（电气工程专业论文）变电站电压无功九分区控制特性仿真分析及其改进方法研究.pdf

重庆人学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fn a t i o n p o w e rs y s t e m ，a n d t h e i n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t so fc o n s u m e rt op o w e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y , v o l t a g eb e c o m e so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tp o w e rq u a l i t y i n d e x e s e n s u r i n gt h ev o l t a g eq u a l i t yo fc o n s u m e r a p p r o a c ht h en o r m a lv a l u eb e c o m eab a s i ct a s ko fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n dc o n t r o l ， v o l t a g ed e v i m i o nt o ol a r g en o to n l yh a sd i s a d v a n t a g ei m p a c tt ot h ec o n s u m e r sn o r m a l w o r k ，b u ta l s oi n c r e a s e st h ep o w e rl o s s ，e v e ne n d a n g e r st h es y s t e mo p e r a t i o ns t a b i l i t y s oi th a sg r e a tm e a n i n gt ou s ev a r i o u sv o l t a g ea d j u s t m e n tm e a s u r ea n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tt oi m p l e m e n tv o l t a g e v a rc o m p o s i t i v ec o n t r o l l i n gt oi m p r o v e e l e c t r i ce n e r g yq u a l i t ya n dr e d u c et h ep o w e rl o s s n o wt h ep r i m a r yv o l t a g ea d j u s t m e n tm e a s u r ei ns u b s t a t i o no fo u rc o u n t r yi s o n l o a dt r a n s f o r m e rt a pc h a n g e ra n dp a r a l l e l c o m p e n s a t o r yc a p a c i t o r u n d e rt h e s i t u a t i o no fw i d e l yu s i n go fc o m p u t e rt oi m p l e m e n ta u t o m a t i cc o n t r o l l i n g ，v a r i o u s c o n t r o l l i n gs t r a t e g yh a v ea p p e a r e d ，a p p a r e n t l yt h er e a s o nt h a tv a r i o u s c o n t r o l l i n g s t r a t e g ya p p e a r e db a s i n go no n ec o n t r o lo b j e c t i v ec o n s i s ti ne a c hc o n t r o ls t r a t e g yh a s s o m ed e f i c i e n c i e s ，e v e nh a si n v o l v e di ns o m ep r i n c i p l em i s g i v i n g s ，n o wt h en i n e z o n e c o n t r o l l i n ge q u i p m e n tw h i c hh a su s e dw i d e l ya p p e a r e df r e q u e n to p e r a t i o na n dd i f f i c u l t t ou s e s oi ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ec o n t r o ls t r a t e g yt h o r o u g h l y , b a s e do nw h i c hw e c a nf