（机械设计及理论专业论文）电压无功综和控制装置的研制.pdf

摘要 在电力系统中，用户端的电压稳定十分重要，实际上用户端的电压经常有波动， 电压上下波动会影响用户端的各种电器设备，严重时，造成财产损失甚至能危及人身 安全。而系统的电压水平又取决于电力系统中的无功功率的平衡。随着电力系统规模 变大，仅仅依靠发电机的调节远远不够，因此必须提高电网自身的调控能力。 本文首先研究了电力系统相关理论，1 变电站相关理论，2 电压无功控制的连续模 型，3 电压无功控制的离散模型4 九区图控制策略。由于传统九区图未考虑无功调节 对电压的影响及电压调节对无功的影响，实际使用时会造成振荡，装置动作频繁的现 象。对传统九区图进行了改进，得到了改进九区图( 也称1 7 区图) 新的九区图的控制 策略使得原来振荡，装置动作频繁的缺点得以较大改善。 在1 7 区图、变电站各个采集单元和变电站示意图之间的连接关系及电力系统相关 理论的基础上，确定了系统的硬件和软件总体方案，研制出一套性能可靠、实用，能 适应恶劣工业环境的v q c 装置。本文中的v q c 电压无功综合控制装置，通过实时采 集电网参数，采用计算机技术、自动控制技术和数字信号处理技术，自动控制主变有 载调压分接开关和补偿电容器，使主变有载调压分接开关和电容器组处于最佳运行状 态。使变电站电压合格率提高，降低电网损耗，提高电网安全运行水平，减轻值班人员 的劳动强度。 关键词：v q c ( 电压无功综合控制装置) ；九区图：电压合格率：改进； t h e p r o d u c ea n ds t u d ya b o u tc o n t r o lo f v o l t a g e r e a c t i v ep o w e rs y s t e m a b s t r a c t i ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，v o l t a g es t a b i l i t yo fu s e r si sv e r y i m p o r t a n t ，h o w e v e r v o l t a g eo f u s e r so f t e nc h a n g e ，t h ec h a n g eo fv o l t a g ew i l la f f e c tt h em a n yk i n d so fe l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，s o m e t i m e se v e nt h r e a t e np e o p l el i f e a n dt h ec h a n g eo fv o l t a g ei sd e c i d e db y b a l a n c eo fr e a c t i v ep o w e r ，a st h ep o w e rs y s t e ms c a l eb e c o m em o r ea n dm o r el a r g e o n l y d e p e n d0 1 1g e n e r a t o ra d j u s ti sn o te n o u g h s ow em u s ti m o r o v et h es e l b a d j u s ta b i l i t yo f p o w e rs y s t e m t h i sp a p e rf i r s ts t u d yp o w e rs y s t e mr e l a t i v et h e o r y ：1t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nt h e o r y 2 v o l t a g e r e a c t i v ep o w e rs y s t e ms e q u e lm o d e l ，3v o l t a g e r e a c t i v ep o w e rd i s c r e t em o d e l 4 ( 9 a r e a s ) c o n t r o ls t r a t e g y b e c a u s eo f t h et r a d i t i o n a l9a r e a sc o n t r o ls t r a t e g yd i d n tt a k ea f f e c t o fr e a c t i v ep o w e rt ov o l t a g ei n t oa c c o u n t s os u c hs t r a t e g yw i l lc a u s es u r g ea n dc a u s et h e f r e q u e n c yo fm o v e m e n to ft r a n s f o r m e r sh i g h s ow ei m p r o v et h et r a d i t i o n ( 9 - a r e a s ) s t r a t e g y ，t h ed i s a d v a n t a g