（电气工程专业论文）基于经济运行方式的区域电网在线无功电压优化控制的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无功优化是地区电网降损节能的主要措施。根据权威调研资料，我国的地区 电网损失率水平仍落后于先进的发达国家，差距比较明显。因此，通过无功优化 的办法进行节能的潜力非常巨大。 目前国内运行的在线无功、电压优化系统均没有真正实现电网的网损最小、 电压最优。主要的原因就是只能在已有的运行方式下，通过调整电厂机组出力、 调节主变分接头或投切电容器等手段，改变电网无功的走向和流量，来达到网损 最小、电压在合格范围内的目标。但是，由于没有先对现有的运行方式进行优化， 导致优化不彻底，没有达到网损真正最小。 本文针对上述问题，提出在规划阶段，首先对变电站设备选型进行优化。设 备投运后，利用调度自动化实时采集系统、历史数据系统，对各变电站主变的运 行方式进行优化后，再对上述方式下的电网进行全网的无功、电压优化，确保电 网实现真正的经济、优质运行。 关键词：电力系统；运行方式：无功优化：网损 i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni st h em a i nm e a s u r et or e d u c et h er e g i o n a lp o w e r g r i de n e r g yl o s s a c c o r d i n gt oa u t h o r i t a t i v er e s e a r c h ，t h er e g i o n a lp o w e rg r i dl o s sr a t e i nc h i n as t i l ll a g sb e h i n dt h ea d v a n c e dc o u n t r i e s ，a n dt h ed i f f e r e n c ei so b v i o u s t h e r e f o r e ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni sap o t e n t i a lw a y t os a v ee n e r g y c u r r e n t l y ，r e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g eo p t i m i z a t i o ns y s t e mr u n n i n go n l i n ec a l l n o tr e a l l ym i n i m i z et h el o s sa n dr e a c ho p t i m a lv o l t a g el e v e l t h em a i nr e a s o ni st h a t i nt h eo p e r a t i n gm o d e ，o n l ym e a s u r e so fa d j u s t i n gg e n e r a t i o no fu n i t sa n ds w i t c h i n g o nd i f i e r e n tf o r l no fc a p a c i t o r sc a nb eu s e dt oc o n t r o lt e a c t i v ep o w e r ，s oa st o m i n i m i z et h el o s sa n dg a i nt h eq u a l i f i e dv o l t a g e h o w e v e r d u et on o to p t i m i z et h e o p e r a t i o nm o d e ，t h ee x i s t i n gr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nc a l ln o tl e a dt ot h o r o u 曲 o p t i m i z a t i o na n dm i n i m u m l o s s t os o l v et h ep r o m p t e dp r o b l e m ，w et h i