e n do u tt h et h e o r yr e a s o n a b l ea n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c a l i t y c o n t r o lm e t h o d e s p e c i a l l yw i t l lt h er a p i di n c r e a s i n go fg e n e r a t i n gc a p a c i t yo fo u rc o u n t r y , u n d e rt h e s i t u a t i o no fp o w e rs u p p l yi sa b u n d a n t ，t h ec o n s u m e rw i l lb n n gf o r w a r dh i g h e rd e m a n d t ot h ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yn e c e s s a r i l y , a n dt h ev o l t a g eq u a l i t yw i l lb e c o m et h e p r i m a r y - c o m p e t i t i o nf a c t o ro fp o w e rm a r k e t s oi ti sat e c h n i q u ep r o b l e mw h i c hs h o u l d r e s o l v eu r g e n t l y , a n di th a sg r e a tp r a c t i c a l i t ym e a n i n g i nt h i st h e s i s ，b a s i n go nt h er e s e a r c hc o n d i t i o no fv o l t a g e v a rc o n t r o l l i n go fo u r c o u n t r y , t h ef o l l o w i n gt a s k sa r ed o n e ： ( 1 ) t h er e s e a r c h c o n d i t i o no fv 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 yi n s u b s t a t i o ni na n da b r o a da r er e p r e s e n t e d ，a n dt h ep r o b l e mo f e a c hs t r a t e g yi sa n a l y z e d ( 2 ) t h es u b s t a t i o nv o l t a g e v a rc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ci sr e p r e s e n t e d ，a n dt h e p r i n c i p l eo fs u b s t a t i o nv o l t a g e v a tc o n t r o l l i n gi sa n a l y z e d ，t h ep r o b l e mo fn i n e - z o n e v o l t a g e v a rc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e di nt h e o r y ( 3 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs u b s t a t i o nv o l t a g e v a rc o n t r o l l i n gi se s t a b l i s h e d ， i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a n dt h ea c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci ss i m u l a t e d a n dt h ep r o b l e mo fn i n e z o n ec o n t r o l s t r a t e g ya n dt h ef a c t o rw h i c h i n f l u e n c ei t sa c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca r ef o u n do u t ( 4 ) t h ei m p r o v i n gm e t h o do fs u b s t a t i o nv o l t a g e v a rc o n t r o l l i n gi sp u tf o r w a r d ：t a k e c h o n g q i n gj i a n g j i np o w e rn e t w o r kf o re x a m p l e ，b a s i n go nt h