（电气工程专业论文）变电站电压无功控制研究.pdf

a b s t r a c t t h ec o n t r o lp r i n c i p i ea n dm a t h e m a t i cm o d e lo fs u b s t a t i o nv o l v a r c o o r d i n a t e dc o n t r o li s d is c u s s e d t h i sp a p e rd e s i g n saf u z z yc o n t r o l s y s t e mu s e dt oc o n t r o lt h ev o l v a ro fs u b s t a ti o n a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co f n i n e a r e ad i a g r a mo fs u b s t a t i o nv o l v a rc o o r d i h a t e d c o n t r o l ，t h i ss y s t e mg i v e st h ed e f i n a t i o no ff u z z ys e t sa n dt h ed e g r e e o fm e m b e r s h i po fi n p u t o u t p u tv a r i a b l e s ，a n dd e s i g n sc o r r e s p o n d i n g c o n t r o lr u l e s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h es y s t e mcan s a t i s f yt h ec o n s t r a i n so ft h ed a y a d j u s t i e gt i m e so ft h es w i t c h i n go f o n l o a dt r a n s f o r m e ra n dp a r a l l e l e dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r s ，a n de n s u r e v o l t a g eq u a l i t y ，r e a c t i v ep o w e rb a s i c a lb a l a n c e c o n s i d e r i n gt h ev a r r e q u i r e m e n ti nd i f f e r e n tl o a dt i m ep e r i o da n dt h ec o n t r o ld e m a n di n1 0 a d s a l t a tt o i l ，a i m p r o v e dc o n t r o ls c h e m e i s p r o v i d e d t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h e ，i m p r o v e ds c h e m ec a nm e e tt h ed e m a n do fv o l v a ri n d i f f e r e n tl o a d t i m ep e r i o d ，p r o t e c tt h ew r o n go p e r a t i o nw h e ne i t h e r v o l t a g eo fr e a c t i r ep o w e ra p p e a r ss a l t a t i o n ，a n dd e c r e a s et h et i m e so f r e g u l a t i o no ft h es w i t c h i n go fo n l o a dt r a n s f o r m e ra n dp a r a l l e l e d c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r s f i h a l l y ，ab a c k g r o u n ds o f t w a r em o d u l eo f s u b s t a t i o nv o l v a rc o o r d i n a t e dc o n t r o li s d e s i g n e d ，b a s e d o nt h e s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fs u b s t a t i o n k e yw o r d s s u b s t a t i o n v o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l f u z z yc o n t r o l 州川人学t 程坝i 学位论文 第一章绪论 1 1 变电站电压无功综合控制的意义 电力系统的电压是衡量电能质量的重要指标。