e so f o l de q u i p m e n ti si m p r o v e d o nt h eb a s eo f1 7 - a r e a ss t r a t e g ya n dp o w e rs y s t e mt h e o r y , w ed e s i g n dh a r d w a r ea n d s o t ! l ：w a r ep r o j e c t t h eh a r d w a r ei n c l u d e ：1 m a i nc o n t r o l2 u n i t t r a n s f o r m e ru n i t3 c a p a c i t o r u n i t ，t h es o f t w a r ew ep r o g r a m m e d1 o p e r a t i o ns y s t e mm e n u 2 c o n t r o ls t r a t e g y 3p r o t e c t s t r a t e g yw e m a d et h ev o l t g e - r e a c t i v e p o w e rc o n t r o le q u i p m e n t o nt h i sp a p e rt h ev o l t a g e - r e a c t i v ep o w e rc o n t r o le q u i p m e n t ，t h r o u g hg a t h e re l e c t r i cn e t p a r a m e t e r , u s ee o m p u e rt e c h n i q u e ，a u t o - c o n t r o lt e c h n i q u e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e ，c o n t r o lt h es w i t c h e so ft h r a n s f o r m e ra n dc a p c a c i t o r ，s ot h a tc a ni m p r o v ev o l t a g e y i e l d ，r e d u c ee l e c t r i cn e tw a s t a g e ，i m p r o v et h es a f l yo fp o w e rn e t ，r e d u c ei n t e n s i t yl a b o ro f w o r k e r h u a n gh a i l a n ( m e c h n i c a l e l e c t r i c a lm a j o r ) d i r e c t e db yv i c ep r o f e s s o rz h a n gm i n k e y w o r d s ：v o l t a g e r e a c t i v e p o w e r s y s t e m ，9a r e a s ，v o l t a g e p e r c e n to f p a s s ，p r o m o t i o n 西安工程大学硕士学位论文 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保 留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 螫、i 訇i 闲 指导老师签名： 翟次 日强： 三扫o 7 弓擎 学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人 已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 弗。滑澜 日期： 2 d 卯；，件 第1 章绪论 1绪论 1 1 该研究工作在国民经济中的实用价值与理论意义 电压是电能的主要质量的重要指标之一，电力系统是一个非线性系统，电压稳定 是整个电力系统稳定的一个方面，电压的稳定对客户端非常重要，对负荷端的安全和 经济运行有很重要的意义【l 】。 电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功功率电源的无 功功率输出应能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【“】。若系统总无功功率输出小于无功功率消耗，末端电压将高于始端 电压，若始端电压处于正常值，则末端电压将高于正常值；反之，若系统总无功功率输 出大于无功功率损耗，则末端电压将低于正常值。电压偏离正常值过大会对电气设备 造成影响。电压过低使得电炉，电动机等电气设备输出降低，白炽灯和各种电子设备 不能正常工作。电压过高时电气设备的绝缘会加速损坏，照明设备的寿命会明显缩短， 如果电压偏高1 0 ，则白炽灯的寿命会缩短一半【2 5 1 。所以，提高电压合格率对于提高 电气设备寿命，减少损耗，提高设备的效率有明显的作用。 随着电网结构的日趋复杂和电压等级的不断升高，电压无功的调节仅仅依靠发电 机的自动电压无功调节器远远不够，必须增强电网本身的调控能力。