電力系統(tǒng)自動(dòng)電壓控制

序

前言

第一篇 基礎(chǔ)知識(shí)

第1章 緒論 3

1.1 自動(dòng)電壓控制的發(fā)展背景 3

1.2 AVC的發(fā)展歷史 4

1.2.1 基于OPF的兩層控制模式 4

1.2.2 基于分區(qū)的三層控制模式 5

1.2.3 三層電壓控制模式的發(fā)展 6

1.2.4 發(fā)展歷史小結(jié) 10

1.3 AVC的主要挑戰(zhàn) 11

第2章 基礎(chǔ)知識(shí) 14

2.1 基本概念 14

2.1.1 電壓偏移 14

2.1.2 無功功率 15

2.2 電壓水平與無功平衡 20

2.2.1 電壓水平 20

2.2.2 無功平衡 23

2.3 無功電源 23

2.3.1 同步發(fā)電機(jī) 24

2.3.2 同步調(diào)相機(jī)及同步電動(dòng)機(jī) 24

2.3.3 靜電電容器 25

2.3.4 靜止無功補(bǔ)償器 26

2.3.5 高壓輸電線的充電功率 27

2.4 電壓控制措施 27

2.4.1 調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 28

2.4.2 改變變壓器變比 29

2.4.3 利用并聯(lián)無功補(bǔ)償控制電壓 30

2.4.4 利用串聯(lián)無功補(bǔ)償控制電壓 30

2.5 潮流方程與靈敏度分析 32

第二篇 基礎(chǔ)技術(shù)

