（电力系统及其自动化专业论文）一种新型电压无功综合控制装置的研制.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h e v o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ( v q c ) d e v i c e ，w h i c hr e g u l a t e s t r a n s f o r m e r so n - l o a dt a pc h a n g e ra n ds h u n t sc a p a c i t o r si np o w e rs u b s t a t i o n , i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e a n su s e df o rv o l t a g e & r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o na n dc o n t r 0 1 i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n ge l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y , g u a r a n t e e i n gp o w e r s y s t e ms e c u r i t ya n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o n m o s to fr e c e n tv q cd e v i c e si no p e r a t i o na r eb a s e di nt h et r a d i t i o n a l n i n e z o n e d i a g r a m c o n t r o ls t r a t e g y , w h i c ho c c u r ss o m ep r o b l e m s ，s u c h a st o om a n yt i m e so f a d j u s t i n go n l o a dt a pc h a n g e ra n dc a p a c i t o r sa n dc a u s i n go s c i l l a t i o n ，e t ca i m i n ga tt h e s h o r t a g e so ft h e n i n e - z o n ed i a g r a m c o n t r o ls t r a t e g y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e w m e t h o dt h a tc o m b i n e st r a d i t i o n a l n i n e - z o n ed i a g r a m c o n t r o lp r i n c i p l ew i t hu l t r a - s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t i n ga n df u z z yc o n t r o ls t r a t e g y i nt h en e wm e t h o d ，u l t r a - s h o r tt e r m l o a df o r e c a s t i n gi si n t r o d u c e dt og e tt h et r e n dl i n eo f v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r a tt h e s u b s t a t i o n ，a n dt h e nt om i n i m i z et h et i m e so fr e g u l a t i n gt r a n s f o r m e r sa n dc a p a c i t o r s w i t he l i g i b l ev o l t a g ea n dp o w e rf a c t o r ( o rr e a c t i v ep o w e r ) h o w e v e r ，i nt h ec a s eo f l a c k i n go fh i s t o r i c a l l o a dd a t ao nw h i c ht h ef o r e c a s t i n gi s d e p e n d e d ，o fw h e nt h e f o r e c a s t i n gr e s u l ti sn o tp r e c i s ee n o u g h t og e ts a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c t ，t h eu l t r a s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t