n ki ti si m p o r t a n tt oo p t i m i z et h e s u b s t a t i o n sf a c i l i t ys e l e c t i o ni nt h ep l a n n i n gs t a g ea tf i r s t a f t e rt h ef a c i l i t i e sh a sr u n ， t h eo p e r a t i o nm o d eo fe v e r ys u b s t a t i o n sm a i nt r a n s f o r m e ri so p t i m i z e d ，t h e nr e a c t i v e p o w e ra n dv o l t a g eo p t i m i z a t i o nc a b ed o n eu n d e rt h ep a r t i c u l a ro p e r a t i o nm o d eb y u s i n ga u t o m a t i cr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dh i s t o r yd a t as y s t e m ，s ot h e w h o l ep o w e rg r i dw i l lb ee c o n o m i ca n dh i g h q u a l i t y k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e mo p e r a t i o nm o d er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n l o s s i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：纽日期：翌堑垒：，。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名堑蛩垫导师签名： 日期。勿， 日期：竺二! ：二： 山东大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 引言 近年来，全社会用电量每年增长均在1 1 1 3 ，对电能的需求处于高速 增长期。目前我国的电力缺口是9 9 3 ，如果不采取措施，到2 0 1 0 年预计将增 至1 5 ，缺电将是不容置疑的事实，部分地区高峰时段供需矛盾会更突出。对此， 中央领导人高度重视，国务院有关部门下发文件，提出科学合理地引导电力消费， 节能降耗，以缓解电力供应紧张的局面。 无功优化是地区电网降损节能的主要措施。据权威调研资料显示，我国的地 区电网损失率水平维持在8 0 左右，和先进的国家相比，落后大约2 码个百分 点，差距非常大。按烟台地区2 0 0 4 年的负荷水平，相当于多损耗3 2 4 亿k w h 的电量。可见无功优化的潜力巨大1 1 i 2 1 。 因此降低电网的运行损耗，通过挖掘电网现有设备潜力，降低运行损耗，对 解决我国电力短缺、对节约能源资源、保护环境有着极其深远的意义。特别是随 着电力市场改革的实施，供电公司通过有效的手段，降低网损，提高系统运行的 经济性，可给供电公司带来更高的效益和利润f 3 l 【4 1 。 我国目前大多数地区电网采用分散调整、就地平衡的方式实施电压无功控 制，比如对1 0k v 母线广泛使用电压无功综合自动控制装置( v q c ) ，但这一装 置缺点较多：仅仅采集一个变电站的运行参数，面向一个变电站的运行控制，不 能实现无功功率分层平衡；容易在一、二级有载调压电网中出现投切振荡；未动 态预算无功补偿设备投入后母线电压值的变化，易造成无功补偿设备投切振荡； 不能动态地按时段分配主变分接开关动作次数；不能实时记录设备动作状态；装 置故障率高，维护量大、费用高。 近几年来，许多电力系统的专家和学者已十分关注和重视全网电压无功优化 运行自动控制的研究和开发，并且，在全国范围内已有一些供电公司正在应用全 网电压无功优化运行自动控制的方法，已取得了很大的社会和经济效益1 5 1 。 全网电压无功优化运行自动控制的方法采集的是某一个时刻的s c a d a 系 统的断面数据，在此基础上进行最优潮流计算。