（电气工程专业论文）地区电网电压无功控制及无功优化分析.pdf

r e a c t i v e p o w e r v o l t a g e c o n t r o lo f r e g i o n a l p o w e r s y s t e m a n d o p t i m a la n a l y s i so f r e a c t i v ep o w e r m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t s a u t o m a t i o n s t u d e n t ：c h e ny u n h u is u p e rv i s o r s ：p r o f j u n y o n gl i u 、s e n i o r e n g l iz h e n y i a l o n gw i t hd e e p e no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mr e f o r m ，a n dt h er e q u i r e m e n to f s t e a d yo p e r m i o no f n e t w o r kh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b u tw i t hp o w e r s y s t e me n l a r g e d ，t h et i g h t n e s so f n e t w o r ki n t e r l i n k s ，a n de n h a n c e dc o m p l e x i t yd e g r e e o f s y s t e m ，s e c u r i t ya n ds t e a d yp r o b l e m so fv o l m g ee m e r g e n c e t h ew o r ko fs y s t e m r e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o n a n dc o n t r o li s s i g n i f i c a n t f o r s y s t e ms e c u r i t y a n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no f b a c k g r o u n df a c e dw i t l lt h ep o w e rs y s t e m a n dc o m b i n e d w i t ht h er e s e a r c ho ft h i sp r o b l e m ，t h i st h e w se x p l a i n st h eo b j e c t i v ea n d r e q u i r e m e m o fv o l t a g e r e a c t i v e p o w e rc o n t r o lf i r m l y t h e m e a n so fv o l t a g e r e a c t i v e p o w e r c o n t r o la r et h e nc o m p a r e d ，a n dac o n c l u s i o ni sm a d et h a tv o l t a g ec o n t r o lp l a y sa s i g n i f i c a n t r o l ei nr e s e a r c ho fe l e c t r i c p o w e rs y s t e m s t h i sp a p e r d i s c u s s e s v o l t a g e r e a c t i v ep o w e r c o n t r o lb a s e do ns t r a t e g i e so fe x p e r ts y s t e m sa n di m m u n i t y p r i n c i p l e s ；c o o r d i n a t i v e c o n t r o l s t r a t e g i e s w i t h l a y e r e dc o n f i g u r a t i o n o fs y s t e m v o l t a g ec o n t r o la r e a l s oe x p l a i n e di nd e t a i l o b j e c t i v e i n t r o d u c e di nt h i s p a p e r i sa c t i v e p o w e r l o s sm i n i m i z a t i o na n d m o v e m e n tm i n i m i z a t i o no fc o n t r o le l e m e n t a n da tt h es a m et