（电力系统及其自动化专业论文）二级电压控制策略的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rg r i da n dt h ep r o b l e mo fv o l t a g es t a b i l i t y , m o r ea n dm o r e a t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nc o o r d i n a t e da u t o m a t i cv o l t a g e v a tc o n t r 0 1 s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l i sa l l e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ep o w e rs y s t e m sv o l t a g el e v e la n de n h a n c ev o l t a g es t a b i l i t y , a n di th a sb e e n u s e di nm a n yc o u n t r i e s i ns e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o ls c h e m e ，t h ew h o l ep o w e rs y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a la l m o s t u n c o u p l e dz o n e s ，a n d p i l o tn o d e s ”a r es e l e c t e df o re a c hz o n e d u r i n go n - l i n eo p e r a t i o n ，s e c o n d a r y v o l t a g ec o n t r o l l e r sm o n i t o rt h ev o l t a g em a g n i t u d eo ft h ep i l o tn o d e sa n du p d a t et h er e f e r e n c ev a l u e so f c o n t r o l l e r sa tp r i m a r yl e v e l ，t r y i n gt om a i n t a i nt h ev o l t a g ep r o f i l et h r o u g h o u tt h ew h o l ec o n t r o lz o n ew i t h i n ，d e s i r e dl i m i 信 u n t i ln o w , t h es e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o lh a sg o n et h r o u g ht w od e v e l o p m e n ts t a g e s t h ef i r s ti ss t a g e i st h ed e c e n t r a l i z e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l 仍s v c ) a p p l i e do n l yi ns y s t e mc o n s i s t i n go fs e v e r a l m u t u a l l yi n d e p e n d e n tc o m p a c tz o n e s ，i ta p p l i e sap r o p o r t i o n a l - i n t e g r a ll a w t od e t e r m i n es i g n a l a n dn o wi t h a sb e e nd e v e l o p e dt oc o o r d i n a t e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ( c s v c ) i tt a k e si n t oa c c o u n tt h es y s t e m l i m i t s ，i nc l o s e d - l o o pm o d e ，i tc o m p u t ef r e s hs e t - p o i n tv a l u e sf o rg e n e r a t o rp r i m a r yu n i tc o n t r o l s t h ep a p e r p r o p o s e st h em a i np r i n c i p l eo fc s v c ，s t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g y , p r o v e st