（电气工程专业论文）电网自动电压控制avc系统设计及实现.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电网的安全、经济、优质运行是电力系统调度与运营所追求的目标，其中无功 电压方面的控制至关重要。为保证系统的电压运行水平，电网自动电压控制( a v c ) 系统是实现全局无功电压优化分布的关键一环。 本文通过国内外同类技术的分析比较，面向河北电网，应用“分解协调 的总 体设计思想，把理论算法和工程经验相结合，开发了完整的自动电压控制系统。该 系统实现了5 0 0 k v 厂站的研发接入，使得网调、省调、地调三级电压控制层面能协 调控制，从而有效的提升了运行人员对大型电网的驾驭能力。 关键词：自动电压控制，优化分布，无功，电网 a b s t r a c t t h es e c u r i t y ，e c o n o m ya u l dt 1 1 eh i g i lq u a l i 够o fp o w e r 鲥di st l l ep u r p o s e 、v i l i c hm ep o w 盯 s y s t e mp u r s u c s ，w t l e r et l l er e a c t i v ev o l t a g e sc 0 咖的l i sv e 拶i i n p o r t a n t t oe n s u r em es y s t e m s o p e m t i o 玛m ep o w e rg r i d sa u t o m a t i cv o l t 乏l g ec o n t r o l ( a v c ) s y s t e mp l a y sav e 巧妇p o r t 觚t r o l ei na c k e v i n gm eo v e r a l lo p t i i i l a ld i s t r i b u t i o no fr e a c t i v ev o l t a g e 一 a r e rt l l ea n a l y s i sa n dc o m p 撕s o no fa 、，cs y s t e mt e c h n o l o g yi nm e 、o r l d ，t l l eg e n e r a l d e s i g ni d e ao f d e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o n ”i su s e di nh e b e ip o w e rg r i db 2 l s e d o nm e t h e o r e t i c a la l g o r i t h ma n dm ep r o j e c te x p e r i e n c e ，锄das e to fc o m p l e t ea u t o m a t i cv o l t a g e c o n 仃0 ls y s t e mi sf i n a l l yd e v e l o p e d t l l es y s t e mc a ni n c l u d e5 0 0 k vf a c t o 巧a n ds t a t i o i l ，a i l d c o o r d i n a t et i l e g r i d p r o v i n c e r e g i o n a lt l l r e e - l e v e lv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r et h e c o n 协o lt ot h el a 唱e s c a l ep o w e rg r i di se f r e c t i v e l yp r o m o t e d m ay b n g f a n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o l ut i e b i n g k e yw o r d s ：a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o i ，o p t i m a ld i s t r i b u t i o n ，i e a c t i v ep o w e bp o w e r g r i d 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电网的安全、经济、优质运行是电力系统调度与运营所追求的目标，其中无功 电压方面的控制至关重要。为保证系统的电压运行水平，电网自动电压控制( a v c ) 系统是实现全局无功电压优化分布的关键一环。 本文通过国内外同类技术的分析比较，面向河北电网，应用“分解协调 的总 体设计思想，把理论算法和工程经验相结合，开发了完整的自动电压控制系统。该 系统实现了5 0 0 k v 厂站的研发接入，使得网调、省调、地调三级电压控制层面能协 调控制，从而有效的提升了运行人员对大型电网的驾驭能力。 