（电气工程专业论文）地区电网无功电压优化运行集中控制系统.pdf

上海大学工程硕士论文 摘要 电网无功优化，不仅直接影响系统电压质量而且关系到电网经 济运行。长期以来，有关电网无功优化方法和算法引起了广泛关注， 相关的无功优化程序也已比较成熟，一些单站式的无功优化控制系 统在电力网络中得到应用，在实际调度生产过程中己发挥出了重要 的作用。但是，随着电力系统规模的不断扩大，仅在变电所一侧装 设电压无功自动控制装置进行无功补偿已不能满足需要，因为这种 补偿是局部控制，无法达到整个电网。因此必须从整个电网的角度 进行综合电压无功控制，才能达到全网最优地改善电压和减少网损 的目的。 本文总结了电压无功控制原理，分析了传统的九区图电压无功 控制方法存在的缺陷，通过进一步细化电压无功运行平面，完善了 九区图控制方法。重点研究了地区电网拓扑结构，提出了地区电网 电压无功控制策略和原则。它的指导思想是突出电网中的每一个变 电站之间的密切关系，在制定地区电网电压无功控制策略和原则时 要充分考虑站和站之间的协调控制作用。 本文研究的地区电网无功优化系统是通过采集调度自动化的实 时数据，包括各变电站的节点电压、有功功率、无功功率等，以地 区电网网损最小及电压在合格范围内为目标，进行综合优化处理后 形成变压器有载开关档位调节、无功补偿设备投切集中控制命令。 该系统避开了繁琐的无功优化计算程序，把分散在各变电站无功优 化系统集中在一起，各变电站无功优化功能既相对独立，又互相关 联协调控制。该系统在南通地区经过两年的运行表明，控制系统设 计先进合理，运行稳定可靠，产生了可观的经济效益和社会效益。 关键词：地区电网、无功优化、集中控制、变电站、电压质量、九 区图控制法 上海大学工程硕：匕论义 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no fp o w e rn e t w o r kd i r e c t l yi n f l u e n c e sn o to n l yt h e v o l t a g eq u a l i t yo ft h es y s t e mb u ta l s ot h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r k t h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n da l g o r i t h m sh a v eb e e nm u c hc o n c e r n e d f o rl o n gt i m e r e l a t e dp r o g r a ma n ds o m es i n g l e - s t a t i o nr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n s y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e de f f e c t i v e l yi ns o m eo ft h ep o w e rn e t w o r k s h o w e v e r , w i t ht h ee x p a n s i o no fp o w e rn e t w o r k s ，v a rc o m p e n s a t i o nc a nn o tb e s a t i s f i e db yj u s ti n s t a l l i n gt h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o ld e v i c e so np o w e r s u b s t a t i o n s ，b e c a u s et h i sl a y o u tc o n t r o l so n l yt h el o c a ln e t w o r kn o tt h ew h o l e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oo p t i m i z ev o l t a g ea n dr e d u c en e t w o r kl o s s ，c o n c e n t r a t e d r e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o lm e a s u r ei nt h ew h o l ep o w e rn e t w o r ks h o u l db e o p e r a t e d i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo ft h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o li ss u m m a r i z e d t h ec o n v e n t i o n a ln i n e z o n er e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o