i n gm e t h o ds h o u l db es u b s t i t u t e db yr e a l - t i m ec o n t r o lo nt h eb a s i so f n i n e - z o n ed i a g r a m f u z z ys t r a t e g yt og u a r a n t e es a t i s f a c t i o no f t h ec o n t r o lr e s u l tu n d e r a l ls i t u a t i o n o nt h eb a s i so ft h en e wc o n t r o lm e t h o dm e n t i o n e da b o v e , a n da c c o r d i n gt ot h e t e c h n o l o g yd e m a n da n dc o n t r o lf u n c t i o no fv q c ，an e wv q c d e v i c eb a s e do ni p c h a r d w a r ep l a t f o r ma n dw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h ed e s i g n o fi t sh a r d a n ds o f t w a r ei sd e t a i l e d t h er e s u l t so fb o t ht e s t i n ga n do p e r a t i n go ft h e s a m p l ed e v i c ei n d i c a t et h a tt h er e g u l a t i n gm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g yi sr e a s o n a b l e ， a c c u r a t ea n dr e l i a b l ei tc a l ls o l v et h e p r o b l e m s s u c ha sl o wc o n t r o l e f f i c i e n c y , e x c e s s i v e l yf r e q u e n tr e g u l a t i n ga n du n f r i e n d l yi n t e r f a c et h a tr e s u l tf r o mt h el i m i t a t i o n o fc o n t r o ls t r a t e g ya n dh a r d w a r ei nt h ep r e v i o u sv q cd e v i c e s t h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e v i c em e e t st h eo p e r a t i n gn e e do fs u b s t a t i o n sa n dh a sr e a c h e dt h er e q u e s to f p r a c t i c a l o p e r a t i o n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ；v o l t a g e & r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ；n i n e - z o n ed i a g r a m u l t r a s h o r tt e r ml o a df o r e c a s t i n g ；f u z z y c o n t r o l ；i n d u s t r i a lc o m p u t e r n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 砂苁 日期：如幸年钼f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 妙苏 握也 e l 期：御年 月，歹日 日期：方一# 年 月膨日 1 1 引言 第1 章绪论 电压是电力系统考察电能质量的主要指标之一，是反映电力系统无功平衡和 合理分布的标志。电压过高过低都会对电力系统的安全经济运行、用户的安全生 产和产品质量以及用电设备的寿命和安全造成重大影响。因此电压是否能维持在 合格的范围之内，不仅影响电力工业本身的安全，同时也是防止电压崩溃，提高 安全运行水平的重要条件。 电力系统中的电压水平和无功功率状况密切相关。无功功率在从电源侧经线 路和变压器向负荷侧输送时会产生电压损耗，其大小主要取决于通过的无功功率 大小。输送的距离越远，中间环节越多，引起的电压降就越大，负荷侧的电压水 平也就越低。因此合理配置无功电源使无功功率就近平衡，不仅可以提高电压 质量，而且可以减少电网中的有功功率损耗。 