电压品质控制无功优化策略——基于无功功率优化补偿

1、近年来，我国电力工业持续发展，高压输电网络不断扩建，中国的高压输 电网络已经成为了世界上最大的电力传输网络之一。另一方面，企业、社会机 构等对电能质量的要求乂在逐步增高，对提高电网质量的重要指标无功功率的 要求也越来越严格。电网无功功率不平衡会导致系统电压波动巨大，造成严重 的电气设备损坏，甚至导致系统电压崩溃。无功功率是建立交变电磁场所需要 的功率，虽然必须存在，但过高的无功功率会降低电网的运行效率，增加电网 运行成本，不利于能源节约。为了解决电网运行中因无功功率存在而产生的问题，人们一直在寻找各种 方法对无功功率进行优化。木文首先分析了无功功率优化补偿的原理，通过研 究各种电力系统无功补偿

2、方法，针对城市电网的特点，设计出了电压品质控制 无功优化策略。该策略使用了改进区域图法进行电压品质控制，括增加防振 小区、考虑电压越限、引入参考变量等手段。为了验证本文提出的优化方案的可行性，我们选取了公司所辖电网中的一变 电站进行了电压品质控制优化策略实践。根据实践中遇到的问题对城市无功优化 策略算法进行了改进研究，设计了基于变量计算和区域图法的电压品质控制策 略，最终给出了完整的软件和硬件实现方案，并在实验中证明了改进无功优化策 略对城市电网无功补偿的可行性和有效性。关键词：输电网络，无功补偿，电压品质控制，改进区域阁法。abstractin recent years, with the

3、continuous development of chinas power industry, one of the widest range of high voltage transmission network in the world has been formed in china. in the other hand，enterprises， business circle and the formation of society put forward higher requirements to power quality, at the same time also to

4、power grid reactive power requirement is becoming more and more strict. power grid reactive power imbalance will lead to huge fluctuation in the system voltage, will cause serious damage to the electrical equipment and systems voltage col lapse accident. reactive power is to set up an alternating cu

5、rrent magnetic field and the needed power. under the condition of the active power unchanged the existence of the reactive power will reduce power factor increases apparent power to need to increase the capacity of power transmission equipment investment and power loss increase operating cost convey

6、ing pressure drop larger against power of transmission lines and the reasonable application.in order to resolve the problems due to the reactive power in power grid， people has been looking for appropriate optimization strategy to compensate reactive power. in this paper, we analyze the basic princi

7、ples of compensate reactive power. by studying the various power system reactive power compensation strategy, aiming at the characteristics of urban power grid reactive power optimization strategy, we design the vqc method on the basis of theoretical analysis, researching and designing the transform

8、er substation of reactive power compensation optimization scheme. we also introduce intelligent optimization algorithms into our optimization procedure to improve the final result.for examine the feasibility of our optimization strategy, we select a transformer substation and use the optimization me

9、thod to compensate its reactive power. based on the problems which we encountered in practice, the urban power grid reactive power optimization strategy is modified. the vqc strategy based on variable calculation method and regional figure is also designed. finally, the complete scheme both on hardw

10、are and software is given, which is verified by feasibility and effectiveness in urban power grid reactive compensation.keyword : power transmission grid, reactive compensation, vqc, improved zone diagram method.第1章绪论1.1选题背景和意义世界上大约30%的主要能源，如煤、油、水和风等都能用来产生电力。我 国规定，国内传输电能的基木上都是50hz交流输电1。电力无功质量是要考虑 电力

11、系统的设计和运行的一个重要因素。最主要的原因，在以下几个方面：(1) 由于各种不可再生能源资源的减少，燃料价格上涨，电力系统的效率 有待提商；(2) 由于社会的进步，各种高端电子设备的制造和使用，电能质量的要求 越来越高。(3) 扩展己被限制的电力传输网络；(4) 水利发电，风力发电与核能发电都需要远距离传输，这种远距离传输 稳定性和电压控制问题，需要加以解决；(5) 直流输电系统的逆变器2中的ac侧的无功功率控制的应用程序的要 求。在实际电力生产中，对一个给定的电力分布，当无功潮流最小时，可以降 低系统的能量损失。而要实现无功潮流最小则需要使用无功功率流动和转移控 件'在电力系统中电

12、压是关于测量功率质量的最根本的和最重要的指标之一。 为了确保电源系统在一定范围内正常运行，电源电压必须是稳定的4。电压控 制是电力系统的无功功率控制的重要途径之一。各种研究己表明，威胁到电网 安全存在的主要问题之一是缺乏的无功功率补偿容量5_6。在电力系统中，影响系统电压稳定性的因素有很多，如负载的增加，发电 机或线路发生故障，无功功率不足，缺乏协调ultc之间的动作、控制和保护不 到位等7。但是缺乏足够的无功功率(尤其是动态无功)支持负载是导致电压 不稳的主要因素:8。因此，无功规划必须是在反应交替系统电压的稳定性的前 提下提出的9。电力市场正式形成的早期，大部分的无功规划都是从经济的角 度