lm e t h o di s a n a l y z e da n d i m p r o v e db yf u r t h e ro p t i m i z i n go p e r a t i o np l a n eo fv o l t a g e t h et o p o l o g yo fr e g i o n a l p o w e rn e t w o r ki st h o r o u g h l ys t u d i e d ，t h es t r a t e g yo ft h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g e c o n t r o lu s e di n r e g i o n a lp o w e rn e t w o r ki sp r o p o s e d ，w h o s em a i ni d e a i st o e m p h a s i z et h ea f f i n i t ya n dt h eh a r m o n i cc o n t r o la m o n gs t a t i o n sw h e nc o n s t i t u t i n g t h es t r a t e g ya n dp r i n c i p l ei nar e g i o n a lp o w e rn e t w o r k t h es t u d i e ds y s t e mf o rr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ec e n t r a l i z e dc o n t r o lu t i l i z e s t h er e a l t i m ed a t av i as c a d a ( i n c l u d i n gp o w e rs u b s t a t i o n sb u sb a rv o l t a g e 、a c t i v e p o w e r 、r e a c t i v ep o w e ra n ds oo n ) i tc a ns e a r c has e to fc o m m a n d st h ep o s i t i o n so f t h et r a n s f o r m e r st a pa n dt h ed e v o t i n go rw i t h d r a w i n gt h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o n e q u i p m e n t s a l lo ft h e s e a r eb a s e do nt h em i n i m u mn e t w o r kl o s sa n dv o l t a g e e x c u r s i o n t h i ss y s t e mc a nb er e a l i z e db yc e n t r a l i z i n gt h ea u t o m a t i cd i s p a t c hs y s t e m i n a n ys u b s t a t i o n ，s o i tc a nd i s p e n s ew i t h f u s s y t h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g e c a l c u l a t i o n t h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g eo p t i m i z a t i o ns y s t e m si na l ls u b s t a t i o n sc a n w o r ki n d e p e n d e n t l ya n dc o r r e s p o n d i n g l y t h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e di nn a n t o n g f o rt w oy e a r s ；i th a sb r i n g i n gg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sd u et oa d v a n c e d d e s i g na n ds t e a d yr u n k e yw o r d s ：r e g i o n a lp o w e rn e t w o r k ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n ，c o n c e n t r a t e d c o n t r o l ，p o w e rs u b s t a t i o n ，v o l t a g eq u a l i t y , n i n e z o n ec o n t r o lm e t h o d 上海大学工程颂：仁论文 第一章绪论 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，不仅影响人民群众的日常生活和工农业生产，影 响用电设备的寿命和效率，严重时会危及电力系统运行的稳定性， 引起“电压崩溃”，造成大面积停电。