i m es c o p es o f t w a r ei s u s e da sac o m p u t i n gt 0 0 1 s ot h ep r o b l e mo fs y s t e mr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni s s o l v e d t h r o u g h o p f a l g o r i t h m t h en e t w o r ko fd e y a n gr e g i o ni su s e da sat e s ts y s t e mt 0b ec a r r i e do u t c a l c u l a t i o n so fr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n c o o r d i n a t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e su n d e r n o r m a lo re m e r g e n c ys t a t e sa r ei n v e s t i g a t e d a tl a s t ，a r to p t i m a ld e s i g ns t r a t e g yf o r t h ev o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc o n t r o lo f t h er e g i o n a ln e t w o r ki sp r o p o s e d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；v o l t a g e ；r e a c t i v ep o w e r ；o p t i m a l c o n t r o l ；o p f a l g o r i t h m p q 川大学t 程确l 学位论文( 2 9 9 4 ) 第一章绪论 1 1 背景 从经济的角度出发，电力系统电压的稳定对于保证整个社会国民经济的生 产、延长各种生产设备的使用寿命有着重要的意义，而尽量减少无功功率在线 路上的传输，实现降低网损、经济供电又是每一个电网经营企业的目标。 如果从安全的角度出发，随着电力系统的不断发展，电压问题既影响到电力 系统的供电质量，更是一个关系到电力系统安全稳定运行和经济运行的重要闯 题，需要特别引起重视。 由于电压异常引起的设备损坏、电压稳定破坏或电压崩溃，曾导致国内外 许多电力系统发生大面积停电事故，如1 9 7 8 年1 2 约9 日法国全国大停电事故， 1 9 8 2 年1 2 月1 4 日加拿大魁北克7 3 5 k v 系统大停电事故，1 9 8 3 年1 1 月2 7 日瑞 典系统和1 9 8 7 年7 月2 3 日日本东京系统大停电事故，还有2 0 0 3 年发生的以8 1 4 美加大停电为典型的一系列大的系统停电事故等。从七十年代末以来，世界范 围所发生的这些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。这方面的研究工作主要集中在电压崩溃机理，电压稳定安全性能指标的 计算和防止电压崩溃事故的措施三个方面。因此电压及无功功率的紧急控制近 年来受到了高度的重视。 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。 国际大电网会议c i g i g 的w o r k i n gg r o u p 提出了整个电压及无功功率控制 的目标包括质量、经济和安全等方面。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，以保证电力系统的安全稳定运行。 四川大学丁程硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 1 2 选题的意义 电压是电能的主要质量指标之一。电压质量对电网稳定及电力和其它用电 设备安全运行具有重大影响。而无功电力又是影响电压质量的一个重要因素。 为此，各级变电站担负着电压和无功调节的重要任务。随着工农业生产和人民 生活对用电质量需求的不断增长，和电力系统自动化程度的不断提高，电压无 功优化控制受到愈来愈多的重视，其实现的目标是： ( 1 ) 当运行条件改变时，维持电压和电流在允许范围内； ( 2 ) 在正常运行条件下，改善全系统电噩分布从而使得网损最小； ( 3 ) 在紧急情况下，通过电压控制和其它措施避免系统崩溃。 电力系统无功优化是保证系统安全、经济运行的有效手段，是提高电力系 统电压质量的重要措施之一。所谓无功优化，就是当系统的结构参数及负荷状 况给定时，通过对某些控制变量的优化，所能找到的在满足所有指定约束条件 的前提下，使系统的某一个或多个性能指标达到最优时的无功调节手段。 随着电力系统规模的不断扩大，电网互联紧密度不断加强，电力系统复杂 程度的不断提高，使得电压无功优化控制问题的规模越来越大，原来仅在变电 站侧装设电压无功自动控制装置( 简称v q c ) 进行无功补偿己不能满足需要。