（电力系统及其自动化专业论文）变电站电压无功控制策略研究.pdf

声明尸明 j f 舢删 y 17 8 611 1 1 l i l h i i i i i 。 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站电压无功控制策略研究， 是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，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： 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：衄 日 期：2 竺丝叁区! p 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着经济发展和人民生活水平质量的提高，人们对电力的需求日益增长，同时 对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。电压是衡量电能质量的一个重要指 标，而网损也是电力企业的一项重要经济指标。地区电网全局电压无功优化控制系 统是以提高电压合格率，降低网损为目标，从全局角度出发对地区电网进行优化， 得到变压器分接头档位以及并联补偿电容器投切的方案。 本文在着重分析实际工作中常用的传统九区图控制策略的基础上，提出了全新 的九区图五区图组合控制策略，既可减少控制设备的频繁操作，又可保证全网电压 的质量和全网潮流的最优分布。 关键词：电压无功控制，无功优化，九区图，五区图，组合控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n g q u a l i t y , t h en e e do fp o w e rs u p p l yi si n c r e a s i n gq u i c k l y , w h i l et h er e l i a b i l i t ya n d q u a l i t yo fp o w e rs u p p l yp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s v o l t a g ei sam e a s u r eo f p o w e rq u a l i t yi s a ni m p o r t a n ti n d i c a t o ro ft h ep o w e rl o s si sam a j o re c o n o m i c i n d i c a t o r so fe n t e r p r i s e s g l o b a la r e an e t w o r kv o l t a g ec o n t r o ls y s t e mi st o e n h a n c ev o l t a g ec o m p l i a n c er a t ea n dr e d u c ep o w e rl o s sa st h eg o a l f r o mt h eg l o b a l p o i n to fv i e wt oo p t i m i z et h er e g i o n a lp o w e rg r i d ，b yt r a n s f o r m e rt a ps t a l l sa n d p a r a l l e lc a p a c i t o rs w i t c h i n gs c h e m ec o m p e n s a t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ep r a c t i c a lw o r ki nt h et r a d i t i o n a ln i n e - a r e ac o m m o n c o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do nt h en e wn i n e - a r e af i v ez o n e sc o m b i n e dc o n t r o l s t r a t e g i e sc a nr e d u c et h ef r e q u e n c yo fo p e r a t i o no fc o n t r o le q u i p m e n t ，b u ta l s ot o e n s u r et h ew h o l en e t w o r kv o l t a g et h et r e n do fq u a l i t ya n do p t i m a ld i s t r i b u t i o no ft h e w h o l en e t w o r k c a oy a x u ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l , r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n ，n i n e - z o n e t h e o r y , f i v e - z o n et h e o r y , c o m b i n a t i o no fc o n t r o l 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 弓i 言”“”“”“1 1 2 变电站无功电压控制的现实意义3 1 3 变电站电压无功控制的研究现状4 1 3 1 电压无功控制方式4 1 3 2 变电站电压无功控制策略5 1 3 3 实现方式8 1 4 本论文的主要工作8 第二章变电站电压无功控制策略9 2 1 引言一9 2 2 电力系统的无功损耗及无功特性9 2 2 1 电力系统的无功负荷及无功损耗9 2 2 2 电力系统的无功特性1 0 2 3 电压调整的基本概念1 l 2 3 1 电压允许偏移1 1 2 3 2 中枢电压监测点的电压管理o o qo o o 1 2 2 3 3 电压调整的复杂性1 2 2 3 4 有载分接头调整和电容器投切对高压侧电压的影响1 3 2 4 电压无功控制补偿的目标1 4 2 5 变电站电压无功控制的基本原理1 5 2 6 变电站电压无功控制应满足的约束条件1 6 2 7 变电站电压无功控制的数学模型1 7 2 8 变电站电压无功的典型控制策略1 8 2 9 本章小结2 0 第三章基于五区图的变电站电压无功控制策略2 l 3 1 引言2 1 3 2 控制思想的引入0 0 00 00 2 l 3 2 1 九区图的控制原理与分析2 l 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 2 2 九区图控制策略存在的问题2 l 3 3 五区图的控制原理与分析2 2 4 五区图的控制边界和控制区2 3 3 5 五区图的操作模型2 4 3 5 1 双参数调节的五区图操作模型2 4 3 5 2 引入计及调节增量思想的五区图操作模型2 5 3 6 五区图控制原理的优点2 7 3 7 五区图控制策略存在的问题o o oo o e 2 7 3 7 1 启动动作区2 7 3 7 2 电容( 感) 特性参数2 8 3 7 3 无功及电压的死区，2 8 3 7 4 新的定值规范o o d oooo o o o q oooooooooooooobo0000000 0 0 2 8 3 7 5 以九区图作为比较对象g o o oooq m q 0 0 0o o o 2 8 3 8 本章小结2 9 第四章面向全网无功优化的变电站电压无功控制策略3 0 4 1 引言3 0 4 2 全网无功优化的数学模型3 0 4 2 1 目标函数3 l 4 2 2 约束条件i q oo o o 3 1 4 3 全网无功优化思想的引入3 2 4 4 系统整体设计思路3 4 4 5 变电站电压无功控制整定计算的基本思路3 4 4 5 1 电压上下限的确定原则3 4 4 5 2 无功上下限的确定原则3 5 4 6 九区图与五区图的组合控制策略3 5 4 7 组合控制策略下变电站无功控制策略的实施3 7 4 8 本章小节”o o 0 0 0 3 8 第五章面向全网无功优化的变电站电压无功控制应用实例3 9 5 1 应用软件开发环境3 9 5 2 某一小配电网无功补偿配置的情况3 9 5 3 仿真结果及分析4 l 华北电力大学工程硕士学位论文目录 5 4 优化结果的验算4 3 5 4 1 电容器的投切情况4 3 5 4 2 降低有功网损的验证4 3 5 4 3 优化结果的潮流程序验证4 4 5 4 4 电压无功限值的验算4 4 5 5 变电站电压无功控制的主要功能和特点4 4 5 6 变电站电压无功控制的其它功能0 0 0 000000 oqo0 0 0 4 5 ， 5 6 1 分接头自动调平功能e 0 0 0 o0 00 4 5 5 6 2 电容器循环投切功能0 0 0 000o q o 4 5 第六章结论和展望4 6 6 1 结论”“”一”4 6 6 2 展望”一”4 7 参考文献4 8 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电压是衡量电能质量的一个重要指标电压偏移过大时，会影响工农业生产产 品的质量和产量，影响用电设备的寿命和效率，甚至危及电力系统运行的稳定性， 引起“电压崩溃 ，造成大面积停电。一般情况下，造成电压质量下降的主要原因 是系统无功功率不足或无功功率分布不合理，电压调整与无功功率平衡有着密不可 分的关系。因此调整系统电压在合格范围内，控制无功潮流的合理平衡，对提高供 电质量，保证系统安全、可靠和经济运行均有着重要的意义。 我们知道，如果无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送，就会在所经 环节中产生电压损耗。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、中间环节越多，引起的电压降也就越大，负荷端的电压也就越低。 