（电气工程专业论文）地区电网电压无功自动控制系统技术发展及研究应用.pdf

东南大学工程硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e c o n s t r u c t i o no fu n a t t e n d e ds u b s t a t i o na n dt h eu t i l i t yo fd i s p a t c h i n ga u t o m a t i cs y s t e m ， i t i sp o s s i b l et oa c q u i r eh i s t o r i c a la n dr e a l - t i m ed a t ad i r e c t l yf r o mt h ed i s p a t c h i n g a u t o m a t i cs y s t e ma n dc a r r yo u tc e n t r a f i z e dc o n t r 0 1 t h a ti st os a y , v o l t a g ea u t o m a t i c c o n t r o li nw h o l en e t w o r ki sa c h i e y e db yc l o s e d l o o pc o n t r o lb e t w e e ns c a d a 厄m s a n da d j u s ta n dc o n t r o ld e v i c e s t h i st h e s i sf i r s t l yg i v e st h ea n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h e a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o l ，g e n e r a l l yi n d u c e st h ea p p f i c a t i o no fa r e an e t w o r kv o l t a g e r e a c t i v ep o w e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a tt h em e a n t i m e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ek e y p o i n to fp r a q t i c e v o i t , a g er e a c t i v eo p t i m i z a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sad e v e l o ) e dk i n do f e m s h i g hl e v e la p p l i c a t i o ns o f t w a r e i ti sb a s e do ns c a d a r e a l t i m ed a t aa n ds y s t e m n e t w o r ks t r u c t u r e t h ev o l t a g er e g u l a t i o nc o n t r o ls c h e m ei sg a i n e d b yt h e c a l c u l a t i o no fv o l t a g er e a c t i v ep o w e ro ft h ew h o l en e t w o r k t h ep r e c a u t i o n a r y m e a s u r e sa r ep r e s e n t e d t h i ss y s t e m sc o n t r o lt a r g e tw i l lr e d u c et h ev o l t a g ec o n t r o l b e a ro fo p e r a t o r sd r a m a t i c a l l y t h ec o n t r o “sa d j u s t e dc o r r e c t l ya c c o r d i n gt ot h em o d e o fo p e r a t i o na n dv o l t a g er e a c t i v ec h a n g e t h ei n f 0 1 - i n a t i o ns u c ha sv o l t a g er e a c t i v e a d j u s t m e n ti sr e c o r d e df o rt h ep u r p o s eo fh i s t o r yi n q u i r y a r e an e t w o r kv o l t a g er e a c t i v eo p t i m i z a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mh