（电力系统及其自动化专业论文）考虑负荷峰谷特性及引入控制参数的电压无功控制策略.pdf

a b s t r a c t a st h ec o u n t r ye c o n o m yd e v e l o p sc o n t i n u o u s l y , t h eh i g h e ra n dh i 曲e rq u a l i t yo f v o l t a g ei sr e q u e s t e di nt h el l l o d c mi n d u s u yp r o d u c t i o n , t h ev o l t a g et e n d st ob eo l l eo f t h em o s ti m p o r t a n ti n d e xi ne v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo fv o l t a g e ，a n dt h eq u a l i t yo f v o l t a g ep l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h es t a b i l i z a t i o no fn e t w o r ka n dt h es e c u r i t yo ft h e e l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t r e a c t i v ep o w e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si n i n f l u e n c i n gt h ev o l t a g e ，t h e r e f o r e ，r e a c t i v ep o w e rb a l a n c eo nt h e 印o t , a v o i d i n gt h e r e a c t i v ep o w e rf l o w si n v e r s e l yi n t ot h en e t w o r ki sp r o p i t i o u st ok e e pt h ev o l t a g e q u a l i t y , r e d u c et h en e t w o r kw a s t i n g ，r e a l i z et h eo p t i m i z ef u n c t i o no ft h ew h o l e n e t w o r k t h en i n e - a r e a sf i gi su s u a l l yt a k e na st h ec o n t r o lt a c t i c so fv o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rb yt h es u b s t a t i o n s ，t a k i n gt h es e c o n d - s i d ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r a sr e s t r i c tt e r m , b yd i v i d eu pt h ep l a n ei n t on i n ed i f f e r e n ta r e a s , d i f f e r e n ts t r a t e g yi s c h o s e ni nd i f f e r e n ta r e a , t h en i n e - a r c a s f i g i st h ef u n d a m e n t a lg u i d a n c eo f t a p c h a n g i n g o ft h et r a n s f o r m e ra n dc a p a c i t o ro p e l la n dc l o s e h o w c v c r , t h e n i n e l l l l e a sf i gi t s e l fa l s oh a ss o m cl i m i t a t i o n s t h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , c o n s i d e r i n gt h et a p c h a n g i n ga n dc a p a c i t o ro p e na n dc l o s e i n f l u e n c et h er e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g e ，a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g et h a tt h ef r e q u e n t t a p - c h a n g i n gw i l ls h o r t e nt h en a t u r a ll i f eo ft h et a p an