电力系统控制剖析

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1、电力系统控制讲座,周念成,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,1、电力系统控制概述,电力系统运行控制的目标（八字目标） 安全、优质、经济、环保 1）保证电力系统运行的安全 2）保证电能符合质量标准 3）保证电力系统运行的经济性 4）保证符合环境保护的要求,1、电力系统控制概述,现代电力系统2个发展方向 1）电网互联（庞大的跨区域输电、单机容量越来越大、高压直流输电容量比例变大） 2）分布式发电接入及微电网 电力系统中的可控点 1）发电机：调速器（P）、励磁（Q） 2）变压器：档位（变比，调节U） 3）断路器：投切发电机/变压器/

2、线路/负荷/电容器/电抗器等等 4）其他补偿设备：SVC/调相机等,控制的 复杂性,1、电力系统控制概述,三大自动控制系统（3A系统） 1）自动发电控制（AGC） 2）自动电压控制（AVC） 3）自动稳定控制（ASC）,1、电力系统控制概述,自动发电控制（AGC） 利用调度监控计算机、通道、远方终端、执行（分配）装置、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监测、调整电力系统的频率，以控制发电机出力。 它是电力系统调度自动化的主要内容之一。,1、电力系统控制概述,自动电压控制（AVC） 指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功电压情况，进行在线优化计算，分层调节控制电网无功电源及变压器分接头，

3、调度自动化主站对接入各节点的无功补偿可控设备实行实时的最优闭环控制，满足全网安全电压约束条件下的优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小。 系统电压的全局控制分为三个层次，一级电压控制、二级电压控制、和三级电压控制。,1、电力系统控制概述,自动稳定控制（ASC） 为防止电力系统出现稳定事故而采取的控制措施。 如为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制 切机、切负荷、解列等等,1、电力系统控制概述,电力系统的运行状态,1、电力系统控制概述,正常状态 首要任务是监视不断变化的电力系统运行状态（发电机出力、母线电压、系统频率、线路潮流、系统间交换功率)。 根据日负荷曲线调节运行方式和进行正常的操作控制

4、（如启停发电机、调节发电机出力、调整变压器分接头等），使系统运行参数维持在规定范围内，以满足对负荷正常供电需要。 在正常运行状态时应注意和及早发现电力系统由正常运行状态向警戒状态的转变。,1、电力系统控制概述,警戒状态 (1)系统中可用出力减小。如计划外负荷逐步增长、燃料供应不足、发电机计划外停运以及某地外界条件（如循环水温度升高）的变化等都会使发电机出力减小。 (2)输出能力减少。计划外输电线或变压器断开、负荷的不正常分配以及高温等自然现象都会使输电能力减少。 (3)干扰概率增大。风暴水灾地震等自然灾害,以及社会治安等因素. 因此，在警戒状态时应及时采取预防性控制措施（例如增加和调整发电机出

5、力，调整附和的配置，切换线路等），使系统尽快恢复到正常状态，以免在随后一个不大的干扰或负荷逐渐增大时，有可能使系统进入紧急状态。,1、电力系统控制概述,紧急状态 电力系统紧急状态控制是电力系统在遭受大的干扰或事故（例如短路故障，切除大容量机组等）或出现异常现象后的运行状态。这时，电力系统偏离正常运行方式，电力供需失去平衡，某些保证系统安全性的不等式约束条件遭到破坏（如线路潮流或系统其它元件的负荷超过或低于允许值，直接影响对负荷的正常供电。,1、电力系统控制概述,紧急状态控制 及时正确地采取一系列紧急措施，使系统恢复到警戒状态乃至正常状态。 如果不及时采取措施，或者措施不够有效，就会使系统的运行

6、条件进一步恶化，或者使故障扩大和发展，从而有可能使系统失去稳定而解列成几个子系统 ，并大量切除负荷及发电机组，导致大面积停电和全系统崩溃。 迅速抑制事故及异常现象的发展和扩大，尽量缩小故障延续时间及其对电力系统其它非故障部分的影响，使电力系统能维持和恢复到一个合理的运行水平。 这种紧急状态控制一般氛围 -选择性切除故障阶段 -防止事故扩大阶段,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,2、电力系统频率控制,对于一个大型互联系统，必须实现有功功率和频率的及时调整，使整个系统的发电功率和负荷功率维持平衡，保证系统频率和联络线交换功率维持恒

7、定。 发电总有功功率=（负荷+损耗）的有功功率 当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率频率特性。,2、电力系统频率控制,电力系统频率和有功功率自动控制系统称为自动发电控制（AGC)，亦称负荷与频率控制（LFC)； 由自动装置和计算机程序对频率和有功功率进行二次调整实现。,控制的 目标,2、电力系统频率控制,AGC的目的：控制系统频率和区域净交换功率。 控制区域（Control Area) 基本含义：整个电力系统是由多个子系统通过联络线连接起来的互联系统，每个子系统及其控制中心构成一个控制区域，每个控制区域的用户负荷由本区域的电源和从其它

8、控制区域交换的电力来满足。 区域控制误差（Area Control Error)： 由于负荷变化和机组出力波动而产生的误差,2、电力系统频率控制,2、电力系统频率控制,2、电力系统频率控制,国内电网AGC实施简介,2、电力系统频率控制,电网AGC不同控制方式时的区域控制目标,2、电力系统频率控制,电网(AGC)运行管理办法 为提高电网AGC运行质量，确保电网频率质量和网间联络线控制水平，参照电力行业标准 DL/T 6571998 “火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程”（测试规程）有关内容，结合各电力集团公司颁发的有关调度规程所制定的AGC 系统调度管理的内容制定。,2、电力系统频率控制,