合理的无功分布既可保证电网的电压质量又可降低电网的有功损耗【i 】。 电力系统中的无功需求主要是异步电动机的无功负荷、变压器和线路的无功损 耗，无功电源则由发电机及无功调节补偿装置( 如同步调相机、静电电容器，电力 电抗器以及静止补偿器等) 提供，异步电动机在电力系统无功负荷中所占比重很大， 其功率因数为0 6 0 8 。变压器的无功损耗在系统无功需求中占有相当大的比重，一 般达到其额定容量的6 一1 7 。线路电抗消耗的无功与运行电压等级和状态有关， 3 5 k v 及以下架空线路的充电功率甚小，且总是消耗无功功率。l1 0 k v 及以上架空线 路当输送功率较大时，电抗中消耗的无功功率大于其电纳中产生的无功功率而成为 无功负载；当输送功率较小时，电抗中消耗的无功功率小于电纳中产生的无功功率， 则线路成为无功电源。无功功率本身虽然不消耗能量，但是无功功率的传输却造成 电压波动，引起有功损耗，当系统无功功率不足时将产生电压水平下降，有功损耗 增加的恶果。 由电压损耗算式a u = ( p r + q x ) u 可见，在电网阻抗足十弘和电压u 确定的情 况下，电压损耗c 厂与传送的有功功率p 和无功功率q 成比例关系。又当输电线路 参数足 ( 试行) 中指出：a 、电压是电能质量的重要指标，电压质量对电力系统的安全经济运行、 对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与使用寿命有着重要的影响。 b 、电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件，有效控制和合理 的无功补偿，不仅能有效保证电压质量，而且能提高电力系统的稳定性和安全性， 降低电能损耗，充分发挥电能的经济效益。 从宏观上讲，目前的无功优化可分为两大类：一类是变电站电压无功综合控制 ( 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 lv q c ) ，它是利用有载调压变压器和并联补 偿电容器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，以保证负荷侧母线电压在规定范 围内，以及保证进线功率因数尽可能接近l ；另一类是全网无功优化，考虑全网范 围内所有无功电压控制设备以全网网损最小为目标函数进行定量的优化调度。 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。 实时监控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，如果发现母线电压或无功功率超越限值，就立即根据一定的规则调 节有载调压变压器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 通过无功优化可以实现无功功率的优化调度，改善系统的电压质量和电网稳定 性，减少电能传输损耗，降低运行成本和提高稳定运行水平，保证有较宽的运锰裕 度。 2 1 2 变电站无功 目前，由于电 发电机的自动电压 电网中安装有载调压变压器和并联电容器组等设备，成为变电站调压的主要手段。 有载调压变压器可以在带负荷条件下切换分接头，改变变压器的变比，从而起 到调整电压、降低损耗的作用。而合理地配置无功功率补偿容量，可以改变网络中 的无功潮流分布，改善功率因数，减少功率损耗和电压损耗，从而改善用户的电压 质量。 在传统的控制方式下，变电站电压无功控制方式是由运行人员根据系统调度部 门下达的电压无功控制调整指令手动自行调整，这不仅增加了值班人员的劳动强 度，而且难以达到最优的控制效果，地区电网调度需要监视很多电压监测点的电压， 工作量大且难以保证电压能够及时调整。统计郑州供电公司2 2 0 k v 人民变电站0 4 年 至0 8 年有关调整电压的倒闸操作平均每个月达到3 6 8 次，大大增加了变电站运行值 班人员的工作量。 随着郑州地区运行模式的变化，l l o k v 变电站全部实现无人值班，无人值班变 电站的建立，使得上述传统的控制方式更不能满足实际的要求。 o 降低电力网络中的电能及电压损耗有两类主要的方法： 1 ： 一、减小网络中各个元件的阻抗。在实践中可以通过采用低损耗变压器、加大 电力线路导线截面积等办法来实现。 二、减小网络传输的总功率。在有功功率无法减小的情况下，应该尽量减小无 功功率在网络中的传输，这在实践中要通过进行无功电压优化控制来实现。 上面所述的第一类方法需要有大量的投资，实质上就是对电网进行改造，需要 大量的资金做保障。第二类方法即进行无功电压优化控制，在实践中是一个投入小 而又切实可行的方法。电力系统无功电压优化控制就是在保证系统安全可靠运行的 前提下，根据不同负荷水平，控制电力系统中已有的无功补偿设备，促使无功功率 在网络中合理流动，一方面保证供电电压质量，满足系统运行的安全约束，另一方 面使有功损耗尽量降低，满足对运行经济性的要求。