CN104810840A - 一种全网电压无功优化控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全网电压无功优化控制系统，该系统包含：数据采集单元，用于获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；分析判断单元，与所述数据采集单元连接，用于根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；控制执行单元，与所述分析判断单元连接，用于根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切，以使电压控制在规则限定的范围内。本发明还公开一种全网电压无功优化控制方法，能够实现全网电压合格并且网损尽量小，实现有载调压变压器分接档位调节和电容器投切合理。

Description

一种全网电压无功优化控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种全网电压无功优化控制系统及其控制方法。

背景技术

电压是电能质量的重要指标，电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与寿命有重要的影响。电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电压质量的基本条件，有效地控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且提高了电力系统运行的稳定性和安全性，降低电能损耗，充分发挥电能经济效益。

同有功一样，无功作为电力网络所提供电力服务的一个重要组成部分必须供给用户。在电力系统中，电压质量和无功功率的分布有着不可分割的关系，电力系统的运行电压取决于无功功率的平衡，如果系统内无功功率不足，将使电压水平低下，系统有扰动的情况下，就有可能使电压低于临界电压，产生电压崩溃，从而导致系统发生因失去同步而瓦解的灾难性事故。在超高压电网中由于线路充电功率很大，有可能使电压过高，危及电力系统的安全及系统运行的稳定。如1978年12月19日法国大停电，1983年12月27日瑞典大停电，1987年7月23日东京大停电都是由于高峰负荷使无功功率不足造成电压崩溃，从而造成系统重大事故。

因此，为了保证电能质量和提高电网的电压合格率，就应增强对电压无功的调控能力，它的合理调整对电网的输送能力，稳定水平，电能的损耗和供电电压的质量将有极大的影响。运用电压无功的合理调节手段，可保证电力部门及用户总体设备的运行指标达到最佳状态。而且随着电力系统自动化程度的不断提高，电压无功优化控制将越来越得到人们的重视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全网电压无功优化控制系统及其控制方法，能够实现全网电压合格并且网损尽量小，实现有载调压变压器分接档位调节和电容器投切合理。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种全网电压无功优化控制系统，其特点是，包含：

数据采集单元，用于获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；

分析判断单元，与所述数据采集单元连接，用于根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；

控制执行单元，与所述分析判断单元连接，用于根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切，以使电压控制在规则限定的范围内。

所述的数据采集单元包含SCADA子系统及省网AVC子系统，其中所述SCADA子系统用于获取全网实时运行数据，所述省网AVC子系统用于获取省网关口分时段考核指标。

所述的省网关口分时段考核指标为220kV母线电压约束和功率因数约束。

所述的分析判断单元为地网AVC子系统，用于分析并判断是否有母线电压或者省网关口功率因数越限。

所述的控制执行单元包含电压校正模块、功率因数校正模块及全网无功优化模块，分别与所述分析判断单元连接，其中电压校正模块用于当电压越限时进行电压校正，所述功率因数校正模块用于当功率因数越限时进行功率因数校正，所述全网无功优化模块用于当电压及功率因数均为越限时进行全网无功优化。

一种全网电压无功优化控制方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；

S2、根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；

S3、根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切。

所述的步骤S2具体包含：

S2.1、判断电压是否越限；

S2.1.1、若是，则采用灵敏度矩阵对电压进行校正，并输出遥控遥信指令；

若否则执行步骤S2.3；

S2.2、判断功率因数是否越限；

S2.2.1、若是，则对功率因数进行校正，并输出遥控遥信指令；

若否则执行步骤S2.3；

S2.3、进行全网无功优化，并输出遥控遥信指令。

所述的步骤S2.2.1包含：

S2.2.1.1、判断是否有最优方案；

S2.2.1.2、若有，则采用最优方案对功率因数进行校正，并输出遥控遥信指令；

S2.2.1.3、若无，则采用灵敏度矩阵对电压进行校正，并输出遥控遥信指令。

所述的步骤S2.3包含：

S2.3.1、判断是否有最优方案；

S2.3.2、若有，则采用最优方案对全网进行无功优化，并输出遥控遥信指令；

S2.3.3、若无，则采用逆调压方式对全网进行无功优化，并输出遥控遥信指令。

本发明一种全网电压无功优化控制系统及其控制方法与现有技术相比具有以下优点：采用集中或自动控制方式，依据全网无功补偿设备和调压设备的状态及电网的运行参数实时计算、分析和决策全网无功补偿设备和调压设备的综合协调，形成相关控制指令，由操作控制系统执行，实现对全网电压无功优化控制，能够实现全网电压合格并且网损尽量小，实现有载调压变压器分接档位调节和电容器投切合理。

