電網(wǎng)電壓無(wú)功監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

大多數(shù)公共有限責(zé)任公司通過scada或ios系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的電壓。通過這些信息，調(diào)度員可以制定電壓控制節(jié)點(diǎn)的參考參數(shù)，或輸入無(wú)源電壓控制裝置。為了維持所希望的電壓整定值,可以采用有載調(diào)壓變壓器、電容器組和自動(dòng)電壓調(diào)整器等自動(dòng)裝置,也可以采用手動(dòng)進(jìn)行。這就要借助于電壓無(wú)功優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行。由于法、日等國(guó)相繼發(fā)生電壓崩潰事故造成重大損失,世界上各主要電力公司都愈來(lái)愈重視電壓無(wú)功控制問題,建立相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)研制的變電站智能電壓無(wú)功綜合控制裝置已在徐州佟村110kV變電站成功投運(yùn),并取得良好的效果。但是這種裝置只是局部控制,應(yīng)該從整個(gè)電網(wǎng)角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行控制,才能達(dá)到全網(wǎng)最優(yōu)地改善各節(jié)點(diǎn)電壓分布和減少網(wǎng)損的目的。此外,還應(yīng)當(dāng)在緊急狀態(tài)下,能對(duì)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè),從而采用相應(yīng)預(yù)防和緊急控制措施。為此,提出了一種電網(wǎng)電壓無(wú)功監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,闡明其系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)。1分層控制系統(tǒng)電力系統(tǒng)電壓無(wú)功監(jiān)控系統(tǒng)有兩種類型:集中控制和分層分散控制。在集中控制系統(tǒng)中,每個(gè)控制器需要全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息。運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)的電壓分布,然后發(fā)出電壓無(wú)功控制命令。這就要對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制有透徹的了解。如果要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制,對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的要求很高,不僅投資太大,且功能過于集中,風(fēng)險(xiǎn)太大。因此采用這種控制方式的系統(tǒng)很少。分層控制比較適合于電力系統(tǒng)的物理特點(diǎn),因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)本身就分為網(wǎng)調(diào)中心、地調(diào)中心、發(fā)電廠、變電站等層次。分層控制系統(tǒng)也有兩層、三層甚至四層結(jié)構(gòu)。較多的是采用兩層結(jié)構(gòu),其示意圖如圖1所示。第二級(jí)全局控制是根據(jù)全系統(tǒng)信息來(lái)設(shè)定所希望的靜態(tài)整定點(diǎn),第一級(jí)(當(dāng)?shù)?控制則只根據(jù)當(dāng)?shù)匦畔?duì)動(dòng)態(tài)變化作出響應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)基于分離原理,即假設(shè)電力系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)(由第一級(jí)控制驅(qū)動(dòng))和靜態(tài)響應(yīng)(由第二級(jí)控制驅(qū)動(dòng))是可以彼此獨(dú)立控制的。因此,第二級(jí)控制處理較慢的和/或高幅值變化的負(fù)荷波動(dòng)以及協(xié)調(diào)第一級(jí)調(diào)節(jié)器,修改發(fā)電機(jī)一次調(diào)節(jié)器的整定點(diǎn)或樞紐電壓節(jié)點(diǎn)的整定值。而第一級(jí)控制是自動(dòng)的,必須非常迅速動(dòng)作,以處理負(fù)荷波動(dòng)、拓樸改變和偶然事故造成的快速隨機(jī)電壓變化。主要控制對(duì)象是發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)、變電站的有載調(diào)壓變壓器抽頭和電容器/電抗器的投切。2在正常情況下，電壓無(wú)效率2.1基于穩(wěn)定性矩陣的無(wú)功優(yōu)化lp算法以往無(wú)功優(yōu)化計(jì)算都是利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線計(jì)算,這只能為電網(wǎng)無(wú)功設(shè)備的規(guī)劃提供參考。由于這種方法沒有實(shí)時(shí)性,無(wú)法保證電網(wǎng)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在已建立SACDA系統(tǒng)和能提供電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的情況下,就可以考慮實(shí)時(shí)無(wú)功優(yōu)化算法,以達(dá)到網(wǎng)損最小的目的。無(wú)功優(yōu)化算法相當(dāng)多,其中由于線性規(guī)劃(LP)算法收斂塊和解算的魯棒性較好,因而采用較多。但這類算法的數(shù)學(xué)模型中,都涉及求取靈敏度矩陣問題;而靈敏度矩陣本身就是Jacobian陣的逆陣或部分逆陣。在LP的每次選代中,為求取靈敏度矩陣,耗費(fèi)較多機(jī)時(shí),百且未必能取得良好的效果。因此,本系統(tǒng)采用一種不求靈敏度矩陣的無(wú)功優(yōu)化LP算法。這一算法借助采用:調(diào)整發(fā)電機(jī)無(wú)功功率、有載調(diào)壓變壓器抽頭位置及成組投切無(wú)功設(shè)備(電容器和/或電抗器)等措施,使得系統(tǒng)在滿足節(jié)點(diǎn)電壓不越限的情況下,獲得系統(tǒng)網(wǎng)損最小的效果。