（电力系统及其自动化专业论文）变电站电压无功综合控制的控制策略研究.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文 a b s t r a c t r e m * n t l y , e v e r ys u b s t a t i o nt a k eo nt h ei m p o r t a n tt a s ko fv o l t a g ea n dr e a c t i v e p o w 砥q ) c o n t r o l ( v q c ) t h ea i mo fw h i c hi st om a i n t a i nt h ev o l t a g es t a b i l i t y ，r e d u c e t h ea m o u n to ft h er e a c t i v ep o w e rf l o w i n gi nt h ec i r c u i ta n dt a k ef r o mt h en e t w o r k l o s s n mv q ci sav e r yi m p o r t a n tp a r ti ns u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o n i t sw o r ki sd e s c r i b i n gt h ea n a l y s i s ，e x p l o r a t i o na n du s a g eo ft h eb a s i ct h e o r i e s a n dc o n t r o lt a c t i c so f v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o li ns u b s t a t i o n s i tf i r s t l yi n t r o d u c e ss o m ek n o w l e d g eo f t h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lo f s u b s t a t i o n s ，s u c ha st h e i ra d j u s t i n ge q u i p m e n t s ，c o n t r o lp a t t e r n s , r e a l i z a t i o nm o d e s , o o n t r o lt a c t i c se t e t h e n d e s c r i b e sas e to fs o f t w a r eo fv q cb a s e do nt h et a c t i co f “s e v e n t e e nd i s t r i c t sd i a g r a m w i mv c + + , e x p a t i a t e si t sc o n t r o lt a c t i c s m a i n f u n c t i o n s ，p r o g r a mf l o wa n dv a l i d a t i n go f p r o g r a ma n ds oo i l i t sm a i nw o r ki sp u t t i n gf o r w a r dan e wk i n do fa r i t h m e t i c ，n a m e l yu s i n go b j e c t f u n c t i o nt of i n dt h ec o n t r o lt a c t i co fv q ci ns u b s t a t i o n s i tf o r m sao b j e c tf u n c t i o n w i t hp r o d u c tf a c t o r s , u s e st h e s ep r o d u c tf a c t o r st oe x p r e s st h el i m i t so fv o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e ra n dt h ea c t i o nt i m e so f0 l t ca n dc a p a c i t o r s a n dn s c st h i st of m dt h e b e s tc o n t r o lt a c t i co f v q c t h e nu s e sd a t at ov a l i d a t ei t sf e a b i l i t y a tl a s ti ta n a l y s e st h e p r a c t i c a b i l i t ya n d t h es p r e a du s eo f t h ea r i t h m e t i c k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n , v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r ( q ) c o n t r o l ( v q c ) ，c a p a c i t o r , o n - l o a dt a pc h a n g e r ( o l t c ) o f t r a n s f o r m e r s , o b j e c tf u n c t i o n - n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 衡量电能质量的重要指标是电压、频率以及谐波分量等。