電網(wǎng)三級電壓控制模式研究VIP

1、電網(wǎng)無功優(yōu)化原則電網(wǎng)的無功優(yōu)化是在以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù)的前提下，通過優(yōu)化計(jì)算得到無功的最優(yōu)潮流，最優(yōu)無功潮流對于發(fā)電廠來說體現(xiàn)為最優(yōu)無功出力，對于變電所則是無功最優(yōu)負(fù)荷。無功優(yōu)化的結(jié)果規(guī)定了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化電壓，在此電壓下運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處于最優(yōu)無功潮流狀態(tài)。電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)原則是“分層分區(qū)，就地平衡”，即避免無功在線路中流動，實(shí)現(xiàn)無功的就地消耗和補(bǔ)償。將無功就地平衡作為AVC運(yùn)行的基本原則，實(shí)際上就體現(xiàn)了無功優(yōu)化的要求。當(dāng)不能實(shí)現(xiàn)無功就地平衡時(shí)，應(yīng)實(shí)施無功就近平衡的原則，無功就近平衡不是指在地理位置分布上的就近平衡，而是指無功在由電氣聯(lián)系比較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)組成的區(qū)域內(nèi)平衡。對于一個(gè)受控點(diǎn)來講，可以

2、通過電壓無功靈敏度分析的方法來確定離該點(diǎn)電氣距離最近的若干個(gè)無功可控點(diǎn)。按照電氣距離近的無功可控站點(diǎn)優(yōu)先調(diào)節(jié)的原則，依次調(diào)整其無功出力對電壓受控點(diǎn)進(jìn)行控制，就是無功就近平衡的體現(xiàn)。AVC在應(yīng)用電壓靈敏度分析方法時(shí)，充分利用電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)潮流數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)對任何一個(gè)電壓受控點(diǎn)列出對其進(jìn)行無功調(diào)節(jié)站點(diǎn)的優(yōu)先順序，這個(gè)優(yōu)先順序按照電氣距離離電壓受控點(diǎn)近者優(yōu)先調(diào)節(jié)的原則在無功可控點(diǎn)間進(jìn)行排序，然后按照這個(gè)順序依次調(diào)節(jié)無功電源，最終使得電壓受控點(diǎn)的電壓得到控制。由于電網(wǎng)的負(fù)荷總是在不停地變化，電網(wǎng)各個(gè)站點(diǎn)的無功平衡狀態(tài)可能隨時(shí)被打破，因此電網(wǎng)無功優(yōu)化必須不間斷地進(jìn)行。在電網(wǎng)無功優(yōu)化中，AVC系統(tǒng)將會把優(yōu)

3、化得到的各個(gè)站點(diǎn)的無功分量轉(zhuǎn)換成各個(gè)站點(diǎn)的相應(yīng)電壓，各個(gè)站點(diǎn)以此電壓為控制目標(biāo)協(xié)調(diào)該區(qū)域內(nèi)無功資源的出力，而不是直接將無功分量作為控制指標(biāo)下發(fā)給各個(gè)子站調(diào)整，這樣就避免了由各個(gè)站點(diǎn)不同工況、無功資源配置和其他調(diào)節(jié)引起的約束?？傊?，AVC采用的電網(wǎng)無功優(yōu)化技術(shù)重視的是最終的控制效果，而不是控制過程。只要各個(gè)站點(diǎn)的電壓滿足了無功優(yōu)化得到的最優(yōu)電壓控制目標(biāo)，自然會滿足全網(wǎng)整體無功優(yōu)化布局的要求，至于各個(gè)站點(diǎn)內(nèi)部無功電壓如何進(jìn)行調(diào)整，就由各站點(diǎn)當(dāng)?shù)氐腁VC子站系統(tǒng)的二級電壓控制來處理。地區(qū)電網(wǎng)電壓無功控制自動電壓控制（Automatic Voltage Control-AVC）是第27屆中國電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)