进行无功电压优化控制的必要 性如下： ( 1 ) 我国的电力调度中一直存在重视有功调度轻视无功调度问题，因而存在大 量无功功率在电力系统中流动，增加了网络中的有功损耗，又影响了电压质量。 ( 2 ) 随着我国电力系统自动化水平的日益提高，统合自动化系统得到迅速发展， 而无功电压优化控制正是综合自动化的一项重要内容，是保证电网经济运行的一种 重要手段。通过无功优化控制，可以在不增加l 设备的情况下，达到提高电网的功率 因数、保证电压质量、促使无功合理流动从而降低损耗、提高供电企业经济效益、 3 华北电力大学工程硕士学位论文 节约能源的目的。 ( 3 ) 在实际工作中，由于缺少科学的无功优化控制策略，各个变电站仍然凭着 经验控制有载调压变压器分接头和投退并联电容器，使电网的无功和电压得不到很 好控制，增加了电网有功损耗，降低了电能质量。 ( 4 ) 大部分变电站，不但对电压质量要求比较高，况且峰、谷负荷差较大，增 加了电网的无功消耗，降低了电网运行效率。这就要求我们要重视无功控制优化。 1 3 变电站电压无功控制的研究现状 1 3 1 电压无功控制方式 z - 目前电力系统对电压无功的控制有三种调控方式，第一种是分散控制，即对无 功和调压设备进行就地控制，这种控制的方式避免了无功功率经长途输送流经各级 输变电设备所造成的功率损耗和电压降落，是目前普遍使用的一种控制方式。第二 种是集中控制，即集中由调度中心的计算机对各个配电中心的电压和无功设备进行 统一控制。第三种是分级电压无功控制关联分散控制，这种方法将电力系统的无功 功率和电压自动控制按空间和时间从功能上分成三个不同的层次，即一级、二级和 三级，每一级都有其独立的控制目标，分级电压控制思想可以把一个较大规模的电 力系统分割成多个子区域，只需分别对各个子区域进行电压无功优化控制就能实现 对整个电力系统的无功优化控制。日前分级电压控制研究还在初级阶段，没有形成 系统的分析和设计方法。 a ) 分散控制方式 。 分散控制是指在各个变电站中，自动调节有载调压变压器的分接头位置或其它 电压调节器，控制无功功率补偿设备( 电容器、电抗器、调相机、静止无功补偿器 等) 的工作状态使得当负荷变化时，该地区的电压和无功功率保持在规定的范围 内。 分散控制不易实现全系统的最优控制，但它可以实现局部的优化，对提高受控 站供电范围内的电压质量和降低局部网络变压器的电能损耗，减轻值班员的操作是 很有价值的v q c 装簧的调节控制是基于给定的电压无功上下限，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。 b ) 集中控制方式 集中控制是指通过调度自动化系统，采集包括各变电所等中枢点的电压、无功、 变压器分接头位置、无功补偿设备开断、投入状态等状态量和数字量，然后由调度 中心的区域电压无功优化分析软件( a v e ) 计算出全网最优的无功分布，利用分散安 装在各厂、站的当地电压无功调节装置( 如v q c ) 或控制软件对各个配电中心的调压 设备和无功补偿设备进行统一控制，并调整无功补偿设备的开断和投入以及变压器 4 华北电力大学工程硕士学位论文 的分接头位置，以较短的时间调整系统中枢点的电压，使偏离值减小。 其缺点是应用软件复杂，通信通道要求高，通信技术性能要求高，增加了调度 员负担，功能过于集中，控制风险增大。由于国内或同一地区的变电站自动化水平 层次不一，实现全系统的电压无功集中优化控制有相当大的难度。集中控制是通过 调度中心对各个调压设备和无功可控设备实施电压无功综合在线控制，在满足负荷 需求和保证系统电能质量的条件下使系统网络损耗最小。理论上讲，这种控制方式 是保证系统电压正常，提高系统运行的安全性和经济性的最佳方式，被认为是电力 系统调度控制发展的最高阶段。 c ) 分级关联分散控制方式 分级关联分散控制方式，即以变电站为中心，根据上级调度事先规定的母线电 压允许数值和该变电站与系统交换无功功率的允许范围，由安装于该站的电压、无 功综合控制单元根据该站的实时运行情况，对有载调压变压器的分接头位置和并联 电容器组进行优化自动调节，以维持其母线电压和无功功率在允许的范围内，需要 时也可由调度直接下达命令进行调节。 1 3 2 变电站电压无功控制策略 目前在变电站中用以指导电压无功控制的控制策略有以下几种： a ) 一九区控制策略【2 】 在变电站的电压调节中，传统的方法是按电压上、下限u m a x 、u m i n ，无功上、 下限q m a x 、q m i n 或功率因数上、下限将运行区域划分为九个区，如图1 - 1 所示， 根据九区间进行控制 u 图1 - 1九区控制区域图 ( 1 ) o 区：电压、无功均合格，不进行控制； 5 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) l 区：电压合格，无功越上限，发投入电容器组指令： ( 3 ) 2 区：电压越下限，无功越上限，先发投入电容器组指令，再发升变压器分接头 指令； ( 4 ) 3 区：电压越下限，无功补偿合格，发升变压器分接头指令； ( 5 ) 4 区：电压越下限，无功越下限，先发升变压器分接头指令，再发切除电容器组 指令； ( 6 ) 5 区：电压合格，无功越下限，发切除电容器组指令； ( 7 ) 6 区：电压越上限，无功越下限，先发切除电容器组指令，再发升变压器分接头 指令： ( 8 ) 7 区：电压越上限，无功补偿合适，发下降变压器分接头指令； ( 9 ) 8 区：电压越上限，无功越上限，先发下降变压器分接头指令，再发投入电容器 组指令； 利用九区图进行控制的方法简单、易行，一直以来被广泛所采用。