随着电力体制改革 的进行，厂网分开，电力市场商业化运营逐步实施，电能质量将成为电力企业对 用户的质量承诺指标。采取有效手段降低网损、改善电压水平，已经成为直接关 系电力企业自身经济效益的课题。 电压是电能质量的重要指标。当电压过高时，对电网内一次设备的绝缘以及 设备的运行寿命均会带来影响，同时也会影响用户设备的使用寿命，甚至使其烧 毁。而当电压过低时则会对电网内机械设备输出功率带来影响，会使机械设备输 入电流过大而造成设备烧损。电压严重过低时甚至会出现电压崩溃，导致系统大 面积停电。比如2 0 0 3 年的“8 1 4 ”美加大停电事故就是一次电压崩溃事故。随 着电网的不断发展，电压已不仅仅是单纯的供电质量问题，还关系到电网的安全、 稳定和经济运行，因此电压问题对目前电网而言，已上升到举足轻重的地位。 无功是影响电压质量和系统运行稳定性的一个重要因素，电力系统的无功补 偿和无功平衡是保证电压质量的基本条件，有效地控制及合理的无功补偿，不仅 能保证电压质量，而且能提高电力系统运行的稳定性和安全性，降低电能损耗， 充分发挥电能经济效益。同有功一样，无功作为电力网络所提供电力服务的一个 重要组成部分必须供给用户。在电力系统中，电压质量和无功功率的分布有着不 可分割的关系，无功潮流的变化以及用户无功负荷的变化会引起电压波动，如果 不利用电力网中的无功补偿设备和调压装置，便会产生大的电压偏移。系统内无 功功率不足，将使电压水平降低，系统有扰动时，就有可能使电压低于l 临界电压， 产生电压崩溃，从而导致系统发生因失去同步而瓦解的灾难性事故。在超高压电 网中由于线路充电功率很大，有可能使电压过高，危及电力系统的安全及系统运 行的稳定性。 因此，每一负荷区域都要求各自具有足够的无功功率补偿及调节能力，以 适应地区负荷的需要，而不得要求由超高压电网经过大的传输阻抗来输送无功功 率，从而消除由此带来的种种弊端。这就要求实现无功的分层、分区就地平衡。 需要有足够的沿整个送电系统分布的无功功率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，保证系统各点电压随时处于合适数值。 1 2 变电站电压无功综合控制的基本概念 变电站是电力系统的重要组成部分川，它用来连接发电厂、输电系统以及配 电网，使之共同成为一个有机的整体。变电站是集中安装无功功率补偿和调压设 备的主要场所。因此，各级变电站担当着电压和无功调节的重要任务。过去，变 国电自动化研究院硕士学位论文 电站的电压无功调节工作一般都靠人工操作完成，随着电力系统规模的不断扩大 和运行水平的不断提高，电网运行的经济性日益得到重视。而电网中控制元件增 多，对电网的控制提出了越来越高的要求。传统的基于调度人员的人工调节的缺 点和弊病日益突出，随着无人值班变电站的建立和计算机技术在变电站监控系统 中的广泛应用，这种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，人们逐渐提出了电压无功综合控制的理 论。早在8 0 年代中期，电压无功综合控制在国外就已得到运行调度部门的广泛 重视。c i g r e 的电压无功专题工作组在1 9 9 2 年的研究报告中称：世界上发达国 家的2 2 0 k v 及以上的电力系统基本上都采用了不同方式的电压无功优化控制手 段，从实时闭环控制到以几个小时为间隔的运行优化调度。由此。不仅可以取得 较大的网损节约，还可以大大的提高电网运行的可靠性。为了提高电压合格率和 降低能耗，目前我国各地各种电压等级的变电站中都己开始采用电压无功综合控 制装置，并在迅速推广。 人们把利用有载调压变压器和并联补偿电容器( 或电抗器) 进行局部的电压 及无功补偿的自动调节，以确保负荷侧母线电压运行在规定的范围内并使进线功 率因数尽量接近1 ，称之为变电站电压无功综合控制( v q c ) 。 变电站电压无功综合控制( v q c ) 主要是指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。它能根据变电站各种运行方式，自适应跟踪系统， 通过一定的控制策略，对有载调压变压器的分接头切换及并联电容器组、电抗器 等无功设备的选择投切，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合格的范围内变动，从而提高电能质量和系统的安全、经 济运行水平。 变电站电压无功综合控制( v q c ) 是一个多限值、多目标的最优控制问题。 控制的目的是要寻找一组适当的变压器分接头档位和相应的无功补偿量，使得在 满足可靠供电的基础上，网损最小，效率最高，并且电压和无功不越限。其调节 原则是在保证电压合格，无功基本平衡的前提下，尽量减少调节次数，尤其是有 载分接头开关的调节次数。 