由于此时变电站的运行方式已经 确定，其计算出的目标值仅为该方式下的。因此，必须是在经济的运行方式下， 进行全网电压无功优化才更有意义【6 1 1 7 i 。 1 山东大学硕士学位论文 1 2 本文的主要工作 为解决上述问题，本文中采用先对变电站的运行方式进行优化，然后再进行 潮流计算的方法，以更好地降低电网的损耗。主要的工作有： 一、合理规划和设计 合理的规划设计是电网经济运行的前提。电网是资金和技术密集型的综合工 程，其结构的合理与否对电网的技术性能和经济效益将产生长期影响。 电网结构规划设计的任务是以未来负荷预测水平和电源扩展状况为前提，确 定扩建、改建的变电容量、输电线路及其回路数，使电网结构满足在指定规划年 度内所需要的供电能力，保证负荷用电，运行性能达到应有的技术标准，具备安 全、经济、灵活供电的网络结构，同时使建设和运行费用最小，经济效益最佳。 二、交电站运行方式优化 线路负荷是随时在变化的，通过对线路运行方式的安排，可使线损减小。线 路的综合功率损耗包括线路自身的有功损耗和线路的有功、无功损耗使电网增加 的有功损耗两部分。 变压器在供用电过程中需经过3 5 次变压过程，而变压器自身要产生有功 功率损耗和无功功率损耗，变压器总的电能损耗约占发电总量的1 0 左右。因此， 对变压器降损，也是电网经济运行的重点【8 l o 变压器的经济运行，是在充分利用现有设备条件下，通过调整运行方式，按 照变压器的自身条件来调整负荷分配，在供电量大致不变的条件下，使变压器运 行效率最高，变压器的运行损耗最小，从而使变压器运行最为经济【9 1 。 三、通过最优潮流计算，对全网进行优化 系统通过调度自动化s c a d a 系统采集全网各节点运行电压、无功功率、有 功功率等实时数据，并依据全网历史资料，进行超短期负荷预测计算，以地区电 网电能损耗最少为目标，以各节点电压合格，设备动作次数最少为约束条件，进 行综合优化处理后，形成有载调压变压器分接开关调节、无功补偿设备投切控制 指令，借助调度自动化系统的“四遥”功能，通过调度控制中心自动执行，从而 实现地区电网电压无功优化运行【i o l f l l 】。 本文所述系统的基本思路如图1 所示。 2 山东大学硕士学位论文 图1 系统功能结构图 3 山东大学硕士学位论文 第二章设备选择和运行方式确定 若要在无功电压优化控制中取得最优的结果，必须首先在规划设计阶段合理 选择设备，并在设备投运后，根据电网的负荷水平确定经济的运行方式。 2 1 合理规划和设计 合理的规划设计是电网经济运行的前提。电网是资金和技术密集型的综合工 程，其结构的合理与否对电网的技术性能和经济效益将产生长期影响。 电网结构规划设计的任务是以未来负荷预测水平和电源扩展状况为前提，确 定扩建、改建的变电容量、输电线路及其回路数，使电网结构满足在指定规划年 度内所需要的供电能力，保证负荷用电，运行性能达到应有的技术标准，具备安 全、经济、灵活供电的网络结构，同时使建设和运行费用最小，经济效益最佳。 除应将电源设在负荷中心，减小供电半径外，还应该根据当地的实际情况选区导 线截面积。 2 1 1 选取经济的导线截面积 1 9 9 5 年国家根据我国的具体情况，综合考虑输电线路中导线的总投资额、 折旧、维护、线损等多个因素，制定符合总的经济效益的综合性参数，即经济电 流密度值。 按照1 9 9 5 年国家电力部门规定的标准，我国经济电流密度为( a m m 2 ) ： 表1 导线经济电流密度的国家标准 最大负荷使用时间( h ) 导线材料 3 0 0 0 以下 3 0 0 0 5 0 0 05 0 0 0 以上 铝裸导线，钢芯铝线 1 6 51 1 50 9 铜芯电缆 2 52 2 52 有了经济电流密度，可以非常方便地算出导线的截面积。 由于现行的经济电流密度为1 9 9 5 年的规定，与目前情况有一定的出入。在 现场实际应用中，通过它算出来的导线截面积不一定是最经济的。所以，应该根 据实际情况、按照电流经济密度的公式对导线的截面积进行计算。