4、行會議上提出的現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度新技術(shù)的發(fā)展方向之一。電力系統(tǒng)的無功電壓控制是保證現(xiàn)代電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要保障，由于電壓與無功的關(guān)系密切，維持系統(tǒng)的電壓水平要通過安裝足夠的無功電源和無功補(bǔ)償裝置以彌補(bǔ)系統(tǒng)負(fù)荷的無功需求與傳輸線路無功損耗。而對電壓的控制也主要通過控制無功功率的產(chǎn)生、流動和消耗來實(shí)現(xiàn)。無功功率控制的原則是“分層分區(qū)，就地平衡”，即盡量減少無功功率在線路上的流動以避免由此引起的電壓質(zhì)量和電能損耗問題。合理地利用系統(tǒng)無功補(bǔ)償容量和調(diào)節(jié)能力，嚴(yán)格確保系統(tǒng)在正常情況下和故障后各中樞節(jié)點(diǎn)的電壓處于正常水平，才能保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變電站電壓無功功率綜合控制是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜的非線性

5、控制問題，受到了電壓、武功、時(shí)間、負(fù)荷率、負(fù)荷電壓靜態(tài)特性、運(yùn)行方式、OLTC分接頭檔位和電容器組投切狀態(tài)等諸多因素的影響，其控制規(guī)律難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述。7.1電壓控制的基本方式二級電壓控制原理二級電壓控制是分層電壓控制中最重要的一環(huán)，其主要任務(wù)是協(xié)調(diào)控制區(qū)域的無功電源和電壓控制設(shè)備，使得區(qū)域內(nèi)無功不向外部流動。二級電壓控制的基本概念二級電壓控制作為聯(lián)系三級電壓控制與一級電壓控制的中間環(huán)節(jié)，按照一定的協(xié)調(diào)控制規(guī)律，對區(qū)域內(nèi)各一級電壓控制裝置的控制器提供整定值，從而平衡系統(tǒng)的無功流動和電壓波動。二級電壓控制需要將整個(gè)電力系統(tǒng)按照電氣距離的遠(yuǎn)近劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，而二級電壓控制的目標(biāo)即是

6、這些分區(qū)之間電氣距離相對較遠(yuǎn)，近似實(shí)現(xiàn)了電氣解耦，從而使得無功更好地就地平衡。每一個(gè)二級電壓控制區(qū)域中都要選定一個(gè)中樞節(jié)點(diǎn)，中樞節(jié)點(diǎn)的選擇原則是該節(jié)點(diǎn)的電壓變化能夠反映整個(gè)區(qū)域內(nèi)所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓變化情況，而且當(dāng)整個(gè)區(qū)域的負(fù)荷電壓水平受干擾發(fā)生變化后，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓恢復(fù)可以帶動其他節(jié)點(diǎn)的電壓恢復(fù)至正常水平。整個(gè)二級電壓控制的目標(biāo)就是該中樞節(jié)點(diǎn)的電壓按照三級電壓控制層經(jīng)最優(yōu)潮流計(jì)算所分配的電壓參考值穩(wěn)定運(yùn)行。第三級中的電壓控制算法第三級電壓控制作為最高一層電壓控制，以全網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為優(yōu)化目標(biāo)，并考慮各種安全穩(wěn)定性指標(biāo)，通過優(yōu)化算法最終給出各區(qū)域中樞母線幅值的最優(yōu)參考值。第三級電壓控制實(shí)際上就是一

7、種最優(yōu)潮流，只不過其目標(biāo)函數(shù)和約束條件比較特殊。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度是指系統(tǒng)的發(fā)電量與負(fù)荷需求不平衡時(shí)，將功率缺額優(yōu)化地分配給各發(fā)電機(jī)組，從而達(dá)到全系統(tǒng)的燃料消耗量或發(fā)電費(fèi)用最小。這種經(jīng)濟(jì)調(diào)度實(shí)際上就是電網(wǎng)調(diào)頻，只涉及了有功功率的優(yōu)化調(diào)度，而沒有對有功、無功進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，因此優(yōu)化的結(jié)果可能會破壞系統(tǒng)安全約束。并且，由于經(jīng)濟(jì)調(diào)度只考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對靜態(tài)安全性重視不足，容易引起系統(tǒng)安全隱患問題。最優(yōu)潮流是同時(shí)考慮了靜態(tài)安全性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的一種優(yōu)化問題，它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為基本模型，可以處理大量的等式和不等式約束。與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法相比，它將安全與經(jīng)濟(jì)等問題綜合地用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描述，從而把經(jīng)濟(jì)調(diào)度

