（电力系统及其自动化专业论文）省级电网实时无功优化控制方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 、厂o l t a g e ，f 沁q u e n c y w a v e f o 姗a r et h ek e y i n d e x e st oc h a r a c t e r i z ep o w e r q u a l i t y 、e m e rt h ev 0 1 t a g ei s q u a l i f i e dw i l l a f r e c tt h es a f 时a n de c o n o m yo fp o w e r n e 觚o r ko p e r a t i o nd i r e c t ly al a r g ev o l t a g ed e v i a t i o nw o u l dn o to n l yp o s ea 缸e a t a l l dd 锄a g et oe l e c t r i c a le q u i p m e n t ，b u ta l s om a yc a u s ev o l t a g ec o l l a p s ei ns e v e r e c a s e s ，c a u s i n gb l a c k o u t s t h ei n c r e a s i n 百ys 甜o u se i l e f g yc r i s i s 锄de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nm a k ee 1 1 e r g yc o n s e a t i o nt ob ea i li m p o n a i l tt o p i ci nv 撕o u sc o 蚰t r i e s a r e a s o n a b l ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o ls t r a t e g yc a nn o to m ys i g n i f i c a n t l y r e d u c e se n e 哩；) ，l o s si ne l e c t r i c i 够t r a n s m i s s i o n ，b u ta l s oi n l p r o v em ep o w e r 鲥d v o l t a g eq u a l i 丘c a t i o nr a t ea n dv 0 1 t a g es t a b i l 讫a t i o nl e v e l c o m p r e h e n s i v eu t i l i z ea v 撕e t yo fr e a c t i v ep o w e r v o l t a g er e g u l a t i o nm e a l l sd i s t r i b u t e di i lp o w e rp l a n t sa 1 1 d s u b s t a t i o n sa i l d i m p l e m e n tg l o b a l o p t i m i z a t i o n c o n t r o lo fr e a c t i v ep o w e rt o e 丘e c t i v e l yi m p r o v et h e 面dv 0 1 t a g eq u a l i t ya n dr e d u c ep o w e rl o s si nt r a n s m i s s i o n w h i l ee n s u r i n g 鲥ds e c u t ya n ds t a b l eo p e r a t i o ni sa ni m p o i r t a n tt a s kt h ep o w e r 鲥d f a c i n g i nt h i sp a p e r b yc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g na u t o m a t i c v o l t a g ec o n t r o l( a v c ) m o d e l s ，p r e s e n t sr e l a x a t i o nr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n m o d e l ，v o l t a g ec o r r e c t i v ec o n t r o lm o d e la 1 1 dv o l t a g es t a b i l i t yc o n s t m i n e dr e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o nm o d e l ，a n dg i v e st h ec o r r e s p o n d i n gs 0 1 u t i o na l g o r i t h m ，b a s e do n w h i c h ，p r e s e n t sap r a c t i c a lr e a l - t i m er e a c t i v ep o w e ro p t i m a la n dc o n t r o ls c h e m ef o r p r o v i n c i a l 鲥d u s i n go p f - b a s e d 俩。