关键词：自动电压控制，优化分布，无功，电网 a b s t r a c t t h es e c u r i t y ，e c o n o m ya u l dt 1 1 eh i g i lq u a l i 够o fp o w e r 鲥di st l l ep u r p o s e 、v i l i c hm ep o w 盯 s y s t e mp u r s u c s ，w t l e r et l l er e a c t i v ev o l t a g e sc 0 咖的l i sv e 拶i i n p o r t a n t t oe n s u r em es y s t e m s o p e m t i o 玛m ep o w e rg r i d sa u t o m a t i cv o l t 乏l g ec o n t r o l ( a v c ) s y s t e mp l a y sav e 巧妇p o r t 觚t r o l ei na c k e v i n gm eo v e r a l lo p t i i i l a ld i s t r i b u t i o no fr e a c t i v ev o l t a g e 一 a r e rt l l ea n a l y s i sa n dc o m p 撕s o no fa 、，cs y s t e mt e c h n o l o g yi nm e 、o r l d ，t l l eg e n e r a l d e s i g ni d e ao f d e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o n ”i su s e di nh e b e ip o w e rg r i db 2 l s e d o nm e t h e o r e t i c a la l g o r i t h ma n dm ep r o j e c te x p e r i e n c e ，锄das e to fc o m p l e t ea u t o m a t i cv o l t a g e c o n 仃0 ls y s t e mi sf i n a l l yd e v e l o p e d t l l es y s t e mc a ni n c l u d e5 0 0 k vf a c t o 巧a n ds t a t i o i l ，a i l d c o o r d i n a t et i l e g r i d p r o v i n c e r e g i o n a lt l l r e e - l e v e lv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r et h e c o n 协o lt ot h el a 唱e s c a l ep o w e rg r i di se f r e c t i v e l yp r o m o t e d m ay b n g f a n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o l ut i e b i n g k e yw o r d s ：a u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o i ，o p t i m a ld i s t r i b u t i o n ，i e a c t i v ep o w e bp o w e r g r i d 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电网自动电压控制( a v c ) 系统设计及 实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 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。 学位论文作者签名：期：凹： ：! ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：互俎 日 期：巡巫：篷：! 导师签名：2 丝垂 日期：型：互岁 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景与研究意义 第一章绪论 电网的安全、经济、优质运行是电力系统调度与控制所追求的目标，其中无功 电压方面的控制至关重要。目前国内电网电压控制一般由分散的当地控制器组成， 这种控制方法无法从全局的角度进行协调和优化。具体体现在以下几个方面的局限 性： 1 电压合格率不高，无法满足用户日益对电能质量的高要求； 2 与频率控制不同，电网中需要监视的电压点多，调度员日常调压工作量大； 3 无功电压的非线性关系较强，电压控制设备的特点不同，人工调压难度大； 4 无功功率的不合理流动一方面影响电网的安全运行，另一方面引起较大的 网损，不利于电网的经济运行。 为保证系统的电压运行水平，目前河北省调更多地通过提前制定并下发电压曲 线的方式来指导无功电压控制，很大程度上严格了对无功电压控制的协调管理，收 到较好的效果。