计算公式推导 如下： 4 山东大学硕士学位论文 年电量损失费用为： e a a x j d a 弓r j j = 3 k r ，2 r t j dx 1 0 4 l ( 3 k r l 2 l p t j d “) 1 0 一 ( 2 _ 1 ) 每年摊销的投资成本： ，2t 吼+ z 。) l z x ( 2 1 ) 每年运行费用( 包括折旧、修理、维护管理费用，与投资成本成正比) ： ，3 畋 ( 2 _ 3 ) 其中， f 1 一年电能损耗费用( 元庳) f 2 一年摊销的投资成本( 元年) f 3 每年折旧、修理、维护管理费用( 元年) a 一年电能损耗电量( k w h ) t _ 一年运行小时数( h ) p 1 一年电能损耗平均功率( k w ) k t _ 一负荷波动损耗系数 j d 一当地综合电价( 元k w h ) 卜- 导线输送的电流值( a ) 旷导线电阻率( q r a m 2 k m ) 卜线路长度( k m ) a i 导线截面积( m m 2 ) g 卜单位长度单位面积线路的造价( 元“r a m 2k m ) ) z o 一与导线截面积无关部分的投资( 元k m ) z x 一每年投资回收率 a 一电力线路年运行费用占投资的比例 对于( 2 3 ) 式，可参照表2 确定。则，每年线路运行所摊销的总成本为： f f 1 + f 2 + f 3 f = ( 3 巧2 l p t j a a c ) 1 0 一3 + ( 1 + 口) c q + z o ) l z z ( 2 4 ) 由( 2 4 ) 式可知，f 是a l 的函数，对a l 求导，可求出最小的导线截面积为： 5 山东大学硕士学位论文 l 黑 又由于电流密度为j ；，4 ，所以，经济电流密度为 一一酷 表2 电力线路年运行费用占投资的百分数( ) 线路种类折旧费维修费维护管理费综合费用 木杆架空线81 4 1 3 铁塔架空线4 50 527 钢筋混凝土架空线4 50 527 电缆线路 3 50 526 从规划的角度出发，只要杆型、档距、金具、经济能力等条件允许，或在同 一的杆型、档距、金具条件下，尽量选择大的截面积导线。这样，随着时间的推 移，用电负荷的不断增大，大截面积导线的效益将越来越明显，有利于电网的经 济运行。 当然，导线截面积选取后，还需按照允许载流量、电晕( 电缆线路除外) 、 机械强度、电压损耗等进行校验。 2 1 2 确定经济的主变容量和型号 变压器容量的选择至关重要：容量选择小了，不能满足负荷增长的要求；容 量选择大了，在负荷较小的时候，变压器空载损耗所占比例较大，起不到降损的 要求【1 2 1 。 变压器综合功率损耗是指变压器自身的有功功率损耗和它的有功、无功功率 损耗使电网增加的有功功率损耗之和。计算公式如下( 以双绕组变压器为例) p z lap+k q q + kp 厶p 6 p z p o z + i p8(2-7) p oz p 4 + k 口qb + kp p o p 2pr+kq qx +kept(2-8) 6 山东大学硕士学位论文 年电量损失费用为： f 、= p z t jd 式中 p 搬压器综合功率损耗( k w ) p 0 r 变压器综合功率空载损耗( k w ) p k r 变压器综合功率额定负载损耗( k w ) k o 一无功经济当量( k w k v a r ) k p 一有功经济当量( 1 【w k v a r ) b 一平均负载系数 f l 一年电能损耗费用( 元，年) 卜年运行小时数( h ) j 。厂当地综合电价( 元k w h ) 在对变压器年损失费用进行计算后，还要计算变压器年投资成本及年运行费 用，使它们之和最小，即可确定最经济的变压器容量。 合理选择变压器型号也是有效降低变压器损耗，提高变压器运行经济性的重 要手段。比如，s 9 与s 7 系列变压器相比，空载损耗平均降低1 0 ，负载损耗平 均降低2 5 。为了节约能源、推广新技术产品，国家已于1 9 9 8 年3 月明令在当 年年底停止生产和淘汰s 7 和s l 7 系列产品，推荐s 9 系列为更新替代产品。 在s 9 系列的基础上，通过改进结构设计，选用超薄型硅钢片，进一步降低 空载损耗，已经开发出s l l 系列变压器。目前$ 1 1 系列变压器的空载损耗比s 9 系列降低了3 0 。 为了降低变压器空载损耗，采用高导磁率的软磁材料，还可以将非晶态合金 应用于变压器，制成非晶态合金铁心的变压器。 非晶态合金引起的磁化性能的改善，其b h 磁化曲线很狭窄，因此其磁化 周期中的磁滞损耗就会大大降低，又由于非晶态合金带厚度很薄，并且电阻率高， 其磁化涡流损耗也大大降低，据实测，非晶态合金铁心的变压器与同电压等级、 同容量硅钢合金铁心变压器相比，空载损耗要低7 5 8 0 。空载电流可下降 8 0 左右【1 3 i 。 