基于模糊变中心九区图的变电站电压无功控制系统设计优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 （工程硕士）（工程硕士） 基于模糊变中心九区图的变电站电压无功 控制系统设计 design of voltage and reactive power control system of substation based on fuzzy variable-center nine-zone diagram 张绍楠 张绍楠 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2010 年 9 月 国内图书分类号：tm631 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 硕士学位论文硕士学位论文 （工程硕士）（工程硕士） 基于模糊变中心九区图的变电站电压无功 控制系统设计 硕 士 研 究 生：张绍楠 导 师：蔡兴国教授 申请学位：工程硕士 学科：电气工程 所 在 单 位：华能鹤岗电厂 答 辩 日 期：2010 年 9 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: tm631 u.d.c: 621.3 dissertation for the master degree (master of engineering) design of voltage and reactive power control system of substation based on fuzzy variable-center nine-zone diagram candidate： zhang shaonan supervisor： prof. cai xingguo academic degree applied for： master of engineering speciality： electrical engineering affiliation： huaneng hegang power plant date of defence： september, 2010 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - i - 摘 要 随着对配电网供电质量和可靠性要求的不断提高、配电网结构的日趋复 杂及控制的实时性要求的增加，变电站电压无功控制已成为保证电压质量、 无功平衡，提高配电网经济性和可靠性的不可缺少的途径之一。因此，采用 何种灵活有效的控制方法，对变电站的有载调压变压器和并联补偿电容器进 行调整，以适应供电电压和实时负荷的变化，实现无功就地平衡、提高电压 合格率、改善功率因数、减少有功损耗是当前电力工作者及运行人员普遍关 注的问题。 针对变电站电压无功调节是一个多变量、强耦合、非线性的控制问题， 本文引入了模糊逻辑控制理论，采用模糊逻辑推理方法得出控制结果，从而 对变电站电压无功调节可以得到比较满意的效果。 针对变电站传统九区图控制策略，本文提出一种结合模糊控制理论的变 中心九区图电压无功控制策略。该控制策略在考虑传统九区图控制缺陷的基 础上，对传统九区图进一步细化。在电压无功联系较弱的区域采用解耦控制 方式，即单独控制电容器或变压器；在电压无功联系较强的区域，采用综合 控制方式。这样，就可以比较明确地分配各设备的动作权限和动作时间。并 引进延时概念，使设备的动作次数更加合理。该方法将结合变电站实时调节 迅速、反应灵活的特点，对供电电压及实时负荷的变化做出有针对性的反 应，有效地减少变压器分接头的调节次数，消除投切振荡现象，并减少电压 的波动，提高电能质量。 最后以佳木斯电网同江变电站为例，进行本文控制策略的应用分析，通 过仿真结果表明该方法较好地协调无功与电压的综合控制，且达到对变电站 实时控制的基本目标, 对于变电站实时控制方法的实际应用具有参考价值。 关键词：变电站；电压无功控制；九区图；模糊理论 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - ii - abstract the voltage and reactive power control of substation have been one of the most necessary ways to develop the stability and economy of power network. it is coming with the request to assure the voltage quality and to enhance the reliability of distribution system, and the increasing contribution complexity and the real-time control requirement. so how