（电力系统及其自动化专业论文）新型电压无功综合控制装置的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ec o m p l e x i t yo f v o l t a g ec o n t r o li np o w e rs y s t e mi sd i s c u s s e dt h r o u g ht h e a n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e np o w e rs y s t e mb a l a n c e ds t a t e so fv o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e r am a t h e m a t i c a lm o d a li se s t a b l i s h e db ym e a n so ft h et h e o r yo fr 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 li nas u b s t a t i o n i tp r o p o s e dan e wc o n t r o l s t r a t e g yb e c a u s eo ft h e r e s e a r c ho f d i s a d v a n t a g e sr e s u l t i n g f r o mt h et r a d i t i o n a ln i n e z o n e d i a g r a m m e t h o d s t h ec o n t r o l s t r a t e g yi sb a s e do n n i n e - z o n ed i a g r a ma n dc o m b i n e dw i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw h i c h m a k ead e c i s i o na b o u tt h ea c t i o no ft r a n s f o r m e ro n l o a d t a pc h a n g e r s a n dt h ec u ta n di n p u to f c a p a c i t o r i tc a nr e d u c eb l i n d n e s so fa c t i o na t b o r d e ra r e a so fn i n e z o n ed i a g r a mt h u st h e t i m e so fa c t i o nc a nb ed e c r e a s e d t os o l v et h eu t i l i z a t i o no ft h en e u r a ln e t w o r kw e l l ，t h e p r o b l e m se x i s t i n gi nt h eb p n e u r a ln e t w o r ku s e di nc o n t r o ls t r a t e g ya r ei n v e s t i g a t e df r o ma f e wd i f f e r e n tp o i n t so fv i e ws u c ha si n i t i a lw e i g h t s ，n u m b e r so fn e u r o n si nt h eh i d d e nl a y e r a n dt r a n s f e rf u n c t i o n at r a i n i n gm e t h o d u s i n gg r a d i e n t d e s c e n tw i t hm o m e n t u ma n d a d a p t i v e l r b a c k p r o p a g a t i o n i s p r o p o s e db a s e do nt r a d i t i o n a l b pa l g o r i t h m s i m u l a t i o n r e s u l t sf o ra p r a c t i c a le x a m p l e s h o wt h a tt h eb pn e u r a ln e t w o r ki sm o r ea c c u r a t e am e t h o db a s e do no p t i m a lc u w c so fb u sv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rf o rc o m p u t i n g c o n t r o lr a n g es e t t i n go f v o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e ri nas u b s t a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h