c wt h i r t e e n - a l e a 5c o n t r o l t a c t i c si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b yr e - p a r t i t i o nt h ea r e a , c o n s i d e r i n gt h ep e a ka n d v a l l e yc h a r a c t e ro ft h el o a d ，i m p o r t i n gc o n t r o lp a r a m e t e r , t h et a p c h a n g i n gi s c u t d o w n , t h ev o l t a g eq u a l i f i c a t i o nr a t ei sh e i g h t e n e d ，t h er e a c t i v ep o w e rt e n d st ob en l o r c r e a s o n a b l e t h ec o n t r o lp a r a m e t e rc 1 1 1 1h e l pt om o d i f yt h ev o l t a g ea n dr e a c t i v e p o w e r su p p e rl i m i ta n dl o w e rl i m i t , w h i c hm a k et h ec o n t r o lt a c t i c sa d a p t i v e a s i m u l a t i o nt h a tc a l lp r o v et h ev a l i d i t yo f t h ec o n t r o lt a c t i c si sa l s op r o p o s e d k e y w o r d s v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r i n t e g r a t i v ec o n t r o l p e a ka n dv a l l e yc h a r a c t e r c o n t r o lp a r a m e t e r 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，也不包含为获得鑫鲞筮堂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： 王良 签字日期： 2 。“年2 月上矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茎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。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王艮 签字日期：幻口年2 月加e t 导师签名： 签字日期： 弓锨覆 “年 尹月加日 天律大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 变电站电压无功综合控制的意义 随着用户对供电质量和可靠性要求的提高，电压成为衡量电能质量的一个 重要指标。电压过高或过低，超过一定的限制，会给电力系统和国民经济造成 严重的损失。例如，会使发电机、变压器等重要设备的有效出力和容量减小： 使电动机因电压过低电流过大引起温度升高而烧毁，或因电压过高使得绝缘寿 命缩短，照明设备损坏等。然而，由于负荷的变化，电压的偏移和波动是经常 发生的。为此在电力系统运行调度中必须采取积极的措施来维持供电电压在额 定值附近。 变电站的主要任务是保证安全经济的向用户提供电能，因此。保证用户处 的电压接近额定值，成为电力系统运行控制的基本任务。电力系统电压如果波 动过大，不但会直接影响电气设备的性能，而且还将给系统稳定、安全运行带 来困难，甚至引起系统电压崩溃，造成大面积停电，从而造成系统的重大事故。 电力系统的电压水平取决于系统无功功率的平衡，维持电压正常运行下的无功 功率平衡是改善和提高电压质量的基本条件。如1 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 日瑞典大停电，1 9 8 7 年7 月2 3 日东京大停电等都是高峰 负荷使无功功率不足引起电压崩溃，从而造成系统重大事故。相反的，过剩的 无功功率会使电压超上限运行，从而危害设备的安全运行与使用寿命。 变电站的主要任务是保证安全、经济、优质的向用户提供合格的电能。合 理的无功分布既可以保证网络的电压质量又可以降低网络的有功损耗。变电站 电压无功综合自动控制可较好地实现对电压无功的控制。另外，系统无功功率 的分布是否合理还直接关系到电力企业自身的经济效益。如果大量的无功功率 在电网中流动，不仅要消耗有功功率，占用输电线路和设备的容量，而且会使 线路电压降增大、线路损耗增加、供电的经济性降低。总而言之，维持电网正 常运行情况下无功功率的平衡与合理分布不仅是改善和提高电压质量的基本 条件，同时也是保证电力系统安全、可靠、经济运行的重要措施。