第3章 自動(dòng)電壓控制模式 37

3.1 引言 37

3.2 分級(jí)遞階電壓控制模式 37

3.3 基于軟分區(qū)的三層電壓控制模式 40

3.4 電壓控制模式的演化關(guān)系 42

3.4.1 理想化最優(yōu)控制模式 43

3.4.2 目標(biāo)解耦性分析 45

3.4.3 時(shí)間解耦性分析 47

3.4.4 空間解耦性分析 50

3.4.5 對(duì)比總結(jié) 55

第4章 在線自適應(yīng)分區(qū)方法 59

4.1 引言 59

4.2 無功源控制空間 61

4.2.1 基本思想 61

4.2.2 控制靈敏度求解 61

4.2.3 無功源空間構(gòu)造過程 64

4.2.4 簡(jiǎn)單示例 65

4.3 基于無功源空間的分區(qū)方法 67

4.3.1 聚類分析 67

4.3.2 算例研究 68

4.4 中樞母線選擇方法 73

4.4.1 原理與算法框架 74

4.4.2 中樞母線的選擇過程 75

4.4.3 算例分析 81

第5章 三級(jí)電壓控制 87

5.1 引言 87

5.2 OPF無功優(yōu)化模型 87

5.3 軟件體系 88

5.4 功能 89

5.5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例 90

5.5.1 聯(lián)絡(luò)線控制效果 90

5.5.2 網(wǎng)損控制效果 92

第6章 二級(jí)電壓控制 95

6.1 引言 95

6.2 不同控制方式下的協(xié)調(diào) 95

6.3 CSVC的基本思想 98

6.4 CSVC的數(shù)學(xué)模型 99

6.4.1 變量說明 99

6.4.2 目標(biāo)函數(shù) 100

6.4.3 約束條件 102

6.4.4 緊急控制模式 103

6.5 仿真算例 104

6.5.1 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng) 104

6.5.2 江蘇實(shí)際電網(wǎng) 106

6.6 功能體系 110

6.6.1 控制策略計(jì)算 110

6.6.2 控制策略執(zhí)行 110

6.6.3 閉鎖設(shè)置 111

第7章 靜態(tài)電壓穩(wěn)定預(yù)警和預(yù)防控制 112

7.1 概述 112

7.2 奇異值分解法 113

7.3 標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)型潮流計(jì)算方法 115

7.3.1 原理簡(jiǎn)介 115

7.3.2 算法細(xì)節(jié) 116

7.4 連續(xù)潮流計(jì)算方法的改進(jìn) 117

7.4.1 潮流計(jì)算中的PV-PQ節(jié)點(diǎn)類型轉(zhuǎn)換邏輯 117

7.4.2 基于動(dòng)態(tài)潮流方程的連續(xù)潮流方法 119

7.5 故障型連續(xù)潮流 123

7.5.1 問題的列式 124

7.5.2 虛擬的靜態(tài)穩(wěn)定臨界點(diǎn) 126

7.6 電壓穩(wěn)定控制的模型和方法 127

7.6.1 控制靈敏度的計(jì)算方法 127

7.6.2 基于連續(xù)線性規(guī)劃的控制模型 128

第三篇 高級(jí)協(xié)調(diào)問題

第8章 多級(jí)控制中心的協(xié)調(diào)控制 133

8.1 概述 133

8.2 基本概念 134

8.2.1 協(xié)調(diào)關(guān)口 134

8.2.2 協(xié)調(diào)變量 136

8.2.3 協(xié)調(diào)約束 136

8.2.4 關(guān)口無功電壓耦合度關(guān)系 139

8.2.5 協(xié)調(diào)關(guān)口組 142

8.3 多級(jí)控制中心協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模式 145

8.4 強(qiáng)耦合的多級(jí)控制中心協(xié)調(diào)優(yōu)化控制 147

8.4.1 特點(diǎn)分析 147

8.4.2 協(xié)調(diào)約束的生成 148

8.4.3 協(xié)調(diào)策略的產(chǎn)生 153

8.4.4 控制策略的執(zhí)行 155

8.4.5 仿真控制效果 159

8.5 弱耦合的多級(jí)控制中心協(xié)調(diào)優(yōu)化控制研究 163

8.5.1 弱耦合特點(diǎn)說明 163

8.5.2 省地協(xié)調(diào)電壓控制弱耦合特性分析 163

8.5.3 省地協(xié)調(diào)中協(xié)調(diào)約束的生成 165

8.5.4 省地協(xié)調(diào)中協(xié)調(diào)策略的產(chǎn)生 170

8.5.5 省地協(xié)調(diào)中協(xié)調(diào)策略的執(zhí)行 174

8.5.6 仿真算例1 176

8.5.7 仿真算例2 179

第9章 安全與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào) 182

9.1 概述 182

9.2 多目標(biāo)優(yōu)化和博弈論 183

9.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化相關(guān)概念 183

9.2.2 博弈論相關(guān)概念 184

9.2.3 基于博弈理論求解多目標(biāo)優(yōu)化 186

9.3 多目標(biāo)無功電壓優(yōu)化模型 188

9.3.1 經(jīng)濟(jì)安全指標(biāo) 188

9.3.2 考慮安全和經(jīng)濟(jì)的多目標(biāo)無功電壓優(yōu)化模型 190

9.3.3 多目標(biāo)無功電壓優(yōu)化模型的Pareto最優(yōu)前沿 191

9.4 多目標(biāo)無功電壓優(yōu)化模型求解 195

9.4.1 基于合作博弈理論求解多目標(biāo)無功電壓優(yōu)化模型 195

9.4.2 傳統(tǒng)模型和新模型最優(yōu)解關(guān)系 202

9.4.3 算例分析 204

9.5 安全方博弈決策的在線方法 212

9.5.1 狀態(tài)變化轉(zhuǎn)移因子特性 212

9.5.2 實(shí)用化的安全方?jīng)Q策方法 224

9.5.3 基于中樞節(jié)點(diǎn)的決策方法 226

9.6 考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的模型與求解方法 229

9.6.1 考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的SCOPF模型 229

9.6.2 考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的M-ROPF模型 230

9.6.3 基于合作博弈理論的模型求解 235

9.6.4 算例分析 241

第10章 支撐大規(guī)模風(fēng)電匯集接入的自律協(xié)同電壓控制 245

10.1 概述 245

10.1.1 背景與技術(shù)挑戰(zhàn) 245

10.1.2 自律協(xié)同控制架構(gòu) 247

10.2 風(fēng)電場(chǎng)AVC子站側(cè)自律控制 249