a sag o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t f r o m 所ev i e wo fi t so p e r a t i o nw o r l d w i d e 功f ss y s t e mh a sb e e n u s e di nc h a n g z h o uc i t ya n dh a sag o o dp e r f o r m a n c e i tr e d u c e st h ew o r ko fo p e r a t o r s a n di n e r e a s e st h en o d ev o l t a g ep a s sp e r c e n ti nt h ew h o l en e t w o r k t h ei n p u tr a t eo f c a p a c i t i e si si m p r o v e db a s e do nt h eb e t t e r m e n to fr e a c t i v ep o w e rb a l a n c e t h ep o w e r r a t eo fm a i nt r a n s f o r m e ri si n c r e a s e da n dt h en e t w o r kl o s si sd e c r e a s e d c o n t r i b u t i n g t og o o de c o n o m i cr e t u m s k e y w o r d ：d i s p a t c ha u t o m a t i o n v o l t a g ea u t o m a t i cc o n t r o l ，v o l t a g er e a c t i v ea u t o m a t i c c o n t r o l ，v o l t a g ep a s sp e r c e n t 东南大学工程硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名期 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公稚( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二主二兰!二玉导师签名：靼日期：产多岁，彤 东南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 自动电压控制( a v c - - - - a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 自动电压控制( a v c 一- - a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 指对电网实时采集数据 进行分析计算，利用计算机通信技术对发电机机端电压( 或无功出力) 、变压器 抽头、无功补偿装置等进行在线闭环控制，调整无功潮流、使得全系统电压合格， 同时全网有功损耗最小。实施a v c 能够确保电力系统运行安全性和经济性，因 此近年来受到学术界和运行人员普遍关注。 a v c 实质上是一个大规模分布式系统优化控制问题，技术上具有以下特点： 1 ) 控制对象为广域分布电网，具体控制设备复杂多样； 2 ) 多控制目标； 3 ) 优化； 4 ) 在线实时闭环； 5 ) 控制过程分解与协调。 电压无功控制发展始于上世纪6 0 年代全网o p f 离线仿真，及随后应用的变 电站局部v q c 在线控制。随着计算机通信技术进步，上世纪9 0 年代，法国实现 了全网三级电压控制系统；2 0 0 1 年后，国内开始有地调侧全网电压无功优化闭 环控制系统投入运行。a v c 集优化和在线控制于一体，是电压无功控制发展最 高阶段。 1 2 全网最优潮流( o p f ) 电压无功优化理论算法等研究 全网电压无功优化是最优潮流( o p f ) 的一个子问题，关于该问题的研究已 有几十年历史，相关文献甚多。相对于有功优化而言，电压无功优化更为复杂， 因为电压无功之间具有强非线性耦合关系，电压无功平衡必须用非线性方程描 述，比较难以用线性方程近似逼近，所以电压无功优化是一个多目标、高度非线 性混合整数规划问题，在理论算法上的研究一直就是一个难点。 众多文献对电压无功优化问题理论算法进行了研究，这些算法大致可以分为 两大类：基于严格数学分析的规划方法( 如内点算法) 和基于人工智能的直接组 合优化方法( 如遗传算法) 。 东南大学工稃硕上学位论文 1 2 1 解析算法 解析算法是最早应用于无功优化的一类算法，包括非线性规划法( n l p ) 和 线性规划法( l p ) 两大类。无功优化原始数学模型是用非线性规划问题描述的， n l p 和l p 的区别在于后者对目标函数和约束函数进行了线性化处理。应用较广 泛的n l p 方法主要有简化梯度法、牛顿法和二次规划法。l p 方法则通过引入模 糊集理论，并且算法本身可以分解协调处理而产生各种衍生算法。