变电站装设 并联电容器以补偿无功消耗对改善功率因数，降低能耗，提高效率有很大作用。 变电站电压无功综合自动控制可较好地实现对电压无功的控制。对于我国电 网，出现电压崩溃而发展为全网性事故的可能性正在逐渐增加，电压问题也正 天律大学硕士学位论文第一章绪论 引起人们的高度重视。因此，对于联系电网和用户的变电站来说，保证变电站 用户端的电压水平接近额定值，对提高全网电压质量有着现实的重要意义。 目前，全国很多2 2 0 k v 及以下的供配电变电站中都装设了有载调压变压器 和并联电容器组，根据负荷变化，通过合理地对变压器的分接头和电容器组进 行综合自动调节，就能够在很大程度上改善变电站的电压质量，实现无功潮流 合理平衡。国内许多公司、厂家和科研院所已推出了电压无功综合控制装置， 并积累了丰富的经验。这些装置大多采用九域图来进行运行状态的划分和控制 策略的确定。在实际运行中，取得了显著的效果。但是，从装置的整体性来看， 也有一些地方有待改进。例如，当变电站在某些运行区域时，若采用通常九域 图中该区的控制方案，则会增加变压器分接头和电容器的动作次数，提高检修 频率，影响电气设备的使用寿命，所以，变电所电压和无功调节系统的关键是 在保证电压合格、无功基本平衡的前提下，尽可能的减少调节次数。另外这些 装置没有考虑并联电容器组的电压特性，使控制的准确性受到影响。由于控制 判据对电压越限因素的综合识别能力不充分而导致自动调节判据缺陷。这样就 会影响系统的性能，即影响电压合格率和最优调节率，为此，应在无功基本平 衡的前提下，实现电压合格率和最小调节率的全局最优。目前研制出的计算机 专家系统构成的电压和无功的准确调节器调节次数也比采用模拟电路构成的 控制装置有所减少。但是它的无功边界是固定的，没有考虑无功调节对电压的 影响。由此增加了有载分接头调节次数和电压波动。根据电压和无功的关系将 电压引入电容投切判据，使得电容投切的边界是一个受电压影响的模糊边界。 可以保持无功补偿效果和无功调节次数不变情况下有效的减少有载分接头开 关调节次数并使电压稳定。 随着电网结构的日趋复杂和电压等级的不断升高，电压无功的调节仅仅靠 发电机的自动电压无功调节器远远不够，必须增强电网本身的调控能力。作为 联系电网和用户的变电站来说，保证变电站用户端的电压水平接近额定值和无 功就地平衡，对提高全网电压质量有着非常重要的现实意义。目前我国的许多 变电站中装设了用于电压无功调节的有载调压变压器和并联补偿电容器组。有 载调压变压器可以在带负荷的情况下切换分接头，而且调节的范围较大，一般 在1 2 以上，它是多电压级网络中进行电压控制和控制无功功率流动的重要手 段，也能使网络电压水平偏高，但并不超过电压允许范围，这样可以减少网络 中无功功率的需求量，同时增大并联电容和线路充电电容的作用；当系统发生 轻载时，通过调节有载调压变压器来控制系统在每天、每小时或者每分钟的电 压变化使其符合要求。并联补偿电容器组通常安装在变压器的低压侧，其一方 面可以改善系统的功率因数，降低电网中电能损耗，提高系统的经济性，另一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方面可以调整系统电压，维持负荷点的电压水平，提高供电质量。但由于过度 频繁的调节有载分接头变比和投切并联补偿电容器组会引起变压器和开关设 备的故障。根据统计，有载调压变压器约有8 0 的故障是由于有载分接头开关 的不正确动作引起的。因此，各变电站对有载调压变压器和并联电容器组的日 调节次数有严格的限制。 变电站电压无功综合控制的目标是通过调节有载调压变压器的分接头的 位置或者投切并联补偿电容器组来确保变压器二次侧电压合格和进线侧无功 基本平衡，并尽量减少变压器有载分接开关的日调节次数和并联补偿电容器的 日投切次数。综上所述，可知研究变电站电压无功综合控制对提高电压质量、 保证系统安全、可靠和经济运行都具有重要的意义。 1 2 变电站电压无功综合控制的现状 1 2 1 控制目标和要求 电力系统的电压水平，是电力系统无功功率供需平衡情况的具体表现，是 通过发电机、无功补偿设备和变压器分接头等控制无功功率来维持的。但是与 系统频率和有功功率平衡的情况有很大不同，无功功率的传输不但产生功率损 耗而且沿传输途径有很大的电压降落，因而系统中各枢纽点的电压特性具有地 区性质。有时从系统总体来看，无功功率是足够的，但是个别地区的无功不能 就地平衡，因而需要远距离输送，从而产生能量损耗，使电压偏低。其中系统 对电压的安全控制就是安排和充分利用电网中无功功率补偿容量和调节能力， 随时保持正常运行情况下和事故后电网中各枢纽点电压值不超过规定限额，保 证电力系统的安全稳定运行。这个目标包括： ( 1 ) 为保证系统静态和暂态的运行稳定性，系统的运行电压必须大于最低 限值。 ( 2 ) 在正常运行时，必须具有一定的无功功率储备，以保证事故后的系统电 压大于规定的最低限制，以防止出现电压崩溃事故。 ( 3 ) 在紧急状态下，维持电压于足够高的水平，以防止电压崩溃。 ( 4 ) 在上述条件的约制下，尽可能减少电力系统的功率损耗，以取得较好的 经济效益。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 现阶段控制策略综述 电压无功综合控制策略大致分为以下六种【4 3 】： 1 按功率因数控制：由于功率因数的高低不能直接反映无功缺额的大小，所以仅 由功率因数作为调节判据构成的无功调节装置，在某些负荷状态存在频繁误 动作的缺陷，影响了无功自动调节在高压变电所的推广。 