因 为这种补偿只是局部控制，无法达到整个电网的全局最优。因此必须从整个电 网角度进行综合电压无功控制，才能达到全网最优地改善各节点电压水平和减 少网损的目的。 当前，我国地区电网的无功电压控制仅仅停留在开环控制的水平上，若实 现对电力系统实施无功优化闭环控制，不但可以在保证电压合格的前提下降低 电网损耗，而且可大大降低调度员的工作负担，使其更加集中精力处理事故， 从而大幅度提高电网的安全、优质和经济运行水平，这是地区电网无功调度发 展的最高阶段。 2 0 0 3 年以来，电力体制改革进入实施阶段。四川电力系统的生产任务非常 繁重，电网稳定的安全形势和压力也非常大。为保证电网安全稳定经济优质运 行，全面完成当年度各项生产任务，四川省电力公司要求各发、供电单位以市 场为导向，以效益为中心，以安全生产为基础。各级调度部门应加强调度管理， 科学合理地安排电网运行方式和实时调度，采取一切可行的措施，充分挖掘和 2 凹川大学丁程颂l ：学位论文( 2 0 0 4 ) 利用现有设备的发电和输电能力，确保电网安全、稳定、经济、优质运行，最 大限度地满足用电需求，力争获得更好的社会效益和经济效益。 德阳电网是四川电网川西地区的骨干网架，发挥着举足轻重的作用。而在 现有的德阳电网体系中，有功优化得到了比较多的关注和研究，而对于无功优 化，则是定性的，相当粗放的，只有一些行政命令似的临时办法。德阳电网网 架的特殊性在于，负荷中心与发电中心距离相对遥远，系统高峰时需要大量的 容性无功，低谷时又需要较多的感性无功，因而系统对于无功电压辅助服务的 要求相当高。通过系统的理论研究和定量的计算分析，制定适合德阳电网的， 精确合理的无功生产体系和切实可行的无功规划方法就具有重要意义，这也是 发展电力市场的迫切需要。因此，深入进行以这样一个地区系统为背景的电力 系统运行方式和无功优化的理论和方法研究有其重要的理论和实际指导意义。 1 3 文献综述 关于电力系统无功优化和电压无功控制的综合研究，已经有许多学者进行 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已经在不同国家、地区投入使用，并得到了 改进。 文献 1 提出了三级控制思想，第一级控制是消除节点电压越限、发电机无 功出力越限或潮流越限，此时选择控制变量的调整量的加权最小偏差作为目标 函数。 文献 2 推导出了一种新的保留非线性的电压无功功率灵敏度模型，建立 了四个目标函数：有功功率损耗最小；无功功率裕度最大；最小的电压偏差； 控制变量的调解量最小。 文献 1 和文献 2 虽然采用不同的思路，但都是系统在紧急状态和正常情 况下的目标函数不同，从而达到了安全和经济的目标。 文献 3 介绍了一种用人工神经元网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 进行电压无功协调控制的新方法。以往的各种方法都把电力系统作为一个整 体，用一个很大的a n n 系统来一次控制整个电力系统的发电机 4 6 ，但是这种 方法有理论和实际操作上的缺陷。因为采样个数会随电力系统的增大而变得过 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 大，并且这一方法制在校系统中得到验证，而在大系统中会使控制效率低下。 而这一新方法中，每一发电机的电压调节器( p r i m a r yv o l t a g er e g u l a t o r p v r ) 都将装设自己的地区a n n 电压协调控制器( c o o r d i n a t i r ev o l t a g e c o n t r o l l e t c v c ) 。所有的地区a n nc v c 都同步运行以取得一个期望的电压结构。 这样，该控制器运行所需的所有数据都可以就地获得，避免了信息的传送和交 换。文章介绍了建立这一非线性控制器的步骤及特点，并将仿真结果与最优潮 流的计算结果相比较发现，这一a n n 控制器能获得此最优解，并减少系统的无 功损耗；当系统的拓扑结构发生改变时，也能获得满意的结果，从而增强系统 安全。这一控制概念适用于所有的无功控制源，但是该文只对发电机作了仿真。 最早将专家系统引入电力系统规划、运行与控制系统领域并引起普遍重视 的是同本的s a k a q u c h i 和m a t s u m o t o ，他们于1 9 8 3 年发表了用专家系统辅助制 定电力系统的恢复策略。此后专家系统在电力系统中的应用引起了很多学者的 重视。由于这种方法能够处理启发式或经验知识，缓和运行人员的劳动强度， 便于积累知识和培养新手，易于修改和扩充等一系列优点，得到了电力工业部 门运行人员的积极响应与配合，这无疑大大加快了研究工作的进程。此外，由 一些著名专家所作的有关专家系统技术在电力系统中应用前景的展望文章“。7 1 充 分肯定了这一研究领域的意义和前景，对于促进这方面的研究工作也起了重要 作用。经过国内外众多专家和学者的不懈努力，目前专家系统已应用于电力系 统的各个方面，开发了很多专家系统原型，并已有一批专家系统投入了实用。 尽管如此，由于专家系统引入电力系统的时间还不长。