目前我国的许多 变电站中装设了用于电压无功调节的有载调压变压器和并联补偿电容器组。有载调压 变压器可以在带负荷的情况下切换分接头，且调节范围较大，一般在1 5 以上，它是 多电压级网络中进行电压控制和控制无功功率流动的重要手段，也能使网络中有功和 无功功率损耗最小。并联补偿电容器组通常安装在变压器的低压侧，一方面可改善系 统的功率因子，减低电网中的电能损耗，提高系统的经济性，另一方面可以调整系统 电压，维持负荷点的电压水平，提高供电质量。 1 2 国内外研究情况综述 从2 0 世纪初1 2 j 人们就无功补偿技术问题进行了大量的研究，为改善负荷功率因 子，逐步采用了同步发电机，同步调相机，并联电容器，并联电抗器，现代静止补偿 器等无功补偿手段。 特别是近四十年来，随着超高压远距离输电系统的发展。一方面系统消耗的无功 功率日益增多，另一方面无功补偿容量相对不足，导致一些地区的超高压电网低谷时 t 西安工程大学硕士学位论文 电压过高，而一些配电网在高峰时电压水平过低的状况。不仅严重威胁着电网的安全 运行，而且也影响了用户的正常生产和生活。由此而促进了国内外电力系统在电压无 功控制方式和控制手段的发展。 从法国，意大利，日本等发达国家来看【2 j 各电力系统既有个别调节也有综合调节 方式；既有区域性集中模式；也有分层协调模式。 就实时监控装置的实现方式来看大致可分两类1 3 2 l ：l 后台软件式，它可将v q c 功能嵌入监控软件中，使v q c 和监控功能一体化。它的优点是不必增加任何设备只 需一套与监控装置相配套的软件就能实现v q c 功能。缺点是它受综合自动化监控装 置运行稳定限制，一旦系统不稳定或死机将直接影响v q c 功能。2 独立式，装置有自 己独立的硬件和软件，它的优点是能根据变电所各种运行方式，自适应跟踪调整。装 置设置了测量、显示、统计、通信等功能，具有主变过负荷、母线过压、欠压等报警 闭锁，保证每一次动作的安全可靠，并通过r n j 或综合自动化装置实现调度端信息的 交换，满足四遥功能，不受r t u 或自动化系统运行稳定限制。它的弊病在于需要增加 复杂一次回路，特别是控制设备的闭锁回路，有些保护、一次设备提供信号接点不多， 往往需外扩信号接点，增加设备、降低可靠性。而且该设备闭锁原因查找麻烦、不直 观，给日常运行维护带来困难。当两台主变档位不一致或主变中间档有下档的变压器 时，装置运行就受到限制。从技术经济角度来说，需增加一套设备、占用一个屏位， 还得增加一次电缆。独立装置老版本升级也比较麻烦。总的来说，硬件投资大，接线 较前一种麻烦。就调节动作的判据来看，大致如下： a 测量电压控制法【3 4 1 。其原理是通过检测母线电压决定电容器的投切( 或主变分 接头的升降) 这类装置比较简单，但无法控制其它调压设备，未考虑无功电力消耗， 难以做到无功功率合理就地平衡。 b 按功率因子控制。根据功率因子自动投切并联电容器组，若功率因子低于下限 则投入电容器组，高于上限则切除电容器组。该方法未考虑投切并联电容器组对母线 电压的影响，且当负荷较轻时较小的无功功率变化会引起功率因子较大的变化，存在 动作频繁的问题。 c 根据电压时间序列的复合控制。根据变电站的日负荷曲线，将每天分为多个负 荷时段，根据不同负荷时段对电压和无功的要求对变压器分接头进行调节和投切并联 电容器组。该方法适应性差，只适合于负荷较稳定的变电站，且负荷时段的划分必须 随季节和负荷的变化进行调整【“】。 d 按电压无功功率( 功率因子) 综合控制【3 4 】。根据母线电压和无功功率将运行情 2 第1 章绪论 况分为9 个区域，在不同区域采取不同的控制对策，综合利用调节有载调压变压器分 接开关和投切并联电容器组两种手段将母线电压和无功功率控制在各自允许范围之 内。该方法综合考虑电压和无功功率，是目前采用最多的控制方法，但在某些情况下 也存在动作过于频繁的问题，在有些情况下甚至会引起振荡，因此如何尽量减少动作 次数是该方法要解决的主要问题。 e 针对上述动作过于频繁的问题，出现了应用人工智能技术【4 l 】。通过对电压，无 功功率进行预测来减少动作次数的方法。该方法先根据历史数据应用人工神经元网络 ( a n n ) 对无功负荷进行预测，然后将预测结果连同当前的母线电压，无功功率，功 率因子等经模糊化后作为另外一个人工神经元网络的输入，该 n n 的输出即为调节 动作的决策。该方法计算复杂，对硬件要求较高，而且其动作是否合理尚依赖于对人 工神经元网络进行训练工作的成功与否。到目前为止，该方法并未得到广泛应用1 3 1 。 1 3 目前v q c 装置简介及存在问题 目前我国有很多单位，公司在进行电压无功控制装置的研究，各变电所、变电站 在装备了v q c 装置后电压质量得到明显的改善，取得了很好的效果，但同时通过一 段时间的实际使用，电压无功控制装置也暴露出了不少的问题，其中主要有； a ，逻辑功能不全甚至没有l 册。中华人民共和国电力工业行业标准d l 6 7 2 1 9 9 9 变 电所电压无功调节控制装置订货技术条件】4 54 条中，对装置的统计，打印功能有明 确的要求，主要内容有：电容器投退前后母线电压的数值，电容器动作时间，投退动 作次数；主变分接头动作前后的档位及母线电压，分接头动作时间和次数等：统计和 打印每段母线的电压合格率，电压越上、下限的时间以及最高电压和最低电压值出现 的时间等。