10.2.1 概述 249

10.2.2 目標(biāo)函數(shù) 251

10.2.3 預(yù)測(cè)模型 252

10.2.4 風(fēng)電場(chǎng)AVC子站功能 254

10.2.5 風(fēng)電場(chǎng)AVC子站接口 255

10.3 系統(tǒng)級(jí)協(xié)同控制 257

10.3.1 概述 257

10.3.2 敏捷二級(jí)電壓控制 258

10.3.3 基于SCOPF的預(yù)防控制 261

10.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例 262

10.4.1 MPC控制效果 262

10.4.2 系統(tǒng)控制效果 268

第四篇 工程實(shí)踐

第11章 與EMS的集成 273

11.1 概述 273

11.2 外掛式集成 274

11.2.1 基本流程 274

11.2.2 IEC61970 CIM模型簡(jiǎn)介 276

11.2.3 CIM模型的自動(dòng)導(dǎo)出與解析 280

11.3 內(nèi)嵌式集成 281

11.3.1 系統(tǒng)框架與數(shù)據(jù)交互 283

11.3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)分析 285

第12章 AVC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究 298

12.1 概述 298

12.2 擴(kuò)展原則 299

12.3 對(duì)現(xiàn)有AVC系統(tǒng)的分析 300

12.4 層次結(jié)構(gòu)描述 301

12.5 與現(xiàn)有CIM結(jié)合 302

12.6 多控制中心之間的標(biāo)準(zhǔn)化信息交互 305

12.6.1 交互信息分析 305

12.6.2 信息模型定義 306

12.6.3 信息交互流程 310

第13章 大規(guī)模電力系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例 313

13.1 華北電網(wǎng)AVC 313

13.1.1 整體架構(gòu) 314

13.1.2 主要功能 315

13.1.3 應(yīng)用情況 317

13.2 南方電網(wǎng)網(wǎng)省地一體化協(xié)調(diào)電壓控制系統(tǒng) 319

13.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 321

13.2.2 南網(wǎng)AVC功能 322

13.2.3 網(wǎng)省地?cái)?shù)據(jù)交互流程 327

13.2.4 應(yīng)用情況 328

13.2.5 小結(jié) 330

13.3 安全與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)的AVC系統(tǒng)在PJM電網(wǎng)的應(yīng)用 330

13.3.1 PJM電網(wǎng)介紹及其電壓控制現(xiàn)狀 330

13.3.2 AVC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 332

13.3.3 控制效果評(píng)估 337

附錄

附錄A IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù) 347

A.1 系統(tǒng)單線圖 347

A.2 運(yùn)行約束 347

A.2.1 正常運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行約束 347

A.2.2 預(yù)想故障設(shè)置及故障后約束 348

A.3 基態(tài)潮流 349

附錄B 電廠側(cè)電壓控制 351

B.1 概述 351

B.2 主站與電廠子站的協(xié)調(diào)策略 351

B.3 接口設(shè)計(jì) 353

B.3.1 子站與主站接口方式 353

B.3.2 子站上位機(jī)與下位機(jī)接口方式 353

B.3.3 子站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式 353

B.3.4 子站與DCS接口方式 354

B.4 功能體系 354

B.4.1 主要功能 354

B.4.2 安全約束條件 355

B.5 主站與子站通信方案 356

附錄C 變電站協(xié)調(diào)優(yōu)化控制 358

C.1 概述 358

C.2 考慮變電站控制資源的協(xié)調(diào)全局優(yōu)化 358

C.3 變電站直控模式 359

C.4 控制策略 360

C.4.1 控制目標(biāo) 360

C.4.2 控制邏輯 361

C.5 功能設(shè)計(jì) 363

C.5.1 變電站控制建模 363

C.5.2 變電站閉環(huán)控制 364

附錄D 海外專家書評(píng) 368

D.1 美國(guó)能源部高級(jí)顧問、國(guó)家工程院院士Anjan Bose教授 368

D.2 美國(guó)國(guó)家工程院院士Joe H. Chow教授 370

D.3 美國(guó)國(guó)家工程院院士Yilu Liu教授 371

D.4 美國(guó)國(guó)家工程院院士Jay Giri博士 372

D.5 美國(guó)國(guó)家工程院院士、IEEE智能電網(wǎng)匯刊創(chuàng)刊主編Mohammad Shahidehpour教授 373

D.6 IEEE電力與能源協(xié)會(huì)主席Saifur Rahman教授 374

D.7 IEEE電力與能源協(xié)會(huì)前任主席Miroslav Begovic教授 375

D.8 IEEE電力系統(tǒng)匯刊主編 Nikos Hatziargyriou教授 376

D.9 IEEE可持續(xù)能源匯刊主編Bikash Pal教授 377

D.10 IEEE智能電網(wǎng)匯刊主編Jianhui Wang博

2100433B

《電力系統(tǒng)自動(dòng)電壓控制》系統(tǒng)闡述了現(xiàn)代大規(guī)模電力系統(tǒng)自動(dòng)電壓控制的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用?！峨娏ο到y(tǒng)自動(dòng)電壓控制》分為四篇共13章。第一篇基礎(chǔ)知識(shí)；第二篇基礎(chǔ)技術(shù)，包括控制模式、在線自適應(yīng)分區(qū)、三級(jí)電壓控制、二級(jí)電壓控制、靜態(tài)電壓穩(wěn)定預(yù)警等；第三篇介紹自動(dòng)電壓控制中的高級(jí)協(xié)調(diào)問題，包括多級(jí)控制中心協(xié)調(diào)、安全與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)、支撐大規(guī)模風(fēng)電匯集接入的自律協(xié)同電壓控制；第四篇工程實(shí)踐，包括與 EMS 的集成、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、大規(guī)模電力系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例等。