一1 e v e lv o l t a g ec o n t r o lm o d e l ，“ss c h 锄e r e a l i z e sm u l t i - o b j e c t i v ec o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o n ( v o l t a g es e c u r i 吼v o l t a g es t a b i l i 坝 e c o n o m i co p e r a t i o n )b yc e n t r a l i z e do p t i m a lc o n 住d l l i n go fr c a c t i v ep o w e ra n d v o l t a g er e g u l a t i o ne q u i p m e m sa n dc o o r d i n a t ec o n t l o l l i n go fr e 西o n a la v cs y s t e n 【1 s t h es c h 锄em i sd i s s e n a l i o nd i s c u s s e sh a sb e e nu s e di nz h e j i a n gp o w e r 鲥d r e a l t i m er e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m 娩a t i o n ；a u t o m a t i cv o n a g ec o n t r o l ； c o o r d i i i a t i o nc o n t r o l ；v o l t a g es t a b i l i t y l l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江太堂或其他教育 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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向同家有关部门或机构送交论义的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝堑太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1无功电压控制的意义 电压质量对电力系统的安全稳定与经济运行、保证用户的安全生产与产品 质量以及电气设备的使用安全与寿命有着重要的影响。而无功功率与电压有着 密切关系，无功功率的变化将引起电压的变化，无功功率不足将导致电网电压 下降，无功过剩则将导致电网电压升高。为了维持负荷的电压水平，就必须提 供相应于该电压水平的无功功率，由此产生的无功电压控制问题一直以来就是 电力系统研究的技术难题之一。 无功电压控制的目标是合理利用系统中的发电机、无功补偿设备和有载调 压变压器( 0 l t c ) 等无功电压控制设备，协调它们的动作，在保证电压合格和经 济效益的同时，又能留有充足的无功裕度用于紧急事故。其研究内容主要包括 以下两个方面： ( 1 ) 无功电压设备的合理配置。主要以今后5 一l o 年的电网规划为依据，在 保证满足各种典型方式安全约束的前提下，确定最优无功补偿地点、类型、容 量及无功电压控制设备的最佳运行状态，从而达到提高电压稳定性，改善电压 质量，降低网损等目的，称为电力系统无功规划。 ( 2 ) 无功电压控制设备的合理运行。即在现有无功补偿设备配置的基础上， 根据系统的负荷变化，确定无功电压控制设备的投切和调节方案，以达到电压 质量好、无功电压控制设备的调节次数少和系统有功损耗小等目的，对实时性 要求较高，称为电力系统无功运行优化，以下简称无功优化。 无功优化对电力系统和负荷的重要意义主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 使电网各节点的电压保持在允许的范围，从而保证电网的电能质量。 ( 2 ) 改善电网安伞性。 ( 3 ) 减少电网的损耗，提高经济性。 ( 4 ) 使无功潮流合理分布，减轻线路和变压器的负担。 ( 5 ) 合理调整全网的变压器分接头位置，并减少其操作。 由于电力系统规模大，运行方式多变，负荷变化具有地域性、随机性，加 一1 一 浙ii ：大学硕士学位论文 上无功电压控制设备种类繁多，性能差异较大，响应速度有快宵慢，调节方式 有所不同，因而无功优化一直是电力系统研究领域的重点和难点。随着高压远 距离输电技术的实现，各区域电网互联，组成统一整体，同时厂网分开、竞价 上网的电力市场改革的进行，使电网能在更大范围内实现补偿调节、错峰、调 峰等功能，在更大的空间内合理配置电力资源，以及对无功电压控制设备进行 统一调度实现电网的整体最优效益，不仅影响到整个系统的供电质量和经济效 益，更是关系到系统能否安全稳定运行的关键问题n - 3 】。 