13、来考虑的，但是这样做会导致电网安全运行性降低，对电网的影响很大。但 随着社会的发展，电力市场不断提出更高的要求，电网也在不断扩大，许多电 气设备的运行，不能满足日益增长的电网发展需要。任何情况下，电网中一点 事故的发生，都有可能产生连锁反应，蔓延到整个电网，造成电网电压不稳定 进而彻底崩溃。几年前美国纽约大停电事件就是最好的例子。因此，考虑到电 网系统的稳定安全运行，系统的无功功率必须得到合理的补偿。目前，电压稳 定约束无功规划随着电力市场的逐步成熟与发展己经得到广泛应用1°11。所谓的无功功率，是创建交流电力系统电磁场所需要的功率12。根据无功 功率公式q=sin巾iu，sincp

14、: q / s,当有功功率不变，无功功率增加时，会 改变视在功率。视在功率增大，品质因数就会下降；保持电压不变时，电流还 会随之增大。品质因数下降时，就增加了功率损耗。为了输送相同的能量需要 更大的功率输出，这就需要增加设备的传输能力进而提高电力运营成木。另一 方面随电流的增大，线路木身的损耗也会增加，这就会提高线路的故障率。对 电力系统中无功功率的危害，人们很早就有认识，并开始通过各种无功补偿的 做法解决此问题。无功补偿研宄对加强对电网的稳定性和可靠性起到了至关重 要的作用13。城市电网电力系统输电线路的设计能力在不断提高，但随着设计规模的增 大，大规模电网与电网稳定运行间的矛盾益尖锐，对无

15、功功率合理补偿的要 求也日益迫切。无功功率补偿的基本要求是，无功功率补偿能够连续可调，能 够做到在某个特定的时间点保持恒定的电压，从而保证了电网无功功率的平 衡。141无功功率补偿是否合理，直接关系到客户的电力供应的质量。合理的无 功补偿，不仅可以提高电力系统的功率因数，减少传输设备的磨损，而且对进 一步提高系统的负载能力，提高供电质量有相当大的作用。尤其是在大规模远 距离输电的今天，无功功率补偿是一个值得研宄的课题15。由于无功补偿装罝在电力系统中占有重要的地位，它对提高电网和电力系 统暂态稳定的质量具有积极的作用。另一方面确保电网安全可靠运行和电力基 础设施投资合理同时实现也是一个至关重要

16、的命题。所以在投入使用无功功率 补偿设备时应同时考虑到安全因素和经济因素，这就要求我们寻找一种经济、 快速、有效的方法来实现无功功率补偿16h7。1.2国内外研究现状多年来，国内和国外学者对电压和无功功率控制问题做了大量的研宄，并 积累了丰富的操作经验，得出了多种分析算法，经历了从手工控制电压和无功 功率，到单高压变电站的无功功率集成控制，再到使用集中控制无功功率的变 电站。现在己经发展到了在一个分布式体系结构的基础上进行分层协调控制的阶段。在不同的国家和地区许多电压和无功功率控制装置已投入使用。在电网中可以实现无功功率补偿装置有以下几种18:(1) 同步发电机。在电力系统中同步发电机是唯一同

17、时输出有功功率和无 功功率的装置。(2) 同步相位调节器。同步相位调节器与同步发电机有相同的运转速率, 可以产生一个无机械负载的励磁磁场，励磁磁场可以通过控制电路对电压进行 控制。当系统电压下降时，电容器激励运行感性无功功率补偿系统，以提高系 统的电压，当系统电压升高，同步相位调节器励磁机制会激励运行感性无功功 率吸收系统，以降低系统电压。因此，自动励磁同步相位调节装置可根据无功 功率输出的电压变化平滑的进行电压调节。当使用此装置时，就意味着在电网中采用了高压集中补偿，但是，因为它 是随电动机旋转的，其操作就十分复杂，维护成木高，响应速度缓慢而且会产 生大量噪音，很多情况下它是难以满足需要的。

18、(3) 并联电容器。并联电容器自动开关装置可以根据电网的无功功率大小 自动将电容器并入或移出电网。当无功功率源没有大于上限时，电容器开关是 关闭的；当无功功率为小于下限，电容开关分闸；当总线电压异常时，电容器 开关锁定；当总线电压大于上限设定值时，电容器移除；总线电压小于丁限设 定值时，电容输入。电容器作为无功功率补偿设备，具有结构简单，经济，方便的优势。调节 作用与同步相位调节器类似，其成本却远低于后者。(4) 并联电感器。并联电感器自动开关装置的工作原理与并联电容器自动 开关装置的工作原理是相对应的，它等价于在电网中补偿负电容。相对于并联 电容器的灵活性(如可在变电站中设罝补偿装罝)，并联

19、电感器属于高压长线路 补偿，在使用中我们必须考虑访问难易程度、谐波因数等诸多问题。当电容器 组的容量需产生比较大的变化冰能达到补偿无功功率时，可以选择电感器与电 容器并联混合自动控制开关，增加系统的调节灵活性。(5) 静止无功补偿器。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛 应用，无功功率补偿已经进入了静止无功补偿阶段。静止无功补偿器分为电容 受控补偿器和电感受控补偿器。他们都是由大功率半导体器件制造而成，在电 网高压控制节点将它们连接到电网，就能够连续快速地控制无功功率，即通过 快速响应补充或吸收无功功率，且苏可以同吋降低电压和电压波动。然而，由 于国内高压功率元件使用有限，高压无功补偿