近年来兴起的 内点法是解析算法理论上的一个重大进展。内点法最初是求解线性规划问题的， 后被扩展至非线性规划。同伦算法则可以从理论上证明无功优化是否存在最优 解。解析算法虽然理论严密，但由于无功优化问题自身难点如多目标、高度非线 性、混合离散变量等，即使应用予试验系统也往往存在收敛性差、稳定性不好、 难以获得全局最优解等缺点。不过，解析算法物理意义比较明确，例如线性规划 模型中的灵敏度信息具有重要参考价值。随着数学优化领域的最新进展，将有更 多解析算法应用于电力系统无功优化中。 1 2 2 人工智能算法 由于解析算法的一些缺点，人工智能算法被引入无功优化领域，包括专家系 统 i 、人工神经网络 i i 】、遗传类算法【i i i ，i v ，v 】( 遗传算法、进化规划、进化策 略) 、模拟退火算法 v i 、t a b u 搜索算法i v i i 、粒了群算法 v i i i 】、免疫算法【i x 】 以及这些算法的组合方法等，其中最具代表性的当属遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ，g a ) 。g a 建模简单，对目标函数数学特性要求少，能以较大概率 找到全局最优解。在寻优过程中，即使原问题不可行，仍然可以找到次优解，鲁 棒性好。g a 的缺点是对大规模电力系统，计算时间难以满足实时要求。另外 g a 算法操作物理意义不明确，类似于“黑匣子”，除最终结果外，能够获得的 电力系统有效信息不多。 1 2 3 空间分解协调思想 考虑到无功优化问题自身的高维性，以及电力系统无功平衡局域性、控制设 备分散性，分解协调思想【x 】在无功优化中的应用受到关注。分解协调是按照一 定算法或规则将大规模电网分解成几个相对独立区域，降低无功优化问题维数， 使得易于求解。分解协调思想符合电力系统无功分层分区平衡原则，物理意义明 确；将高维复杂问题分解，便于求解且易于实施控制。分解协调思想一种应用形 式是a g e n t x i 】( 智能代理) 技术在无功优化中的应用。 2 东南大学工程硕士学位论文 1 2 4 动态优化 如果仅考虑电力系统某时刻数据断面进行无功优化，可称之为静态无功优 化。否则，若考虑某时间段( 一般以天为单位) 无功优化随电力系统负荷动态变 化跟踪调整，可称之为动态无功优化。电力系统状态是跟随负荷波动动态变化的， 因此应考虑一段时问内( 一般为天) 动态无功优化 x i i 。动态无功优化通过时 间解耦，将一天内的优化问题进行分解，在目标函数中加入控制设备调节代价， 使设备动作次数最小化。 1 3 变电站局部v q c 变电站局部v q c 算法原理是九区图 x i i i 系列算法，包括十一区图、十七区 图等。九区图控制原理明晰简单可靠，适用于就地闭环控制，但只能控制单个厂 站，全网协调性差，不能适应全网优化需要。 1 4 全网分级分层分区控制a r c 1 4 1 省级电网 由于a v c 控制对象分散性和复杂性，目前国内外对省级电网普遍采用分级 分层分区 x i v 】的总体电压无功控制策略，其思想是将大规模电网控制过程进行时 空解耦并协调。分级控制组织结构如图一所示。 三级 控制 二级 控制 一级 控制 图一分级电压控制组织模式 该分级电压控制组织模式由法国首创，在意大利、日本等国得到应用，有效 运行多年。借鉴三级控制思想，国内a v c 研究方兴未艾，在江苏电网和安徽电 东南人学工程硕士学位论文 网均实施了自动电压控制并投入试运行；在分级控制思想基础上，从控制论角度 建立东北电网混杂自动电压控制模型并进行仿真研究；在福建电网也进行了省网 a v c 研究；湖南电网则基于灵敏度分析进行了a v c 试验。 省网a v c 根据分级控制思想，主要控制发电机组，使各区域内中枢母线电 压在规定范围或按最优运行。 图一二级电压控制的区域属于电气分区，一股人工或由分区算法确定。在每 个电气分区中包含作为电源侧的发电机组和作为负荷侧的地区电网。省调直接控 制对象为发电机端电压( 或无功出力) ，而对于地区电网不宜直接下发遥控命令。 因此省地a v c ，即电源侧和负荷侧必须协调配合，其控制界面一般选定为2 2 0 k v 主变高压侧。 表1 国内已投入工程化试运行的a v c 控制方案比较表 省网a v e省地协调 方案一( 安采用三级控制体系，第三级粟用s c a d a完整控制策略，以无功为界面，省 徽电网)数据，算法为经济压差原理，并提出调下发无功遥测指令而不直接下 了与a g c 三次调频类似的a v c 三次调 遥控命令 压 方案二( 江采用三级控制体系，第三级采用状态 未考虑地凋侧协调 苏电网) 估计数据，算法为0 p f 方案三( 福未明确提出三级控制体系，采用状态未考虑地调侧协调 建电网)估计数据，算法为分区电压校正结合 全网0 p f 方案四( 湖未明确提出三级控制体系，采用状态来考虑地调侧协调 南电网)估计数据，算法为灵敏度 从表一可以看出，方案一策略最为完整，实用性好；而方案二理论比较完善， 但欠缺地调侧协调控制。而省网( 电源侧) 与地调( 负荷侧) 联合控制才能实现 全网a v c 。 