但是，这样的控制管理流程仍然存在如下问题： 1 离线计划的制定难以完全满足电网实时运行过程中面对的各种工况； 2 离线计划的制定难以兼顾全网运行的经济性和安全性； 3 计划、调度和运行人员的工作量繁重： 4 计划、调度人员的经验需要时间积累，不能及时适应电网结构变化。 随着河北电网的快速发展，现有电压控制机制将难以满足电网安全、优质和经 济运行的要求，为了更好的适应河北电网发展和电力市场建设的需要，在继续增加 本地无功资源，提高电压控制能力的同时，建设河北电网自动电压控制系统，完善 对电网无功电压分步的综合决策、调度和管理，优化调度现有的无功电压调控资源， 提高系统满足电能质量、电网安全和经济运行等要求的能力，减轻计划、调度和运 行人员的工作量，提高河北电网的调度自动化水平。 自动电压控制系统架构在能量管理系统( e m s ) 之上，能够利用电网实时运行的数 据，从整个系统的角度科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给各个子站装置， 以电压安全和优质为约束，以系统运行经济性为目标，连续闭环的进行电压的实时优化 控制。解决了无功电压协调控制方案的在线生成，实时下发，闭环自动控制等一整套分 析、决策、控制；再分析，再决策、再控制的无功电压实时追踪控制问题。能够有效地 克服当前河北电网无功电压管理机制中存在的不足，解决河北电网当前和未来面临的电 压控制问题。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 国内外研究情况 1 2 1 国外同类技术对比 1 2 1 1 德国r w e 电力公司为代表的两级电压控制系统 在德国r w e 电力公司的电压控制系统中，没有所谓分区控制，最优潮流( o p f ) 的优化计算结果直接发到各电厂进行控制。在调度控制中心中，o p f 基于状态估计， 实时运行在e m s 的最高层次上，直接实现考虑运行约束以网损最小为目标的全局 无功优化控制，如图1 1 所示。 图卜l 以网损最小为目标的全局无功优化控制示意图 ： 这种模式简单，但完全依赖o p f ，因此存在以下几个方面的不足： 1 o p f 运行在e m s 的最高层次上，对e m s 各软硬件环节的运行质量和可靠性有 很高的要求，每个环节的局部异常都可能导致o p f 发散或者优化结果不可用。 2 o p f 作为静态优化计算功能，主要考虑电压上下限约束和网损最小化。如果 完全依赖o p f ，则a v c 难以对电压稳定性进行协调。 3 o p f 模型计算量大，计算时间较长。 1 2 1 2 法国印f 电力公司为代表的三级电压控制系统 法国e d f 的三级电压控制模式【l 】的研究和实施始于上世纪7 0 年代，经历了三 十余年的研究、开发和应用，是目前国际上公认为最先进的电压控制系统。其基本 思想如图1 2 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 图卜2e d f 的设计思想图示 如图1 2 所示，电网被划分成若干解耦的控制区域，整个控制系统分为三个层 次：一级电压控制( p v c ，p r i m a r ) rv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，二级电压控制( s v c ，s e c o n d a r y v ，0 l t a g ec o n t r 0 1 ) 和三级电压控制( t v c ，t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 。 一级电压控制为本地控制，只用到本地的信息。控制器由本区域内控制发电机 的自动励磁调节器( a 、，r ) 、有载调压分接头( o l t c ) 及可投切的电容器组成，控 制时间常数一般为几秒钟。在这级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接 近设定值来补偿电压快速的和随机的变化。 二级电压控制的时间常数为分钟级，控制的主要目的是保证中枢母线( p i l o t n o d e ) 电压等于设定值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，二级电压控制器则按 照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定参考值，二级电压控制是一种区域控 制( r e g i o nc o n t r 0 1 ) ，只用到本区域内的信息。 三级电压控制是其中的最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑稳 定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用。在三 级电压控制中要充分考虑到协调的因素，利用了整个系统( s y s t e m w i d e ) 的信息来 进行优化计算，一般来说它的时间常数在几十分钟到小时级。 在上述三级组织中，与r w e 的二级组织不同，由于合理地确定了各级控制的 响应时间，通过时间解耦，一方面保证了各级控制作用之间不会相互干扰，另一方 面系统地实现了多目标控制，即：电压安全和质量是第一位的，需要快速响应( 由 一、二级控制来完成) ；而经济性控制是第二位的，响应速度可以慢得多( 由三级 控制来实现) 。