2 按电压控制：此种判据未考虑保持无功基本平衡这个条件，无功补偿效果较 差。 3 按电压综合控制有载分接开关和电容器组：此方案比仅调电容的方案好一些， 但仍没有考虑无功的补偿效果，且调节过程也不合理，比如电压高时调有载 分接头开关还是投电容，首先要判别电压高是由于无功过剩引起的还是由于 有载分接开关位置过高引起的，不能简单的规定调有载分接头开关或是投切 电容器组。 4 按电压、功率因数复合控制：按电压、功率因数复合控制构成的判据有两种 判别方式。一是以电压为主，功率因数为辅，即，只要电压合格，则不考虑 功率因数，当电压不合格时，根据电压和功率因数的性质决定电容器组的投 入和切除；另一种是以电压和功率因数作为两个并行的判据，即使电压在合 格范围内，如果功率因数满足电容器组的投入和切除的条件，则对电容器组 发出相应的投入切除指令。第一种判别方式无功补偿效果仍然较差；第二种 判别方式，在某些运行状态存在对并联补偿电容频繁误投入和误切除现象。 5 按电压、时问复合控制：根据变电所的日负荷曲线，将日负荷曲线分成多个 负荷时段，然后根据各个负荷时段对电压和无功的要求，对电压和无功进行 自动调节此种调节方式实时性较差，仅适合于负荷较稳定的变电所，且负荷 时段必须随着季节和负荷量的改变而进行调节。 6 电压无功综合控制：电压和无功综合控制是利用电压、无功两个判别量对变 电所电压和无功实行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基 本平衡。此方法对电压、无功实行综合的定量调节，克服了单以电压作为调 节判据所造成的并联补偿电容频繁误投入和误切除的现象。因此，该方案是 一个较理想的变电所电压无功自动调节方案。 目前，利用微机构成的变电所电压和无功综合控制装置，基本上都是采用上 述控制规则，当然，各个研究单位的具体构成方案也略有差异，比如，在某些控 制区对电容实行强投入、强切除或禁投入、禁切除等。根据上述控制规则实现的 变电所电压和无功综合控制装置，能够根据电压和无功的性质，对电压、无功实 行综合的定量无功补偿。消除了电压、功率因数作为调节判据所造成的并联补偿 天津大学硕士学位论文第一章绪论 电容频繁误投入和误切除的现象。 1 2 3 现阶段电力系统的电压无功综合控制方式 目前控制方式有以下3 种： ( 1 ) 集中控制【2 3 1 。在调度中心对各个变电站的主变压器的分接头位置和 无功补偿设备进行统一的控制。理论上讲，这种控制方式是保持系统电压正 常，提供电力系统运行可靠性和经济性的最佳方案。但它要求调度中心必须 有因地制宜的电压和无功优化实时控制软件，需要对各配电中心具有遥测、 遥信和遥控功能，通道的可靠性要求高，另外最好在各配电中心要有智能执 行单元。但由于我国目前各变电站的基础自动化水平层次不一，实现全系统 的集中优化控制尚有较大的难度，多数是按丰枯期制定电压无功控制计划， 交厂方人员实施，调度人员根据运行情况作临时调整。这种方式存在的问题 是：线路上无功传输太多将导致母线电压的上升对系统不利，增加了值班人 员的劳动强度，对双参数调节很难做出最佳控制和及时操作，而且这种控制 方式要求有复杂的应用软件、可靠的通道和智能的执行终端。 ( 2 ) 分散控制。分散控制是指在各个变电站或者发电厂中，自动调节 有载调压变压器的分接头位置或者其它电压调节器，控制无功功率补偿设备 的工作状态，使得当负荷变化时，该地区的电压和无功功率保持在规定的范 围内。在各个变电站或发电厂中，自动调节有载调压变压器的分接头位置或 其他调压设备，以控制地区的电压和无功功率在规定的范围内。分散控制是 在各厂、站独立进行的，它可以实现局部地区的优化，对提高变电站供电范 围内的电压质量和降低局部网络和变压器的电能损耗，减少值班员的操作是 很有意义的。分散控制不易实现全系统的最优控制，但它可以实现局部的优 化，对提高受控变电站供电范围内的电压质量和降低局部网络变压器的电能 损耗，减轻值班员的操作是很有价值的。分散控制由于其投资低、见效快， 符合国情，因此在我国得到了广泛的应用。这也是我国当前进行电压、无功 综合控制的主要方式。但是，对于目前已实现的变电站分散控制，只能做到 局部的优化，无法实现全局的优化控制。从目前电力系统自动化技术发展的 趋势和计算机、通讯技术的迅速发展来看，分散控制装置停留在目前的水平 不能满足要求。 ( 3 ) 关联分散控制。电力系统正常运行时，分散安装在各厂、站的 分散控制装置由控制软件进行自动调控，调控范围和定值是从整个系统的安 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 全、稳定和经济运行出发，事先由电压、无功优化程序计算好的，而在系统 负荷变化较大或紧急情况或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心直 接操作控制，或由调度中心修改下属变电站所应维持的母线电压和无功功率 的定值，以满足系统运行方式变化后新的要求。关联分散控制最大的优点是： 在系统正常运行时，各关联分散控制器自动执行对各受控变电站的电压、无 功调控，做到责任分散、控制分散、危险分散；紧急情况下，执行应急程序， 因而可以从根本上提高全系统的可靠性和经济性。