20、设备尚不能全面推广。常见的无功功率补偿方案：无功补偿方案通过无功补偿，建立合理的电网功率分布，可以有效地维持系统的电压水 平，降低网络损耗，提高网络传输容量，降低发电成木。基于电力网络的分布 情况，在无功补偿时，应选择不同的补偿方案3。a）变电站集中补傍一条传输距离较短、负载较为集中的线路，负荷率较高，对于这种线路， 一般采用变电站集中补偿。采用这种方案补偿时，其补偿设备通常安装在变电 站的10kv母线上。用这种方法进行补偿，设备易于管理，方便维护。对相对较 小的电网，有很好的减少损失功率的作用。b）低压补偿低压补偿一般使用在380v的配电变压器上。操作时根据用户负载电容水平 的波动，通过电脑

21、控制几十法到数千法的电容器并联入电路来跟踪补偿。这样的补偿方案可以提高专用变压器用户的功率因数，无功功率就地平衡, 有利于减少功率损失，并保证用户端电网和配电变压器的电能质量。c）高压补偿这种补偿设备通常安装在户外10kv架空线路杆上，也采用电容并联进行无 功补偿。以提高配电网功率因数、减少电能损失和提高电能质量为目的。因为 在电网屮有很多变电站和发电厂，进行无功补偿时要做到互相之间配合合理， 否则就因为相互之间补偿不同步而产生很多问题。为丫提高效率，降低网损， 使用合理的程序进行控制无功补偿是绝对必要。因为这样的补偿设备往往安装在较偏远的地区，它的维护和安装成本都是 很高的，所以极无功补偿必

22、须结合实际情况设计合理。此方法补偿效率高，一 般适用于低功率因数和负载较重的长配电线路。d）用户终端的分散补偿用户终端的分散补偿是把一些较大电容安置在用电客户的客户端根据需要 进行补偿，以补充经常使用设备的设备负载。国内低压用户的大幅增长，尤其 是企业、工厂、矿山的耗电大户的增加，直接导致无功功率不能达到要求。采 用这种无功功率补偿方法，可以根据需要将随机进行，以达到降低网络损耗， 保持电网电压等级的目的。1.3本文主要工作随着城市电网的不断扩大和无功补偿技术趋于多样化，在实际进行无功功 率补偿时，我们会遇到很多问题，这些问题都需要我们通过思考逐步解决。本 文在进行无功补偿方面考虑的问题包括：

23、（1）优化无功补偿往往只专注于用户侧的电源配置，从整个电网的角度来看，这样做有时候会造成比较大的电能损失，所以要研究最优补偿方案。(2) 补偿所依据的数据并不十分准确。目前我国城市电网的网络参数测量 设备的配罝不是很齐全，再加上工作人员的技术水平参差不齐和功率流量大等 因素，这就造成了我们获得的测量数据往往会产生一定的偏差。(3) 并联电容自动补偿装置就等于在电网中加入了一个新的电容器，而电 容器的加入往往会产生谐波，谐波的振荡会缩短设备的使用寿命，对电力系统 的稳定运行也会产生隐患。(4) 用电容器进行无功补偿，容易造成无功倒送，导致负载降低，使电力 系统的亏损加剧，增加输配电线上的负担。所

24、以，人们期待拿出有效的补偿 方案，以改善缺陷。木文通过对补偿系统的分析，研究了一些传统的补偿控制策略。传统策略 主要涉及根据变量计算控制补偿方案。此外，在提高变电站自动化水平，降低 网络损耗，探索区域电网电压和无功功率控制应用方面本文也有所涉及。本文的结构如下：第一章首先介绍了无功功率补偿方面研究的现状和一些无功功率补偿的方 法和器件，并给出了本文的研究主题。第二章对无功补偿理论进行了分析，包括补偿容量的标准计算，无功补偿 策略分析和裨能优化算法与智能控制技术在无功功率补偿中的应用。第三章介绍了基于变量分析的vqc策略，vqc策略也是本文研究的重点和 主要使用的方法。第四章给出了用区域图法控制

25、vqc的方案。首先分析了传统的九区图法的 原理与使用中存在的缺陷，之后，木文给岀了几种改进区域图法的方案，并应 用其于我们的vqc策略中，进行无功功率补偿的研究。在第五章中，我们基于一座变电站，提出了一种具体的基于vqc的电力系 统无功优化补偿方案。方案包括硬件和软件两部分。最后我们评估了此方案的 实际效果。第六章是全文的总结。总结本文研宂成果的优缺点，并对未来此领域的发 展和研宂方向进行了展望。第2章无功补偿控制策略分析为了提高电压质量，降低线损，变电站普遍配置了无功补偿并联电容器和 有载分接开关，抑或配置了能根据负载变化自动调整功率与电压的集成并联电 容器补偿设备。如何自动调整变压器设备和