随着我国电力系统的高速发展，电网规模越来越大，电压质量问题也越来越 突出，出现电压崩溃并发展成为全网性事故的可能性也逐步增加。因此，为了保 证电能质量和提高电网的电压合格率就应该增强系统对电压无功的调控能力， 保证电力部门及用户总体设各的运行指标达到最佳状态。随着电力系统自动化程 度的不断提高，电压无功优化控制必将越来越受到人们的重视。 1 1 1 电压调整和无功补偿的意义 充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用，实现电压无功综舍控制对提 高电压合格率和降低网损有很大作用。其意义主要体现在： ( 1 ) 提高设各使用效益。无功补偿后线路中通过的无功电流减少，从而使线 路的供电能力增加：无功补偿后变压器的无功电流减少，从而使变压器的功率损 耗降低，供电能力增加：无功补偿后发电机输出的无功电流减少，从而增加了发 电机的有功出力。 ( 2 ) 降低功率损耗与电能损耗。无功补偿设备的装设，可以提高线路和变配 电设备的功率因数，从而有效地减少功率损耗和电能损耗。 ( 3 ) 提高供电电压质量。合理运用调压及无功补偿的手段，可以使电网电压 维持在允许的范围内，从而减小电压的大幅波动，提高供电电压质量。 ( 4 ) 节约能源、改善环境。我国现在装机容量已经超过2 亿k w ，如果能降 低线损1 ，就相当于少投资建设一个2 0 0 万k w 的发电厂，从而避免了由此产 生的环境污染问题。 1 1 2 电压调整和无功补偿的主要手段 随着电网结构的日益复杂，电压等级的不断提高，各种用电设备接入电网消 耗了大量的无功功率，无功功率不足和电压波动大的问题日益突出，这时仅仅依 靠发电机的自动电压无功调节器进行无功补偿己远远不够，必须增强电网本身的 调控能力。合理无功补偿方式的选择应该遵循以下几个原则： ( 1 ) 减少无功功率的流动，实行就地补偿的原则： ( 2 ) 分级补偿原则，集中装设与分散装设相结合，以分散补偿为主全面规划； ( 3 ) 防止在低负荷情况下过补偿，即向电网倒送无功功率。 变电站是实现无功分散控制和就地补偿的理想场所。通过对变电站无功功率 的就地平锈能很好的保证电压质量，因此研究变电站的电压无功控制具有重要的 意义。 在变电站中，调压目前普遍采用有载调压变压器，它通过改变高压绕组的分 接头迸行调压。这种调压方式灵活、可靠，投资较省，但存在以下问题： ( 1 ) 不能平滑调压，只能分级调节。目前的有载调压变压器分接头主要有3 挡和8 挡，对应的电压增量为2 5 和1 2 5 。 ( 2 ) 只能改变副边的电压水平，对无功无补偿作用。 在变电站中，为了补偿无功损耗，可以采用以下几种手段： ( 1 ) 静止无功补偿器。静止无功补偿器可以平滑调节，响应速度快，是一种 比较理想的无功电源。但是这种装置目前国内还不能大量生产，因此较难普遍推 广应用。 2 ) 同步调相机。调相机确切的说是一种不带机械负载的可以过励磁( 经常 的运行状态) 或欠励磁( 较少的运行状态) 运行的同步电动机。调相机同并联电 容器一样装设在枢纽变电站，但与并联电容器相比，它的优点是：可双向连续调 节；能独立的用调节励磁的方法调节无功功率；具有较大的过负荷能力。缺点是： 设备投资高，起动、运行、维修复杂：动态调节效应慢；不适应太大或太小的补 偿；只能用于三相平衡的补偿；增加系统短路容量等。目前我国电力系统的一些 枢纽变电站虽都装有调相机，但可以预测其与静止补偿器控制系统相比，它的应 用前景低于后者。 ( 3 ) 弗联电容器。并联电容器补偿是目前应用最广的种调压方式。可永久 或通过断路器连接至系统某些节点上。当系统无功不足时，补偿装置要尽量装在 无功负荷中心，做到无功功率就地平衡。通常小容量的、分散的、用户的无功扑 偿采用电容器；大容量的、系统中枢点的无功补偿采用调相机或兼用调相机和电 容器。与调相机相比，并联电容器的优点是：投资省、运行经济；结构简单、维 护方便；容量可任意选择、适应性强。缺点是：不能连续调节；负荷的调节特性 一2 一 较差；对系统中的高次谐波有放大现象，在谐波电流过大时可能会引起爆炸。 ( 4 ) 并联电抗器。并联电抗器调压主要是用在超高压( 3 3 0 k v 及以上) 系统 的线路上。它并联在线路末端或中间，吸收线路上的充电功率，以防止超高压系 统线路在空载充电或轻负荷时末端电压过高。 目前我国在许多变电站中都装设了有载调压变压器和无功补偿并联电容器组 等设备，电压质量有了有效的改善。然而很多变电站仍然采用调度值班人员手动 调节的方法，不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持电压和无功所要求的 指标，电容器补偿也达不到应有的经济技术效益，不能充分发挥设各的潜力。因 此，国内外的学者和厂家提出了很多电压无功综合控制的方法，研制了很多相应 的自动控制装置。而且随着变电站综合自动化的发展，电压无功综合自动控制装 置也不断发展成为变电站综合自动化中的一个重要组成部分。 1 2 国内外电压无功控制研究状况综述 随着电网规模的不断扩大和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，导致一些配电网低谷时 电压过高，而在高峰时期电压水平过低的状况，严重威胁着电网安全运行和用户 的正常生产生活。