h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yb y s i m u l a t eo nt os e v e r a ls y s t e m s ( i ) s t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fd s v c ，i m p r o v e das e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l l e r , d e s i g n e dab p a n nb a s e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l l e r , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dd e s i g nc o n t r o l l e ri s e f f e c t i v ei nv o l t a g ec o n t r 0 1 ( 2 ) s t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fc s v c ，a n a l y z e dt h ec s v cf r a m ea n di t so b j e c t i v ef u n c t i o n s ， s t u d i e st h ep r i n c i p l e so ft h em u l t i a g e n tb a s e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o o r d i n a t i o no f c s v ca n dl o a ds h e d d i n g ，t oi m p r o v ec s v ci ne m e r g e n c ym o d e s a tl a s t ，t h ep a p e ra d d r e s s e st h e a c t i v e - s e tm e t h o dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o no faq u a d r a t i cf u n c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc s v ci s m o r ee f f e c t i v et h a nd s v c ， k e yw o r d s ：v o l t a g es t a b i l i t y , d e c e n a a l i z e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，c o o r d i n a t e ds e c o n d a r y v o l t a g ec o n t r o l ，c o n t r o ls t r a t e g y , e m e r g e n c ym o d e ，a c t i v e - s e tm e t h o d i i 东南大学学位论文独创性声明 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：避日期：趔、7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：童量塑竖导师签名：堑! 盘 日期：礁2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代电力系统发展的趋势是邻近电力系统的互联，以高参数、大机组、大电厂、大电网、高电 压、远距离及高度自动化为特征的大电力系统具有许多突出的优点，也带来了运行的复杂性，电压 稳定性问题的日益突出。在现代大电网中，随着电力系统联网容量的增大和输电电压的提高，输 电功率变化和高压线路的投切都将引起很大的无功功率变化，系统对无功功率和电压的调节和控制 能力的要求越来越高。另一方面，由于受电力市场化变革的影响以及来自环境、经济和技术方面的 制约，为了充分利用系统资源，现代电网越来越接近于其极限运行状态，这使得电网缺乏灵活的调 节能力，特别是在某些紧急运行情况下，电网更加脆弱。 近几十年来，国内外电力系统由于电压稳定破坏问题，曾发生多次大面积停电事故，对国民经 济造成极大危害”。如何有效地防止电压崩溃事故的发生以及如何更好地进行无功电压控制引起了 许多国家电力部门的重视。我国也正朝着超高压、远距离输电、大区互联和电力市场化的方向发展， 电压稳定问题也将会威胁电网的安全稳定运行，对电压稳定问题及措旋的研究必须给予高度的重视。 2 0 0 3 年8 月1 4 目的美加大停电事故再次对电力界敲响了警钟，必须正视电网存在的问题，特别是 应使稳定性成为关注的焦点。 电压稳定研究范围涉及到电压稳定的机理分析、无功电压控制方法的研究和制定电压稳定安全 指标等。电力系统电压稳定性是电力系统在正常情况下或遭受扰动之后在所有节点维持可接受的电 压的能力。