26、并联开关电容器组，目前还没有统 一的国家标准的。传统的固定边界监管标准，虽具有一定问题，如可能导致频 繁切换，降低设备的使用寿命，容易造成过度填充和填充不足。但由于其使用 成熟，且是一种稳定的控制准则，因此，此标准被广泛地应用于国内众多补偿 装置。2.1无功补偿容量标准的计算在交流电力系统屮，必须保证充足的电力供应，以维持电力系统的电压电 平及稳定运行，同时可补偿由于用户的用电质量降低导致的电网的功率的损失。 因此，为使电能质量条件得到满足，如何配置系统的无功功率补偿的能力是非 常重要的。确定补偿容量的方法是多种多样的，下面就来介绍几种方法来确定 补偿容量2。(1) 确定补偿容量，提高功率因数

27、。如果电力网最大刀负荷的平均有功功率为什，补偿前的功率因数为cos4> /，补偿后的功率因数为则补偿容量用下面公式计算：或者写成有时需要将fos必提高到大于cos小2,小于cos(1) ”则补偿容量应满足下 述不等式：式中a:所需无功补偿容量，单位：kvar； a：最大负荷日平均无功功率， 单位：kvar； pyz最大负荷平均有功功率，单位：kvar； cos(t>:最大负荷口 平均功率因数。cm必的确定必须适合。通常，将功率因数从0.9提到1所需的补偿容量与 将功率因数从0. 72提高到0. 9所需的补偿容量相当。因此在高功率因数下进行 补偿其效益将显著下降。这是因为在高功率因数

28、下，6*09必曲线的上升率变小。 因此提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。(2) 根据线损来确定补偿容量线损是电网经济运行的一项重要指标，在网络参数一定的条件下，其与通 过导线的电流平方成正比。如设补偿前电力网的电流为7，其中有、无功分量 分别为l和tm则:若补偿后，电力网的电流为厶，其中有、无功分量为4和ar,则：补偿前的线路损耗为：补偿后的线路损耗为：则补偿后线损降低的百分比为：由于在补偿前后，电流的有功分量不变，故有：综合式（2-6）、（2-7）、（2-9）可将（2-8）化减为：故在用此方法确定补偿容量时，首先根据需要获得线损的指标和再由式（2-8）、（2-10）计算出cosh，然

29、后代入式（2-2）即可得到要补偿的 容量。（3）由提高运行电压要求来确定补偿容量 在配电线的下端有一些作为负载的细金属丝，通过其可获得工作电压，当需要提高其工作电压时，可以通过安装的补偿电容来实现。这就提出了一个按 提高电压的要求，选择补偿电容容量的问题。此外，在电网的传输线路上也可 能会安装电容来补偿电压，为使电压补偿满足约束条件，也必须分析电容补偿 的方法。在补偿之前，在网络上的电压表示如下：补偿之后，电源电压不变，母线电压升为则网络电压表示如下：则补偿后电压增量为：&u=u3-u2=qcxiu3 所以需要补偿的容量为：式中：仏：投入电容后母线电压值。g投入电压后母线电压增量。 则

30、三相所需总容量：式中仏线电压增量。线电压。故在用此指标来计算补偿容量时只需知道了补偿后的电压和电压增量就可 计算补偿容量。2.2无功功率补偿控制标准介绍（1）功率因数控制标准2qi跟据功率因数的大小补偿电网的无功功率是传统的补偿方法之一，此方法 是以功率因数作为一个控制信号，控制并联电容器的开关动作。然而，功率因 数是有功功率与总功率之比，不能反映特定电网的无功功率需求。当负载很低， 功率因数可能是较低的，但此时无功功率并不是很大，而较小的无功功率变化 就会导致功率因数发生较大的变化，系统此吋会根据功率因数的变化进行补偿 动作，这就导致补偿动作频繁，严重的甚至会造成开关振荡。当负载高时，无 功

31、功率己近很大，但功率因数可能不会太低，此时乂会岀现系统反应不足，从 而引起的无功功率补偿不及时。因此，使用功率因数无功补偿控制常常会导致 补偿系统反应过度和补充不及时的问题。(2) 母线电压控制标准其原理是通过检测总线电压确定对电网的无功补偿。使用这样的标准时， 要考虑电容器对开关切换的影响，否则它会导致开关频繁切换的现象21%。电 网的有功功率波动一般小于电网电压，电压波动主要是由于无功功率的波动而 引起的。因此，一些枢纽变电站的电压要求十分严格，用总线的电压电平作为 变电站无功自动调整的标准，而不考虑无功功率平衡的原则。这种控制策略相 对简单，但很难做到无功平衡。(3) 总线电压和昼夜时间

32、复合控制标准其原理是基于变电站日负荷运行曲线来决定补偿量，每天的负载被分为多 个负载区间，根据在不同的负载区间对电压和无功功率的要求，编写补偿程序， 调整对变压器分接头和并联电容器切换的控制。这种控制策略的优点在于：各 种的补偿装置的动作频率稳定，并且在反应控制器方面不需耍专门的硬件和软 件开销。它的缺点是：这样的控制装置只适合于在口常生活屮负荷规律变化量 相对稳定的变电站，当对母线电压和无功功率进行特殊补偿时，必须进行相应 的调整。当负载由于季节和天气因素造成随机变换时，它可能会出现控制不当， 导致的负面影响。(4) 总线电压和功率因数复合控制标准其原理是将检测到的初级变压器的功率因数和母线