电压过高、过低或偏离一定 范围，一方面会影响用电设备的寿命和效率，甚至会由于过电压或过电流造成 用电设备的损坏：另一方面对电网的稳定和经济运行也会产生很大的危害。因 此电压质量对电力系统的安全与经济运行、对保证用户安全生产和产品质量以 及电器设备的安全与寿命，有重要的影响。而电力系统中的无功补偿与无功平 衡，是保证电压质量的基本条件。无功功率的不足或过大都将引起系统电压的 下降或上升，极端情况下可导致某些枢纽变母线电压大幅度下降而出现“电压 崩溃”现象。出于有效的电压控带忻口合理的无功补偿，不仅能保证电压质量 而且能提高电力系统运行的稳定性和安全性充分发挥经济效益。因此，在电 力系统运行中电压和无功功率的自动调整是紧密地联系在一起的。 随着电网结构的同趋复杂和电压等级的不断升高，电压无功的调节仅仅依 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，保证变电站用户瑞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现实的重要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，且调节范围较大，一般在1 5 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 使网络中有功和无功功率损耗最小。当系统重载时，可以调节变压器分接头使 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，透 过调节变压器分接头使网络电压偏低些，以减少线路充电功率。各变电站可以 通过调节有载调压变压器来控制系统在每天、每小时或每分钟的电压变化使其 叫川人学t 程坝i j 学位论m 符合要求。并联补偿电容器组通常安装在变压器的低压倒，其一方面可改善系 统的功率因素，降低电网中的电能损耗，提高系统的经济性，另一方面可以调 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 有载分接开关和投切并联补偿电容器组会引起变压器和开关设备故障。据统计， 有载调压变压器约有8 0 的故障是由有载分接开关的不正确动作引起的“3 。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位 置或投切并联补偿电容器组束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丌关的同调节次数和并联补偿电容器组的日投 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研究现状 对变电站电压无功综合控制的研究始于八十年代中期，经过十多年的发 展，现已达到一定的水平。概括起来，对电压无功综合控制的研究主要涉及数 学模型、调节判据、控制方式、控制策略和具体实现五个方面的内容，下面分 别加以阐述。 1 2 1 数学模型 目前主要采用连续模型和离散模型，连续模型较为简单，求解容易，但误 差较大，而离散模型更符合实际，误差较小，精度高。 1 2 2 调节判据 电压无功综合控制的调节判据到目前为止大致经历了以下七个阶段。1 ：按 功率因素控制一按电压控制一按电压综合控制有载分接开关和电容器组一按电 2 ! ! 型查堂王堡堡! ! 兰垡丝塞： 压功率因素复合控制一按电压时间复合控制一按电压无功综合控制一与电压关 联的无功边界的调节判据。其中与电压关联的无功边界的调节判据由于考虑了 电压对无功边界的影响，因此与其它调节判掘相比，能达到更佳的控制效果。 1 2 3 控制方式 目前电力系统对电压无功的控制有集中控制、分散控制、关联分散控制三 种方式。这三种控制方式各有特色，集中控制从理论上讲应是最佳的控制方式， 但由于我国目前各变电站的基础自动化水平层次不一，因此很难得以真正实现； 分散控制由于其投资低、价格合适、见效快、符合我国国情，因此在我国得到 了广泛的应用：但随着电力系统规模和容量的不断扩大，计算机及通讯技术的迅 猛发展，应强调发展关联分散控制方式o ”。 1 2 4 控制策略 一个控制系统所采用的控制策略是其控制性能好坏的最关键因素，目前应 用于变电站电压无功综合控制的方法主要有：固定边界的变电站电压无功综合 控制叫“i h 、与电压关联的无功边界的变电站电压无功综合控制 叭m 、基于 专家系统的变电站电压无功综合控制“”、基于a n n 的变电站电压无功综 合控制“1 变电站电压无功综合调节的模糊控制”m w 等。 1 2 5 具体实现 变电站电压无功综合控制系统( 简称v q c ) 有多种不同的实现方式，概括起 柬有如下三种。1 ：自动化系统后台机软件v q c ；自动化系统网络v q c ；变 电站电压无功综合控制装置。 型型查堂王矍堡竺! 竺堡兰1 1 3 本文做的工作 本文的重点是提出了一种基于模糊理论的电压无功综合控制算法，并针对 其不足进行了改进，论文完成的主要工作有： a 、阐述了变电站电压无功综合控制的意义和研究现状： b 、从变电站电压无功综合控制的目标、原理、控制方式、调节判据四个 方面对其进行了较为全面的阐述； c 、提出了一种基于模糊理论的变电站电压无功综合控制算法，并针对此 算法的不足对其进行了进一步的改进，仿真结果证明所提出的控制策略能很好 地满足变电站电压无功联调的目标： d 、依据本文所提及的算法和原理，与厂家合作开发了微机电压无功综合 控制装置完成了装置的硬件、软件设计。