电力系统电压无功综合自动控制_开题报告

电压质量是衡量一个国家电能质量的重要指标。当系统的无功功率输出不足时，将会造成降低电网中的电压，产生电压无功，导致用户的用电装置将无法正常运行甚至损坏，严重威胁用户的人身财产安全；当系统无功功率运行过剩时，就会造成电网中电压升压的电压无功，易造成电压击穿，提高了电网和用户的用电装置的绝缘性能要求，不仅造成资源浪费，还可能对电网安全造成威胁；同时，过高水平的电压负荷还会使电动机、有载调压变压器等装置的铁心饱和、造成装置损耗增大、自然寿命大幅缩短，电力系统正常运行的经济成本增大，给人们的生产生活造成诸多不便之处。

（一） 课题研究的目的与意义

电压无功自动控制简称AVC,它是电网安全、优质和经济运行的重要手段。

随着我国国民经济GDP的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展。同时电力系统的无功问题也已逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。

电力系统常由于感性负载过重，造成感性无功过大，电能质量下降，功率因数过低。为提高电能质量和功率因数，维护电力系统安全、稳定地运行，常需在低压侧装设无功补偿装置。

据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算成线损电量约为1200亿千瓦时。假设全国电力网负载总功率因数为0.85，采用无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线损约240亿千瓦时。近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也与日俱增。由于无功功率同有功功率一样，是保证电能质量不可分割的一部分。所以在电力系统中需要进行无功功率补偿，这对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义。

（二）课题国内发展现状

国内对于系统范围无功电压自动控制的研究已经处于快速发展阶段，研究方向主要集中在无功电压优化控制算法、优化闭环控制、仿真分析和无功电压管理等方面。

较早以前，国内大部分在线运行的无功电压控制装置基本都是以就地无功电压控制为目标，其控制原理以九区图为基础，仅保证就地无功电压控制在上下范围内，可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利影响。另外，这些装置也不具有网络联调功能，不能实现全网无功电压的优化控制。

目前，福建、河南、江苏、安徽、辽宁和湖北等省网都已经实现无功电压的优化控制，每个系统都有其优缺点，例如普遍存在动态分区结果不实用、三级控制鲁棒性不高等问题，这些都是以后AVC研究中亟待解决的问题。即使这样，各省网AVC系统实践表明，AVC系统的推广应用确实有助于提高系统的电压质量及安全稳定运行水平，并降低网损，同时可减轻运行人员频繁调整无功的工作量。

（三） 课题国外发展现状

目前国外典型的无功优化控制系统组织结构，均是基于SCADA (数据采集与监控系统的无功优化控制系统）。

1 . 德国RWE电力公司采用的两级组织结构。在调度控制中心，基于SCADA、状态估计和在线潮流等决策支持的无功最优潮流（OPF),实时地运行于EMS (电能管理系统）的最高层次上，调度运行人员根据实时无功化潮流的结果，下令调整系统中发电机发出的无功功率、有载调压变压器的分接头档位，控制并联电容器、电抗器组的投切，实现运行约束下的网损最小，一天当中控制几次，是一种开环的控制方式。二级结构中，最优潮流是整个优化控制的核心。由于最优潮流本身控制变量多、计算复杂度高、决策周期长，而且应用于EMS的最高层次上，使它对EMS的各软、硬件环节的运行质量和运行可靠性有较高的要求，所以调度人员的负担很重，运行可靠性难以保证。

2 . 欧洲许多电力公司（如法国EDF等）普遍采用的三级组织结构。该类控制系统 完整地实现了无功、电压的三个控制级别：三级控制协调二级控制，二级控制协调一级控制。一级控制系统是由发电机、调相机等具有快速反应能力的无功源和就地的VQC组成， 是一种面向电压安全的快速的自动控制，响应时间很短。二级控制是由多个分布在电力系统各区域控制中心的相互独立的区域电压控制器（SVC)组成。每个SVC负责一个独立的区域，根据无功、电压的区域性和控制灵敏度，协调区域内一级控制器的行为。它主要通过修改一级电压控制器的整定值，将区域内的一个或几个重要枢纽母线（P: LOT BUS, 也有文献称为先导节点）的电压控制在给定值，同时保证区域内的无功可控裕度。电压的二级控制中关键的问题是如何选择枢纽母线和控制发电机、控制分区的确定方法及控制策略的研究，这是这一领域的研究热点。三级控制系统则是以控制中心的EMS作为决策支持，通过修改区域控制器的整定值，来协调控制器的动作，以实现全局的最优控制。该系统通过分段和分区，实现了电压的多目标控制。

3 . 这种欧洲普遍采用的三级组织结构在我国实现有一定的困难，因为区域控制器是固定的硬件装置，很难适应电力系统的不断发展和运行状态的较大变化，而且需要投入大量资金进行区域控制器的研发。这些系统也存在许多不足之处：

①它们没有充分考虑无功源的分散性，而试图在全网用一个最优化目标来指挥不同性质的无功设备，这些设备有电力电子式的，也有机械式的， 动作死区不一样，因此动作速度也不一样，满足不了最优化的所需的条件；