1 4 2 地区电网 地区电网相对省网而言为供电网，可等效为负荷侧。按分层分区控制原理， 地区电网电压控制应由当地实施，一般基于电压控制策略和灵敏度分析，配合优 化潮流计算，具有优化功能。地调a v c 已得到一定应用，但是作为省调a v c 的“当地控制执行单元”，必须很好地与省凋a v c 进行协调配合。 总结已有的研究成果，有几种比较有代表性。下面从实用化角度出发，列表 进行比较( 如表2 所示) 。从表中可见： 1 ) a v c 应用形式为在线分析、给出调度策略执行和在线分析、闭环控制两 4 东南大学工程硕士学位论文 种。至于离线仿真，具有理论参考意义。 2 ) a v c 控制方式有直接下发遥控命令和下发变电站v q c 定值两种。采用 前者减少中间环节，后者则在安全性方面更高，这实际上是地调a v c 是否需要 再分级的问题。由于计算机通信技术发展、无人值班改造和地调e m s 系统功能 增强，采用前者更为简单，而后者则可对现有变电站v q c 资源加以利用，但要 考虑协调问题。 表2 各种文献研究成果对比表 文献 1文献 “l文献 ”1 文献【1 】文献【“】 控制目标网损最小，电压合格控制预见网损最小，限跟踪最优曲线，网损尽量小，电 性，减少分制设备动作设定v q c 定值 压合格率尽量 接头动作次数但不够减少动作次数高，动作次数尽 次数灵活量合理 数据来源s c a d a 数据经状态变电站采离线输入离线输入s c a d a 数据 估计和潮流计算加工集数据 处理 计算范围全网 变电站 全网 全网计算，单个 全网 变电站模拟执 行 控制策略 遗传算法，计算全网 人工神经改进退火选 内点算法，计算摹于规则的计 计算方法潮流网络，不计择遗传算法，全网潮流算判断，进行简 算潮流计算全网潮单支路潮流计 流算 动态因素未考虑负衍变化超短期负考虑负荷变考虑负荷变化，未考虑负荷变 荷预测化，未作负荷未作负荷预测化 预测 运行及控 在线闭环、校正控制在线闭环，离线计算离线计算，若在在线闭环，校正 制方式超前控制线闭环为超前控制 控制 工程因素 考虑比较周全，在此未论述尚未考虑尚未考虑考虑周全。在此 考虑了设备动作次数考虑了动作次 数 评价 利用g a 可以灵活考控制策略提供离线控 提供离线v q c控制目标可以 虑约束条件，理论计具有预见制策略具有整定值及减少达到，但缺少全 算严密，但数据来源性，减少盲参考价值，但调节次数策略，网优化的理论 于状态估计，与目调节，可动作次数考但仅分析个别证实，动作次数 s c a d a 有误差，可信预测负荷虑不够灵活，案例，不具有普 考虑简单，仅作 度及可用性受到影变化，不须需人工对负遍意义，需人工为约束而不是 响，动作次数考虑简人工对负荷分段，数据对负荷分段和目标考虑。 单仅作为约束而不荷分段和来源与实时分析，数据来源 是目标考虑。分析，具有数据有误差，与实时数据有 借鉴意义， 不能直接实 误差，不能直接 但仅适用施控制 实施控制 变电站 东南大学工程硕士学位论文 1 5 自动电压控制( a v c ) 系统在实用中的问题 自动电压控制( a v c ) 系统是无功优化向闭环控制方向的发展，在实用中应 考虑以下方面理论和工程问题： 1 ) 理论上，无功潮流分布可以达到最优，在数学模型上归结为无功最优潮 流( o p f ) 问题，但实际上在一个复杂的电力系统中，o p f 却几乎不可能在线实 现。现实中的电力系统无功只能实现次优分布，如何实现次优分布目前也是研究 中的课题，还没有统一模式。 2 ) 由于无功电压的非线性很强，理论上的无功最优潮流( o p f ) 算法的收 敛性得不到保证，另一方面即使收敛性能够解决，o p f 的基础电网运行状态一状 态估计( s e ) 结果的正确性也无法保证。 3 ) o p f 对全网进行统一优化计算，没有考虑电力系统在自动控制上必须时 空解耦、有序进行，可操作性不强。 4 ) a v c 分级分层分区控制组织体系符合电压无功优化的区域性和电力系 统分级分区调度体制的要求，也容易工程实现。不过在各级控制中采用何种算法 或策略影响a v c 应用，以下技术关键点值得考虑： 分区算法在三级全局控制中采用o p f 的实用性； 在二级区域控制中，如何由省调协调发电厂( 电源侧) 与地区电网( 负荷侧) a v c 控带0 ： 省地调联合控制策略，以枢纽母线电压还是无功为界面； 引入负荷预测，使控制具有一定预见性，避免不必要动作。 电压无功优化控制在理论和实践上都进行了有意义的尝试，一些系统已经投 入实际运行，但都不是那么完善。由于电力系统用户剥于电压无功优化运行给于 越来越多的关注，因此在总结此项研究现状的基础上，将提出地区电网关于a v c 系统研究及应用的构想。 1 6 本论文的目标和主要内容 本论文是根据地区电网电压、无功的现状，总结此项研究可以得出影响电压 无功优化控制系统实用性的几点因素，针对这些因素，将提出解决思路。 与传统意义上的集中控制方式不同的是，地区电网的电压无功优化自动调节 软件( a v c ) 是安装在调度自动化系统中的，是基于图模库一体化s c a d a e m s 平台，直接获取s c a d a 实时数据和系统网络结构，对全网电压无功进行优化计 6 东南大学工程硕士学位论文 算，得出调压控制方案并对全网电压无功控制设备进行协调控制。