经实用验证，该装置可靠性高，使 用方便，控制性能优良。 叫川大学工程硕上学位论文 第二章变电站电压无功综合控制原理 2 1 变电站电压无功综合控制的目标 变电站电压无功综合控制的目标是在保证电压( 变压器二次侧电压) 合格， 无功( 变压器进线侧无功功率) 基本平衡的前提下尽量减少有载调压变压器有载 分接开关和并联补偿电容器组的调节次数具体地说有以下四个方面的内容。 2 1 1 维持供电电压在规定的范围内 根据国标g b l 2 3 2 5 - - 9 0 电能质量和供电电压允许偏差。“的规定，各级 供电母线的允许波动范围，以额定电压为基准规定如下：3 5 k v 及以上供电电压 正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ；l o k v 及以下三相供电电压允 许偏差为额定电压的7 ：2 2 0 k v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 9 5 ， 一1 0 。 2 1 2 保持电力系统稳定和合适的无功平衡 对主输电网络，应实现无功分层平衡；而对地区供电网络，应实现无功分 区就地平衡的原则，才能保证各级供电母线电压，包括用户入口电压在规定的 范围内，具体要求如下。 2 2 0 k v 及以下等级的变电所在负荷最大时由电网供给的无功功率与有功功 率的比值：2 2 0 k v 为o o 3 3 ，3 5 ll o k v 为o o 4 8 ，对l o k v 配电线路上的并联 电容器在负衙最小时不应向变电所倒送无功功率。 阴川大学；_ r = 程颤f 学位论文 2 1 i3 保证在电压合格的前提下使电能损耗为最小 为了达到以上目标，必须增强对无功电压的调控能力，充分利用现有的无 功、调压设备( 调相机、静止补偿器、补偿电容器、电抗器、有载调压变压器 等3 的作用，对它们进行合理的优化调控。 2 1 4 减少变压器分接开关和并联补偿电容器组的e l 调节次数 因为各变电站对有载调压变压器的f i 调节次数和并联补偿电容器组的日 投切次数均有严格的限制，因此需寻求一种最佳的综合控制方式，在提高电压 合格率、优化无功补偿效果的情况下能减少变压器分接开关的日调节次数和并 联补偿电容器组的同投切次数。 2 2 控制原理 变电站电压无功综合控制，从控制理论的角度上说，是一个多限值( 包括 主变分接头丌关同调节次数、电容器闩投切次数、电压上下限、无功( 功率因数) 匕下限、用户特定要求) 、多目标( 电压合格、功率因数最高) 的最优控制问题。 变电站等值电路图如图1 所示： 魄肝：i ，8 ，l 囤2 1 变电站等值电路图 图2 1 中x 1 分别为变压器归算到高压侧的等效电阻和等效电抗；令 州川人学i 一程倾 学位论文 u c = l z o 。，出图2l 可知 u 3 = u l + jl t r l + j x l 、 因为r + j q c = u l ，： r 一旭l = ，u ： 即 将( 2 - 2 ) 式代入( 2 - 1 ) 式得 ( 2 一1 ) j j 。：毕( 2 2 ) u ： 以= 哦+ 华( 川毗+ 华警十等等( 2 ，) ，： u lu 由于( 2 - 3 ) 式的虚部相对实部来说很小，因此在计算u 。的有效值时，虚部 忽略不计，所以可得 由 = u l u 高压网络( 包括变压器) 的损耗s 为 ( 2 4 ) 芈 i j 4jj l 大学t 程坝l 学位论文 蚶：生逸坚! ：型! 查r ! 】_ 孵 掣( b 十，掣( 以圳 ( 2 5 ) 变电站电压无功综合调控的目标函数为”1 ： j u l u 删= r a i n 【心= r a i n( 2 6 ) 其中u 。为负载的额定电压。为了使负载端电压u 。接近额定电压，根据 u 。= b n ，如果电压偏高，则应升分接头增大变比n 来减少电压u 。，如果电压偏 低，则应降分接头减小变比n 1 来增大电压u 。为了使网络电能损耗最小，根据 式( 25 ) ，必须控制无功补偿q 。的投入量，使其无功电力尽量就地平衡。实际 上电压和无功是相互关联的，调分接头影响电压也影响无功：而控制无功补偿 量，既影响无功，也影响电压。因此两者必须综合考虑，优化控制，才能充分 发挥调压和无功设备的作用。 2 3 控制方式 电力系统电压和无功的控制方式主要有集中控制、分散控制和关联分散控 制j 种，这三种方式各有其特点和适应范围，下面对它们进行分析和比较。 2 3 1 集中控制方式 集中控制是指在调度中心对各个配电中心的调压设备和无功补偿设备进 行统一控制，理论上讲，这种控制方式是保持系统电压f 常，提高系统运行可 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，而它需要对各配电中心具有遥测、遥信和摇控功能。通道 u j 学【程颤1 学位论立 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，实现全系统的集中优化控制尚有较大 的难度，多数是按照丰轱期制定电压无功控制计划，交厂方人员实旌，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， 增加了值班人员的劳动强度，对双参数调节很难作出最佳控制和及时操作。