另外，三级组织利用无功电压的局域性，在二级区域解耦控制中只 利用了区域内少量关键信息，有效降低了控制系统对状态估计等基础网络分析软件 的依赖性，提高了优化控制的可靠性和实现的可行性。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 但是，这种三级控制模式仍存在缺点，这是因为区域二级电压控制( s v c ) 是基于 电力系统无功电压的局域性而开发的，而区域间无功电压是有耦合的，因此控制系统的 质量在根本上取决于各区域间无功电压控制的耦合程度。但是，随着电力系统的发展和 运行工况的实时变化，设计时认为相对解耦的区域并非一成不变，而且以固定的控制参 数形式存在的控制灵敏度更是随运行工况而实时变化，因此这种以硬件形式固定下来的 区域控制器难以适应电力系统的不断发展和实时运行工况的大幅度变化，因此难以持久 地保证有良好的控制效果。 1 2 2 国内同类技术对比 1 2 2 1 福建省网a v c 系统 福建电网a v c 的实施在国内是最早的，该系统采用了类似德国r w e 电力公司的两 级控制模式，优化决策结果直接下控到各厂站，没有中间的二级电压控制( s v c ) 层次， 其不足与德国r w e 电力公司的类似。福建电网o p f 采用的是遗传算法，当电网正常时， 采用o p f 直接控制，而当电网有电压越限时，则不考虑经济性，切换为基于灵敏度的 快速分区校正控制策略。 1 2 2 2 河南省网a v c 系统 河南省网基于加拿大c a e 公司的e m s 系统来实施a v c ，其中的o p f 软件采 购的是当今世界著名的美国p c a 公司的软件。河南a v c 的特点是对集中受控的发 电厂多( 1 5 个电厂受控) ，取得的经济效益明显，但其核心软件不是自主开发的。 河南的控制模式采用了类似德国r w e 电力公司的两级控制模式，优化结果直接下 控到各厂站，没有中间的二级电压控制( s v c ) 层次，其不足与德国r w e 电力公 司的类似。 该项目未包括对5 0 0 k v 变电站的自动电压控制。 1 2 2 3 安微省网a v c 系统 安徽电网基于美国v a l m e t 公司的s c a d a 功能和美国o s i 公司的e m s 应用 软件，来实施a v c 工程【5 】。采用了基于分区无功局部平衡的经验性规则，即认为“无 功功率尽量做到分区分层平衡，减少因大量传送无功功率而产生的压降和线损，在 留足事故紧急备用的前提下，尽可能使系统中的各点电压运行于允许的高水平 ， 这“不但有利于系统运行的稳定性，也可以获得接近优化的经济效益 。以此来进 行电压的集中控制，并利用灵敏度来校正电压越限。 安徽电网a v c 控制系统的结构如图1 3 所示。 可见，该控制系统在控制模式上可归类于两级控制模式，其不足与德国r w e 电力公司的类似。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 该项目未包括对5 0 0 k v 变电站的自动电压控制。 图1 3 安徽电网a v c 控制系统的结构图 1 2 2 4 江苏省网a v c 系统 江苏省网的特点是电站多、负荷重、电网密集，苏锡常等负荷中心的无功支撑 不足，存在潜在的电压稳定问题。 ： 江苏省调与清华大学合作开发了江苏电网a v c 系统【7 1 。该系统借鉴了法国等欧 洲发达国家提出的三级电压优化控制模式的基础上，针对江苏电网结构和运行方 式发展变化频繁的实际，发明了适合江苏电网的基于o p f 和在线软分区的三级电压 优化控制新模式【8 】。整个a v c 系统按照三级电压控制的模式，通过时空解耦，上级 控制为下级控制提供最优设定值，实现了电压优质、经济和安全控制目标的协调统 一o a v c 系统还实现了由手工驱动计算的静态电压稳定在线评估和监视功能，但未 实现电压稳定预警功能。 该项目未包括对5 0 0 k v 变电站的自动电压控制。 1 2 2 5 江西省网在线预警系统 江西省网在线安全稳定分析和预警系统是由江西省调与清华大学共同开发的， 是e m s 系统的进一步发展。该项目提出基于“实时在线 、“连续跟踪”，“自动运 行 ，“递归计算 和“综合评估 的思想，在控制中心实现了电网在线安全稳定的 “预测分析”，“预前报警和“预防控制 等功能，功能框图如图1 4 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 e m s 系 统 实 时 信 息 重 建 静态安全预警 1 图犍 iiil墨i；i一。j副 r ! - 1r !ii 曾l i 嚣餐嚣卜| 与上面的功能一样 - - 【uu i jm - - - 该项目的主要目的是实现在线预警功能，未实现自动电压闭环控制功能。 1 2 3 对比总结 从国内外同类技术分析来看，目前已有的研究成果主要有以下特点： 1 目前在省网a v c 层面，尚未有与网调a v c 系统实现协调电压控制的应用。 2 目前在省级电网层面，预警系统和自动电压控制系统都是独立建设的，尚 没有将二者结合在一起的一体化系统的先例。 3 由于调度体制的关系，大多数省网a v c 系统都只实现了对电厂发电机的控 制，未包括对5 0 0 k v 变电站的闭环控制。 