为了确保a v c 可靠性，a v c 软件充分利用调度自动化系统提供的信息，全面考虑了可靠性安 全措施，确保自动控制安全、可靠、实用。本论文的目标如图二所示，通过对调 度自动化系统采集的实时数据进行分析计算，利用计算机通信技术对变压器分接 头、无功补偿装置( 电容器投切) 等进行在线闭环控制，调整无功潮流、使得各节 点电压合格，同时全网网损尽量小，提高电网的安全、优质、经济运行水平，减 毳：么黪缫笏缪缆缪铹缪缪黪嬲缵缪缪彩骂影缀缓甥缪缈 毳一髦霆墨翅堡差曼魏毫曼蓁篷一钒缎黝。；。锄么图二论文的研究目标 本论文研究的主要内容有：第一章绪论介绍了电网自动电压控制系统的现状 概述及其应用，第二章主要分析了地区电网自动电压控制系统基本原则及控制策 略，第三章主要研究了地区电网自动电压控制功能原理，第四章研究了地区电网 自动电压控制系统的实现，第五章总结提出了应用的要点。 7 东南大学工程硕上学位论文 第二章地区电网自动电压控制系统基本原则及控制策略 电力系统及电力企业管理运行的基本目标是安全、优质、经济地向用户提供 电能，而电压是电能质量重要指标之一。电压质量对电力系统稳定运行、降低线 路损耗、保证工业和农业生产安全、提高产品质量、降低用电单耗等都有直接影 响，因此变电站随着负荷波动对其电压及无功调节需求往往很频繁。如果人工对 变电站电压无功进行判断操作和干预，既增加值班员负担，又难以保证调节合理 性。随着变电站综合自动化能力提高及变电站无人值班改造，电压无功自动控制 装置及软件已成为变电站改善电压质量和减轻运行人员负担不可缺少的手段。 2 1 电压无功综合控制 随着无人值班变电站的建立和计算机技术在变电站控制系统中的应用，传统 的调节方式显然难以适应。为了提高电压合格率和降低能耗，目前各种电压等级 的变电站中普遍采用了电压、无功综合控制器，就是在变电站中利用有载调压变 压器和并联电容器组，根据运行情况进行本站的电压和无功自动调整，以保证负 荷侧母线电压在规定范围之内及进线功率因数尽可能高。这种电压、无功综合控 制般均以微机为核心，具有体积小、功能强、灵活可靠等一系列优点，同时又 具有通信、打印等功能，便于实现全网的无功优化，因此受到了普遍欢迎。 2 1 1 电压、无功自动控制方式 l 、分散控制方式 这是我国当前进行电压、无功调节控制的主要方式。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。分散控制是在各电厂、变电站独立进 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。 2 、集中控制方式 集中控制方式是指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，这种控制方式是维护系统电压正常，实现 东南大学1 二程硕七学位论文 无功优化控制，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 须具有符合实际的电压和无功实时优化控制软件，而且对各变电站要有可靠性高 的通道：在各变电站，最好要具有智能执行单元。 3 、关联分散控制方式 电力系统是个复杂的互联系统，其潮流是互相关联的，电压、无功控制实行 分层分区控制。电压水平是电力系统稳定运行的一个重要因数，在电力系统运行 调度中，往往需要监视并控制某些中枢点电压和无功功率，使其维持在一个给定 的范围内。而这些中枢点的电压往往由上一级调度( 省调) 来控制调节，由安装 在中枢点控制装置来实现。因此地调调度自动化系统接受上级调度下达的命令， 自动修改和调整整定值或停止执行自己的控制规律，而作为调度下达调控命令的 智能执行单元，同时作为上一级调度向下一级调度( 县调) 下达控制命令。 2 1 2 变电站电压、无功自动控制v q c 过去，变电所的调压工作一直由变电所值班人员通过人工调节变压器的分接 头和手动投切来完成电容补偿，但是这种人工手动调节变压器的分接头和投切电 容补偿由于不能及时跟随无功负荷的变化，不能始终保持功率因数和电压质量在 规定范围内运行，这样既不利于降损，又不能满足工农业生产和人民生活对电能 质量曰益严格的要求。电容补偿因此也达不到应有的经济技术效益，如果能合理 应用电压无功自动控制装置，则问题可迎刃而解；另一方面，随着变电所综合 自动化的发展，自动控制装置已成为其中的一个重要组成部分，现在的变电所采 用无人值班设计，则采取电压无功自动控制装置( v q c ) 将成为理所当然的选择。 当然，电压无功自动控制技术是一项综合性较强的技术，如果应用不当，可能 危及设备和系统安全。 v o c 装置是以微处理器为核心组成的控制系统和软件模块组合的自动装置。 它能根据变电所各种运行方式，自适应跟踪系统，通过对有载调压变压器的分接 头切换及并联电容器组选择投切，来控制电源侧无功功率和负荷侧母线电压，以 保证供电电压和功率因数始终在给定的合格范围内变动，从而提高供电质量和系 统的安全、经济运行水平。 2 1 3 电压无功综合控制的原理 图三给出了一个变电站的典型一次接线图。其中为u 系统电压，u 。