而 且这种方式要求有复杂的应用软件、可靠的通道和智能执行终端。 2 3 2 分散控制方式 分散控制是指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，该地区电压和无功功率保持在规定的范围内。这种方式不易实现全系统 的最优控制，但可以实现局部的优化，对提高受控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。这种方式 是当日i 在我国应用比较普遍的一种方式，原因在于其投资低、见效快、符合我 国国情。但从目前电力系统自动化技术发展的趋势和计算机、通信技术的迅速 发展来看，分散控制装置停留在目前水平不能满足要求。 2 3 3 关联分散控制。” 关联分散控制是指在丁f 常运行情况下，出安装在各厂( 站) 的关联分散控制 装置根据殴计好的控制规律进行调控，调控范围和定值是从整个系统的安全、 稳定和经济运行出发，可先由电压无功优化程序设计计算好，在紧急情况下或 系统运行方式发生大的变动时，或由调度中心直接控制或由调度中心修改下属 变电站所维持的母线电压和无功功率的定值，以满足系统安全、稳定、经济运 行的新要求这种方式的最大优点：在正常运行情况下，做到各关联分散控制器 责任分散、控制分散、风险分散，在紧急状态下，执行应急程序，从而从根本 坠型查兰三矍堡! ：兰垡笙兰 ： 上提高全系统的可靠性和经济性。 2 4 调节判据 变电站电压无功综合控制的调节判据是对其进行控制的基本原则，从其发 展历程来看经历了以下七个阶段：按功率因数控制、按电压控制、按电压综合控 制有载分接开关和电容器组、按电压和功率因数复合控制、按电压时间复合控 制、按电压无功综合控制、与电压关联的无功边界的电压无功调节。其中按电 压无功综合控制和与电压关联的无功边界的电压无功调节这两种方法是目前较 为常用的方法，下面将分别对这七种调节判据加以阐述。 2 4 1 按功率因数控制 由于功率因数仅是无功分量3 个因素中的1 个( o - u s i n 纠，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掘构成的无 功调节系统在某些负荷状态存在频繁误动作的缺陷”“。 2 4 2 按电压控制 仅以电压的高低作为变电所无功自动调节的判据，由于这种判据未考虑保 持无功基本平衡这个条件，因此无功补偿效果较差。 2 4 3 按电压综合控制有载分接开关和电容器组 其电压控制边界如图2 2 所示，当母线电压u u ( u 是分接头动作限值) 下限时，降有载分接开关升压；当u 、 一u c 上限时，切除 电容器组。这种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。比如电压高是升有载分接开关还是切电容，要首先判别 1 0 p uj i l 大学工程碳上学位论文 电压高是由无功过剩引起的还是由于有载分接开关位置过低引起的，不能简单 的规定调有载分接丌关或是投切电容器组。 口 图2 2 电压无功控制边界图 2 4 4 按电压和功率因数复合控制 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自动投切；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，如果功率因数满足投切的条件， 则对电容器组发出投切指令。 第一种判别方式，尽管考虑了无功补偿效果，但由于在某些运行状态下， 缺无功补不上去，超无功切不下，致使无功补偿效果仍然较差：第二种判别方式， 在某些运行状念存在对并联补偿电容频繁误投切现象。 凹川人学工程砸，l ：学位论文 2 4 5 按电压时间复合控制 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，由电压控制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。 2 4 6 电压和无功综合控制 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。利用电压和 无功构成的综合判据规定了电压和无功的上下限，并把电压和无功平面分成9 个区( 见图2 3 ) ，根据电压、无功在电压和无功平面上所处的位置建立了相应 的控制规则。 在图2 3 中，u 上限和u 下限根据电压合格范围确定，有时为了实现电压 逆调整，需要根据各个负荷时段确定电压的上、下限；q 上限和q 下限是根据 每组电容器容量、电容偏差及无功基本平衡和保持投切基本稳定原则确定。q 1 2 旧j 1 1 人学i 至坝 辱：位论卫 下限表示无功过剩，q 上限表示无功不足。各个区的控制规则如下： 0 区电压无功均合格，不调节，此区为稳定工作区。 l 区电压越上限，降压。 2 区电压越上限，无功越e 限，先降压，如无功仍越上限，投电容。 3 区电压合格，无功越上限，投电容。 4 区电压越下限，无功越上限，先投电容，若电压仍越下限则升压。 5 区电压越下限，升压。 