er e a l t i m ea e q u i s i t e d v o l t a g e 、c u r r e n ta n dp o w e ro fs u b s t a t i o na st h ei n p u tq u a n t i t y , t h er e a l - t i m ev o l t a g e v a r c o n t r o l l i n gm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ，t h ea r i t h m e t i ci sp u tf o r w a r d ，a n dt h e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t ya r ev e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ，e l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y , v o l t a g e v a rc o n t r o l ，n i n e z o r l e i i i 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，也不包含为获得重鏖太堂 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。 一躲寸飙川确噌 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 姗虢习3 旷 签字日期：叼年f 月一，、日 导师签名： 彳歹纭 l 签字日期：m 7 年广月27e l 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 i 变电站电压无功控制研究的意义 随着现代电力系统向大容量、超高压、长距离输电线路方向发展，当输电线 路的传输功率低于其自然功率时，将出现无功过剩，导致线路产生持续的工频过 电压，危害系统的安全、经济运行。另外，电网中的负荷波动也十分剧烈，这些 都增加了电力系统电压在空间和时间上的分散性：在同一时间内，一些地方电压 过高，一些地方电压过低；在同一区域内，有时电压很高，有时电压很低，这些 都导致电力系统的电能质量下降。随着用户对供电质量和可靠性要求的提高，电 压成为衡量电能质量的一个重要指标，使电压无功综合控制问题进一步引起了人 们的广泛重视，保证用户处的电压接近额定值，成为电力系统运行控制的一项基 本任务，电压偏移过大不仅对用户的正常工作产生不利影响，还可能使网损增大， 甚至危及系统运行的稳定性。 电压发生偏移对电力系统电气设备、电力系统稳定和经济运行的影响如下： ( 1 ) 当系统电压降低时，发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大，如 果发电机在这之前的电流已达额定值，则电压降低后，将使其超过额定值，为了 使发电机定子绕组不致过热，将不得不减少发电机所发功率，相似的也不得不减 少变压器的负荷； ( 2 ) 当系统电压降低时，占电力系统中负荷比重最大的异步电动机的转差率 将增大，从而，电动机各绕组中的电流将增大，导致温升增加，效率降低，寿命 缩短；而且，某些电动机驱动的生产机械的机械转矩与转速的高次方成正比，转 差增大、转速下降时，其功率将迅速减少，而发电厂厂用电动机组功率的减少又 将反而影响锅炉、汽轮机的工作，影响发电厂所发功率，尤为严重的是，系统电 压降低后，电动机的启动过程将大为增长，电动机可能因为在启动过程中因温度 过高而烧毁； ( 3 ) 系统电压过高将使所有电气设备绝缘受损，而且变压器、电动机等的铁 芯要饱和，铁芯损耗增加，温升将增加，寿命将缩短； ( 4 ) 对照明负荷，尤其是白炽灯，对电压的变化反应最为敏感，电压过高， 白炽灯的寿命将大为缩短，电压过低，亮度和发光效率又要大幅度下降； ( 5 ) 对电网稳定、经济运行的危害。交流输电存在同步运行稳定性问题，输 电线的输送功率受稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网 运行电压有很大的关系，电压越低，功率极限越低，越是容易发生不稳定现象。 电网缺乏无功功率，运行电压低，有可能产生电压不稳定现象，当电压下降到额 重庆大学硕士学位论文1 绪论 定电压的6 5 , - 7 0 时，系统无功静态稳定破坏，发生电网“电压崩溃”，同步运 行稳定的破坏或电压不稳定都是严重的电力系统事故，会造成大量负荷停电及系 统瓦解等十分严重的后果。而且电网电压过低或无功功率远距离流动，都会增大 电网的有功功率损耗和无功功率损耗，提高了用电成本。 简单来讲，变电站电压无功控制的作用主要有以下几个方面： ( 1 ) 降低系统的功率损耗和电能损耗。由于装设了无功补偿设备，就可以提 高线路和变配电设备的功率因数，从而可以有效地减少系统的功率损耗和电能损 耗。 ( 2 ) 提高电压质量。由于装设了各种无功补偿设备，可以使供电的电能质量 得到显著的提高。 ( 3 ) 提高电力设备的效益。