1 3 论文的主要工作 本文主要研究变电站电压无功综合控制，包括其理论分析及策略研究。本文 主要工作如下： ( 1 ) 对变电站电压无功综合控制的调节设备、控制模式、实现方式及控制 策略等做了详细的分析。 ( 2 ) 介绍了一套本人参与编制的用v c + + 6 0 编写的v q c 软件。本文详细 介绍了它的控制策略、主要内容、程序流程、实验验证及其结果分析等。 这套软件是应用户的要求，结合实际工程，基于十七区图控制策略设计的。 第一章绪论 它的控制效果优于基本的九区图控制策略。目前在国内来讲是比较实用的一套 v q c 控制方式，可以加以推广 ( 3 ) 在上述工作的基础上提出了一种新的v q c 控制策略。那就是基于目 标函数法( o b j e c tf u n c t i o n ) 的变电站电压无功综合控制策略。这是本文最重要 的工作。 变电站电压无功综合控制属于多目标非线性约束优化问题。其目标函数的制 定要综合考虑电压、无功的限值和分接头、电容器动作次数的约束条件。要求解 此多目标非线性约束优化问题，我们尝试着采用乘积因子法来构造目标函数。本 文提出了一种带乘积因子的目标函数，将电压和无功的限值以及电容器和主变分 接头的动作次数对总体控制效果的影响以乘积的形式反映出来，然后利用比较其 目标函数的优劣来求取变电站电压无功综合控制的控制策略。最后利用算例进行 验证，并与传统九区图法和十七区图法策略进行比较。结果表明，利用目标函数 法来求取v q c 的控制策略是可行的。但是因时间仓促，本文只是利用实验来进 行理论的验证，没有考虑现场实际运行中所要考虑的其它一些因素，比如v q c 与前置机或后台的通讯等等。而且，它的算法原理还有待于进一步改进。因此， 对于它的扩展及推广应用还需要继续再做一些工作。 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 2 1v q c 的调节设备和控制判据 2 1 1v q c 的主要调节设备 变电站电压无功控制的主要调节设备包括有载调压变压器、并联电容器以及 并联电抗器 4 1 。 2 1 t 1 有载调压变压器 有载调压变压器的原理接线如图2 1 所示。调压绕组上有多个分接头，主绕 组通过并联触头磁、l ( b 与调压绕组串联。可以在不断开主电路的情况下完成接 头的切换，即首先断开j 。，将切换到另一分接头上，然后将j 。接通。另一个 触头k b 也采用同样的切换步骤。限流电阻r 是在分接头切换过程中作限流用的。 当两个可动触头连接在不同的分接头上时，两个分接头与电阻r 构成回路。r 可 限制该回路的短路电流。 图2 - 1 有载调压变压器原理图 变压器不能作为无功电源，相反它消耗电网中的无功功率，属于无功负荷之 一。有载调压变压器分接头( 抽头) 的调整不但改变了变压器各侧的电压状况， 同时也对变压器各侧的无功功率的分布产生影响。分接头上调后，变压器二次侧 电压上升，同时流过变压器的无功功率增加；分接头下调后，变压器二次侧电压 下降，流过变压器的无功功率减少。 2 1 1 2 并联电容器 在地区电网无功补偿中，并联电容器广泛应用于功率因数校j 下和馈电电压校 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 正，是应用最多的无功补偿装置。一般来说，每个变电站安装1 - 4 组左右，对于 负荷较大的1 1 0 k v 变电站和2 2 0 k v 变电站，则安装更多组的电容器。其优点有： 可分散、集中、分相补偿；投资少、功率损耗小( 额定容量的0 3 一o 5 ) ；无旋 转部件，维护量小；可根据负荷情况分组投切。缺点是：电压如果下降时则下降 速度极快，不利于电压稳定，投入时会产生尖峰电压脉冲。电容器只能发出感性 无功功率，可全部或部分切除，不能平滑调节，在最小负荷时，通常切除变电站 的全部电容器，在负荷高峰期将变电站的并联电容器投入运行。电容器对电压无 功的调节作用体现在：当投入电容器后，流过变压器的无功减少，同时变压器二 次侧电压上升；当切除电容器后，流过变压器的无功增加，同时变压器二次侧电 压下降。 2 1 1 3 并联电抗器 并联电抗器的性质与并联电容器的性质相反，它只能吸收感性无功，从补偿 感性无功的角度来说是负补偿，因而常用于补偿线路电容的作用。特别是在超高 压( e h v ) 输电架空线路长度超过2 0 0 k i n 时线路充电电容不可忽视，通常需要 安装并联电抗器。在轻负荷时，在2 2 0 k v 及以上的线路中，线路充电功率过大， 有可能会引起电压过高，危及高压电网的运行，此时为了保证电压正常，附加并 联电抗器。当然，在重负荷时有可能一部分并联电抗器需从系统中切除。在地区 级电网电压无功控制中，电抗器个数比较少，在一些对其拥有控制权的2 2 0 k v 变电站中可能装有电抗器，此时也可以作为控制手段之一。 2 1 2v q c 控制判据的发展过程 v q c 做为变电站综合自动化的一个重要组成部分发展至今，其采用的控制 判据可以说是多种多样的，并且调节功能也日臻完善。从过去的某些自动调节装 置及软件来看，实现v q c 的原理是多种多样的，其中包括按功率因数控制、按 电压控制、按电压和时自j 复合控制等。这些控制判据曾有过广泛的应用，但由于 它们仅考虑电压和无功( 功率因数) 中的一个条件，而没有进行综合考虑，故调 节效果较差。