6 区电压越下限，无功越下限，先升压，如无功仍越下限，切电容。 7 区电压合格，无功越下限，切电容。 8 区电压越上限，无功越下限，先切电容，如电压仍越上限则降压。 2 4 7 与电压关联的无功边界的调节判据 为了满足“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少有载调压变压器分接 开关和电容器组的调节次数”这一变电所电压和无功综合调节的基本原则，电 压调节边界应当是相对固定的( 各个负荷时段不同) ，无功调节边界应当是受电 压状态影响的( 具体情况见图2 4 ) ，即电压高时，无功不是太缺就不投电容( 或 无功不是太超就多切一点电容) ：电压低时，无功不是太缺可以多投一点电容( 或 无功不是太超就不切电容) 。基于这一思路，对于电容投入的判别量q c t 建立 了如下数学模型”： 小n - 百u o - f 坞晏 式中：u 0 标准电压 u 实时电压： ( 2 7 ) ! ! 丛查堂王堡塑：! ：堂竺堡苎i q o 每组电容器的容量： q 实时无功功率： a l ，a 2 权重系数，由无功调节的边界条件决定： 假设u = u o 时，q 1 5 q o 则可投入一组电容：u = i 0 5 u o 时，q 2 q o 则可 投入一组电容，并设投入一组电容的动作条件为q c t 1 ，将上述条件代入式 ( 2 7 ) 式可得： 卜半机警刮 卜气半托争t 2 0 q2 _ j 2 口2 。j ( 2 8 ) 为了防止电容过补偿，再增设电容投入辅助判据q q o ，由此可得电容投 入的动作判据： j 以= 警+ 詈基引 旧q o ( 2 9 ) 口q 川大学t 程颂i ：学位论义 即q 半1 罢( 2 - t 0 ) 假设u = l o 时，q 一0 5 q o 则可切除一组电容；u = 0 9 5u o 时，q 一q o 则 可切除一组电容，并设要切除一组电容的动作条件为q c q l ，将上述条件代 入式( 2 1 0 ) 可得： 口i = 2 0口l = 2 为了防止电容欠补偿，再增设电容切除辅助判据q o ，由此可得电容切除 的动作判据： 肛。百l l o - l ! 一2 罢t 噜s 0 ( 2 - 1 i ) 根据上述无功投切判据可得如图2 - - 4 所示的电压无功综合控制九区图a 图2 - - 4 中无功边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整。从图2 4 可以看出： a 、在三角形区域a b c 中，电压u 大于标准电压u o 、小于u 上限，按照原 q 上限，则需投入电容，此时投入电容将使电压u 更_ j j n 偏离u o ，并有可能使电 压u 超过u 上限，从而引起一次必要的电压调节和电压波动：按照新q 上限，电 容投切的边界值随电压的状态而改变，此时电压较高，无功不是太缺，可以不 投电容，从而避免了投入电容引起的电压进一步升高和可能导致的电压调节和 电压波动。 b 、在三角形区域c d e 中，电压u 小于标准电压u o ，接近u 下限，尽 管此时的无功缺额己接近原q 上限但严格地按照原q 上限，此时不投电容， 四川大学t 程碗l 。学位论义 由于此时电压靠近电压下限，负荷或系统的波动很有可能引起电压u 低于u 下 限，从而导致电压的不合格和电压的调节：按照新q 上限，电压越接近电压下限， 则电容越降低其动作边界值，此时电压较低，可以投入电容以使电压升高，从 而使电压远离电压下限而接近标准电压，它防止了由于电压波动可能使电压u 小于u 下限，也就避免了一次可能出现的电压调节。 新q 一k u 籍口一 愿口_ f限 瓜q 上瞅 、7 f量 1 a ? o jf、 ， 7 f mpd 5 4 毫 - 0 s “ o 仉 15 儡 图2 4 与电压关联的无功边界九区图 上限 f ，o 下鼹 口 c 、在三角形区域f g h 中，电压u 大于标准电压u o 、小于u 上限，尽管此 时的无功缺额己接近原q 下限，但严格地按照原q 下限，此时不切电容，由于 此时电压靠近电压上限，负荷或系统的波动很有可能引起电压u 高于u 上限， 从而导致电压的不合格和电压的调节：按照新q 下限，电压越接近电压上限，则 电容越升高其动作边界值，此时电压较高，可以切除电容以使电压降低，从而 使电压远离电压上限而接近标准电压，它防止了由于电压波动可能使电 压u 大于u 上限，也就避免了一次可能出现的电压调节。 1 6 u u 川人学【程坝i 。学位论文 d 、在三角形区域h m n 中，电压u 小于标准电压u o 、大于u 下限，按照原 qf 限，则需切除电容，此时切除电容将使电压u 更加偏离0 0 ，并有可能使电 压u 低于u 下限，从而引起一次必要的电压调节和电压波动：按照新0 下限，电 容投切的边界值随电压的状态而改变，此时电压较低，无功不是太余，可以不 切电容，从而避免了切除电容引起的电压进一步降低和可能导致的电压调节和 电压波动。 从图2 4 及上面的分析可知，三角形区域a b c 和h m n 为无功不动作区， 而三角形区域c d e 和f g h 为无功动作区，由于前二个区域的面积与后两个区域 的面积完全相等，所以与电压关联的无功边界的调节方法同固定边界的调节方 法相比，无功补偿效果和无功调节次数是相同的，即与电压关联的无功边界的 调节方法在稳定电压和减少有载分接开关调节次数的同时，并没有增加无功的 调节次数和降低无功的补偿效果。 