长期的研究结果表明，造成电 压质量下降的主要原因是系统无功功率不足或无功功率分布不合 理，电压调整与无功功率平衡有着密不可分的关系“。因此，要改 善和提高电压质量，其前提是要有充足的无功功率储备，其次要对 无功潮流进行合理的控制。 1 1 国内外电压无功控制方法研究及技术应用现状 多年来，国内外专家学者基于不同的算法和控制理论，如人工 神经网络、遗传算法、模糊集理论、专家系统和人工智能等，提出 了一些变电站电压无功自动控制方法。例如文献“”提出了基于人工 神经元网络的无功预测和优化决策相结合的电压无功自动控制方 法；文献“7 1 提出了用遗传算法实现电压无功的实时控制：文献“通 过研究整理出1 8 0 多条电压无功控制的规律，并用c 语言建立了一 个用于电压无功控制装置的专家系统，文献“埘则采用m o t o r o l a 系列 单片机实际开发了一个基于专家系统的控制装置；文献幽1 借鉴模糊 控制理论的思想，引入了a 1 、a 2 两个权重系数，对于电容投入的判 别量q c 重新建立数学模型，进而求解出新的无功判据；文献在文 献“0 1 建立的模糊边界无功调节判据基础上，真正将模糊控制理论应 用到电压无功综合控制系统，提出了综合调节模糊控制器的结构模 型、模糊控制规则的组织与模糊算法，文献”2 1 还将短期负荷预测与 实时模糊控制结合起来考虑；较为成功的模糊动态规划方法( f d p ) ”“ ”1 ，主要是根据一些历史数据，利用相关分析，先确定第二天2 4 h 的负荷及高压侧电压预测值，然后通过寻找模糊目标函数的最优解 来确定第二天每个时段的分接头位置和电容器的开关状态。 但是由于利用这些算法推理所得的控制策略尚不成熟，根据这 些控制策略开发的软件和装置在实际运行中效果并不十分理想。 我国从上世纪七十年代开始，就有许多科研单位对变电所的无 功、电压自动调节装置进行研究和试制，到了九十年代，有些产品 开始在变电站中试运行，积累了一定的经验“。但是，自动调节装 置在运行过程中存在频繁调节现象，频繁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”。 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。出于对设备安全运行的考虑，这些自动调节装置未能 在电力系统中推广应用。但是，对无功、电压自动调节系统还需作 进一步的研究。 长期以来，我国变电所都是有人值班变电所。对于终端变电站， 值班员根据调度指令来投退电容器或调整变压器的分接头来维持母 线电压在合格范围内。近几年来，许多终端变电所向减人值班和无 人值班过渡，变电站自动化水平的提高，为电压无功控制从人工控 制转向计算机控制创造了条件。 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。 目前国内变电站电压无功自动控制方法中最成熟、最实用的是 九区图控制法，即由预先给定的分时段电压、无功上下限在电压、 无功平面上划分成九个区，然后根据采集的电压无功值是否越限决 定相应的控制措施3 。总其的控制原则是无功越限时投切电容，电 压越限时升降变压器分接头。 但是，随着电力系统规模的不断扩大，仅在变电所一侧装设电 压无功自动控制装置进行无功补偿已不能满足需要，因为这种补偿 是局部控制，无法达到整个电网，因此必须从整个电网的角度进行 综合电压无功控制，才能达到全网最优地改善电压和减少网损的目 的。 由于电力系统已广泛使用有载调压变压器和高压电容器组，随 着电压质量和无功优化的要求越来越高，变电站采用人工监控难以 满足电网实际要求，因此需要采用电压无功综合自动控制。 一般来说，电压无功综合控制有两种调控方式：一种是分散控 制，即对无功和调压设备进行就地控制；另一种是集中控制，即集 上海大学工程硕士论文 中由调度中心的计算机对各个变电站的电压和无功设备进行统一控 制。 1 1 1 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( 电容 器、电抗器、调相机、静止无功补偿器等) 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允许的范围内。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。 由于分散控制见效快，符合国情，国内一些科研院所和公司已推 出实用化的电压无功综合控制器( v q c ) ，如南瑞d i s a l 型自动化中 v q c ，广州科立的d w k i l l 型、浙江青田d w z k 型v q c 。这些自动控制 装置利用了微机的优势，将电压和无功控制综合考虑。在控制规律 上，装置分别针对配电变电站和枢纽变电站不同的地位和特点而采 用不同的控制规律，控制规律先进、合理，已经在众多变电站得到 推广应用。