9 0 年代以后，人们逐渐开始使用按电压和无功综合控制的方式。 具体介绍如下【5 1 ： 2 1 2 1 早期的控制判据 主要有以下几种： ( 1 ) 功率因数作为控制判据 仅以功率因数( 即按功率因数角由) 做为调节判据的并联补偿电容器的自动 投切装置，曾广泛应用于电力用户的低压配电室。由于功率因数只是决定无功分 量( q = u l s i n q ) 三个因素中的一个，因此功率因数的高低不能全面的反映无功缺 额的大小，由此，仅以功率因数做为调节判据构成的无功调节装置在某些负荷状 态下可能存在会导致频繁投退的缺陷，从而影响了无功自动调节在高压变电站的 使用和推广 ( 2 1 电压作为控制判据 这种控制方式经历了两个发展阶段： 第一个阶段是仅以电压的高低做为变电站无功自动调节的判据，并根据此判 据构成的并联电容器自动投切装置。实际运行结果表明，此种判据未考虑保持无 功基本平衡这个条件，因此无功补偿效果较差。 第二个阶段按电压综合控制有载分接头和电容器组。其电压控制边界如图 2 2 所示，其中u 。上下限为判断电容器投切的电压限值；u r 上下限为判断分接 国电自动化研究院硕士学位论文 头升降的电压限值。当母线电压u u t 下限时，可调节有载分接头以升压；当u u c 下限时，可投入电容器组：当u u t 上限时，可调节有载分接头开关以降 压：当u u c 上限时，可切除电容器组。此方案要优于仅调电容的方案，但仍 未考虑无功的补偿效果，调节过程也不太合理，比如电压过高时，是调有载分接 开关还是切电容器，需首先判断电压过高是由于无功过剩引起的，还是由于有载 分接头开关位置过高引起，否则无法进行有载分接头开关调节或电容器组投切的 正确操作 u q 图2 - 2 电压和无功调节边界 ( 3 ) 电压、功率因数作为复合控制判据 它有两种判别方式，都是通过电容器组的投切来实现其调节功能。第一种是 以电压为主、功率因数为辅，即只要电压合格，则不考虑功率因数，当电压不合 格时，根据电压和功率因数的性质决定电容器组的自动投切；第二种是以电压和 功率因数值做为两个并行的判据，即使电压在合格范围内，如果功率因数满足投 退的条件，也将对电容器发出投切命令。第一种判别方式，尽管考虑了无功补偿 效果，但由于在某些运行状态下，有可能出现缺无功时投不上去，超无功时又退 不下来，致使无功补偿效果仍然较差。第二种判别方式，在某些运行状态下会发 生对并联补偿电容器频繁投切现象。 ( 4 1 电压、时间作为复合控制判据 利用变电站的日负荷预测曲线，并将其分成多个负荷时段，然后根据各个负 荷时段对电压和无功的要求，分别对电压和无功进行自动调节。此种调节方式因 为基于负荷预测曲线，如果负荷发生了临时较大变化，则控制方式不能及时随着 调整，故实时性较差，且负荷时段必须随着季节和负荷量的改变而进行调整。因 此它仅适合于负荷较稳定的变电站。 2 1 2 2 近年来的控制判据 近年来常用的控制判据是以电压和无功作为综合控制判据。它是利用电压和 无功两个判别量对变电站电压和无功实行综合调节，和上述“电压、功率因数作 为复合控制判据”不同的是，这种调节方式通过调节变压器分接头和电容器组来 保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡。它有三种常用的判别方式，第 一种是以电压为主、无功为辅，即只要电压合格，则不考虑无功，当电压不合格 时，根据电压和无功的性质来确定变压器分接头或电容器组的投切；第二种是以 无功为主、电压为辅，即只要无功合格，则不考虑电压，当无功不合格时，根据 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 电压和无功的性质来确定变压器分接头或电容器组的投切；第三种是以电压和无 功做为两个并行的判据，即要满足电压和无功均在合格范围内。在很多地方供电 系统中，不是考虑无功而是考虑功率因数做为调节判据。实际上，可以根据实时 的有功功率换算出无功的控制范围，在处理原理上本质是一样的，只不过无功的 上下限范围始终是动态变化的。 2 2v q c 的调节效应 2 2 1v q c 的调节原理 图2 3 给出了一个变电站的典型一次接线图。其中i k 为系统电压，u l 、u z 为变电站主变压器高、低压侧电压，u l 为负荷电压。r s 、x s 、r l 、x l 分别为线 路参数，r t 、x t 为变压器参数。p l 、q l 为负荷的有功功率和无功功率，q c 为补 偿电容器发出的无功功率。t t 为变压器变比。 图2 - 3 变电站一次接线示意图 由于负荷+ j x i ，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 i 十x l ，的变化而不同。一般来说，如果负荷性质为感性，则随着负荷 的增大，线路上的电压损失将增大，从而导致用户的电压降低。同时线路上及变 压器中的功率损耗将增大，即网损增大。 电压无功综合控制所要达到的目的【l j ，一是使负荷端电压u l 与额定电压u m 的偏差最小，或在标准规定的范围之内，即： l u 。一i = a u 。 二是使系统的有功损耗最小，即： 堕掣r 。