33、电压同时作为控制参 数，综合分析后，确定对变压器和并联电容器的连接器进行调整。这种控制策略的实施有两种形式：第一种是以母线电压为主，功率因数作 为补充。也就是说，只耍电压需要调整，就不考虑功率功率因数的问题。而当 电压出现故障时，通盘考虑母线电压和功率因数两个因素进行电压调整。另一 种是总线电压和功率因数为两个并行的标准，即使电压是在适当范围之内，如 果功率因数出现问题，也视为满足操作条件，并对变压器抽头进行操作，并联 入电容器。第一方案，对无功功率补偿反应慢，会导致无功功率补偿无效；第 二方案，偶尔会使两个平行的标准相冲突，从而会导致频繁移动设备的现象出 现。(5) 母线电压和无功功率控复合

34、制标准对母线电压和无功功率的操作分为9个区域，在不同的区使用不同的控制 策略，是一种利用负载丝和并联电容器综合调整母线电压和无功功率，将其控制在各自允许的范围内的手段。然而，由于使用一组固定的值作为边界区分， 某些情况下，存在频繁移动的问题。总之，各种控制标准有各自的优点和缺点。总体来说，无功功率控制，应 确保电压在合理的范围内，同吋实现对无功功率补偿进行稳定反应，防止开关 振荡。因此，应根据具体的情况，综合应用各种标准，以实现更好的补偿效果。2.3几种不同的无功补偿策略的分析（1）同步调制无功补偿同步相位调制法是电能产生初期使用的一种补偿方法，采用这种方法不仅 可以进行固定的静态无功补偿，而

35、且能够进行实时的动态无功功率补偿24。它 的作用原理是通过电压监测反馈装置控制励磁改变内置的电压调节器两端的电 压，进而改变无功功率，保持无功功率的大小恒定。它的特点是：动态调整被 是动的，可作为早期的无功功率补偿方法，一些调峰电厂仍在使用。这种方法 的缺点是运行时会产生较大的功率损失和运行噪音，设备保养过程较为繁琐， 动态无功补偿响应速度比较慢，不能满足复杂电网无功补偿安全、快捷的要求。（2）并联电容器无功补偿静态无功补偿电容器能在一定程度上满足的无功容量的短缺。它的使用方 法也十分简单，就是将其并联或串联于目标电容器的两端，通过改变电网系统 的参数如功率流，波阻抗，输入阻抗等来实现功率补偿

36、。使用这种方法具有显 而易见的优点，如使用方便，维护成本低廉等等，特别适用于高功率远距离传 输的无功功率补偿。它的缺点是不能进行快速、动态的实时补偿，特别是在春 夏交界这种需要频繁更换补偿电容的吋节，用人工手动更换电容十分不便。因 此静态电容补偿不适用于电网复杂或负载变化频繁的情况。（3）静止无功功率补偿（svc）静止无功补偿器（svc）分为三种：晶闸管控制电抗器（tcr）、晶闸管控制 电容器（tsc）和同时具有晶闸管控制电抗器与晶闸管控制电容器结构的补偿器 件25_261。通过安装电压监测设备控制快速开关晶闸管来调节系统的电容和电抗 来完成释放和吸收无功功率，使无功功率、反馈电压保持在一定的

37、水平。svc 的方法的优点是：使用半导体器件，可以根据系统状态进行连续地实时调整无 功功率。其响应速度快，可适应负荷改变范围大。它的缺点是容易产生较大的 谐波电流，会造成电网的短期波动，从而影响电网的电能质量。另外相对电容 器其成本也较高。（4）静止同步无功功率补偿（statcom）静止冋步无功补偿器（statcom）是一种新型的无功补偿装置。它实际上是 一种柔性交流输电设备。statcom的应用大大提高了电力系统的可靠性，安全 性和稳定性。它的性能优于svco statcom通过注入和补偿电流大小相等方向 和反的电流，同时实现无功功率补偿，谐波消除和对输电系统三和对称性的改 善，因此可多层次

38、有效改善电能质量。此外，statcom相对svc具有更小的体 积，更良好的无功功率调节特性和调节范围宽宽度，总体性能优于svco在实 时调整、动态特性、及时性等方而也是最好的调控器件。目前，许多国外发达 城市采用了此种无功功率补偿器件。但对于我国其使用和维护成本过高，难于 大面积推广27_29。(5) 无功补偿电压品质控制策略(vqc)vqc是一种新型无功功率补偿控制策略。通过综合自动化系统监测电网实 时状态，通过改变变压器抽头档的方法调整电容器的接入电容以达到控制补偿 量的目的。这种方法还可以根据不同时间、不同地区的特点进行策略优化，以 进行实时调整，最大程度的减少的人力和物力资源的投入，以