由于进行无功补偿，可以使补偿之后线路中通过 的无功电流减少，从而使线路供电能力增强；并使通过变压器的无功电流减少， 从而使变压器的功率损耗降低，供电能力提高：另外，可以减少发电机输出的无 功电流，从而增加了发电机的有功出力。 ( 4 ) 保护自然环境，节约能源。进行无功补偿可以降低线路损耗，从而可以 节约大量的能源，同时也可以降低在发电和供电过程中对环境造成的污染。 电力系统的电压水平取决于系统无功功率的分布和平衡状况，电力系统的无 功补偿的合理分布和维持电网正常运行下的无功功率平衡是改善和提高电压质量 的基本条件。我国电力行业标准“电力系统电压和无功电力技术导则”( s d 3 2 5 8 9 ) 中也明确提出：“电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电能质量的基本条件， 有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且能提高电力系统 运行的稳定性和安全性”。规程规定了我国电力系统各级电压母线和用户受电端电 压的允许偏差以及无功与电压调整的技术措施，是电力系统各部门在进行规划、 设计、基建、运行及用电管理等方面的工作时应遵守的基本原则。近十几年来， 我国发电容量迅速增长，现已跃居世界第2 位，在“西电东送”的战略方针指导 下，西部电源还将以更快的速度增长。在供电充足的情况下，用户必然对电压质 量提出更高的要求，电压质量将作为电力市场竞争的主要因素。因此电压质量是 一个急待解决的技术问题，具有重要的实用意义。 目前我国电变电站调压的主要手段，一般都采用有载调压变压器和并联补偿 电容器组，原有的主要靠人工手动调节的电压无功控制方法已不能适应电力系统 发展的要求。而目前我国各变电站的变电站综合自动化系统中的无功电压自动调 节装置的控制策略大多是基于“井”字形九分区控制原理，称为电能质量控制器 ( v q c ) 实际运行情况表明，“九分区”控制装置普遍出现频繁操作而难于使 用的问题，过度频繁的调节会降低变压器和并联电容器的使用寿命( 据统计，有 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 载调压变压器约有8 0 的故障是由有载分接开关引起的) 。 多年来专家们对传统的无功电压控制装置做了很多研究，对九分区控制策略 一直都是从其边界上进行改进，其效果都很不理想，凡坚持采用“九分区”控制 方法的装置，大多被迫停运，因而实际上多数变电站仍然是手动状态。一些学者 提出的新的控制策略，例如以负荷预测为基础，采用模糊控制理论【j 7 1 、神经网络 算法【8 删、遗传算法【l 肛1 1 1 等，这些方法与实际存在相当的距离，因此未能在工程中 应用。 我国在新建2 2 0 k v 及l l o k v 变电站中，基本上都采用了微机无功电压调节装 置，仍普遍采用“九分区”调节方式。因此，深入分析“九分区”无功电压控制 装置动作特性，从根本上解决此种变电站无功电压控制装置在原理上是否存在问 题已显得十分必要。 因此制定先进的电压无功控制策略，做好无功补偿和优化不仅对电力系统的 正常运行、用户电压质量的提高、供电部门自身的经济利益、供电部门形象的改 善和服务质量的提高大有好处，而且对节约能源、保护自然环境也有好处。按电 力系统能采集到的实时数据进行实时计算做出控制决策，必然是其改进方向。所 以找出一种以满足“电力系统电压和无功电力技术导则”规定的电压偏差要求为 目标的无功电压控制方法，是改进消除盲目调节，使变压器分接头的调整和电容 器的投切次数降至最少，既提高调节质量，又提高运行可靠性，以及对改进作为 联系电网和用户的变电站的无功电压综合控制保证变电站低压侧电压质量和变压 器高压侧的功率因数，提高经济效益都是十分重要的。因此本课题的研究具有理 论意义和重要的工程实用价值。 1 2 变电站电压无功控制策略的研究现状及存在的问题 随着电力市场商业化运营的逐步推行，用户对电能质量的要求不断提高，以 及电网节能降损的迫切需要，电压无功综合控制问题日益得到人们的广泛重视。 为了避免大量的无功流动在系统中产生有功损耗，降低系统输电效率，电力系统 采用了各种可能的手段，以进行系统无功和电压的调整。目前，电力系统中采用 的无功和电压调整手段主要有：同步发电机、并联补偿电容器、同步调相机、静 止补偿器、有载调压变压器等，同步发电机只应用于发电厂，因此变电站采用的 只有后面几种。 从变电所采用的无功和电压调整手段来看，同步调相机和静止补偿器造价高， 而且运行维护复杂，目前只在个别的枢纽变电站中采用。并联补偿电容器和有载 调压变压器造价低，而且运行维护方便，是变电站广泛采用的电压无功控制手段。 所以，变电站的电压无功控制主要是指并联补偿电容器和变压器有载分接头的控 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 制。 从控制理论的角度来说，变电站电压无功综合控制是一个多限值( 电压上下 限、无功上下限、主变分接头调节次数、并联电容器组日投切次数等) 多目标( 电 压和无功均合格) 的最优控制问题。具体包括以下几个方面： 1 ) 维持供电电压在规定的范围内 根据国标g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量和供电电压允许偏差的规定，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 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 ，1 0 。 