特别是随着我国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，节能降耗的要求日益迫切，使得电压无功综合控制问题引起了 人们的广泛重视。近年来，国内外专家、学者提出了很多薮理论、新方法，促进 了电力系统电压无功控制方式和控制手段的发展。 1 2 1 电压无功控制方式的研究 如何实现电压无功的综合控制，目前从整个电网考虑，主要是以电网投资和 运行费用最小为目标对无功电源的位置和容量进行优化，实现无功电源的合理规 划与配置，并根据电网中的潮流分布情况确定电网的运行方式，减少无功功率在 电网中的流动。在电网建成后，主要是以无功功率交换鼹少为目标对电网运行方 式进行优化控制。 从国外情况看，各电力系统在实施电压无功控制上，既有个别调节，也有综 合调节方式：既有区域性集中控制模式，又有分层协调控制模式。其发展趋势是： 从运行安全性与经济性着眼，向分层集中综合优化控制模式方向发展。所谓分层 就是将整个电力系统按电压等级分解，由上、下级调度负责“界面”电压无功的 协调控制；所谓集中就是将电力系统按区域划分，每个调度区根据本辖区无功电 源和调节能力进行优化协调控制：所谓综合控制是指针对各种无功补偿设备、调 压设备，根据各自的功效及控制特性进行合理使用、协调控制。 在我国电力系统中，各级变电站担负着电压和无功调节的主要任务。但现阶 段由于各变电站的自动化水平层次不一，通过调度中心实现全系统的集中优化控 制有很大难度，大部分地区的电压无功控制还停留在以变电站为单位的分散控制 方式上。具体而言，无功补偿主要还是采用变电站集中补偿和企业分散补偿相结 合的方法。补偿的设备主要以并联电容器为主，在城网2 2 0 k v 变电站中也采用并 联电容器和并联电抗器共同调节的手段。在调压设备上，为了改善电压质量，有 载调压变压器也得到了广泛的应用。1 9 9 8 年能源部颁发的电力系统电压和无功 电力管理条例第十一条规定：“当电网电压变异和波动幅度较大时，按设计规 程，应采用有载调压：对2 2 0 千伏和1 1 0 千伏以下电压的变电站至少采用一级有 载调压变压器”。 对电压无功的调节控制，从实现方法上讲，主要有以下两种： 1 离线优化 这种方式是根据专家经验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优化计算得出第二天的调节方案，由调度下发给各站。调节 方案一般以小时为间隔，很粗糙，而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基 础的，当预测数据不准时调节方案就失去了意义。 2 实时监控 这种方式是通过变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采 样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就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。目前普 遍采用实时监控的方式进行控制。 对电压无功的调节控制，从方式上讲，主要有以下几种： 1 集中优化控制 这种方式是根据全网的状态进行优化计算，进而得出全网的电压无功的最优 解，通过调度中心进行安全性分析并按最优解实施电压无功集中优化控制。较常 用的算法有线性规划、遗传算法、人工神经网络等。线性规划的特点是速度抉， 但不容易收敛。遗传算法的收敛性非常好，但速度慢，目前无法用于实时优化计 算。人工神经网络目前仍处于探索阶段。从理论上讲，通过电网调度中心实施整 个系统的电压无功集中优化控制是最合理的方法。 2 就地分散控制 这种方式基本以变电站为单位实施本地分散控制，调节电压和无功功率就地 平衡。这种方式的优点是原理简单、实现可靠。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。由于仅能得到本站的数据，所以 其缺点是仅能实现局部最优，无法实现全局晟优。 3 关联分散控制 关联分散控制方式”1 即以变电站为中心，根据、k 级调度事先规定的母线电压 一d 一 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 综合控制装置根据该站的实对运行情况，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，需要时也可由调度直接下达命令进行调节。正常运 行情况下，安装在各厂( 站) 的关联分散控制装置根据事先设计好的控制规律进 行调控，调控范围和定值是从整个系统的安全性、稳定性和经济性出发由电压无 功优化程序事先计算好的：在紧急情况下或系统运行方式发生大的变动时，可由 调度中心直接控制或由调度中心修改下属变电站的母线电压和无功功率定值，以 满足系统安全、稳定、经济运行的要求。 综合分析以上几种控制方式，采用集中控制模式控制软件复杂，需要可靠的 通信通道和完善的变电站综合自动化及接口功能，风险高，调度员工作负担重； 采用关联分散控制方式可简单实现全局优化控制，控制责任分散，风险分散，但 仍要求电网具有较强的通信功能和手段；采用分散控制模式，比较适合当前变电 站的要求，投资小，自动化程度高，便于实现电压无功综合自动控制的要求。