39、最大程度地实现 资源的优化配罝。vqc策略与scada系统和结合，是调动自动化发展的最新趋势30-31在表2.1中，我们对几种补偿方案进行了比较。通过整体性能的比较，我 们可以看到，vqc无功控制策略的综合性能最优，所以我们选择vqc作为电网 无功补偿的最住解决方案。表2. 1各种无功补偿的综合特性比较2.4智能控制技术在变电站vqc屮的应用近几十年来智能控制学科(伍括专家系统，人工祌经网络，模糊控制，学 习控制，基于遗传算法的控制理论等)快速发展，其应用己经进入了各个领域。 当然，尝试将智能控制技术应用于变电站电压的无功控制也己经展开。2.4.1基于专家系统智能控制技术的变电站vqc专家系统

40、(es)是人工智能领域规模最大的应用分支之一，它集合了许多 规则，规则的1f-then结构，明确表达了对外界条件变化的反映。一般专家系 统由三部分组成：控制机制，推理机制和知识基础，控制机制决定策略控制过 程，逻辑推理用于将控制机制和知识基础进行匹配，知识基础包括事实，决定, 规则，经验和数学模型等。控制机制和知识棊础往往以数据库的形式存在，可 以通过数据积累的方式培加控制机制和知识基础，进而达到增强系统能力的目 的。由于在电压和无功功率控制领域，工作人员长期积累的经验和知识在实际 操作中是非常重要的，应用专家系统可以很好的将这些经验和知识固定化，提 高电压和无功功率控制的效率。例如，在文献3

41、2中，提到了一种三主变变电站模型，该变电站具有主接 线双母线带旁路。该变电站的操作就是建立在一套专家系统之上的，该变电站 具有180多条建立在知识基础之上的规则，而且知识数据库也十分易于管理， 能够很方便的增加、删除和修改知识。推理引擎使用具有前瞻性的分层次的推 理策略，每个规则都是在与知识基础相匹配的前提卜*建立的，一旦匹配成功该 规则就会添加到数据库，作为新的操作标准和推理基础。该电压和无功功率控 制专家系统由c语言设计，建立的软件系统冇很好的适应性，当该系统的健康、 网络结构等发生变化时，只需要修改部分的知识的基础上就可以完成对新变化 的适应。目前专家系统的发展方向是釆用更智能的分析推理

42、方式，如将模糊控制引 入专家系统。文献33就提到了一种用模糊专家系统控制500kv变电站无功功 率补偿的方法，该方法利用模糊推理算法来解决模糊边界的限制电压问题，使 用专家系统控制变电器的接入电容。这样不仅提高了控制系统的性能，并减少 丫控制装置的动作，延长了设备使用周期。2.4.2基于人工神经网络智能控制技术的变电站vqc人工神经网络（ann）控制系统是一种类似人类屮枢神经系统的控制系统。 它可以模拟人类大脑的控制能力、自适应能力和学习能力。神经网络是一种依 赖模型的自适应函数估计，当给定的输入与初始经验相符或不相符时，神经网 络可以给出适当的输出，并具有泛化功能。神经网络具奋强大的非线性映

43、射能 力、并行计算能力、自学能力和较强的鲁棒性、容错性，它广泛应用于控制领 域。使用人工神经网络最广泛的主题是电力系统负荷预测，文献34就属于这 方面的例子。文献35和36都提出了基于人工神经网络的方法，来实现变电 站无功功率和电压的控制集成。文献37则利用了人工神经网络解决了在实际 运行中变电站电压和无功功率控制器动作频繁波动的问题。2.4.3基于模糊逻辑控制技术的变电站vqc模糊逻辑控制（flc）或模糊控制（fc）是一种模仿人的控制经验的控制方 式。这种控制方式不依赖控制对象的模型，适用于不确定对象控制，多r标对 象控制和复杂系统控制等领域。文献38提出了一种用于集成控制电容器的投切负载丝

44、锥调节的模糊控制 算法，但模糊规则的组织都比较简单。在电压、无功功率双输入双输出模糊控 制器设计上就采用了一种较复杂的一阶模糊控制结构w。模糊控制的缺点是 规则制定的主观性强，为了解决这一问题，有人引入了可变规则的模糊控制装 置41，但这又增加了算法的复杂性。2.4.4基于遗传算法的变电站vqc遗传算法（ga）是一种迭代自适应概率搜索方法，它基于自然选择和自然 遗传机制，模拟自然生物进化的发展规律，可以对一个人工系统进行优化，以 达到特定的目标。遗传算法被广泛应用于电力系统的优化解决方案，如无功功 率优化、电力传输网络规划和电力市场竞价机制等。文献42和43应用遗传 算法解决变电站电压、无功控

45、制的基本思路是：首先，用染色体编码控制量， 二进制码编码电容器组，主变压器抽头整数编码。以变电站的电压和无功功率 的综合控制为目的，也就是找到一组适当的抽头档位，使无功功率补偿和低压 侧的母线电压尽可能接近理想值，通过主变压器的无功功率尽可能小。之后用 软件模拟染色体配对、变异过程，最终得到优化解，即电压与补偿的合理值。 文献44在短期负荷预测的基础上，使用遗传算法，对一个变电站的无功功率 和电压的最优控制策略进行了优化，文献研究的结果表明，在时效性和鲁棒性 方面，其全局最优解优于传统的方法（采用了 17个区域图）。第3章基于变量计算的vqc策略首先介绍和分析传统无功补偿的标准，之后分析无功补

