序

前言

第一篇 基础知识

第1章 绪论 3

1.1 自动电压控制的发展背景 3

1.2 AVC的发展历史 4

1.2.1 基于OPF的两层控制模式 4

1.2.2 基于分区的三层控制模式 5

1.2.3 三层电压控制模式的发展 6

1.2.4 发展历史小结 10

1.3 AVC的主要挑战 11

第2章 基础知识 14

2.1 基本概念 14

2.1.1 电压偏移 14

2.1.2 无功功率 15

2.2 电压水平与无功平衡 20

2.2.1 电压水平 20

2.2.2 无功平衡 23

2.3 无功电源 23

2.3.1 同步发电机 24

2.3.2 同步调相机及同步电动机 24

2.3.3 静电电容器 25

2.3.4 静止无功补偿器 26

2.3.5 高压输电线的充电功率 27

2.4 电压控制措施 27

2.4.1 调节发电机励磁 28

2.4.2 改变变压器变比 29

2.4.3 利用并联无功补偿控制电压 30

2.4.4 利用串联无功补偿控制电压 30

2.5 潮流方程与灵敏度分析 32

第二篇 基础技术

第3章 自动电压控制模式 37

3.1 引言 37

3.2 分级递阶电压控制模式 37

3.3 基于软分区的三层电压控制模式 40

3.4 电压控制模式的演化关系 42

3.4.1 理想化最优控制模式 43

3.4.2 目标解耦性分析 45

3.4.3 时间解耦性分析 47

3.4.4 空间解耦性分析 50

3.4.5 对比总结 55

第4章 在线自适应分区方法 59

4.1 引言 59

4.2 无功源控制空间 61

4.2.1 基本思想 61

4.2.2 控制灵敏度求解 61

4.2.3 无功源空间构造过程 64

4.2.4 简单示例 65

4.3 基于无功源空间的分区方法 67

4.3.1 聚类分析 67

4.3.2 算例研究 68

4.4 中枢母线选择方法 73

4.4.1 原理与算法框架 74

4.4.2 中枢母线的选择过程 75

4.4.3 算例分析 81

第5章 三级电压控制 87

5.1 引言 87

5.2 OPF无功优化模型 87

5.3 软件体系 88

5.4 功能 89

5.5 现场应用案例 90

5.5.1 联络线控制效果 90

5.5.2 网损控制效果 92

第6章 二级电压控制 95

6.1 引言 95

6.2 不同控制方式下的协调 95

6.3 CSVC的基本思想 98

6.4 CSVC的数学模型 99

6.4.1 变量说明 99

6.4.2 目标函数 100

6.4.3 约束条件 102

6.4.4 紧急控制模式 103

6.5 仿真算例 104

6.5.1 IEEE39节点系统 104

6.5.2 江苏实际电网 106

6.6 功能体系 110

6.6.1 控制策略计算 110

6.6.2 控制策略执行 110

6.6.3 闭锁设置 111

第7章 静态电压稳定预警和预防控制 112

7.1 概述 112

7.2 奇异值分解法 113

7.3 标准连续型潮流计算方法 115

7.3.1 原理简介 115

7.3.2 算法细节 116

7.4 连续潮流计算方法的改进 117

7.4.1 潮流计算中的PV-PQ节点类型转换逻辑 117

7.4.2 基于动态潮流方程的连续潮流方法 119

7.5 故障型连续潮流 123

7.5.1 问题的列式 124

7.5.2 虚拟的静态稳定临界点 126

7.6 电压稳定控制的模型和方法 127

7.6.1 控制灵敏度的计算方法 127

7.6.2 基于连续线性规划的控制模型 128

第三篇 高级协调问题

第8章 多级控制中心的协调控制 133

8.1 概述 133

8.2 基本概念 134

8.2.1 协调关口 134

8.2.2 协调变量 136

8.2.3 协调约束 136

8.2.4 关口无功电压耦合度关系 139

8.2.5 协调关口组 142

8.3 多级控制中心协调优化控制模式 145

8.4 强耦合的多级控制中心协调优化控制 147

8.4.1 特点分析 147

8.4.2 协调约束的生成 148

8.4.3 协调策略的产生 153

8.4.4 控制策略的执行 155

8.4.5 仿真控制效果 159

8.5 弱耦合的多级控制中心协调优化控制研究 163

8.5.1 弱耦合特点说明 163