此 外还可以充分利用长期的负荷统计量进行预测优化计算，制定电压和无功运行曲 线，可以较好的实现全网电压无功局部最优的目标，是较理想的控制模式。因此， 本文将采用分散控制模式结合预测优化进行电压无功控制。 1 2 2 电压无功控制调节判据的研究 电压无功控制的调节判据的发展到目前为止经历了以下几个阶段： ( 1 ) 按功率因数控制。根据功率因数自动投切并联电容器组，若功率因数低 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 器对母线电压的影响，而且当负荷较轻时较小的无功功率变化会引起功率因数的 较大变化，存在投切动作频繁和易造成投切振荡的问题。 ( 2 ) 按电压控制。当母线电压低于限值时自动投入补偿电容器组，电压高于 限值时切除补偿电容器组。该方法未考虑无功功率平衡这一基本条件，无功补偿 效果差，因此也是不合理的。 ( 3 ) 按电压综合控制有载分接开关和电容器组。该方法综合运用升降分接开 关莉投切电容器组的方法调压，优于以上两种调节判据，但仍未考虑无功补偿的 效果，调节过程也不甚合理。 ( 4 ) 根据电压、时问序列的负荷控制。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。 ( i ) 按电压、无功功率( 功率因数) 综合控制。根据母线电压和无功功率将 运行情况分为9 个区域，在不同的区域采用不同的控制对策，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。然而这种控制方法的无功调节边界是固定的，无法反映电压对无功的影响， 在某些情况下存在动作过于频繁的问题，有时甚至会引起振荡。 ( 6 ) 与电压关联的无功边界调节判据综合控制。针对按电压、无功功率综台 控制中存在的动作过于频繁的问题，考虑了电压对无功边界的影响，因此与其他 的调节判据相比，既能满足“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数” 的变电站电压无功综合调节的基本原则，又克服了频繁投切所引起的振荡问题， 是变电站电压调节的合理判据。因此本文将采用此种判据对电压无功进行综合控 制。 1 2 3 电压无功控制策略的研究 目前用于变电站电压无功综合控制的方法主要有：固定边界的变电站电压无 功综合控制5 儿州”、与电压关联的无功边界的变电站电压无功综合控制n 0 3 、 基于专家系统的变电站电压无功综合控制m 2 m “、基于人工神经网络( a n n ) 的变电站电压无功综合控制n 钉“、变电站电压无功综合调节的模糊控制”“钔等。 1 2 4 电压无功控制装置的研究 随着电力自动化技术的广泛应用，无人值班变电站的不断增多，原有的人员 手动调节电压无功方式已经越来越不能适应形势的发展，电压无功自动控制装置 ( v q c ) 开始在电力系统中大量使用，其具体实现方式主要有以下三种： ( 1 ) 自带i o 系统的独立v q c 。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，集i o 系统和计算判断与一身，其闭锁信号由相 应装置的硬接点输入，大大增强了v q c 闭锁的快速性和可靠性。其优点是：由于 v q c 的数据采集和控制输出都由自身完成，不需要借助网络或其他装置工作，可 靠性高；由于闭锁信号均由相应的硬接点输入，闭锁及时可靠。其缺点是：相对 于后台机和网络v q c 来说，信息共享程度差，输入输出需要铺设较多的电缆，安 装工艺比较麻烦。这种专用独立式v q c 成套装置在电力系统中应用最为广泛，主 要适用于非自动化的变电站。国内目前这种装最型号较多。 ( 2 ) 自动化系统后台机软件v q c 。这种v q c 依附于变电站层监控主站，是后 台监控系统的一个子模块，本身没有专用的i 0 系统，借助于自动化系统的相关 监控装置进行数据采集与控制输出。其优点是：省去专用硬件设备，软件具有很 强的扩展性和兼容性，不需要单独铺设电缆，降低了成本和工作量：对运行维护 人员来说人机界面友好，参数设置简单，调试方便。其缺点是；由于数据采集和 控制输出要经过几个环节，其闭锁速度往往达不到运行要求：监控系统要经常有 人操作或干预容易发生死机等异常现象。整个v q c 的可靠性取决于网络通信、 一6 一 l o 和后台主机的运行状况。目前，南瑞中德公司的l s a 6 7 8 及n s c 一2 0 0 0 系统采 用的是这种后台监控计算机软件v q c 的方式。 ( 3 ) 自动化系统网络v q c 。这种v o c 的核心采用单独的c p u 装置，但其i o 设备借助自动化监控系统实现，本身不带i o 系统。优点是：无须单独组屏，装 置以插件的形式嵌入自动化系统中，同时也不须单独铺设电缆，减少了工作量： 其核心采用单独的c p u 装置，因而调节与闭锁速度快，相对于后台软件v q c 来说 更易获得闭锁信号；其测量值来源于自动化系统，避免了自带i o 系统按电压、 无功功率( 功率因数) 综合控制v q c 因测量值与自动化系统测量值不一致而造成 的调节出入问题。其缺点是：整个v o c 的可靠性取决于网络通信、i o 和v q c 主 机的运行状况。