鉴于此，基于厂站的无功调节和电压控制方法得到了广泛的应用，它是在 发电厂和变电站内设置自动控制装置，如发电机的自动励磁、变电站的无功电 压控制( v q c ) 等，实时跟踪运行条件的变化，维持j 一站母线电压水平和功率 因数或无功平衡，这利- 无功电压控制属于各厂站分别进行的分散型控制，只能 解决局部的无功电压问题。 基于最优潮流( o p f ) 的无功电压优化控制集安全和经济于一体，实现了 安全约束下的经济性控制。多年来，人们在有关最优潮流的理论与实践方面做 了大量的工作。 相对于有功和频率控制，由于无功功率的大功率、远距离输送将产生较大 的有功损耗、无功损耗及电压降，因而既不安全，也不经济。无功和电压控制 的设备需分散在各电压等级的电网中，临控和操作均比较复杂；同时，无功电 压控制的非线性程度较强，优化和控制的难度较大，因此，无功和电压的自动 控制较有功和频率控制发展慢，在上世纪9 0 年代巾后期才得到较大发展。随着 近十年来计算机、通信、控制和网络技术的快速发展，自动电压控制( a v c ) 系统的实现不仅必要，而且可行，故而得到了前所未有的重视。 1 2无功电压控制的历史以及研究现状 电力系统的无功电压控制问题很早就得到了密切的关注和深入的研究，其 研究历史大致可划分为三个阶段： 在初始阶段，人们只能根据系统运行的实际需要和电网的实际情况，凭经 验进行无功潮流分布和节点电压的调整，这种凭经验的调整没有严格的理论依 据，不能满足大电网无功电压控制的需要。 3 0 年代至6 0 年代初可称为经典法阶段，在这段时间内，人们提出了类似 一2 一 浙f l ：大学硕士学位论文 于肯功优化等耗量微增率准则的等网损微增率准则，用于求取无功电源的最优 分布和无功负荷的最优补偿。无功负荷的最优补偿旨在确定最优补偿容量、最 优补偿设备的分布、最优补偿顺序的选择，无功电源的最优分布以降低电网中 的有功功率损耗为目标；二者在数学模型上是类似的，都只计及了系统无功功 率的平衡，而没有考虑有功功率的平衡。这种方法的优点是速度快，但不能有 效地引入和处理各种系统约束条件。 随着数学和现代优化理论地发展，数学规划方法不断地被运用到电力系统 运行、管理、控制中来。优化数学方法具有严格的理论依据，可方便地引入和 处理各利- 约束，能达到各种目标，因而得到了重视，6 0 年代，法国学者 j c a 印e n t i e r 首次提出了最优潮流( o p f ) 概念，无功潮流优化和电压控制的研究 也推向了一个新的高潮。 近年来，随着电网基础自动化水平的逐年提高，基础数据的准确性有了明 显改善，基于o p f 的无功电压优化控制得到了长足的发展。以电压无功优化为 理论基础的a v c 系统在德国、法国、意大利等国外电网和福建、河南、湖南、 安徽、江苏、江西、河北等国内省级电网及华北大区电网相继投入运行，取得 了较好的效果。 1 2 1 以德国r w e 电力公司为代表的两级电压控制模式 德困r w e 电力公司的a v c 系统采用两级控制模式，在调度控制r f l 心，a v c 主站基于状态估计结果实时进行全网电压无功优化，优化结果直接下发到各， 站实施闭环控制。该模式相对简单、控制精度高、经济性好，但对通讯系统的 可靠性、状态估计及电压无功优化算法的可靠性提出了较高的要求。 两级电压控制模式投资小、且符合大多数电力公司调度控制的实际情况， 但国外a v c 系统建设主要集中在上世纪八十年代或九十年代初，受限于当时通 讯系统的可靠性、状态估计的可靠性及电压无功优化算法的可靠性等多方面的 因素，其实际应用反而不如三级电压控制模式广泛。 该系统尚未实现在线电压稳定监视功能、更未考虑a v c 与电压稳定性的协 调。电压无功优化作为静态优化计算功能，主要考虑电压约束和网损最小化， 难以对电网的电压稳定性进行协调。当负荷重载时，优化后负荷巾心附近的发 电机无功出力可能较为靠近边界，导致动态无功储备紧缺，使系统承受故障扰 一3 一 浙t l ：大学硕士学位论文 动的能力下降。 此外，该系统在状态估计或电压无功优化失败时没有后备的控制手段，只 能将各厂站退回当地控制。 1 2 2以法国e d f 电力公司为代表的三级电压控制模式 法国e d f 于上世纪7 0 年代基于三级电压控制模式建设自动电压控制系统， 是当时国际上公认的最先进的电压控制系统。并在巴西、意大利等多个国家获 得应用。文献 4 详细介绍了法国e d f 以“中枢母线”、“控制区域”为基础的 电压控制方案的结构。 三级电压控制模式将整个a v c 系统分成三个控制级别，三级控制协调二级 控制，二级控制协调一级控制。 三级优化控制基于o p f ，优化周期为小时级，给出各分区中枢母线的电压 定值以协调二级控制器的动作。 二级电压控制由分布在电力系统各区域控制中心的二级电压控制器组成。 每个二级电压控制器负责一个独立的区域，根据无功电压的局域性和控制灵敏 度，协调区域内的一级控制器的行为，将叶l 枢节点的电压控制在一定范围内。 由于在二级电压控制巾只利用了区域内少量关键的s c a d a 量测，有效降低了 控制系统对通讯系统及状态估计等基础电网分析软件的依赖性，提高了电压控 制系统的整体可靠性。 但是，这利一三级控制模式是有缺点的，二级电压控制器是基于电力系统电 压无功的局域性而开发的，而区域间电压无功是有耦合的，故控制系统的质量 取决于各区域间电压无功控制的耦合程度。