当扰动、负荷需求的增加或系统状态的变化引起不断增加和不可控的电压降落的时候系 统进入电压不稳定的状态。一般认为，造成电压不稳定的主要原因是由于系统的功率f 有功，特别是 无功) 传输能力或动态无功储备不足。因此在给定系统和给定运行状态下，电压稳定控制的手段也应 该从提高系统的功率传输能力和无功储备着手。 提高稳定性的措施可分为加强一次设备( 如采用多回路、提高线路电压、采用串联电容补偿等) 及采用控制手段( 如发电机的励磁及原动机汽门的控制) 。上述两种措施需要互相配合，缺一不可。从 经济观点上看，采用控制手段要优于加强一次设备，特别是近些年来，控制理论、计算机技术、电 子技术、通信和基于g p s 的电力系统相量测量技术的迅速发展，使得采用控制手段来提高系统稳定 性的效益大为增加，对于电力系统运行、规划以及学科内容产生了重大的影响。 电力系统控制是电力系统安全、可靠、经济运行的保证。电力系统在不同层次、不同设备上安 装了种类繁多的控制设备或控制系统。无功，电压控制的目标包括质量、经济、安全等多方面，使系 统电压水平控制在设备的运行极限内，保证厂用电设备等运行于经济状态下，并维持电压于足够高 的水平，以防止电压崩溃”1 。 自动电压控制( a u t o m a t i c v o l t a g e c o n a o l - - 简称a v c ) 是第2 7 届中国电网调度运行会议上提出 的现代电网调度新技术的发展方向之一“1 。电力系统无功电压控制是保证现代电力系统正常运行的 重要环节。众所周知，电压与无功功率关系密切，要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无 功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿无功功率的损耗，而对电力系统的电压控制也主要 是通过控制无功功率的产生、流动和消耗来实现。无功电压控制主要是合理安排和充分利用电网中 的无功功率补偿容量和调节能力。随时保持正常运行情况下和事故情况后电网中各枢纽节点的电压 在正常水平，确保电网的安全稳定运行。 电力系统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、不精确性以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盼数学模 东南大学硕士学位论文 型和控制方法来描述和实现，于是，研究人员开始借助人工智能方法解决这些难题，并推动智能控 制技术在电力系统电压无功控制领域广泛应用。近年来，由于基于人工智能技术的各种智能控制手 段具有一些常规控制所不具备的智能特性，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，在电力系统中得到了广泛的关注，获得了 大量的研究成果，成为电力系统中一个重要的研究领域。 1 2 分级电压控制 随着电力互联网络和电力市场的发展，大型联合电网的出现以及电压稳定性问题的日益突出， 以全系统或整个区域的安全经济运行为指标，以提高系统电压水平，保证电压稳定性为目的的系统 无功电压快速协调控制显得越来越重要。 电压不稳的基本原因是电网中某些地区无功不足，造成局部电压下降，进而导致全网电压水平 下降，最终使系统发生电压崩溃。地区无功不足产生的原因来自两方面：一是整个系统无功储备 不足；二是系统其他地区尚有较多的无功储备，但是没有利用上。第一种情况需要通过增加系统的 无功储备来解决，而第二种情况则需要对系统的无功流动进行合理的协调与分配。人们越来越认识 到对电力系统无功合理流动和分配的重要性。在此认识的基础上，产生了对电力系统采取分级电压 控制的思想。 图1 - 1 分级电压控制总体框图 为避免长距离输电线路或多级变压器输送大量无功功率，传统的无功电压控制一般采用分散控 制。在这种控制方式下，各电压控制设备( 发电机、电容器组、有载调压变压器等) 仅能获取本地 信息，独立地控制本地的电压。这样的分散控制速度快，不依赖于控制中心，但由于控制器之间无 法协调，仅保证就地无功电压控制在上下限范围内，可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利 影响。与分散控制相对应的是电压集中控制，它需要系统范围内各点的电压信息，由调度中心产生 控制信号，这种控制方式对无功量测精度和数据通信有较高的要求，实施起来有一定的困难。 1 9 6 8 年，日本k y u s h u 电力公司首先在a g c 系统上增加了系统电压自动控制功能，这可以说是 从全局观点出发进行电压无功控制的第一步。其后，在1 9 7 2 年国际大电网会议上，b e r t i g n y 等人提 出了在系统范围内实现协调性电压控制的必要性，详细介绍了法国e d f 以“主导节点”、“控制区域” 为基础的电压分级控制方案。在这种分级电压控制系统中，各级都有各自的控制目标，下级控制以 上级控制的输出作为自己的控制目标。通过分级和分区，很自然地实现了电压的多目标控制。 2 第一章绪论 具体说来，在电压分级控制中整个电网被划分为几个相对独立的部分，称之为“控制区域”。在 每一个控制区域中选取能够反应该区域电压水平的节点作为电压监测节点，称之为“主导节点”。