这些数据是分析设备运行情况，为设备检修提供依据的基础数据，也是常 规变电站运行时的必要内容，作为自动化装置v q c ，应具备上述数据的统计功能。但 现在运行的装置中有的没有统计功能，有的统计功能不全面或在装置掉电后统计数据 丢失。 b 人机界面不友好，参数设置不方便。对于人机界面，d l t 6 7 2 1 9 9 9 变电所电压 无功调节控制装置订货技术条件1 452 条中也有明确的要求：控制方式及控制参数显 示；控制对象位置状态显示；控制装置及控制对象异常显示；系统异常闭锁显示，但 有的v q c 装置是黑匣子式设计。没有直接的接口，看不到任何参数，修改参数只有 厂家技术人员通过笔记本计算机用专用的软件来进行维护、试验。修改定值很不方便 2 9 1 。 西安工程大学硕士学位论文 c 功能单一。电网无功优化控制因素可分为无功功率控制和功率因子控制两种方 式，而现在的v q c 装置一般为单一电压无功综合控制方式，不能方便的切换为功率 因子电压控制方式：另外，v q c 装置也难满足用户的特殊要求，如在某些特殊的情况 下只投切电容器或只调节分接头的要求，给电网运行带来不便1 2 引。 d 闭锁问题。v q c 装置闭锁是指装置在检测出装置本身出现异常，变压器和电容 器以及系统出现异常时，及时停止自动调节，并能发出信号，这是v q c 装置能否投 入运行的关键问题。而个别变电站的闭锁条件考虑的内容太少，在一些异常情况下， 不能闭锁装置，会造成装置误调节。 c 控制策略问题。所有v q c 装置的控制策略无一例外是基于传统的“九区图” 原理。这种策略是静态的，没有考虑到电容器投切和主变升降引起的电压和无功的变 化值。 全网无功电压控制。无功调控从本质上说是全网的问题，而不是某个变电站的 问题。无功电压控制追求的应该是全网的优化，而不是某个变电站的优化。建立在破 坏网中其它部分无功基础上的本站无功平衡并不正确。各变电站各自为政的v q c 调 节，会造成多次调节或同时调节。在通信可靠保证的前提下，应该考虑配合将全网v q c 做到地，县调度自动系统中，既节省投资，又符合电网实际情况。 1 4 本文主要工作 首先本文简要介绍了国内外电压无功控制的理论情况和装置设计情况。对其进行 了研究，分析综合比较了各种电压无功控制装置的优缺点。 然后研究了电力系统相关原理以及九区图的动作判据，针对传统九区图法中某些 区控制策略对控制结果产生振荡现象以及装置频繁动作的缺陷，对传统的九区图进行 了改进，改进后的1 7 区图较好的解决了传统九区图中出现的不足，使得1 7 区图可以 满足变电站中主变和电容器实际调节需要【3 0 1 。在1 7 区图和电力系统相关原理的基础 上，研制出一套电压无功综合控制系统，此系统结构合理，功能实用、完善，抗干扰 能力强，较好的解决了以往电压无功控制系统的各种缺点。 4 第2 章电压无功控制系统的相关理论 2 电压无功控制系统的相关理论 2 1 变电站电压无功综合控制目标 变电站电压无功综合控制的目标【4 】是保证电压( 变压器二次侧电压) 合格，无功 ( 变压器进线侧无功功率) 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 和并联补偿电容器组的调节次数。具体的说有以下四方面内容。 a 维持供电电压在规定的范围内。根据国标g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量和供电电压允 许偏差1 ) 的规定，各级供电母线的允许波动范围，以额定电压为基准规定如下： 3 5 k v 及以上供电电压正，负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ；1 0 k v 及以下 三相供电电压允许偏差为额定电压的7 ；2 2 0 k v 单相供电电压允许偏差为额定电 压的+ 7 ，1 0 。 b 保持电力系统稳定和合适的无功平衡。对主输电网络，应实现无功分层平衡； 而对地区供电网络，应实现无功分区就地平衡的原则，才能保证各级供电母线电压， 包括用户入口电压在规定的范围内，具体要求：2 2 0 k v 及以下等级的变电所在负荷最 大时由电网供给的无功功率与有功功率的比值：2 2 0 k v 为0 0 3 3 ，3 5 k v - - 1 1 0 k v 为 0 0 4 8 ，对1 0 k v 配电线路上的并联电容器在负荷最小时不应向变电所倒送无功功率。 c 保证在电压合格的前提下使电能损耗为最小。为了达到以上目标，必须增强对 无功电压的调控能力，充分利用现有的无功，调压设备( 调相机，静止补偿器，补偿 电容器，电抗器，有载调压变压器等) 的作用，对它们进行合理的优化调控【4 0 1 。 d 减少变压器分接头开关和并联补偿电容器组的日调节次数。因为各变电站对有 载调压变压器的目调节次数和并联补偿电容器组的日投切次数均有严格的限制，因此 需寻求一种最佳的综合控制方式，在提高电压合格率，优化无功补偿效果的情况下尽 可能减少变压器分接开关的日调节次数和并联补偿电容器组的日投切次数f 2 ”。 