电压无功调整三.docx

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电压无功调整三

面向全网无功优化的变电站电压无功控制策略

电网的电压和无功是紧密结合的两个物理量，对电压、无功实施控制，对于提高电能质量、使电网中潮流分布更加合理、有效降低网损，都具有重要意义。

针对供电环节，调节有载调压变压器分接头和投切无功补偿设备是对电压无功进行控制的主要手段。

目前，单变电站的电压无功控制技术逐渐成熟，已经逐步应用到实际电力系统中，但这种方式从技术应用到管理模式上都有所局限。

由于其仅仅采集一个变电站的运行参数，未能实现对全网范围内各变电站的电容器和有载调压变压器分接头档位进行综合考虑协调控制，会出现局部优化而全网受影响的局面。

因此，改进现有调节方式，实现面向全网的电压无功优化和自动控制，不仅是提高电能质量满足用户需求的需要，还是电网安全、经济、稳定运行的需要。

电力系统无功优化是指在满足系统各种运行约束的条件下，通过优化计算确定发电机的端电压、有载调压变压器的分接头档位和无功补偿设备的投入容量等,以达到系统的有功网损最小，无功补偿设备的投资最小，无功补偿设备的补偿容量最小等。

国内外有关无功优化的文献报导有很多，但大多集中在对优化算法的研究上，对无功补偿设备的控制策略却少有提及。

随着电力系统的联系日趋紧密，控制动作间的相互影响已经不可避免和忽视。

能否协调控制好无功补偿装置，直接关系到是否可以防止系统电压的波动和振荡。

全网无功优化的数学模型

无功优化问题是指某电力系统在一定运行方式下,满足各种约束条件,达到预定目标的优化问题,它涉及无功补偿装备投入地点的选择、无功补偿装置投入容量的确定、变压器分接头的调节和发电机机端电压的配合等,是一个多约束的非线性规划问题。

在配电网无功优化中，目标函数通常要考虑以下几个方面：

（1）网损最小；

（2）电压水平最好；

（3）无功补偿容量最小；（4）综合经济效益最好。

不同的目标函数，确定的补偿方案也不同。

优化规划中，可以根据不同的目标选择需要的数学模型。

以配电网年综合费用最小为目标函数，在系统多负荷水平下综合考虑系统网损费用、无功补偿费用、电压水平等因素，将补偿电容器的组数设为离散的决策变量，在保证电压水平的同时保持系统有较好的经济性。

目标函数

目标1：

配电网系统投资费用最小：

式中：

为补偿节点集；

为补偿节点

的安装费用；

为补偿节点

的单位运行费用；

为补偿节点

的补偿容量。

目标2：

从经济性角度出发的经典模型是考虑配电网系统总网损费用最小：

式中：

为单位电价；

为系统根据负荷曲线确定的负荷水平数；

为在负荷水平s下系统的运行时间；

为在负荷水平s下的系统网损。

系统有功网损费用是一个非线性函数。

本文的无功优化规划是在网络的有功潮流已经优化的基础上进行的，所有讨论都基于以下假设：

①　除了平衡节点外，其余节点的有功注入都假设是恒定不变的；

②　各节点无功注入变化对于节点电压的角度影响可以忽略不计。

目标3：

从系统安全性出发的经典模型是选取节点电压偏离规定值最小为目标函数[25]

（4-3）

（4-4）

式中：

为节点i的电压；n为系统节点数；

为电压越界惩罚因子；

为节点i的设定电压；

、

分别为节点i电压的最大、最小值。

总目标函数为：

综合费用最小

（4-5）

式中，

为系统的综合费用，

为多负荷水平下的系统综合网损费用；

为无功补偿费用；

为电压越限惩罚费用。

约束条件

无功优化规划必须满足一定的约束条件，这些条件是保证规划系统安全稳定运行的重要保障。

约束条件包括等式约束和不等式约束,等式约束即满足潮流方程;不等式约束可考虑:

PV节点或平衡节点的电压、可调变压器的抽头、发电厂的无功出力、无功补偿装置的容量等控制变量的上下界,PQ节点的电压幅值、PV或平衡节点的无功注入、支路电流幅值、支路的视在功率、支路两端电压角度差等运行边界约束。