寸幽 u s z 同时必须满足节点电压方程的约束： u i = u s 一丝半 u 2 = u l 致 u 2 = u l + 半 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 丽 _，_1_1_j_ji 尹 靠汴 国电自动化研究院硕士学位论文 由( 2 - 1 ) 式可得最小的电压偏移为i u l - u l n i = o ； 即：u l = u u q 由( 2 2 ) 式可得使功率损耗为最小的无功补偿容量为： q c - - q l 把( 2 6 ) 式代入( 2 5 ) 式可得： ( 2 6 ) ( 2 7 ) c ，；u ，。+ 墨鱼! 丝兰 一 c ， ( 2 8 ) 把( 2 - 4 ) 式代入( 2 3 ) 式，整理得： 。u z u s ，取_ 【吃凡+ ( 吼一q c ) x s r x ( 2 9 ) 把( 2 5 ) 式代入( 2 9 ) 式，得： l 叽+ 墨鱼磐：l 吼+ 墨鱼磐k ，靠一阮凡+ ( 吼一o c ) x s ，珞2 l “ jl “l j ( 2 1 0 ) 由此可知，u l 与t k 、q c 、p l 、q l 的关系一般可表示为： u l = f ( r k ，q c ，吃，吼) ( 2 1 1 ) 当p l 、q l 给定时，则为： ul=厂(靠，qc)(2-12、 根据以上分析，要达到上述调节目的，目前常采用以下两种方法 6 1 。 2 2 1 1 调整变压器的变比t k 当负荷增大，引起线路电压损失增大，从而导致负荷端电压u l 下降时，可 减少变比t k 以提高变压器低压侧电压u 2 ，从而提高负荷端电压u l ；当负荷减 小，导致负荷端电压u l 上升时，可增加变比t k 以降低变压器低压侧电压u 2 ， 从而降低负荷端电压u l 。变压器变比t k 的变化一般靠调节有载调压变压器的分 接头来实现。有载调压变压器的分接头可以在带负荷条件下切换分接头，可起到 调整电压、降低损耗的作用。 2 2 1 2 改变补偿电容器组发出的无功功率q c 当电容器组没有投入，即q c = o 时，负荷所需的无功功率q l 均需通过线路传 送。当补偿电容器组发出的无功功率为q c 时，则系统只需向负荷提供q r q c 大 小的无功功率即可，即线路上传送的无功功率为q l q c ，比没有补偿时明显减少， 因此，沿线路的电压损失将减少，从而可提高变电站的母线电压。同时线路上传 送无功功率数量的减少，将导致线路上电流减小，线路上的功率损耗( 网损) 将 随之降低，变电站的功率因数也随之改善。 以上两种措施都有调整电压的作用，但其原理、作用和效果是不同的。在利 用分接头调压时，调压措施对系统无功功率的影响比较小，因此在整个系统无功 不足的情况下，不可能用这种方法来提高全系统的电压水平：而利用补偿电容器 进行调压，由于补偿措施本身可产生无功功率，因此这种方式既能弥补系统无功 的不足，又可改变网络中的无功分布，但它对电压的影响比较小。因此，在系统 无功充足、但由于无功分布不合理而造成电压质量下降时，这种方式又是无能为 力的。因此只有将两者有机的结合起来，才能达到良好的控制效果。 2 2 2v q c 的电压和无功效应的分析 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 在制定v q c 策略时我们首先对v q c 的电压和无功效应进行分析。不仅要 考虑到调整变压器分接头带来的电压效应及投切电容器组给网络带来的无功效 应( 这些比较容易做到，只需已知主变分接头一档的电压变化量及各电容器组的 容量即可) ，而且对调节一档主变分接头带来的无功效应和投切一组电容器给网 络带来的最大电压效应也应做定量估计，从而最大限度的降低装置的动作次数。 下面将以一台变压器为例对调整一档变压器分接头可能带来的最大电压和无功 效应和投切一组电容器可能带来的最大电压效应做出定量分析。 2 2 2 1 调整变压器分接头 ( 1 ) 调整变压器分接头的电压效应 在现场实际工程中，通常采用变压器低压侧电压作为电压状态变量，如果调 节策略是变压器分接头动作，那么我们可以用以下方式由动作后的变压器二次侧 电压峨闻动作后的变压器变比t 来计算动作后变压器高压侧电压i u l l 。 图2 - 4 示出了某1 1 0 1 0 k v 变电站的一台主变的接线 t s j ，主变为有载可调 变压器，分接头档位共1 7 档。变压器低压侧与1 0 k v 母线相连，接有并联补偿 电容器。这里先考虑一台变压器带一组电容器的最简单模型 c 图2 - 4 主变接线图 忽略主变的电阻并略去变压器励磁支路，把变压器等效为一个阻抗与一台 理想变压器相连，该阻抗的大小与变压器阻抗相等，理想变压器的变比为主变的 实际变比。然后把阻抗与理想变压器相连的电路转化为一个“n ”型等值网络， 由于该“n ”型电路靠近高压侧的导纳支路与所考虑的计算并无影响，故而予以 忽略。因此，该数学模型可由等效电路图2 5 表示。 其中： z t 为主变的阻抗，z c 为电容器阻抗，u i 和u 2 分别为主变高低压侧母线电 压，t 为变压器变比，p l 和q l 为负荷有功及无功功率，p t 和q 叶为主变流出的有 功及无功功率，o c 为电容器无功功率。 u 2 = 一i 矿k 上啦。 - r z 。 图2 _ 5 主变和电容器的数学模型 在实际系统中，当主变低压侧电压改变时，有功和无功功率的需求也将随 着改变。