凹川大学t 程颇卜学位论文 第三章变电站电压无功综合控制的数学模型 在电压无功双参数需要调节时，靠人工控制往往难以做到准确判断调节决 策和及时调节的目的。当前，由微机系统构成的无功电压智能控制装置己广泛 采用。智能化无功电压控制装置接收从二次母线互感器送来的电压电流数据， 经计算后，送出控制信号，去控制并联补偿电容器组的投切或调整主变分接头 位置。根据无功电压控制的数学模型来进行控制，是该装置软件系统的重要功 能。目前主要采用连续模型和离散模型，本章在阐述了连续模型和离散模型的 推导过程之后，通过一实例变电站的仿真对两种模型的控制效果进行了分析和 比较 3 1 变电站二次侧母线电压的计算 用户电压的合格范围一般为( ( 0 9 i 一1 0 5 ) u d 0 ( u d o 为用户端母线电压的额 定值) ，在多馈线的情况下，为确保每个用户端的母线电压均在合格范围内，则 变压器的二次侧母线电压u 2 须控制在一定的范围内。下面阐述变压器二次侧母 线电压0 2 的具体计算方法，其计算电路如图3 1 所示。 n t ： t k 砺 p q 输电线 弋) 、 t k 台。p o 锄 图3 1 二次侧母线电压的计算电路 对单一用户，u 2 应满足下式 1 ：4 川人学t 程坝 。学位论文 蜘( 0 9 5 】- 0 5 乩+ 警 ( 3 一i ) 式中：u d o 为用户端母线电压的额定值： p ，和q 。分别为单一用户的有功功率和无功功率： r l 和x 1 分别为单一用户线路的电阻和电抗。 在多馈线的情况下，第i 个用户端的母线电压在允许范围内，即 u 2 0 ) = ( o 9 5 1 0 5 ) 【，跏+ ! ! ! 啦( ，：1 ，2 。竹) ( 3 2 ) u o 式中：，和q o i i ) 分别为第i 个用户的有功功率和无功功率： r l ( i ) 和x l ( i ) 分别为第i 个用户线路的电阻和电抗。 对应于变压器二次侧电压的区域应为( 3 - 2 ) 式的交集，即 u 2 n 。u 2 ( i ) ：缸：e u 2 f l 】，f ：l 2 ，打j ( 3 - 3 ) 控制装置采样得到的数据，按( 3 - 2 ) 式进行计算，再按( 3 3 ) 式得到u 2 。 3 2 变电站电压无功综合控制的连续模型 假设变电站通过输电线与无穷大母线u 。相接，输电线阻抗为r l + j x l ，其 等效电路如图3 2 所示。 川人学工程顺1 学位论文 图3 2 变电站等效电路图 图中：p 出线的有功功率： q 出线的无功功率： q c 补偿容量： r t = ：主变压器归算到高压侧的等效电阻( k 台) 其损耗为p e t ： x t = ：主变压器归算到高压侧的等效电抗( k 台) ，其损耗为q d ： p o ：主变压器的空载有功损耗( k 台) ： q 。= ：主变压器的空载无功损耗( k 台) ； n t 主变压器的变比，即分接头的位置。 考虑电容器组的有功损耗“” 只= k 。q( 3 4 ) 式中k c 为补偿装置的功率损耗系数( 一般取k c = 0 0 0 4 k w k v a r ) ，把参数 归算到低肛i 坝9 ，则 旧j 1 1 人学t 程硕j 一学位论文 竺璺! ：嗑 ，j r u 2 丝：堕+ 竺竺堡竺：竺：兰：! 釜 tn r 一( i ，斗 将式( 3 - 5 ) 代入式( 3 - 6 ) ，得到电压损耗方程： u o ；u ，一坚墨塑g ：! 坠鱼2 兰堡一 ，哼“： 竺墨姜挈监盥丛丝丝型生监故：0 ”；u ；+ ( p + c ) r t + ( q - 0 。) x 他 2 进譬母线( 母线u 1 ) 的功率因数方程为： 0 一s ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 考虑负荷的无功电压静特性，有功负荷p 、无功负荷q 与母线电压u 2 的关 系为” p = r 己，f ( 3 9 ) q = q o u f ( 3 1 0 ) 式中p o ，q o 分别是u 2 在额定电压下，负荷的有功功率、负荷的无功功率； a ，b 分别是有功功率指数、无功功率指数。 电容器组的出力为q c 是与安装点实际电压有关”“，则 g = 瓯叫 ( 3 一1 1 ) ! ! 坐查兰堡竺! ：兰竺堡兰 式中，q c o 是电容器组在额定电压下的补偿量，即电容器组的铭牌容量( 标 称量) ，v 是补偿容量指数( 一般y = 2 ) 。 将式( 3 4 ) ，( 3 - 9 ) ，( 3 - i 0 ) ，( 3 - 1 1 ) 代入式( 3 7 ) ，( 3 - 8 ) ，得到 一u o u ，! 墨墨生堡垒g 呸! 肇丛鱼丛二鱼! 咝些珏一 月， 。 计；以 2 0 ( 3 1 2 ) c 。s 尹一千一一：丝些磐垒些! ! 垒：一 ( 岛( ，；+ r 。c o u ；十+ 珞) 2 + u f 一瓯蠼+ q 0 + ) 2 = 0 o - j 3 ) 把( ( 3 一1 2 ) ( 3 一1 3 ) 式中两个调节量( 变压器的变比n t 和补偿容量q 。) 作为 未知变量组成的非线性方程组，就是电压无功综合控制的连续模型。 