目前，四方公司的c s c 一2 0 0 0 系统采用的是这种网络v q c 装置。 由于目前在许多变电站中基本上均有自动化设备而无v q c 装置，若采用成套 的独立装置增加v o c 功能时，要进行大量的电缆和回路改造；若采用在自动化系 统上增加v q c 功能软件受i j 需要对系统软件进行大量变动，何况目前许多r t u 只 有“二遥”功能，使得信息采集不完善，无法保证v q c 软件的可靠性。因此本文 采用一种介于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 装置一一“半独立式v q e 装置”，即i p c - - v q c 系统“。本系统将所需的开关量 和电信号通过专用模块采集运算处理后，输入工业控制计算机( i p c ) 进行集中控 制。开关量的输入输出模块及相关电参量的采集模块可以由相应的外部单片机模 块完成，通过串行通信的方式与上位i p c 进行数据交换，具体控制策略由i p c 中 的v q c 功能软件实现。这种装嚣只需接入少量的电缆和改动较少的回路便能安全、 有效、方便的投入变电站自动化系统中，运行稳定，有很高的使用价值。 1 3 本文的主要工作 本文全面阐述了i p c v q c 式电压无功综合控制装置的控制方法，并在基于与 电压关联的无功边界调节九区图调节判据的基础上加入模糊控制理论和负荷预测 的方法，提出了一种将电压无功超短期预测与实时模糊综合控制相结合的控制方 法，并介绍了装置软硬件实现方案。论文分为6 章，具体安排如下： 第1 章主要介绍了电压无功控制的意义、手段和控制方式，重点阐述了变 电站电压无功练合控制的调节判据，控制策略和控制装置的研发现状，并对其优 点和不足进行了对比，使其作为本文所论述的电压无功控制装置的设计依据。 第2 章介绍了有载调压变压器分接头及并联电容器的工作原理，并对电压 无功综合控制的原理及效果进行分析，进而介绍了传统的九区图控制方法及其存 在的问题。提出用负荷预测及模糊控制的方法来解决这些问题。 笫3 章阿先闸述了超短期负荷预测的基本方法，然后介绍了采用超短期负荷 预测法对传统九区囤控制策略的改进，即通过对变电站的低压侧电压和高压侧无 功负荷进行超短期预测掌握未来电压无功变化趋势，将结果作为电压无功控制策 略的重要参考量，在保障安全的前提下实现投切和调整的优化，有效减少了控制 过程中振荡的产生。 第4 章系统地介绍了模糊控制理论的原理、数学基础及模糊控制器的设计 原理，进而结合电压无功调节九区图原理和策略提出了与电压关联的无功边界调 节九区图模糊控制策略，并对这种模糊控制方法进行了m a t l a b 仿真。 第5 章在前两章的理论基础上，根据实际系统的运行和控制要求，确定控 制方法、基本功能及应达到的技术指标。 第6 章针对第五章提出的指标和要求，介绍了装置的软硬件设计方案，完 成装置的总体设计。装置采用研华科技生产的工业控制计算机i p c 一6 1 0 为硬件平 台，辅以外围模块( 智能传感器、继电器板、开入开出板以及电源等) 构成装置 的硬件体系。软件设计主要包括：与外部设备的连接、与应用程序的数据交换、 数据库的建立及查询、历史及实时运行曲线的绘制、报警和事件系统设计、命令 语言设计、人机界面等。 总结对全文工作做了总结，指出了研究的不足，对进一步研究做了展望。 第2 章电压无功综合控制原理及九区图 2 1 控制原理 有载调压变压器和并联电容器组，由于其设备投资和运行费用较低，是目前 变电站中应用最广泛的电压无功调节设备。下面针对本装景研制过程中所涉及的 有载调压变压器和并联补偿电容器，对其工作原理做简单的介绍。 图2l 所示为有载调压变压器( 3 1 5 m w ，1 1 0 8 x1 5 3 8 5 i 0 5 k v ， y n y n o ，d l l ，9 、1 0 、1 1 联档) 分接头调压原理图。一般来说，有载调压变压器的 高压绕组中性点侧有抽头，也就是我们所说的分接头。分接头共1 9 档，其中9 、 l o 、l i 为等电位档，即9 、1 0 、l l 联档。a 、b 、c 三相统一由一个附在变压器油 箱外的操作机构( 有载调压开关) 控制，一般有升、降、急停三个按钮和档位显 示窗口，便于进行就地控制。档位信号和按键并联接点经电缆连接到控制室便于 进行集中控制。电压无功控制装置将通过这些电缆控制变压器分接头的调节。 图2 1 三卷有载调压变压器分接头工作原理图 图2 2 所示为加装于低压母线( i o k v ) 上的并联补偿电容器组( 2 i m v a r ) 。一般 2 之o k v 及以上变电站装于1 0 k v 或3 5 k v 母线上，每段母线上有4 组并联电容器； l i o k v 及以下变电站装于i o k v 母线上，每段母线上有一组并联电容器。电容器组 的投切是通过断路器3 0 2 来控制的，图中断路器下面的电抗器主要是抑制j 次谐 波电流，因为电容器组对5 次谐波的容抗很小，5 次谐波会被放大，如果没有电 抗器会造成电容器过热。电容器组一般接成双星形，在中性点问连通并接入电流 互感器和相应的保护继电器l h ，以防止电容器部分击穿。与电容器组相并联的双 阉电压互感器t v 供仪表和保护使用，也可做为电容器的放电回路。此外，与电容 器组并联的还有避雷器和接地刀闸。 