②难以确定多大、有多少无功装置的系统适宜于这些集中式控制系统，正如“主导带点”的浮动性一样，

 ③第三层如果再包含电压稳定性监视和监控功能，那么电压、无功系统所有任务都会落在第三层，而不能满足无功、电压目标在层次上的不同要求。

因此，如何构建一个分层次、 充分考虑各类不同性质的当地无功控制和系统级的协调系统是未来电压、无功实时系统的 方向，也符合基于INTERNET网络计算的方向。

（四）课题的前景展望

1 . 发展人机交互。随着科技的进步，实现电压无功自动控制装置的软件功能与人机界面设计是未来的主要发展趋势之一。未来，电压无功自动控制装置主要向友好的人机交互界面、优良的适应性、安全的防护系统等方面发展。另外就是

实现自动预警和控制系统功能的完善、实施无功功率的动态补偿等。

2 . 进一步达到维持电力系统中功率平衡目的。此举是为了能够保证电力系统的正常运行。在能够保证电源输出的无功功率大于符合消耗的无功功率和线路的网损的基础上，采用分级处理的方式。

3 . 减少电压无功自动控制装置的调节次数。这点需要加强控制装置对电压与无功的实时调控能力，而想要达到这个目标需要充分利用现有的调节电压与无功设备，在优化调控措施的同时降低无效的调节动作。需要对调节次数的上限进行设定。

二、^范文提纲

电压无功对用户和电力系统安全稳定、电能质量和经济运行至关重要。从电力系统潮流计算和电力系统综合负荷电压静态特性得知，电压与无功功率密切关系。无功功率不足系统电压将下降，反之将上升。过高电压和过低电压将影响到用户和电力系统本身的正常工作。电压过高，用户的用电设备的绝缘将受到威胁；电压过低，用户的电器设备的正常工作受到影响。对于电力系统本身，电压过低除了影响到电力系统的发电厂辅机正常工作外，还影响到电力系统电压的稳定问题。故电力系统电压保持在质量范围里至关重要。

1 . 电压无功综合控制的主要方式

1.1 集中控制方式 

集中控制是指在调度中心对各个配电中心的调压设备和无功补偿设备进行统一控制。但在我国目前各变电站的基础自动话层次不一的情况下，实现全系统的集中优化控制难度还比较大。 

1.2分散控制 

分散控制是我国当前进行电压无功综合控制的主要方式。分散控制对提高受控站供电范围内的电压质量和降低局部网络的电能损耗，减轻人员的操作很有价值，但它只能实现局部优化，无法实现全局优化。 

1.3关联分散控制方式 

关联分散控制是指在正常运行情况下，由安装在各站的关联分散控制装置根据设计好的控制规律对电压进行控制，但是这种方式需要采用专门的关联分散控制装置，这就会带来投资成本的增加。

2 .电压无功控制判据策略

电压无功控制其实是一个多目标（电压合格、无功平衡）及多约束的最优控制问题。但是，对于这个多输入多输出的闭环控制系统（MIMO）,实际上很难建立精确的数学模型。目前所采用的实用有效的控制策略是根据工程实用算法得到的。按控制策略的不同可分为以下几种：

2.1单一控制策略

2.1.1按功率因素控制

功率因素数值实时变化是在一定范围内的，以功率因素作为判据。

2.1.2按电压控制

   电压控制是通过实施监控母线电压的变化。但是这种判据忽略了无功功率因数平衡这个要求，虽然对母线电压的调节取得了一定的效果，但是在无功功率补偿问题上，作用并不明显。

2.2综合控制策略

2.2.1按电压和昼夜时间负荷控制

此方法是通过研究采集到的变电站的日负荷曲线变化特点，然后通过给曲线分段来确定负荷时段分布的。此方法的适应性较差，只适和变电站的负荷比较稳定的情况，而且随着季节和负荷的不断变化，负荷时段的划分需要进行相应调整。

2.2.2按电压综合控制有载分接开关和电容器组

这种方案比仅调节电容的方案好一些，但仍没有考虑无功的补偿效果，且调节过程也不合理，

2.2.3 按电压和功率因数复合控制   

按电压、功率因数复合控制构成的判据有两种判别方式，一是以电压以主，功率因数为辅，另一种是以电压和功率因数作为两个并行的判据。

2.2.4电压和无功综合控制

   利用电压和无功构成综合判据，按照电压上、下限和无功上、下限将运行区域划分为九个区，形成了目前应用最广泛的“九区图”控制理论。

2.3基于人工智能的电压无功控制策略

2.3.1基于模糊控制理论的电压无功控制原理

 模糊算法所需信息量少、计算量小，且能很好的反映电压的变化情况，容易在线实现，在模糊控制下，系统的电压性能及稳定性均有令人满意的控制效果。

2.3.2基于人工神经网络负荷预测的电压无功控制原理

利用神经网络技术，分析电压发生变化的原因和趋势，确定综合控制策略，能大大减少调节次数。

2.3.3基于专家系统的电压无功控制原理

专家系统针对具体的变电站配置情况、电压等级、系统运行时段，模拟专家决策的过程，根据规则综合、智能地调节无功电压，从而达到预期的控制目标。

2.3.4基于遗传算法的电压无功控制原理

遗传算法具有较高的鲁棒性和广泛的适应性，对求解问题几乎没有什么限制，也不涉及常规优化问题求解的复杂数学过程，并能够获得全局的最优解集，因此在电力系统研究涉及优化问题的领域中得到了广泛的应用。

3 . 关键技术

电压无功自动综合控制的关键技术和难点在于包括实时数据的准确性、安全监测指标的计算、实时无功电压优化方法、动态电压分区、中枢节点的选择、控制策略的协调、区域内控制策略的优化、静态电压预防控制，以及模态分析、指标计算方法、故障筛选和排序方法等。

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