LP問題的數(shù)學(xué)描述和求解:無(wú)功優(yōu)化的數(shù)學(xué)描述如下:其中,式(1)表示以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)函數(shù);式(2)為L(zhǎng)P問題的主約束,表示無(wú)功源或控制變量無(wú)功增量的不等式約束條件;式(3)則為簡(jiǎn)單約束,即各節(jié)點(diǎn)電壓的限值。式(1)是一個(gè)典型的帶上、下界變量的線性規(guī)劃問題,可以利用帶上、下界變量的修訂單純形法或帶上、下界變量的對(duì)耦單純形法求解。但在電力系統(tǒng)問題中,對(duì)耦單純形法的收斂較快。2.2智能電壓無(wú)功自動(dòng)控制裝置的組成和原理已有的電壓無(wú)功控制裝置大多依靠電壓無(wú)功九區(qū)圖,通過對(duì)電壓和功率因數(shù)的測(cè)量來(lái)決定有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)擋位的升降和(或)電容器組的投切。這種控制策略沒有考慮各變電站參數(shù)的差異和實(shí)際的運(yùn)行工況(負(fù)荷)的變化,以固定不變的方式(九區(qū)圖)對(duì)有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)擋位和電容器組進(jìn)行調(diào)節(jié),就難以達(dá)到預(yù)期的效果,并可能造成頻繁操作和超過每天規(guī)定的開關(guān)動(dòng)作次數(shù)。實(shí)際上,電壓的高低和功率因數(shù)的大小都是模糊量,電壓無(wú)功九區(qū)圖的劃分是運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),不可能精確地估計(jì)出每次調(diào)控后的電壓水平和功率因數(shù)的變化。因此,開發(fā)的智能電壓無(wú)功自動(dòng)控制裝置采用了先進(jìn)的模糊邏輯控制算法。模糊邏輯控制由四部分組成:輸入量模糊化、模糊算法器、模糊判決和去模糊。(1)智能電壓無(wú)功自動(dòng)控制裝置是將變壓器的一次電壓、二次電壓、功率因數(shù)、有功功率和無(wú)功功率作為輸入量,加以模糊化,求出其隸屬度。(2)用數(shù)字仿真程序建立變電站的數(shù)學(xué)模型,對(duì)各種運(yùn)行工況進(jìn)行精確的數(shù)字仿真,然后總結(jié)出模糊控制的規(guī)則?；蚶脤＜医?jīng)驗(yàn)直接獲得規(guī)則,如由九區(qū)圖提取而成的專家經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,用模糊算法通過已知的輸入量求出輸出量,即建立輸入/輸出模糊量的關(guān)系矩陣。(3)模糊判決是根據(jù)輸出模糊量的隸屬度,最終決定模糊控制量。(4)去模糊是把模糊判決得到的模糊控制量還原為實(shí)際控制量,有載調(diào)壓變壓器分接頭擋位和電容器投切的組數(shù)。研制的智能電壓無(wú)功自動(dòng)控制裝置自1998年8月在徐州佟村110kV變電站投運(yùn)以來(lái),運(yùn)行情況良好。江蘇省電力試驗(yàn)研究所的全面性能測(cè)試報(bào)告和佟村變電站用戶報(bào)告都對(duì)該裝置給予了高度評(píng)價(jià)。3在緊急狀態(tài)下，電壓無(wú)效率的控制3.1種新的在線實(shí)時(shí)電壓穩(wěn)定性分析方法電壓崩潰事故雖然少有發(fā)生,但是一旦出現(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果,因此在線安全監(jiān)視是很重要的。系統(tǒng)調(diào)度員重要的職責(zé)是隨時(shí)了解最大負(fù)荷所余下的運(yùn)行極限;了解每日最高預(yù)計(jì)峰荷時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行電壓是否保持在允許的范圍;進(jìn)行關(guān)于電壓穩(wěn)定性的實(shí)用判據(jù)和靜態(tài)安全指標(biāo)的研究是國(guó)內(nèi)外極其關(guān)注的課題,已有大量文獻(xiàn)發(fā)表。作者承擔(dān)了三個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,提出一種新的基于靜態(tài)等值的在線實(shí)時(shí)電壓穩(wěn)定性分析方法和提出了基于最優(yōu)乘子實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)廣域電壓穩(wěn)定性的新理論?；陟o態(tài)等值的在線實(shí)時(shí)電壓穩(wěn)定性分析的原理是,根據(jù)兩點(diǎn)潮流計(jì)算,求出系統(tǒng)戴維南等值電勢(shì)和線路電抗,從而直接計(jì)算出用最優(yōu)乘子預(yù)測(cè)電壓穩(wěn)定性的原理是,利用求解病態(tài)潮流提出的最優(yōu)乘子潮流算法中,當(dāng)最優(yōu)乘子趨向?yàn)榱愕那闆r下對(duì)應(yīng)于Jacobian矩陣奇異這一性質(zhì),選取最優(yōu)乘子作為預(yù)測(cè)因子以預(yù)測(cè)電壓不穩(wěn)定時(shí)的崩潰點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于最優(yōu)乘子的獲得是潮流計(jì)算的附帶量。與傳統(tǒng)潮流計(jì)算相比,幾乎不增加任何其它的計(jì)算量,而且還能給出在電壓崩潰點(diǎn)時(shí)的潮流推薦值,因此能夠在線實(shí)時(shí)運(yùn)行。通過IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為算例,并與奇異值分解預(yù)測(cè)電壓穩(wěn)定性的算法進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果非常一致,從而驗(yàn)證了該方法的正確性。3.2調(diào)節(jié)及補(bǔ)救措施有了在線電壓安全監(jiān)視算法后,就便于提出預(yù)防和緊急情況下的控制措施。只要將措施考慮后,重新計(jì)算電壓穩(wěn)定性指標(biāo),就可預(yù)測(cè)控制后的效果。緊急情況下,調(diào)度員采取的補(bǔ)救措施有:閉鎖有載調(diào)壓分接頭;盡可能投入無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備;在迫不得已時(shí),制