4 现有系统中没有利用d t s 平台进行a v c 系统开环仿真的应用。 5 目前网省级a 、，c 系统和e m s 系统一般都是不同厂家开发，没有真正意义上的 一体化系统。 1 3 本文的主要内容 通过大量查找资料，在对国内外a v c 技术的研究分析基础上，本文通过“分 解协调 的设计思想，完成了以下几项研究内容： 1 在“软 分区的模式下，构建了整个三级电压控制体系，分析了具体的技 术路线和相应的理论与算法。 2 对厂站不同级别的电压控制层面，提出了不同的控制策略和解决措施，实 现了厂站的协调控制。 3 对电网实时安全预警系统进行了分析，并对控制与预警一体化做了一定的 研究。 4 对网调、省调和地调这三个有代表性的调度级别的协调配合做了深入的研 6 霭 j - h黼r 蕊一 墨一 华北电力大学工程硕士学位论文 究，明确提出他们各自所要承担的责任。 5 对a v c 系统的运行情况作了实际的分析，并且得出结论。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章技术路线和基础算法 2 1 技术路线 2 1 1 基于“软分区 的三级电压控制模式 法国e d f 提出的三级电压控制模式在欧洲得到了广泛的应用，取得了比较理想 的控制效果。但这种模式下控制区域的划分是以参数形式固化在硬件控制器中的， 难以适应电力系统的不断发展和实时运行工况的大幅度变化，尤其对于国内电网建 设速度快，网架结构经常处于变化之中，这种“硬分区一控制模式的应用更是受到 限制。因此，清华大学电机系调度自动化实验室提出了基于“软分区 的三级电压 控制模式，并已经在国内省级电网中得到良好应用，本论文同样采用该思想，由运 行在控制中心的主站系统和运行在电厂侧的子站系统组成，二者通过高速电力数据 网通信，系统的总体结构如图2 1 所示。 图2 1 系统的总体结构图 在线软分区模块根据当前电网的结构特点，将电网在线划分成彼此耦合松散的 控制区域，在每个控制区域都有相应的中枢母线和控制发电机，由于可以在线追随 电网拓扑结构的变化，因此称为“软分区 ；三级电压控制处于整个控制的中心环 节，它周期进行优化计算，给出每个区域中枢母线电压的设定值哆，供二级电压 华北电力大学工程硕士学位论文 控制使用；二级电压控制模块针对每个控制区域，利用s c a d a 的实时遥测采集当 前中枢母线电压圪，以二者的差值作为输入，通过求解一个二次规划模型，给出控 制策略，使得中枢母线电压控制到设定值附近。二级电压控制给出的控制策略是调 整控制发电机所挂接的高压侧母线电压设定值k m ，并通过电力通信数据网下传给 子站系统，子站系统再根据k 耐求解发电机无功的调整量，利用a v r 实现一级的闭 环控制。选择以村作为协调变量主要是为了使主站和子站之间界面分割清晰，保证 即使和主站之间的通道出现问题子站仍能够根据预置曲线独立完成本地控制，从而 提高控制的可靠性。 2 1 2 三级无功电压优化控制技术路线 三级无功电压优化控制目前主要有两类方法：一种是以最优潮流为代表的解析 类方法；一种是已遗传算法为代表的启发式方法；启发式算法能处理离散变量，但 计算速度慢，结果的唯一性不可保证；解析类方法计算速度很快，结果唯一，适合 在线环境下的应用。基于上述考虑，应采用基于交叉逼近的解析类最优潮流算法来 求解三级电压控制策略的无功电压优化问题，以满足计算速度，收敛性，等实时应 用的要求，给二级电压控制提供可靠的协调策略。三级电压控制策略的计算提供周 期计算和定点计算两种方式，可根据负荷变化曲线对计算时段进行划分，并在方式 变更的情况下启动计算，以使三级电压控制策略及时的跟踪系统运行方式的变化。 2 1 3 二级电压控制技术路线 二级电压控制技术主要有两类方法：一种是传统的二级电压控制方法；一种是 协调的二级电压控制方法。传统的二级电压控制基于区域间无功解耦的假设条件， 即认为一个区域内的无功调节不会对另一个区域的电压造成影响，随着电力系统的 不断发展，电网之间的耦合日益紧密，分布式优化控制所要求的区域间解耦的条件 在实际的电力系统中难以达到。因此，如何在控制规律的设计中充分考虑到其他区 域对本区域的影响，成了二级电压控制进一步发展所必须面对的问题。在这种情况 下，利用二次规划目标函数来考虑更大范围内的无功电压协调控制( c s v c ) 的方 案更为实用，基于上述考虑，应采用基于协调的二级电压控制策略，建立相应的二 次规划模型，综合考虑中枢母线电压偏差和发电机无功出力裕度，在电压质量和安 全上进行协调控制。 2 1 4 灵敏度计算技术路线 无功电压灵敏度计算目前有两种方法：一种是在b ”矩阵中增广p v 节点的传统 灵敏度矩阵，一种是考虑无功控制设备响应的准稳态灵敏度矩阵。常规的灵敏度分 析仅仅依赖于电力网络方程的线性化，不考虑电力设备( 如：发电机、负荷等) 对 9 华北电力大学工程硕士学位论文 各种控制操作和扰动的准稳态的物理响应，这在一般的静态的电力网络分析中是可 行的，但要服务于控制决策就无法实用了。基于上述考虑，在协调二级电压控制中， 应采用准稳态控制灵敏度分析方法，重点考虑发电机准稳态的无功电压外特性，在 优化计算中考虑安装有a v c 机组的准稳态响应，保障控制决策的精度和可靠性。 2 1 5 电容器电抗器投切技术路线 目前，电容器电抗器投切策略有两种，一种是基于九区图的本地控制策略，一 种是计算全网的综合投切策略。