运行结果证明，可提高电压合格率和减少电能损耗，具 有明显的经济效益和社会效益，深得运行人员的欢迎。这些分散安 装于各变电站的自动控制装置之所以能在现阶段得以推广，主要是 投资低，价格合适，见效快，符合国情。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 置若仍停留在目前的水平就远远不能满足要求了。 文献”提出了关联分散控制方式，即以变电站为中心，根据上级 调度事先规定的母线电压允许数值和该变电站与系统交换无功功率 的允许范围，由安装于该站的电压、无功综合控制单元根据该站的 实时运行情况，对有载调压变压器的分接头位置和并联电容器组进 行优化自动调节，以维持其母线电压和无功功率在允许的范围内， 需要时也可由调度直接下达命令进行调节。其特点是：在正常运行 情况下，由安装在各厂( 站) 的关联分散控制装置根据设计好的控制 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计算好；在紧急情况下或系统 运行方式发生大的变动时，可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。 因此，关联分散控制的最大优点是，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，从根本上提高全系统的可靠性和经济性。这就要求 执行关联分散控制任务的装置，除了具有更齐全的对受控厂( 站) 分 析、判断和控制的功能外，还必须具有强大的通信功能和手段。在 正常运行工况下，能把控制结果( 各台主变的分接头位置和各组电容 器投、切状态) 向调度中心报告。系统需要时，能接受上级调度下达 的命令，自动修改、调整整定值或停止执行自己的控制规律而转去 作为执行单元，执行调度下达的调控命令。 1 1 2 集中控制方式 集中控制是指通过调度s c a d a ( 监控及数据采集) 系统，采集包括 各发电厂、变电所等中枢点的电压、无功、变压器分接头位置、无 功补偿设备开断、投入状态等状态量和数字量，然后由调度中心的 区域电压无功优化分析软件( a v e ) 计算出全网最优的无功分布，利用 分散安装在各厂、站的当地电压无功调节装置( 如v q c ) 或控制软件对 各个变电站的调压设备和无功补偿设备进行统一控制，并调整无功 补偿设备的开断和投入以及变压器的分接头位置，以较短的时间调 整系统中枢点的电压，使偏离值减小。这不仅满足当地对电压、无 功的要求，并且大大减少全网的网损，从而实现整个系统电压和无 功功率的闭环控制。其优点是容易实现全局最优控制，调压设备和 无功设备统一控制，容易保持系统电压正常，提高电压合格率和降 低电能损耗；其缺点是应用软件复杂，通信通道要求高，通信技术 性能要求高，增加了调度员负担，功能过于集中，控制风险增大。 从大系统角度考虑，无功功率与电压的区域性集中控制，一般 按分层与分区控制的原则进行。如法国国家电力网共有三个控制层， 即一次控制层由系统电厂机组实现电压快速无规则变化的调节和补 偿，二次控制通过调节辖区内可资利用的动态无功功率处理电压的 慢变化，三次控制负责全系统各点电压的全面协调。至1 9 9 0 年该国 输电网已包括2 7 个二次电压控制区域，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 0 0 0 0 m v a r 。意大利国 家电力系统( e n e l ) 也实现了电压与无功功率的自动控制，先是分别 上海大学工程硕= b 论文 在佛罗伦萨地区( 1 9 8 4 年) 与西西里( 1 9 8 6 年) 实现了二次电压调整。 由于运行结果较为良好，例如在西西里，与大陆联网的新4 0 0 k v 电 缆引起的高压问题( 运行电压在4 0 4 4 1 6 k v 间波动) ，因二次电压调 整系统的引入而获得较大改善( 日运行电压稳定在4 0 0 k v 左右) ，e n e l 决定在1 9 9 3 年以前在整个超高压电网中普遍实现二次与三次电压调 整。其它如加拿大、日本也实现了主系统的二次电压调整”1 。 我国原能源部于1 9 8 9 年颁发了电力系统电压和无功电力技术 导则，对电网电压及无功功率补偿容量要求等都作了具体明确的规 定，并做出了主输电网络无功电力分层平衡和地区供电网络无功电 力分层就地平衡的基本要求，以保证各级供电母线电压直到用户入 口电压能随时保持在允许范围内。 但是，目前国内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。在一些地调系统中，虽然自称 对电压和无功可以实行集中控制，但实际上只是由调度员通过r t u 执行机构，进行远方手动操作，既不能实现自动优化控制，又增加 了调度员的负担。这是目前集中控制普遍存在的一个问题“。 从理论上讲，集中控制方式是保持系统电压正常，提高系统运行 可靠性和经济性的最佳方案，是电压和无功功率自动控制发展的必 然趋势。系统采用全闭环的控制方式，无需人工干预，自动化程度 高。由于系统充分利用了各厂、站的当地控制装置，使得成本大大 降低，并做到了责任分散、控制分散、危险分散，使得系统的可靠 性、安全性大大提高。