随着电力系统的发展和运行工况的 实时变化，设计时认为相对解耦的区域并非一成不变，而且以固定的控制参数 形式存在的控制灵敏度更是随运行工况而实时变化，因此这种以硬件形式固定 下来的区域控制器较难适应电力系统的不断发展和实时运行工况的大幅度变 化，从而较难持久地保证有良好的控制效果。 到了上世纪9 0 年中期，这种“硬分区”问题带来的影响逐渐被大家所关注， 有学者提出将区域间联络线的无功潮流也作为二级电压控制器的输入以计入其 它区域对本区域控制的影响，从而实现一个三级电压控制周期内各二级电压控 制区域间的协调控制。尽管经过多年的研究和改进，也没能很好解决该问题。 一4 一 浙i = 大学硕士学位论文 三级电压控制模式结构较复杂，并需要额外投资来设计和研制为数不少的 地理上分布的区域控制器，对通讯系统的可靠性要求虽然相对较低，但难以实 现全局的电压无功优化控制，且以硬件形式存在的分区不适合我国电网迅猛的 发展趋势，难以在我围电力系统中应用。 1 2 3国内a v c 应用系统 目前，国内投运的省级a v c 系统主要有福建、江苏、河北、河南、安徽及 湖南等。其中，福建、河南、安徽及湖南等采用两级控制模式，江苏及河北则 采用基于在线自适应分区的“软”三级电压控制模式。 ( 一) 福建a v c 系统 福建a v c 系统建设项目于2 0 0 2 年6 月立项，并于2 0 0 3 年1 1 月通过福建 省科委的鉴定，是我国最早的省网a v c 系统。其特点是省内所有电厂及5 0 0 k v 变电站均归省调管辖，并参与集中优化控制，受控面广，取得的经济效益明显。 福建a v c 系统采用两级控制模式，每次a v c 策略下发完成后延时3 分钟进 行一次电压无功优化，优化结果直接下控到各j 站。 由浙江大学开发的基于分支定界法及原对偶内点法的a v c 主站系统，于 2 0 0 7 年2 月开始试运行，并于20 0 7 年7 月通过项目验收。新a v c 系统大大提 高了电压无功优化的计算速度及收敛可靠性，有效克服了长时间电压校正控制 不到位及机组长时间深度进相等遗留问题，并以松耦合方式实现了与“省调在 线电压稳定监视与控制系统”的协调，明显改善了电网的电压无功控制效果。 ( 二) 江苏a v c 系统 江苏省电力公司和清华大学合作，提出并实现了基于电压无功优化和在线 自适应分区的“软”三级电压控制模式，整个电网被动态地分解成一个个围绕 中枢节点的区域弘1 。这种控制策略勿需研制地理上分布的“硬”二级电压控制 器，物理上属于两级电压控制模式，但在控制策略的具体实现上，借鉴了三级 电压控制模式的思想，以降低对状态估计及电压无功优化的依赖性。若状态估 计质量不高，导致三级电压控制无法运行的情况下，二级电压控制模块可以根 据人工指定的设定值曲线独立运行。 江苏a v c 系统的电压无功优化算法采用清华大学独创的有功无功交叉逼近 最优潮流算法，以优化算法的计算速度。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 江苏a v c 系统还实现了正常运行方式或某一特定预想故障方式下的在线电 压稳定监视功能。 ( 三) 河南a v c 系统 河南a v c 系统基于加拿大c a e 公司的e m s 系统实施自动电压控制工程，其 电压无功优化采用美国p c a 公司的软件，优化算法为逐次线性规划法，计算速 度较慢，每次无功优化所需时间约为5 1o 秒钟。该速度能够基本满足a v c 闭环 控制的性能要求。 河南a v c 系统采用类似德国r w e 电力公司的两级控制模式，优化结果直接 下控到各站。河南电网电压控制的特点是省调收回了部分2 2 0 k v 变电站的控 制权，电网的电压调节能力相对较强。 ( 四) 安徽a v c 系统【6 】 安徽电网基于美国v a l m e t 公司的s c a d a 功能和美国o s i 公司的e m s 应用 软件，来实施自动电压控制工程，核心软件不是我国自主知识产权。其a v c 系 统采用基于分区无功局部平衡的经验性规则进行电压的集中控制，并利用灵敏 度来校正电压越限，取得了一定的控制成效。 1 3无功优化算法综述 电网无功优化问题通常描述为一个复杂的数学规划问题，其中包含了离散 变量、连续变量以及非线性函数。针对这些特点，现有的无功优化算法主要是 基于运筹学理论的数学优化方法，如非线性规划法，线性规划法，混合整数规 划法，动态规划法以及近几年兴起的人工智能方法，如t a b u 搜索算法、遗传算 法和模拟退火算法等。 ( 1 ) 线性规划方法 线性规划方法在电力系统运行计算巾最早用于有功控制方面，是所有规划 方法巾最为成熟的一种。该算法的关键是把非线性的求极值问题转化为线性问 题处理，用数学上的泰勒展开理论将目标函数及约束条件进行转化，进而沿某 一方向线性逼近真值寻优。这种算法优点是模型简单，迭代速度快，计算规模 限制约束较少。其存在的问题是由于从某个方向单路径寻优就近收敛，容易出 现收敛于一个局部最优解的情况；另一方面这种算法是基于导数理论，要求目 一6 一 浙汀大学硕士学位论文 标函数可导和变量连续，在电力系统无功电压优化巾存在变压器分接头档位、 电容器和电抗器组投切等离散变量，用线性规划方法处理，在计算精度和收敛 性上可能有一定的偏差，所以该方法在无功电压优化方面存在不小的局限性。 文献 7 】用快速分解潮流q - v 方程组导出线性规划模型，具有识别越限的能力。 