一般负荷有三种模型即恒阻抗模型、恒电流模型和恒功率模型，这些模 型描述了负荷和电压的关系。一般的，有功负荷p l 无功负荷q l 与变压器二次侧 电压的关系可表示为： 最= p d ( a l u 2 r + b u 2 + c ) ( 2 1 3 ) 国电自动化研究院硕士学位论文 幺= q d ( d 阢1 2 + e + 力 ( 2 1 4 ) 式中： p d 为有功需求量；q d 为无功需求量；a , b ，c , d ，e ，f 为各种负荷模式的比例因子 由( 2 - 1 3 ) 式和( 2 - 1 4 ) 式得可知，当低压侧母线电压i u 2 1 标么值为1 0 时， 有功和无功可分别表示为p d 和q d ( 要求a + b + c = 1d + e + 仁1 ) 。有功和无功三种 负荷模型( 恒阻抗、恒电流、恒功率) 的系数分别为( a ，b ，c ) 和( d ，e ，f ) 我们 可通过如下数学分析得到主交的变比t ，首先，从图2 5 可得有功和无功负荷表 这里，万i = 网i - t 一丙i ，i z l = i z ，, j 合并( 2 1 5 ) 式和( 2 1 6 ) 式可得。 卜+ 铡2z 芈皤 式中： 俐= 陪小杨| 当电容器断开时，式( 2 1 7 ) 中k 值取为1 ；当电容器合上时，则 k = i zci ( i zcl - i z ，i ) 把( 2 1 3 ) 式和( 2 1 4 ) 式代入( 2 1 7 ) 式可得： a r u 2 1 4 + 纠u 2 3 + 【c 一( 斯) 2j 【，1 1 2 1 x i u 2 1 2 + d | 【，2 l + e = o 式中： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 q 7 ) ( 2 1 8 ) n ，2 一z 暑 j 铲 = 卜 | 量 龟强 矧咎 “ 坚刁 最 u l 仫 j 魁引p 、掣吲 l一 = ： 巳 统 式 达 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 a = 1 + 2 d ( k l z ，i ) q 。+ 口2 ( k l z ，i ) 2 尸d 2 + d 2 ( k l z ，i ) 2 q d 2 b = 2 e ( k l z ，i ) q d + 2 a b ( k l z ，1 ) 2 1 0 2 + 2 d e ( k l z r l ) 2 q d 2 c = 2 f ( k l z ，1 ) q d + ( 2 钟+ 6 2 ) ( k l z ，| ) 2 1 0 2 + ( 2 矽+ 口2 ) ( k l z ，1 ) 2 q 0 2 d = 2 b c ( k z ，1 ) 21 0 2 + 2 e f ( k l z ri ) 2q d 2 e = c 2 ( k l z , 1 ) 2 1 0 2 + 厂2 ( k l z ，f ) 2 q d 2 由( 2 1 8 ) 式可得主变变比t k 为： 珞= 币焉习b l u z i + 剧巩1 3 + c l c ，z 1 2 + d | u ：i + e p ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 当用i u z l 的值代入( 2 2 0 ) 式，可得到理想的变压器变比t k ，t k 并不是实际 的变压器变比t 。实际上，变压器的变比并不能任意取值，它与分接头的档位有 关。当变压器抽头的电压调整率为1 2 5 时，即变压器分接头的位置变化一档， 高压侧电压改变1 2 5 u n 时，主变分接头位置t a p 同变比t 之间的关系如下： t = l + 0 0 1 2 5 黝p 式中t a p 为整数。 ( 2 2 1 ) 为了得到实际的主变变比t ，首先要求出整数t a p 使得l + o 0 1 2 5 t a p 最接近 t k ，这样便可得到主变的实际变比t 。在有了变压器分接头档位t a p 和电容器的 投切情况后，就可把动作后的变压器二次侧电压i u 2 i 和实际变比t 代入式( 2 1 8 ) 来计算动作后的变压器高压侧电五l u d 。 ( 1 ) 调整变压器分接头的无功效应 如图2 - 6 所示，调整前若不计电压降落横分量，则有： “= u 2 + e r r 百+ o x r ( 2 2 2 ) 国电自动化研究院硕士学位论文 图2 6 降压变电站主变接线图 其中： u l 一变电站高压侧母线电压； u r 归算至高压侧变电站的低压侧母线电压； p 斗j q 一网络输送功率； r 1 叫x v - - - 归算至高压侧变电站的等值阻抗。 调整一档分接头后，网络输送功率变为p 啊q ，这时变电站高压侧及低压母 线归算至高压侧的电压也相应变为u i 和u 2 ，故有： w 哪鼍产 ( 2 - 2 3 ) 由( 2 2 2 ) 式和( 2 - 2 3 ) 式得： u - - u l = ( u 2 + ( 鼍第墅一气等) 。c u z ：，+ ( “- o j l x r = ( u 2 z ，+ 筹坼 眠q - ( u l - u i ) 一以氅 所以：q 一：【u l 一u 2 m 】争 ( 2 2 4 ) n r 式中： a u l = u l u i ，a u 2 m h = ( u s u 2 ) 。