还没有进入成熟阶段， 目前使用的系统只限于某几个领域，潜力还很大，存在的问题也很多。如知识 获取和知识库的一致性问题研究的还不多，而这对于开发和维护大型的知识库 系统是非常重要的。 众所周知，电力系统的频律调整主要有有功功率来完成。正常运行的电力 系统的各个部分基本上具有相同得频率，也就是说处于同步状态。调频的作用 是全局性的，调度员处理起来比较容易。与频率和有功功率控制不同，电压和 无功功率的控制是局部性的，系统各处的电压( 模值) 都有差别。艾献 8 提出， 由于无功功率控制效果的局部性，对于复杂的大型电力系统，电压与无功功率 4 一 型业盔堂三望堡：i 二堂竺堡兰! ! ! 塑! 的控制问题是一个十分困难的问题。将专家系统用于无功功率控制问题是一个 比较活跃的领域，已经作了不少工作，其主要优点在于以常规算法为基础的控 制方法与运行人员的知识结合后功能间大大加强。由于电压与无功功率的复杂 性和强非线性而需要大量的数值计算。单靠专家和启发是知识是不够的，因而 已开发的系统大都是基于专家经验和数值计算程序的混合式专家系统。 文献 8 还论述了电压无功功率控制的局部特性，指出对于大型系统，电压 与无功的控制问题是一个十分困难的问题。将专家系统应用于控制中，结合运 行人员的知识后，控制功能将大大加强，但仅靠专家的启发是知识是不够的。 为了提高电压无功控制方法的有效性、鲁棒性和快速性，可以将专家系统的方 法和数值求解的方法有机融合在一起。 文献 9 最早报道了一个无功控制专家系统，用于捡测电压越限问题并提出 控制措施。将电压问题的严重性分为三类，第一类为只有、两个节点电压存 在轻微越限清形，此时采用经验性规则提出控制措施；第二类为有个节点电 压严重越限或三个以上节点电压越限，局部控制手段能够解决，此时调用数值 算法如线性规划来求取控制措施，目标函数为调节手段最少；第三类的电压越 限情形与第二类相同，但局部控制手段不能解决问题，此时也调用数值算法求 解，但只要求得可行解就行了。共提出了2 8 条经验性规则，对其中几条重要的 规则作了理论证明。该系统用o p s 5 实现，基于产生式系统表示知识，利用灵敏 度因子决定无功功率的补偿量。该专家系统己用i e e e 3 0 节点系统作了测试。文 献 1 0 在上文的基础上作了改进，如专家系统开发工具改用了由o p s 5 改进的性 能更好的0 p s 8 3 ，并用i e e e 3 0 节点系统比较的用专家系统技术和线性规划方法 求解电压与无功控制问题的效率，结果表明在大多数运行条件下专家系统的 性能优于线性规划法。在电压越限不太严重时二者性能相差不大，电压越限严 重时专家系统较好。 文献 1 1 介绍了一个用p r o l o g 语言的电压与无功控制专家系统，主要特色 为将控制手段对节点电压调节的灵敏度用一个灵敏度树来表示，通过搜索灵敏 度树寻找消除节点电压越限的最有效的控制措掩。 文献 1 2 介绍了一个基于知识和常规算法的电压控制的混合专家系统。基 5 四川大学 _ = 程硕! l 学位论文( 2 0 0 4 ) 本方法是：利用调度员的启发式知识和无功电源调压的灵敏度因子。从可能的 控制手段中选出少数有希望的措施。大大减少优化变量的数目和约束的数目， 之后用分枝定界整数规划算法求出控制措施( 目标函数为调节手段最少) 。由于 优化变量仅限于少数控制措施，从而整数规划的计算量小，可快速提出有效的 控制措施。该方法有下述一些特征：控制手段一次求出：电容器、电抗器和变 压器得分接头作为离散变量处理，避免了将其作为连续变量处理所引入的取证 过程以及由此引起的优化结果不是可行解的问题。该文认为调压手段首先应考 虑电抗器和电容器的投切或分接头调整，其次是变压器分接头调整，最后才是 调节变压器的无功出力原因是电抗器和电容器的作用是局部性的，只影响邻 近节点，而变压器分接头调整影响的范围大，在消除电压越限的过程中有可能 引起新的越限，发电机的无功出力的确定需要考虑其他制约因容器豹频繁调解 会缩短寿命并增加维护费用。将电压越限问题分为简单情形和复杂情形，简单 情形为电压越限的节点少于五个，且不同时存在电压偏高和和偏低现象，其他 情况最为复杂情形。对于简单的情形一般只用启发式规则和灵敏度因子即可提 出控制措施，但对于复杂情形单靠这种方法的可能会陷入死循环，找不到有效 的控制手段，因而需要联合采用常规算法的方法。该系统是用p r o l o g 语言实现 的，对台湾电力系统的电压控制的研究表明，这种算法是有效的。 文献 1 3 介绍了一个采用启发式方法和常规算法相结合的无功功率规划专 家系统，用以决定在计及预想事故和电压稳定性约束的条件下新加的无功补偿 器的位置及容量。常用的无功补偿方法是基于最优潮流的，要同时计及加装设 备的固定费用和可变费用并求得离散解是有困难的，采用启发式方法和常规算 法相结合的方式是合理解决这一问题的较好途径。尽管已经提出了很多电压稳 定性的分析方法，但很多电力系统仍然采用潮流程序建立p - v 、q - v 、或s v 曲 线来进行分析。开发的专家系统包括两个模块，第一个模块用于分析系统的运 行条件，如识别重负荷线路、重负荷母线、长距离输电线、辐射型输电线、无 功薄弱的地区和加装无功补偿器的候选地点，并据此提出建议是否需要对某一 母线或地区研究p - v 、q - v 、曲线。