to change the tap of on-load transformer and shunt capacitor flexibly and effectively is still a popular question of the researchers and operators. by the suitable method, the system can realize local reactive power balance, and improve eligibility ratio of voltage, and enhance power factor, and decrease power loss of transmission line. in view of a multivariate , strong coupling and nonlinearity control problem of voltage and reactive power regulation of substation,the thesis uses fuzzy logic reasoning method to get control results by introducing fuzzy control theory. the voltage and reactive power regulation of substation can be got comparatively satisfied effect. according to the traditional ninezone control strategy of substation,the thesis it puts forward a variable-center nine-zone control strategy combining with fuzzy control theory.the strategy subdivides the traditional ninezone diagram carefully on the basis of the flaws of traditional ninezone.the decoupling control is used when the connection is weak. in this area, the capacitors and the transformers are controlled solely. the synthetical control is applied in the strong areas of the connection. so it can assign definitely action authority and action time of every equipment. furthermore, it introducs delayed concept, and makes the equipment action numbers more rational. the method joins the substation characteristics such as fast real regulation and flexible response and can reflect the variable of supply voltage and the real-time loads, and reduce regulation frequency of transformer taps effectively, so it eliminates oscillating phenomenon of switch. moreover, it decreases voltage fluctuation to improve voltage quality. finally, the application analysis of the new control strategy is carried out in 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - iii - tongjiang substation of jiamusi power network. the simulation conclusion illustrates that the method submitted by the paper coordinates voltage and reactive power, and realizes basic objects in real-time control of substation. it also shows the reference to the real-time control of the substation. keywords: substation; voltage and reactive power control ;nine-zone; fuzzy theory 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要. i abstract.ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题背景及研究的目的和意义.1 1.2 课题的国内外研究概况.2 1.2.1 变电站电压无功调节的发展状况.2 1.2.2 变电站电压无功控制策略的研究现状 .3 1.3 本文主要研究内容 .8 第 2 章 变电站电压无功综合控制的理论基础.10 2.1 无功平衡与电压调节.10 2.2 变电站电压无功控制方式.12 2.2.1 并联电容器无功补偿.12 2.2.2 调变压器分接头调压.14 2.2.3 并联电容器调压 .15 2.3 电压无功综合控制目标.15 2.4 电压无功综合控制的基本原则.16 2.5 传统九区图电压无功控制策略的缺陷.18 2.6 变中心九区图的设计思想.20 2.7 本章小结.21 第 3 章 变电站电压无功控制系统设计.22 3.1 控制系统的总体结构.22 3.2 模糊逻辑的基本知识.23 3.3 控制模块的具体设计.24 3.3.1 控制模块算法的设计思想.24 3.3.2 控制模块的结构 .25 3.3.3 控制模块的控制方式讨论.28 3.3.4 控制步骤 .30 3.4 电压模糊控制子系统的设计.31 3.4.1 子系统的控制结构和控制原理.31 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - v - 3.4.2 控制策略分析 .36 3.4.3 控制步骤 .38 3.5 无功模糊控制子系统的设计.39 3.5.1 子系统的控制结构和控制原理.39 3.5.2 控制策略分析 .42 3.5.3 控制步骤 .44 3.6 综合控制子系统 .45 3.7 本章小结.46 第 4 章 同江变电站电压无功的仿真分析.47 4.1 佳木斯电网同江变电站的电压无功分析 .47 4.2 变电站运行方式对控制结果的影响性分析 .50 4.3 计算结果分析 .51 4.4 本章小结.55 结 论.56 参考文献.58 附 录.61 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.64 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.64 致 谢.65 个人简历.66 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户电压接近额定值是电力 系统运行调度的基本任务。而系统无功对电压影响极大，无功功率不足或过 大，将引起系统电压下降或上升。反之如果电压过低，无功也只能在较差的 环境下保持平衡。这样可能会造成无功引起的有功损耗过大，影响系统的经 济运行。同样，如果电压波动过大，不但会直接影响电气设备的性能，而且 还将给系统稳定、安全运行带来困难，甚至引起系统电压崩溃，造成大面积 停电，因此电压无功控制问题已引起越来越多的重视1。 对于输配电系统，由于结构、运行方式比较固定，无功电压控制主要是 采用最优潮流方法，控制变量包括发电机电压、变压器抽头、电容器分接 头、一次变电站电压，以达到电压越限最小，传输损耗最小的目的。对于配 电系统，由于负荷、运行方式、网络结构经常变化，电压无功优化问题比较 复杂，再加上，我国多数网架结构不太合理，基础自动化水平层次不一，实 现全系统电压无功控制尚有一定困难。为了改善电压质量和降低线路损耗， 许多变电站配置了有载调压变压器和无功补偿并联电容设备。传统的变电站 电压无功控制依靠运行值班人员手动调节(就地/远方),难以做到判断正确和 操作及时,很难保证调节效果,并会增加调节操作次数,甚至有操作失误的危险, 已不适应电力发展的需要。为保证电压质量、无功平衡和电网安全可靠经济 运行,对变电站实行电压无功自动控制已成为一项重要的控制措施2。 从 20 世纪 70 年代开始，人们开始研究变电站电压无功控制装置 (voltage reactive power control 简称“vqc”)，并在软件、硬件方面都有所 突破，基本上实现了在保证目标电压和无功合格的前提下，对电压和无功的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 准确调节，其调节次数也比采用模拟电路构成的调节装置有所减少，但由于 未考虑电压对无功的影响，同时又存在自动调节装置在运行过程中频繁调节 的问题，容易引起设备故障。人们通过引入各种人工智能算法，利用其常规 控制不具有的智能特性，如可以引入专家的经验知识、能够处理不确定性的 问题、具有自学习和获取知识的功能、适于处理非线性问题等，更好的分析 了电压与无功的相互影响，协调了有载调压变压器与电容器的调节，使得在 不增加辅助设备的前提下，更优的实现调节目标，调节次数减少，调节精度 与质量进一步提高。 