46、偿综合控制策略， 说明其存在的问题和形成这些题的原因，最后提出了基于变量计算的vqc策略 的控制系统。3. 1 vqc策略原理为使电力系统良好运行耍保证w个目标：保证供电质量和降低系统损耗。 保证供电质量就是为用户提供优质电能，电能质量指标包括：电压幅值、谐波 分量、频率等等。其中电压幅值是一个非常重要的指标。实际中一般采用电压 合格率做具体考核指标。系统的损耗是指在电能传输的过程屮，由电流经过导 体产生的能量损失。理想状态下，导体不传输无功功率，系统损耗最小。具备冇载调压机构的 变压器通过改变高压侧绕组的导体数量，可以调节中压侧、低压侧的电压来实 现调节电压的0的。电容器、电抗器等无功电源，

47、则可以实现平衡无功的0的， 减少电能传输带来的损耗。而事实上，电压与无功的调节是相互影响的，所以 对其控制存在着如何实现最优化的问题45。对电压和无功的自动控制有两种实 现途径：（1）通过调度中心集中控制：这种方式是根据全网的运行状态进行优 化计算进而得出最优解。它的优点是可以得到全网最优的调节方式，并且可以 考虑安全性等约束。缺点是就目前电网的实际来看，由于结构的合理性及各厂 站自动化水平等的层次不齐，实现全系统的电压无功控制在技术和分析手段上 都难以满足，使得该方法离实用化还有一定的距离；（2）通过就地调压无功补 偿分散控制：这种方式以变电站为单位，进行本地控制。它的优点是原理简单、 实现

48、可靠，己在实际当中得到了广泛的应用。它的缺点是由于仅考虑本站的数 据，只是局部最优，不能实现全局范围内的优化。由于电压与无功的调整需要 经常进行，如果采用人工调节的手段，一来靠人为判断很难做到最合理的调节; 二来会大大增加值班员的工作量，尤其是实行无人值班的变电站更不方便，所 以利用电压无功自动控制设备是实现电压和无功就地控制的最佳方案。变电站综合自动化系统电压无功综合调节主站（简称vqc）是在吸收w内 外同类产品特点的基础上幵发的新一代变电站层电压无功自动控制软件，适用 于各种电压等级的变电站，可同时控制13台有载调压变压器的分接头和 148组无功补偿电容器或电抗器（以下都简称为电容器）的投

49、切，在保证电 压质量的前提下尽量减小供电网络的线路损耗46。3. 1. 1 vqc综合策略控制原理基本系统接线图如图3-1所示，to为系统电压；m、仏为变电站主变高 低压侧电压，ft为负荷电压，八，ft分别为负荷有功和无功功率，a7为变压器 变比，ft为补偿无功功率，此，兄，x.分别为线路阻抗参数，沁，厶为变压 器阻抗参数。图3. 1变电站等值电路图 调节有载调压器的变比：由于/2=&为可控变量，当负荷增大，降低a7以提高仏，从而以提高仏 k,来补偿线路上的电压损耗，反正亦然。改变电容组的数目：当投入电容量价后，有：比较以上两式可见价的改变会影响系统中各点电压值和无功的重 新分配，当负

50、荷增大，通过降低从系统到进站线路上的电压降zitt以亦可增大 ut2,以抵消的增大。投入价后网损为：可见网损随!22=（!22-么）2,即主变低压侧无功功率的平方而变化，在 输送功率一定的情况下，込越小，网损越小。理论上，当什0吋功率损耗最小， 因此，对于简单的辐射形网络，提高功率因数是降低网损的有效措施。3. 1.2 vqc系统运作原理基本电压无功综合控制系统vqc设备连接原理如图3. 2所示图3. 2基木vqc设备连接原理图3. 3 vqc基本无功九区控制策略图变电站目前使用的的vqc集成控制是一系列基于微机控制技术的电压和无 功综合控制装置，能有效地调节系统电压和无功功率的平衡，以减少每

51、天的人 员來操作，它具有实时性、准确性、速度快的特点。vqc的实现是基于传统的 九区图或改进九区图实现的。vqc基于九区图的控制策略如图3. 3所示。实现vqc的计算流程如图3. 4所示，而表3. 1给出了无功控制方案。图3.4 vqc计算流程表3. 1无功控制方案使用母线电压和无功功率控制电压对变电站主变压器高压侧电压和目标端 电压综合调整，确保电压在可接受的范围内，实现基本的无功平衡。为综合控 制电压和无功功率，应给电压与无功功率设置上限和下限。目前城市电网规模 巨大，对功率的要求也比较高，调整方法也比较复杂，因此一般将9区扩大为 17个或19个分区，如图3. 5所示。图3. 5域区典型v

52、qc控制策略图vqc要求，总线电压应控制在指定的电压上限和下限之间，此时无功功率 也应确保合格。若电压处在合格范围而无功功率不能合格，则以保证电压优先。 综合控制策略如表3. 2所示。表3. 2 vqc扩展策略表3.2基于变量计算的vqc策略基于变量计算的vqc策略是根据变压器的电流与电压方程，通过计算来确 定投入的电容器组数和变压器抽头档位的改变量，并根据这两个量做出相应的 控制反应。vqc的基本控制目标：指定主变压器的低压侧母线电压处于上限和 下限之间，高压侧功率因数尽可能接近1。恒定功率变电站负荷模型如图3.6 所示。图3.6系统等价电路设压变比a不变，为维持主变低压母线电压在规定的范围