en i n e - z o n ed i a g r a mu s i n gt h em e t h o da n dc o m b i n i n gw i t ht h en e u r a ln e t w o r kc a nb e t a k e ne f f e c ti nr e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o li nas u b s t a t i o n a h i g hc a p a b i l i t yv o l t a g e - r e a c t i v ep o w e ri n t e g r a t i v e c o n t r o l e q u i p m e n t b a s e do i l i n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，i ts o l v et h e d i f f i c u l t i e sr e s u l t i n gf r o mt h el i m i t a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fo l dd e v i c e sa n dt h e d i s a d v a n t a g e s o ft r a d i t i o n a ln i n e z o n ed i a g r a mc o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s ：v o l t a g e r e a c t i v ep o w e rn i n e - z o n e d i a g r a m a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kb a c k p r o p a g a t i o na l g o r i t h m 玎 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一f 进行的研究 ： 作及取得的研究成果。尽我所知，除文r p 已经标明引用的内容外， 木论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文巾咀f 蝈确方式标i ! f ：j 。术 人完令意k , q n 术声f 虮1 勺法律结果i i i 木人承批。 学位论文作者签名： 日期：年月l 学位论文版权使用授权二体 木学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印f ，1 ：4 n 电子 版，允许论文被查阅和借阅。木人授权f 扣i i l 利技大学可以将本学位论 义的全部或郝分内容编入有关数据庸进行检索，川以采川影e | l 、编印 或= f = = i 捕等复制手段保存和汇编木学位论文。 保密口，在i 解密后适t l j 本授权i 。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“妒) 学位论文作者签名： 日期：年月同 指导教师签名： 日期：年月口 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电压是衡量电能质量的主要指标之一。电力系统是一个非线性系统，电压稳定是 整个电力系统稳定在一个方面的表现，电压的稳定和质量对终端用户是非常重要的， 对负载端的安全和经济运行有着至关重要的意义。 电力系统中的电压水平和无功功率的状况密切相关。无功功率从电源端经线路和 变压器向负荷端输送，要产生电压损耗。高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通 过的无功功率，输送的距离越远，中问环节越多，引起的电压降也就越大，负荷端的 电压也就越低。合理配置无功电源，使无功功率就近平衡，不仅可以提高电压水平， 而且可以减少电网中有功功率的损耗。然而，我国由于电网发展规划的滞后，电网结 构往往不够合理，造成一些地区在电网发展过程中无功设备配备不足，使得局部地区 在负荷增大后无功功率明显不足，造成局部电网较长时间处于低电压水平运行；另外， 随着现代电网的发展，大容量机组直接接入超高压电网中，使超高压电网内无功过剩。 城市供电网的迅速发展由于电缆数量增加使得充电功率增长。当电力系统不正常运行 时，大容量发电机组或超高压输电线路退出运行，又会使部分超高压线路负荷过重而 使无功出力严重不足。这些问题的存在将对用户的电压质量，系统的输电能力，电能 损耗及安全，经济等方面产生不良影响。 充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用，实现电压无功综合控制对于提高 电压合格率和降低网损有很大的作用，能带来经济效益和社会效益，但问题是如何实 现电压和无功的综合控制。目前有全网电压无功优化和以变电站为单位的局部区域优 化两种方式。全网电压无功优化是从整个电网考虑，根据电网的潮流分布情况确定电 网的运行方式，合理进行无功电源的调度和配置，减少无功功率在电网中的流动。