3 3 变电站电压无功综合控制的离散模型 由于有载凋压变压器的变比是分档调节的，它有几个一十几个分接头，可 能汁算出n t 的值在两个分接头的附近，这样控制系统确定出某一个脚进行调 节，可能调节误差较大：同样也不是连续调节的，它与电容器的容量和安装 连接有关。因此按连续模型进行凋节是不符合实际情况的。为了提高变电站电 压无功控制的精度，考虑变比t l t 和补偿电容量的非连续特性，建立了如下 的离散模型。令( 3 1 2 ) 式的左边为f ，( 3 - 1 3 ) 式的左边为f ：，得到一个以二次 侧母线电压偏差f l 和进线功率因数偏差f 2 为综合目标的约束非线性离散变量 的优化模型加f 所示： 凹川火学丁程硕i 。学位论文 e ：u _ z u ，一垡丛茎些望釜堡地! 鲤二望! q 咝2 生一 *4u， ! 堡丝茎。红堕生土! ) 心+ ( q 0 蚪一q 。嵋+ 口露+ 口姑) 也， 抖；叫+ ( p o u ；+ 丘o o 。叫) + ( q 0 叫一如哦) x 把 e = c o s i p 一 胁f ( x 】，x 2 ) = e 2 + 霹 j f 耳栅工lsx l 眦 0 s x 2s x 2 m “ 其中x 为离散变量，表示n t ，只可能是有载调压变压器分接头位置所代表 的数值：x ! 为离散变量，表示，只可能为每组电容器组安装容量的整数倍a 根据上述模型的优化指标并考虑其约束条件，可得出离散变量n t 和如的 精确控制值，这样能大大地减少控制误差。 川大学t 程项l 学位沦义 第四章基于模糊理论的变电站电压无功综合控制 4 1 模糊控制系统概述 模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识 表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有 反馈通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制 器，这也是它与其它控制系统的不同之处。因此，模糊控制系统也是一种智能 控制系统。 4 1 - 1 模糊控制系统的结构与特点 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象 和测量装置等五个部分组成，其组成框图如图4 1 所示。 图4 一l 模糊控制系统组成框图 模糊控制系统具有如下特点： a 、模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜于复杂系统 ( 或过程) 与模糊性对象等采用，因为它们的精确数学模型很难获得或者根本无 法找到。 b 、 模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟 2 4 叫川人学r 栏坝i j 学位论义 练操作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，因此，它具有智能性和自学习 性。 c 、 模糊控制系统的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以计算机( 微 机、单片机等) 为主体，因此它兼有计算机控制系统的特点，如具有数学控制的 精确性与软件编程的柔软性等。 d 、 模糊控制系统的人一机界面具有一定程度的友好性，它对于有一定 操作经验的而对控制理论并不熟悉的工作人员来说，报容易掌握和学会，并且 易于使用“语言”进行人机一对话，更好地为操作者提供控制信息。 4 1 2 模糊控制器 模糊控制器作为模糊控制系统的核心，其结构和所采用的模糊规则、合成 推理算法，以及模糊决策的方法等直接决定了一个模糊控制系统的性能优劣。 模糊控制器也称为模糊逻辑控制器，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理 论中模糊条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也被 称为模糊语言控制器。模糊控制器由输入量模糊化接口、数据库、规则库、推 理机和输出解模糊接口五个部分组成，其组成框图如图4 2 所示。 i ： 模糊控制嚣 ； i i i ，! 图4 2 模糊控制器组成框图 模糊化接口是将精确模拟输入量通过模糊化转换成模糊量，以便函数进行 2 5 叫j 1 1 人掌丁程顿卜学位论) 模糊推理决策和模糊控制输出的求解。数据库所存放的是所有输入、输出变量 的全部模糊子集的隶属度适量值( 即经过论域等级的离散化以后对应值的集 合) ，若论域为连续域，则为隶属度函数。模糊控制规则是基于专家知识或长期 积累的经验而得到的逻辑推理规则，它是按人的直觉推理的一种语言表达形式， 表现为模糊条件语句，一般采用3 种格式： a 、i fat h e n b 若a 贝0b ； b 、i fa t h e n be l s ec 若a 则b ，否则c ： c 、i faa n dbt h e nc 若a 且b 则c 模糊推理机根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关 系方程，并获取模糊控制量的功能部分。