但它要求调度中心必须具有园地制宜的电压 和无功优化实时控制软件，而且它需要对各配电中心具有遥测、遥 信和遥控功能，对通道的可靠性要求高。另外，最好在各配电中心 要具各智能执行单元。因此，实现集中控制方式主要难点在于解决 a v c 算法的快速性、准确性以及通信的可靠性上。 1 2 无功优化的基本概念 所谓无功优化，就是当网络总无功容量确定之后，如何将该补 偿容量合理地分配到各个补偿点，以使网络的损耗最小，获得最佳 的补偿效益。下面是按照无功补偿设备的要求所建立的目标函数， 并规定其三个约束条件。 1 2 1 目标函数 这里所追求的目标是网络总的有功损耗最小，因此可以建立网 络总损耗a p 与各补偿点补偿容量q 。的函数关系，即 a p = f ( q c ；) ( 卜1 ) 这就是说，当各补偿点装设的补偿容量为q 。q 。，q o ，时， 能使网络总损耗p 最小。 1 2 2 约束条件 满足网络无功负荷平衡条件是：若补偿的总容量为q 。网络 总的无功负荷为q 。，网络的总无功损耗为q ，为满足网络的无功 负荷平衡，必须满足下式 q - q , - a q = 0 ( 卜2 ) 补偿容量的极限条件是：按补偿功率因数的要求，或按照实际安 1 装补偿容量的限制，补偿容量q 。，不能超过其极大值q 。也不得小 于其极小值q 。，这就形成了补偿容量q 。，的极限约束条件，即 q 。 q 。 q 。 ( 1 3 ) 这个不等式便是第二个约束条件。 电压的极限条件是：按照网络对电能质量的要求，第1 个补偿 点的电压u 。必须小于其极大值u 。，大于其极小值u 。，即 u u 。 u ( 卜4 ) 这个不等式便是第三个约束条件。 1 3 电力系统无功优化和电压控制的意义 电力系统无功优化是保证网络各点电压质量的重要措施。电压质 量作为电能质量的一项重要指标，对国民经济发展和人民生活水平 的提高有着密切联系，电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电 压稳定与经济运行的基本条件，而电压质量则是电网无功平衡的直 接反映。作好电力系统无功优化工作，逐步改善城市配电网的电压 质最及功率因数，是我们电力工作者实现供电优质服务，为社会提 供优质可靠的电力供应的重要使命。 电力系统无功优化是保证电力系统经济运行的一项有效手段。进 行无功优化，可使补偿之后的线路、变压器中通过的无功电流减少， 从而使线路、变压器的供电能力增加，线路、变压器功率损耗降低。 电力系统的无功不足不仅会导致系统电压下降，甚至会引起电压 崩溃等一系列事故。如1 9 9 6 年美国西部电网大停电和1 9 8 7 年日本 i z 海大学工程l , i ：l - 论文 东京大停电事故都是由于紧急事故之后或高峰负荷时无功不足而造 成的电压崩溃，进而导致系统瓦解。因此，电力系统无功优化对电 力系统安全运行有着非常重要的意义。 1 4 本课题研究的主要内容 本文研究了变电站电压无功综合控制经典原理，完善了“九区图” 法电压无功控制策略。本文又进一步研究了地区电网的结构特点， 提出地区电网电压无功控制策略和原则以及实现方法，它根据电压 和无功之间的关系，利用地区电网调度自动化s c a d a 系统来调节有 载开关分接头和电容器组的动作，达到保证电网电压合格，网损趋 向于最小，设备动作次数尽可能小的目标。根据南通地区电网的实 际情况，制定了适合南通地区电网无功电压优化运行的集中控制方 案，并在南通地区电网控制系统中得以实施。 依据上述研究工作，本论文按章节顺序主要有以下内容： 1 、国内外变电站电压无功综合控制技术的研究现状及分析： 2 、电压无功综合控制原理，传统的九区图电压无功控制策略及 其进一步完善； 3 、以地区电网结构研究为基础，提a l k 区电网电压无功控制策 略和原则； 4 、在对江苏南通地区电网系统网络结构参数和无功调压运行现 状分析的基础上，制定出针对南通地区电网的无功电压优化运行集 中控制方案； 上海大学工程坝士论文 情况 5 、介绍南通地区电网无功优化运行集中控制系统的开发和应用 6 结论和展望。 上海大学工程硕：l 论文 第二章电压无功控制原理 根据能源部电力系统电压无功控制导则( s d 3 2 5 - - 8 9 ) 中的 规定，电压无功综合控制目标应达到：5 0 0 k v 变电所2 2 0 k v 母线，正 常运行时电压允许的偏差为额定电压的o + 1 0 ，事故时为5 + 1 0 ；2 2 0 k v 变电所的l l o k v 3 5 k v 母线，正常运行时为相应系统的 额定电压的一3 + 7 ，事故后额定电压的1 0 ，配电系统l o k v 供 电电压为l o 1 0 7 k v ；2 2 0 k v 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为o o 3 3 ，3 5 l l o k v 等级的为 0 o 4 8 ，l o k v 配电线路上的并联电容器在负荷最小时不应向变电所 倒送无功功率；在保证变电所被控母线电压合格的前提下，尽量使 无功功率就地平衡，以降低输电线路的电能损耗；同时力争动作准 确，保证投切的成功率，降低有载调压变压器分接开关及电容器组 投切的动作次数“。 