2 2 变电站相关理论 变电站电压无功综合控制，从控制理论角度上说，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，无功( 功率因子) 上下限，用 户特定要求) ，多目标( 电压合格，功率因子最高) 的最优控制问题1 1 6 l 。 西安工程大学硕士学位论文 图2 1 己0 系统电压； u ：变电站主变低压侧电压； k ：l 变压器变比； 变电站等值电路图 u 。一变电站主变高e , 倾i j 电压； d 。负荷端电压： 咒，幺有功，无功功率： q c 电容器补偿的无功功率； ，以一系统等值阻抗； 也，j 乞负荷等值阻抗； 图2 - 1 所示为某变电站的一次接线图中，以，舀。，吐，d 。为系统中各点电压， k 为变压器变比，q 。为补偿电容器发出的无功，p l + 他为负载所消耗的功耗。 在补偿电容器未投入之前，由负荷电流，所引起的供电电压变化d 与供电电压 6 2 及。存在以下关系： 由于乙2 吼+ ( 2 1 ) 6 屯：毕 吼 ( 2 2 ) 故吭疵俐 警卜c 蚴觚，沼s ， 上式中电压降的水平分量u 。和垂直分量u ，分别为： 第2 章电压无功控制系统的相关理论 毗= 半 坝= 盟产 一般情况下【，x a u ，如果略去a u x 则有： 舀。d z 一里半。d z 一鲁- l ( r l + x l t g 妒) ( 2 4 ) 从此公式可以看出，随着负荷的变化，由变电站到用户的线路上电压损耗也随之 改变( 实际上还应考虑变压器和一次测高压线路所产生的压降) 1 6 1 。为了保持用户电 压巩不变，必须调节u ：，这有两种方法： a 调整变压器变比k 。因为： u ，；u _ _ 2 l 所以当负荷增大，a u ：增大时，应降低k 以提高【，：，反之若负荷减轻时，则应 提高k 以降低u ：这可通过调节变压器分接头达到。 b 改变补偿电容器组发出的无功功率q c 。采用与上述同样的分析方法，u s 与u ： 有以下关系： 【，：= 虮一型型必 ( 2 - 5 ) 若投入的电容器为q c 则： 。 睁以一坐丛锷产监塑 ( 2 - 6 ) 这表明增大q 。可以使线路( 包括变压器) 上的压降降低，同样可以提高。 下面分析网损的情况。投入q 。以后的网损为： 7 两安_ 程大学硕士学位论文 蜘生长盟( r s + r t ) + j 曲等坚( x s + x t ) 协， 可见网损随( q l q 。) 2 而变，在输送功率一定的条件下，q l q 。越小，网损越 ，j 、。 由以上的分析可以看出，调节变压器分接头可以提高或降低变电站低压侧母线的 电压，但对无功分布和网损影响不大，而投切并联电容器，一方面可以调节电压，另 一方面还可以改变无功分配，对降低网损有很大的作用。利用两种手段相结合，变电 站电压无功综合控制，应实现以下目标： a 使得负荷端电压u 。与额定电压u l n 的偏差最小。 即i u l u l n i = r a i n ( 2 - 8 ) b 使系统的有功功率损耗最小。 堕塑掣( r 。+ r t ) ：r a i n 即 u ； 一 。(2-9) 对于上述目标的最优调节为： q c = q l u l = u l n 此时变电站母线电压： 啥u “+ 击( r l + x t 触m “+ k 一 协1 0 ) c 在调节过程中应保证被控设备动作次数最少。 2 3 电压无功控制的连续模型 假设变电站通过输电线与无穷大母线u o 相连，输电线阻抗为r + ，其 等效电路如图2 - 2 所示。 第2 章电雁无功控制系统的相关理论 u o 矾z + j q a zu 2 广1广i i j 1 _ j 一 吃+ l _ r 您+ 隅z 昂+ j q o z p + j q 圈2 - 2 变电站等效电路图 p 出线的有功功率；q c 补偿容量； q 出线的无功功率； r r 一主变压器归算到高压侧的等效电阻( k 台) ，其损耗为b ； x r 主变压器归算到高压侧的等效电抗( k 台) ，其损耗为锄： 昂一主变压器的空载有功损耗( k 台) ； q o x 一主变压器的空载无功损耗( k 台) ； 却主变压器的变化，即分接头的位置。 考虑电容器组的有功损耗 p c2 k c q c ( 2 1 1 ) 式中k c 为补偿装置的功率损耗系数( 一般取k c = o 0 0 4 k w k v a r ) 。 把参数归算到低压侧则： 二u ，l _ u 2 + 华 丹r u 2 ( 2 1 2 ) 坠：堕+ 竺：! ：! ：竺! 釜：竺：竺：竺：兰釜 。2 彤， 一rn r u l 。 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 3 ) ，得到电压损耗方程： 9 西安工程大学硕士学位论文 堕一u2一一(p+pc)rry+(q-qc)xre n t n ：u 2 进线母线( 母线u t ) 的功率因子方程为： ( 2 1 4 ) c o s 妒：1竺三丝兰鱼；兰鱼圣( 2 - 1 5 ) ( p + p c + 昂+ p d z ) 2 + ( q q c + q o x + q a ) 2 考虑负荷的无功电压静特性，有功负荷p ，无功负荷q 与母线电压u 2 的关系为： p = 晶( ，孑 q = q o u 2 # ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式中，e o ，o o 分别是【，2 在额定电压下，负荷的有功功率，无功功率；口，分别 是有功功率指数，无功功率指数。 