8、和安全監(jiān)控有效地結(jié)合起來。作為電網(wǎng)調(diào)度的高級管理目標(biāo)，最優(yōu)潮流已逐漸成為能量管理系統(tǒng)EMS的核心軟件之一。一、 最優(yōu)潮流的數(shù)學(xué)模型最優(yōu)潮流數(shù)學(xué)模型可以描述成如下的非線性規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)型：式中： u為控制變量；x為狀態(tài)變量；h為潮流方程；g為不等式約束。1. 控制變量和狀態(tài)變量最優(yōu)潮流的控制變量往往是與實(shí)際電氣控制設(shè)備相對應(yīng)的；而其余的變量都由控制變量確定，稱為狀態(tài)變量。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由控制變量和狀態(tài)變量來確定。常見的控制變量包括：（1） 有功出力為， ，為有功電源總數(shù)。（2） 有功出力為， ，為無功電源總數(shù)。（3） 有功出力為， ，為無功電源總數(shù)。（4） 有載調(diào)壓變壓器變比，。（5） 并聯(lián)電容器組投

9、切狀態(tài)。最常見的狀態(tài)變量包括：（1） 節(jié)點(diǎn)電壓幅值，（2） 節(jié)點(diǎn)電壓相角，其中若無功電源的電壓視為控制變量，則相應(yīng)的可視為狀態(tài)變量；另外電壓相角中有一參考相角，為節(jié)點(diǎn)數(shù)。2. 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)可以是任何一個(gè)有物理意義的標(biāo)量函數(shù)。不同的目標(biāo)函數(shù)可以按特定的應(yīng)用目的定義。最常見的目標(biāo)函數(shù)有:（1） 發(fā)電機(jī)運(yùn)行費(fèi)用極小化（2） 有功網(wǎng)損極小化（3） 最小偏移目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)潮流問題還有其他類型的目標(biāo)函數(shù)，如控制設(shè)備調(diào)節(jié)量最小，無功規(guī)劃時(shí)有時(shí)還可以以投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用總和最小為目標(biāo)。3. 等式約束最優(yōu)潮流的等式約束即節(jié)點(diǎn)潮流方程：是列向量中的第S個(gè)分量。4. 不等式約束不等式約束分為關(guān)于控制變量、狀態(tài)變量

10、的不等式約束和關(guān)于變量函數(shù)的不等式約束。簡單變量不等式約束有：（1） 有功電源出力上下限約束： （2） 無功電源出力上下限約束： （3） 有載調(diào)壓變壓器變比上下限約束： （4） 節(jié)點(diǎn)電壓幅值上下限約束： 常見的函數(shù)不等式約束包括：（1） 線路首末兩端節(jié)點(diǎn)電壓相角差限制：（2） 輸電線路的電流或視在功率限制：（3） 線路有功潮流限制：（4） 線路無功潮流限制： 目標(biāo)函數(shù)與約束條件的不同組合方式就構(gòu)成了側(cè)重點(diǎn)不同的最優(yōu)潮流問題。二、最優(yōu)潮流的交叉逼近算法此算法利用了電力系統(tǒng)中普遍存在的有功與無功弱耦合的關(guān)系，根據(jù)凸對偶和部分對偶理論，創(chuàng)立了一套先進(jìn)的有功無功解耦交叉逼近的最優(yōu)潮流算法。以和代表與有

11、功和無功關(guān)系密切的變量，則一般的最優(yōu)的最優(yōu)潮流問題即可描述為：主要包括發(fā)電機(jī)有功出力和節(jié)點(diǎn)電壓相角；主要包括無功電源出力、節(jié)點(diǎn)電壓幅值V和有載調(diào)壓變壓器變比t；和分別為節(jié)點(diǎn)、無功潮流方程；和分別為與有功分量、無功分量關(guān)系密切的不等式約束條件。傳統(tǒng)變電站電壓無功功率自動控制裝置變電站電壓無功功率綜合控制是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜非線性控制問題，受到電壓、無功、時(shí)間、負(fù)荷率、負(fù)荷電壓靜態(tài)特性、運(yùn)行方式、OLTC分接頭檔位和電容器組狀態(tài)等諸多因素的影響。其控制規(guī)律難以用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型描述。1. VQC的控制目標(biāo)及控制模式變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)通常取主變低壓側(cè)母線電壓和主變高壓側(cè)注入無功功率作為電