为达此目的，要求执行关 联分散控制任务的装置，除了要具有齐全的对受控站的分析、判断和控制功 能外，还必须具有很强的通信能力和手段。这种方式是电压、无功综合控制 今后研究的方向。 1 2 4 现阶段电压无功综合控制装置的实现方法 电压无功综合控制装置作为一种近十年才应用于电力系统的装置，它的推广 使用，大大提高了电压合格率，降低了线路损耗。另外，老式的变电站通常是人 工调节电压无功，不仅增加了值班人员的负担，而且人为去判断、操作很难保证 调节的合理性。在目前，电压无功综合控制装置主要有3 种实施方法：1 变电站 自动化系统后台机软件方式；2 专门的电压无功综合控制装置由网络同自动化系 统相连的方式；3 自带输入，输出系统完全独立的软硬件系统方式。 对于第一种，后台机软件方式的综合控制系统完全依赖于变电站自动化系统 的后台计算机，是后台监控系统中的一个子模块，与其他2 种方式比较，其显著 的优点在于省去了专门的硬件设备，也不必敷设专门的电缆，从而降低了成本， 而且不用专门的调试，节省了维护的工作量，其最大的缺点是功能依赖于上位机 系统和通信网络，且上位机监控系统经常有人操作，容易发生死机等异常现象； 由于送入综合控制模块的模拟量、开关量、闭锁量都要经过自动化系统后台机的 处理和通信网络的输入与交换，所以动作速度、反应速度相应来说都比较慢。 对于第二种，专门的无功控制装置，由网络与自动化系统相连的方式，虽配 置了专门的硬件插件，也增加了部分电缆，其主要的优点是动作不完全依赖于自 动化系统的后台机，能独立采取模拟量进行判断，所以动作速度相对于软件实现 方式要快些，但其闭锁量、动作出口还是通过后台机和网络的限制，而且有些专 门的电压无功控制插件装置，是各台变压器和相应段电容器组配1 套装置，2 台 变压器并列运行时，就必须用2 套专用装置，此时可能出现错档等弊端。 对于第三种，自带输入输出系统的综合控制系统，就完全不依赖自动化系 天津大学硕士学位论文第一章绪论 统的后台机和通信网络，其开关量、模拟量的采集以及控制量的输出都是自身功 能的一个独立部分，它是集输入输出系统、计算和判断于一体化的综合控制装 置，特别是所有的闭锁信号均是由相应的硬接点输入，因此其动作速度都较前2 种方式快，且由于不受后台机和通信网络的限制，所以可靠性比较高。但相对于 后台机软件方式和网络方式专门插件装置来说，这种综合控制系统的信息共享程 度差，输入、输出所须敷设的电缆较多，闭锁等模拟量均须采用单独的硬接点， 所以系统较前2 种庞大。 总之，电压无功的综合控制是保证电压质量的必不可少的手段和措施。几种 实现方式各有其优、缺点。对于新建的变电站，由于目前采用综合自动化系统， 设备较先进、精干，在能保证反应速度、动作速度的前提下，选用后台机软件方 式或由与网络相连的专门的综合控制插件装置比较合适；对于一些扩建的和无人 值班改造的老变电站，采用带输入输出系统的综合控制系统较合适，一是它可 靠，再者老变电站也无后台机等现代化的自动化设备和通信网络，由老设备改造 接入电压无功综合控制设备容易。 1 2 5 现行控制策略存在的问题 首先，现行的电压无功综合控制策略都是以本站局部最优为控制目标的。大 多数变电站都不可能得到同电压等级的相关各站的实时运行信息，也就不可能得 到实时的潮流信息，无法评估本站的调节对全网产生的影响。因此，各站的就地 调节都无法考虑对其它站的影响，也不可能从全局网络损耗最小的角度出发进行 控制。 其次，如何消除“投切振荡”现象，仍需进一步深入探讨。所谓“投切振荡”是 指在分组自动投入或切除电容器和调节分接头时，装置动作前，其目标函数低于 给定的下限，动作后目标函数又高于上限，于是在自动控制器的作用下反复动作 的现象。这种“投切振荡”现象的存在，是由于控制离散量形成的。 第三，现有控制策略忽略了电压、无功、负荷变化间的有机联系，在实际运 行中导致一些不合理的动作方式，引起自动控制装置的频繁动作，降低了开关设 备的使用寿命。 第四，目前的无功补偿以分散控制为主，未能以全网网络损耗为控制的主要 目标。传统的电压无功综合控制大都是以主变低压侧电压为主要控制目标，而以 网络损耗作为参考条件。在无功缺乏时，必须采取强升或强降分接头等手段，牺 牲系统无功损耗和电压稳定裕度，以保证用户端电压水平。电力系统的无功损耗 主要集中在配电网，因此配电网中应做到“降损与调压相结合。降损为主”。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 6 我国变电站的无功补偿现状 在我国无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业分散补偿相结合的办法。随 着近几年城市电网和农村电网配电自动化的发展，作为分散补偿的电网公用变压 器低压智能型无功补偿为无功的就地平衡起到了明显的效果，同时也减轻了负荷 终端变电站的无功调节。无论是集中补偿还是分散补偿，补偿的设备主要是以并 联电容器为主，在城市电网的2 2 0 k v 负荷变电站中也采用并联电容器和并联电抗 器共同调节的手段，此外还有无功补偿装置。 虽然近几年我国的无功补偿容量较以往有很大的增长，电压无功功率从总体 上也向着分层分区方向发展，但是从实际的电压、无功控制来讲我国的电压、无 功控制相对发达国家还有不少差距。