前一种方案比较简单，但不能全网协调；后一种策 略能做到全网综合优化，但离散变量的优化问题求解复杂。在电容器电抗器投切全 网综合优化策略中又有两种子方案，一种是电容器电抗器和控制发电机无功出力统 一优化，一种是仅作电容器电抗器优化；前一种方案计算模型复杂，计算量巨大， 不适用于在线环境下的应用。 电容器电抗器的投切主要起到无功补偿的作用，其目标是维持无功电压的分层 分区基本平衡，对整个电网起一个基础的无功支撑，在整个电网无功支撑水平低下 的情形下作无功电压优化控制是没有意义的。为此，应根据每日的无功负荷需求曲 线作预先的电容器优化调度安排，为电网提供一个较好的基础无功支撑计划，在此 基础上通过发电机的自动电压控制系统来实现平滑调压。 在实际控制环节中，建议电容电抗器投切采用专家规则的方式，根据本地的电 压和无功情况确定投切方案，并考虑动作次数和间隔时间等约束条件。同时，考虑 电容电抗器投切与发电机之间的协调，通过及时的电容电抗器动作，将发电机无功 保持在上调、下调均有较大裕度的中间位置，从而保证应对紧急情况的动态无功储 备，提高大电网的动态安全性。 2 1 6 静态电压稳定在线评估技术路线 目前常用的电压稳定评估指标可以分为两类：一类是所谓的状态指标，如：最 小模特征根、最小奇异值和灵敏度指标等。另一类是所谓的裕度指标，即度量系统 从当前运行点到一个可能的稳定临界点之间的距离，如：基于p v 曲线的负荷裕度 指标和指定传输断面上考虑静态电压稳定约束的可用传输容量( a t c ) ，两种指标各 有其特点。为了对电网电压稳定进行全面的在线评估和预警，应提供包括最小奇异 值、p v 曲线、a t c 计算等多种算法和指标，避免在最优控制过程中发生电压稳定 问题。 2 2 主要理论及算法 2 2 1 二级电压控制的理论和算法 二级电压控制在整个分级控制模型中承上启下，是重要的一环。它的主要任务 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 是以某种协调的方式重新设置区域内各自动电压调节器( 一级电压控制) 的参考值 或设定值，以达到系统范围内的良好运行性能。它首先将整个系统分解成若干控制 区域( c o n t r o lz o n e ) ，在每个控制区域中选出其最关键的对区域内其他节点有重要 影响的电压母线为“中枢母线 ( p i l o tn o d e ) ，并根据中枢母线的电压偏差，按照某 种预定的控制方式协调，有效的调整区域内各控制发电机( c o n t r o lg e n e r a t o r s ) 的 a v r 的参考电压设定值或其他无功源的设定值，从而使中枢母线的电压基本保持不 变，进而维持整个区域的电压水平，并使无功分布在一个良好的状态。 本论文采用了协调二级电压控制( c s v c ，c 0 0 r d i n a t e ds e c o n d a r ) ，、b l t a g e c o i m 0 1 ) 策略在电网安全、经济和优质之间进行有效的协调。 2 2 2 1c s v c 的基本思想 e d f 最早提出的二级电压控制模型如图2 2 所示。 图2 2 二级电压控制模型 在这种控制方案里，整个二级电压控制系统由两个控制环节组成：控制系统首 先实时采集区域内中枢母线的电压圪，并与设定电压昭进行比较，二者的差值圪 输入一个比例一积分调节器，从而得到一个代表本区域内总无功需求等级的控制信 号q ，该环节称为“电压控制闭环”；而q 又输入给“无功控制闭环 ，s v c 根 据该信号来决定区域内每台控制发电机的自动励磁调节器( a v r ，a u t o m a t i c v o i t a g er e g u l a t o r ) 的设定电压调整量圪，采用的分配原则是每台发电机对于区域 内无功总需求的贡献与该发电机的容量成正比。 在传统的二级电压控制系统中，不同的二级电压控制分区之间不进行协调，这 依赖于控制分区的良好选择，对此有如下的假设： 1 在负荷发生波动的情况下，如果中枢母线电压能维持在设定值附近，则本 区域的其他母线电压的波动也很小。 2 某个区域的控制动作不会引起其他区域内的较大电压波动。 3 无论在正常还是紧急条件下，每个控制分区都有足够的无功控制能力。 随着电力系统的发展，系统之间的耦合日益紧密，原有的控制分区之间的弱耦 1 l 华北电力大学工程硕士学位论文 合假设难以保证，传统二级电压控制的效果受到了挑战。在这种情况下，如何改善 二级电压控制的性能再次成为研究的热点。e d f 在实际的应用过程中，同样遇到了 二级电压控制原有设计方案和实现方式所带来的缺陷，因此e d f 在上世纪8 0 年代 中期开始了协调二级电压控制( c s v c ) 的研究。经过大量的仿真研究后，于1 9 9 3 年 开始在法国的西部电网投入应用，其所控制的区域包括8 0 个母线、1 5 台发电机和 2 台调相机，实际的应用结果显示，c s v c 收到了比原有的二级电压控制系统更好 的控制效果。 和传统的二级电压控制( s v c ，s e c o n d a d rv o i t a g ec o n t r 0 1 ) 相比，c s v c 主要有以 下不同： 1 c s v c 控制的范围更大。一个c s v c 控制区域包含了原有的多个s v c 控制 区域。