2 ) 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，具体要求如下： 2 2 0 k v 及以下等级的变电所在负荷最大时电网供给的无功功率与有功功率的 比值：2 2 0 k v 为3 3 ；3 5 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。 3 ) 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 ) 减少变压器分接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日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。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者对变电站电压无功综合自动控制进行了 大量的研究，取得了一些研究成梨1 2 2 7 。国内外专家、学者提出了许多基于新理 论、新方法的电压无功综合控制装置，己有一些产品用于生产，取得了不少宝贵 经验。概括起来讲，对变电站电压无功控制的研究主要有两个方面，即离线优化 和实时监控。离线优化是根据专家经验或由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。实时监控是通过 对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 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 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。 就电压无功控制装置进行调节动作的控制策略来看，目前大致有以下几种： ( 1 ) 九分区电压无功控制策略 九分区电压无功控制策略是目前国内变电站电压无功控制装置普遍采用的控 制策略。此种控制策略的基本思想如图1 1 所示。其控制目标是要使系统流入变压 器的无功功率和变压器低压侧母线电压均在给定的范围内。图1 1 中除区域1 同时满 足电压和无功条件外，其余8 个区域均不能同时满足电压、无功两个条件，提出相 应的调节方式【1 2 5 1 。这种控制策略在控制判据上存在着明显的不足，将在2 5 节中 进行详细分析。 图1 1 九分区控制的基本策略图 f i 晷1 1b a s i cs t r a t e g ym a po f n i n e - z o n ec o n t r o l 图中，u 一，u 。分别为九分区电压无功控制策略给出的电压的上、下限； ( ) 珥。，q 分别为九分区电压无功控制策略给出的无功的上、下限。 为了改进固定边界九分区控制策略控制判据的不足，考虑系统电压和变电站 有功、无功负荷之间的随机关系，确保无功调节与电压的协调关系，一些学者提 出了基于模糊理论的电压无功控制策略1 2 羽，将电压状态引入无功调节特性，对存 在不确定性调节的边界引入模糊隶属度，以改善控制性能。根据投切电容器时确 保电压的不过调或不过补的原则，将固定的无功上下限变为受电压影响的模糊边 界，按照这种思路确定的无功边界为两条斜线，如图1 2 所示。 慷q 矿原f 夕 x | i | 一 u 上限 u 下限 图1 2 模糊无功边界九区图 f i g 1 2n i n e - z o n ed m g r a mw i t h 呦r e , a g t i v cp o w e rb o u n d a r y 该控制策略较合理地使用了变压器分接头和并联电容器组这两种调节设备， 具有明显的调压效果，无功补偿更趋合理，调节次数少，从一定程度上提高了传 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 统固定九分区电压无功控制策略的动作特性，但是它没有从根本上脱离九分区调 节模式，因此其仍然存在上述固定九分区边界所存在的问题。 还有不少学者对上述九分区控制策略提出其它改进方法，如将控制区域细分 成十一区、十三区、十七区 2 9 - 3 1 1 等等这些都没有从根本上脱离传统九分区控制模 式，解决其存在的根本问题。 ( 2 ) 基于负荷预测的电压无功控制策略 变电站无功的变化不但与系统结构有关，还与当地负荷变化有关，在已知系 统参数有限及负荷不确定的情况下，通过普通的数值计算是无法确定无功补偿容 量的。针对传统电压无功控制策略对引起变电站电压无功变化的因素判断不足的 缺点，以及一天内变电站变压器分接头动作次数和并联电容器组投切次数有限制 的情况下，一些学者提出了基于负荷预测的变电站电压无功控制策蚪3 “2 】，在负 荷预测的基础上，建立变电站电压无功控制的数学模型，该模型考虑了变压器分 接头动作次数和并联电容器组投切次数的限制，根据一些历史数据，利用相关分 析，先确定变电站未来一天2 4 h 的负荷及主交低压侧电压预测值，然后采用基于 人工智能的动态规划法寻找一组变压器分接头和电容器组投切量变量，通过寻找 目标函数的最优解来确定变电站未来一天每个时段的分接头位置和电容器的开关 状态，使变电站的运行状态在满足要求的运行范围之内。 