二種無功電壓控制系統(tǒng)（裝置）對比分析.pdf

第 3 o卷第 5 期 2 0 O 7 年 1 O月 四 川 電 力 技 術 S i c h u a n E l e c t r ic Po w e r T e c h n o l o g y Vo 1 3 0 No 5 Oc t 。 2 O O 7 二種無功 電壓控制系統(tǒng)( 裝置) 對 比分析 李溟 ( 綿陽電業(yè)局 ， 四川 綿陽6 2 1 0 0 0 ) 摘要： 通過對變電站無功電壓控制裝置 V Q C和區(qū)域電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng) A V C的對比分析 ， 發(fā)現(xiàn) v O c在基本原 理和功能設計上存在一定的缺陷和不足 建議采用分區(qū)分層控制與全網(wǎng)控制相結合策略的 A V C系統(tǒng)， 最終實現(xiàn) 電容 器投切最合理、 電壓合格率最高和輸電網(wǎng)損率最小的綜合優(yōu)化目標。 關鍵詞： 無功電壓控制系統(tǒng)； 基本原理； 對比分析 A b s t r a c t ： T h r o u g h t h e c o m p a r a t i v e a n al y s b e t w e e n t h e r e a c t i v e v o l t a g e c o n t r o l d e v i c e V Q C i n s u b s t a t i o n a n d th e r e a c t i v e v o ! t a g e c o n t r o l s y s t e m AV C o f i n t e r co n n e c t e d p o w e r g ri d ，s o n i c d e f e c t s a n d s h o r t a g e s a r e f o u n d o u t i n fi l e b a s i c p ri n c i p l e a n d the f u n c t io n o f V Q C d e s i g n T h e s t r a t e g y c o m b i n e d w i th d e l a m i n a ti n g s u b a r e a con t r o l and w h o l e d c o n t ro l f o r A V C s y s t e m i s s u g g e s t e d ，a n d th e comp r e h e n s i v e o p t i mi z a t i o n t a r g e t i s r e a l i z e dti ma t dy ，tha t i s ，t h e mo s t r e a s o n a b l e c a p a c i t o r s wit c n g ，the h i g h e s t v o l t a g e q n m l i fl - c a ti o n r a t e an d the mi n i mu m l o s s o ft r a n s m i s s i o n n e two r k Ke y w o r d s ： t e fl c ti v e v o lt a g e con t r o l s y s t e m；b a s i c p ri n c i e ； com p a r a ti v e ana l y s i s 中圖分類號： T M 7 6 1 文獻標識碼 ： A 文章編號： 1 0 0 3 6 9 5 4 ( 2 (X ) 7 ) 0 5 0 0 2 4 0 4 電壓是電能質量的重要指標 ， 電壓質量對電力系 統(tǒng)的安全與經濟運行 ， 對保證用戶安全生產和產品質 量以及 電器設備的安全與壽命有重要的影響； 而電力 系統(tǒng)的無功補償與無功平衡是保證電壓質量 的基本 條件 ， 有效地控制和合理 的無功補償 ， 不僅能保證 電 壓質量 ， 而且提高電力系統(tǒng)運行 的穩(wěn)定性和安全性 ， 降低 電能損耗 ， 提高電網(wǎng)的經濟效益。 無功電壓優(yōu)化的原則 ： 實現(xiàn)全電網(wǎng)最大范圍的 電壓合格( 優(yōu)先條件 ) 。實現(xiàn)全 電網(wǎng)在滿足功率 因 數(shù) 、 電壓約束條件下實現(xiàn)網(wǎng)損最小的安全經濟優(yōu)化運 行。實現(xiàn)全電網(wǎng)設備動作次數(shù)盡可能少 。 1 現(xiàn) 階段 國內的研 究現(xiàn)狀 目前 ， 綿陽電網(wǎng)的無功電壓控制主要是通過各變 電站的無功 電壓控制裝置( V Q C ) ， 根據(jù)定值對并聯(lián) 電 容器 的投切和有載調壓變壓器分接頭 的調節(jié)進行控 制 ， 在未安裝 V Q C裝 置的變 電站則 由操作 隊或變電 站值班員按 照電壓曲線范圍要求進行手動控制。 