随着计算机和通信技术的发展，全国许多地区变电站已实现自动化。集 控中心一直监测记录着各变电站母线电压、主变的有功与无功、电容器的投 切、有载调压变压器的分接头挡位，并将这些数据存储于数据库中。需要这 些数据时，通过检索即可得到。这样，就为变电站电压实时控制奠定了基 础。 1.2 课题的国内外研究概况 1.2.1 变电站电压无功调节的发展状况 变电站电压无功调节的基本原则是：保证电压合格，无功基本平衡，尽 量减少调节次数。据此，变电站电压无功调节是一个多限值(包括主变分接 头开关日调节次数、电容器日投切次数、电压上下限、功率因数(无功)上下 限、有功功率上下限、用户特殊要求)、多目标(电压合格、功率因数合格、 网损最小)的最优控制问题3。 变电站的无功补偿分为分散(就地)控制和集中控制两种模式。就地控制 是指以变电站为中心，调整并联补偿电容器和有载调压变压器，使得变电站 负荷侧电压、变压器进线功率都在期望值之内，且保证调节过程中被控设备 动作次数最少。集中控制是在各节点满足一定的约束条件下，以全网损耗最 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 小为目标，scada（supervisory control and data acquistion system,数据采 集与监视控制系统）实时采集各节点数据，求解网络电压、无功最优模型， 得到各节点限值，再由调节装置进行变电站内调压和无功补偿的实时综合控 制3。后者虽然可以整体寻优，但由于配网运行状况复杂和目前的技术水 平，很难找到最优解，同时，根据无功就地补偿的原则，应尽量减少无功倒 送，所以普遍采用易于实现的前者。变压器分接头调节和电容器投切的基本 规律是：分接头上(下)调，电压变大(小)，功率因数变小(大)；投入(退出)电 容器，无功变小(大)，电压变大(小)，功率因数变大(小)。 1.2.2 变电站电压无功控制策略的研究现状 基于上述原则和规律，国内外提出了不少自动控制策略。归纳起来，有 以下几种方法：1.按功率因数、电压复合调节；2.基于传统的九区图法；3. 基于人工智能的九区图法；4.最优化方法。 （1）按功率因数、电压复合调节3 ，5 按电压、功率因数复合调节的 判据有两种，一种是以电压为主，功率因数为辅，当电压合格时，不考虑功 率因数，当电压不合格时，考虑投入电容；二是以电压和功率因数作为两个 并行的判据，即使在电压合格时，若功率因数满足投切条件，则投入电容。 这两种判别方式，操作简单易行，考虑了无功补偿，但忽略了变压器分接头 与电容器的配合，在有些状态下，或是无功补偿效果较差，或是会造成并联 电容的频繁投切。 （2）基于传统九区图的相关方法 基于传统的九区图法是电压无功综 合控制的基本方法。该法是根据变电站当前的运行方式，利用实时监测的电 压和无功两个判别量构成变电站综合自动控制策略。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成 9 个控制 区，各个区域对应不同的控制策略，对有载调压变压器和电容器进行控制。 传统的九区图原理清晰易于实现，因此在现场多采用此种控制策略。但是， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - 由于控制策略是基于固定的电压无功上下限而未考虑无功调节对电压的影响 及其相互的协调关系；而用于运算分析的数据为实时数据，具有随机性、分 散性的特点，造成了控制决策的盲目和不确定性，实际表现为投切振荡即设 备的频繁投切6。 为克服上述控制策略中的缺陷，人们针对分接头开关调节和电容器投切 时电压和无功的耦合关系及负荷的影响进行了深入的探讨，基于传统的九区 图法，提出了新的控制策略。 文献7考虑负荷的静态特性条件下，通过对变压器分接头的电压调节 效应、分接头调整对节点电压无功功率的影响、并联电容器的电压调节效应 和对节点无功功率的影响的量化分析以及主变高压侧电压水平和系统无功水 平之间的关系，提出了由此而构成的开环预测控制系统。利用一个可以反映 被控系统特性的模型，将扰动和控制作用施加于模型，引入主变高压侧电压 作为参考变量，以主变低压侧电压合格、无功基本平衡为控制目标，对九区 图控制策略进行了改进，由预测环节给出控制效果，输入控制判决器后得到 系统输出。 文献8从九区图易出现设备频繁调节的区域入手，重新分析了在这些 区域内的电压无功相互影响情况，并基于负荷峰谷区对电压及无功的不同要 求及损耗比较经济的情况考虑，希望负荷较重时的电压高于负荷较轻时的电 压即实现逆调压；在峰阶段功率因数越高越好；峰转谷阶段满足边界限制； 谷阶段无功过剩，不允许电容投入，由此调整了传统九区图的控制策略，克 服了九区图的某些局限。 文献9从克服传统九区图的固有局限出发，将传统九区图固定的无功 边界改成受电压影响的模糊边界，在某些区域，以电压的线性函数来表示无 功边界，其斜率可根据具体的投切边界条件进行调整。