12、壓、無功考察指標(biāo)，具體的控制目標(biāo)為“保證電壓質(zhì)量合格，在無功基本平衡的前提下，盡量減少有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的投切次數(shù)”。VQC的控制對象是有載調(diào)壓變壓器的分接頭和并聯(lián)電容器組的投切開關(guān)。VQC控制目標(biāo)（一） 保證電壓質(zhì)量合格主變低壓側(cè)母線電壓必須滿足：（,為規(guī)定的母線電壓上下限值），并盡量使負(fù)荷端電壓偏差達(dá)到最小值。電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于負(fù)荷的波動性和運(yùn)行方式的改變，母線電壓也會隨之發(fā)生改變，因此會允許各個(gè)電壓中樞點(diǎn)的電壓有一定的偏移范圍，例如10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的（GB 12325-1990電能質(zhì)量供電電壓允許偏差）。（二） 維持無功基本平衡，

13、使系統(tǒng)的功率損耗盡量減小為了保證電壓合格，就必須保證系統(tǒng)無功分層平衡，使通過變壓器的無功功率盡量減小。從變電站電壓無功的控制層面來看，通常要求主變高壓側(cè)注入的無功功率必須滿足：， 越接近0越好，一般情況下應(yīng)使流入變電站的無功功率大于0，即不發(fā)生無功功率到送。（三） 盡量減少控制對象的動作次數(shù)，尤其是減少有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)變壓器在電網(wǎng)中具有極其重要的地位，應(yīng)對其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。在調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭時(shí)，由于會出現(xiàn)短時(shí)的匝間短路產(chǎn)生電弧，不但會對分接頭的機(jī)械和電氣性能產(chǎn)生影響，另一方面也會嚴(yán)重影響變壓器油的性能。經(jīng)驗(yàn)表明，有載調(diào)壓變壓器80%的故障時(shí)由于有載調(diào)壓變壓器分接頭引起，因此

14、各個(gè)變電站都嚴(yán)格設(shè)置了有載調(diào)壓變壓器的日最大調(diào)節(jié)次數(shù)（一般110kV變壓器為10次，35kV變壓器為20次）；并對總的動作次數(shù)作出了限制，一般要求分接頭動作次數(shù)3000次后必須停電檢修。此外，為了維護(hù)電容器組的性能和使用壽命，變電站對電容器組的日最大投切次數(shù)也作出了限制。2. VQC的電壓無功基本控制規(guī)律VQC通過調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和投切電容器組來實(shí)現(xiàn)對變電站低壓側(cè)母線電壓和高壓側(cè)無功功率的調(diào)節(jié)，調(diào)檔和投切電容器對變電站電壓和無功均會產(chǎn)生一定的影響，因此VQC是一個(gè)多參數(shù)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜的非線性控制問題。將變電站各用戶負(fù)荷用等值的綜合負(fù)荷來表示，系統(tǒng)等值電路如圖所示：圖中，表示變電站的綜合

15、負(fù)荷（滯后功率因數(shù)）；變壓器為無阻抗的理想變壓器；為系統(tǒng)的綜合阻抗；忽略線路和變壓器的并聯(lián)支路，歸算至低壓側(cè)的系統(tǒng)總阻抗為：假定在某時(shí)刻VQC裝置動作不會引起由圖中可得：設(shè)投入運(yùn)行的并聯(lián)電容器額定容量為,額定電壓為，則電容器電納:故并聯(lián)電容器實(shí)際發(fā)出的無功功率代入式有從而可以得到：由于穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)中，功角很小可以不計(jì)，因此可以忽略電壓降落的縱分量。而且在高壓電網(wǎng)中由于，故可以忽略。則：按此式可以求出主變高壓側(cè)無功功率。 一、 有載調(diào)壓變壓器1 傳統(tǒng)“九區(qū)圖”控制策略九區(qū)圖控制策略是根據(jù)變電站當(dāng)前的運(yùn)行方式，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測的電壓及無功（或功率因數(shù)）兩個(gè)判別量構(gòu)成變電站綜合自動控制策略，綜合邏輯判