从 理论上讲，通过电网调度中心实施全网电压、无功综合控制是最合理的方法，但限于 我国目前电力系统的自动化水平，实现全系统的电压、无功控制困难较大，目前主要 是以变电站为单位自动调节电压和无功功率就地平衡。 变电站电压无功控制( v q c ) 主要是采用有载调压变压器和补偿并联电容器组，通过 调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组来实现调节电压合格和无功平衡的目 的。但是在电压、无功功率双参数需要凋节的情况下，靠人工调节往往难以做到准确 判断和及时调节。人工调节不仅增加了运行人员的劳动强度，而且不能充分利用无功 电源设备的补偿作用和保证电压合格率。因此，如何实现变电站电压、无功的自动控 制是一个值得研究的问题。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究动态 随着电力市场商业化运营的逐步推行，对电能质量的要求不断提高，以及节能降 损的迫切要求，电压无功综合控制问题日益得到人们的广泛重视。近年来，国内外专 家、学者提出许多基于新理论、新方法的电压无功优化方法，概括起来讲，主要有两 个方面，即全网电压无功优化和变电站电压无功控制。全网电压无功优化的方法大致 分为非线性规划法，线性规划法，混合整数规划法，分解法，人工智能方法【2 】等。它 们要求电力系统具有遥测，遥信，遥控，遥调，遥视等很高的自动化水平，并且对计 算机水平、数据库技术、状态估计、通信、实时监控等软硬件也有较高的要求，但是 我国电力系统目前的自动化水平还比较低，且上述的一些软硬件技术比较落后，因此 全网电压无功优化实现起来困难较大，目前较多存在于理论研究阶段，所以在我国电 力系统中运用较多的是变电站的电压无功控制。变电站的电压无功控制是一种分散控 制方式，它虽然不易实现全网的最优控制，但可实现局部的优化，而电压、无功具有 地区性特征，因此就地控制对提高受控站供电范围内的电压质量和减少局部网络的电 能损耗是很有价值的。由于分散控制成本低，见效快，符合目前国情，因此推广分散 控制的应用是比较现实，也很有意义的。 对变电站电压无功控制的研究主要也有两个方面，即离线优化和实时监控。离线 优化【3 1 4 l 是运用人工智能或计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷预测 基础上进行离线优化计算，得到第二天的调节方案，由调度下发给各个变电站。文献 【3 , 4 ，5 1 提出了变电站电压无功综合控制专家系统，以运行状态辨识及专家经验为知识 库，将统计法用于推理策略。文献【6 1 将变电站电压相对于给定值的偏移以及主变高压 侧无功作为目标函数，以有载调压变压器分接头和电容器动作投切次数作为约束条件， 建立了一个动态规划模型。文献【7 ，8 ，9 ，l o l 通过模糊动态规划的方法，将基于操作者过 去经验的电压无功控制规则和操作者的直观推断加以考虑，以决定一个合适的控制进 程，并用模糊变量来描述一些非确切的语言表达。文献【1 l 】设计了一个人工神经网络 来得到电容和有载调压变压器的预先控制调度表，然后这个预先控制调度表被模糊动 态规划加工改进而成为最终的调度表。文献1 1 2 1 建立电压无功控制的求解模型，针对 其计算空间过大的特点，在负荷预测的基础上引入遗传算法在全局范围内求最优解， 使主变高压侧无功和二次侧电压偏移最小。文献1 1 3 ，1 4 1 运用多层前馈人工神经网络找 到电容和有载调压变压器的合适的控制策略。这些离线优化的方法都是通过离线计算 得到第二天的调节方案，调节方案一般以小时为间隔很粗糙，而且调节方案是以变 电站电压和负荷预测为基础的，当预测数据不准确时调节方案就失去了意义。实时监 控1 1 5 - 2 1 i 是通过对变电站主变高压侧无功功率和目标侧( 中压侧或低压侧) 母线的电压不 断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载调压变压 2 华中科技大学硕士学位论文 分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自允许范围之内。 就实时监控装置1 1 5 l 的实现方式来看大致可以分为三类：第一类为基于自动化系统 ；台软件实现的v q d l 6 1 7 , 1 8 1 ，这种v q c 依附于变电站监控主站，是监控系统的一个功 2 子模块。其数据采集和控制输出均由间隔层的相关监控装置来完成，它本身没有专 目的i o 硬件系统。第二类称为自动化系统网络v q c l l 9 i ，它的核心采用单独的c p u 装置， j 其i o 设备仍由网络借助于自动化系统实现，其本身不带硬件i o 系统，无需单独组 ；。装置通过通讯以插件的形式嵌入自动化控制或保护中，不需要单独铺设电缆，减 ，工作量。由于其核心采用单独的c p u 装置，因而调节和闭锁速度快。第三类为独立 c j v q c 装置1 2 0 , 2 q ，这利, v q c 不依赖于其他的设备，数据采集和控制输出都是自身功能 q 一部分，v q c 集i o 系统和计算判断于身。特别是有关闭锁信号由相关装置的硬接 i 输入，大大增强了v q c 闭锁的快速性和可靠性。 从装置进行调节动作的判掘来看，大致有以下几种 2 z l ： f 1 ) 按功率因数大小控制：它以电网中反映电压与无功相位差的功率因数作为控制 ；号来控制并联电容器的投切状态。