、u ，为 变电站变压器高、低压侧电压，u 。为负荷电压。r 。、x 。、分别为线路参数， 9 东南大学工程硕士学位论文 r t 、x ，为变压器参数。p 。、q 。为负荷的有功功率和无功功率，q 。为补偿电容器发出 的无功功率。k t 为变压器变比。 图三变电站的典型一次接线图 由于负荷r t + j x 。的存在，由系统经变电站到用户的线路上均有电流流过，该 电流一方面在线路上产生电压损失，另一方面在线路和变压器中引起功率损耗， 即网损。各段线路和变压器上的电压损耗随着流过电流的变化而变化，也就随着 负荷r 。+ j x 。的变化而不同。 电压无功综合控制所要达到的目的，一是使负荷端u 。电压与额定电压u 。的 偏差最小即： u 。一u 。l = u 。 二是使系统的功率损耗最小。要达到上述调节目的，目前常采用以下两种方 法：调整变压器的变比k t ( 分接头位置) 、改变补偿电容器组发出的无功功率 q 。 2 1 4 电压、无功综合控制系统的基本要求 其基本要求有以下几点： 1 、应能自动剐变电站的运行方式和运行监视并加以识别。从而正确地选择 控制对象并确定相应的控制方法。 2 、对目标电压、电压允许偏差范围、功率因数上下限等应能进行灵活整定。 3 、变压器分接头控制和电容器组投切应能考虑各种条件的限制。 4 、控制命令发出后应能自动进行检验以确定动作是否成功；若不成功，应 l o 东南大学工程硕士学位论文 能做出相应的处理；每次动作应有打印的记录。 5 、对变电站的运行情况，如各断路器状态、主接线运行方式、变压器分接 头位置、母线电压、主变压器无功等参数应能清晰地予以显示，并设置故障录波 器。 6 、应具有自检、自恢复功能，做到硬件可靠、软件合理，维修方便且具有 一定的灵活性和适应性。 2 1 5 变电站电压、无功控制原理 图四是九区原理图。它不同于传统的九区图。图中u l ，u 2 ，q l ，q 2 分别是 电压、无功的上下限。电网中每个发电厂和变电站都跟踪实时最优值( q 优，u 优) ，调整注入电网无功与电压的实时值( q 实，u 实) 及变压器的分接头和电 容器的投切，力争运行在9 区。 _ l ； 3 ； ! ； 甚营l ： s 图四九区原理图 2 1 6 变电站电压、无功控制存在的问题 目前，在国内地区电网实现这种无功控制的实例较少，国内常见电网电压无 功控制属于变电站级电压无功分散控制，这种分散控制方式是以变电站为中心， 通过调节有载调压变压器的分接头位置或其它电压调节器，控制无功补偿设备如 并联电容器组或电抗器的工作状态，维持受控母线电压和注入电网的无功功率在 规定的范围内。自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外对此有大量研究。国内已有不少 变电站级电压无功自动调节装置开发成功，并在3 5 2 2 0k v 变电站得到了广泛 的应用，特别是实行无人值班变电站的建设，综合自动化系统中实现了变电站电 压无功实时控制功能( v q c ) ，使电压无功局部优化控制。这种变电站级电压无 功局部优化综合控制技术已比较成熟，但仍有不足： a ) 只能实现局部的优化，不能实现全系统的最优控制。并且仅能保证受控 东南大学工程硕士学位论文 母线电压合格，不能达到全网功率损耗最小的目的。 b ) v q c 装置的调节控制是基于给定的电压无功上下限值，电压无功上下限值 的确定要依赖维护人员的经验，缺少一套有效的计算方法。如果上下限值给定不 合理，无论调节措施多么完美，都不可能得到合理的控制。 c ) 变电站实行无人值班后，监控中心人员无法对变电站的v q c 装置的调节 控制实行有效的监控，一旦v o c 出现问题，不能及时处理，影响电网安全、经济 运行。 2 1 7 地区电网自动电压控制系统的应用 随着计算机、通信技术的发展，无人值班变电站的建设，调度自动化系统 ( s c a d a ) 的实用化，直接从调度自动化系统中获取相关的历史数据和实时数据， 实行集中控制，即在电网调度自动化系统( s c a d a e m s ) 与现场调控装置间闭环控 制实现a v c 。 本文中所研究应用中的地区电网电压无功优化自动控制( a v c ) 系统基于图 模库一体化s c a d a e m s 平台，直接获取s c a d a 实时数据和系统网络结构，对全网 电压无功进行综合分析计算，得出调压控制优化方案并对全网电压无功控制设备 进行协调控制。由于与一体化平台之间的无缝衔接，a v c 系统实时自动控制充 分利用平台提供的丰富信息，考虑了足够有效的运行安全措施，确保自动控制安 全可靠。 2 2 系统结构 电压无功优化自动控制系统主要由三个模块构成：电压无功优化模块( a v c 姒i n ) 、遥控接口模块( d oc t l s ) 和报警模块( a v c a l m ) 。电压无功优化模块 是a v c 系统的核心，直接获取s c a d a 实时量测数据，实叫动态跟踪捆络运行方式 变化，根据分层分区调压原则，对全网电压无功进行监视和综合分析计算提出相 应的调压措施。遥控接口则是a v c 系统的关键环节，当a v c 系统处于自动控制状 态时，通过遥控接口向s c a d a 发送遥控命令，执行变压器升降和电容器投切。