目前国内已有生产厂开发矩形铁心截面的卷铁心单、三相变压器，绕组采用 矩形形式。这种变压器铁心窗口填充系数和油箱的利用率较高，同时也解决了变 7 山东大学硕士学位论文 压器的维修问题。国内生产的1 0 k v 、6 3 0 k v a 及以下卷铁心变压器，其空载损耗 比s 9 系列变压器下降3 0 ，空载电流比s 9 系列变压器下降2 0 。 2 1 3 配置无功补偿设备 2 1 3 1 无功对电压的影响 系统的无功功率对电压影响极大，无功功率不足，将引起电网电压下降，而 无功过剩将引起电网电压偏高。合理调整变压器分接头，是提高电网电压水平的 一种调压手段，但其作用仅仅是通过改变电网中的无功潮流分布来提高局部的电 压水平【1 4 】。当电网无功功率不足时，这种调压方式只能起到“拆东墙补西墙” 的作用。要想维持整个系统的电压水平，除了必须有足够的无功补偿容量，实行 无功分区、分压就地平衡外，还必须要有足够的无功备用容量，以便保证负荷增 加后的电压质量。下面说明无功与电压损耗的关系。 当电网传输功率时，电流将在线路、变压器阻抗上产生电压损耗u 。以线 路为例，其关系式如下： u l _ ( p g + 则) u ( 卜1 0 ) 当线路安装无功补偿容量为q c 的无功补偿装置后，线路电压损耗变为( 假 设通过调压使线路补偿后运行电压不变) au 25 ( p r + ( q q c ) x ) u 1 ( 1 1 ) 补偿后电压升高的数值为 u 。q c并ut(2-12) 式中 u l 一补偿前的电压损耗( k v ) u 厂补偿后的电压损耗( k v ) p 一线路传输的有功功率( k w ) q 一线路传输的无功功率( k v a r ) q c 一无功补偿容量( k v a r ) u l 一线路首端电压( k r 一线路等效电阻( q ) 8 山东大学硕士学位论文 x _ 一线路等效电抗( q ) 由上式可知，无功功率的变化，将引起电压降的变化。由于安装无功补偿， 就地平衡了无功功率，减少了无功功率在电网中的传输，相应地减少了线路的电 压损耗，提高了电网的电压质量。 2 1 3 2 无功对线损的影响 在电网运行中，因大量非线性负载的存在，它们除要消耗有功功率外，还要 消耗一定的无功功率。负荷电流通过线路、变压器将会产生功率损耗。 等ri 蔗月 岬。， a q _ 等ji 蒜z 旷， 由上式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与负荷功 率因数的平方成反比。因此，在受电端安装无功补偿装置，实现无功就地平衡， 可以减少电网中无功功率的流动，降低线路与变压器的可变有功功率损耗，从而 降低线损1 1 5 i 1 6 1 。 2 1 3 3 无功补偿容量的选取 通常较为科学的方法是综合运用最优网损微增率准则和等网损微增率准则 解决无功补偿设备的最优补偿容量和最优分布问题：最优网损微增率是衡量无功 最优补偿容量的准则，等网损微增率是衡量无功最优分布的准则。但在现场实际 应用中，由于各种客观原因限制( 如有无间隔、资金、对原有的无功补偿设备的 利用、更改设计等问题) ，没有采用这种方法。一般情况下，本着“分层、分区、 就地平衡”的原则，在新建、扩建的变电站站内直接安装无功补偿设备，进行就 地补偿1 1 7 】f 1 8 l 。补偿容量可按下法确定。 以双绕组变压器为例，无功补偿容量的计算公式： q c 皇p ( 喀吼一喀妒：) ( 2 1 5 ) 每年摊销的投资成本： # 但c z “+ z 。) z z ( 2 _ 1 6 ) 加装无功补偿后每年节省的电费： 9 山东大学硕士学位论文 ，21 鲥z j d a 己t j d 最。( ( 1 + k ，) a p + k o a q ) t j 4 ( 2 _ 1 7 ) a p = 巧0 2 丙1 一而1 ) 昂 ( 2 _ 1 8 ) 班巧专2 击一去) 级 ( 2 _ 1 9 ) 加装的无功补偿设备使无功损耗降低，由于无功损耗的降低，又可以减小无 功补偿容量，这样每年减少的投资摊销成本为： e - a q z a z x ( 2 2 0 ) 为使公式简单化，每年无功补偿设备的折1 日费、小修费、维护费在此处略去 不计，在实际应用中，可按相关规定计算。