“ 由( 2 2 4 ) 式可以估算出调整一档变压器分接头可能产生的无功效应。 2 2 2 2 投切电容器的电压效应 如图2 7 所示，电容补偿前，若不计电压横分量，则有： 即吣! 铲 ( 2 - 2 5 ) 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 l 叫x 图2 - 7 无功补偿 其中： u l 变电站高压侧母线电压； u r 归算至高压侧的变电站低压侧母线电压； p + j q 一负荷功率； r + i ) ( 一归算至高压侧的电力网等值阻抗。 投入一组容量为q c 的无功补偿装置后，网络送到负荷点的无功功率变为 q q c ，这时变电站低压侧母线归算至高压侧的电压也相应变为u 2 ，故有： u = 【，2 + 半 由( 2 2 5 ) 式、( 2 2 6 ) 式得： ( 2 2 6 ) u ，+ p r + q x ：u 2 , + p r + ( q u ，u ，- q c ) x 2 叫2 ) 了u 2w * q c 眠以也* 安x 所以：a u z a = 赛 ( 2 - 2 7 ) 式中： u ：一：帆u ：l 由( 2 2 7 ) 式可以估算投切一组电容器可能带来的最大电压效应。 这些估算值只是做为参考，在实际运行中，一般还要根据经验值来加以修正。 2 2 3 调节效应矢量图 在实际应用中，主变分接头调节主要用于电压的调节，电容器的投切主要用 于无功( 功率因数) 的调节同时也用于电压调节。 从e 面的分析我们可以得出各种情况下的申j 压与无功( 功率因数) 调节效果 国电自动化研究院硕士学位论文 的矢量示意图，其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 巾) 。 电压( u ) 取值于主变低压侧母线线电压 无功( q ) 、功率因数( c o s 巾) 取值于主变高压侧。 分接头调节 当分接头上调时，u 增大，q 增大。由c o s t a = 7 r = - i 可知，q 、丘。+ 增大导致c o s 巾下降； 当分接头下调时，u 减少，q 减少，c o s 由则增大。( 见图2 8 ) 电容器投切 同理当投入电容器时，u 增大，q 减少，c o s 由增大； 当退出电容器时，u 减少，q 增大，c o s 由下降。( 见图2 9 ) 图2 4 分接头调节对u 及q 的影响趋势图 2 3v q c 的控制模式和实现方式 势图 2 3 1 控制模式 前面已经提到，变电站中对电压无功的综合控制，主要是自动调节有载调压 变压器的分接头位置和自动控制无功补偿设备( 电容器、电抗器等) 的投切或控 制其运行工况。在实际应用中，其控制模式有如下三种1 6 1 。 2 3 1 1 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。它是在各点状态( 电压、无功等) 满足一定的约束 条件下。以全网损耗最小为目标的一种控制方式。由e m s s c a d a 实时采集各 节点数据，求解网络电压无功最优模型，得到各节点的电压、无功限值。v q c 再通过通信接口接收这些限值，对变电站内调压和无功补偿设备( 并联电容器组) 进行实时综合控制。 理论上，这种控制方式是维持系统电压正常、实现无功优化控制、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。但在我国目前各变电站的基础自动化水平层次不一的情况 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 下，实现全系统的集中优化控制有较大的难度。随着各地变电站自动化水平的不 断提高，在不久的将来，集中控制方式应该能够被推广应用。 2 3 1 2 分散( 就地) 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它调节设备，以控制 地区的电压和无功功率在规定的范围内。分散控制是在各厂站独立进行的，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 3 1 3 关联分散控制方式 所谓关联分散控制，是指电力系统正常运行时，由分散安装在各厂站的分散 控制装置或控制软件进行自动调控，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，事先由电压无功优化程序计算好的，而在系统负荷变化较大或 紧急情况或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心直接操作控制，或由调 度中心修改下属变电站所应维持的母线电压和无功功率的定值，以满足系统运行 方式变化后新的要求。 关联分散控制最大的优点是：在系统正常运行时，各关联分散控制器自动执 行对各受控变电站的电压、无功调节，做到责任分散、控制分散、风险分散；紧 急情况下，执行应急任务，因而可以从根本上提高全系统的可靠性和经济性为 达此目的，这就要求执行关联分散控制系统的装置，除了要具有齐全的对受控站 的分析、判断和控制功能外，还必须具有较强的通信能力和手段。