電力系統(tǒng)的負(fù)荷是經(jīng)常變化的，有的是有規(guī)律性的，如隨著工廠的上班負(fù)荷會(huì)增加；有的是隨機(jī)的，如某條輸電線突然跳閘。負(fù)荷發(fā)生變化后，系統(tǒng)的頻率將隨之變化。為了維持系統(tǒng)的頻率，就需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，使頻率恢復(fù)到原先的水平，也就是期望的水平，當(dāng)然允許一定的誤差。這個(gè)誤差隨系統(tǒng)規(guī)模的大小而變。一般來說，大系統(tǒng)允許的誤差要小些，如0．1Hz，小系統(tǒng)允許的誤差大些。嚴(yán)格地說，負(fù)荷發(fā)生變化后，不僅頻率受到影響，電壓也受到影響。因此，有功功率的控制與無功功率的控制是有聯(lián)系的。但相應(yīng)的系統(tǒng)靈敏性分析表明：

(1)有功功率的不平衡主要影響系統(tǒng)頻率，基本上不影響系統(tǒng)母線電壓。

(2)無功功率的不平衡主要影響系統(tǒng)母線電壓，基本上不影響系統(tǒng)頻率。 　因此，通常將有功功率控制與無功功率控制分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的問題來處理。這種分割在分析系統(tǒng)小波動(dòng)時(shí)是合適的，如果系統(tǒng)發(fā)生大波動(dòng)，頻率和電壓偏差都比較大，相互獨(dú)立的假設(shè)就不再成立。電力系統(tǒng)的自動(dòng)發(fā)電控制不涉及系統(tǒng)大波動(dòng)情況，屆時(shí)，它將自動(dòng)退出控制。因此，我們只研究小波動(dòng)時(shí)的情況，可以將自動(dòng)發(fā)電控制與自動(dòng)電壓控制分別單獨(dú)處理?，F(xiàn)在，我們深人地分析系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化以后的情況。

一旦某條輸電線跳閘或突然有一批負(fù)荷增加到系統(tǒng)中，出力與負(fù)荷的不平衡首先由系統(tǒng)的慣性存儲(chǔ)的能量來補(bǔ)償，這導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的下降。系統(tǒng)頻率下降后，一些負(fù)荷(如電動(dòng)機(jī)負(fù)荷)也會(huì)隨之下降，因此，新的平衡有可能在較低的新頻率下達(dá)到。如果不平衡值不大的話，此效果能阻止系統(tǒng)頻率的下降，通常這在不到2s的時(shí)間內(nèi)完成。如果出力與負(fù)荷的不平衡值比較大，導(dǎo)致頻率偏差超過了機(jī)組調(diào)速器的死區(qū)，調(diào)速器將動(dòng)作，增加機(jī)組的出力以減小系統(tǒng)頻率的偏差，我們通常稱之為一次性調(diào)節(jié)。調(diào)速器的動(dòng)作和負(fù)荷因頻率下降而減少，補(bǔ)償了出力與負(fù)荷的不平衡，就可能達(dá)到新的平衡。這種新平衡通常在10s左右時(shí)間完成。

《電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制(AVC)技術(shù)及案例分析》對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制（AVC）技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果進(jìn)行了總結(jié)和提煉，結(jié)合作者多年對(duì)無功優(yōu)化在線控制理論的研究和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，充分闡述了自動(dòng)電壓控制中的建模、算法、控制等理論問題，以及在實(shí)際工程中的一些工程化的特別處理方法。此外，還對(duì)長(zhǎng)久以來電力系統(tǒng)中爭(zhēng)執(zhí)不下的無功優(yōu)化和電壓穩(wěn)定的關(guān)系等問題進(jìn)行了討論，并提出了自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)在面對(duì)智能電網(wǎng)時(shí)可能遇到的問題和解決方法。

《電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制(AVC)技術(shù)及案例分析》適合于電力系統(tǒng)管理人員、研發(fā)人員，以及高等院校相關(guān)專業(yè)本科生和研究生閱讀。