根 据所选取的主导节点的实际电压值和其设定电压值之间的偏差，通过自动反馈调节该区域内的某些 发电机组( 称之为控制发电机) 的自动电压调节器( a v r ) 的设定值从而改变控制发电机的无功输 出，以达到将主导节点的电压维持在其设定值的目的。可以看出电压分级控制方案包括三个层次： 即一级电压控制( p r i m a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，二级电压控s j j ( s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 和三级电压控 n ( t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 。 采用分级电压控制模式的主要优点在于“时空解耦”。从“空间”上对无功电压的进行控制区域 的划分，并通过对各区域中主导节点的控制来实现对该区域的控制，这样充分利用了区域内的无功 资源，避免了无功的大范围流动。无功电压的控制效果通过各控制层在时间上的解耦得到了保证。 1 2 1 一级电压控制 一级电压控制由广泛分布在整个电力系统中的各种现有的自动控制装置组成，为本地控制( 1 0 c a l c o n t r 0 1 ) ，只用到本地的信息。控制器由本区域内控制发电机的自动电压调节器( a v r ) 、静止无功补 偿装置( s v c ) 、有载调压分接头( o l t c ) 及可投切的电容器组成，控制时间常数( 记为t 1 ) 一般为几秒， 通常是快速反应的闭环控制以控制本地的电压或无功。这种一次控制是分散的、自动的，往往是根 据电压的高低而动作的，控制设备通过保持输出变量尽可能地接近设定值v 来补偿电压的快速和 随机的变化。 由于本地控制只需要测量小范围内的物理量，不需要复杂的通讯设备的支持，因此成本低，可 靠性高。同时一般不需要考虑与其它地点控制设备的配合，其控制规律也相对简单。本地控制可以 是系统的备用控制方式，也可以是一个独立的控制方法。 1 2 2 二级电压控制 二级电压控制是对某个区域的控制，其主要作用是协调某个区域内各一级电压控制设备的工作。 二级电压控制的响应速度一般在几分钟之内。它的主要功能包括改变同步电机或静止无功补偿器的 电压设定值，投切电容器等。二级电压控制系统除了将各种控制信息发送到执行地以外，还需要与 运行人员进行交互，以便处理各种运行信息。对一个大电力系统而言，可能有多个二级电压控制区， 因此各二级电压控制区之间还应能通讯，以便交换信息，处理更复杂的系统电压问题。二级电压控 制控制时间常数( 记为t 2 ) 为几十秒到分钟级，控制的主要目的是保证主导节点( p i l o tn o d e ) 电压等于设 定值v 。二级电压控制是一种区域控制( r e g i o nc o n t r 0 1 ) ，只用到本区域内的信息。这种分区控制的 理论基础是无功电压的区域特性。 二级电压控制是连接其他两个层次的关键环节。它能够从区域电压稳定的角度出发，合理、协 调地分配本区域内各电压无功支持源的无功功率，突破了只根据本机附近信息进行电压控制所固 有的分散性和局部性，充分利用区域的无功储备，在一定程度上能够改善区域的电压水平和提高系 统的电压稳定性。二级电压控制已经进行了较多的研究和实践，是一种可行的、比较成熟的电压稳 定综合控制技术。 1 2 3 三级电压控制 三级电压控制是其中的最高级，以调度中心的e m s 为决策支持系统，以全系统的经济运行 为优化目标，并考虑安全性指标，经过最优潮流计算之后给出每个主导节点的电压参考值，供 3 东南大学硕士学位论文 二级电压控制使用。在三级电压控制中要充分考虑协调的因素，利用整个系统的信息来进行优 化计算，一般说来它的控制间隔为十几分钟到小时级。 实际上，电压的运行水平、无功功率的供给以及无功功率的储备，直接关系到系统的安全运行， 无功功率缺乏和电压支持弱甚至会造成电压崩溃。通常考虑以下三种运行方式下的无功电压控制和 管理“。 ( 1 ) 正常运行方式下。 ( 2 ) 在安全被削弱的情况下。 ( 3 ) 在大扰动紧急情况下。 在正常运行方式下，调度员应运用各种无功电源及控制手段，达到以下目标 ( 1 ) 电网的运行点一定要离电压稳定的临界运行条件有一定的安全距离。 ( 2 ) 输电系统的输送能力必须充分利用于传输有功功率。 ( 3 ) 有功功率损耗和无功功率损耗必须是最小的。 安全被削弱指的是发生线路开断的情况，系统仍然保持安全运行状态，通过校正控制可以便系 统回到一个非扰动的状态。 紧急状态是指由于一系列的事件，电网将出现过负荷、低电压、不稳定等情况。一类紧急状态 时间很短( 只有几秒钟) ，不可能通过手动操作加以校正。另一类紧急状态可延续一段时间( 如几分钟) ， 足够采取一些对策。紧急状态控制的目标必须是使系统恢复到正常状态或者把扰动限制在局部地区 内。如果所有连续性控制手段，如发电机、无功功率补偿装置等提供的无功功率已经用尽，就要采 取一些开断操作和切除部分负荷的措旌。 1 3 二级电压控制的研究和应用 在电压分级控制方案中，二级电压控制负责以协调方式设置区域内各一级电压控制器的参考值， 以达到系统范围内良好的运行性能。