但其中存在 着明显的不足：该控制策略图中无功和电压的边界是固定的，控制没有考虑电压和 无功的相互影响，更没有考虑电压和无功的变化趋势。例如当运行点处于5 区但靠 近0 区的边界上，属于无功越下限，应发切除电容器指令，但切除电容器有可能引 起运行点进入3 区，继续不满足要求，而此时完全可以不进行控制或根据无功、电 压的趋势进行控制，从而减少了误操作和调节次数因此，九区控制方法不能适应 实时电压、无功负荷的随机变化，控制效果不佳。 鉴于上述存在的问题，有人提出一种改变九区边界的调控方法，它是将电压引 入无功判据中，建立数学模型站5 口i 急+ 口2 罢，其中为标准电压，为电容 器动作的判别量，“为实时电压，蜴为每组电容器容量，q 为实时无功，a l 、a 2 为 权重系数，动作条件判据为l 该方法根据数学模型，建立电压与无功的关系，是对将电压、无功隔离开来出 来的九区控制方法的改进，但a l 、a 2 如何确定也是较难处理的问题。 b ) 十七区图控制策略 在实际的变电站电压无功控制的应用中，使用比较广泛的是十七区图控制策 略，其调节 ， 策略如下图1 - 2 - 。 6 一一 华北电力大学工程硕士学位论文 ，uu i：aqq 区域1区域2 ： 区域3：眨堞d 区域5 、 区】或t i a u qauq 掣! 睁i i 、 v 对 区域8 区域l o 一一氐一一 面弓w i 7 弋令 区域1 21 乙 v 区域1 3 乓垦堕! 兰 区域1 5 。巨垫竺争| 区域1 7 1 ：o： 图1 - 2 十七区控制区域图 图中，v 。为变压器分接头调节一档引起的电压最大变化量；阢为投切一组 肾 电容器引起的电压最大变化量；q 为变压器分接头调节一档引起的无功最大变化 量；q 为投切一组电容器引起的无功最大变化量。 。 图1 - 2 中，区域9 为正常运行区域，每个指向正常区域的箭头代表一种调节方 案。调节策略为：当u ，q 值处在区域3 ，8 ，l o ，1 5 中时，系统的调节方案有2 种； 当u ，q 值处在区域1 ，4 ，5 ，6 ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 7 中时，系统的调节方案易于理解， 电压越限调节分接头( 区域4 ，1 4 ) ，无功越限投切电容器( 区域6 ，1 2 ) ，两者都越 限( 区域l ，5 ，1 3 ，1 7 ) ，则综合考虑，当u ，q 值处在区域2 ，1 6 中时，电压越限， 无功正常，按一般考虑，应该调节主变分接头，但由于无功值接近异常的临界值， 调节分接头将引起无功越限，因此，只能投电容器；当u ，q 值处在区域7 ，1 l 中 时，无功越限，电压正常，原因同上，只能调节主变分接头。 十七区图控制策略在一定程度上考虑了调节分接头与投切电容器之间的相互 影响，比九区图控制方法更接近实际情况，加上其程序设计方便，因而得到了较多 的应用，但其参数q 、u 、q 、g 与变电站实际运行情况有关，它们的确定 一般是根据经验，不易得到其精确数值。 c ) 基于人工智能的控制策略【3 】 ( 1 ) 基于模糊逻辑的控制策略 7 华北电力大学工程硕士学位论文 由于变电站电压、无功的不确定性，有人提出利用模糊逻辑善于处理非线性、 受多因素影响的复杂控制问题的优点，将电压、无功或它们的变化趋势作为输入量， 而将投切电容器组数及变压器分接头档位作为输出变量，建立相应的模糊控制。它 使电压及无功的边界模糊化，这样的控制过程更符合实际情况。 ( 2 ) 基于人工神经网络的控制策略 与利用模糊逻辑解决实际中电压、无功关联问题类似，基于人工神经网络( a n n ) 的控制策略也是在充分考虑了对无功进行预测的基础上实现控制。在无功预测结果 的基础上实现控制，使变压器分接头的调节次数降至最少。 ( 3 ) 基于人工智能的动态规划法 通过动态规划法寻找一组变压器分接头和电容器组投切容量的最优值的一种 方法。 ( 4 ) 基于专家系统的控制策略 对于大型变电站还存在运行方式变化多、控制措施复杂等情况，采用专家系统 处理是一个很好的方法，可以通过软件，模拟专家决策的过程，根据预先的经验和 具体的要求，制定相应的规则库。实际中可以根据不同的运行方式，从规则库中找 到相对应的控制方案。 1 3 3 实现方式 。 变电站电压无功综合控制系统( 简称v q c ) 有多种不同的实现方式，概括起来有 如下三种闱：一是自动化系统后台软件v q c ，这种v q c 依附于变电站后台计算机，是 后台监控系统的一个子模块；二是自动化系统网络v q c ，这种v q c 的核心采用单独 的c p u 装置，但其i 0 设备仍由网络借助自动化系统实现，其本身不带i o 系统； 三是自带输入输出系统的独立v q c 装置，这种v q c 不依赖于其他装置，数据采集 和控制输出都是自身功能的一部分。 