因此，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( 包括电压上下限、无功上下限、主变分接头开关日调节 次数、电容器日投切次数) 、多目标( 电压合格、无功平衡、功率因 数最高) 的最优控制问题1 。 2 1 电压无功控制的数学模型 2 1 1 控制方程 图2 1 为具有并联补偿设备的简单电力系统的原理图，计算图 中所示的电压降时若略去其横向分量，则设置补偿设备前应满足“3 1 ： 一 6 - ”华笋 1 ) 式中：p ，一出线的有功功率； q ，一出线的无功功率； r 一归算至高压侧的母线i ，j 之间的总电阻； 。一归算至高压侧的母线i ，j 之间的总电抗； u j 一补偿前归算到高压侧的低压母线电压。 啦轧卜竺劬半州q 电沪弋雌只却q j 7 【一 图2 1 基于并联补偿设备的简单系统 设置补偿设备后应有 ”坐等咝 ( 2 式中：“。一补偿后归算到高压侧的低压母线电压 q c 一补偿容量。 上两式相等可解得： q = 挚，一，抄( 钱竽一竽 】 s ， 式中方括号内第二部分一般不大，可略去，则得 q ：孥( u ，一u ，) ( 2 4 ) 若变压器的变比为k ，设叱为设置补偿设备后变电站低压母线上的 实际电压，则得到电压无功控制方程为 包= 警( 咿铷2 ( 2 - 5 ) 2 1 2 约束条件 电压无功综合控制的不等式约束条件如下1 ： 节点电压： u 。矗u js u 。( j = l ，k 。) 补偿无功： q c 。q c 。q c ，。( j = l ，k t ) 可调变压器变比：k j 。k js 。( j = l ，k t ) 功率因数：c o s 矿。c o s c o s 矽。 变比变化次数：k 。k 。 补偿变化次数：t 矗t 。 其中：k 。为可调变压器台数；k 。和k 。是可调变压器一天中的变化 次数和最大次数：t 。和t 。是补偿设备一天中投切的次数和最大次 数。 2 2 控制策略 2 2 1 无功功率和功率因数控制模式分析 变电站电压无功综合控制因素可分为无功功率控制和功率因数 控制两种模式，各有不同的优缺点“。 功率因数控制模式在低谷和高峰等不同时段，按不同的功率因 数指标来考核无功优化。其特点是：功率因数在无功倒送状态及吸 收无功状态时均为正值，不能较好地区分两者的差异；功率因数在 低负荷下运行时数值波动很大，而功率因数在高负荷下运行时数值 1r 波动较小；功率因数与无功功率不存在一对应关系。 功率因数控制的优点是：与变电站无功优化指标一致，设定方 便简单；在高负荷运行时，功率因数波动小，减少电容器动作次数； 控制原理简单，容易实现。功率因数控制的缺点是：低负荷状态下， 功率因数波动大，容易造成电容器频繁动作；一般变电站的电容器 容量大，在低负荷状态下容易出现过补偿，并引起电容器动作次数 增加；当电容器组少，电容器容量级差大时，容易产生投切动作频 繁；无法区分无功吸收和倒送两种不同状态，难以避免无功倒送问 题；在电网电压无功波动大的场合，难以实现有效的无功优化控制； 全网无功优化主要考虑无功功率，而功率因数难以紧密关联；变电 站电容容量与功率因数关联需要转换运算，控制算法相对复杂。 无功功率控制模式在低谷和高峰等不同时段，直接按无功指标 来考核。其特点是：无功功率是与有功功率和相位角相关的量；无功 功率与全网无功优化的目标函数紧密关联；无功功率充分反映无功 出力情况，可区分无功倒送和无功吸收状态：高负荷下运行，无功 功率的波动大，数值改变幅度大。 无功功率控制的优点是：避免变压器轻负荷运行时，电容器动 作频繁的现象；容易适应负荷波动较大的运行方式；无功功率作为 全网无功优化主要考虑的因素，便于实现实时的无功控制；充分区 分无功倒送和吸收两种状态，避免无功倒送现象，有利于提高电网 安全运行；充分兼顾了变电站电容器容量级差大的问题，可有效避 免电容器频繁动作现象；无功功率控制与电容无功容量密切关联， 控制简单方便。无功功率控制的缺点是：控制原理复杂，智能化程 度要求高；与变电站无功考核指标功率因数无直接一一对应关系， 控制限值输入复杂；在负荷波动大时，无功功率波动也大，可能增 加电容器动作次数。 综上所述，对于主网负荷波动大，充分考虑主网无功要求和无 功优化实时性要求，选用无功控制模式更为合理。 2 2 2 传统的九区图控制法原理 目前国内变电站电压无功自动控制方法中最成熟、最实用的是 九区图控制法，即由预先给定的分时段电压、无功上下限在电压、 无功平面上划分成九个区，如图2 2 所示，然后根据采集的电压无 功值是否越限决定相应的控制措施1 。总的控制原则是无功越限时 投切电容，电压越限时升降变压器分接头。具体各区的控制策略如 表2 - i 所述。 图2 2 传统九区图控制法区域图 表2 一i ：传统九区图控制策略表 上海大学工程硕士论文 运行电压 无功 控制策略 分区 越限越限 1 越上限 越下限 切电容器。如无电容器可切，则降分接头。 2 越上限合格 降分接头。如分接头处于下极限，则强切电容器。 3 越上限越上限 降分接头。如分接头处于下极限，则强切电容器。 4 合格越上限 投电容器。如无电容器可投，则维持。 5 越下限越上限 投电容器。如无电容器可投，则升分接头。 6 越下限合格升分接头。