附图说明

图1为本发明一种全网电压无功优化控制系统；

图2为本发明一种全网电压无功优化控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种全网电压无功优化控制系统，包含：数据采集单元100，用于获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；分析判断单元200，与所述数据采集单元100连接，用于根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；控制执行单元300，与所述分析判断单元200连接，用于根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切，以使电压控制在规则限定的范围内。所述的数据采集单元100包含SCADA子系统101及省网AVC子系统102，其中所述SCADA子系统101用于获取全网实时运行数据，所述省网AVC子系统102用于获取省网关口分时段考核指标；其中省网关口分时段考核指标主要为220kV母线电压约束和功率因数约束。

较佳地，在本发明的较佳实施例中，所述的分析判断单元200为地网AVC子系统，用于分析并判断是否有母线电压或者省网关口功率因数越限。

较佳地，在本发明的较佳实施例中，所述的控制执行单元300包含电压校正模块301、功率因数校正模块302及全网无功优化模块303，分别与所述分析判断单元200连接，其中电压校正模块301用于当电压越限时进行电压校正，所述功率因数校正模块302用于当功率因数越限时进行功率因数校正，所述全网无功优化模块303用于当电压及功率因数均为越限时进行全网无功优化。

如图2所示，一种全网电压无功优化控制方法，包含以下步骤：

S1、获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；

S2、根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；

S2.1、判断电压是否越限；

S2.1.1、若是，则采用灵敏度矩阵对电压进行校正，并输出遥控遥信指令；

若否则执行步骤S2.3；

S2.2、判断功率因数是否越限；

S2.2.1、若是，则对功率因数进行校正，并输出遥控遥信指令，具体包含；S2.2.1.1、判断是否有最优方案；

S2.2.1.2、若有，则采用最优方案对功率因数进行校正，并输出遥控遥信指令；

S2.2.1.3、若无，则采用灵敏度矩阵对电压进行校正，并输出遥控遥信指令；

若否则执行步骤S2.3；

S2.3、进行全网无功优化，并输出遥控遥信指令，具体包含；

S2.3.1、判断是否有最优方案；

S2.3.2、若有，则采用最优方案对全网进行无功优化，并输出遥控遥信指令；

S2.3.3、若无，则采用逆调压方式对全网进行无功优化，并输出遥控遥信指令；

S3、根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切。

具体地，地网AVC按照一定的周期从SCADA系统获取实时数据，并从省网AVC系统接收省网关口分时段考核指标(主要是220kV母线电压约束和功率因数约束)；接收到数据后，然后进行网络拓扑分析，分析是否有母线电压或者省网关口功率因数越限，如果有，则跳到相应的模块进行处理，如果没有数据越限，则进行全网无功优化分析；由于全网无功优化时间比较长，如果有数据越限，则立即终止全网无功优化来进行数据越限校正。

要实现全网无功优化，为确保最优化算法收敛成功率，“AVC系统”应接收状态估计数据。

在线实时全网无功优化模型：

无功优化控制系统模型，不考虑投资因素，所以取模型的目标值为系统网损最小

         (1-1)

同时要满足以下等式约束条件和不等式约束条件：

节点电压约束

         (1-2)

        为母线电压，min指最小值，max指最大值，以下同。

省网关口功率因数约束：

         (1-3)

        省网关口功率因数，在本文中指220kV变电所的高压端功率因数值。

发电机无功出力约束：

        (1-4)

有载调压分接头档数调节上下限：

        (1-5)

设备动作次数上限：

        (1-6)

其中，有动作次数约束的设备包括电容器、电抗器、有载调压分接头。

功率方程约束：

         (1-7)

         (1-8)

其中，所有节点 i都需要满足有功方程；所有 PQ节点都需要满足无功方程；－为节点导纳阵元素；－第 i条母线的电压；为母线 i和母线j的电压相角差；和为母线 i上所带发电机的有功功率和无功功率； 和为母线 i上所带负荷的有功功率和无功功率；h为与节点 i相连的节点集，包括节点i。

在线实时无功优化系统就是在满足式(1-1)～(1-8)约束条件下，寻找网损最小的无功潮流最优分布方案，包括投切电容器、电抗器、发电机无功出力、调节有载调压分接头。

因为式(1-1)无法直接求出，考虑到(1-1)～(1-6)的不等式约束条件，将其转换为如下形式：

minF=Ploss+ (1-9)

其中，－约束方程的个数；－惩罚因子；－罚函数。

罚函数的构造形式如下，以节点电压约束为例。

         (1-10)

          (1-11)

节点无功变化对系统网损的灵敏度

对于无功优化问题，必须求得配电网中节点无功变化对系统有功网损的灵敏度系数，选灵敏度较高的节点作为无功补偿的候选投切点，从而尽可能从降低线损的角度来控制设备动作。

系统的总有功网损为:

         (1-12)

由式(1-12)和潮流方程得节点无功变化对系统网损的灵敏度为

         (1-13)

式(1-13)中，－节点注入无功；－节点电压幅值；－相角；

进行变化得

         (1-14)

于是可得

         (1-15)

最后得

         (1-16)

系统第i个节点，有

         (1-17)

         (1-18)

        为灵敏度矩阵，中的各元素可由牛顿-拉夫逊法潮流计算中的雅可比矩阵求得。在求得各节点的灵敏度系数后，按灵敏度从高到低依次选取设备进行操作。

节点无功变化对节点电压的灵敏度

很显然，在无功电压控制中，投切电容器电抗器必将引起电网中各节点电压的变化，为了控制的正确性，必须知道节点无功变化对电网中节点电压的灵敏度。

由潮流方程：

         (1-19)

式（1-19）为用传统牛顿法求解潮流时所用的雅可比矩阵，令有功注入保持恒定，即式 (1-19)中的 ΔP≡ 0，得

         (1-20)

令

         (1-21)

则

         (1-22)

其中为Q-V灵敏度矩阵， 其元素 表示PQ节点 j处的无功功率注入变化一个单位时，节点 i处的电压幅值的变化量。

关于220kV母线电压校正主要实现以下功能：

220kV母线电压越警戒下限，首先考虑切本站电抗器，其次考虑投本站电容器，如果本站无调节手段，在确保子站电压合格的情况下，将调节子站设备，首先切子站电抗器，其次考虑投子站电容器。

220kV母线电压越警戒上限，首先考虑切本站电容器，其次考虑投本站电抗器，如果本站无调节手段，在确保子站电压合格的情况下，将调节子站设备，首先考虑切子站电容器，其次考虑投子站电抗器。

220kV母线电压越考核下限，首先考虑切本站电抗器，其次考虑投本站电容器，确保本站用户侧母线电压不越限，功率因数合格；如果本站无调节手段，在确保子站电压合格的情况下，将首先考虑切子站电抗器，其次考虑投子站电容器， 且确保上级220kV变电所功率因数合格。

220kV母线电压越考核上限，首先考虑切本站电容器，其次考虑投本站电抗器，确保本站用户侧母线电压不越限，功率因数合格；如果本站无调节手段，在确保子站电压合格的情况下，将首先考虑切子站电抗器，其次考虑投子站电容器，且确保上级220kV变电所功率因数合格。

220kV变电所用户侧电压（10kV）越下限，首先考虑切本站电抗器，其次考虑投本站电容器，最后考虑调节本站主变分接头升档，预算确保下级变电所10kV母线电压不越限。

220kV变电所用户侧电压（10kV）越上限， 首先考虑切本站电容器，其次考虑投本站电抗器，最后考虑调节本站主变分接头降档，预算确保下级变电所10kV母线电压不越限。

220kV变电所中压侧（35kV、110kV）电压越下限，首先考虑切本站电抗器，其次考虑投本站电容器，最后考虑调节本站主变分接头升档，确保本站功率因数合格，用户侧母线电压合格，子站用户侧电压合格。

220kV变电所中压侧（35kV、110kV）电压越上限，首先考虑切本站电容器，其次考虑投本站电抗器，最后考虑调节本站主变分接头降档，确保本站功率因数合格，用户侧母线电压合格，子站用户侧电压合格。

关于功率因数校正主要实现以下功能：

220kV变电所功率因数越下限，首先考虑切本站电抗器，其次考虑投本站电容器，如本厂站无手段，则切子站电抗器，其次考虑投子站电容器，确保所有厂站用户侧母线电压合格。

220kV变电所功率因数越上限，首先考虑切本站电容器，其次考虑投本站电抗器，如本厂站无手段，则切子站电容器，其次考虑投子站电抗器，确保所有厂站用户侧母线电压合格。

关于逆调压处理主要实现以下功能：

        

	爬坡	平稳	下降
				高峰－腰荷临界点	先考虑投电容，无手段再考虑升分接头	设备不动作	考虑降分接头
腰荷－低谷临界点	先考虑升分接头，无手段再考虑投电容	设备不动作	先考虑切电容，无手段再考虑降分接头
				高峰－低谷临界点	先考虑投电容，无手段再考虑升分接头		先考虑切电容，无手段再考虑降分接头