然而功率因数并不能准确反映电网中负荷的无功 量的大小。如电网重载时，负荷的无功分量很大，但由于无功分量在负荷中所占的 e 例较小，所测的功率因数角可能较小，甚至低于系统补偿的整定值，使控制装置对 l 网不能补偿无法做到跟踪调节，表现出控制系统的迟钝性。当电网轻载时，功率 日数角可能较大，但负荷的无功分量并不大，此时对电网进行补偿，很客易造成过补 ，当补偿装置切除电容后，系统又恢复到初态。如此反复，造成控制系统的投切振 # 。不仅影响控制系统的可靠性和使用寿命，也将影响电网和用户设备的安全运行。 b 克服这些缺陷，有的装置根据不同负载区进行功率因数的多值自动整定及自动选取 女进行自动投切，临界因数法也是克服临界振荡的常用方法，其限定了轻载对的临界 i 荡区，较有效地克服了电容投切时的振荡。 ( 2 ) 按母线电压控制：当母线电压低于限值时自动投入补偿电容组，电压高于限值 t 切除补偿电容器组。由于电压和无功关系的密切性，这种没有考虑无功功率平衡的 f 法是不太合理的。 r 3 1 按母线电压和功率因数复合控制投切：母线电压和功率因数复合控制构成的判 b ，有2 种判别方式：一种是以母线电压为主，功率因数为辅，即只要电压合格，即不 虑功率因数，当母线电压不合格时，根据母线电压和功率因数的性质决定电容器的 j 动投切：另一种是以母线电压和功率因数作为2 个并行判据，即使电压在合格范围内， ，口果功率因数满足投切条件，也会进行投切。第一种判别方法，尽管考虑了无功补偿 效果，但在某些运行状态下，缺无功补不上去，超无功切不下来，致使无功补偿效果 较差；第二种判据，功率因数并不能真i f 反映无功，甚至出现两个并行的判据互相矛 3 华中科技大学硕士学位论文 盾，使补偿电容器组出现频繁投切的现象。 ( 4 ) 按母线电压和昼夜时间复合控制投切：根据变电站的n 负荷允许曲线，将日负 荷划分为多个负荷时段。根据各个负荷时段对母线电压和补偿电容器的要求，编制合 适的运行程序，实现对并联电容器的自动投切。这种调节方式实时性较差，仅适合日 负荷较规律的变电站，且必须随季节和负荷量的改变，对各时段的母线电压和无功功 率补偿进行调整。 f 5 1 固定的电压和无功边界特性分割区的综合控制策略：这种控制策略就是传统的 九区圈法。根据母线电压和无功功率运行情况分为9 个区域，在不同的区域采取不同的 控制对策，综合利用调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组两种手段将母线 电压和无功功率控制在各自允许范围之内。该方法综合考虑电压和无功功率，是目前 采用最多的控制方法，但在某些情况下也存在动作过于频繁的问题，在有些情况下甚 至会引起振荡，因此如何尽量减少动作次数是该方法要解决的主要问题。 针对传统九区图控制策略引起设备动作频繁的问题，国内外专家、学者提出了很 多针对九区图的改进措施，其中很重要的就是引入了人工智能。 ( 1 ) 基于专家系统的电压无功调节：实际应用中，运行调试人员预先根据经验和具 体要求，根据可能出现的各种情况制定一套基于规则的专家系统。运行时，专家系统 针对具体的变电站配置情况，电压等级，系统运行时段，模拟专家决策的过程，根据 规则综合，智能地调节电压无功，从而达到预期的控制目标。文献 2 3 将微机自动调 压装置产生的1 8 0 多条知识，用产生式规则来表达，j f 向分层推理，建立了电压无功控 制专家系统。 ( 2 ) 基于模糊控制理论的电压无功调：符：模糊控制适用于不确定的、有不同量纲、 相互冲突的多目标优化问题。文献 2 2 考虑电力系统中无功调节会对电压产生影响， 因此采用无功模糊边界的调节方式，将电压状态引入无功调节判据，把原先固定的无 功上下限边界变为受电压影响的模糊边界。按照这种控制策略，九区图中无功控制的 新边界变为了两条斜线。文献 2 4 提出了种综合控制电容器组投切和有载调压变压 器分接头动作的模糊控制算法。此算法所需要信息量少，计算量小，容易在线实现。 f 3 1 基于人工神经网络的电压无功调节：人工神经网络有集体运算和自适应学习的 能力，有预测性、指导性和灵活性的特点，能大大减少有载调压变压器分接头调节次 数。合适的网络结构能够逼近任何一种非线性系统。文献 2 5 提出了一种基于人工神 经网络的将无功预测和优化决策相结合的电压无功综合智能控制方法，通过对电压、 无功功率进行预测来减少动作次数。该方法先根据历史数据应用预测人工神经元网络 对无功负荷进行预测，然后将预测结果连同当前的母线电压、无功功率、功率因数等 经模糊化后作为决策人工神经网络的输入，该决策人二i ：神经网络的输出即为调节动作 4 华中科技大学硕士学位论文 的策略。该方法实际上已经脱离了九区图的范畴，计算复杂，对硬件要求较高，而且 其动作是否合理尚依赖于对人工神经网络进行训练：f ：作的成功与否。 综上所述，变电站电压无功综合控制方式、方法虽然很多，但都有一定的局限性。 一些方法虽然理论上很新颖，但计算太复杂，对历史数据和硬件系统的要求较高，难 以做到实用化。从对用户和市场的调查结果表明，目前使用的变电站电压无功综合控 制装簧不同程度地存在着一些问题，如：准确性差，不是总能对电压无功的运行情况 作出准确判颐和发出最合理的控制动作：在某些临界情况下动作过于频繁；参数设置 不够方便，对用户开放的参数不够充分和全面；部分闭锁条件隐藏在程序里面，而没 有在人机界面中反映出来；v q c 记录不够全面；由于采样信息不够充分，装置本身无 法适应变电站复杂的运行方式：缺乏强大灵活的通讯功能【2 6 瞎。