1 1 變電站無功電壓控制裝置 V Q C基本原理 其基本原理圖見圖 1 。一般在變電站 內部 ， 根據(jù) 一 定 的原則 ， 利用硬件或者軟件來實現(xiàn)利用本站內的 無功資源和電壓調節(jié)設備的動作 ， 比如并聯(lián) 電容器的 投切或者有載調壓變壓器分接頭的調節(jié) ， 來進行變電 所內的無功電壓綜合控制。 2 4 區(qū)域 1 ： 電壓越下限 ， 無功越下限 區(qū)域 2 ： 電壓越 下限， 無功正常 區(qū)域 3 ： 電壓越下 限， 無功越上 限 區(qū)域 4 ： 無功越上限 ， 電壓正常 區(qū)域 5 ： 電壓越上限 ， 無功越上 限 區(qū)域 6 ： 電壓越上限 ， 無功正常 區(qū)域 7 ： 電壓越上限 ， 無功越下限 區(qū)域 8 ： 電壓正常 ， 無功越下限 區(qū)域 9 ： 電壓正常 ， 無功正常 圖 1 九區(qū)域 圖 也就是說 ， 將一個變 電所 的母線 電壓 ( 一般指低 壓側 l 0 k V 母線電壓) 和無功負荷或者無功負荷轉換 而來的功率因數(shù)綜合起來分為九種狀態(tài) ， 根據(jù)數(shù)據(jù)在 不同的區(qū)域來調用相應的控制策略， 形成合適指令來 調節(jié)有載調壓分接頭升降和投切無功設備 。 1 2 V Q C裝置的局限性 ( 1 )無法體現(xiàn)不同電壓等級分接頭調節(jié)對電壓 的影響： 就單個站而言， 提高了電壓合格率和電容利 用率， 但是在二級有載調壓 電網(wǎng)， 會出現(xiàn)電壓頻繁調 維普資訊 第 3 0卷第 5期 2 O O 7年 1 O月 四 川 電 力 技 術 S i e h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y V o 1 3 O N o 5 O c t ， 2 O O 7 整， 容易造成 電壓調節(jié) 不合理現(xiàn)象或 者設 備無謂 動 作。 ( 2 )無法對省網(wǎng)關 口( 如 2 2 0 k V變電站高壓端母 線) 功率因數(shù)進行校正。因為這種模式只采集本廠站 的數(shù)據(jù) ， 也只能校正本廠站 的母線調壓 和功率 因數(shù) ， 不可能從全網(wǎng)的角度優(yōu)化無功 電源調度來校正省 網(wǎng) 關 口功率因數(shù)。 ( 3 )由于每個變 電所都必須安裝 電壓無功控制 裝置， 投資大， 設備維護量顯著增加。 ( 4 )不具備與地 區(qū)電網(wǎng)調度 自動化系統(tǒng)協(xié)調控 制的策略 ， 也不可能拓展此策略。 2 區(qū)域電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng) A V C的 基本原理 在確保電網(wǎng)與設備安全運行的前提下 ， 從地 區(qū)電 網(wǎng)范圍的角度 ， 以全網(wǎng)網(wǎng)損盡量小 、 各節(jié)點電壓合格 、 有載調壓分接頭調節(jié)次數(shù)盡量少和補償電容器設備 動作最合理為 目標 ， 以集控 中心 ( 調度 中心 、 配調 中 心) 為核心， 專家系統(tǒng) 、 模糊控制為原理 ， 以各變 電所 有載變壓器分接頭擋位調節(jié)與電容 器投切協(xié)調控制 為手段的電壓無功閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 2 1 A V C的數(shù)學模型 2 1 1 目標 函數(shù) F=m i n ( P L o s s + 1 ( v i “ ) + 2 ( Q 一 Q k L i ) ) 第一項為有功 網(wǎng)損 ； 第二項 為節(jié)點電壓約束 ； 第 三項為由省 網(wǎng)關 口功率 因數(shù)約束轉換 而來 的無功功 率約束； i 為節(jié)點個數(shù)， 為省網(wǎng)關 口個數(shù)。 目標 ： 全網(wǎng)電能損耗最小 、 設備動作次數(shù)最少。 2 2 2 約束條件 母線電壓不越 限、 調壓開關 動作次數(shù)不越限、 電 容器投切次數(shù)不越 限、 供 電電源關 口功率因數(shù)合格。 包括以下三種模型 ： ( 1 )在線實時全網(wǎng)無功優(yōu)化模型 ： 無功優(yōu)化控制 系統(tǒng)模型， 不考慮投資 因素 ， 所 以取模型的 目標值 為 系統(tǒng)網(wǎng)損最小 F=m i n P L o s s ( 1 ) 同時要滿足以下等式約束條件和不等式約束條 件 ： 節(jié)點電壓約束 V i m iv i ( 2 ) 為母線 電壓， m i n指最小值 ， n l a x指最大值 ， 以 下同。 