对于s v c ，每个控制区域只有一个单独的中枢母线：而对于c s v c ，每个控 制区域包含多个中枢母线。控制区域的扩大有效的缓解了原有二级电压控制区域之 间弱耦合性假设不再成立所带来的矛盾。 2 c s v c 使用带约束的二次规划模型来求解控制策略，通过软件的方式在控制 中心实现，更加灵活。而s v c 使用比例一积分调节器进行控制，控制参数一旦整定 完毕就难以修改。 3 c s v c 考虑了控制发电机和中枢母线之间的灵敏度矩阵，可以描述发电机与 中枢母线之间不同的紧密程度，能够得到对控制目标最为有效的策略。而s v c 中使 用比例积分调节器根据中枢母线的电压偏差得到区域内的无功需求，再把这种需求 按照容量大小分配给各台发电机，考虑的目标是将各台发电机的无功出力对齐，无 法考虑不同发电机对于控制目标的灵敏程度。 4 c s v c 在二次规划模型中可以通过增加不等式约束的方法来考虑各种安全约 束，保证得到的控制策略在预想的安全范围内。而s v c 通过硬件方式实现闭环控制， 只能考虑少数安全约束。 在二级电压控制中，由于发电机数目大于中枢母线数目，因此除了保证中枢母 线电压偏差最小之外，还可以有一定的控制自由度。利用这个自由度实现其他的协 调目标，这就是协调二级电压控制的出发点。不同的c s v c 方案的技术路线都是类 似的，不同之处在于如何协调多余的控制自由度。对于一个区域的无功电压控制来 说，需要协调的最关键变量就是控制发电机的无功出力。对于协调发电机的无功出 力，最重要的是要实现裕度和均衡两个目标。为控制发电机保留尽量多的无功裕度 可以有效的应对电网中可能出现的故障，而发电机无功出力的尽量均衡则可以防止 某台发电机出力过多导致最先搭界，严重情况下导致切机，并引起电网内其他发电 机的链式反应。在二级电压控制环节，如果能保证每个控制区域内的各台发电机无 功处于一个裕度更大、出力更均衡的状态，有利于提高电网的稳定水平。关于这一 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 问题可作如下解释： 1 二级电压控制是分区域进行的，同一区域内的节点耦合紧密，而不同区域 间的节点耦合松散。从系统的角度去看，一个控制区域可以看作一个“广义节点 ， 而二级电压控制正是在这个广义节点内部进行的。对于同一个控制区域内的控制发 电机来说，它们与本区域内的负荷节点之间的电气关系相对比较接近，不会存在某 些发电机距离负荷中心很近，而某些发电机距离负荷中心很远的情况，因此促使这 些发电机的无功出力向均衡方向发展是合理的。 2 区域内发电机无功出力不均衡，意味着可能存在部分发电机的无功出力较 多，比较接近上界。如果该区域出现故障，或者负荷的无功需求持续增长，可能导 致这些出力较多的发电机无功首先达到上界，从而引发机端相应的控制器动作，将 其无功值保持在限值以内。此时该发电机已经失去了维持机端电压不变的能力，从 潮流方程的角度来看，相当于该节点从p v 节点转换为p q 节点，而从控制的角度 看，该节点由一个可控的节点变成了一个不可控的节点。对于电网来说，可控节点 数目的减少，意味着电网应对扰动的能力降低，因此对系统稳定性不利。 3 均衡概念有别于传统二级电压控制( s v c ) 所采用的根据无功容量来简单的按 比例进行分配。对于本论文所提出的c s v c 模型来说，首要考虑的是中枢母线的电 压偏差最小，对发电机无功出力进行调整优先级相对来说较低。而在求解中枢母线 的电压偏差最小时使用了灵敏度矩阵，从中已经体现了控制发电机与负荷节点之间 的不同紧密关系。在此目标实现的情况下，再考虑促使发电机无功出力向着更均衡 的方向发展。 4 最优潮流计算是典型的非线性规划问题，其最优解很有可能在可行域的边 界达到，这意味着此时有可能包含了将某些发电机的无功出力调节到限值的控制策 略，尽管对于最优潮流本身来说，这没有违背其安全约束，但是这一方面造成了电 网内无功裕度的降低，一方面导致发电机之间的无功出力差异较大，不够均衡，对 于电网的电压稳定水平有负面的影响。在分级电压控制模式中，利用c s v c 对三级 给出的中枢母线设定值进行控制，同时对电网内的发电机无功出力进行合理的分 配，实现经济性目标与安全性目标的协调，将有效的弥补直接使用最优潮流控制策 略在电网安全性上的不足。 2 2 2 2 数学模型 本文提出的c s v c 模型中所涉及到的各个变量的具体物理含义可以从图2 3 中直观 看出。 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 3c s v c 模型 在图2 3 中，皱表示控制发电机当前无功出力，屹表示控制发电机机端母线当前 电压，吒表示中枢母线当前电压，表示发电机高压侧母线的当前电压。c 。和c 瞪为 灵敏度矩阵，满足： 屹= e 皱 ( 2 - 3 ) = q 皱 ( 2 _ 4 ) 本论文选取控制发电机的无功出力调整量q 。作为优化变量。主要原因如下： 1 从无功电压控制的过程来看，起到本质作用的是发电机的无功出力，因此 直接选用它作为控制变量能更准确描述实际问题，和通常的习惯保持一致。 2 由于在实际工程应用中经常出现多台参数接近的发电机挂接在同一母线， 它们的无功出力对其他节点电压的灵敏度基本相同，这导致了灵敏度矩阵接近奇 异，在求解二次规划问题时遇到困难。