全网无功优化思想的引入

全局无功优化是以提高电压合格率，降低网损为目标，从全局角度对地区电网进行优化，得到变压器分接头档位升降以及并联电容器投切方案，考虑全网范围内所有无功电压控制设备以全网网损最小为目标函数进行定量的优化调度。

目前VQC装置大多实行分散控制，但这种方式从技术应用到管理模式上都有所局限，实际电力系统中只是针对本站的电压无功水平而没有电网全局协同优化的概念，当约束范围较小时，由于电网中各站的VQC各自为政的调节，未能实现全网范围内各变电站的电容器和有载调压变压器分接头档位进行综合考虑协调控制，会出现局部优化而全网受影响的局面，使得全网的电压波动缺少规律性且较为频繁，因此可能导致某些站抽头的频繁调整。

对无功欠缺地区，在用电高峰时，若本地区是以受电为主，且本身电源容量较小，自动调节装置为了满足中低压侧电压要求，会使变压器比差减少，导致高压网向低压网的无功传输加大，造成输电线和变压器的无功损耗增加，使高压侧电压严重降低。

其结果不仅使上级220kV电网的有功网损增加，而且还由于受端电压的降低而使电网在输送同等容量负荷情况下，稳定域度降低，严重时甚至造成电压崩溃，电网失稳和最终造成电网事故。

如何完善VQC装置使之适应大规模电网的全局优化对全网的电压安全稳定具有重大意义。

系统对控制不仅有准确性要求，还有对稳定性的要求。

从电压无功问题控制对象的特性来看，它是一个阻尼系数很大的系统，过于灵敏的控制对其稳定性来说可能适得其反。

所以类似“九区图”系列原理中的做法，在“五区图”中最优控制的目标不能选取一个工作点，而应选择一个最优控制区域，根据电压、无功合格上下限值选择一个最优控制区域。

最优控制区内是系统的动作非启动区，当工作点越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断。

为了更好地实现全局最优控制，将五区图和九区图相互配合，形成九区图和五区图的组合策略，九区图动作启动值是基于全网最优无功电压整定，当工作点越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断，选取合适的操作动作。

对于全网的变电站，根据设定的最优限值曲线，按照九区图判断各变电站的无功调压设备的工作点区域及启动区的上下限，仅对有越限的变电站按照五区图进行VQC装置的调控，既可减少控制变量的频繁操作，又可保证全网电压的质量和全网潮流的最优分布。

“五区图”动作启动区示意图

Diagramofactiveareafive-zonetheory

系统整体设计思路

系统整体设计的基本思路是：

建立主站系统，根据未来一天各母线的有功和无功负荷曲线，（由短期负荷预测获得）及开关状态信息，以控制整个电网节点电压在允许范围内和有功损耗最小为优化目标，进行地区电网离散无功优化计算，并以此为基础计算出各个VQC的控制范围（限值）；利用技术上已成熟的VQC装置，研究可支持全网优化控制和本地控制模式的VQC控制策略，即建立变电站VQC，负责变压器和电容器的状态，采集电网运行参数及根据主站系统提供的电压无功限值（或自定义的电压无功限值）实施电压无功控制，并可实现在全网优化状态下与本地状态下电压无功控制模式的切换；建立通信子系统（也可以利用现有调度自动化子系统的通信通道），以实现主站系统后台程序与子站系统VQC控制程序之间的数据通信。

该系统可应用于整个地区电网的电压无功控制，也可以应用于地区电网的某一区域的电压无功控制。

变电站电压无功控制的整定计算原则

因为要通过调整无功功率在系统的分布来达到降低损耗的目标，而且在一般情况下，有功和无功负荷曲线的变化趋势是基本一致的，因此本文采用了对无功负荷曲线进行分段的方法。

电力系统的实际负荷是连续变化的，但连续的负荷曲线无法直接用于优化求解。

通常的处理方法是分时段静态化，即将连续变化的负荷曲线简化为阶梯状分布的曲线，认为各时段内负荷保持不变。

分段越多，最终求得的解越接近实际最优解。

一般可将全天分为24个时段（每个小时为一个时段），对每个时段进行全网无功优化计算，得出全网在最优状态下的变压器低压侧母线电压变化曲线（最优电压曲线）和变压器高压侧无功变化曲线（最优无功曲线），据此可给出相应时段的电压和无功整定值。

对于每台变压器，全天共有24个定值。

图中给出了电网典型有功负荷的变化曲线，无功负荷的变化曲线和有功负荷的变化曲线非常相似。

负荷在8:

00前后剧烈上升，此后一直维持在较高水平，直到21:

00左右有较大的下降，此后一直到凌晨6:

00，负荷维持在比较低的水平。

按负荷的变化规律，可将一天分为4个时段：

高峰负荷时段、低谷负荷时段、由谷荷转入峰荷和由峰荷转入谷荷的时段。

图某城市电网典型有功负荷变化曲线

FigTypicalchangecurveofactivepowerloadvoltage

考虑逆调压的要求，在电压合格范围内，在高峰负荷时线路电压的损耗大，此时应该提高电压，补偿掉部分电压损耗，使负荷点电压不致过低；在低谷负荷时线路电压的损耗小，此时应该适当降低电压可使负荷点电压不致过高。

因此负荷高峰时应该提高电压上下限，负荷低谷时应该降低电压上下限。

在谷荷转入峰荷或由峰荷转入谷荷的时段，如图在8:

00时，无功负荷曲线出现趋势陡峭的情况，它会先出现电压越下限，紧接着又出现无功越上限，即控制过程为先由2区调变压器的分接头进入9区，紧接着由于无功不足又进入4区，则再投电容器又恢复进入9区。

可以看到，8:

00电压越限是由于无功不足造成的，此时若靠投电容器来完成升压，这样就可以减少变压器分接头的调节次数，直接将运行点调节到9区。

类似的情况也会发生在峰荷转入谷荷的时段。

因此在谷荷转入峰荷或由峰荷转入谷荷时，应该放宽电压上下限，同时收缩无功上下限，使电压控制由投切电容器来完成，值得注意的是，此举并不会增加电容器的投切次数。

变电站电压无功控制整定计算的基本思路是：

（1）首先根据一天各负荷点的有功和无功负荷曲线及电网结构，进行全网离散无功优化计算，其优化目标是保证节点电压在允许范围内，且使整个网络的有功功率损耗最小。

通过计算得出每个变电站变压器高压侧无功功率和低压侧母线电压的最佳变化曲线。

（2）根据所得无功和电压最佳变化曲线确定变压器高压侧无功功率和低压侧母线电压的上下限值。

如果能通过变压器分接头的调节和电容器组的投切，使变压器高压侧无功和变压器低压侧母线电压维持在所得出的最优曲线上，则从理论上不但能保证电压无功合格，并且能使网损降至最小。

下面从变电站电压无功控制装置的调节原理出发，结合无功负荷变化的规律性以及无功在不同时段的不同要求，提出计算电压无功整定值的方法。

电压上下限的确定原则

（1）考虑逆调压的要求，在电压合格范围内，在高峰负荷时，电压偏上限运行，在低谷负荷时，电压偏下限运行。

因此要适当收缩电压上下限值。

（2）结合无功负荷的变化规律，应在负荷发生较大趋势性变化时，放宽电压上下限值（同时收缩无功上下限值），使电压控制由投切电容器来完成。

值得注意的是，此举并不会增加电容器的投切次数。

以早晨8点为例，此时的电压越限是由于无功不足造成的，应该由投电容来完成。

如果此时仅通过降分接头来维持电压合格，在下个时段由于负荷的增加使电容器投运，电压很容易越上限，则此时又要升变压器分接头来维持电压合格，这是应该避免的动作。

可见，此举可避免变压器分接头不必要的动作。

（3）其余时段，依据最优电压曲线，整定计算变压器低压侧电压动作上下限值，以实现对最优电压曲线的跟踪。

无功上下限的确定原则

无功控制范围的给定相对电压来说要复杂得多。

系统无功功率的调节对电压水平影响很大，无功分布不合理是网损增大的重要原因。

对供电网来说，它直接面向用户，对电压合格的要求相对来说较高，因此在保证无功就地平衡的前提下，无功限值的给定需要配合电压限值的给定，具有较大的灵活性。

（1）配合逆调压的要求，由于在高峰负荷时，电容器可能己全部投入，此时应将无功上限值上调，避免无电容可投的情况。

类似地，在低谷负荷时，将无功下限下调。

（2）在给定电压限值时己经提到，当负荷发生较大趋势性变化时，在放宽电压上下限值的同时，要收缩无功上下限值。

具体策略如下：

由谷荷转入峰荷时（如早上8:

00前后），应将无功上限下调，使其对投电容的操作变得敏感；由峰荷转入谷荷时（如晚上21:

00前后），应将无功下限上调，使其对切电容的操作变得敏感。

（3）其余时段，依据最优无功曲线，整定计算变压器高压侧流过的无功功率的上下限值，以实现对最优无功曲线的跟踪。

综上所述，给定电压和无功整定值的方法如下：

（1）在高峰负荷时，将电压下限值上调，无功上限值上调;在低谷负荷时，将电压上限值下调，无功下限值下调。

（2）由谷荷转入峰荷时，将电压下限值下调，无功上限值下调;由峰荷转入谷荷时，将电压上限值上调，无功下限值上调。

（3）其余时段，依据上述给定的方法实现对最优电压和无功曲线的跟踪。

九区图与五区图的组合控制策略

将五区图和九区图相互配合，九区图动作启动值是基于全网最优无功电压整定，当工作点越出最优控制区，启动控制进行最优操作判断，选取合适的操作动作，形成九区图和五区图相互配合的控制策略，如图所示。

图启动动作示意图

FigActionareaoffive-zonediagram

在实际操作中，首先根据次日24小时的母线负荷预测，计算出次日全网的最优无功潮流分布和最优无功补偿量，由此算出各变电站的最优无功限值和电压限值，再根据负荷曲线的变化趋势以及补偿调压装置动作次数的限制，对最优无功电压限值曲线进行分段，并对分段后的限值做校验计算。

这样，各变电站的无功调压设备根据设定的最优限值曲线按照九区图进行工作点所在区域判断，若越出最优控制区，再根据五区图选择最优操作，保证了全网潮流最优，使投切次数合理分配。

其优化的目标是保证节点电压在允许范围内，且使整个网络的有功功率损耗最小，据此给定理想工作点和启动区的上下限。

“九区图”中电压和无功限值的宽度按式

（1）进行设定。

（2）

式中：

、

分别表示九区图中的电压上限和下限，单位为kV；

表示电压限值的宽度，一般为0.5kV；

为裕度系数；

、

分别表示九区图中的无功上限和下限；

表示电容器单组补偿容量，考虑到无功功率的上下限之差应大于至少一组电容器的容量，系数

取1.3。

根据计算出来的各变电站的最优无功补偿量和电压，按式

（2）计算最佳的无功，电压启动值。

（2）

式

（2）中的

、

、

、

为裕度系数，一般取值为0.5，实际中可根据不同时段的特点在0.3～0.7之间调整；

，

表示由全网无功优化得到的最优电压和无功。

在峰转谷，谷转峰负荷段，适当收缩电压无功上下限，使装置动作敏感，取值小些；在峰，谷负荷段，负荷发生不规则往返波动，适当放宽电压无功上下限，尽量减少装置动作次数，取值大些。

这种整定方法克服了变电站局限于无功，电压就地控制，从优化与控制的角度使局部优化、分散控制变为全局优化、集中控制与分散控制相结合，提高了系统电压的合格率、降低了系统的总线损。

组合控制策略下变电站无功控制策略的实施

Step1.将次日短期负荷预测曲线分为24个时段，在每一个分段中，选择一个接近于该段平均负荷的典型负荷点，对每个时段进行全网无功优化计算。

Step2.进行最优潮流计算，根据得到的全网在最优状态下的各变电站变压器低压侧母线电压变化曲线和变压器高压侧无功变化曲线，计算出各个变电站VQC的最佳启动动作值。

Step3.对于全网的变电站，根据设定的最优限值曲线，按照九区图判断各变电站的无功调压设备的工作点区域及启动区的上下限，仅对有越限的变电站按照五区图进行VQC装置的调控，分别执行第i项操作动作（

），这时工作点移动到

计算

到目标工作点

的操作优劣距离。

Step4.若其中某两项动作后的操作优劣距离相等，说明原先工作点处于盲区，进行盲区投切电容判断，满足投切判据进行优先选择电容器进行操作，否则进行有载变压器分接头的调整。

Step5.若原工作点不处于盲区，选择操作优劣距离最短的操作动作来进行VQC电压无功调整。

小结：

本次课程主要介绍了三方面的内容。

全网无功优化的数学模型；系统整体设计思路；“九区图”和“五区图”相结合的组合控制策略。