这种判据更加贴近人 的思维判别模式，充分考虑了电压无功的动态平衡，减少了设备的动作次 数。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 5 - （3）基于人工智能的九区图方法10 电压无功控制作为电力系统自动 化的一个重要组成部分，具有电力系统控制所固有的复杂性、非线性、不精 确性及控制要求实时性强等特性，使得其中有些方面难以用传统的数学模型 和控制方法来实现，如上述九区图方法的某些局限。随着人工智能方法的开 发，智能性算法的自适应性优势日益显著，智能型方法也被引入电力系统计 算、分析、控制等领域，以弥补传统方法的不足。 由于变电站电压无功调节问题受时变性、运行条件和网络参数经常变化 等特点以及许多条件下无功负荷不能精确给定的影响，其控制规律不能用一 个统一的数学模型来描述。而模糊控制则刚好适用于解决不确定、有不同量 纲、相互冲突的多目标优化问题，所以引入模糊数学理论来求解变电站电压 无功优化问题成为比较普遍、有效的方法之一，但在算法设计上各有不同。 文献11通过定义模糊集论域，把电压的偏差量进行模糊化处理，转化 为模糊语言变量，作为模糊控制器的输入，以控制程度的模糊语言变量作为 输出。此法所需信息量少，计算量小，易于在线实现。文献12 将电压和 无功偏差进行模糊化,经过模糊推理,并通过解模糊化运算给出控制信号作用 于变电站的有载调压变压器和电容器组,建立了双输入双输出模糊控制器结 构，可应用于实时控制。文献13考虑了许多文献的模糊算法中模糊控制器 采用数据的瞬时值与电压无功指标的平均值要求的矛盾及对设备调节次数的 限制，引入时间的积分环节，对某端较短时间内的采样点的有效值取均值 后，在对均值的偏差进行积分，这样可以大大增强抗干扰能力但会引起调节 的滞后。 在实际运行中，调度人员的经验往往会起到关键作用。而由知识库和推 理机构组成的专家系统，可根据某个领域的专家提供的特殊领域知识进行推 理，模拟人类专家作出决策的过程，提供专家水平的解答。这样，就使得调 度人员在借助自动化技术的同时，可以借助于专家系统的分析及控制策略及 本身的经验来优化控制效果。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 6 - 文献14就介绍了一种辅助运行人员进行无功电压调度的综合方法，该 方法利用数值法和专家系统各自的优势求取控制变量，可以有效的消除电压 偏移、改善了电压特性并使有功损耗最小。文献15提出了一个变电站电压 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，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、智能的调节电压无功，从而达到预期的控制目标。 同时，专家系统仍存在一些问题需要研究和探索： （1）当系统规模较 大、规则较多时，完成推理的速度受到限制，因此目前已有的专家系统大多 用于离线或在线解决系统分析方面的问题，在无功电压实时控制方面的应用 还有待于进一步研究； （2）现有的专家系统缺乏有效的学习机制，对于新情 况的能力有限，容错能力较差，当系统发生故障或网络结构、系统参数发生 变化时，有可能得不到结果或给出错误结果。 （3）大型专家系统得建造周期 长，知识的获取和校核比较困难。网络只适用于确定参数的变电站，通用性 不强。 人工神经网络（ann）模拟人类传递和处理信息的基本特性，有人工 仿制大量简单的神经元以一定的方式连接而成，具有极强的非线性函数拟合 能力、联想记忆功能、并行计算能力、鲁棒性等性能。文献16正是利用了 神经网络的这一特点，构造了一种基于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。该神经网络的输入包括通过主变的有 功、无功，高压侧和低压侧实时电压等，输出包括并联电容器开关状态和主 变分接头位置，训练样本为本变电站监控系统中与之相关的历史数据。这种 方法可以参照无功变化趋势，躲过短期干扰，也可以在训练样本时，综合考 虑无功与电压控制的权重，改善控制效果。应用结果表明可以较好的实现电 压和功率因数的控制，并减少了设备的调节次数。 目前，ann 的应用仍存在一些问题，如（1）学习速度较慢，训练时间 长，不易收敛或可能收敛到局部极小点； （2）当系统结构发生变化时需要增 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 加新的样本重新学习； （3）ann 尽管具有一定容错能力，但不能提供相关 信息帮助运行人员推断不正常的数据，也不利于理解其输出结果。 人工智能方法的引入为电压无功控制问题的解决开辟了新的方向，同 时，由于不同的人工智能方法在解决问题时的侧重点不同，也使得他们的效 果各有不同，所以，人们考虑将不同的方法结合起来，用其所长，避其所 短。 文献17提出了将专家系统与模糊理论相结合的思想，来克服模糊技术 中自学习能力较差、模糊建模困难等不足。