16、據(jù)是基于給出的電壓和無功的上下限特性，把電壓和無功平面分割成9個(gè)控制區(qū)，各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)不同的控制策略，根據(jù)監(jiān)測的實(shí)時(shí)電壓、無功，判定當(dāng)前變電站運(yùn)行在哪個(gè)控制區(qū)，再根據(jù)相應(yīng)的控制策略對分接頭和電容器組進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償，優(yōu)化無功潮流分布，提高全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓合格率，減少網(wǎng)損，從而取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。其中，5區(qū)是滿足要求的理想?yún)^(qū)間，不需要任何調(diào)節(jié)，其他各個(gè)區(qū)間的運(yùn)行參數(shù)都不滿足條件，必須根據(jù)各個(gè)區(qū)間的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以最優(yōu)的控制控制順序和電壓無功設(shè)備組合使運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入無功、電壓均滿足要求的第5區(qū)。電壓控制按照逆調(diào)壓原則，當(dāng)電壓U超出電壓曲線的允許范圍或Q超出其允許范圍時(shí)，根據(jù)整定的偏移量發(fā)出

17、電容器投切指令或變壓器分接頭調(diào)整指令，從而達(dá)到調(diào)整電壓和無功潮流的目的。各區(qū)的動作方案如下：變電站電壓無功功率自動控制（VQC）九區(qū)圖1區(qū)：電壓超上限，無功超下限（功率因數(shù)超上限）。發(fā)出電容切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，電壓仍高于U上時(shí)，再發(fā)出變壓器分接頭降壓調(diào)節(jié)指令。2區(qū)：電壓超上限，無功（功率因數(shù)）合格。發(fā)出分接頭降壓指令，直至電壓合格，若分接頭檔位已調(diào)制最高檔，而電壓仍高于上限，則強(qiáng)行切除部分并聯(lián)電容器組。3區(qū)：電壓超上限，無功超上限（功率因數(shù)超下限）。先發(fā)出變壓器分接頭降壓指令至電壓合格；當(dāng)有載調(diào)壓已處于下限時(shí)，而電壓仍高于上限，則強(qiáng)行切除電容器。4區(qū)：電壓合格，無功超下限（功率因數(shù)超

18、上限）。發(fā)出電容切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，運(yùn)行點(diǎn)仍在該區(qū)，則維持該運(yùn)行點(diǎn)。5區(qū)：電壓、無功均合格。維持該運(yùn)行點(diǎn)，不發(fā)調(diào)整指令。6區(qū)：電壓合格，無功超上限（功率因數(shù)超上限）。發(fā)出電容投入指令，當(dāng)電容器全部投入后，運(yùn)行點(diǎn)仍維持在該區(qū)，則維持運(yùn)行點(diǎn)。7區(qū)：電壓超下限，無功超下限（功率因數(shù)超上限）。先發(fā)出變壓器分接頭升壓指令，當(dāng)有載調(diào)壓已經(jīng)處于上限時(shí)，電壓仍低于U下時(shí)，再發(fā)出電容器投入指令。8區(qū)：電壓超下限，無功（功率因數(shù)）正常。先發(fā)出變壓器分接頭升壓指令，當(dāng)有載調(diào)壓已處于上限時(shí)，電壓仍低于U下時(shí)，再發(fā)出電容器投入指令。9區(qū)：電壓超下限，無功超上限（功率因數(shù)超下限）。發(fā)出電容投入指令，當(dāng)電容器全部投入后，電壓仍低于U下時(shí)，再發(fā)出變壓器分接頭升壓調(diào)節(jié)指令。在“九區(qū)圖”控制中存在的主要問題是：有載變壓分接頭和電容器組的調(diào)節(jié)都是有級調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)級差比較大，難以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，尤其是電容器組的投切對電網(wǎng)無功注入一個(gè)階躍量，會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。九區(qū)圖的某些區(qū)域?qū)τ诳刂频慕Y(jié)果還可能會產(chǎn)生振蕩動作的現(xiàn)象。所謂“振蕩動作”是指在調(diào)檔和投切電容時(shí)，不能使運(yùn)行點(diǎn)直