1 4 本论文的主要工作 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。基于以上分析 的电压无功优化的发展背景及趋势，本论文的主要工作括l ( 1 ) 研究全网无功优化的各种算法和变电站电压无功调节的策略，将全局优化 与v q c 分散控制的优点结合起来，形成全网无功优化的变电站电压无功控制策略。 ( 2 ) 将全网离散无功优化算法进行实用化，并提出一种变电站电压无功控制范 围的整定计算方法。 ( 3 ) 针对某一地区2 2 0 k v 局部配电网进行全网无功优化计算，并对变电站电压 无功控制动作值进行整定计算。 8 2 1 引言 电力系统的电压是衡量电能质量的重要指标。而系统的电压水平与无功功率状 况密切相关，无功功率的不足或过大都将引起系统电压的下降或上升。电压无功综 合控制对提高电压质量，保证电力系统安全、可靠和经济运行都具有重要的意义。 当前国内外电力系统电压无功调节手段主要有以下两种【5 j ：( 1 ) 通过调整发电机 的励磁和变压器分接头来调节电压水平。( 2 ) 通过改变电网无功分布和输电线路参 数改变电压损耗。 随着电网容量的增大，整个系统的电压无功调节变得复杂和困难，作为电力系 统重要环节的变电站所进行的电压无功调节对于维持局部地区电压稳定和无功平 衡起到了重要作用。但是在电压、无功功率双参数需要调节的情况下，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。因此利用电压无功自 动调节装置可以很好的完成以上功能。 变电站电压无功综合控制的目标是在保证电压合格、无功功率基本平衡的前提 下，尽量减少有载调压变压器、有载分接开关和并联补偿电容器的调节次数。 近年来，变电站中的电压无功综合控制v q c ( v o l t a g ea n dr e a c t i v e p o w e r c o n t r 0 1 ) 已经得到了广泛应用，v q c 对于在负荷和电压波动的情况下向用户提供优 质的电能、最大限度地降低从系统吸收的无功从而降低网损具有重要的意义【6 1 。 各级变电站的调压和无功补偿设备一般是有载调压变压器、电容器或电抗器的 无功电源组。有载调压变压器可以通过调节变压器分接头，使电压始终保持在允许 范围内，从而达到提高电能质量的目的；电容器、电抗器等无功电源的投切可以实 现无功就地平衡以达到降低网损的目的1 7 】。目前，国内许多公司、厂家和科研院所 已经推出了电压无功综合控制装置或在变电站综合自动化系统中内嵌v q c 功能。 2 2 电力系统的无功损耗及无功特性 2 2 1 电力系统的无功负荷和无功损耗 在电力系统的各种用电设备中，除了相对很小的白炽灯、照明负荷只消耗有功功率， 为数不多的同步电机可发出一部分无功功率外，其余大多数用电设备都要消耗无功 功率。因此，无论是工业或农业用户都以滞后的功率因数运行，其值约为0 6 o 9 。 。配电变压器是电网中无功功率的主要消耗者之一，其消耗的无功功率主要包括 9 华北电力大学工程硕士学位论文 励磁无功功率和漏磁无功功率。励磁无功损耗的百分值基本上等于空载电流的百分 值；绕组漏抗中的无功功率损耗，在变压器满载时基本上等于短路电压的百分值。 对于单个的变压器来讲，其消耗的无功功率可能不是很大，而在整个电网中，所有 配电变压器消耗的无功功率是相当可观的。 线路在输配电过程中也要消耗一部分无功功率。对于1 0 k v 的配电线路，其消 耗的无功功率主要是由串联电抗消耗的【引。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平 方成正比，呈感性。线路消耗的无功功率如( 2 - 1 ) 或( 2 - 2 ) 式： d 2 j ，、2 a q l = 3 1 2 x l 1 0 4 z 芋x l x 1 0 3 ( k v a r ) ( 2 一1 ) u n d 2 q l - - 3 1 2 x l 1 0 。3 2 丽l - x l x l 0 - 3 t k v a r ) ( 2 2 ) 式中，a q 。表示线路消耗的无功功率( k v a r ) ； i 表示流过线路的电流( k a ) ： p 表示线路输送的有功功率( k w ) ； q 表示线路输送的无功功率( k v a r ) ； u n 表示线路的额定电压( k v ) ； s 表示线路的功率因数； x 表示线路的电抗( q ) 由式( 2 - 1 ) 或( 2 - 2 ) 可见，线路无功损耗与线路电压的平方成反比，当线路 运行电压偏低时，线路的无功功率损耗就大：线路无功损耗与输送的无功功率的平 方成正比，输送的无功功率越大，线路的无功损耗就越大：线路无功损耗与功率因 数的平方成反比，线路的功率因数越高，无功功率损耗越小。因此，在电网运行中， 无论是无功负荷还是无功损耗都需要消耗无功功率。