且标函数： 2 42 4 m 戤3 = 心+ 鳓+ + 雎 ( 1 1 ) i - 1i - i 式中，玩变电站低压侧母线电压偏移的隶属度函数；，锄功率因数偏移的隶属度 函数；有载调压变压器分接头动作次数的隶属度函数：雎并联电容器组动作的 隶属度函数。 约束条件； “ ( r a p , 一2 只一1 ) z 巴。 ( 1 2 ) 2 4 ( m m ，) 眦 a = 2 俨s 俨 协i p f m ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 式( 1 2 ) 为一天内有载调压变压器分接头调节总次数的上限约束；式( 1 3 ) 为一天内电容器投切总次数的上限约束；式( 1 4 ) 为电压的允许上、下限约束； 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 式( 1 5 ) 为功率因数的下限约束。 这种控制策略考虑了电压与无功调节的相互影响，提高了控制装置的寻优能 力，减少了有载分接开关和电容器组的调节次数，但是其存在以下不容忽视的问 题： 1 ) 变电站的电压不仅与变电站的负荷尸，q 有关，还与系统参数有关，所以这 不仅仅是负荷的预测，还应该有电网参数弧，r ，瑚预测； 2 ) 这种控制策略的准确性依赖于负荷预测的正确性和可行性，而且对隶属度 函数的选择非常敏感。 事实上变电站的负荷是可以在线测量的，而且变电站电压无功控制是在线控 制的，所以这种通过预测来获得变电站负荷，在离线的情况下计算出变电站的电 压无功控制策略难以在工程实际中取得很好的控制效果。 ( 3 ) 基于专家系统的电压无功控制策略 专家控制系统作为人工智能的一个重要研究领域，近年来受到了普遍的重视， 对于配电变电站而言，电压无功控制的控制手段主要依靠补偿并联电容器的投切 和调节变压器的分接头，这些控制手段都属于离散变量，不利于作为连续变量而 使用动态规划法求解，而且这些设备在不同的运行状态下又有不同的动作优先权， 所有这些因素都导致无法给出变电站电压无功控制的严格的数学模型。专家系统 是模拟人类专家解决实际问题的计算机程序，它特别适用于所研究的对象没有确 切的数学模型、算法，而需要靠领域专家的经验知识，通过启发式的方法，基于 历史数据来解决问题的场合。基于此文献【4 3 4 7 】提出了基于专家系统的变电站电 压无功控制策略，它将专家知识和经验以知识库的形式存入计算机，并模仿专家 的推理和思维过程，根据实际检测到的变电站的运行状态，从知识库中选择适当 的知识，依次选择最有效的控制手段，并按照某些选用的对策和系统限制的条件 计算给出合理的控制措施。 基于专家系统而设计的变电站电压无功控制装置能够较好的解决模型不确定 问题、存储该变电站历史上电压无功控制的专门数据，并能像有经验的调度员那 样，在面l 临不同运行工况时，有效地利用这些数据做出合理的控制决策。但是这 种控制策略的优劣在很大程度上依赖于其知识库质量的高低，装置自动调节的次 数越多，知识库中知识就越丰富，基于此知识库做出的决策就越能适应当前变电 站的特性，使电压和无功的调节更加合理化，其调节效果越好，当知识库中没有 与之对应的选择时，就可能影响其控制效果，而且这种控制策略难以满足各种变 化条件下的实时性要求。 综上可知，变电站电压无功综合控制方式、方法也很多，但都有一定的局限 性。对于传统的九分区电压无功控制策略一直以来专家学者们都是从其边界上及 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 其控制算法上对其进行改进，以希望通过对其边界值的设置方式进行改进和采用 各种先进算法来弥补变电站电压无功控制在原理上所存在的缺陷，而没有从根本 上解决由于其控制原理的缺陷所带来的问题，导致采用“九分区”控制策略的电 压无功控制装置在实际运行中大多被迫退出运行，而专家学者们提出的新控制策 略大多离实际应用还有一段时间需要进行进一步的研究。因此，有必要进行深入 的研究，在吸收同类产品成功经验的基础上解决存在的问题，使变电站电压无功 综合控制装置达到更加实用。 1 3 本文研究的主要内容 由于目前我国变电站所使用的电压无功控制装置大部分都是基于传统“九分 区”的控制策略，而这种控制装置在实际运行中由于其控制判据对电压越限因素 等的识别能力不充分影响了其调节性能，导致基于此原理的变电站电压无功控制 装置大多被迫停运，本课题就是要通过对“九分区”区电压无功控制策略的动作 特性进行数值仿真分析，找出其存在的问题以及影响其动作特性的因素，从根本 上改变变电站现行电压无功控制的不理想状况，摈弃目前普遍采用的但运行效果 不佳的“九分区”电压无功控制策略，结合变电站的实际情况，提出变电站电压 无功控制的改进方法。 基于以上分析，本课题的研究内容主要有以下四个方面： ( 1 ) 分析现有的变电站电压无功控制策略，找出各种策略所存在的问题； ( 2 ) 分析变电站电压无功控制的原理，从理论上分析变电站电压无功九分区 控制策略所存在的问题； ( 3 ) 建立变电站电压无功控制的数学模型，对九分区电压无功控制策略的动 作特性进行仿真分析，找出九分区控制策略存在的问题以及影响其动作特性的因 素； ( 4 ) 提出变电站电压无功控制的改进方法，并对其可行性和正确性进行仿真 验证。 