如分接头处于上极限，则强投电容器。 7 越下限越下限升分接头。如分接头处于上极限，则强投电容器。 8 合格越下限切电容器。如无电容器可切，则维持。 2 2 3 九区图控制法存在的问题 上述传统九区图电压无功控制法存在两个不完善的地方：一是 没有充分考虑分接头升降和电容器投切的双重影响，即它们都是既 会影响电压水平，也会影响无功变化；二是没有将并联电抗器投切 纳入电压无功综合控制系统参与统一调整。 ( 1 ) 分接头升降和电容器投切的双重效果 由上面式( 2 - 5 ) 可知，调节变压器分接头位置k 或无功补偿量q 。， 都将引起变电站低压母线电压u 。和从系统吸取无功总量q ：q 十q 。的变 化，从而影响主变高压侧功率因数c o s 的大小。其调整关系为。”： 分接头调节( 见图2 3 ，图中实线表示电压与无功的关系 ( u q ) ，虚线表示电压与功率因数的关系( u - c o s ) ) 分接头上调后：u ，将变大，q 将变大，c o s 变小 分接头下调后：u j 将变小，q 将变小，c o s 变大 j 蘩卜二+ u 图2 3 分接头调节u 及q ( c o s 巾) 的影响趋势 电容器投切( 见图2 4 ) 投入电容器后：q 将变小，u ，将变大，c o s 变大 退出电容器后：q 将变大，u ，将变小，c o s 变小 i j o 屯0 3 夺 退出电容器u - o 图2 4 电容器投切对u 及q ( c o s 中) 的影响趋势 再观察图2 5 所示的传统九区图控制法中的运行点a ，无功越上 限，电压虽然合格但逼近上限。因此，按照控制策略，处于该运行 点应该投入并联电容器降低从系统吸收的无功功率，但由于投入电 容器同时会升高电压，致使电压越过上限，运行点进入2 区或3 区。 根据控制策略，运行点在2 区或3 区应降分接头，如分接头处于下 极限，则强切电容器。这样就有可能引起“投入电容器强切电容 器一投入电容器强切电容器”的震荡投切，其后果不仅造 成电压波动，而且极易造成电容器开关的破坏。图中其它b 、c 、d 、 2 ， e 、f 、g 、h 各点都有可能出现类似的震荡控制情况”1 。因此，分 接头升降和电容器投切的双重效果是将可能引起投切振荡问题。 u o m i nq m a x k l 3 gh p u m a x 8 9 五 e b dc u m i n 7o 图2 5 传统九区图控制法 ( 2 ) 并联电抗器的投切问题 由电力系统理论可知，当输电线路输送功率大于自然功率时， 线路有无功损耗，线路末端电压会降低；当输电线路输送功率小于 自然功率时，线路会有无功产生，线路末端电压会升高。为了防止 超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升 高，一般在末端变电站装设并联电抗器吸收线路的充电功率。传统 的九区图策略在电压无功自动控制时没有将并联电抗器的投切作统 一考虑，是有欠缺的，应将并联电抗器的投切参与电压无功的统一 控制。 2 2 4 传统九区图控制法的改进 基于以上讨论，我们将传统的九区图做了进一步细化，把图2 5 中的a h 八个点分离出来，形成一个具有1 7 个分区的电压无功限 1 上海大学工程硕士论义 值区间划分控制图，如图2 6 所示。同时统考虑变压器分接头的 升降、并联电容器和并联电抗器的投切，对不同的分区采取相应的 控制，最终形成较为完善的电压无功综合控制策略，如表2 2 所述。 0 t口c u ，17 l 2 345 x 气 气 声 户 ： 6 气 上乡 卢7 t u c 声 8 1 0 。、 i u；泰 t 、1 2i r u t i m 誓 ， 1 3 1 4 1 51 61 7 7- 0 m t i1q i：矗q tq j i 8 x 图2 6 九区图控制法的改进 图中：u c 投切一组电容器引起的电压变化最大值 q c 投切一组电容器引起的无功最大变化量 u t 主变升降一挡引起的电压最大变化量； q t 主变升降一挡引起的无功变化最大值。 表2 - 2 ；电压无功控制策略分区表 上海大学工程硕：l 论义 运行电压 无功 控制策略 分区 越限 越限 发切c 指令，若c 己全部切完，则投电抗器； 1 越上限越下限 若电压还高于上限，则强行降压。 发切c 指令，若c 己全部切完，则投电抗器： 2越上限 合格、偏小 若电压还高于上限，则强行降压。 发降压指令，当有载开关处于下限位置时， 3越上限 合格发强切c 指令。如全切c 后还处于陔区，则 投电抗器。 发降压指令，当有载开关处于下限位置时， 4越上限 合格、偏大发强切c 指令。如全切c 后还处于该区，则 投电抗器。 发降压指令，当有载开关处于下限位置时， 5越上限 越上限发强切c 指令。如全切c 后还处于该区，则 投电抗器。 发切c 指令，当c 全部切完后，则投电抗器； 6 合格、偏小越下限 若还处于该区，则维持不变。 如还有电容器未投( 或电抗器可切) ，则先降 7 合格、偏大越上限 压再投c ( 或切电抗器) 。 先切c ，全切后还处于该区，投电抗器。升 8 合格越下限 压为备用方案。 9 合格合格不动作 如有电抗器，则先切电抗器，只有当同一母 1 0 合格越上限线上的电抗器全切后，才投电容c 。降压为 备用方案。 