选择曲线的规则是基于电力公司的实际经验 得到的。第三个模块决定新的补偿器的位置及容量，可求得次最优解。专家系 6 心川太学t 程硕卜学位论文( 2 0 0 4 ) 统是用0 p s 8 3 实现的，调用了一些用f o r t r a n 语言的常规算法程序，包括二次 规划程序、潮流程序和灵敏度计算程序。 文献 1 4 报道了一个基于局部网络模型和灵敏度分析技术相结合的电压控 制专家系统。基本方法是：从电压越限最严重的节点开始，寻找与其相联接的 节点，如果为p q 节点( 包括由p v 节电转化成的p q 节点) 则认为是局部网的 内部节点，如果为p v 节点或平衡节点则认为是局部网的边界节点，重复此过程 直至局部网与系统其他部分通过边界节点分开为止，然后基于灵敏度技术在局 部网的边界节点中选择最有效的控制。由于可认为有功功率的变化对电压模值 没有影响，而局部网络与外部系统总是通过p v 节点或平衡节点隔开的，所以局 部网外的负荷变化对局部网内部的节点电压无影响，只有边界节点的无功调整 才能够解决局部网内部的电压越限问题，这样就不需要全系统的信息并减小了 控制手段选择的范围，从而可快速找出最有效的控制措施。但这种方法对很多 系统可能不适用，因为这样的局部网络可能不存在，另外即使存在局部网络， 但如果规模很大，边界节点很多，这种方法也没有什么优越性。国内在这方面 也作了不少工作，基本原理与上述方法类似，但实现策略上各有特色。 1 4 本文所做的工作 电力系统无功优化和电压，无功控制的研究伴随着电的产生而研究由来已 久，涉及电力系统的各个环节，是一个非线性时变系统的预测和控制问题，具 有一定难度。 本文提出了电压无功功率控制的目标和要求阐述了电压无功功率控制 中应考虑和重视的问题，对电压无功功率调节手段和方法进行了较详细的比 较，详细分析了基于专家系统的电压无功控制和基于免疫原理的电压控制策略， 祥细阐述了具有分级递阶结构的系统电压控制。建立了以有功网络损耗费用为 目标函数并包含运行安全约束的无功优化数学模型。通过o p f 算法求解电力系 统无功优化问题。 在技术线路上，通过基本潮流计算、无功优化潮流计算、n - 1 故障静态安全 分析、无功规划计算来对一个局部地区电力系统网络进行无功优化和最优电压 四川人学t 程顾 ：学位论文( 2 0 0 4 ) 无功控制的研究。 为此在对地区级电网无功优化及运行方式的计算的研究中，主要研究了 以下主要内容： ( 1 ) 研究在德阳地区现有电力网络结构和无功补偿设备配置下的最优运行 方式。也就是研究在德阳地区现有的电网网络结构和无功补偿设备配置情况下， 各种工况运行方式下的无功优化运行方式，给出各种最优运行方式下各变压器 有载调压分接头的档位、并联无功补偿设备投切容量情况。 ( 2 ) 研究德阳地区电网与上一级电网无功优化的关系。也就是研究当德阳 地区电网运行状况发生变化或紧急情况下，本地区电网已有的无功调节装置已 无法满足调压要求时，上一级电网的接入点或枢纽点的电压变化情况。 ( 3 ) 研究德阳地区电网在未来几年的预计网络结构、发电容量及负荷情况 下，新增无功补偿设备的优化运行。 ( 4 ) 研究德阳地区无功电压的最优控制方式。也就是研究在各种运行方 式下或紧急情况下，使系统电压保持或恢复正常的无功电压的控制策略。给出 各种最优运行方式下各变压器有载调压分接头的档位、并联无功补偿设备投切 容量情况。 一一一 些坐查堂兰堡堕主兰垡堡兰! ! ! ! ! ! 第二章电力系统的电压无功控制 2 1 电压无功的计算方法 随着电力系统的不断发展，电压问题既影响到电力系统的供电质量还是 个关系到系统安全运行和经济运行的重要问题。由于电压异常引起的设备损 坏、电压稳定破坏或电压崩溃。曾导致国内外许多电力系统发生大厩积停电事 故。因此电压及无功功率的紧急控制近年来受到了高度的重视。 2 1 1 电压无功功率控制的目标和要求 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。 国际大电网会议c i g r e 的w o r k i n gg r o u p 提出了整个电压及无功功率控制 的目标包括质量、经济和安全等方面。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 ) 为保证系统静态与暂态的运行稳定性，变压器分接头的运行范围和厂 用电正常运行，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，经可能减少电力系统的功率损耗，以取得较好 的经济效益。 丽为了电力系统的商效和可靠运行，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，因此无功功率潮流引起的 9 叫j l i = 学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 电路损失应最小。 ( 2 ) 电网内各点的电压都应在允许范围内，例如：发电厂和变电所的母线 电压允许偏值，正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定电压的+ 1 0 ： 最低运行典雅不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、厂用电的正常使用下一 级电压的调节。 ( 3 ) 电网应有足够无功功率余量以应付突然的需要。 ( 4 ) 电网无功电源与无功负荷都应采用分电压层和分电压区基本平衡的原 则进行控制。 2 ，1 2 常用电压无功功率调节手段 在电力系统中，最常用的调压手段有： ( 1 ) 利用发电机进行无功电压调整 发电机是电网中的重要无功电源，也是电网中调整运行电压的重要设备。 如果发电机有充足的无功备用，通过调节励磁电流增大发电机电势，可以从整 体上提高电网的电压水平，提高电压的稳定性。 ( 2 ) 利用无功补偿设备调整电压 无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起 有功功率损耗和电压损耗。合理地配黄无功功率补偿容量，以改变电力网的无 功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户出的 电压质量。在电压低于容许限度时，利用无功功率补偿调压，往往能取得良好 的效果。 ( 3 ) 利用线路充电功率调整电压 线路的充电功率随线路的电压变化而变化，与线路的电压成正比。控制和 利用线路的充电功率，可使其在调整电网电压中发挥作用，也是提高电网电压 质量的一项经济有效的措施。 ( 4 ) 利用变压器分接头挡位调压 调整变压器分接头挡位可改善局部地区电压。有载调压变压器可以在带负 荷的条件下切换分接头，而且调解范围也比较大。这样可以根据不同的负荷大 小来选择各自合适的分接头，能缩小级次电压的变化幅度，也可能改变电压变 化的趋势。但在实际系统的运行中，由于负荷的峰谷差较大，可能要频繁调整 心川太学工程硕j 擘位论文( 2 0 0 4 ) 分接头，这会因其电压的波动。如果系统的无功不足，那么当某一地区的电压 由于变压器分接头的改变而升高后，该地区所需的无功功率也增大了，这就可 能扩大系统的无功缺额。从而导致整个系统的电压水平更加下降，严重的还会 产生电压崩溃。 ( 5 ) 改善线路参数 采用串联电容器补偿线路的部分串联阻抗，从而降低传送功率时的无功损 耗，并使电压损耗中的q x v 分量减小，提高线路末端电压。由于串联电容器 提供的无功功率不受节点电压的影响，因此它对与电压稳定性的提高有良好的 作用。早期用固定串联补偿器提高线路输送容量，现在晶闸管可控串联补偿器 ( t c s c ) 是主要的f a c t s 装置，并已在美国投入运行。 ( 6 ) 切去部分负荷 当已不能采取上述措施，或者上述措施调节电压的速度不够快时，或者系 统发生了紧急事故典雅急剧下降时，应该考虑是当地切去部分负荷，以确保整 个系统的安全运行。 从广义上讲，电力系统中任何一种调压设备的动作对电力系统各点电压均 有影响，但是实际上由于受到电网结构中参数及调压设备的实际配置情况的限 制，还有具体操作问题以及若干尚待明确的调节原则问题的影响，例如，当运 行条件变化时，要维持系统的无功优化，根据电网无功功率与电压分布的特点， 势必要求全系统各点的各种无功功率调节手段与电压调节手段频繁动作。所以 根据电力系统本身的特点，一般采用地区自动调节电压与集中自动调节电压相 结合的方式，即就地控制和集中控制相结合的方式。 2 1 3 无功功率补偿设备的配置 为实现电网的电压控制，需要在网络中适当地点装设一定数量的无功功率 补偿设备。这些设备的容量、运行性能和装设地点，应估计可能出现的运行方 式，满足和适应电网电压控制的要求。合理地选择和配黄补偿设备，是电网建 设和发展必须考虑并实施的一个重要课题。对补偿设备的安装地点和区域间的 平衡，应进行分析研究。 对配置无供电流域电压调节设备有如下要求： ( 1 ) 每一负荷区域应有各自的足够的无功补偿及调节能力，以适应地区负 叫川人学t 程顺卜学位论文( 2 0 0 4 ) 荷的需要，而不得要求高压网经过大的传输阻抗送来无功。 ( 2 ) 需要有足够的沿整个送电系统分布的补偿容量及调节能力，以适应系 统在各种运行情况下的调节要求，保证系统各点电压合适。 ( 3 ) 需要有足够的沿整个送电系统分布的无功备用容量，使事故后的各点 系统电压都能符合规定要求。 2 1 4 电压无功功率控制中的考虑 电压问题是一个区域性问题，在整个电网中的无功功率应采取不同的电压 去就地平衡的原则进行控制。在一个电压区内安装无功补偿的容量也应按照这 个原则。 在投入无功补偿时，应根据网络的拓扑结构，在低电压电的周围，按照电 器距离和灵敏度的大小来选择投入电容组的节点。因为并联电容在投入点具有 最大的补偿效果，所以如果系统的电压最低点装有电容组时，应直接在该点投 入电容进行无功补偿，否则，则分层选择补偿节点。分层的同时兼顾灵敏度的 大小，在详尽的节点间选择灵敏度最大的节点，以取得整个系统电压水平的良 好提升效果。 应充分重视o l t c 自动调节的副作用，在紧急状况下应闭锁o l t c 的自动 调节功能，以免加大系统电压崩溃的趋势。 紧急状况下，切去部分负荷能快速有效的解除电压崩溃的危险，提升系统 的电压。 应防止两个相邻变电站同时切负荷或投入无功补偿装罨而造成的电压振 荡。