8 重庆大学硕七学位论文 2 变电站电压无功控制特性分析 2变电站电压无功控制特性分析 2 1 电力系统的电压无功特性 同步发电机不仅是电力系统中唯一的有功电源而且还是电力系统最大的无功 电源，其无功出力是由电压调整装置调节它的励磁系统来控制的，它通过整定发 电机的外特性，即整定发电机输出的无功电流厶与发电机的端电压( ，g 的关系来达 到调整发电机无功输出的大小，如图2 1 所示，一般将其整定为一条直线，励磁系 统能任意整定直线的斜率吒。 0 2 。 “ u 2 口 9 重庆大学硕士学位论文2 变电站电压无功控制特性分析 图2 2 同步发电机的既一特性曲线 f i g 2 2 线一【，g c h a r a c t e r i s t i cc o f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 发电机的空载电压【，g o 是由上级运行调度人员整定，通过改变空载给定电压由 c ，6 。变为。，发电机的外特性由曲线1 变为曲线2 ( 图2 1 ) 来实现对发电机电 压无功特性的调整。发电机的端电压c ，g 由外部系统及发电厂电机的运行状态共同 确定，当发电厂装机容量相对系统容量很小，且发电厂与系统联系紧密时，发电 机的端电压仅由外部系统确定与本电厂的有功无功调节无关，在外部系统稳定运 行时，发电机端电压是恒定的，而发电机定子电流受定子绕组容量限制也是固定 的，因此在一定的定子电压与电流限制下，同步发电机功率因数c o s p 减小，则发 电机的有功出力减小而无功出力增加；如果功率因数c o s 妒增大，则发电机的有功 出力增大而无功出力减小。对于每一台发电机来讲，对于不同的有功出力有一个 极限的无功出力值，由于受到各种因素的限制，无功出力不可能大于这个数值。 同步发电机的有功出力和无功极限出力的关系可以用同步发电机的p q 图来表 示，如图2 3 为一隐极式同步发电机的p q 图1 4 8 。 户ji 7 c、b 彳形产； e ，7 da 一 图2 3 同步发电机的p - q 图 f i g 2 3p qd i a g r a mo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r 图中，b 点所对应的点为发电机的额定运行点，曲面四边形a b d e 所包围的 面积即为隐极同步发电机的运行极限，当发电机发出的有功、无功功率所对应的 l o 重庆大学硕士学位论文 2 变电站电压无功控制特性分析 点位于该范围内时，发电机可以安全运行。显然，发电机只有在额定状况下，其 容量才能得到充分的利用，在发电机发出的有功功率小于额定值时，其发出的无 功功率要略大于在额定条件下的无功功率。 电力系统的无功电源除同步发电机外，还有同步调相机、常规并联补偿电容 器组和静止无功补偿器等，在2 2 节中将分别进行介绍。 电力系统的负荷中，除功率相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为 数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。因此， 无论工业还是农业用户都以滞后功率因数运行，功率因数约为o 6 o 9 ，其中较大 的数值对应于采用大容量的同步电动机的场合。 电力系统的无功损耗主要包括变压器中的无功损耗和输电线路上的无功损耗 两部分。 从统计资料分析，变压器无功功率损耗约占全部电网无功损耗的8 0 ，变压 器总的无功功率损耗分为两部分，励磁支路损耗和绕组漏抗中的损耗，其中，励 磁支路损耗，即空载损耗的百分值基本上等于变压器空载电流的百分值，约为 1 之；而绕组漏抗中的损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压的百分值， 约为1 0 。因此，对一台变压器或一级变压的网络而言，变压器中的无功功率损 耗并不大，满载时约为其额定容量的百分之十几，但是对于多级电压网络而言， 变压器中的无功功率损耗就相当可观，例如一个五级变压的网络，发电厂中 1 0 2 2 0 k v 升压，网络中2 2 0 1 l o k v 、1 1 0 3 5 k v 、3 5 1 0 k v 、1 0 0 4 k v 降压至用户， 在典型状况下计算的变压器无功损耗如表2 1 所示。 表2 1 变压器无功损耗 所有变压器都满载 所有变压器都半载 变压器的励磁支路损耗 7 7 变压器绕组漏抗中的损耗5 0 1 2 5 变压器总损耗5 7 1 9 5 变压器总损耗变压器负荷5 7 ，1 0 03 9 ，1 0 0 由表2 1 可知，系统中变压器的无功功率损耗占相当大的比例，较有功功率损 耗要大得多。 输电线路上的无功损耗分为两部分，即串联电抗和并联电纳中的无功损耗， 串联电抗中的无功功率损耗呈感性，而并联电纳中的无功功率损耗呈容性，因此 输电线路作为电力系统中的一个元件，究竟是发出还是消耗无功功率不能确定， 一般来说在通过线路输送的功率大于自然功率时，线路将消耗无功功率；反之， 则发出无功功率。 