但每次迭代巾约束条件的增加将改变基阵的维数，计算量大。 ( 2 ) 非线性规划方法 电力系统无功电压优化问题是一个典型的非线性数学规划问题，采用梯度 法、二次收敛法、牛顿法【8 ，9 1 等非线性规划类算法求解往往具有较高的精度。 二次收敛特性算法是采用二阶导数来改善梯度法的收敛速度，它是以二阶 导数形式的海森矩阵为主迭代矩阵，但是没有区分控制变量和状态变量，而是 统一修正。然而求解中，没有很好的利用稀疏矩阵技术，当控制变量比较多时 计算量非常大、计算速度慢。后来又提出了从直接满足库恩一图克最优化条件 出发的牛顿法，该算法通过对母线电压相角和幅值及对应潮流等式约束的拉格 朗目乘了的交叉排序，然后求解、修正统一进行，使得主迭代矩阵以分块矩阵 为单位呈现出于常规潮流计算牛顿法雅可比矩阵相同的稀疏结构，再通过稀疏 矩阵技术大大加快计算速度。但在算法巾等式和不等式约束边界条件不容易确 定。 此外，也仃学者提出了几利，技术组合的优化方法，如线性规划梯度法，线 性规划牛顿法等。用于潮流计算和无功电压优化的具有可靠收敛性和较高计算 速度的非线件规划类算法的研究工作正在深入开展。 ( 3 ) 混合整数法 电力系统巾存在着大量变压器分接头、电容器和电抗器组、发电机机端电 压等器件，因而模型中离散变量和连续变量共存，针对此情况，混合整数规划 法非常适合，理论上讲此算法可得到最优解，但应用却比较困难而且计算量大， 难以满足工程实际。 由于对大规模离散系统的求解十分困难，人们往往采用近似的模型来逼近。 如采用二次惩罚函数将离散变量进行规整。文献【1 0 】建立线性规划模型，直接 求出最优解，再用专家系统和混合整数规划法获得整数解，解决了约束条件难 以描述的问题，但开发周期长，不易移植。如何提高混合整数规划法的计算效 一7 浙ii ：大学硕士学位论文 率和实用性是以后研究的重点。 ( 4 ) 内点法 k a m a r k a r 于1 9 8 4 年提出了求解线性规划问题的具有多项式时间复杂性的 算法一内点法，并引起了广泛的关注。在随后的十多年巾，数学家们致力于 算法的改进，并成功将其应用于非线性规划问题的求解。随着内点法的日逐成 熟，1 9 9 5 年前后逐渐有了其在电力系统优化问题中应用的文章发表，相关领域 包括最优潮流、电压无功优化控制、静态电压稳定分析等。因此，内点法是目 前已广泛证实的、求解无功电压优化问题的最有效的方法之一，算法性能优越。 内点法要求迭代过程绐终在可行域内部进行。其基本思想就是把初始点取 在可行域内部，并在可行域的边界上设置一道“障碍”，使迭代点靠近可行域边 界时，给出的目标函数值迅速增大，并在迭代过程中适当控制步长，从而使迭 代点始终留在可行域内部。显然，随着障碍因子的减小，障碍函数的作用将逐 渐降低，算法收敛于原问题的极值解。内点法也不断的改进有了新的成果【l i 1 4 】， 如仿射尺度法、路径跟随法等。 ( 5 ) 遗传算法 遗传算澍1 5 1 6 1 是基于自然选择和遗传学机理而产生的一种随机搜索方法。 与传统的优化算法相比较，遗传算法在求解变量多、约束多、非线性，包含离 散控制变量的问题有着独特的优势：对求解信息的要求较少、建模比较简单、 适用范围比较广、寻优能力比较强。其主要缺点是“早熟收敛”和收敛速度慢。 ( 6 ) 模拟退火法 模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n gs a ) 算法f 1 7 ，18 】是局部搜索算法的扩展，但不 同之处是以一定的概率选择领域中费用值最大的状态，理沦上讲是一个全局最 优的算法，具有相当广泛的应用前景。 s a 算法最早的思想是由m 哪o p o l i s 在1 9 5 3 年提出的，瞄p k r a n i e k 在1 9 8 3 年成功地应用在组合优化问题中。模拟退火算法是一种基于热力学的退火原理 而形成的一种随机搜索算法，把组合优化问题的目标函数当作退火系统的能量 函数，以控制参数值为退火温度，s a 算法寻找基态的过程就是让目标函数达 到极小值的过程，事实上s a 算法计算的过程是一系列的“产生新解判断 接受舍弃”的迭代过程。文献 19 】正是使用本方法进行无功优化，它很好 一8 一 浙汀大学硕士学位论文 的处理了计算巾连续变量和离散变量共存的情况，但未对变压器分接头的位置 以及发电机电压进行处理。 模拟退火方法除了可以接受优化解外，还有一个随机接受准则有限度地接 受恶化解，且接受恶化解的概率慢慢趋向于零，这样使得算法有可能从局部最优 解中跳出，尽可能找到全局最优解，并保证了算法的收敛性。但在实际应用中， 算法的收敛性和收敛速度依赖于退火方案的选择。 目前优化算法很多，各有优劣。结合各算法的优势而形成的组合算法的研 究也日益深入【2 0 - 2 3 1 。 1 4本文的主要工作和成果 通过查阅大量资料，在对国内外a v c 技术的研究分析基础上，本文完成了 以下几项研究内容： l 、 对电网电压控制模式进行了比较分析。 2 、 提出了松弛化无功电压优化模型及相应的求解算法，并应用于工程 实际，保证了优化问题可行域的存在性，算法的收敛性好、可靠件高。 3 、 提出了基于s c a d a 量测及灵敏度信息的松弛化全局电压校正控制 的二次规划模型，该模型不依赖于状态估计，且数值求解的收敛性可以 在理论上得到保证，以此作为状态估计或电压无功优化异常的后备控制 方案，充分保证了a v c 系统的总体可靠性。 