省網(wǎng)關 口功率 因數(shù)約束 c o s O i C O S 0 i c o s O i a x ( 3 ) c os0 為省網(wǎng)關 口功率因數(shù) ， 在文中指 2 2 0 k V變 電所的高壓端功率因數(shù)值 。 發(fā)電機無功出力約束 Q e i i Q s i ( 4 ) 有載調壓分接頭檔數(shù)調節(jié)上下限 i T i 一 ( 5 ) 設備動作次數(shù)上限 N i a x 1i = i a x i r fl i 對于無功優(yōu)化問題 ，求得配 電網(wǎng)中節(jié)點無功變 化對系統(tǒng)有功網(wǎng)損的靈敏度系數(shù) ， 選靈敏度較高的節(jié) 點作為無功補償?shù)暮蜻x投切點， 從而盡可能從降低線 損的角度來控制設備動作 。 系統(tǒng) 的總有功網(wǎng)損為 ： P 5 2 姿v s ( G o c 。 s + s in 島 ) ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) 和潮流方程得 節(jié)點無功變化對 系統(tǒng) 網(wǎng) 損的靈敏度為 8 P 8 Q i =( 8 p 8 V ) ( aV a Q f ) +( a P 8 8 ) ( a S a Q ) ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中 Q f 節(jié)點注入無功； 節(jié)點電壓幅值 ； 相角。 進行變化得 a 8P P 8 a 8 J 1 = a 8 P P i a 8 Q Q i a O V a O P P OP Qi 】 c 4 于是可得 8 P S P 1 ： 8 P f a Q i 1 a P 1 【 a p a p J 【 aP a a 0 a J L 8 p 8 J ( 1 5 ) 最后得 l a p O Q = 【 a 8 P P a V ( 1 6 ) 系統(tǒng)第 i 個節(jié)點， 有 a P 8 = 2 l G c 0 s 如 ( 1 7 ) cq P cq 8 i =一 2 V fl T ij s in a ij ( 1 8 ) S |D Q 為靈敏度矩陣 ， S P Q 中的各元素可由牛頓 一拉 夫遜法潮流計算中的雅可比矩陣求得。在求得各節(jié) 點 的靈敏度系數(shù)后 ， 按靈敏度從高到低依次選取設備 進行操作 。 ( 3 j節(jié)點無功變化對節(jié)點 電壓 的靈敏度 很顯然 ， 在無功 電壓控制 中， 投切 電容器 電抗器 必將引起電網(wǎng)中各節(jié)點 電壓 的變化 ， 為了控制的正確 性 ， 需知道節(jié)點無功變化對 電網(wǎng)中節(jié)點 電壓 的靈敏 度。 式( 1 9 ) 為用傳統(tǒng)牛頓法求解潮流時所用的雅可 比矩陣 ， 令有功注入保持恒定 ， 即式 ( 1 9 ) 中的 A P蘭 0 ， 得 V= J Q v j j j P v 1 Q 2 0 令 S Q V = 一 ( 2 1 ) 則 V=S o Q ( 2 2 ) 其中 s Q 為 QV靈敏度矩陣， 其元素 s 表示 P Q節(jié)點 處的無功功率注入變化一個單位時 ， 節(jié)點 i 處的電壓幅值 的變化量 。 2 2 快速求法 對 目標 函數(shù) 的快速 求解是實現(xiàn)全 電網(wǎng)實時閉環(huán) 控制的前提。對 目標 函數(shù)的直接求解相當復雜 ， 費時 費力 ， 無法實現(xiàn)實時控制。充分利用地 區(qū)電網(wǎng)是開式 電網(wǎng)的運行特性和無功電壓控制“ 專家系統(tǒng)” ， 對無功 電壓優(yōu)化控制數(shù)學模型進行簡化和分解 ， 再利用潮流 計算和專家系統(tǒng)等方法進行求解 。專家系統(tǒng)除了積 累大量的專家提供的知識與經驗外 ， 還根據(jù)實際電網(wǎng) 利用電力系統(tǒng)潮流計算方法進行靈敏度校驗 ， 并以此 產生系統(tǒng)規(guī)則庫。 2 3 計算流程 無功電壓優(yōu)化系統(tǒng)首先從調度 S C A D A采集全電 網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù) ， 然后以全電網(wǎng)電能損耗最小為 目標 函數(shù) ， 利用潮流計算 、 專家系統(tǒng) 、 數(shù)值分析等方法 ， 求 解主變分接開關最佳檔數(shù) 、 電容器最佳投入容量和電 網(wǎng)最優(yōu)運行電壓等。再利用已求最優(yōu)解， 求得 電容器 投切次數(shù)和主變分接開關調節(jié)次數(shù)。 