图2 。2 并联补偿电容器组工作原理图 2 2 电压无功调节原理及调节策略分析 本文以双绕组变压器为例，分析越限产生的原因和解决办法。首先定义：， 为低压侧电压：p 为系统向变压器输送的无功功率( 变压器并联时为综合无功功 率) ；c o s 西为高压侧功率因数( 变压器并联时为综合功率因数) ；本文若不加特 殊说明，升分接头表示调低低压侧电压盯；降分接头表示调高低压侧电压u ( 即 逆调压方式) 。 对于升降分接头和投切电容器这两种调节手段，假设高压侧电压不变，负荷 等值阻抗不变，则有如下的效果分析： ( 1 ) 升分接头，高压侧绕组数增大，低压侧电压降低；变压器与负荷等效阻 抗降低，系统无功供给增加，所以驴上升。即：升分接头，降，p 升，c o s 西降。 ( 2 ) 降分接头，高压侧绕组数减小，低压侧电压升高。变压器与负荷等效阻 抗增加，系统无功供给减少，所以口下降。即：降分接头，升，p 降，c o s 毋升。 ( 3 ) 低压侧投电容，使系统无功供给减少，所以口下降，变压器电压损耗降 低，低压侧电压上升，即：投电容，升，口降，c o s 庐升。 ( 4 ) 低压侧切电容，使系统无功供给增加，所以口上升，变压器电压损耗增 加，低压侧电压会下降，即：切电容，降，p 升，c o s 曲降。 对越限产生的原因，结合已有的两种调节手段，定性分析如下： 电压越上限，可能原因有以下两种： ( 1 ) 容性无功多，低压侧无功补偿过多，系统输送无功过少，变压器电压损 耗过小； ( 2 ) 分接头低，系统与负荷之间的电气距离太近。 电压越下限，可能原因有以下两种： ( 1 ) 容性无功少，低压侧无功补偿过少，系统输送无功过多，变压器电压损 耗过大： ( 2 ) 分接头高，系统与负荷之问的电气距离太远。 无功越上限，说明系统送的无功过多，可能原因有以下两种： ( 1 ) 容性无功少，低压侧无功补偿过少： ( 2 ) 分接头高，系统向低压铡无功输送无功过多。 无功越下限，说明系统送的无功过少，可能原因有以下两种： ( t ) 容性无功多，低压铡无功补偿过多： ( 2 ) 分接头低，系统向低压侧无功输送无功过少。 表2 1 给出了不同越限产生的原因、采用的调节手段以及调节效果。 表2 1双绕组变压器越限调节一览表 越限情况 原因手段效果( 遵调压方式) 容性无功多切电容u 降、q 升、c o s 由降 u 越上限 分接头低升分接头u 降、q 升，c o s 巾降 容性无功少投电容u 升、q 降，c 0 3 夺升 u 越下限 分接头高降分接头u 升、q 降、c o s 由升 容性无功少投电容q 降、u 升、c o s 巾升 q 越上限 分接头高降分接头q 降、u 升，c o s 咖升 容性无功多切电容q 升、u 降，c o s 巾降 q 越下限 分接头低升分接头口升、u 降、c o s 巾降 根据上表中所分析的结果，可以得到我们常用的九区图控制策略，如图2 3 所示： 1 区：电压偏低、无功补偿不足；先投电容，当全部电容器组均投入( 或被 闭锁) 后，电压仍低于下限值发降档位调节指令升压。 2 区：电压正常、无功补偿不足；投电容器组，当全部电容器组均投入后仍 在该区，则维持。 3 区：电压偏高、无功补偿不足；先发升档位调节指令降压，当变压器档位 调到上限位置后，仍在该区，则强切电容器组。 4 区：电压偏高、无功补偿正常：先发升档位调节指令降压，当变压器档位 调节到上限位置后，仍在该区，则强切电容器组。 5 区：电压偏高、无功补偿过剩：先切电容组，若电容器组切完后仍在该区， 则发升档位调节指令降压。 6 区：电压正常、无功补偿过剩：先切电容器组：若电容器切完后仍在该区， 则维持。 7 区：电压偏低、无功补偿过剩；先发降档位调节指令升压，当变压器档位 调到下限位置后仍在该区，则强投电容器组。 8 区：电压偏低、无功补偿正常；先发降档位调节指令升压，当变压器档位 调到下限位置后仍在该区，则强投电容器组。 9 区：电压无功均正常，不调节。 5 叶 d 研电容器 升分接头 升分接头 升分接头研电容墨切电容器 692 坍电容嚣 不调节投电容器 781 哮务接头 碡分接虫投电容嚣 投电容嚣 投电窖暮辟分接头 图z 3 电压无功综合控制策略九区图 此控制策略中加入了对电容器组的强投和强切控制。在分接头无法调节的情 况下，如粟预灞投入电容器组后。不会向变压器电源侧倒送无功，则进行强投。 传统的九区图法存在的主要问题是：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协调关系，用于运算分析的信号有分散 性、随机住的特点，这就造成了控制策略的盲目和不确定性，实际袭现为在九区 图的某些边界区域，设备会频繁调节。基于传统的九区图方法，运用现代智能控 制的方法，可有效解决在九区图边界上的频繁动作，最大限度的教菩电压无功质 量，并减少不必要的分接头调整次数。以下两章将分别介绍基于超短期负荷预测 的九区图控制方法和与电压关联的无功边界调节九区圈的模糊控制策略。 第3 章基于超短期负荷预测的九区图控制策略 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。从目前国内研制的电压无功综合控制装置的使用情况来看， 存在着投切频繁、效率低，甚至出现投切振荡等问题。