4 、 提出了多预想故障电压稳定约束无功优化模型及相应的工程化求 解算法，算法的收敛性好，可靠性高，实现了电网安伞性、经济性及电 压质量的在线多目标协调优化控制。 5 、提出并实现了结合负荷变化趋势确定无功补偿设备调整方向的省、 地a 、厂c 实时协调控制新方法，避免了地调离散设备的频繁调节，延长 了设备使用寿命。 6 、 对a 、，c 系统实用化巾的若干个技术问题进行探讨，以改进a v c 系 统的控制效果。 一9 一 浙ii ：大学硕士学位论文 第2 章无功控制与电压调整 电网中的元件大多是要消耗无功功率的( 若没有特别说明，本文中的无功 功率指感性无功功率) ，大多数的用户负荷也是要消耗无功功率的，由此可见， 无功功率是非常重要的。电网电压和无功潮流的分布关系密切，无功潮流的分 布又与无功电源的分布关系密切。对无功功率进行就地补偿，减少无功流动， 提高电压质量，对于电力系统的安全、经济运行是十分必要的。 2 1电压与无功的关系 以单机单负荷系统为例，发电机经过线路向负荷供电，当有功功率一定时， 发电机供给负荷的无功功率为： q = c 争2 一p 一睾 泣t ， 其中，p 、q 分别是发电机提供的有功和无功功率：x 为线路电抗：e 为发 电机电势；v 是负倚母线电压。 当e 为定值，q 与v 的关系曲线女图2 1 中曲线l 所示，负荷的无功电压 特性如曲线2 所示。当无功负荷增大时，负荷无功电压特性曲线变为2 ，此时 若电源无功不变，则系统稳定于新的运行点a ，可见，由于无功出力的缺乏， 导致负荷的运行电压降低。若系统发电机无功储备充裕，则发电机无功特性曲 线上移变为1 ，此时系统稳定于运行点c ，从而保证了负荷处于合适的电压水 平。 口 o 图2 1 无功电压平衡过程图 一1 0 一 浙汀大学硕士学位论文 系统的无功电源充足时，系统可运行于较高的电压水平；反之，系统无功 功率不足时，系统的运行电压将偏低。 2 2线损与无功的关系 电网的线损直一来作为考察电力系统建设和完善以及运行管理水平高低 的一项综合性指标。进行合理的无功补偿，不仅可以调节电压，也可以有效的 降低网络损耗。 功率损耗计算公式： p ：! 竺：呈：2 垒( 2 2 ) u 其中，p 是线路的有功损耗；p 、q 分别是线路中通过的有功和无功功率； r 是线路电阻；u 是线路额定电压。 由式( 2 2 ) 可知，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，就会产生有功 损耗。一方面，当输送功率( p 2 + q 2 ) 一定时，功率损耗与网络电阻成正比；另 一方面，当输送的有功一定时，输送的无功功率越多，总的宵功功率损耗就越 大，反之则自功损耗越小。 实际情况下，网络结构固定，网络电阻难以改变，因此，总的功率损耗的 增减取决于无功功率的变化。 2 3无功功率电源 电力系统的无功功率电源，除了发电机外，还有同步调相机、静电电容器、 静止无功补偿器和近年来发展起来的静止无功发生器，这四种装置又称无功补 偿装置。静电电容器只能吸收容性无功功率( 即发出感性无功功率，其余几类 补偿装置既能吸收容性无功，亦能吸收感性无功。 ( 1 ) 发电机 发电机即是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。发电机在 额定状态下运行时，可发出无功功率 q g = s i n 纨= 留纨 ( 2 3 ) 式中，、纨分别为发电机的额定视在功率，额定有功功率和额 一1 1 浙汀大学硕士学位论文 定功率因数角。 图2 2 发电机p q 极限图 由图2 2 可以看到，发电机只有在额定电压、电流和功率因数下运行时才 能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。发电机降低功率因数运行时，其 无功功率输出将受到转了电流的限制。 发电机正常运f j ：时以滞后功率冈数运行为主，必要时也可以减小励磁电流 在超前功率因数下运行，即所谓进相运行，以吸收系统巾多余的无功功率。当 系统低负荷运行时，输电线路电抗巾的无功功率损耗明显减少，线路电容产生 的无功功率将有大量剩余，引起系统电压- 厂| 高。在这种情况下有选择地安排部 分发电机进相运行将有助于缓解电压调整的困难。进相运行时，发电机的万角 增大，为保证静态稳定，发电机的有功功率输出应随着电势的下降( 即发电机 吸收无功功率的增加) 逐渐减小。 ( 2 ) 同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，它向系统供 给感性无功功率起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功 功率起无功负荷作用。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁最大容 量只有过励磁容量的5 0 6 5 。装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根 据装设地点电压的数值平滑改变输出( 或吸取) 的无功功率，进行电压调节。 特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下，还能调整系统的电压，有利于 提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂。它的有 一】2 一 浙 i ：大学硕士学位论文 功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1 5 5 ，容量越小，百分值 越大。小容量的调相机每k v a 容量的投资费用也较大。故同步调相机宜于大容 量集中使用。此外，同步调相机的响应速度较慢，难以适应动态无功控制的要 求。7 0 年代以来已逐渐被静止无功补偿装置所取代。 ( 3 ) 静电电容器 静电电容器供给的无功功率与所在节点的电压的平方成正比，即 q c = ( 2 4 ) 式中，鼍= 为静电电容器的容抗。 当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故 障或由于其他原因电压下降时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。 换言之，电容器的无功功率调节性能比较差。 静电电容器的装设容量可大可小，而且既可集巾使用，又可分散装设来就 地供应无功功率，以降低网络的电能损耗。电容器每单位容量的投资费用较小 且与总容量的大小无关，运行时功率损耗亦较小，约为额定容量的( 0 3 0 5 ) 。 此外由于它没有旋转部件，维护也较方便。为了在运行r f l 调节电容器的功率， 可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除，实现补偿功率 的非连续调节。 ( 4 ) 静止无功补偿器 简称静止补偿器，由静电电容静止无功补偿器器与电抗器并联组成。电容 器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调 节装置，就成为能够平滑地改变输出( 或吸收) 无功功率的静止补偿器。 电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率，以满足动态无 功补偿的需要。与同步调相机相比较，运行维护简单，功率损耗较小，响应时 间较短，对于冲击负荷有较强的适应性，t c r 型和t s c 型静止补偿器还能做 到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。7 0 年代以来，静止补偿器在国外已被大 量使用，在我国电力系统巾也得到日益广泛的应用。 ( 5 ) 静止无功发生器 2 0 世纪8 0 年代以来出现的一利更为先进的静止性无功补偿装置。与静止 补偿器相比，静止无功发生器的优点是，响应速度更快，运行范围更宽，谐波 一13 浙fi ：大学硕士学位论文 电流含量更少，尤其重要的是，电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流， 它的储能元件( 如电容器) 的容量远比它所提供的无功容量要小。 ( 6 ) 并联电抗器 并联电抗器常用于补偿线路电容，特别是限制由于线路开路或轻载负荷所 引起的电压升高。从补偿感性无功功率来说，它是欠补偿，这点与并联电容器 性质相反。在超高压输电架空线路长于2 0 0 k m 时线路的充电电容不可忽视，通 常需要安装并联电抗器。安装并联电抗器是省级电网无功电压控制手段之一。 2 4几种调压措施及其比较 利用发电机调压不需要增加费用，是发电机直接供电的小系统的主要调压 手段。在多机系统巾，调节发电机的励磁电流要引起发电机间无功功率的重新 分配，应该根据发电机与系统的连接方式和承担有功负荷情况，合理给定各发 电机调节装置的整定值。利用发电机调压时，发电机无功功率输出不应超过允 许的限值。 当系统的无功功率供应比较充裕时，各变电所的调压问题可以通过选择变 压器的分接头米解决。当最大负荷和最小负荷两种情况下的电压变化幅度不很 大又不要求逆调压时，适当调整普通变压器的分接头一般就可满足要求。当电 压变化幅度比较大或要求逆调压时，宜采用带负荷调压的变压器。有载调压变 压器可以装设在枢纽变电所，也可以装设在大容量的用户处。 必须指出，在系统无功不足的条件下，不宜采用调整变压器分接头的办法 来提高电压。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 区所需的无功功率也增大了，这就可能扩大系统的无功缺额，从而导致整个系 统的电压水平更加下降。从全局来看，这样做的效果是不好的。 在需要附加设备的调压措施巾，对无功功率不足的系统，首要问题是增加 无功功率电源，因此以采用并联电容器、调相机或静止补偿器为宣。 上述各种调压措施的具体运用，只是一种粗略的概括。对于实际电力系统 的调压问题，需要根据具体的情况对可能采用的措施进行技术经济比较后，才 能找出合理的解决方案。 一1 4 浙江大学硕士学位论文 第3 章无功电压控制系统 3 1系统目标 自动电压控制( a v c ) 系统的总体目标是利用s c a d e m s 系统的实时信 息，实时分析电网的电压无功运行状况，在此基础上给出相应的电压无功调整 策略，从而使电网尽可能地保持在最优无功运行状态或附近，从而达到提高电 压合格率，降低电网能量损耗等目白勺【2 4 2 5 1 。 