早期的基于单一主导节点和比例积分控制规律的二级电压控制 ( s v c ) 以及改进的协调二级电压控制( c s v c ) 在法国等国家付诸实施。二级电压控制在提高系统电 压稳定性、维持较好的无功储备方面取得了满意的效果，许多学者也对其进行了研究，取得了大量 成果。 1 3 1 二级电压控制在国外的应用 法国e d f ( e l e c t r i c i t ed ef r a n c e ) 从1 9 7 4 开始单区试验，至1 9 8 5 年，几乎整个法国电力系统都 配置了二级电压控制，相应地有2 7 个控制区，t 0 0 台火电机组和1 5 0 台水电机组，控制的总无功功 率约3 0 0 0 0 m v a r 。当负荷变化时自动保持令人满意的电网电压和在电网事故后自动恢复电压以增加 运行安全裕度。系统还将将高压电容器的控制功能综合到二级控制系统中，当需要增加无功功率出 力时优先合上电容器，这样可使发电机保存有大量无功储各，在故障发生时可立即启用”1 。 分级电压控制方案在法国、西班牙、意大利等多个国家的电网中有了很好的应用”“。运行实 践证明了二级电压控制简化了运行控制工作，更好地协调了控制机组间的无功出力。通过尽可能快 的将系统电压波形拉回到正常水平，合理调度系统的各处无功源，使得系统在正常的负荷变化以及 事故紧急情况下能够尽可能的维持电压安全行从而在一定程度上避免了系统发生电压崩溃事故。通 过维持系统的电压在一个合理的水平同时也减少了电网中的传输损耗。而且还有另外一个好处就是， 减轻了调度运行人员的工作量，使其能够更多的关注系统电压无功的峰时和谷时的长期变化。 随着电力系统的发展，系统之间的耦合日益密切，传统的s v c 的控制效果受到了挑战。因此 4 第一章绪论 e d f 以及一些学者在2 0 世纪8 0 年代中期开始了协调二级电压控制( c s v c ) 的研究。经过大量的 仿真研究后，c s v c 于1 9 9 3 年开始在法国的西部电网投入使用，其所控制的区域包括8 0 个母线、 1 5 台发电机和2 台调相机。系统由中央计算机实施开环的周期性最优化功能，由地区计算机实施闭 环实用的功能。实际应用结果显示，c s v c 比原有s v c 系统的控制效果更好，是一种有效的电网调 度工具，能够提供地区电压自动的稳定和良好的控制，从而增强电网的安全性。 1 3 2 江苏电网基于全局模式的无功电压控制“1 江苏电网的无功电压控制系统采用了分级递阶的控制方式，由主站侧无功电压优化控制协调各 区域的二级电压控制：各区域的二级电压控制主要负责对该区域内的无功资源进行协调控制，并尽 可能地保留较大的无功储备以应付紧急情况的发生；而各无功设备的一次控制主要负责对该设备安 装点的无功电压调整。 图1 2 江苏电网a v c 系统 二级电压控制的主要作用是完成电网的动态分区和实现各区的二级电压控制。分区模块的主要 任务是对系统控制区域的划分以及相应中枢母线和控制发电机的选择。在二级电压控制中，控制对 象是本区域内部的中枢母线电压，而控制手段是本区域内的发电机无功出力。电网的分区可先在离 线状态下，根据系统当前拓扑关系进行电压控制区域的划分，供控制模块和分析模块使用。在线应 用时，如果系统运行方式发生大的改变导致原有分区解耦性不好，可以根据需要重新进行动态分区， 并调整控制器模块的控制目标和控制手段。二级电压控制模块从s c a d a 系统利用实时数据采集接 口采所监测的实时遥测和遥倍数据，通过滤波环节对这部分生数据的可信性进行评估和滤波处理， 然后输入给控制器环节，控制器环节监测中枢母线电压等控制目标是否偏离参考设定值，如果偏离， 则根据相应的控制规律，通过子站侧对无功控制设备的调整完成闭环控制，使控制目标维持在参考 定值。 1 4 本文主要工作 二级电压控制是一种新型的电压控制方式，有许多问题值得研究。这些问题包括：如何将系统 进行分区：如何选择主导节点；如何进行控制才能有效地维持电压和防止系统的电压失稳等。 本文主要研究的是二级电压控制策略，即根据主导节点的电压幅值偏差得到对一次电压控制器 电压参考设定值的调整量。根据二级电压控制的控制策略的发展过程，本文首先研究传统的分散二 级电压控制，改进设计了一种分散二级电压控制的二级电压控制器，对其性能和有效性进行了分析。 利用b p 神经网络设计一种基于a n n 的二级电压控制器。根据二级电压控制研究的现状，论述了协 调二级电压控制的原理，给出了在不同情况下的c s v c 在线寻优模型，研究了紧急状况下的基于多 代理的二级电压控制和与切负荷控制协调的二级电压控制。研究了控制策略的求解方法，利用有效 集方法计算二次规划目标函数。通过仿真研究，验证本文论述的二级电压控制系统的有效性及其在 电力系统中应用的可行性。 东南大学硕士学位论文 第二章二级电压控制原理 二级电压控制是分级电压控制中的重要一环，其主要任务是协调控制区域的无功电源和电压控 制设备，使其作用达到最优化。有些较大的扰动仅靠一级电压控制不能奏效，需要二级电压控制来 处理。二级电压控制的响应时间一般较长，可达3 - 5 m i n 。二级电压控制对于提高电压水平和防止电 压崩溃具有非常重要的作用。二级电压控制的构成方式，各国电力系统各有其特点，其中欧洲国家 二级电压控制系统更具吸引力，本文研究的二级电压控制主要借鉴欧洲国家较为成熟的二级电压控 制系统。 