上述公式中， f 1 一年摊销的投资成本( 元年) f 2 _ 一年电能节省费用( 元年) f ，一年无功功率的节约减少的投资成本( 元年) a a z - - - 年综合节电量( k w h ) t 一年运行小时数( h ) 卜节约的有功功率( k v 0 q 一节约的无功功率( k v a r ) k t - - - 负荷波动损耗系数 j 。厂当地综合电价( 元k w ” c o s q ，l 、c o s 0 0 2 一加装无功补偿装置前、后的功率因数 z c r 一每k v a r 电容器的价格( 元k v a r ) k p 有功经济当量 k o 一无功经济当量 p k 一变压器额定负载损耗( k v o q - ( 一变压器额定负载漏磁功率( k v a r ) z 口一安装无功补偿装置的附加费用( 元) z x - - 每年投资回收率 则，每年所摊销的总成本为： f lf 2 + e 一曩 ( 卜2 1 ) 1 0 山东大学硕士学位论文 求解以上各式可知，f 是q c 的抛物线函数，对q c 求导，可求出最经济的无 功补偿容量为： 卵而丢妻悲蒜 对于线路可用每1 0 - 3 和鸯1 。代替变压器的毒、骞，层啊推导出补 偿容量。当然，对于较长的线路，还需计算线路的电容和充电功率【1 9 】。 对于一些电压不能满足要求的地区，则不能用上式计算。此时应按照电压损 耗进行计算： 绋一等 式中 u 一需要提高的电压值( v ) u t 一幸i - 偿前线路运行电压值( v ) z 一线路、变压器阻抗( o ) 2 1 3 4 无功补偿装置配置原则 当电网需要增设的确定后，即应按照“全面规划，合理布局，分级补偿，就 地平衡”的总原则，进行合理的配置，以便取得最大的综合补偿效益。具体要求 是： 既要满足全区( 地区或县) 的无功功率平衡，还要满足分区( 供电区) 、分 站( 变电站) 的无功平衡，尽可能地使长距离输送的无功量小，最大限度地减少 功率及电能损耗。 电力部门补偿与用户补偿相结合。掘统计分析，无功功率大约有5 0 消耗 在用户方面，剩下的约5 0 左右消耗在电网的损耗上。因此，电力部门与用户 共同进行补偿是适宜的。 2 2 运行方式安排 电力调度旨在对电网进行组织、指挥、指导和协调，保证电能质量，保持电 力平衡，降低损耗，使电网安全经济运行。在运行中，调度人员应根据电网实际 运行情况，及时、灵活、准确地进行电力调度，合理地安排电网的运行方式，实 1 l 山东大学硕士学位论文 现电网的经济运行。 2 2 1 变压器运行方式安排 变压器在供用电过程中需经过3 5 次变压过程，而变压器自身要产生有功 功率损耗和无功功率损耗，变压器总的电能损耗约占发电总量的1 0 左右。因此， 对变压器降损，是电网经济运行的重点。 变压器的经济运行，是在充分利用现有设备条件下，通过调整运行方式，按 照变压器的自身条件来调整负荷分配，在供电量大致不变的条件下，使变压器运 行效率最高，变压器的运行损耗最小，从而使变压器运行最为经济。 在一个变电站中一般有1 3 台，由于改造、扩建，变压器型号、参数必然不 同，运行方式的组合较多，这里仅讨论两台双绕组变压器的经济运行方式。 一个变电站中有两台容量不等的变压器a 和b ( 假设s n a s n b ) ，变电站的 负荷为s 。在保证安全运行的前提下，根据s 的大小，变电站两台主变的运行方 式安排见表3 ： 1 2 表3 两台变压器的运行方式选择 项目运行方式 变压器b 单台运行 变压器a 单台运行 s s 变压器a 、b 两台分列运行 变压器a 、b 两台并列运行 变压器a 单台运行 s s b s k 。 y = 杉k 。；。 k k 。 i 杉m i nk q k 。 幺曲c 幺 q 一 幺 幺。m k ( qc o s 6 f j + 岛s i n 岛) v o , yc o s 6 , f 一岛s i n 6 f j ) 杉。蛔k k q l 曲 q ( q f 一 霉。i n 互 互。 面。 r 因此电力系统呈现了这样的物理特性，既有功功率的变化主要决定于电压相位角 的变化，而无功功率的变化则主要决定于电压模值的变化。反映在雅可比矩阵的 元素上，就是n 及m 二个子块元素的数值n 相对于h 、l 二个子块的元素要小 的多。作为简化的第一步，可以将它们略去不计。算法的进一步并且也是很关键 的步简化是基于在实际的高压电力系统中，下列的假设一般都能成立： 线路两端的相角差不大( 小于1 0 度2 0 度) 与节点无功功率相对应的导纳q 以b 通常远小于节点的自导纳b i j ，也即 q i u z i b i 通过这一步简化，上述二式中的系数矩阵b 及b ”系由节点导纳矩阵的虚 2 5 山东大学硕士学位论文 部所组成，从而是一个常数且对称的矩阵。 