根据负荷预报确定下一天全网范围内各个220kV变电所负荷变化趋势，优化分配220kV主变分接头一天中的动作次数，确保主变分接头开关的动作最合理。

关于非220kV变电所电压校正主要实现以下功能：

10kV侧母线电压越上限运行，处在不合理范围时，分析同电源、同电压等级变电所和上级变电所电压情况，决定是调节本变电所内设备还是调节上级电源变电所内设备，做到多级电压协调控制：10kV电压越上限，同时无功过补偿，将切本站电容器；10kV电压越上限，同时无功过补偿，无电容可切时，将降档；10kV电压越上限，而无功欠补偿，将降档；10kV电压越上限，而无功欠补偿，变压器档位不能降，将切电容；10kV电压越上限，而本厂站无调节手段，调节上级变电所变压器（确保不会导致下级变电所和本变电所10kV母线电压越限）。

某变电所10kV侧母线电压越下限运行，处在不合理范围时，分析同电源、同电压等级变电所和上级变电所电压情况，决定是调节本变电所内设备还是调节上级电源变电所内设备，做到多级电压协调控制：10kV电压越下限，同时无功欠补偿，将投电容器；10kV电压越下限，同时无功欠补偿，无电容可投时，将升档；10kV电压越下限，而无功过补偿，将升档；10kV电压越下限，而无功过补偿，变压器档位不能升，将投电容；10kV电压越下限，而本厂站无调节手段，调节上级变压器（确保不会导致下级变电所和本变电所10kV母线电压越限）。

关于全网优化补偿无功功能：

同电压等级不同变电所电容器组根据计算决策哪一组优先投入。

同变电所不同容量电容器组根据计算决策哪一组优先投入。

同容量的电容器组循环投切。

无功同层平衡，确保上一级变电所无功不倒送，本变电所电压不越限的情况下尽量投入电容器，允许适量的无功过补偿，尽量投入电容降低网损。

变电所无功欠补偿，投入电容器后导致母线电压越上限，考虑降档再投电容。

变电所无功过补偿，电容器切除后导致母线电压越下限，考虑升档再切电容。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种全网电压无功优化控制系统，其特征在于，包含：

数据采集单元，用于获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；

分析判断单元，与所述数据采集单元连接，用于根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；

控制执行单元，与所述分析判断单元连接，用于根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切，以使电压控制在规则限定的范围内。

2.如权利要求1所述的全网电压无功优化控制系统，其特征在于，所述的数据采集单元包含SCADA子系统及省网AVC子系统，其中所述SCADA子系统用于获取全网实时运行数据，所述省网AVC子系统用于获取省网关口分时段考核指标。

3.如权利要求2所述的全网电压无功优化控制系统，其特征在于，所述的省网关口分时段考核指标为220kV母线电压约束和功率因数约束。

4.如权利要求1所述的全网电压无功优化控制系统，其特征在于，所述的分析判断单元为地网AVC子系统，用于分析并判断是否有母线电压或者省网关口功率因数越限。

5.如权利要求1所述的全网电压无功优化控制系统，其特征在于，所述的控制执行单元包含电压校正模块、功率因数校正模块及全网无功优化模块，分别与所述分析判断单元连接，其中电压校正模块用于当电压越限时进行电压校正，所述功率因数校正模块用于当功率因数越限时进行功率因数校正，所述全网无功优化模块用于当电压及功率因数均为越限时进行全网无功优化。

6.一种全网电压无功优化控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、获取全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态；

S2、根据全网的实时运行数据及全网无功补偿设备和调压设备的状态进行实时计算、分析以得出相关控制指令；

S3、根据分析判断单元的控制指令控制全网范围内的有载调压变压器分接档位调节和电容器投切。

7.如权利要求6所述的全网电压无功优化控制方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包含：

S2.1、判断电压是否越限；

S2.1.1、若是，则采用灵敏度矩阵对电压进行校正，并输出遥控遥信指令；

若否则执行步骤S2.3；

S2.2、判断功率因数是否越限；

S2.2.1、若是，则对功率因数进行校正，并输出遥控遥信指令；

若否则执行步骤S2.3；

S2.3、进行全网无功优化，并输出遥控遥信指令。

8.如权利要求7所述的全网电压无功优化控制方法，其特征在于，所述的步骤S2.2.1包含：

S2.2.1.1、判断是否有最优方案；

S2.2.1.2、若有，则采用最优方案对功率因数进行校正，并输出遥控遥信指令；

S2.2.1.3、若无，则采用灵敏度矩阵对电压进行校正，并输出遥控遥信指令。

9.如权利要求7所述的全网电压无功优化控制方法，其特征在于，所述的步骤S2.3包含：

S2.3.1、判断是否有最优方案；

S2.3.2、若有，则采用最优方案对全网进行无功优化，并输出遥控遥信指令；

S2.3.3、若无，则采用逆调压方式对全网进行无功优化，并输出遥控遥信指令。