由专家系统形成知识库，作为控 制的规则依据。而执行机构由模糊控制来完成，以保证由专家系统形成的规 则能可靠的推理和产生操作指令。文献18提出了一种智能型变电站电压无 功综合自动控制装置。在 ann 电压、有功、无功负荷预测基础上，将遗传 算法、ann 优化控制策略、模糊边界策略三者结合起来。不同的预测精度 采用不同的控制策略，这样，就可以在不同的优先级上保证了调节策略的最 优或次最优，体现了装置的灵活性、智能性。文献19考虑无功负荷不能精 确确定的情况，将模糊理论与 ann、专家系统结合实现无功优化。与文献 18不同，该文献在不同阶段采用不同的方法，应用模糊神经网络确定各控 制变量的隶属度，神经网络的输入为模糊化的负荷，输出为模糊化控制变 量，然后通过专家系统的启发式知识求取使控制变量调节量最小的控制方 式，使该法有更好的实时性。 （4）最优化方法 上述电压无功控制方法或多或少的都以传统的九区 图控制方法为基础，对于九区图法原理上的缺陷控制判据对电压越限的 综合识别能力不能充分进行改进。在实际应用中，变电站的操作人员和调度 中心根据工作经验，经常用一些模糊原则来制定合理的控制策略。这就为采 用人工智能方法而避开九区图的控制策略提供了客观依据20,21。文献22， 23提出了一种模糊动态规划法，将无功损耗最小、提高电压质量、减少控 制次数等多个目标加以平衡，把这些目标和电压等状态变量的限制模糊化， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 以控制目标的模糊隶属函数构造目标函数，通过寻找模糊目标函数的最优解 来确定第二天每个时段的分接头位置和电容器开关状态。文献24在此基础 上又有所改进。采用 ann 方法作为模糊动态规划法的前期计算，以尽量压 缩求解的状态空间，加快了模糊动态规划的求解速度。 1.3 本文主要研究内容 尽管目前其他类型的人工智能技术如模糊神经网络、遗传算法等也被尝 试研究应用于变电站中，但由于模糊控制技术在工业控制领域的成功经验最 多，因此，该系统是值得进一步深入研究的。本文将对九区图法改进的基础 上结合模糊控制理论提出模糊变中心九区图的变电站电压无功控制策略，并 引进了延时概念，使设备的动作次数更加合理。传统九区图的运行区域由于 采用了模糊语言变量而得到了细化，就可以模拟专家经验辨别电压与无功联 系较强或较弱的区域。在联系较弱的区域采用解耦控制方式，即单独控制电 容器或变压器；在联系较强的区域，采用综合控制方式。这样，就可以比较 明确的分配各自运行方式。 本文主要研究内容如下： (1)变电站电压无功综合调节是一个多变量、强耦合、非线性、控制规 律不能用一个统一的数学模型来描述的控制问题，为此本文将引入模糊控制 理论来解决电压无功控制中暴漏出来的问题。 (2)将在讨论变电站电压无功控制原理和控制目标、原则的基础上，要 对传统九区图控制策略做出改进。以预先确定的运行点作为九区图的中心 点，将采用模糊变中心九区图的控制方法，讨论是否能够实时快速地跟踪变 电站供电电压和负荷的变化，做出相应的调整。 (3)本文将采用电压模糊控制器和无功模糊控制器，引用延时环节。按 照实际运行情况，由设备完成单独控制与综合控制，验证能否达到实时调节 要求的快速性与灵活性。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - (4)本文将要分析佳木斯电网同江变电站电压无功状况，对目前该变电 所的 vqc 装置中的九区图控制存在的问题给以说明。为了解决这些问题本 文将采用佳木斯电网同江变电所的 1 天数据来校验模糊变中心九区图控制策 略的有效性。通过数字仿真比较结果要表明该算法对变压器分接头和电容器 的控制能否进行实时调整。不仅要能够达到对电压无功实时控制的要求，而 且使二者的配合更加合理，从而有效地降低设备动作次数，减少系统无功的 流入，提高电压合格率。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 10 - 第2章 变电站电压无功综合控制的理论基础 变电站电压无功控制是保证电压质量和无功平衡、提高供电网可靠性和 经济性的重要措施之一，变电站电压无功控制通过自动调节有载变压器分接 头和并联补偿电容器的投切，实现平衡、提高电压合格率、改善功率因数和 减少线路的有功损耗。 2.1 无功平衡与电压调节 电网中电力设备大多数是根据电磁感应原理工作的，它们在能量转换过 程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量 在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量损耗。仅在用电负荷与电源之间往 复交换，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。无功功率反映 了内部与外部往返交换能量的情况，但是它并不像有功功率那样表示单位时 间所作的平均功率。