因此，有必要进行深 入的研究，在吸收同类产品成功经验的基础上解决存在的问题，使变电站电压无功综 合控制装罱更加适用。 1 3 论文的主要工作 本文研制了一种新型的变电站电压无功综合控毒4 装置，以期望克服目前国内投入 实用的各种类型的变电站电压无功控制装置的缺陷。这种新装置基于p c i 控机硬件平 台和w i n d o w s 操作系统，利用y l c 工控机和w i n d o w s 操作系统丰富的软硬件资源，提 供了开放的参数整定，友好的人机界面，详实的信息记录，灵活多样的通信功能，并 且各种功能形成封装的模块类，便于相互接口和升级。本文首次提出了基于九区图和 人工神经网络相结合的控制策略。该控制策略以九区图为基础，并在容易引起频繁动 作的边界上结合人工神经网络的预测功能，在保证电压合格率优先，无功基本平衡的 原则下，尽量减少调节投切设备的动作次数。论文作者所做的工作如下： ( 1 1 对无功功率平衡和电压水平的关系进行了分析，指出了电压调节和无功优化的 密切性。对变压器有载调压和补偿并联电容器组的调压和补偿原理进行了研究，对两 种手段的作用进行了比较。给出了双参数调节控制系统的数学模型，并介绍了目前广 泛采用的九区图控制法及其缺陷。 f 2 1 深入研究了前向人工神经网络，简要证明了任何一种非线性映射都可以用一个 三层前向网络来实现。讨论了初始权值的影响与设置，隐含层层数的设定和神经元个 数的选择，激活函数的选择等，并且在基本的b p 学习算法的基础上给出了带冲量的自 适应学习速率算法。根据传统九区图法存在频繁动作的缺点，首次提出了基于九区图 和人工神经网络相结合的全新控制策略。该控制策略以九区图为基础，并且在容易引 起频繁动作的边界上采用多层前向人工神经网络预测变压器分接头调节和电容器投切 后的电压无功，以决定采用何种控制方式。 f 3 ) 根据一天2 4 d q j 有功和无功负荷的预测曲线，给出了变电站电压无功装置控制 华中科技大学硕士学位论文 范围的整定方法。既考虑了对受控变压器目标侧母线电压和高压侧无功功率的最优曲 线跟踪，又顾及了减少变压器分接头动作次数的要求。 ( 4 ) 在上述讨论的基础上，实现了基：t - - p c i 控机硬件平台j f l j w i n d o w s 操作系统的变 电站电压无功综合控制装最，分别从软件和硬件的设计 ：加以介绍。装置采用了基于 九区图和人工神经网络相结合的全新控制策略。 华中科技大学硕士学位论文 2 电力系统的无功功率平衡和电压调整 2 1 无功功率平衡和电压水平的关系 在电力系统运行中，电源的无功出力在任何时刻都同负荷的无功功率和网络的无 功损耗之和相等，即： 蜴。- q 。+ q( 2 一1 ) 无功功率在任何时刻都要平衡，问题在于无功功率是在什么样的电压水平上实现 的，下面用一个简单的例子加以说明。 隐极发电机经过一段线路向负荷供电，略去各元件的电阻，用x 表示发电机电抗 与线路电抗之和，等值电路如图2 - 1 。假定发电机和负荷的有功功率为定值。根据相量 图2 2 ： p + i q 图2 - 1 等值电路图 x 。i 应一引。e s i n _ _ _ _ 6 6 s 留 r s i n 妒一e c f o s 6 - v e s i n 6 娜妒。1 r 则q 一警咄a 一睾 ，：型 x c o s q v 尸= 玎唧t 警咖6 a ：v s i n 妒。罢掣s 1 + n 妒 五c o s ， 图2 - 2 向量图 ( 2 2 ) 7 q 却 回 乃 黟 陋 陆 p 陆 p p 华中科技大学硕士学位论文 当p 为一定值时，得： q ：店f 一芝x ( 2 9 ) 当电势e 为一定值时，q 同v 的关系如图2 3 ，曲线1 所示是一条向下开口的抛 物线。负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性如图中曲线2 所示。这两条曲 线的交点a 确定了负荷节点的电压值k ，或者说，系统在电压圪下达到了无功功率的 平衡。 当负荷增加时，其无功电压特性如曲线2 所示。如果系统的无功电源没有相应增 加( 发电机励磁电流不变，电势也就不变) 。电源的无功功率特性仍然是曲线1 。这时曲 线1 和2 的交点n 代表了新的无功平衡点，并由此决定了负荷点的电压为k ，显然 屹t 圪。说明负荷增加后，系统的无功电源已不能满足在电压屹下无功平衡的需要， 而只好降低电压运行，以取得在较低电压下的无功平衡。如果发电机具有充足的无功 备用，通过调节励磁电流，增大发电机的电势e ，则发电机的无功特性曲线将上移到 盐线1 的位置，从而使曲线1 和2 的交点c 所确定的负荷节点电压达到或接近原来的 数值k 。由此可见，系统的无功电源比较充足能满足较高电压水平下的无功功率的 需要。系统就有较高的运行电压水平；反之无功不足就反映为运行电压水平偏低。 图2 - 3 按无功功率平衡确定电压 由于无功和电压的紧密关系，单独调节网络节点的电压或无功是不一定有效的。 当系统的无功功率比较充裕时，变电站的调压问题可以通过变压器调压来解决；但在 系统无功不足时，不宣采用调攘变压器调压来解决。因为当某一地区的电压由于变压 器分接头的改变而升高后，该地区所需的无功也增大了。