如还有电容器未切( 或电抗器可投) ，则先升 1 1 合格、偏小 越下限 压再切c ( 或投电抗器) 。 如有电抗器，则先切电抗器，只有当同一母 1 2 合格、偏小 越上限 线上的电抗器全切后，才投电容c 。 发升压指令，当有载开关处于上限位置时， 1 3 越下限越下限则切电抗器；若切完还处于该区，发强投c 指令。 发升压指令，当有载开关处于上限位置时， 1 4 越下限合格、偏小则切电抗器；若切完还处于该区，发强投c 指令。 发升压指令，当有载开关处于上限位置时， 1 5 越下限合格则切电抗器；若切完还处于该区，发强投c 指令。 如有电抗器，则先切电抗器，只有当同一母 线上的电抗器全切后，才投电容c 。当c 全 1 6 越下限合格、偏大 部投入( 含c 故障、检修停用时) 后，电压还 低于下限，发强行升压指令。 如有电抗器，则先切电抗器，只有当同一母 线上的电抗器全切后才投电容c 。当c 全部 1 7 越下限越下限 投入( 含c 故障、检修停用时) 后，电压还低 于下限，发强行升压指令。 上述变电站综合电压无功控制虽然在实际运用中发挥了很好 的作用，但还存在一些不足，例如： ( 1 ) 目前运行着的变电站电压无功综合控制装置，基本上都是 仅仅采一个变电站的运行参数，仅在一个变电站范围内进行无功电 压的自动控制，不能顾及整个电网的运行工况，可能发生这样的情 况：从本变电站看，低压侧电压偏低，应当调节有载变压器的分接 头来升高电压，但从全网运行状况看，则有更合适的方法，不必调 节分接头。 ( 2 ) 不能针对高峰负荷时段和低谷时段的不同工况采用不同的 控制策略。 ( 3 ) 不能在系统事故时，采用与正常时不同的控制方式，有时 甚至可能加重事故的后果，特别在重负荷低电压的时候。 解决这些问题的办法是采用全网或地区电网无功电压集中优化 控制。具体实现时可从调度自动化的s c a d a 系统获取全网实际时数 据，包括各节点电压、有功和无功功率，以地区电网网损最小、变 压器和电容器投切次数最小为目标函数，以各节点电压在规定范围 上海大学工程坝士论文 内为约束条件，进行电压无功综合优化处理后，形成区域内有载变 压器分接头调节和无功设备投切的指令，发至各调节设各进行调整 操作。但这要可靠的通信系统作保证，且有时控制会有延时。 第三章地区电网无功电压控制策略的研究 3 1 地区电网无功电压控制策略进行研究的意义 电网无功电压管理，一般按分层与分区控制的原则进行。如法 国国家电力网共有三个控制层，即一次控制层由系统电厂机组实现 电压快速无规则变化的调节和补偿，二次控制通过调节辖区内可资 利用的动态无功功率处理电压的缓慢变化，三次控制负责全系统各 点电压的全面协调。我国也是如此，我国原能源部于1 9 8 9 年颁发了 电力系统电压和无功电力技术导则，对电网电压及无功功率补偿 容量要求等都作了具体明确的规定，并做出了主输电网络无功电力 分层平衡和地区供电网络无功电力分层就地平衡的基本要求，以保 证各级供电母线电压直到用户入口电压能随时保持在允许范围内。 国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定中指出， 无功电力调度实行按调度权限划分下的分级管理，调度部门应对大 区间、网省间联络线及各级调度分界点处的无功电力送出( 或受入) 量进行监督和控制，其数值由相关双方调度部门商定。 理论上讲，无功管理实行集中控制方式是保持系统电压正常， 提高系统运行可靠性和经济性的最佳方案，是电压和无功功率自动 控制发展的必然趋势。系统采用全闭环的控制方式，无需人工干预， 自动化程度高。但目前国内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。在一些地调系统中， 虽然自称对电压和无功可以实行集中控制，但实际上只是由调度员 ，r 通过r t u 执行机构，进行远方手动操作，既不能实现自动优化控制， 又增加了调度员的负担。 经过近几年的城网改造，我国电网自动化水平发生飞跃发展， 各个终端站遥测、遥信、遥调和遥控功能，通信通道的可靠性大大 提高，为无功优化集中控制提供了实现平台。实现集中控制方式主 要难点在于控制策略的确定。由于电网无功电压优化控制是一个离 散的控制量、多约束的非线性优化问题，长期以来这一十分经典的 问题一直未能解决的尽如人意，大多数工作者把目光放在单个变电 站无功优化。我们尝试从全网的角度出发，把各个变电站联系起来， 研究电网无功电压优化控制策略就显得非常有意义。电网无功电压 优化控制的实现不仅满足当地对电压、无功的要求，并且大大减少 全网的网损，从而实现整个系统电压和无功功率的闭环控制。其优 点是容易实现全局最优控制，调压设备和无功设备统控制，容易 保持系统电压正常，提高电压合格率和降低电能损耗。 3 2 地区电网电压无功控制的目标 国家电网调度一般按电压等级分为五类，国家电网调度、区域电 网调度、省电网调度、地区调度、县级调度；地区调度简称地调。 地区电网的电压无功控制手段主要为2 2 0 k v 及以下电压等级变 电站的主变分接头档位的调节，l o k v 、3 5 k v 母线的并联电容器的投 切。地区电网电压无功控制系统的主要控制对象包括： ( 1 ) 2 2 0 k v 至l o k v 各电压等级的母线电压； - 2 9 ( 2