电容器组的无功出力q c 是与安装点实际电压有关，则： q c 2q c 0 u 。r ( 2 1 8 ) 式中，q c o 是电容器组在额定电压下的补偿量，即电容器组的铭牌容量( 标称容 量) ，是补偿容量指数( 一般y _ 2 ) 。 由式2 - 1 1 ，2 - 1 4 ，2 1 5 ，2 1 6 ，2 1 7 ，2 - 1 5 经过计算得到。 在式2 - 1 9 ，和式2 2 0 中，只有两个可变化的量。即变压器的变比厅，和补偿容量 ( ，它们分别可通过调节主变压器分接头位置和投切电容器组来改变，以它们两个 作为参数组成的非线性方程组，就是电压无功综合控制的连续模型。如下所示： u 。 r ，( p o v y + 足c q c o u ；) 五r + ( q o v 乒一q ( ，；) 。b 一一u 一_ 一一 n t 刀；u 2 1 0 等糍揣 第2 章电压无功拧制系统的相关理论 ( 昂u 孑+ k c a c o u ；+ 易+ 晶) r + ( q o u f 一! 孙o u ；+ q d z + q o z ) x rr ”，2 u 2 2 + ( r v 芋+ k q c o u r ) r ，+ ( q o u 2 口一q c o u ；) x ， ( 2 1 9 ) c o s 毋一 岛u + k c a c o u f + p o z + 岛e 缸沥i 蕊磊再磊i i 百面河运丽。+ 忱) ： = 0 2 4 电压无功控制的离散模型 ( 2 2 0 ) 变电站电压无功控制，是在满足给定的变电站进线功率因子c o s 矽和二次母线电 压u 2 的情况下，调节补偿电容器组的容量和有载调压变压器的分接头位置。由于变比 靠分接头调节，变压器的分接头个数是有限的，所以，变比一，不是连续可调的。同样 q c 的调节需要靠电容器组的投切，所以它也不是连续可调的1 5 1 。但是，在上述的连续 模型中，计算所得的结果均为连续可变的，计算出的变比可能会夹在两个分接头之间， 电容也可能会夹在两种情况中间。因此按连续模型进行调节是不符合实际情况的。为 了提高变电站电压无功控制的精度，考虑变比n t 和补偿电容量q c 非连续特性，建立 如下式的离散模型。令式2 - 1 9 的左边为巧，式2 - 2 0 左边为b ，得到一个以低压侧 电压偏差e 和功率因予偏差b 为控制目标的带约束的非线性离散变量的优化模型如 下： 印o b n _ u 2 一( p o u v + k c q c o u r ) r 币r r ：+ - ( q o u 2 p - q c o u r ) x r x 一 ( 昂【，笋+ k c q c o u ；+ 乃+ p o z ) r l + ( 乏k 【，f q c o u ；+ q a x + q o x ) x rr n r 2 u 2 2 + ( 昂u 芋+ k l q c o u ；) r r z + ( q o u f q c o u d x r ( 2 2 1 ) 西安工程大学碗上学位论文 b 2 c o s 妒一 m n f 岱l 。x 2 ) = f + f ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) s t x l m i n 3 is 而m 0 x 2s 恐i l m 其中x l 为离散变量，表示嘶，只可能是有载调压变压器分接头位置所代表的数值： j 2 为离散变量，表示q c o ，只可能为每组电容器组安装容量的整数倍。根据上述模型 的离散表达式2 2 3 ，其中充分考虑了约束条件，可以得出离散变量甩r 和q i c o 的精确控 制值，这样能大大减少控制误差，达到更加的控制效果，但此方法计算量大。 2 5 并联电容器相关参数，补偿容量计算 a 并联电容器补偿容量的确定。安装并联电容器进行无功功率补偿时，电容器安 装容量的选择，可根据不同目的来确定，有集中补偿，分组补偿，就地补偿方式，变 电站的补偿方式属于集中补偿【7 1 。 采用集中补偿方式时，总的补偿容量按功率因子可由下式决定： q c2 凡p 雠( t a i l 仍一t a n 妒2 ) ( 2 3 0 ) 或 q c = 尾，弓靠 式中：晶。由变电所供电的月最大有功功率计算负载，k w ； 尻，一月平均负载率，一般可取0 7 - - 0 8 ； 纯一补偿前的功率因子角，c o s d p t 可取最大负载时的值； 仍一一补偿后的功率因子角，参照电力部门的要求确定，一般可取 0 9 一0 9 5 ： q 。一电容器补偿率，k v a r k w ，即每千瓦有功功率需要补偿的无 l 第2 章电压无功控制系统的相关理论 功功率，吼= t a n ( o i t 锄妒2 电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。 ( 1 ) 电容器组为星形连接时 = 面c x l o - 3 = 面锩x l o - 3 = 甜扩l o 一 ( 2 3 1 ) 式中u 装设地点电网线电压，v ； i c 电容器组的线电流，a ； c 电容器组电容，i 旷。 考虑到电网线电压的单位常用k v ，q c 的单位为k v a r ，则星形连接时每相电容器 组的容量为： c r2 c 2 i q c x 厂1 0 3 ( 2 3 2 ) 国u f 1 、 式中 c r 一电网电压角频率，旷。 ( 2 ) 电容为三角形连接时 q c = 慨l o 3 _ 鲫老川4 司栅2 l o _ 3 ( 2 3 3 ) 若线电压u 的单位为k v ，则每相电容器的容量( 单位为，旷) 为 c a = 簪 q 。3 4 式中，q 单位为胪。 2 6 对装置九区图和算法的研究 对于变电站电压无功综合控制装置来说，技术的关键在于提高装置动作的准确性。 这就要求装置一方面能尽量准确地测量电压和无功，另一方面要根据测量值作出及时， 合理的判断，并可靠地发出调节动作。因此，在装置的功能和性能指针确定后，应对 装置的算法和控制策略进行研究。研究的重点在于如何提高装置的测量精度和动作的 合理性。 1 3 西安工程大学硕士学位论文 2 7 传统的九区图控制方法 u q 图2 3 传统九区图 v q c 的基本原则要求是：保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数。 由于过度频繁的调节有载调压变压器分接头和投切并联补偿电容器组会引起变压 器和开关设备故障，因此各变电站对其日调节次数均有严格的限制 8 1 。合理的电容器 组投切方式是采用循环投切方式，使先投入运行的电容器组先退出，后投入的后切除， 以减低电容器组的平均运行温度，减少投切开关的动作次数，延长其使用寿命【9 1 。 传统的九区图法控制策略是按照固定的电压和无功( 或变电站进线功率因子) 上 下限将电压无功平面划分为九个区域。u 是变压器低压侧母线电压，q 是变压器高压 侧无功功率，见上图，q 越下限( 功率因子超前) 表示变电站向电网倒送无功，q 越 上限( 功率因子滞后) ，表示电网功率不足，q 上下限之差应至少大于1 组电容器容量。 有载调压变压器和并联补偿电容器的基本调节规律为：变压器分接头上调( 或下调) 后，u 变大( 或变小) ，q 变大( 或变小) ，进线功率因子c o s p 变小( 或变大) ，一 般调节分接头对无功功率的影响不大；投入( 或切除) 电容器后，q 变小( 或变大) ， u 变大( 或变小) ，c o s 妒变大( 或变小) 。 其中各区的控制策略为： 1 区：无功越下限，电压越上限；先切电容器，若电容器切完( 包括不可以控制的 电容器如：电容器故障，电容器冷备用等) 后仍在该区，则降变压器分接头。 2 区：无功合格，电压越上限：先降变压器分接头，当有载调压开关处于下极限 1 4 第2 章电压无功控制系统的相关理论 时仍在该区，则强切电容器。 3 区：无功越上限，电压越上限；先降变压器分接头，当有载调压开关处于下极 限时仍在该区，则强切电容器。 4 区：无功越下限，电压合格；先切电容器，若电容器切完f 包括不可以控制的电 容器如：电容器故障，电容器冷备用等) 后仍在该区，则维持。 5 区：电压合格，无功功率合格，不操作。 6 区：无功越上限，电压合格；先投电容器，若电容器投完( 包括不可以控制的电 容器如：电容器故障，电容器冷备用等) 后仍在该区，则维持。 7 区：无功越下限，电压越下限；先升变压器分接头，当有载调压开关处于上极 限时仍在该区，则强投电容器。 8 区：无功合格，电压越下限；先升变压器分接头，当有载调压开关处于上极限 时仍在该区，则强投电容器。 9 区：无功越上限，电压越下限：则先投电容器，若电容器投完( 包括不可以控制 的电容器如：电容器故障，电容器冷备用等) 后仍在该区，则升变压器分接头。 传统九区图法的缺点：传统九区图法由于未考虑无功调节对电压的影响及电压调 节对无功的影响，实际使用时会造成振荡，装置动作频繁的现象【1 0 l 。 如果运行点在图2 3 中所示的点a ，按照相应的控制策略，应先投电容器。但是， 若此时点a 的电压接近电压上限，电容器投入以后，变压器的进线无功减少，同时低 压侧电压也随着上升，运行点很有可能进入3 区或4 区。在运行点进入3 区或4 区后， 按照控制策略，应先降分头。如果分接头到下极限( 或变压器分接头不可控) 则要切电 容器。这样，运行点又将回到a 点附近，所以装置有可能不断地发出投电容器切电 容器一投电容器切电容器的操作指令，使运行点不停地在2 区和3 。4 区之间来回震 荡，造成电压忽高忽低，同时对电容器的开关造成极大的破坏。与点a 类似的运行点 还有b 点。 如果运行点出现在上图中的点c ，按照控制策略，先升压。在改变变压器变比的 同时，也改变了系统的参数，影响无功的潮流分布，在电压升高的同时，变压器从系 统吸收的无功也将增大。所以当运行点比较靠近无功上限时，有可能使运行点进入2 区。在运行点进入2 区以后，则要投电容器，使运行点进入9 区。但是如果在点c 直 接投电容器，只要当时的实际无功减去电容器投入后的无功变化量不小于无功下限， 则可以使运行点直接进入9 区，这样就可以省掉一次调分接头，实现电压、无功的最 优化控制。与点c 类似的运行点还有d 点。 