报 警程序负责显示和报告电压无功优化模块提出的调压建议、命令、异常事件和遥 控程序执行遥控调压命令的动态信息。电压无功自动控制系统具有开环和闭环两 种运行方式，其闭环运行是否成功将在很大程度上取决于电网基础自动化四遥状 况以及a v c 系统是否考虑了足够有效的安全措施。 基于一体化s c a d a e 硒平台，a v c 从网络建模中获取电力系统网络模型。a v c 东南丈学工程硕士学位论文 系统结构如图五所示。 图五实时电压无功优化控制系统结构图 2 3 基本原则及控制策略 系统频率是衡量电网有功平衡的唯一指标，是全网统一的。相对而言，电网 无功平衡影响系统电压质量，但是母线电压监测点数量多且分散、电压无功控制 设备数量大，分布在不同层次的电网中，具有分散自治的特点。优化状态的电网 无功平衡应满足分层分区平衡原则，即： ( 1 ) 尽量做到本电压等级电网无功平衡，避免高压网输送无功功率过大，利 于提高输电功率因数； ( 2 ) 无功不宜长距离输送，各电压等级网络无功尽量分区平衡，减少网络损 耗。 电压质量是衡量无功平衡状态的首要指标，电压质量不仅要考虑各变电站母 线单独电压水平，还需要考虑某区域内所有变电站母线群体电压水平。单独某变 电站母线电压水平是该站局部无功平衡的结果，例如某变电站无功缺乏电压偏低 丽无电容器可投，通过调节变压器分接头可使电压水平上升，原因是上调分头使 该变电站从系统多吸收了无功；群体电压水平则是该区域无功平衡的结果，例如 对该区域枢纽变电站分接头或电容器进行调节，则该区域吸收的无功发生变化并 1 3 东南大学工程硕上学位论文 影响该区域内所有变电站母线电压。 根据无功分层分区平衡原则，电压无功优化控制首先必须提高就地电容器投 入率，减少线路无功流动，降低网损；其次必须是区域或全网协调控制，尤其是 区域枢纽变电站和区域内变电站之间的上下级厂站协调控制。 常见可控电压无功设备即有载调压变压器分接头和无功幸卜偿电容器，其控制 上的电气特性表现为： ( 1 ) 变压器分接头每天调节次数有限，每次调节限定为上升或下降一档，动 作对阅间隔不能太短； ( 2 ) 电容器为防止频繁投退及安全考虑，切电容器后再投一定要保证合理的 时间间隔。 在电力系统每日运行中，电压随负荷变化而产生波动，a v c 系统实时监测电 压无功波动并采取下发遥控命令控制电压无功设备，如果被控设备没有上述动作 次数或时间间隔限制，那么电压质量可以逐日随时跟踪理想的电压曲线，但是由 于上述控制特性的局限，优化控制还必须考虑到变压器分接头调节次数分列段合 理分配。 虽然对全网无功电压的闭环控制目标是明确的，但是由于全阀内各变电站的 运行方式多种多样，负荷曲线及运行情况更是随时间变化的，分接开关的档位调 整，电容器组的分组投切等整型控制变量使无功功率及电压的变化是不连续的。 同时，控制受很多实际情况和设备电气控制特性约束，所以使得控制策略的求解 直接用理论优化算法( o p f ) 是十分复杂的，并且理论算法计算全网潮流的数据 源一一状态估训数据在电压无功上总是和s c a d a 数据存在不小的误差，可用性不 够，求出的控制策略缺乏可操作性。因此必须充分考虑电网实际运行情况，在理 论上寻求最优解不现实的情况下，寻求实际电网运行能接受的次优解。 根据上述基本原则，a v c 采用了以下综合专家系统基本思想和数值分析的调 压控制策略。 2 3 1 数据库模型及拓扑分区 a v c 数据库模型定义了厂站、电压监测点( 母线) 、控制设备( 电容器及变 压器) 等记录。基于一体化s c a d a e m s 平台，a v c 从s c a d a 中获取电网实时量测 数据，从网络建模中获取设备参数及其物理联接关系。电压监测点和控制设备之 间联接方式由网络拓扑根据实时开关状态进行识别，因此a v c 可以非常灵活地处 1 4 东南大学工程硕士学位论文 理变电站任意结线方式。 在网络模型的基础上，h v c 运行时根据s c a d a 遥信信息，实时跟踪电网运行 方式的变化，正确划分供电区域，实现动态分区。对于地调，因为运行方式具有 闭环结线、开环运行的特点，分区方法是以2 2 0 k v 变电站为中心，其所供电的 ll o k v 变电站构成一个区域。 2 3 2 区域凋压和厂站调压协调配合 a r c 按所划分供电区域分别进行电压无功自动控制。按照所采用的分区方法， 2 2 0 k v 变电站为该区域枢纽变电站，l l o k v 变电站则为区域内变电站。 a v e 对电网电压无功状态轮循监视，对于每个区域，采用如下控制策略： ( 1 ) 当区域内个别变电站站电压需要调节时，首先调节该变电站电压。 ( 2 ) 如果区域内变电站电压都处于合格范围内，根据区域电压质量统计结 果，当该区域电压普遍偏高( 低) 时，考虑启动区域调节设备( 一般为电容器) 进行区域电压调节： a 区域电压普遍偏高时，如果该区域内1 l o k v 变压器分接头普遍下调且该 区域2 2 0 k v 主变功率因数高于0 9 7 时，切除区域电容器； b 区域电压普遍偏低时，如果该区域内l l o k v 变电站电容器都己经投入运 行，投入该区域电容器。 