这就可能扩大无功缺陷，使 8 华中科技大学硕士学位论文 电压调节效果不明显，同时也使整个系统的电压水平受到影响。同样，不管电压直接 调节无功也是不行的。调节无功时会使电压发生变化，有可能使电压不满足要求。由 此可见，电压无功控制的特点就是必须电压和无功综合考虑，综合调节。 一般变电站都采用有载调压器调压，投切电容器组来调节无功。如何使这两种相 互影响的调节方式配合好，并且通过计算机控制使调节动作及时，准确，就是变电站 电压无功控制装置设计中应解决的关键问题。 2 2 电压调整的基本概念 2 2 1 允许电压偏移 系统运行中各节点电压不可能在任何时刻都保持为额定值，而且实际上大多数用 电设备在稍许偏离额定值的电压下运行仍有良好的性能，所以允许各节点电压在一定 范围内变化是可以也是必要的。 我们用电力系统的静态电压特性来说明允许节点电压在一定范围内变化的合理 性。图2 - 4 是等值发电机的电压特性和负载静态特性。我们用此来分析系统枢纽点电 压变化的后果。图中q 是表示等值发电机输出无功特性q 6 一) ，q ，是表示负载 吸收无功特性q ，= f ，) 。 q 0 图2 4 无功平衡稳定点 单纯从无功平衡概念出发，a 、b 两点都是稳定运行点，但实际负载是变化的，当 产生任何小扰动时，系统若有回到该点的能力，则该点是稳定的。如在a 点运行，当 扰动使v ) - k 引起qc o ( 无功不足) ，又使v 降低，回到y 一屹，即回到a 点。同样， 当扰动使y c 屹引起q ) 0 ( 无功过剩) 又使v 上升，回到yz k ，即回到a 点a 这说明 9 华中科技大学硕士学位论文 a 点是稳定点。若运行在b 点情况则相反，当扰动使v ，k ，a q ) 0 ( 无功过剩) ，使电 压v 升高，离开原来b 点逐步摆到a 点而稳定下来。当扰动使vc k ，a g c 0 ( 无功 不足1 导致电压进一步下降，形成正反馈，导致“电压崩溃”使系统瓦解。正常时，系 统运行于交点a 处。 j n 由图2 - 4 可得出电压的稳定判据是芝警c 0 。当电压在k 附近很小范围内波动时， d v j n 总有竺望c0 ，也就是系统总有回到a 点的趋势。这说明，允许电压在一定范围内变 d v 化是合理的。目前，我国规定的在正常运行情况下供电电压的允许偏差如下【2 7 1 ：3 5 k v 及以上供电电压正、负偏移的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ，如供电电压上下限 偏移同号时，按较大的偏移绝对值作为衡量依据；1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏 移为额定电压的7 ：2 2 0 v 单相供电电压允许偏移为额定电压的+ 7 和一1 0 。 2 2 2 中枢点电压管理 电力系统调压的目的是保证系统中各负荷点的电压在允许的偏移范围内。但是由 于负荷点数目众多又分散，可能也没有必要对每一个负荷点的电压进行监视和调整。 系统中的负荷点总是通过一些主要的供电点供应电力的，例如：( 1 ) 区域性水，火电厂 的高压母线；( 2 ) 枢纽变电站的二次母线：( 3 ) 有大量地方负荷的发电机电压母线。这些 供电点称为中枢点。中枢点调压方式一般分为三类：逆调压，顺调压和常调压。各个负 荷点都允许电压有一定的偏移。计及由中枢点到负荷点的馈电线上的电压损耗，便可确 定每个负荷点对中枢点电压的要求。如果能找到中枢点电压的一个允许变化范围，使 得由该中枢点供电的所有负荷点的调压要求都能同时满足，那么只要控制中枢点的电 压在这个变化范围内就可以了。对于向多个负荷点供电的中枢点，其电压允许变化范 围可按两种极端情况：在地区负荷最大时，电压最低的负荷点的允许电压下限加上到 中枢点的电压损耗等于中枢点的最低电压：在地区负荷最小时，电压最高负荷点的允 许电压上限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最高电压。当中枢点的电压能够满 足这两个负荷点的要求时，其他各点的电压基本上都能够满足。 如果由同一中枢点供电的各用户负荷的变化规律差别很大，调压要求也很不相 同，就可能在某些时间段，各用户的电压质量要求反映到中枢点的电压允许变化范围 没有公共部分。这种情况下，仅靠控制中枢点的电压并不能够保证所有负荷点的电压 偏移都在允许范围内。因此为了满足各负荷点的调压要求，还必须在某些负荷点增设 必要的调压设备。 上述讨论反映了电压具有局部性，地域性特征，因此在各级变电站装设电压无功 华中科技大学硕士学位论文 控制装置就显得很有必要了。 2 2 3 电压调整的复杂性 正常运行的电力系统各部分基本上有相同的频率，而且以控制有功功率来调节频 率具有全局性作用。相比之下，即使在正常情况下系统各节点的电压也由于受潮流分 布的影响而各不相同，电压和无功关系十分密切，而且以控制无功功率来调整电压只 有局部性作用。因而对于复杂的大型电力系统，电压和无功功率的控制问题是一个十 分复杂和困难的问题。 对于变电站来说，电压控制的困难来自于电压和无功的相互影响。在高压输电线 路中，电抗要比电阻大得多，作为极端的情况，令呔= o ，则可得： a 。譬 ( 2 - 1 0 ) k 、7 此式说明，在纯电抗元件中，电压的落差是因传送无功功率而产生的，感性无功 功率从电压较高的一端流向电压较低的一端。