西安工程大学硕士学位论文 2 8 改进的九区图 针对传统九区图法中某些区控制策略对控制的结果产生振荡现象以及装置频繁动 作的缺陷，对传统的九区图进一步细化，形成了一个具有1 7 个区的控制图】。同时 统一考虑变压器分接头的升降、并联电容器和并联电抗器的投切，不同的区采取相应 的控制，最终形成较为完善电压无功综合控制策略，如图2 4 所示： 蛳q m ul 厶色 敛 h - - - - 54 c 犬夕 3 、i 。 t、 、 ，、 t a u i 6 a 2 c i 厶 i l 国 2 跏 。 l ，i、 t 厶l 6 c 。 2 ai a 巩 0 u 脚 ， 叫f ， 78a q o ii8 b 包 8 c q 图2 - 4 改进的九区图 其中： a u 。：有载调压分接开关调节一档引起的控制侧电压最大变化量。 a u q ：投切一组电容器引起的控制侧电压最大变化量。 幺：有载调压分接开关调节一档引起的无功最大变化量。 包：投切一组电容器引起的无功最大变化量。 根据电压约束和无功约束，将v q ( 电压无功) 平面划分为九个区域( 俗称九域 图) 然后再将除中间区域外的其它区域划分为三个小的区域。 2 9 改进九区图的电压无功综合控制对策 区域i ：u 越下限，q 越上限。 1 6 第2 章电压无功控制系统的相关理论 调节对策：投入一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关上调档( 电压优先方式) 。 有载调压分接开关下调档( 无功优先方式) 。 区域2 a ：u 正常偏小，q 越上限。 调节对策：投入一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关下调一档( 无功优先方式) 。 区域2 b ：u 正常，q 越上限。 调节对策：投入一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关下调一档。 区域2 c ：u 正常偏大，q 越上限。 调节对策：有载调压分接开关下调一档。 备用对策：退出一组电容器( 电压优先方式) 。 区域3 ：u 越上限，q 越上限。 调节对策：有载调压分接开关下调一档。 备用对策：退出一组电容器( 电压优先方式) 。 投入一组电容器( 无功优先方式) 。 区域4 a ：u 越上限，q 正常偏大。 调节对策：有载调压分接开关下调一档。 备用对策：退出一组电容器( 电压优先方式) 。 区域4 b ：u 越上限，q 正常。 调节对策：有载调压分接开关下调一档。 备用对策：退出一组电容器。 区域4 c ：u 越上限，q 正常偏小。 调节对策：退出一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关下调一档( 电压优先方式) 。 区域5 ：u 越上限，q 越下限。 调节对策：退出一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关下调一档( 电压优先方式) 。 有载调压分接开关上调一档( 无功优先方式) 。 区域6 a ：u 正常偏大，q 越下限。 调节对策：退出一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关上调一档( 无功优先方式) 。 1 7 西安工程大学硕士学位论文 区域6 b ：u 正常，q 越下限。 调节对策：退出一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关上调一档。 区域6 c ：u 正常偏小，0 越下限。 调节对策：有载调压分接开关上调一档。 备用对策：退出一组电容器( 无功优先方式) 。 区域7 ：u 越下限，o 越上限。 调节对策：有载调压分接开关上调一档。 备用对策：投入一组电容器( 电压优先方式) 。 退出一组电容器( 无功优先方式) 。 区域8 a ：u 越下限，q 正常偏小。 调节对策：有载调压分接开关上调。 备用对策：投入一组电容器( 电压优先方式) 。 区域8 b ：u 越下限，q 正常。 调节对策：有载调压分接开关上调。 备用对策：投入一组电容器。 区域8 c ：u 越下限，q 正常偏大。 调节对策：投入一组电容器。 备用对策：有载调压分接开关上调( 电压优先方式) 。 区域9 ：u 正常，q 正常。 调节对策：维持现状。 上述的控制策略不是一成不变的，可以根据具体的控制方式作相应的变化。 a 根据电压约束和无功约束，实现主变有载调压分接开关调节和电容器组投切综 合控制。根据用户要求，电压无功综合控制可选择如下三种方式。 ( 1 ) 电压优先( 当电压无功不能同时满足要求时，优先保证电压正常) 。 ( 2 ) 无功优先( 当电压无功不能同时满足要求时，优先保证无功正常) 。 ( 3 ) 自适应( 当电压无功不能同时满足要求时，维持现状) 。 ( 4 ) 电容器组投切单一控制。根据电压约束和无功约束，实现电容器组投切的单 一控制。 ( 5 ) 主变有载调压分接开关调节单一控制。根据电压约束和无功约束，实现主变 有载调压分接开关调节的单一控制。 综合以上的电力系统相关原理，传统九区图与改进九区图的对比分析，可以得出 1 8