9、AGC机组的相关试验与技术管理,2、电力系统频率控制,AGC主要功能与性能的测试,2、电力系统频率控制,电力市场条件下AGC的应用管理 电力市场建立后，厂网逐步分离，厂网成为电力市场的买卖双方，运营方式的转变使传统的电网AGC面临一系列问题。 四川省调提出了电力市场条件下AGC技术的改进方法。 安徽省调根据AGC机组性能的差异，贡献的大小，进行了AGC机组调节效能的定量评估与补偿方式的研究。,2、电力系统频率控制,电力市场对AGC投运的选择 按 “电力系统调度自动化设计规程DL5003-01”条件选择 根据最大的可调容量、最大的加减负荷速率，由高到低的顺序依次选择 根据计划上网电量成交电价，由

10、低到高的顺序依次选择 根据备用容量及AGC辅助服务价格，由低到高的顺序依次选择。,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,3、电力系统电压控制,无功功率分布对系统的影响： 1）网损及线损-影响系统的经济性 2）电压-影响系统的安全性,3、电力系统电压控制,电压指标 35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。（如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。） 10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7%。 220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。 线路末端电压合格率90%

11、配电线路电压允许波动范围为标准电压的7%； 低压线路到户电压允许波动范围为标准电压10%。 功率因数指标： 农村生活和农业线路 cos0.85; 工业、农副业专用线路 cos0.90。,3、电力系统电压控制,电压控制的措施： 改变发电机端电压调压； 改变变压器变比调压； 补偿设备调压。 电压控制的方式： 电压中枢点的逆调压和顺调压。 自动电压控制的必要性： 改善电能质量的要求； 提高电压安全性的要求； 大规模电力系统中，人工调压的方式难以胜任。,3、电力系统电压控制,电压控制的特点 无功电源的设备种类繁多，运行状况和特性差别很大。 系统电压主要受本地区无功平衡情况的制约，具有很强的区域性。 从

12、系统正常运行的角度看，允许电压在相对较大的范围内变化。,3、电力系统电压控制,电压控制的特点 实现全网统一的AVC在结构上要解决以下两个问题 1）是动态性问题，即AVC要在时域上分级，至少要有控制周期内的统筹计划、运行模式发生变化时的局部调整以及实时控制三个环节。 2）是空间上的关联问题，即AVC要在地域上分层，层上分区，这是由电压控制和无功平衡的特点决定的。,3、电力系统电压控制,电压控制的模式 借鉴欧洲一些国家普遍采用的三级电压优化控制模式，一般将AVC分成三级控制，即 一级电压控制(primary voltage control)， 二级电压控制(secondary voltage co

13、ntrol)， 三级电压控制(tertiary voltage control)。,3、电力系统电压控制,三级电压控制,3、电力系统电压控制,一级电压控制 为本地控制（local control），只用到本地的信息。控制器由本区域内控制发电机的自动电压调节器（AVR）、有载调压分接头（OLTC）及可投切的电容器组成，控制时间常数一般为几秒钟。在这级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压的快速的和随机的变化。,3、电力系统电压控制,二级电压控制 时间常数约为几十秒钟到分钟级，控制的主要目的是保证中枢母线（Pilot Node）电压等于设定值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，

14、二级电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定参考值，二级电压控制是一种区域控制（Region Control），只用到本区域内的信息。,3、电力系统电压控制,三级电压控制 是其中的最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用。在三级电压控制中要充分考虑到协调的因素，利用了整个系统（System-wide）的信息来进行优化计算，一般来说它的时间常数在十几分钟到小时级。,3、电力系统电压控制,一级电压控制-VQC装置,3、电力系统电压控制,二级电压控制-分区原则： (1)枢纽母线(Pilot Bus)电压的典型性：

15、在区域内，枢纽母线是少量最重要的高压母线，它们的电压行为足以代表区域的电压行为 (2)区域可控性：在区域内，有足够的无功容量用于电压控制 (3)区域间的解藕性：区域内的控制受区域外的控制操作影响很小,3、电力系统电压控制,我国地区电网的运行特点,3、电力系统电压控制,电网中安装配置有一级或一级以上变压器有载调节分接头。目前，绝大部分220kV变电所主变的220kV和110kV绕组的有载分接头不具备远方遥调的条件。110V变电所主变的110kV绕组有载分接头中，只有部分具备远方遥调的条件，其余只能就地操作。 电网中110kV变电所的二次侧母线（10kV或6kV），一般均安装有并联电容器。这些并联

16、电容器中，只有部分具备远方遥控的条件，其余只能就地操作。,3、电力系统电压控制,地区二级电压控制采用启发式搜索方法： 最大优化控制范围 设置：具有远方遥控遥调条件的110kV变电所以及供其电源的220kV变电所 控制目标 主要目标：提高各110kV变电所的10kV 考核母线的电压合格率 第二目标：提高各220kV变电所高压侧绕组的功率因数合格率,3、电力系统电压控制,国内AVC发展现状 江苏、河南、湖南、福建、安徽以及山东等省的电力系统都在开展对AVC的研究，一些系统也做了初步的工程实现。 例子：安徽省电网AVC系统 安徽电网按地理位置分为七个控制区。 枢纽母线取区域内重要厂站的高压母线。 电压上下限的确定满足在此电压范围内，区域内所有厂站的母线电压都在合格范围内。,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,4、电力系统安