从另一个观点来看，如果网络中一个节 点缺乏无功而不能自己补偿时，就必须由联结它的线路来补偿，因此这点的电压就必 须降低。反过来，如果这点产生的无功过剩，那么它的电压就将升高。网络带点电压 和无功流的关系决定了电压控制的复杂性。只有在充分考虑到无功功率平衡问题的前 提下，对电压的调节才是有效可靠的。 电力系统中，无功消耗( 即无功负荷+ 无功损耗) 任何时刻都等于系统中所有无功源 产生的无功。从改善电压质量和降低网损考虑，应该尽量避免通过电网元件大量地传 送无功功率。因此，仅从系统的角度进行无功功率平衡是不够的，更重要的是还应该 分地区分电压级的进行无功功率的平衡。有时候，某一地区无功功率电源有富余，另 一地区则存在缺额，调余补缺往往是不适宜的，这时就应该分别进行处理。因此，在 一些变电站配置了可投切的并联电容器来达到各地区各电压级的无功功率平衡。当变 电站无功负荷增加时，投入并联电容器，当变电站无功负荷减少时，切除并联电容器。 如果控制得当，可把系统向这个变电站输送的无功流控制在一定范围内，从而降低变 电站无功负荷变化时对此节点的影响。 当变电站电压过低时，单纯依靠如变压器升压这种调压手段是不一定有效的。若 此时无功缺陷( 即系统流向变电站的无功) 过大，或者说电压过低是由缺乏无功引起的 话，利用变压器升高电压会使得系统流向变电站的无功减少，增大无功缺额，反过来 又使电压下降。可见这种方法并不能从根本上解决问题。此时正确的做法是：先投入 并联电容器补偿无功，这样做会使电压有一定的回升，若回升后的电压还不能满足要 求，可再利用变压器升压。同样的，电压过高时的调压也存在同样的问题。若电压过 华中科技大学硕士学位论文 高是由于无功过剩引起的，那么直接降压将会使系统流向变电站的无功增加，使无功 过剩更严重，又使电压升高。在这种情况下应该做的是先切除电容，若电压还不能满 足要求再降压。 另外，电压控制的困难还来自于电压变化的随时性和不确定性。不管用什么方法 预测的负荷变化和实际的负荷变化都是有差别的，因此根据负荷预测曲线制定的调压 策略的实用效果是很差的。由于电压控制要求及时性，所以用人工监测电压的效果也 不佳。 综上所述，变电站电压无功控制装置的研制可以解决分地区分电压级的无功功率 平衡问题，达到调节电压的目的，并且它通过实时采样监测电压无功数据，脱离了对 负荷预测准确性的依赖，具有反映迅速，准确的特点。 2 3 变电站电压无功控制原理 变电站无功就地补偿是指以变电站为中心，通过调节无功设备，维持该点的电压 和无功功率在允许的范围内，以图2 5 所示简单电力系统为例说明如下： j q l 图2 5 变电站等值电路图 吼为系统电压；珥，d ，：为变电站主变高低压侧电压，疗。为负荷电压，最，姥分 剐为负荷有功和无功功率，碍为变压器变比，q 。为补偿无功功率，x 。，尺。，x 。分 别为线路阻抗参数，碍，x ，为变压器阻抗参数。 在未投入补偿电容器之前 【，= u ，：一( 吃+ 皿。) t ( 2 1 1 ) 代入j ，。曼二堕得： ， 吼一珥：璁憾) ( 铲) ( 2 _ 1 2 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 略去与吼垂直的分量a u xm 半则： 吣鼍警帆- 吼 ( 2 1 3 ) 可见，为了保持负荷端电压与额定值【，。偏差为最小，必须随着负荷置+ j q 的变 化调节：以减小线路上的电压损耗，有以下两种方法： ( 1 ) 调节有载调压器的变比： 由于u t 2 譬为可控变量，当负荷增大，降低q 以提高：，从而以提高：来 补偿线路上的电压损耗，反之亦然。 ( 2 ) 改变电容器组的数目 采用同上的分析方法略去垂直分量且未投入q c 时的变电站低压侧电压u ：有： u 矿一型址掣当幽( 2 - 1 4 ) u f 当投入电容量q c 后，有 一一盥丛避宁巡删 ( 2 - 1 5 ) 比较以上两式可见q c 的改变会影响系统中各点电压值和无功的重新分配，当负荷 增大，通过降低从系统到进站线路上的电压降以亦可增大u ，：以抵消a u 。的增大。 投入q 。后网损为： 丛= 掣假+ j 掣( x s + x r ) ( 2 - 1 6 ) 可见网损随珐一( q 2 一q 。) 2 ，即主变低压侧无功功率的平方而变化，在输送功率一 定的情况下，政越小，网损越小。理论上，当么一0 时功率损耗最小，因此，对于简 单的辐射形网络，提高功率因数是降低网损的有效措施。 华中科技大学硕士学位论文 从以上分析得出以下结论： ( 1 ) 调节变压器分接头可提高或降低变电站低压侧母线电压，但基本上不影响无功 分配和网损。需要指出的是，调节变压器分接头只是在上一级电网供电电压正常和地 区无功功率基本平衡的前提下，才能实现随负荷变化进行相应的调节，以保持供电电 压水平的良好质量。若以上两个条件不能同时得到满足，这种电压调节方式可能会对 全系统的安全运行带来不利的影响，在严重的情况下甚至导致电压崩溃。这就是变电 站采用档位调节提出了安全上下限的要求。 ( 2 ) 投切补偿电容器一方面可以提高母线电压，另一方面还可以改变无功分配，改 善功率因数和降低网损。 2 4 变电站电压无功控制的数学模型 图2 - 6 ( a ) 为变电站主接线图。变电站由电网一次变电站供电。一次变电站母线电压 为“。输电线l 的阻抗为r l + j 邑，其等值电路如图2 - 6 ( b ) 所示。 