对补偿节点或切负荷点的选择英逐次进行。 2 1 5 各种调压方法的比较和应用 电压调整是个比较复杂的问题，因为整个系统每一个节点的电压都不相同， 运彳亍条件也有差别。因此，电压调整要根据系统具体情况，选用合适的方法， 才能达到目的。电压系统的调压措施比较多，如何合理安排调压的手段，逐次 进行，才能大都良好的效果，这需要对各当地控制进行有效的协调。 发电机调压，是各种调压手段中首先被考虑的，因为它不需要附加设备， 从而不需要附加投资，而是充分利用发电机本身具有的发出或吸收无功功率的 删川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 能力。但这种方法往往只能满足电厂地区负荷的调压要求对于通过多极电压 输电的负荷，还需要采取其他调压措施才能保证其电压质量。合理使用发电机 调压常常可以在很大程度上减轻其他调压措施的负担。 在无功功率不足的系统中，首要的问题是增加无功功率补偿设备，而不能 只靠调整变压器电压的方法。例如，受端系统由于系统事故发生无功功率短缺 时，受端系统电压下降。若装有自动调压有在调压装置，调压装置将反应于变 压器出口电压的降低，调整抽头位置，提高变压器输出电压，其结果是负荷电 压的恢复和负荷吸收无功功率的增加，进一步加重高压电网电压的低落，最终造 成系统稳定破坏和受端系统的电压崩溃。自动调压有载调压变压器的这种不良 作用，在几次著名的电压崩溃事件中已得到了证实。通常，大量采用并联电容 器作为无功补偿设备，其突出优点是投资低、安装维护方便。但其具有性能缺 陷，其输出无功随安装点母线电压降低而成平方地降低，且不能实现连续调节。 只是在有特殊要求的场合下，才要采用静止补偿器与同步调相机。静止补偿器 是一种性能良好、维护方便的新型补偿装置，它能快速、平滑地调节无功功率， 以满足动态无功补偿的要求，且与同步调相机相比，运行维护简单，能做到分 相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击符合也有较强的适应性。在价格相 当的条降下，应优先选用。对于5 0 0 k v 、3 3 0 k v 及部分2 2 0 k v 线路，要装设足 够的感性无功补偿设备，以防止线路轻载时充电功率过剩引起的电网过电压a 在无功电源充裕的系统中，应大力采用和推广有载变压器，这是在各种运 行方式下保证电网电压质量的关键手段之一。随着我国经济的发展和人名生活 水平的提高，电网负荷的峰谷差也越来越大，线路、变压器上高峰负荷与低谷 负荷间产生的电压损耗的差别也比较大。对一些通过多条不同电压等级线路、 多级变压器供电的负荷，其高峰负荷与低谷负荷的电压损耗差别，已经大到无 法仅仅用发电机调压或无功补偿的方法来满足两种运行方式下用户电压的要求 了。在无功容量较充足，安装电容补偿装置的节点较多时，从整体的角度出发， 比较选择投入并联电容的节点，既可以防止因两个相邻变电站同时投入无功补 偿时可能引起的电压振荡，还能起到最好的调压效果 从广义上讲，电力系统中任何一种调压设备的动作对电力系统各点电压均 有影响，但是实际上由于受到电网结构中参数及调压设备的实际配置情况的限 制，还有具体操作问题以及若干尚待明确的调节原则问题的影响，例如，当运 一一 型型查兰三矍塑：! 兰竺堡墨! 丝塑! 行条件变化时，要维持系统的无功优化，根据电网无功功率与电压分布的特点， 势必要求全系统各点的各种无功功率调节手段与电压调节手段频繁动作。所以 根据电力系统本身的特点，一般采用地区自动调节电压与集中自动调节电压相 结合的方式，即就地控制和集中控制相结合的方式。 2 1 6 基于专家系统的电压无功控制 人工智能( a i ) 是近年来一个十分活跃的科学研究领域。其中专家系统的发 展取得了重大的成就。专家系统也称为知识库专家系统，是基于知识库的知识 利用系统，是人工智能的应用工程“知识工程”的典型代表。所谓“专家 系统”，就是：具有相当于专家的知识和经验水平，以及解决专门问题能力的计 算机系统。通常，主要指计算机软件系统。专家系统不同与一般的计算机软件 系统，其特点在于： ( 1 ) 知识信息处理：主要用于知识信息处理，而不是数值信息处理；依靠 知识表达技术，而不是数学描述方法。 ( 2 ) 知识利用系统：通过知识获取、表达、存储和编排，建立知识库及其 管理系统；利用专家的知识和经验，求解专门问题。 ( 3 ) 知识推理能力：采用基于知识的程序设计方法，系统的工作是在环境 模式驱动下的知识推理过程；而不是在固定程序控制下的指令执行过程。 ( 4 ) 咨询解释能力：专家系统不仅对用户的提问给出解答，而且能对大案 的推理过程作出解释，提供答案的可信度估计。 专家系统是人工智能应用领域的一个重要分支。一方面它是人工智能的理 论和方法( 如之时表示、搜索策略) 的应用环境，另一方面它的研究和发展又 不断丰富和发展了人工智能学科。他和模式识别、智能机器人一起被列为人工 智能发展的三大前沿课题。 专家系统技术在工业、农业和医学领域中的应用已有较长的历史但在电 力系统中的应用只有二十年时间。由于无功功率控制效果的局部性，对于复杂 的大型电力系统，电压与无功功率的控制问题是一个十分困难的问题。