选择q 。作为控制变量，可以清晰的利用叠 加原理将多台并列发电机的控制作用等效为其中某一台发电机的控制作用，从而保 证得到可逆的灵敏度矩阵。 3 选用发电机的无功出力作为优化变量，可以更方便的在目标函数中对其进 行必要的协调。 发电机高压侧母线电压在控制系统中作为主站与子站的交互变量存在，具 有重要意义。主站系统计算得到控制策略后，下发给子站系统的命令不是如何调整 发电机机端电压或者无功出力，而是给出电厂高压侧母线电压的设定值，而子 站系统再根据该设定值去求解发电机无功的调整量，利用a v r 实现一级的闭环控 制。这样做主要是为了使主站和子站之间界面分割清晰，保证即使二者之间的通道 出现问题，子站仍能够根据预置曲线独立完成本地控制，从而提高控制的可靠性。 本论文采用了二次规划模型来完成协调二级电压控制。为了实现增大发电机无 功裕度，并使之出力更加均衡的目的，采用了不同的协调目标。定义无功裕度向量 1 4 己， 吃 华北电力大学工程硕士学位论文 d 。，其第f 个分量为 吼：等笔笋 ( 2 5 ) y g i。z 白 将0 q 引入到二次规划目标函数中，可以保证一方面增加控制发电机的无功裕 度，另一方面促使各台控制发电机向无功出力更加均衡的方向发展。 构造了二次规划形式的目标函数如下： 嘧 i i 口一哆) + c g q g i l 2 + 0 哝1 1 2 ) ( 2 - 6 ) 其中，q g 作为优化变量，表示控制发电机无功出力的调节量；皱、秽和矿分 别表示控制发电机当前无功、无功下限和无功上限；屹和哆表示中枢母线当前电 压和设定电压；既和睨为权重系数，口为增益系数； 完整的c s v c 模型要求在满足安全约束条件的情况下来求解( 2 - 6 ) 的极小化问 题，这些约束包括： i c 苫q ：l y 亨缸 ( 2 7 ) p 管”s + c 0 皱p z l 甜 ( 2 - 8 ) 胂+ c q g y 罗“ ( 2 - 9 ) q 罗皱+ q g q ? 甜 ( 2 - 1 0 ) 其中，圪、咿和垆分别表示中枢母线当前电压、中枢母线电压下限和中枢母线 电压上限；皱、秽和鲈分别表示控制发电机当前无功、无功下限和无功上限： 、咿、咿和甲分别表示发电机高压侧母线的当前电压、电压下限、电压 上限和允许的单步最大调整量。 在实际无功电压优化控制系统中，最终控制的执行是由子站系统完成的，而主 站系统的控制策略是通过给出的设定值来实现的。为了防止控制操作对电网造成 过大的波动，在每一步控制中都对控制步长有严格的限制。其物理含义是控制后 的调整量要小于允许的单步最大调整量嵋啊。 约束( 2 8 ) 和( 2 9 ) 保证了控制后不会导致圪和产生越限，对于其他一些 比较重要的母线电压也可以类似的添加到约束条件中。约束( 2 1 0 ) 保证了控制后 发电机的无功出力不会越限。 可以通过作用集算法( a c t i v es e tm e t h o d ) 来求解这个二次规划问题，得到q 。后 再利用灵敏度矩阵换算成电厂高压侧母线电压设定值的调整量，作为控制策略 下发。 2 2 2 3 紧急控制模式 在负荷陡升、陡降，或者电网出现事故后，可能出现局部地区的电压越限情况， 此时如何快速将电压拉回到限值之内成为电压控制的首要任务，而网损优化的目标 退居其次。为此，在协调二级电压控制模型中需要考虑紧急控制模式，并采用如下 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 目标函数： 约束条件为： 咖锈k 吆 鲍l 4 1 。 加+ c g 隧q g 甜 鳄加q g + q g 秽 叨拥+ q 出q g 咿 尹佃圪+ c - 曙g 了1 舡 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 其物理含义是在满足控制量约束条件和中枢母线约束条件的前提下( 约束 ( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) ) ，通过最小的控制量( 目标函数) ，将越限的母线电压拉 回到限值之内( 满足约束( 2 1 5 ) ) 。 与正常模式下的协调二级电压控制模型相比，二者具有不同的目标函数。正常 模式下的协调二级电压控制本质上是以网损最小为目标的，因此在目标函数中是保 证中枢母线电压与三级电压控制给出的最优设定值最为接近；而在紧急模式下，快 速将越限母线电压拉回限值之内是首要目标，此时不再考虑经济性，电网安全就是 最大的经济，因此目标函数是用最小的控制量来实现越限母线重新满足电压约束。 但是，仅仅修改数学模型仍不能完全满足紧急控制的需要，此时需要快速的将 母线电压恢复正常，因此在紧急模式下，缩短二级电压控制的时间常数，可由正常 模式下的5 分钟级别缩短至紧急模式下的1 分钟或更快( 具体依赖于电厂子站的调 节速率) ，通过一系列快速的校正控制实现紧急模式下的电压控制。当电压恢复正 常后，负荷趋于平稳，系统自动切换回正常模式，可进行一次三级电压控制的无功 优化，重新给出在新的可行域内的中枢母线电压最优设定值。 在工程实施上，每次二级电压控制前首先判断本控制区域内是否出现电压越 限，如果出现，则取紧急模式对应的控制算法与控制周期，否则，按照正常模式的 控制算法与控制周期进行优化控制。 2