2 1 二级电压控制的基本概念 二级电压控制连接着其上的三级电压控制和其下的一级电压控制，按照一定的协调控制规律， 闭环设定控制区域内各一级电压控制器的整定值，用于平衡系统的无功变化和电压偏差。图2 1 为 二级电压控制原理框图。 图2 1 二级电压控制器框图 二级电压控制首先将整个电力系统分成若干控制区域( r e g i o n s ) ，这些区域最理想的状态是彼此 电气距离较远，相互近似解耦。在每个控制区域中选出其最关键的负荷节点称为“主导节点”( p i l o t n o d e s ) ，该节点的电压变化能够反映整个区域内所有负荷节点的电压变化情况，而且在一般情况下， 当区域内的负荷电压水平因受干扰发生变化之后，如果将主导节点的电压恢复至干扰前的水平，则 能够使得区域内的负荷电压同样得到恢复。 以对同步发电机的控制为例，二级电压控制主要通过自动控制该地区被选为“控制机组”的部 分机组所吸收或发出的无功功率，以控制某一“控制区域”内的电压。其工作过程为监测本“控制 区域”内“主导节点”的电压值，将其与预先设定值进行比较，根据其偏差经处理得出本区域内各 发电机组所需发出的无功值，将此无功值与机组当前的无功出力进行比较，由无功偏差值经处理得 出各机组自动电压调节器的电压值调整量，以此修正自动电压调节器( 即一级电压调节器) 的电压 设定值，然后通过一级电压控制器的调节作用来改变机组的无功出力，从而改变主导节点的电压值。 可以看到，二级电压控制的控制间隔通常为几分钟。二级电压控制是一种区域控制( r e g i o n a lc o n t r 0 1 ) ， 这种分区控制的理论基础是无功电压的区域特性。 6 第二章二级电压控制原理 二级电压控制系统实际上是一个闭环计算机控制系统，由区域控制计算机综合该区域内的信息 作出合理的控制。由于采用了计算机控制系统，可获得比传统控制更好的效果。二级电压控制系统 用主导节点的电压变化量为控制信号，协调控制机组。“主导节点的电压变化量”应看作是一个广义 的概念，它实际上只要是一种能较充分体现系统状态变化的指标即可，甚至如无功功率储备的变化 等。“控制机组”同样也是一个广义的概念，它通常指发电机，但也可是静止无功补偿器等无功调节 设各。但工程实践中，“主导节点的电压变化量”通常就取在某主要节点测得的实际电压偏移，而“控 制机组”则仅取发电机。这是一种最简单的实旖方案，也是最有实用价值的方案，是目前研究的重 点。 二级电压控制是一种较新的电压控制方式，有许多问题值得研究。二级电压控制问题主要包含 了两个子问题“。，即： 1 ) 划分控制区域、选择主导节点和相应的控制发电机 2 ) 设计控制规律，根据主导节点的电压偏差调整一次电压控制器的电压参考值。 2 2 二级电压控制的模型 一般情况下，二级电压控制器的设计仅需考虑系统的无功电压特性，其基本原理如图2 2 所示。 由图2 2 可见，系统电压动态由两部分构成：一级电压控制引起的一级电压动态和二级电压控制引 起的二级电压动态。由于二级电压控制器的采样周期大于一级电压控制器的响应时间常数。研究二 级电压控制器的性能时可忽略一级电压控制器的动态行为。 图2 - 2 二级电压控制的电力系统结构图 二级电压控制工作在一种缓慢变化的模式之下，控制的每一步都只是对负荷端的电压作一微小 的调整，所以系统可以用线性化方程来表示。当区域间相互近似解耦，彼此影响较小时，可令q 耐= 0 。 线性化系统模型可以用如下的灵敏度方程来表示： 2 湖纠= 谢 ， 式中昆g 、s a l 、g 、昆l 为灵敏度矩阵，即潮流方程雅可比矩阵中与电压、无功相关的部分， 近似计算中类似于快速解耦潮流算法可阻用节点导纳矩阵的虚部来代替。a 圪、a 吒分别为发电机 节点和负荷节点上的电压幅值变化。q g 、q l 分别为发电机节点和负荷节点上的无功变化。 令c v = 一5 k _ 1 咒g ，c 0 = s 五一，则式( 2 1 ) 可化为： 屹= c v a + c b a q ( 2 - 2 ) 式中：av 为各无功电压控制设备的电压控制变化量；c v a 代表控制对负荷节点电压的影响， 7 东南大学硕士学位论文 白a 见代表无功扰动引起的负荷节点电压变化。 式( 2 2 ) 为采用二级电压控制后负荷电压偏差的表达式。二级电压控制最理想的情况是通过调节 无功电压控制设备使所有负荷节点电压为设定值，但在实际系统中，负荷节点数一般远大于无功电 压控制设备节点数，这表明由式( 2 2 ) 表示的系统是不完全可控系统，即二级电压控制器无法给出完 全的控制量使系统中所有负荷节点的电压偏差量为o 。若假设负荷节点电压在系统负荷条件变化前 处于优化状态，二级电压控制的任务就是在系统发生扰动时使负荷节点的电压偏差尽可能小，以维 持区域电压接近优化水平。 2 3 控制区域的划分 二级电压控制首先将整个电力系统分成若干控制区域，这些区域最理想的状态是彼此相互解耦。 利用电力系统变量问存在弱耦合这一事实，可在很大程度上简化对大系统的分析。可将那些紧密耦 合的变量归结到一起形成几个子系统，对每个子系统进行独立求解，然后再考虑子系统间的相互耦 合作用，最终获得全系统的解。将大规模动态系统分解成几个弱耦合的子系统，不仅对系统的分析 非常有用，而且对系统的控制也非常有用。 