去模糊化接口就是模糊输出量的精确 化，对模糊量进行处理，求取一个能恰当反映模糊量的精确值的过程，从而去 控制对象。较常用的方法有：最大隶属度法、中位数法、加权平均法。”1 。 4 1 i3 多变量控制系统的模糊解耦 由于直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，因此首先想到的是如 何利用模糊控制器本身的解耦性特点，通过模糊关系方程分解，在控制器结构 上实现解耦，即将一个多输入一多输出( m i m o ) 的模糊控制器，分解成若干个多 输入一单输出( m i s o ) 的模糊控制器，这样在模糊控制器的设计和实现上带来很 大方便，并得到大大简化。 模糊解耦定理? ”“：对于多维模糊条件语句 r ：i f ( x i sa ，x 2i sa ! ) ，t h e nyi sb 可分解为r ：i fx li sa ，t h e nyisb r ：i fx ：i sa 2 ，t h e nyisb 则由r 作近似推理的结论等于由r 和r4 作近似推理所得结论的“交”运 算。 阴川大学工程硕i + 学位论义 4 2 现有各种变电站电压无功综合控制镱略概述 变电站电压无功联调，从控制理论的角度上说，是一个多目标( 电压合格， 无功平衡) 、多限值( 包括主变分接头丌关f 1 调节次数、电容器日调切次数、电 压上下限、无功( 功率因数) 上下限、有功功率一k 下限、用户特别要求) 的最优控 制问题。个控制系统所选择的控制策略是决定一个控制系统性能好坏的最关 键的因素，因此根据变电站电压无功这一被控对象的特点，人们提出了多种控 制策略，概括起来有如下五种，下面将一一加以探讨。 4 2 1 固定边界的电压无功综合控制“”“7 ”8 根据变电站当前的运行方式，利用实时监测的电压和无功判别量构成变电 站电压无功综合控制策略，综合逻辑判断是基于给出的固定电压和固定无功的 上卜限特性，把电压和无功平面分割成九个控制区，各个区域所采取的控制策 略参见第二章第四节。这种控制策略的缺陷表现在：没有充分考虑无功调节 与电压的相互协调关系，如电压接近上限、无功超越上限时，投并联补偿电容 器组，这将导致电压升高而越上限，继而以升变压器分接头降压，从而造成频 繁调节和电压的不合格率增加：未考虑变电站负荷的变化规律，实际上各变 电站每天的有功负荷和无功负荷的变化有一定的规律性，即峰谷负荷交替出现， 且不同负倚时段对无功的需求存在着差异，如当系统处于谷负荷时段，此时若 电压越下限和无功正常，按常规控制策略可以考虑投电容器使电压升高，但由 于系统在谷负荷时段不允许对电容进行投入操作，因为这样会导致变电站向系 统倒送无功功率；对电压和无功的波动控制适应性差，由于电压和无功的上 f 限值均为固定值( 可根据不同的负荷时段进行设置) ，当因某种原因使电压或 无功发生波动时，则会导致电压或无功越限，增加电压的不合格率和引起不必 要的调节动作。 矾川大学t 程坝卜学位论义 4 2 2 与电压关联的无功边界的电压无功综合控制。” 将电压状态引入了无功调节特性，根据投切电容器组时确保无功的不欠补 偿和不过补偿原则，可获得无功上、下限是与电压状念有关的两条斜线，这种 方法对控制性能可有基本改善，但仍不能完全消除上述缺陷。 4 2 3 基于专家系统的电压无功综合自动控制“2 “”“ 专家系统将知识与知识处理明确分开，便于知识的修改和增删，并对知识 的修改不影响推理的过程，只影响推理的结果。对于大型变电站来说，由于运 行方式变化多和控制措施复杂，从理论上讲采用专家系统的设计能大大地简化 编程工作、较好地解决模型不确定性问题，但实际上由于变电站电压无功综合 控制是一个多目标、多约束的非线性离散控制问题，且需考虑各种现场闭锁要 求，因此要获取全面而准确的专家知识和满足各种条件下的实时性要求较为困 难，这就为专家系统的真正实现带来了一定的困难。 4 2 4 基于人工神经网络的电压无功综合自动控制“6 儿”1 对采样得到的数据经模糊化处理之后，决策模块根据电压变化的原因、无 功变化的性质( 大小、急变、缓变) 、功率因数要考虑的权重等，作出综合优化 策略。由于a n n 具有极强的非线函数拟合能力、联想记忆能力和鲁棒性强等特 点，因此利用来作无功变化趋势的预测和控制策略的决策。但由于各个变电站 的运行方式和基本参数有很大的差异，因此训练好的神经网络通用性不强。 4 2 5 电压无功综合调节的模糊控制 文献 1 8 介绍了用普通的模糊控制器设计方法设计的对变电站电压无功进 行综合控制的模糊控制器，但由于所设计的模糊控制器在模糊词集和隶属度函 必型叁兰三堡堡：! ：兰丝堡苎 数及控制规则的选择上没充分考虑变电站电压无功调节的特征，如变比和补偿 电容量的非连续性和变比每次只能动作一档等，因此控制性能不佳。文献 1 9 只单独对变压器变比进行调节，没有考虑电力系统电压无功的相互影响以及无 功平衡对电压维持合格和电网运行稳定的重要作用。 4 3 基于模糊理论的变电站电压无功综合控制系统的设计 针对上述各种控制策略所存在的缺陷，在此提出了一种新型的变电站电压 无功模糊综合控制算法，并设计了相应的控制系统。在选择模糊控制器的各输 入输出变量的模糊词集与隶属度函数时充分考虑了变电站电压无功对象的特 点，控制规则的确定以与电压关联的无功边界的九区图为基础，控制方便，且