限定全電網(wǎng)電能損耗最小數(shù)值范圍， 在最小數(shù)值 范圍內， 多次求得次優(yōu)解， 再計算 出電容器與主變分 接開關動作次數(shù)。當動作次數(shù)最少時對應 的解即為 最優(yōu)解。然后發(fā)出控制指令， 執(zhí)行電容器投切與主變 分接開關調節(jié)操作。 3 系統(tǒng)技術特點 ( 1 )自適應電網(wǎng)運行方式 ； ( 2 ) 全網(wǎng)集中控制與分區(qū)分層控制相結合； ( 3 ) 集中控制與分布執(zhí)行相結合； 維普資訊 第 3 O 卷第 5 期 2 O O 7年 1 O月 四 川 電 力 技 術 S i c hn a n E l e c t r ic P o w e r T e c h n o l o g y V o 1 3 0 No 5 Oc t 。 2 O O 7 ( 4 ) 無功平衡穩(wěn)定 電壓與分接開關調節(jié) 電壓相 結合 ； ( 5 ) 潮流計算 、 靈敏度分析與專家系統(tǒng)規(guī)則判別 相結合。 4 系統(tǒng)功能特點 ( 1 )地縣聯(lián)調功能 ； ( 2 )全網(wǎng)無功優(yōu)化補償功能 ； ( 3 )全網(wǎng)無功電壓綜合優(yōu)化調節(jié)功能 ； ( 4 )逆調壓 ； ( 5 ) 安全控制功能。 5 V Q C與 A V C對 比分析 ( 1 )V Q C裝置只采集本站數(shù)據(jù) ， 校正本站的母線 電壓和功率因數(shù)， 最多能實現(xiàn)“ 本地最優(yōu)” ； A V C系統(tǒng) 基于調度 自動化 S C A D A系統(tǒng)采集全網(wǎng)各節(jié)點遙測遙 信實時數(shù)據(jù) ， 從全 網(wǎng)角度 進行 電壓無功優(yōu)化控 制， 實 現(xiàn)“ 全網(wǎng)最優(yōu)” 。 ( 2 )V Q C裝置根據(jù)定 值對 變電站并 聯(lián)電容器 的 投切和有載調壓變壓器分接頭的調節(jié)進行控制 ， 基本 屬于“ 靜態(tài)調節(jié)” 范疇； A V C系統(tǒng)是通過對全 網(wǎng)各 電 壓節(jié)點實時數(shù)據(jù)的分析、 計算 ， 對 區(qū)域電網(wǎng)內各變電 站的有載調壓裝置和無功補償設備進 行集 中監(jiān)視和 控制， 實現(xiàn) 區(qū)域 電網(wǎng)電壓無功優(yōu) 化運行閉環(huán)控 制管 理 ， 屬于“ 全網(wǎng)動態(tài)調節(jié)” 范疇。 ( 3 )在二級有載調壓電網(wǎng)， V Q C控 制會出現(xiàn)電壓 頻繁調節(jié) ， 容易造成電壓調節(jié)不合理現(xiàn)象或者設備重 復無謂動作 ； A V C系統(tǒng) 因采用分 區(qū)分層控 制與全 網(wǎng) 簡訊 控制相結合的控制策略 ， 可實現(xiàn)無功分區(qū)分層就地平 衡和全 網(wǎng)電壓穩(wěn)定 ， 能最大限度地減少主變分接開關 無謂動作次數(shù)， 確保實現(xiàn)電容器投切最合理、 電壓合 格率最高和輸 電網(wǎng)損率最小 的綜合優(yōu)化 目標 。 6 小結 變電站無功電壓控制裝置 V Q C在基本原理和功 能設計方面存在較多缺陷和不足 ， 加之硬件設備投資 大 ， 運行維護費用高 ， 必將逐步被先進的 A V C系統(tǒng)所 取代 ； A V C系統(tǒng)從全 網(wǎng)角度進行無功電壓優(yōu)化控制 ， 實現(xiàn)無功補償設備投入合理和無功分層就地平衡與 電壓穩(wěn)定 ， 對進一步提高電網(wǎng)調度 自動化水平， 提高 電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性， 全面改善和提高電 網(wǎng)電壓質量 ， 降低 電網(wǎng)損耗等方面有著重要 的現(xiàn)實意 義 ， 值得推廣應用 。 參考文獻 1 孫偉， 李林川， 肖鳴， 茅波 基于遺傳算法和 A L o p e x 方法 相結合的無功優(yōu)化算法 R 第四屆輸配電技術 國際會 議 ， 2 0 0 3 2 許杏桃 地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行與安全控制 C 江 蘇省電機工程學會 學術 活動無 功 電壓學術研 討會論 文 集 ， 2 0 0 3 ， ( 3 ) ： 3 2 3 6 3 程瑩 ， 劉明波 含離散控制變量的大規(guī)模電力系統(tǒng)無功 優(yōu)化 J 中國電機工程學報 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 5 ) ： 5 4 6 0 4 霍錦強 D W K一