主要表现在以下几个方面： l 、各地区电网的调度自动化水平发展参差不齐。 2 、同一地区电网的不同变电站自动化差别很大，既有全自动化的无人值班 站，也有半自动化的改造变电站，还有电压、无功控制均由人工操作的变电站。 3 、各变电站所用的电压、无功控制设备的很大一部分都是一个孤立的系统， 不具备与变电站自动化系统通讯的设施。 以上因素制约了电压、无功控制水平的发展，所以目前我国大部分地区的电 压、无功控制还停留在分散控制方式上。 1 3 论文所做工作和章节安排 为了改善电压质量和降低线路损耗，许多变电所都配备了有载调压变压器和 无功补偿并联电容设备。但是自动调节装置过于频繁的调节有载分接开关和投切 并联补偿电容器会引起设备故障，特别是有载分接开关故障。经验表明，有载调 压变压器的8 0 的故障是由有载分接开关引起的。所以，变电所电压和无功调节 系统的关键是在保证电压合格、无功基本平衡的前提下，尽可能的减少调节次数。 围绕这个目的，提出了一种基于十三域的新的控制策略。通过重新分区，考虑负 荷峰谷特性以及控制参数的引入，减少了分接头调节次数，提高了电压的合格率， 使无功更趋合理。控制参数的引入可以使电压无功控制装置根据系统运行状态不 断修正电压和无功的上下限值，从而使控制策略具有一定的自适应性。本文对所 提的控制策略进行的仿真研究，证明了其有效性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 本文主要分五章进行介绍。第一章主要介绍了变电站电压无功综合控制的课 题意义和研究现状。第二章主要介绍现有的控制策略原理，以及优点和存在的问 题。第三章重点提出了基于十三域电压无功综合控制策略，分析了策略的可行性， 并与以往的控制策略相对比，明确了策略的特性。第四章主要介绍了基于十三域 电压无功综合控制策略的仿真情况，其中包括仿真模型的建立和仿真结果的分 析；还包括仿真平台和数据处理工具m a t l a b ，以及编程中用到的傅立叶算法原理 的简介。第五章里给出了结论，并对全文进行了概括，总结。 天津大学硕士学位论文第二章常用的控制策略原理及特性分析 第二章常用的控制策略原理及特性分析 2 1 控制策略原理 2 ，1 1 调节原理 随着电力系统运行工况和负荷的变化，变电站的电压也经常发生变化，为 了给用户合格的电能，必需及时调整电压以维持电压合格。目前主要采用有载 调压变压器和并联补偿电容器作为变电站调压的主要手段。通过调节主变分接 头和投入切除电容器组来达到调整电压和降低网络损耗的目的j 因此，调节主 变分接头和投入切除电容器组对电压和无功的影响关系就是电压无功综合控 制的基本依据，而且变电站电压与无功调节彼此不是孤立的，而是相互影响的， 要将电压和无功综合起来考虑，以实现变电站电压、无功的最优控制。下面介 绍一下两种手段对电压无功的影响趋势。假设有如下变电站。其等值模型图如 下： 图2 1 变电站等值模型图 在图2 1 中，假设该变电站有载调压变压器的变比为j 0 ，变压器阻抗易+ j 鼻， 系统一次侧电压、二次侧电压、负载端电压分别为u 。、u ：、u 。，负载功率为 只勺q 上，线路阻抗为凡+ j x 。，无功补偿容量为q c ；忽略电压降的横分量时， 它们应满足 u = u 2 - a u l 2 u 2 - ( er l + 既五) 叽 ( 2 - 1 ) 由于变电站是以维持用户端电压叽合格为最终目标的，当负荷( 忍+ j q ) 增大时，若要维持u ，不变，必须进行逆调压，升高u ：。反之，当负载减小时， 需要降低致以维持：不变。 改变以可以有以下两种途径： 天津大学硕士学位论文 第二章常用的控制策略原理及特性分析 调整有载分接头档位以改变变比 u 2 2 ( c 一) ，研- 【，l - ( 兄r r + 轨x r ) “】磁( 2 - 2 ) 改变无功补偿 u 2 。- 【兄( 匙+ 辱) + ( 线q c ) ( x s + x r ) 】 ( 2 3 ) 由( 2 2 ) 可知，分接头降档升压使玑增大，同时用户设备无功消耗增大， 因而系统无功q 增大：反之，分接头升档降压使u ，减小，同时导致了系统无功 q 减小。 由( 2 - 3 ) 可知，投入电容器后无功得以就地补偿，因而系统无功q 减小， 同时u ，增大；反之，切除电容器后系统无功q 增大，【，减小。 综合以上公式可知： ( 1 )利用有载调压变压器分接头进行调压，可以改变网络中的无功潮流 分布，减少网络损耗和电压损耗，提高电压质量。但是，由于调节 分接头本身不能产生无功功率，所以在整个系统无功不足的情况 下，此法只是从网络中吸收了无功，使局部无功得到改善，因此并 不能提高全网电压水平。 ( 2 )利用补偿电容器进行调压，由于电容器本身可以产生无功功率，因 此这种方式既能弥补系统无功不足，又可以改变系统的无功分配。 但是在全网系统无功充足，但由于无功分布不合理造成的局部电压 不合理而造成的电压质量下降时，电容器投入切除无法改善电压。 ( 3 )投入电容器使系统无功减小，电压升高；分接头降档升压使系统 无功增大，电压升高。但每种方式又有其局限性，因此在变电站电 压无功调节中，只有把调节有载分接开关和投入或切除电容器这两 种手段结合起来，才能达到良好的控制效果。 