在正常运行情 况下，能把控制结果向调度报告。系统需要时，能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策略，而做为调度下达调控命令的智 能执行单元。对调度中心而言，必须具备应急控制程序。目i j 很多地方的变电站 还没有达到这些要求，因此，还没有真正实现关联分散控制。 因为分散控制方式比较独立，易于实现，因此，目前国内变电站电压无功控 制采用最多的是分散控制方式。对于某些区域电网，可以实现关联分散控制。 2 3 2 实现方式 做为变电站自动化的一项重要技术，v q c 的功能有多种实现方式，目前常 见的主要有以下几种类型 9 1 。 2 3 2 1 基于变电站自动化系统的v o c 随着无人值守变电站的增多，在变电站中般均有用于当地和远方监控的自 动化系统或具有“四遥”功能的r t u 装置，它们有完善的i o ( 输入输出) 硬 件功能，包括对测量量及信号量的采集。该装置也具有控制变压器分接开关、无 功控制设备开关动作的功能。因此在此装置的基础上添加相应的电压无功控制软 件模块到变电站自动化系统软件中，对系统采集到的信息进行计算、分析、判断， 输出控制命令给被控对象，即可实现v q c 控制。具体有两种实现方式： ( 1 ) 自动化系统后台( 或前置机) 软件v q c 它是运行于当地后台或前置机的软件v q c ( 简称软件v q c ) 。软件v q c 借 助于自动化系统进行数据采集与控制，其本身没有专用的i o 系统。分为后台版 和前置机版两种版本。后台版依附于变电站后台计算机，是后台监控系统的一个 子软件模块。其后台利用现成的各种信息( 遥测y c 、遥信y x ，保护等) ，通过 运行控制算法，实现对主变分接头的调节或对电容器的控制，这也是目前被广泛 应用的一种方式。这种方式的优点是信息量全，全站的信息都能得到，可以得到 国电自动化研究院硕士学位论文 完善的输出；省去了专用硬件设各，不必单独敷设电缆，降低了成本，并减少了 工作量；人机界面友好，参数设置简单，且调试方便。一般来说，这种v q c 的 调节速度能满足运行要求，但由于数据采集与控制需经过多个环节，因此v q c 的闭锁速度往往达不到要求。由于存在通信延时，故实时性不够优越，而且调节 功能的实现依赖数据采集装置、控制装置及通信装置的完好性。因此，整个v q c 的可靠性取决于网络通信、i o 装置和后台主机的运行状况，独立性不强，可靠 性也不如单独的v q c 装置。另外，后台监控系统经常有人操作或干预，也容易 发生死机等异常现象。前置机版本的软件v q c 则不用通过后台而直接通过通信 装置获取数据。相对来说，前置机版本的软件v q c 的实时性比后台版软件v q c 的实时性要优越一些，因为前置机版本不涉及如后台系统那样复杂的人为操作， 而且稳定性与可靠性也要好一些。 一个基本的软件v q c 流程如图2 1 0 所示。 图2 1 0 软件v q c 流程图 ( 2 1 自动化系统网络v q c 自动化系统网络v q c ，其核心部分硬件采用了单独c p u 芯片及其附属装置， 但其i o 设备是借助于网络与自动化系统共用，本身不带i o 系统。这样做的优 点是无需敷设二次电缆。但是由于其核心部分采用了单独的c p u 装置，因而调 节与闭锁速度较快，相对于软件v q c 来说，更容易获取闭锁信号。缺点是整个 v q c 的可靠性取决于网络通信、i o 装置和v q c 的主机运行状况。v q c 主机若 不采用工业控制机，一般来说参数设置和调试都比较麻烦。 2 3 2 2 自带i o 系统的独立v q c 它一般是一个独立的装置( 也称为硬件v q c ) 。它不依赖于其它装置，具有 自己独立的数据采集和控制硬件，能根据所需量实时的通过c p u 运算得到所需 的控制输出，因而能克服通信延时而实现真j 下的“实时”控制，这时是否取消当 地后台对它无关紧要。由于v q c 集i 0 系统和计算于一身，特别是有关的闭锁 信号，有相应装置的硬接点输入，从而大大增强了v q c 闭锁的快速性和可靠性。 寓 第二章变电站电压无功综合控制的理论分析 另外，调节速度也能满足运行要求，且参数设置和调试都比较方便。这种硬件 v q c 的主要缺点是造价比较昂贵，输入输出需要敷设较多电缆，且安装工艺麻 烦，不能充分利用站内自动化资源，变电站运行方式改变时其功能改变与扩充较 困难。其在结构上除微机本体( c p u 、r a m 、r o m ) 和必要的外部设备( 显示 器、打印机、键盘) 及其接口外，还必须配备与现场联系的接口，如模数转换 ( 用来采集电压和无功等模拟量) 和开关量输入输出等接口。硬件v q c 装置主 要适用于非综合自动化的变电站。硬件v q c 的原理图一般如图2 1 l 所示。 相戗屠号 保黼 开黼 主变信号 i 号主变电流 l 号主变电压 主变电流 n 号主变电压 升降主变 投，切电容器 按切中心蒯势胡闸 投传贼 图2 1 l 硬件v q c 原理框图 2 3 2 - 3 半独立式v q c 控制方式 这是一种介于v q c 专用成套独立装置和基于变电站自动化系统的v q c 之 间的控制方式，即将变电站自动化装置所提供的信息经v q c 专用装置运算后直 接输出控制。该方式的输出部分是独立自带的，而其输入部分则来自于变电站自