u nu o p p + i qq 。 、i 兀 。q 。p ，q j 图2 - 6 双参数调节的控制系统 将参数归算到低压侧，根据图2 6 ( b ) 可以写出电压损耗方程： ：+ 鱼竺盟。 ”r u 2 、。 监。堕+ 竺：竺垒：罢：竺竺：垒 p 聊 n r，l r 堡 。7 华中科技大学硕士学位论文 式中：脚是主变压器的变比；见是主变压器的铁心损耗 吼是主变压器的励磁损 e t兰；一u：一：掣一!：!i!；!群tz一-。， 只= 学鲁 吼a 掣噜 p z - ， 华中科技大学硕士学位论文 2 5 传统的九区图控制策略【1 7 , 2 0 , 2 2 】 母线电压和无功功率综合控制就是利用电压、无功2 个判据量对变电站主变压器 高压侧无功和目标侧【对于三卷变有中压侧和低压侧之分) 电压进行综合调节，以保证 电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡。按电压、无功的限制整定方式进行综合 控制时，电压、无功的上下限如图2 7 所示。传统的九区图的综合逻辑判据是基于给 出的固定电压和固定无功的上下限特性，把电压和无功平面分割为9 个控制区。 q 下限 一1 q 上限 8 c l2 a 7o3 b d 654 过压极限 ue 限 u 下限 欠压极限 一z 图2 7 九区图 其控制目标是使电压和无功控制在0 区，酋要目标是将被测母线的电压控制在规 定的u 上限和u 下限之问，保证电压合格。同时要尽量使无功功率控制在q 上限和q 下限之间，如果电压无功不能同时达到要求，则优先保证电压合格。控制装置根据电 压、无功、时间、负载率、调压分接头和电容器所处状态( 位置) 等诸因素进行判别， 在各种运行状态下以最优的控制顺序和最少的动作次数使工作点进入第0 区，使电压 合格而无功尽量接近q 一0 。在各区的动作如下： 一1 区：目标侧母线过压，闭锁装置不动作。 2 区：目标侧母线欠压，闭锁装置不动作。 0 区：电压无功均合格，不动作。 1 区：调变压器分接头降压。 2 区：调变压器分接头降压，若主变分接头处于下限且运行区域仍然在2 区域，则 发强切电容器指令。 3 区：发投电容器指令，若电容器投完仍在该区，则维持。 4 区：先投电容器，当电容器全部投入( 含电容器故障、检修停运时) 后，若运行 区域仍然在4 区域，则强行调变压器分接头升压。 5 区：调变压器分接头升压。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 6 n ：调变压器分接头升压，若主变分接头处于上限且运行区域仍然在6 区域，则 发强投电容器指令。 7 n ：发切电容器指令，若电容器切完仍在该区，则维持。 8 区：先切电容器，当电容器全部切除( 含电容器故障、检修停运时) 后，若运行 区域仍然在8 区域，则强行调变压器分接头降压。 目前，利用微机构成的变电站电压无功综合控制装置，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，强切或禁投，禁切等，根据上述控制规则实现的变电站电压无功控制装置， 能够根据电压和无功的性质，对电压、无功实行综合的定量调节，因此该方案是一个 较理想的变电站电压无功自动调节方案，但是，这种传统的九区图方案中的无功调节 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 7 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。因此传统的九区图控 制策略具有一定的缺陷。本文在传统九区图控制策略的基础上，运用人工神经网络提 出了一种新的控制策略，将在下一章详细介绍。 2 6 本章小结 本章首先讨论无功功率平衡和电压水平的关系，并在此基础上介绍了电压调整的 基本概念，包括国家标准规定的各个电压等级下电压偏移以及中枢点电压管理，由于 无功和电压的密切关系导致了电压调整的复杂性。然后讨论了变电站电压无功控制的 原理，给出了控制的数学模型。最后着重介绍了工程中使用较多的传统九区图控制策 略，并分析了该控制策略的缺陷。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 基于九区图和人工神经网络相结合的电压无功控制方法 3 1 引言 由于国内的计算机水平、数据库技术、状态估计、通信、实时监控等软硬件技术 仍有待发展，至今尚无成熟的适用于我国电力系统的全网智能动态规划系统。目前主 要是以变电站为单位自动调节电压和无功功率就地平衡，在工程中使用较多的为九区 图控制法。本章针对传统九区图法存在频繁动作的缺陷，提出了全新的控制策略该 控制策略以九区图为基础，并且在容易引起频繁动作的边界上采用多层前向人工神经 网络预测变压器分接头调节和电容器投切后的电压无功，以决定采用何种控制方式。 3 2 人工神经网络的基本理论 3 2 1 概述i ” 用机器代替人脑的部分劳动是当今科学技术发展的重要标志。计算机就是采用电 子元件的组合来完成人脑的某些记忆、计算和判断功能的系统。现代计算机中每个电 子元件的计算速度为纳秒级，而人脑中每个神经细胞的反应时间只有毫秒级，然而在 进行诸如记忆回溯、语言理解、直觉推理、图像识别等决策过程中，人脑往往只需要 一秒钟左右的时间就可以完成复杂的处理。换句话说，脑神经细胞