2 1 2 九域图原理及其固有缺陷 据此结论，以主交低压侧电压为主要控制目标，以无功功率( 或功率因数) 为 参考条件，通过界定电压和无功功率( 或功率因数) 的上下限，将平面分为9 个区， 通过对不同的区域内控制方式的不同规定，实现对电容器组和主变有载分接开关 的联合控制，就构成了常用的“九域图”法。国内目前在线运行的电压无功综合控 制装置大多基于此法【2 】 3 1 【”1 5 11 6 11 1 0 1 。根据实时电压和无功控制平面上所处位置 建立相应的控制逻辑规则。其中电压和无功上下限由该变电站运行要求所规定， 控制装置应该把系统二次侧电压控制在规定的电压上下限之间( 为合格范围) ， 另外，无功q 的上下限之差还不应小于一组并联电容器的容量，变电站电压和 无功运行状态如图2 - 2 所示： 天津大学硕士学位论文第二章常用的控制策略原理及特性分析 1 2 3 c 8 o 4 b d 7 65 缸 图2 - 2电压和无功状态图九域图 首先，对变压器的档位做一下说明，我国目前的档位规定共分1 7 档，其中 8 1 5 为1 档，8 1 5 为1 7 档。因此，本文中采用降档升压的说法。 其具体控制策略如下： 0 区：不控制。 1 区：电压越上限，无功越下限，首先切除电容器组；若无电容器可切，则 调节分接头升档降压。 2 区：电压越上限，无功合格，调节分接头升档降压。 3 区：电压越上限，无功越上限，首先调节分接头升档将压；若无功仍越上 限则投入电容器。 4 区：电压合格，无功越上限，投入电容器组。 5 区：电压越下限，无功越上限，首先投入电容器组；若电压仍越上限则调 节分接头升档降压。 6 区：电压越下限，无功合格，调节分接头降档升压。 7 区：电压越下限，无功越下限，首先调节分接头降档升压：若无功仍越下 限则切电容器。 8 区：电压合格，无功越下限，切除电容器组。 天津大学硕士学位论文第二章常用的控制策略原理及特性分析 九域图是指导运行人员升、降分接头和投、切电容器组的行之有效的方法。 但是九域图其本身也存在一些缺陷限制了它的更广泛的实际应用。主要表现在以 下两个方面： 一方面，九域图的适应性较差，同时比较难于被运行人员有效应用，难以保 证电压合格率。原因是【卅： ( 1 ) 九域图的电压、无功功率上下限是随季节、高峰、低谷而变的，不易调整。 ( 2 ) 九域图的某些区，对于两类设备的控制都起作用时，难于区分哪一类效果更 好。 ( 3 ) 九域图的某些区对于控制的结果产生所谓的振荡现象，因而必须确定两类设 备动作的先后顺序，而这是非常困难的。 ( 4 ) 九域图对控制设备的使用是无限次的。这样增加了变压器分接头和电容器动 作次数加大了检修频率影响设备使用寿命。而每天变压器分接头的动作次数 和电容器组的投、切次数是有严格限制的，运行人员很难把握。 ( 5 ) 由于实时系统电压，有功和无功负荷变化的随机性，对电压的波动控制适应 性能差。 ( 6 ) 由于控制策略基于的电压和无功上下限都是固定的，没有充分考虑无功调节 与电压的相互调节关系。容易造成频繁调节和电压不合格率的增加。 另一方面，作为控制策略，这种传统的九区图方案中存在一个致命缺陷，即 容易造成设备的频繁动作损害设备使用寿命。九域图的无功调节判据是一个与电 压无关的平行于电压坐标轴的固定边界线，无功的调节对电压有影响，而无功的 调节边界竟与电压状态无关，这显然是不合理的，它会导致变压器分接头和电容 器的频繁动作。如：当运行点落在图2 2 中的a 点时，按照控制策略，应投电容器， 但是此时运行点接近电压上限，当投入电容器后运行点极有可能进入到1 区或2 区，人为地增加了电压的不合格率，并且它又会引起变压器分接头下调或切除电 容器从而造成设备的频繁动作。同样的情况会发生在b ，c ，d 点处。由于各分割区 控制策略都是依据实时电压，有功和无功进行，因此在无功不越限的情况下，电 压出现越限时( 2 区和6 区) ，基本控制策略是调节变压器的分接头。但实际上每 个变电站每天的有功和无功负荷变化有一定规律性，在无功负荷曲线上往往出现 趋势变化陡峭的情况，如果能够判定电压越限是由无功迅速增长而引起的则完全 可以在电压和无功不越限时就直接提前投入电容器，这样就可以减少变压器分接 头调节次数。 天津大学硕士学位论文第二章常用的控制策略原理及特性分析 2 2 控制策略的现有改进方案 针对传统九域图控制策略引起设备动作频繁的问题，科技工作者不断地探索 并提出了很多针对九域图的改进措施，在不同程度上减少了分接头调节次数，改 进了九域图例如： c 0s d 1 2 3 ： 1 1 8 0 4 1 2 3 7 6 9 5 c os 丸h a c o s c o s l 图2 3改进九域图 根据u 、n 、a c o s 妒和运行状态的划分，其控制策略是： o 区：不控制 1 区：升档位降压，若在最高档，则切除电容器。 2 n ：升档位，若在最高档，则切除电容器。 3 区：切电容器，若无电容器可切，则升档位。 4 n ：切电容器，若无电容器可切，则升档位。 5 区：降档位，若在最低档，则投入电容器。 6 区：降档位，若在最低档，则投入电容器。 7 区：投电容器，若无电容器可投，则降档位。 8 区：投电容器，若无电容器可投，则降档位。 9 区：降档位升压，若在最低档，则投入电容器。 厶，_ 天津大学硕士学位论文第二章常用的控制策略原理及特性分析 1 0 区：升档位，若在最高档，则切除电容器。 