具体目标包括： ( 1 ) 提高电压合格率，保证电网及设备的运行安全性； ( 2 ) 避免离散设备频繁调节； ( 3 ) 保证控制的平稳性； ( 4 ) 降低有功网损，提高电网运行的经济性； ( 5 ) 保证一定的电压稳定水平。 3 2电压控制模式 目前，国内外a v c 系统主要采用三种电压控制模式：三级电压控制模式、 “软”三级电压控制模式及两级电压控制模式。 对于三级电压控制模式，电网被划分成彼此解耦的区域，每个区域选择一 个或多个中枢节点。一级电压控制( p r i m a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 利用发电机自动 电压调节器( a v r ) 、变电站无功电压控制器( v o c ) 、变电站无功补偿设备和 有载调压变压器分接头等调节装置，利用本地信息，将相应母线电压控制在设 定值附近，控制周期为秒级，反应速度快，结构简单，性能可靠；二级电压控 制( s e c o n d 哪v o l t a g ec o n t r 0 1 ) 利用区域电网的模型，根据灵敏度等信息确定 电压控制策略，通过设定一级电压控制的发电机或变电站电压目标值，实现对 本区域中枢节点电压的闭环控制，控制周期为分钟级，反应速度较快，性能较 可靠；三级电压控制( t e n i a 巧v o l t a g ec o n 仃0 1 ) 以全网的经济运行为目标，以 状态估计和无功电压优化算法为基础，给出二级电压控制的各区域中枢节点电 压设定值，控制周期为数f 分钟级。 三级电压控制模式起源上世纪7 0 年代，受限于当时计算机硬件水平低、通 一15 浙汀大学硕士学位论文 讯系统可靠性差、状态估计可用率不高、优化算法的收敛可靠件不高和计算速 度慢等原因，为简化计算、提高系统的可靠性，增加了巾间的以硬件形式存在 的二级电压控制器。三级电压控制模式是在特定的历史条件上出现的，存在以 下主要缺点： 1 结构较复杂，需要额外投资来设计和研制为数不少的地理上分布的区域 控制器，可靠性虽略有提高，但投资成本大大增加。 2 以硬件形式存在的二级电压控制器难以很好地适应电网结构变化及运 行方式变化的需要，不太适合于快速发展中的我国电网。 3 二级电压控制以跟踪中枢母线电压及均衡无功储备为目标，与三级无功 电压优化控制目标之间并不一致，即三级优化控制策略经二级电压控 制执行时将发生偏移，经济性及安全性均可能较差。 4 三级优化的周期一般较长，优化结果并不能很好地反映电网的电压无功 状况，一般需对电压带宽进行较大压缩后方有可能使中枢母线电压定 值维持长期有效性，经济性较差。 5 中枢点一般应位于分区巾心或附近，但容易越限的点则一般位于电网的 末梢，维持中枢点电压基本不变即川维持电网的电压品质是让人怀疑 的。 6 随着电网的发展，分区间的联系可能越来越紧密，分区间相对解耦的假 设可能遇到挑战。 7 在l o o 的时间里采用妥协的控制方法。 正是由于存在上述缺点，三级电压控制模式在国内至今仍未得到应用。在 我国部分大区电网，省网a v c 系统除了控制2 2 0 k v 电j 外，还可能控制部分 5 0 0 k v 电厂或变电站，可以认为是大区电网巾现成的二级电压控制器，因而在 大区电网a v c 系统建设中，利用省网a 、厂c 系统作为大区电网a v c 系统的二级 控制器，实施电网三级电压控制的可能性是存在的。即使在这利- 情况下，二级 电压控制策略也将与传统意义上的二级电压控制策略存在较大差异，省网a v c 主站仍将以全局无功优化实施控制，而不是简单地以跟踪中枢母线电压及均衡 无功储备为目标实施控制。 “软”三级控制模式则是借鉴三级控制模式的思想，希望通过引入“软” 一1 6 浙江大学硕士学位论文 二级控制以削弱对状态估计及无功电压优化算法的依赖性，提高电网安伞性， 但其本质上仍是两级控制模式，对通信通道的可靠性与两级电压控制模式一样 具有较强的依赖性【2 6 3 1 1 。“软”三级控制模式首先应用于江苏a v c 系统，通过 对电网进行动态分区，并在a v c 主站以软件的形式实施“软”二级电压控制， 以削弱对状态估计可靠性及精度的依赖性，降低对无功电压优化算法可靠性及 速度的要求。与三级电压控制模式相似，由于三级优化控制的周期较长，三级 电压控制与软二级电压控制的目标并不一致，三级优化结果经“软”二级电压 控制器执行时将发生偏移，优化结果的可用性不是很理想。 对于两级电压控制模式，a v c 主站基于全网状态进行集中电压控制决策， 决策结果直接下发到各相关厂站，通过设定厂站侧一级电压控制的电压或无功 目标值，实现对伞网无功电压的集中控制，控制周期一般为分钏，级。根据a v c 主站电压控制决策方法的不同可将两级电压控制模式分为基于经验性( 专家) 规则的两级电压控制模式和基于o p f 的两级电压控制模式。 两级电压控制模式对通信通道的依赖件高于三级电压控制模式。基于o p f 的两级电压控制模式，其优化控制周期一般为分钟级，远短于三级电压控制的 优化周期，优化结果能够较好地反映电网的实际情况，且优化结果直接下发至 相关j 站实施控制，在执行环节不会发生偏移，电压安伞降好、经济性优，是 电力系统无功电压控制发展的必然趋势。当然，基于o p f 的两级电压控制模式 对状态估计及电压无功优化算法的可靠性及性能均提出了更高的要求。 伞局电压无功优化问题本质上是非线性规划问题，其数值求解的收敛性尚 缺乏严格的理论保证，算法的收敛可靠性及计算速度是影响其在线实时应用的 关键环