在投切区域内变电站电容器时，允许无功在同等级电网合理倒流，倒流限值 可以由用户设置。在实际运行中，l l o k y 电网一般呈放射状运行，当无功向上级 电网倒流n 于，切除该电容器。 2 3 3 变压器和电容器分时段协调配合 根据电网无功平衡基本原则及电压无功设备控制上的电气特性，区域内 l l o k v 变电站采用如下调压控制策略： ( 1 ) 电压偏低对，优先投入电容器并尽量使其投入运行，提高电容器投入率； ( 2 ) 电压限值根据逆调压规则确定，高峰时段电压下限偏高，低谷时段电压 上限偏低； ( 3 ) 根据日负荷曲线变化规律，辅以人工经验修正，合理分配负荷时段及各 时段变压器调节次数，确保动作次数在限制范围之内。 ( 4 ) 各时段次数根据历史相似日负荷曲线高峰、低谷时段及峰谷负荷差来确 定。如果某时段希望减少变压器调节次数，可以对该时段变压器调节次数人工作 东南大学工程硕士学位论文 更精细划分，使电容器投切动作，从而代替变压器调档来进行调压。 2 3 4 分区平衡和实时灵敏度分析 在电压合格基础上按无功尽量就地或分层分区平衡的优化原则检查线路无 功传输是否合理，通过实时灵敏度分析计算决定投切无功补偿装置尽量减少线路 上无功流动，降低线损并调节有关电压目标值。 具体控制策略是：利用l l o k v 及以下电网一般呈放射状运行特点，根据优化 原则及实时灵敏度分析计算，从最末端低电压等级厂站开始逐级上溯寻找可以投 切的电容器，使褥区域内线路上无功潮流也尽量满足分层分区平衡。 东南大学工程硕士学位论文 第三章地区电网自动电压控制系统自动控制功能原理 电压无功优化自动控制系统对电压无功调节设备直接进行遥控，与一般调度 自动化软件相比，安全性措施显得非常重要。当a v c 处于闭环方式运行时，该闭 环控制系统输入输出环节安全可靠性将受到误差或“噪声”的诸多干扰。a v c 根 据一体化s c a d a 平台提供的全面信息，考虑了足够有效的安全措施。 3 1 控制状态 控制状态分为“建议”或“自控”，对于系统、厂站、监控设备、调压设备 均可以设置控制状态。控制状态的优先级是系统 厂站 监测设备( 母线) 调 压设备( 主变分头或电容器) 。 a v c 系统应在保证电网安全可靠运行前提下，本着循序渐进的原则将电网中 各厂站逐步接入，控制状态分级设置并可以设置到调压设备使a v c 系统在厂站自 控接入方式上具有很强的灵活性和适应性。自控接入时，根据各厂站自动化实际 情况，可以采取开环或闭环控制方式。对于新接入厂站，首先应置于开环方式运 行，由值班员人工干预来优化或确认控制方案，待该厂站运行稳定、正确、可靠 后再接入闭环运行。对于闭环运行的厂站，其所属调压设备仍可以根据实际状态 决定控制状态。 3 2 数据处理 遥测数据及遥信状态是a v c 自动控制系统的数据来源，数据质量如何将影响 自控系统工作的稳定性和准确性。因此列于s c a d a 采集的遥信遥测信息必须按照 a v c 的要求进行预处理方能使用。 3 2 1 数据质量检验 ( 1 ) 当s c a d a 量测量带有不良质量标志时，该量测量被视为无效量测； ( 2 ) 当s c a d a 量测量超出指定范围时，该嚣测量被视为坏数据，无效； ( 3 ) 当s c a d a 量测量长时间没有变化，该量测量被视为死数据，无效。 a v c 对于无效量测点对应的电压监测点不进行分析计算，不发建议和控制命 令。 东南大学工程硕上学位论文 3 2 2 数字滤波 实际运行电压及无功会有瞬时扰动，为了避免或减少误动，采取数字滤波方 法过滤扰动等干扰。滤波方式多种，常用滤波方式是多次采样，采样次数、采样 周期均可自由设置，例如若电压多次采样取值都越限才下发控制命令。 3 2 3 遥测稳定误差 由于现场变送器误差及r t u 传送精度等原因，s c a i ) a 采集的电压遥测值和现 场电压监测仪记录的电压具有一种很稳定的误差，因此在a v c 系统中使用的电压 值必须经过校正处理才能使用。 3 2 4 误遥信检测 受传输通道或环境因素的干扰，s c a d a 采集的遥信状态可能和现场开关刀闸 状态不一致，即为s c a d a 误遥信现象。误遥信影响调压设备动作次数统计及自控 状态，基于安全考虑，当发生遥信变位事件时，a v c 系统自动暂停分析计算并将 相关设备闭锁。事后a v c 自动对误遥信事件进行检测，并提示用户确认并决定是 否解除相关设备闭锁。 刀闸状态尤其是非实测刀闸状态需要人工维护，有时人工维护不够及时准 确，会给网络分析带来影响，例如两段母线独立运行，母联断开，由于操作旁路 代，两段母线通过旁路母联和旁路刀闸连通，变压器如果需要调节，就将进行并 联调节。此时a v c 提示值班员维护旁路刀闸状态并暂停该站自动调压。 3 3a v c 周期 a v c 系统周期性循环监视电网状态并进行分析计算，提出调压建议或下发控 制命令，校核命令处理状态。a v c 周期包括采样周期、执行周期和设备控制命令 周期。 a v c 采样周期：采样周期可以自由设置，一般设置为1 0 秒。在每一个采样 周期内，a v c 更新实时数据并检测电网异常事件，校核命令处理状态。 a v c 执行周期：执行周期也