1 1 区：不操作。 1 2 区：不操作。 根据用户要求以及运行情况的不同，也可以对上面的控制策略进行一些改 动。例如，当控制目标以电压合格为主，而无功为辅的话，由于变压器分接头的 动作次数不能太多，在4 、8 两区，就可以不允许降、升档位：实际运行中， 也需要根据变压器通过功率的大小实施控制策略。在进行控制操作前，首先要计 算操作后电压和无功能否进入预计的或是比预计更佳的运行区域，如果不能，则 不进行这次操作1 。 这些方法虽然在一定程度上缓解了分接头的频繁调节，但通过仔细观察，策 略中3 、4 区控制策略完全相同，7 、8 区策略也完全相同。分区还存在一定的不合 理因素。另外，策略中未考虑随着负荷的变化，电压上下限和无功上下限都是实 时变化的。 2 3 本章小节 关于电力系统电压无功控制的综合控制，主要是采用九域图原理。九域图 最大的缺陷在于对控制设备的使用是无限次的，特别是对有载变压器的有载分接 头的使用，这样就增加了变压器分接头和电容器动作次数，加大了检修频率，影 响设备使用寿命。运行经验表明，有载变压器的8 0 的故障都来自有载分接头故 障，因此，在保证电压和无功合格的同时尽量减少分接头调节次数就成了急需改 进的方向。围绕这个目的，己经有许多学者进行了有效的工作，经过多年的发展， 已经取得了引人注目的成果，产生了各种分析算法，许多电压无功控制装置也 己经投入使用，并得到了改进。但是还存在不尽如人意的地方有待改进。 天津大学硕士学位论文第三章基于十三域电压无功控制策略 第三章基于十三域电压无功控制策略 电压质量对电网稳定及电力设备安全运行具有重大影响，而无功功率是影 响电压的重要因素。因此，实现无功就地平衡防止向电网倒送无功功率对维持全 网电压水平，降低网损，实现全网的优化运行有重要意义。 上一章分析了当前所用电压无功控制策略特性及优缺点，在此基础上，针 对九域图的缺陷，综合考虑了峰谷特性、设备调节次数、优先控制目标，在不向 系统倒送无功的情况下，本章提出了一种基于十三域的电压无功控制策略，通过 重新分区，考虑负荷峰谷特性以及控制参数的引入，减少了分接头调节次数，提 高了电压的合格率，使无功功率更趋合理。控制参数的引入可以使电压无功控制 装置根据系统运行状态不断修正电压和无功的上下限值，从而使控制策略具有一 定的自适应性。 3 1 控制策略实现的前提条件 作为一项比较成熟的控制策略，要做成装置并投入到实际应用中，必须具 备如下的前提条件，它也是本控制策略能否最终投入实际应用的先决条件： ( 1 ) 应该能确定优先控制目标，在不能同时使电压和无功功率都合格的情况下。 根据不同的控制目标选择优先满足电压或是无功。 ( 2 ) 峰谷时段应该既可以由时间设定，也可以由负荷大小设定，不同时段选择 不同的定值。 ( 3 ) 分接头调档要求： 并联运行的主变必须保证同步调档。凡并联运行的主变必须处于同一 档位才能参加调档，并且并联运行的主变调档时必须同时升压。 分接头档位上下限应有限位措施。 主变每次只能调节一档，前后两次调档之间应有一定延时。 人工闭锁或主变保护动作后应该闭锁调档。 调档命令发出后要进行校核，发现拒动或滑档应闭锁调档机构。 ( 4 ) 电容器投切实行轮换原则，即保证最先投入者最先切除，最先切除者最先 投入，且每组电容器从退出到投入必须要间隔3 分钟以上，以防止由于电 容器未完成放电而引起爆炸。轮换投入切除还必须考虑运行方式的影响， 当主变既有并联又有独立时，应各自投入切除本身所带电容器，同时还要 考虑人工的电容也应参加排队。 ( 5 ) 完善的闭锁措施：控制策略中，闭锁是指在变电站异常或系统异常情况下， 天津大学硕士学位论文 第三章基于十三域电压无功控制策略 或装置本身以及相关回路异常时能及时停止自动调节并告警。完善的闭锁 条件是策略能否最终实现的重要条件。比如电容器退出运行( 检修) 或主变 操作机构故障或是二次侧p t 断线时，策略应该及时闭锁装置，防止由于 错误动作而造成不必要的损失。 ( 6 ) 在变电站中，可能存在多台变压器并列或分列运行，控制策略应能正确识 别变电站中主变运行方式。 3 2 考虑负荷峰谷特性及引入控制参数的十三域电压无功控制策略 电力系统运行时，在某些情况下，电压和无功不能同时合格，此时就需要 确定电压还是无功作为优先控制目标。由于与不同的优先控制目标相对应有不同 的控制策略，考虑到现有变电站大多以电压为优先控制目标，因此本文选择电压 优先的控制策略。根据系统电压上下限、无功上下限、投入切除电容器组引起系 统电压和无功的最大变化量、调节变比而引起的系统电压和无功最大变化量，以 实线将平面分为十三个区域，通过系统实际的电压和无功来界定运行区域。其中， 需要特别指出的是，当系统电压无功处在4 、5 、6 区时必须满足约束条件 c o s 伊 o 9 8 ，否则认为系统运行于0 区，其原因将在下文所给出的本控制策 略特点2 中予以描述。 6 口f厶q 1 2 3 口m - 1 2 4 u 1 ld 05 - r c u3 l o - 6 a b 987 q l h q q fq - - 图3 1 十三域图 - 1 7 一 天津大学硕士学位论文 第三章基于十三域电压无功控制策略 图3 - 1 为控制策略的十三域图，其中： u ，有载调压分接头调节一档引起的控制侧电压最大变