为了确保系统分区的有效性，在分区时必须遵循以下几大原则： ( 1 ) 主导节点能够真实地反映区域内所有节点电压的情况； ( 2 ) 每个区域内有足够的电压无功储备来维持本区域的电压水平； ( 3 ) 区域间相互近似解耦，彼此影响较小，即当某区域的二级电压控制器动作时不应当影响到 其它区域的电压水平。 电网的分区可先在离线状态下，根据系统当前拓扑关系进行电压控制区域的划分，在线应用时， 如果系统运行方式发生大的改变导致原有分区解耦性不好，可以根据需要重新进行动态分区。 对于控制区域的划分，主要有三种选择计算方法：一种是按照地域分布或行政划分，将全系统分 成若干个控制区域；另一种则是按照选择主导节点的性能指标，对全系统的所有节点进行筛选，找 到所有的主导节点，由已经找到的主导节点的分布，控制区域的划分可以根据节点的逐个拉入形成 控制区域的划分：第三种则是根据电网灵敏度矩阵直接对电网进行控制区域的划分。 文献 9 中提出了利用口分解的嵌套算法进行控制区域划分。该文从图论的基本思想出发，把系 统的变量用图的节点表示，将一给定系统用图的形式表示出来。然后确定一个门槛值口，消去图中 那些权重小于口的边，并对完成消去操作后图的节点重新安排，将其中不相连的各个子系统分出来， 则这些子图实际上就是相互间耦合强度小于或等于口的子系统。 文献 1 0 中提出了基于神经网络的电压无功分区方法。该文结合神经元网络的特点，采用神经 元网络对大规模电力系统的新增节点进行分区，根据已有的节点的分区情况，估算出该节点的分区， 这样做避免了大规模的分区运算，具有效率高、计算速度快的优点。 2 4 主导节点和控制发电机的选取 主导节点的选择是二级电压控制的关键。主导节点的电压变化能够反映整个区域内所有负荷节 点的电压变化情况。主导节点的选择原则是：在某种扰动下，调节电力系统内的无功源，使系统中 某些节点的电压偏移为零，全网各节点的电压偏移最小，则这些节点即被选作为主导节点。主导节 点应具有一定的鲁棒性，即能在各种负荷扰动下均应具有代表电网电压水平的性质。 假设某区域受到扰动后二级电压控制系统动作，区域电压的恢复程度用区域中所有负荷节点电 压偏差的二次指标来衡量：二次指标越小则区域电压恢复程度越大，如果系统发生扰动后，根据某 些负荷节点的电压偏差来调整该区域无功电源的出力，使区域电压水平恢复程度最大，即电压偏差 8 第二章二级电压控制原理 二次指标最小，那么这些负荷节点就是该控制区域的主导节点。 由于电力系统包含大量的负荷节点，因此二次指标的求解是一个复杂的过程，为此各国学者做 了大量的工作。 文献 1 3 ，1 4 利用贪婪算法求解主导节点。该算法搜索系统所有的节点，每次搜索选择一个节点， 如果该节点使得负荷节点电压偏差的二次指标最小，则该节点就是主导节点，并且一旦被选为主导 节点，那么这个节点始终是主导节点，继续搜索，获得下一个主导节点。贪婪算法的优点是不需要 一个初始解，能非常容易地求出一组解，缺点是容易陷入局部最优，但是它所获得的解相对是接近 最优解的。 文献 1 4 ，1 5 利用全局搜索算法选择主导节点。该算法先设定一组初始的主导节点作为候选主导 节点集合，搜索所有可能存在的主导节点集合，判断哪一组集合使得负荷节点电压偏差的二次指标 最小，则这个集合就是主导节点集合。 当确定了控制区域的主导节点之后，控制发电机的选择也是极其重要的。控制发电机在系统急 需无功或无功过剩时该发电机能及时调节。 控制发电机应具备的条件是： ( 1 ) 该发电机具有相当的无功储备，即在系统紧急情况下，发电机能够为系统提供必要的无功 支持；另一方面，当系统电压水平过高时，发电机能减少自己的无功出力，甚至吸收系统多余的无 功，以保证系统具有良好的电压水平。 ( 2 ) 该发电机的无功出力变化能最有效地改变主导节点的电压幅值变化，改善本区域的电压水 平。 2 5 二级电压控制策略 二级电压控制策略的设计就是指，当系统控制区域的划分己经确定，主导节点以及控制发电机 的选择已经完成时，系统在线运行中，如何根据主导节点的电压幅值偏差得到对一次电压控制器一 本区域内控制发电机上的励磁控制器的电压参考设定值的调整量。应当说明的是，随着研究的深入 与技术的发展，现代电力系统电压分级控制系统中的“控制发电机”的概念已经随之拓宽。“控制 发电机”作为二级电压控制的基层执行单元，不仅仅只包括发电机单元，而应理解为能够接受二级 电压控制信号，并按要求为系统提供电压无功支持的所有无功源和电压控制设备的集合，如晶闸管 控制的电容电感、静止无功补偿器、静止无功发生器等。 二级电压控制策略主要研究在负荷扰动的情况下，如何协调发电机等无功电源以使主导节点电 压变化最小，从而达到抑制电压波动或提高全系统的电压稳定性的目的。其控制系统设计应满足以 下基本要求： ( 1 ) 正常情况下通过调节各电压控制器的整定值控制受控区域的无功电压至优化状态； ( 2 ) 调节过程中应确保控制设备在安全稳定的范围内运行； ( 3 ) 在负荷急剧变化或系统发生故障造成电压异常的紧急情况下，能迅速调节就近的无功电压 控制设备，使节点电压尽快恢复至正常范围，以防止电压崩溃。 最早投入应用的是以主导节点为基础的比例积分控制，控制器的输入是区域内惟一的主导节点 的电压，控制目标是使主导节点维持设定值“。