而积极的不等式约束，由于它在解处等于零，故 我们可以川等式约束米代替不等式约束。这就是积极集解法的基本原理。 积极集法是一个可行点方法，即每一个迭代点都要求是可行点，它每次迭代求解一个等式约束的二次 规划问题。如果等式约束二次规划之解是原问题的可行点，则判别柏应的拉格朗日乘于是否1 f 负，如果成 ：、z 则停r 迭代，否则可去掉一层约束重新求解约束问题。当等式二次规划之解不是原问题的可行解，则需 要增加约束然后重新求解等式约束问题。 第3 4 页 第五章二级电乐控制分析方法研究 第五章二级电压控制分析方法研究 5 1 稳态分析模型的建立 如何评价二级电压控制对系统稳态运行状况的影响呢，可以在标准潮流计算模型的基础上加以改进， 将二级电压控制对稳态潮流的影响包括进来。详细介纠如f 。 在潮流计算的过程中，系统中每个节点需要考虑四个变量，对于1 ，点f 米说有：电压相角口，、电压幅 值、有功注入只、无功注八q ，。根据这四个变量中哪两个变量是己知的，可以将系统节点分为几种标准 的节点类型：vo 节点、p v 节点、p q 节点。与标准的潮流计算模型不同，分析具有_ 二级电乐控制的系统 时，除了以上儿种仃点类型以外，可以在系统潮流模型当中引入新的1 ，点类型：p1 ，点、分散型p 节点、 p v o 节点。p v o 节点指的是有功、无功注入、电压幅值均为己知量的节点一，级电压控制中的主导1 ，点 可以看作p v o 节点。p 节点和分散型p 节点指的是仅仅已知有功注入的节点，二级电压控制中吲一个分 区内参与电压调节的发电机节点可以看作与该分区主导1 ，点相对应的p 节点或分散型p ：1 y 点。r 文详细阐 述一_ 卜模型中新增加的几种盯点。 5 1 1 节点类型扩展 ( 1 ) p1 ，点和p v o ：点对 在p 节点上，1 y 点注入有功功率是已知的，而其他二个变量( v 、o 、o ) 是未知的，为保证与其对 应的p v q 节点上的电压幅值恒定，可政变p ：仃点上的无功注入。如果把标准模型中的p v ：1 j 点看作通过调 整白身的无功注入米使得白身仃点上的电压保持恒定，那么p1 y 点用ip v q 订点对的定义可以看作对p v1 ， 点概念的一种推广。 ( 2 ) p v o1 ，点和分散型p1 ，点 如果一个p v o 。柑点上的【u 乐是山儿个p 节点上的无功注入根据不同的参与网子来进行调节并保持其 恒定，那么这儿个ph 点就称为这个p v o 节点所对应的分散型p 节点，这是对p1 y 点概念的义一次推j 。 如果所选的p v q 节点i 的电压幅值由远方r p 个分散型p1 ，点所提供的注入无功功率来支撑，那么对于这 r p 个分散型p1 y 点而言，其仃点上的电压相角羽j 电压幅值是未知量共2 r p 个，而对丁| 这r p 个分散玳p1 ， 点的无功注入而言，冈为预先定义了分配冈子，所以只要知道它们所对应的p v q1 ，点上调节电乐所需的 统一无功偏著就可以了，所以总的说来对r p 个分散型p1 y 点来说，其未知量的总个数为2 r p + 1 个，分别 为r p 个分散犁。仃点的电压幅值、电乐相角、r p 个电压控制节点的统一无功偏差d q ，。 统一无功偏差d q ，将结合各个分散型p 节点预定义的分配系数后传递给每一个远方电压控制节点，加 上各个分散型p 节点在基本情况r 的无功注入q ? 。那么远方l b 压控制节点f 的无功注入方程就可以按如卜| 公式给山： q ，= 鲜+ k 口d q ，k = 1 ( 5 1 ) 辟op 岫 1 e n