通过分析发现，对于这些 问题，主要原因是许多v q c 装置都是通过动作延时的方法来滤去负荷的波动，在 控制策略中没有把负荷波动的信息考虑进去。考虑到变压器允许短时过负荷，凶 此可以充分利用变压器的这个能力，减少不必要的投切和调整。为了实现这点， 关键是要掌握负荷变化，特别是短时波动的情况。因此对变电站的低压侧电压和 高压侧无功负荷进行超短期预测，通过预测值掌握未来电压无功变化趋势，将结 果作为电压无功控制策略的重要参考量，可以在保障系统安全的前提下实现投切 和调整的优化减少控制过程中振荡的产生。本章介绍基于超短期负荷预测的改 进九区图控制策略。 3 1 超短期负荷预测 3 1 1 超短期负荷预测概述 超短期负荷预测一般是对以几分钟至一小时为时段的负荷进行预测。这种情 况下，一般不再考虑气象条件( 主要是温度) 的影响，因为温度的变化是缓慢的， 对负荷的影响不会突变，而且温度的影响实际上已经包含在负荷的历史记录中。 根据经验，在个极短的时间内，负荷的变化是不定的，常常表现为过去最近一 段时间内负荷基础上的一种随机起伏。 超短期负荷预测的特点是：预报周期短，天气变化、节假日、双休日的影u 向 均不太明显：负荷曲线不如短期平滑，随机性强，周期性没有短期负荷预报强， 高次谐波分量相对较多且幅值大，并且可以通过最近的负荷历史数据来不断修正 预测模型。我们进行负荷预测都基于这样的假设，即在任何时刻电力系统供给的 电力都能满足负荷需要，系统没有停机或甩负荷，这样就可以对以往的负荷数据 作统计分析以便建立恰当的负荷模型。利用经过验证的负荷模型，就可以按选定 的提前时问预测负荷需要。 3 1 2 时间序列基本原理及负荷的分解 所谓时间序列，就是随变量k 变化的量删在， ， a ，、， 一圪( 蠡) ( 3 8 ) 根据式( 36 ) 和( 37 ) 计算出来的参数，可以建立预报模型，对趋势分量e ( 尼) 进行预 报。则其预报模型为 t ( j i + j ) = d + 6 ( 七十，)( 3 9 ) 其中，p 0 ，为预报步长的时间段标号。k 为当前时刻。 3 1 5 负荷随机分量的时间序列法在线预测 经过对负荷的随机分量l ( k ) = ( 后) 一t ( 七) 的分析，发现y ，) 已接近零均值平 稳随机序列，符合平稳时问序列的基本要求。根据经验，通常已不需要再作差分， 可直接用时间序列法对其进行分析、预测。对负荷的随机分量采用时间序列法进 行预测，首先要选择一个合适的模型来描述随机变量变化过程的统计规律性，即 模型的识别：然后要在该数学模型的基础上选取适当的方法定出模型中的未知参 数，即参数估计。 对于一个零均值平稳随机时间序列，有三种适合于它的随机模型：自回归模 型( a r ) 、滑动平均模型( m a ) 和自回归滑动平均模型( a r m a ) 。其中自回归模型( a r ) 是随机时间序列模型的最简单形式，被广泛应用于表示零均值平稳随机时间序列。 对于自回归模型a r ( n ) ，其协方差函数的估计式为： 1 y 一 允= 百1 己，) r ( 膏+ m ( 女= o ，1 ，2 am )( 3 】o ) 在负荷预测中，样本容量n 般都取得不小于5 0 ，通常都取2 0 0 以上。考虑到本 装置采用全参数智能模块和工控机实现，参数采集数量全，速度快，计算速度快， 存储容量大，因此我们取历史样本n = 2 0 0 。这样可以使模型识别和参数估计都 比较理想。在计算协方差时，k 数量越大，估计误差就越大，所以一般应满足 m n ，常取m 的值在尝左右。因此，我们取协方差的数目m 为2 0 。当n 增大 4o 时，协方差的估计值将越接近实际值。计算出协方差的估计值后，可依据定义计 算自回归模型爿j r o 的自相关函数估计值： a = 娑( 3 1 1 ) 其中， 死= e 卯j = 专善vk r ( k = 0 , 1 , 2 a m )( 31 2 ) 然后可得到图布利兹矩阵： j r ( m = 户( o ) y ( 1 ) a 夕( n 一1 ) 2 0 ) 矿( o ) a 尹( n 一2 ) a 户( n 1 ) a 尹( n 一2 ) aa a 尹( o ) ，加 m )( 3 1 3 ) 由图布利兹矩阵即得到模型的阶数f 1 。图布利兹矩阵对n 阶模型是非奇异的，因 而有逆存在。根据尤拉一瓦尔克方程，可得到自回归模型a r 例的参数向量口： 口= r 1 加) r( 31 4 ) 式中，a ：k d ：a i ，r ：p ( 1 ) ，( 2 ) ar ( ”) f ，r 例是”以相关性矩阵。 确立了自回归模型a r ( n ) 的参数向量d 和模型阶数玎，就可以估计随机分量噪 声过程的统计特性，其估计值由残值吒= l ( k ) 一尊 ) 提供，由下式确定： t ( 七) = 一口l ( k f ) ( 3 15 ) i = 1 噪声的方差由下式估计得： y 盯2 = ( 1 n l e 2 ) ( 3 1 6 ) = l 因此，根据噪声方差可知，我们用模型阶数月及其参数向量d 建立的a r 俐 序列模型符合要求，可以进行负荷预测工作。预测的递推公式为： y r ( ) = 口i y a h 一1 ) + a 2 y a h 一2 ) + a + 口l ( h 一胛)( 31 7 )