为了加速收敛，目前通用的快速解耦法又对b 及b ”的构成作了下列进一 步修改。 ( 1 ) 在形成b 时略去那些主要影响无功功率和电压模值，而对有功功率 及电压角度关系很少的因素，这些因素包括输电线路的充电电容以及变压器非标 准变比。 ( 2 ) 为了减少在迭代过程中无功功率及节点电压模值对有功迭代的影响， 将式右端u 的各元素均设为标么值1 0 ，也即令u 作为单位阵。 ( 3 ) 在计算b 时，略去串联元件的电阻。 于是，目前通用的快速解耦潮流算法的修正方程式可写成： a p u = b a0 q ，u = b ”a u 快速解耦法的程序框架图如下： 2 6 图5 快速解耦法的程序框架图 山东大学硕士学位论文 3 4 6 电压无功优化控制模型 辐射电网电压无功控制模型需要考虑到1 天2 4 小时内电网中所有变电站二 次母线电压尽可能接近给定值( 1 0 1 0 u ) ，同时电网网损尽可能小。除了各节点 电压的上、下限约束外，由于频繁调节变压器的分接头和投切电容器会降低他们 的寿命期望值，约束条件中还应当考虑到最大允许变压器分接头调节次数和电容 器投切次数。辐射电网电压无功控制模型如下： 山商唼，l + j 2 + j 3 “” ( 卜8 ) 式中，n 为电网中同时具有有载调压变压器和电容器的变电站个数。满足约束条 件： 乙，善i t a e t a p , 一- i 墨k r n c 一陇一x “k k c l v , 7 k ：1 5 | k ：m a xl l 旷蚓q 吲q i “l 公式( 3 8 ) 中：j 1 是为了保证一天2 4 小时内某变电站二次母线电压尽量 可能保持在给定值( 1 o 一1 0 7 p u ) 附近；j 2 是为了保证流经主变无功潮流尽可能 小，从而主变网络损耗得到降低；j 3 是为了使得变压器分接开关动作次数尽可能 小；j 4 是为了使得电容器动作次数尽可能小。 硬约束条件包括1 1 个变电站的变压器分接头一天最大允许动作次数k t ，电 容器最大允许投切次数k c ，节点电压限制，即所有节点( 根节点除外) 电压都不能 越上限v m a x ( 1 0 7 p u ) 和下限v m i n ( 1 o p u ) ，主变无功潮流允许并实现倒送不超过 某一指定值。 3 4 7 灵敏度计算分析 灵敏度指以状态变量表征的系统运行状况对控制变量和扰动变量的变化的 敏感性程度，灵敏度分析是专家系统的辅助决策不可缺少的手段【3 8 i 。 1 节点无功变化对系统网损的灵敏度 对于无功优化问题，必须求得配电网中节点无功变化对系统有功网损的灵敏 2 7 山东大学硕士学位论文 度系数，选灵敏度较高的节点作为无功补偿的候选投切点，从而尽可能从降低线 损的角度来控制设备动作。 系统的总有功网损为： p 善k 荟_ ( 嘭c o s + 岛s i n 6 一j ) ( 3 - - - 9 ) 由式( 3 9 ) 和潮流方程得节点无功变化对系统网损的灵敏度为 o e o q , ；( a p a v ) ( a v o q , ) + ( a e o o ) ( a , v o q , ) ( 3 1 0 ) 式( 3 1 0 ) 中 q 一一节点注入无功 y 一一节点电压幅值 6 一一相角 进行变化得 o e o v r 嵋, 膨o vo 别o , 叫o v l o e o e o i o oo e o q 】 ( h 1 ) ill 嵋的d q j a 6j |j 7 于是可得 麓 i o 蝴p , o v 6o 蚋q o v j 眇 o p o v 习 ( 3 _ 1 2 ) 最后得 0 1 训嘞a e a v 】 ( 3 - 1 3 ) 对系统第i 个节点，有 o p a v ；2 qc osj。(3-14) a p a 6 i 。一2 v ,s i n 6 。 j舶为灵敏度矩阵，,善坦rj中g,j的各元素可由牛顿一拉夫逊法潮流计算中的(雅3-可1比5)s 矩阵求得。在求得各节点的灵敏度系数后，按灵敏度从高到低依次选取设备进 行操作。 2 节点无功变化对节点电压的灵敏度 很显然，在电压无功控制中，投切电容器、电抗器必将引起电网中各节点电 2 8 山东大学硕士学位论文 压的变化，为了控制的正确性，必须知道节点无功变化对电网中节点电压的灵敏 度。 