其主要过程为：由主导节点电压偏差得到区域无功 控制信号，这个控制信号从区域调度中心直接传递给区域内每一台控制发电机，按照预先设计好的 控制规律调整发电机的无功出力。这种方法相当于用预先选择的区内最重要的节点代表整个区域的 电压水平，显然其控制精度不高，从整体来说维持电压的能力有限。 为适应电网发展的要求，许多国家着手研究改进的协调二级电压控制( c s v c ) “。c s v c 的控 制目标是维持区域内一组主导节点的电压为设定值，并使预先确定的一组关键节点的电压偏差最小， 同时保证控制区内的控制设备尽可能保持较多的无功储备，通过在线寻优的方法，给出一级电压控 9 东南大学硕士学位论文 制设备电压参考设定值的调整量。然后将计算后的控制信号送到各个无功控制器，改变无功电源的 无功出力，维持主导节点的电压在设定值附近。 2 6 无功电源和电压控制设备 常见的可控无功电源和电压控制设备包括同步发电机、同步调相机、并联电容器、并联电 抗器、静止无功补偿器等“”“1 。一级电压控制系统就是由这些控制装置组成。一级电压控制系 统在电压变化时首先响应，一般能就地实现闭环控制，也可接受二级电压的控制信号。理论上， 这些一级电压控制设备均可成为二级电压控制的协调对象。 2 6 1 发电机和自动励磁调节系统 发电机不仅是有功电源，也是无功电源，有些发电机还能通过进相运行吸收无功功率，所以可 用调整发电机端电压的方式进行调压。这是一种充分利用发电机设各，不需额外投资的调压手段。 发电机提供无功功率受几个方面的限制：功角稳定、转子电流过负荷和定子电流过负荷。由于 电压不稳定的过渡过程比较长，可能达十几分钟或更长，而发电机转子和定子过负荷能力一般为几 十秒钟到几分钟。因此过负荷是一个需要加以特别重视的问题。从能量守恒的观点来看，同步发电 机与电网并联后，如仅仅调节无功功率，只要通过调节同步发电机的激磁电流，是不需要改变发电 机的输入功率的。通过调节激磁电流的大小，就可以改变输出的无功功率，不仅能改变无功功率的 大小，而且能改变无功功率的性质。 现在同步发电机都装有自动励磁调节设备，其主要功能是自动调整发电机的机端电压、分配无 功功率以及提高发电机同步运行的稳定性。发电机自动励磁调节系统是电力系统中最重要的电压和 无功功率控制系统，因为它的响应速度快，可控制的容量大，不论在正常运行时保证电压水平和紧 急控制时防止电压崩溃，它都起着重要的作用。当发电机装有按照某运行参数偏移量调节的比例式 励磁调节器时，当发电机功率变化时，如果放大倍数选择得当，可大致保持e 。为常数；当发电机装 有按两个参数偏移量调节的比例式励磁调节器，如带电压校正器的复式励磁装置时，由于电压校正 器可使发电机端电压大致保持恒定。图2 3 为常规励磁调节器传递函数框图。 图2 - 3 常规励磁调节器传递函数框图 二级电压控制主要是通过修正自动电压调节器的电压设定值u 翻然后通过一级电压控制器的调 节作用来改变机组的无功出力，从而改变主导节点的电压值。以i e e e - 3 9 节点系统为例，节点3 3 发 电机电压设定值提高至原来的1 0 5 倍时，发电机出口处母线和主导节点电压均相应提高，同时发电 机3 3 无功出力增加，而其它发电机如节点3 4 的无功出力减少。图2 - 4 为发电机3 3 电压设定值提高 至1 0 5 倍时节点2 1 、3 3 电压响应曲线，图2 - 5 为发电机3 3 电压设定值提高至1 0 5 倍时发电机无功 出力3 3 、3 4 无功出力曲线。 1 0 第二章二级电压控制原理 图2 4 节点电压 2 6 2 静止无功补偿装置( s v c ) 图2 - 5 发电机无功出力 静止无功补偿装置是一种广泛使用的快速响应无功功率补偿和电压调节设备，对于支持系统电 压和防止电压崩溃是一种强有力的措施。静止无功补偿器是一种不受领先一滞后范围限制、大多无 响应延时、能快速调节无功功率的装置。静止无功补偿器根据其斜率特性调节电压。这种斜率与调 节器的稳态增益有关，通常在整个调节范围内为l 5 。在可调节范围内，没有电压控制和不稳定 问题。当达到极限时，s v c 变成为一个简单的电容器，这可能是导致电压不稳定的一个原因。s v c 有多种构成方法，晶闸管控制电抗器加晶闸管投切电容器( t c r + t s c ) 、晶闸管控制电抗器加固定 电容器( t c r + f c ) 等。下图是一个含t c r 和f c 的简化s v c 模型，s v c 的无功出力为o = b 。酽。 与a v r 相似，s v c 可以通过调整电压设定值“e f ，来改变补偿器的无功出力，从而改变主导节点 的电压值。i ( 0 为斜率特性的倒数，t l 为暂态时削常数，t 2 为调节器时间常数。 b 由 图2 - 6 简化的s v c ( 静止无功补偿装置) 传递函数框图 2 6 3 有载调压变压器 变压器有载切换分接头也是常用的调节电压的措施，它通过改变两侧系统的无功潮流，转而影 响变压器两侧电压变化。用调压变压器或改变变压器分接头进行调压，这属于重新分布无功。由于 这种调压措施本身不产生无功，只能改变无功的分布。使用有载调压变压器在一定情况下可消除负 荷的电压依赖特性，从而减少负荷侧的电压波动。但在电压崩溃过程中，有载调压变压器分接头的 动作通常要起消极作用。这是因为在供电系统由于无功