53、内，由式 （3-3）可得式（3-4）其中：这时电容器应投入组数为：式中：尽为一组电容器电纳。由于电容器组数n为非负整数，因此需要对式（3-6）的计算值进行取整处 理，分以下三种情况讨论：若/7/0,则取/?尸0,此时。若0</7y</a则按小方向取整，此时bcnboo 若z7，历，则取/7,二/7，b产mb0。m为电容器组数。按上述方法求取的电容器组数仅能保证主变低压侧母线电压合格，并不能 保证主变高压侧功率因数满足规定的要求。一般要求主变高压侧功率因数/ 应满足0.91，考虑到调档对高压侧功率因数的影响甚微，因此可在计算中增 加一个无功标准：而认和八的计算式为：根据式（3-6）按

54、四舍五入法求取电容器组数/?,然后以（3-7） 为标准检查/v%若满足式（3-7），则电容器组数不变；若小于0.9,则增加， 如果是小于0,则减少。每次增加或减少一格电容，直到满足条件（3-7）。确定电容器组数后，再考虑变压器抽头档位的调节。将式（3-3）整理成 关于压变比的方程（取和鴻，uu2c ）：式中，由（3-9）可得计算压变比a的公式：按式（3-11）计算得到的压变比应取做最近似的可能压变比。主变低压侧母线电压一般都有一个允许的变化范围，即当电压处于u2l （ u 下限）和& （v上限）之间都被认为是合格的。在假设已有压变比a不变的情 况k,可将h私仏尸&分别代入式（3

55、-4）和式（3-5）求得电容组数的上 限和下限队和山。再将h仏尸&和/?,、/7,分别代入式（3-11）求出对应 的实际压变比的上下限么和。根据变压器压变比定义，可按式（3-12）将计算得到的压变比久.转化为计 算档位tap，式中：仏m为主分接头电压；为变压器低压绕组额定 电压；bp为变压器分接头和邻两档的档距。为保证电压在允许变化范围内，按照压变比越大（越小），低压母线电压 u2越低（越高）的基本规律，选取k!人tap!）和kataph。求kl、t即!）: u2（:u2l，选取的mba）应略小于/（zp、/）。求（tap. u2c:u2h，选取的么（tap应略大于/ tap）。显然，

56、用上述方法计算电容器组数和压变比较为繁琐。对于llokv电 网，在不计电压降落横向分量和全网电阻的情况下，可按式（3-13）推导出/?7 和a,的近似计算公式（3-14）和（3-15）第4章基于区域图法的vqc策略4.1九区阁电压无功控制策略使电压和无功功率均能满足要求的控制属于一种复杂的双参数控制，因此必 须引入自动化程度较高的vqc系统来完成。vqc控制策略，除了可以满足变电站电压调节和平衡无功的要求外，还能最 大限度地减少变压器有载分接开关和电容器组的动作次数，使整个系统正常运 行。传统的九区图电压无功控制策略，是按照固定电压和无功功率的上下限将电 压和无功功率平面划分为九个区。vqc控

57、制装置根据电压、无功、时间、加载速 率、交换信息、有载分接幵关抽头齿轮和电容器组投切幵关状态及其他多种因素 进行综合判断，依照这些实时数据来确定当前所处的工作区，再根据控制策略， 依靠变电站就地投切并联电容器组或调节有载分接开关，使之运行进入正常的工 作区。在控制操作时做到以最佳的控制顺序和最少的操作运行步数，尽可能的接 近正常的电压和无功功率范围，使功率因数接近于1。图4. 1是一个九区示意图。图4. 1九区图4. 1. 1九区阁基本原理九区图是按照固定电压和无功功率、功率因数的上下限，将电压-无功平面 分为九个区域。如图4.1所示，v釆取的是变压器的低电压侧母线电压仏，釆 取的是变压器的高

58、电压侧无功功率么也可采取主变高压侧母线功率因数代 替认。当无功功率越下限时，表示变电站向电网倒送无功，此时的功率因数为超 前状态；当无功功率越上限时，表示电网无功不足，此时的功率因数为滞后状态。 变压器的分接开关的控制原则为：变压器的分接开关升档（降档），则母线电压 升高（降低）。并联电容器组的控制原则为：投入（切除）电容器组，母线电压 升高（降低），无功功率降低（升高），功率因数升高（降低）。一般情况下， 调节变压器的分接开关不会导致无功功率的变化。在九区图中，电压、无功功率以及功率因数的上下限可分别用仏、a、 qt,、pfh、pf!東示。根据vqc的控制要求，电压调整和无功补偿的投切应满足“提高电压合格 率”和“无功就地平衡”原则。即应该是调节主变分接幵关档位，使低电压侧母 线电压控制在上限和下限之间，确保电压合格。同时应该最大限度地发挥并容器 组的无功补偿作用，以降低电网的无功功率，使无功功率控制在合格的范围内。 如果不能同时使电压和无功功率满足耍求时，优先保证电压合格。九区阁特定