电力系统中的有功功率电源是集中在各类发电厂中的发 电机，而无功功率电源除发电机外，还有调相机，电容器和静止补偿器等， 他们分散安装在各个变电所。一旦无功功率电源设置好，就可以随时使用而 无需像有功功率电源那样消耗能源。由于电网中的线路以及变压器等设备均 以感性元件为主，因此系统中无功功率损耗远远大于有功功率损耗，同时大 量的负荷也需要一定的无功功率。因此，电源所发出的无功功率必须满足它 们的需要，这就是系统中无功功率的平衡。 电力系统的无功功率必须保持平衡,即无功电源发出的无功要与无功负 荷和无功损耗平衡,这是维持电力系统电压水平的必要条件。电力系统运行 中存在的电压合格率低、损耗大、系统传输容量受限和设备利用率低等问题 都与系统的无功功率不足或无功功率分布不合理有关。电压无功综合控制的 目的就是解决无功功率的补偿与分布问题25。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 11 - 电网中的无功功率补偿和电压调节,是控制电压偏差、减少线路损耗的 基本途径。无功对电压的影响，主要反映在以下三个方面： (1)由于无功的不平衡,引起电压的偏移。根据负荷的电压特性，当一个 地区无功过剩时，电压将升高；无功不足时，电压将降低。电压升高和降低 的数值由代表该地区综合负荷的电压静态特性决定。 (2)由于无功潮流（负荷）在电网中的流动，而产生电压降落，造成电 压的偏移。 (3)由于无功负荷在线路中产生的电压降落同无功负荷成正比，所以无 功负荷的变化，将引起电压降的变化。无功负荷变化愈大，电压降的变化也 愈大。负荷端单位无功变化引起的电压变化与单位有功变化引起的电压变化 之比等于负荷端短路容量 ps 和负荷 p 之比。可见，与有功变化相比，无功 变化对电压的影响更大，起着主导作用。 由于无功对电压的重要作用，要改善电网的电压质量，电网的无功必须 满足26： (1)在目标电压下应保持无功平衡。这就要求有足够的无功补偿容量， 保证高峰负荷时的无功平衡，并有一定的备用容量，满足系统检修时的需 要；同时要求有足够的无功调节能力，以保证在低谷负荷时的无功平衡。 (2)实现无功的就地平衡，减少无功在电网中的流动，尤其要减少远距 离的无功传送，以降低电网的电压降落，把电网各点的电压都控制在合格范 围内。 (3)按逆调压的要求实现无功平衡。由于高峰负荷时，无功负荷大，无 功电源到负荷点的压降大；低谷负荷时，无功负荷小，压降亦小。因此，为 保证负荷端的电压稳定，需要实现无功电源的电压逆调整，即要求高峰时电 压调高一点，低谷时电压调低一点。据此确定目标电压，在这个目标电压下 实现无功平衡。显然，这种调压方式对无功补偿和无功调节能力提出了更高 的要求。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 12 - 电压无功调节设备的合理配置和合理运行是至关重要的。合理的配置能 够保证足够的备用无功容量和调节裕度，并能保证设备的充分利用。合理运 行指的是使现有设备发挥最大的经济效益。电力系统负荷随地区而异，又随 时间而变，这种变化具有随机性。负荷的变化必然引起系统潮流的变化和目 标电压的波动，需对发电机和电压无功调节设备进行实时控制。 当电力系统无功功率电源充足，可调节容量大时，电力系统可在较高电 压水平上保持平衡，当电力系统无功功率电源不足时，可调容量小甚至没有 时，电力系统只能在较低电压水平上保持平衡。所以，要尽量保证系统中充 足的无功储备，以满足电压运行水平的需要。但是，为使所有用户的电压质 量都满足要求，则需要进行电压调整，以保证各种运行方式下用户的电压偏 移在规定的范围之内。而电压水平在系统各点不同，并且，电压控制可分散 进行，调节电压的手段也有多种。如：改变发电机端电压调压。改变变压器 分接头调压、利用并联补偿设备调压等。就变电站而言，它的主要功能就包 括在电压变动时自动投切电容器或调整变压器分接头；在负荷变动时保持电 能的供需平衡。 2.2 变电站电压无功控制方式 2.2.1 并联电容器无功补偿 在系统无功不足时，可以通过并联电容器补偿无功。并联电容器可以根 据需要连接成组，所以容量可大可小，使用灵活，而且在运行时的功率损耗 较小，约为额定容量的 0.3%0.5%。但是调节过程不连续，靠电容器投、 切进行调节，不能平滑调压，且调节范围较小。 如图 2-1 所示的简单电力网，假定供电电压和负荷已经给定，线路分布 电容和变压器励磁功率忽略不计，则补偿前线路有功损耗27如下： r v qp p 2 0 22 1 + = (2-1) 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 13 - 补偿后线路有功损耗为： r v qqp p c 2 0 22 2 )(+ = (2-2) 式中 1 p为补偿前线路的有功损耗； 2 p为补偿后线路的有功损耗； p 为输电线路首端注入的有功功率； q 为输电线路首端注入的无功功率； qc为并联电容器补偿的无功功率； r 为输电线路及变压器的总电阻；