由潮流方程： 褂e 名蝴 即回 式( 3 1 6 ) 为用传统牛顿法求解潮流时所用的雅可比矩阵，令有功注入保持 恒定，即式( 3 1 6 ) 中的a p 0 ，得 a v ；【，。，一j q 6 ，：，力】- 1 q( 3 1 7 ) 令 s q ，。【，口，一j q 6 ，。- 1 ，】- 1 ( 3 - 一1 8 ) 则 矿2rq(3-19) 其中s 。，为q v 灵敏度矩阵，其元素岛表示p q 节点j 处的无功功率注入 变化一个单位时，节点i 处的电压幅值的变化量。 实际上，考虑到高压配电网的特点，吼数值上一般在g o 的数值的2 3 倍 左右，所以可以近似认为g # 岛，s q v 可以简化为如下： so，一-b”】_1(320) 口”矩阵为p q 分解法修正方程式中的口”矩阵。 分析灵敏度矩阵，可得出以下结论：若调高分接头位置，那么，其调高一侧 的电压提高；而另一侧电压降低。在任一负荷节点处投入并联电容器，则将引起 所有负荷节点的电压升高，其中对无功增量注入点的电压影响最大。调节最末端 变电站的无功补偿对网损影响最大，而比较同节点无功注入对网损的影响主要取 决于各自线路所带负荷的大小或线路参数，当线路所带负荷较重时，在该线路上 补偿无功对线损的影响较大，反则反之。各节点无功补偿对全网各节点电压及网 损都有影响。 3 5 接口a p i 实现方法 处理好控制系统与调度自动化系统的数据采集、控制指令接口问题，是保证 操作指令可靠地执行，达到实用化运行的重要环节。 2 9 山东大学硕士学位论文 借助于调度系统自动化系统的数据采集与遥调、遥控功能，不必增加硬件设 备，只要处理好本系统与调度自动化系统的数据采集、控制指令接口问题，就能 实现全网电压无功优化集中控制功能，使得该控制系统既依赖于调度自动化系 统，又独立于调度自动化系统。 采用基于i e c6 1 9 7 0c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) 和d c o m c o r b a 组 件的标准应用接口( a p i ) ，以实现与其它应用系统( s c a d a 采集系统、e m s 系统( 包括状态估计、负荷预报) ) 的方便连接，获取和发布信息、共享资源、 提高现有自动化系统的使用效率。 本控制系统接口程序首先与调度自动化控制系统进行握手，当握手成功后， 本控制系统接口程序按一定的时间间隔向主站系统发出数据交换请求，主站系统 立即将实时数据按双方接口通信协议进行打包，再将每个包发送到本控制系统， 本控制系统接口程序将收到的数据包按双方接口通信协议进行解析，解析后将数 据转换到数据库中，同时将控制指令按双方接口通信协议发送调度自动化控制系 统，调度自动化控制系统收到控制指令后，将执行结果也是以双方接口通信协议 返回到本系统，从而实现了本系统与调度自动化控制系统之间的数据交换。 3 6 数据库管理功能 随着电网规模、设备容量及复杂性的不断变化，自动化采集任务变得越来越 复杂。系统运行时，网络中( 包括厂站) 的各类保护和自动化设备将产生大量的 原数据，若将这些数据全部转发过来，不仅没有必要，还增加了系统运行负担。 本系统应采用e m s 的状态估计结果进行计算，其数据库中仅需有开关、电容器、 变压器的相关信息即可，不需有刀闸的信息。 但是，如此并不能解决最根本的问题。由于自动化采集的刀闸位置后至决策 下发变电站r t u 开始遥控或遥调期间，刀闸运行位置发生了变化，就可能导致 计算结果与实际“失之毫厘，谬以千里”。根据这样的决策进线调整进线，不仅 不能降低线损、改善电压，还有可能造成电网事故。因此，数据库中必须有刀闸 信息。在下发遥控、遥调指令前，不仅对开关的状态进行比较，还需对刀闸的状 态进行比较。若不符，必须中止指令，并音响报警，进入人工干预。 数据库中还必须有设备统计信息。如设备缺陷统计等等，避免遥控、遥调失 败。 山东大学硕士学位论文 同时，必须保存有设备调整次数的上限，避免频繁调整，延缓设备寿命。 为了使自动化系统能在线地对网络拓扑和设备操作进行实时的跟踪分析，需 要采用计算机技术和人工智能方法来对大量有效原始数据进行分析、综合、修改， 为系统运行提供正确信息。 本系统可利用本身的判断和现场工作人员的运行经验完成实时信息处理任 务，并与调度人员及管理人员通过友