重庆大学硕士学位论文2 变电站电压无功控制特性分析 由上面的分析可知电力系统无功功率平衡可由式( 2 3 ) 表达： q 一绫一姥= 0 ( 2 3 ) 式中，( k 为系统提供的总的无功功率，包括发电机发出的无功功率q g 和无功 补偿装置提供的无功功率线；q l 为系统负荷消耗的无功功率之和；a q z 为系 统的无功功率损耗之和，包括变压器的损耗绋和输电线路的无功功率损耗a q 。 砚= ! 靠一g ( 2 4 ) 式中，厶以为输电线路串联电抗上消耗的无功功率；q 为输电线路并联电纳上 消耗的无功功率。 事实上系统的无功功率平衡对保证电力系统的电压水平是非常重要的，如果 系统不能在正常电压水平下满足式( 2 3 ) ，那么系统的电压质量将得不到保证，如 图2 4 所示，假设在a 点，系统能提供的无功功率为如。，此时由式( 2 3 ) 决 定的系统运行电压为u 。，设此时对应于系统的正常电压水平，如果系统能提供的 无功功率仅为q k ，由于负荷的正的电压调节效应，虽然系统无功功率也能平 衡，但是此时的运行电压u ；将低于正常运行的电压u 。，如图2 4 中的b 点所示。 图2 4 系统无功平衡和系统电压水平的关系 f i g 2 4r e l a t i o nb e t w e e l t ls y s t e mr e a g t i v ep o w e rb a l a n c ea n dv o l t a g el e v e l 因此为了提高电力系统运行的经济性和可靠性，对电力系统电压和无功控制 提出了如下要求： ( 1 ) 输电线路的主要任务是传输有功功率，因此由传输无功功率引起的线路 有功损耗应最小； ( 2 ) 电网内各点的电压都应该在允许的范围内，如发电厂和5 0 0 k v 变电站的 2 2 0 k v 母线电压在正常运行方式下，电压允许偏差为系统额定电压的0 - + 1 0 ，事 故运行方式下，为系统额定电压的5 - - 斗1 0 ； ( 3 ) 电网应有足够的无功功率备用以应付突然的需要，一般可取为系统最大 无功功率负荷的7 一8 ： ( 4 ) 电网无功电源与无功负荷都应采用分层分区基本平衡的原则进行控制。 重庆大学硕士学位论文2 变电站电压无功控制特性分析 因此，要维持系统的电压水平，就必须给相应于该电压水平的无功功率，而 且，输电线路和变压器传输功率时，均要产生电压损耗，也就影响了电网各处电 压的大小，如果可以改变线路、变压器等电网元件上的电压损耗，也可以改变电 网各节点的电压大小。如图2 5 为输电线路的简化等值电路和相量图。 吐 + j 伤 图2 5 输电线路简化等值电路和相量图 f i g 2 5s i m p l i f i e de q u i v a l e n c ec i r c u i ta n di t sp h a s o rd i a g r a mo f e l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n e 由图2 5 可得输电线路上的损耗为： u ：p 2 r + q 2 x u 2 刃：e ：x - q d t u 2 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，要降低线路的电压损耗方法有：1 ) 降低线路的阻抗；2 ) 降低线路上传输的功率，一般为了满足负荷的要求，要改变线路的有功功率比较 困难，因此就只有改变线路传输的无功功率。 因此要降低系统电压损耗，就要避免无功功率远距离、大容量的传输，从而 需要在电网中适当的位置配置无功补偿装置，尽量做到无功功率的分层分区就地 平衡，下面将分别介绍变电站使用的无功补偿装置。 2 2 变电站无功功率补偿装置 为了尽量保证电力系统的电压在一定的范围内，在变电站中装有大量的无功 补偿装置，主要包括并联补偿电容器、同步调相机、静止无功补偿器和静止无功 发生器等。 2 2 1 传统无功补偿装置 传统无功补偿装置主要包括并联补偿电容器和同步调相机，由于并联补偿电 容器简单经济、方便灵活目前已逐步取代同步调相机，但是目前在我国电网仍然 有一部分同步调相机在运行。 ( 1 ) 同步调相机 同步调相机相当于没有原动机或者空载运行的同步电动机。通过控制励磁， 它可用于发出或吸收无功功率；通过调节电压调节器，它可以自动调节无功功率 重庆大学硕士学位论文2 变电站电压，无功控制特性分析 输出以保证恒定的端电压。 同步调相机在过励运行时，作为无功电源向系统供给感性无功功率，能提高 系统电压；在欠励运行时，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷的作用，可 降低系统电压。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励运行的最大容量只 有过励容量的5 0 - - 6 5 。装有自动调节励磁的同步调相机，能根据装设地点电压 数值平滑改变输出或吸收的无功功率，从而进行电压调节，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，这 是其对系统有利的一面，但是调相机又是有机械惯性的旋转设备，与相同容量的 汽轮发电机组相比，惯量小，系统事故时，其行为对电力系统稳定的利弊与电网 结构有关，当电网结构较强且受端系统容量大时，调相机对系统稳定有利；在电 网结构单薄( 如大系统单回线长距离向一地区送电) 时，系统受端中调相机的摆 动对地区系统会有不利的影响。 同步调相机的有功损耗较大，一般为额