这些无功功率必须从系统中某 个地方获得，如果无功功率不能很容易传输的话，则需在消耗无功的地方产生，所 以，无功功率的不足，电网中必会有无功缺额，将会造成电压水平下降和有功损耗 增大 。 2 2 2 电力系统的无功特性 实现电力系统在额定电压下无功平衡是保证电压质量的基本条件。电力系统的 运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应该能 够满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额 定值 电力系统无功功率平衡的要求是：系统中的无功电源可能发出的无功功率应该 大于或至少等于负荷所需要的无功功率和网络中的无功损耗。为了保证运行的可靠 性和适应无功负荷的增长，系统还必须配置一定的无功备用容量【们。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 当电网无功功率得不到合理的控制，可能会使大量无功功率流经长的配电线 路，使电网的某些节点运行电压降低：当输送有功功率一定时，由于电压降低，电 流就会增大，从而使线路上功率损耗和电压损耗增加：当电网的无功功率比较充裕， 能满足较高的电压水平下无功功率平衡的要求，电网就能在保持较高电压水平下运 行。因此应力求实现在额定电压下系统无功功率的平衡，并根据要求进行合理的无 功功率控制。 通过分析我们得出：要维持一定的电压水平，必然要求无功功率达到相应的无 功平衡，无功平衡是保证电压质量的基本条件，当配电网中某节点的电压要求较高 时，在无功功率不足的情况下，要维持较高的电压水平是不可能的，这时就必须投 入电容器进行无功补偿，来提高节点的电压质量；当配电网中某节点的电压要求较 低时，将不能充分利用配电网中的可投切电容器，不利于配电网的稳定与经济运行， 因此对不同的电压水平会有不同的电容器补偿方案。 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调整变压器分接头 来解决，但是在系统无功不足时，不宜采用调整变压器分接头调压来解决无功缺乏 的问题。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，该地区所需要 的无功功率也增大了。这就可能扩大无功缺陷，使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综合考虑电压和无功，综合调节。一 般变电站都采用调整变压器分接头，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 3 电压调整的基本概念 2 3 1 电压允许偏移 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。 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：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；l o k v 及以下三相供电电压允许偏移为额 定电压的+ 7 和- 7 ；2 2 0 k v 单相供电电压允许偏移为额定电压的+ 7 和- 1 0 。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 2 中枢电压监测点的电压管理 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，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 该中枢点供电点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 有公共部分在这种情况下，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和地域性特征，因而在各级变电站装设电压无 功控制装置就显得很有必要了。 2 3 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。 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 无功而不能自行补偿时，就必须由联接它的其它线路来补偿，因此这点的电压就必 须降低。反过来，如果这点产生无功过剩，那么它的电压就将升高。网络节点电压 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 和线路中流过的无功功率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 功电源产生的无功。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0 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。 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