将专家 系统用于无功功率控制问题是一个比较活跃的领域，已经有人作了不少工作， 其主要优点在于以常规算法为基础的控制方法与运行人员的知识结合后功能可 以大大加强。，由于电压与无功功率的复杂性和强非线性而需要大量的数值计算。 些型查兰三翌竺! 生垡堡兰! ! ! 竺! 单靠专家和启发是知识是不够的，因而已开发的系统大都是基于专家经验和数 值计算程序的混合式专家系统。 传统数值算法要占用大量的计算机内存和时间，计算熟读慢，难以满足实 时性要求，而且这类算法自身还存在以下几点不足： ( 1 ) 一维性能指标不适合高维的电压控制问题。 ( 2 ) 仅当性能指标的权数选择合理时，一维性能才能很好的描述电力系统。 ( 3 ) 实际应用中，无功功率配罱任务同时要满足正常运行和事故危机状态， 采用纯优化算法不适合处理这种多重并行问题。 ( 4 ) 这类算法和方法不能体现电力网长职运行积累的十分有价值的经验。 而在这一领域中，专家控制技术对运行人员的经验、判断和决策都能够充分利 用起来，显示出独有的特点。 在电压无功功率控制中，专家系统的主要任务是帮助调度人员检测母线电 压收到的异常干扰，从知识库中选择适当的知识，依次选择最有效的控制手段， 并按照某些选用的对策和系统限制的条件来及时得出合理的控制措施。对于较 大的干扰所造成的电压扰动，当采取常用的控制调节方式不能将电压扰动消除 时，就必须采用破坏性重新分配无功功率的方法来恢复电网的电压水平。 通常知识库是由所研究的电力系统领域内的全部知识组成。存储无功功率 电压控制领域的知识( 一般的事实和经验规则) ，以备专家系统推理与决策时调 用。一般需要下面的知识： ( 1 ) 每条母线电压的上限和下限值： ( 2 ) 每种控制手段的上限和下限值以及可调间隔； ( 3 ) 每条负荷母线无功功率的上限和下限值； ( 4 ) 非连续控制手段的可能选择； ( 5 ) 各种不同控制手段和对应母线电压的灵敏度系数表，包含各种可能的 运行方式； ( 6 ) 每种控制手段的权数大小，权数由各种控制手段的有功功率损耗灵敏 度大小决定； ( 7 ) 对于各种可能的系统运行方式，确定相应的无功功率控制与电压之间 的灵敏度系数。 一个专家控制系统质量好坏的关键部分是它的知识库。对于电压无功功率 1 5 i t yjj l a 学t 程碗”j ：学位论文( 2 0 0 4 ) 控制专家系统，有以下一些经验知识或经验规则： ( 1 ) 如果负荷节点电压低于( 或高于) 运行的约束条件，那么可以进行一 系列控制措施操作，如并联电容器，有载可调变压器和发电机可以被投切或调 解，以便尽快恢复电压水平； ( 2 ) 如果负荷节点电压低于( 或高于) 运行的约束条件，那么首先应该选 择灵敏度最高度无功功率补偿器( 一般是当地的，就近的无功功率补偿器) ，它 具有最好的调解效果，如果他不足以解决电压问题，那么就可以补充选择下一 个具有较高灵敏度的补偿器； ( 3 ) 如果负荷节点电压偏低( 或偏高) ，可以通过升高( 或降低) 变压器分 接头位置加以校正，然而，升高( 或降低) 变压器分接头位置会引起其他负荷 节点电压的降低( 或升高) ，应予以重视： ( 4 ) 如果负荷节点电压偏低( 或偏高) ，可以采用升高( 或降低) 发电机节 点电压方法来解决： ( 5 ) 如果负荷节点电压偏低( 或偏高) 可以采用投( 或切) 电容器的方法。 最早报道的一个无功控制专家系统，用于检测电压越限问题并提出控制措 施。将电压问题的严重性分为三类，第一类为只有一、两个节点电压存在轻微 越限情形，此时采用经验性规则提出控制措施；第二类为有一个节点电压严重 越限或三个以上节点电压越限，局部控制手段能够解决，此时调用数值算法如 线性规划来求取控制措施，目标函数为调节手段最少；第三类的电压越限情形 与第二类相同，但局部控制手段不能解决问题，此时也调用数值算法求解，但 只要求得可行解就行了。共提出了2 8 条经验性规则，对其中几条熏要的规则作 了理论证明。该系统用o p s 5 实现，基于产生式系统表示知识，利用灵敏度因子 决定无功功率的补偿量。 一个基于知识和常规算法的电压控制的混合专家系统的基本方法是：利用 调度员的启发式知识和无功电源调压的灵敏度因子，从可能的控制手段中选出 少数有希望的措施，大大减少优化变量的数目和约束的数目，之后用分枝定界 整数规划算法求出控制措施( 目标函数为调节手段最少) 。由于优化变量仅限于 少数控制措施，从而整数规划的计算量小，可快速提出有效的控制措施。该方 法有下述一些特征：控制手段一次求出；电容器、电抗器和变压器得分接头作 为离散变量处理，避免了将其作为连续变量处理所引入的取证过程以及由此引 1 6 四川大学工程硕j ：学位论文( 2 0 0 4 ) 起的优化结果不是可行解的问题。并认为调压手段首先应考虑电抗器和电容器 的投切或分接头调整，其次是变压器分接头调整，最后才是调节变压器的无功 出力，原因是电抗器和电容器的作用是局部性的，只影响邻近节点，而变压器 分接头调整影响的范围大，在消除电压越限的过程中有可能引起新的越限，发 电机的无功出力的确定需要考虑其他制约因容器的频繁调解会缩短寿命并增加 维护费用。将电压越限问题分为简单情形和复杂情形，简单情形为电压越限的 节点少于五个，且不同时存在电压偏高和和