8.5.2 省地协调电压控制弱耦合特性分析 163

8.5.3 省地协调中协调约束的生成 165

8.5.4 省地协调中协调策略的产生 170

8.5.5 省地协调中协调策略的执行 174

8.5.6 仿真算例1 176

8.5.7 仿真算例2 179

第9章 安全与经济的协调 182

9.1 概述 182

9.2 多目标优化和博弈论 183

9.2.1 多目标优化相关概念 183

9.2.2 博弈论相关概念 184

9.2.3 基于博弈理论求解多目标优化 186

9.3 多目标无功电压优化模型 188

9.3.1 经济安全指标 188

9.3.2 考虑安全和经济的多目标无功电压优化模型 190

9.3.3 多目标无功电压优化模型的Pareto最优前沿 191

9.4 多目标无功电压优化模型求解 195

9.4.1 基于合作博弈理论求解多目标无功电压优化模型 195

9.4.2 传统模型和新模型最优解关系 202

9.4.3 算例分析 204

9.5 安全方博弈决策的在线方法 212

9.5.1 状态变化转移因子特性 212

9.5.2 实用化的安全方决策方法 224

9.5.3 基于中枢节点的决策方法 226

9.6 考虑静态电压稳定性的模型与求解方法 229

9.6.1 考虑静态电压稳定性的SCOPF模型 229

9.6.2 考虑静态电压稳定性的M-ROPF模型 230

9.6.3 基于合作博弈理论的模型求解 235

9.6.4 算例分析 241

第10章 支撑大规模风电汇集接入的自律协同电压控制 245

10.1 概述 245

10.1.1 背景与技术挑战 245

10.1.2 自律协同控制架构 247

10.2 风电场AVC子站侧自律控制 249

10.2.1 概述 249

10.2.2 目标函数 251

10.2.3 预测模型 252

10.2.4 风电场AVC子站功能 254

10.2.5 风电场AVC子站接口 255

10.3 系统级协同控制 257

10.3.1 概述 257

10.3.2 敏捷二级电压控制 258

10.3.3 基于SCOPF的预防控制 261

10.4 现场应用案例 262

10.4.1 MPC控制效果 262

10.4.2 系统控制效果 268

第四篇 工程实践

第11章 与EMS的集成 273

11.1 概述 273

11.2 外挂式集成 274

11.2.1 基本流程 274

11.2.2 IEC61970 CIM模型简介 276

11.2.3 CIM模型的自动导出与解析 280

11.3 内嵌式集成 281

11.3.1 系统框架与数据交互 283

11.3.2 详细设计分析 285

第12章 AVC相关标准化研究 298

12.1 概述 298

12.2 扩展原则 299

12.3 对现有AVC系统的分析 300

12.4 层次结构描述 301

12.5 与现有CIM结合 302

12.6 多控制中心之间的标准化信息交互 305

12.6.1 交互信息分析 305

12.6.2 信息模型定义 306

12.6.3 信息交互流程 310

第13章 大规模电力系统的应用实例 313

13.1 华北电网AVC 313

13.1.1 整体架构 314

13.1.2 主要功能 315

13.1.3 应用情况 317

13.2 南方电网网省地一体化协调电压控制系统 319

13.2.1 系统结构 321

13.2.2 南网AVC功能 322

13.2.3 网省地数据交互流程 327

13.2.4 应用情况 328

13.2.5 小结 330

13.3 安全与经济协调的AVC系统在PJM电网的应用 330

13.3.1 PJM电网介绍及其电压控制现状 330

13.3.2 AVC系统设计 332

13.3.3 控制效果评估 337

附录

附录A IEEE39节点系统数据 347

A.1 系统单线图 347

A.2 运行约束 347

A.2.1 正常运行状态的运行约束 347

A.2.2 预想故障设置及故障后约束 348

A.3 基态潮流 349

附录B 电厂侧电压控制 351

B.1 概述 351

B.2 主站与电厂子站的协调策略 351

B.3 接口设计 353

B.3.1 子站与主站接口方式 353

B.3.2 子站上位机与下位机接口方式 353

B.3.3 子站实时数据采集方式 353

B.3.4 子站与DCS接口方式 354

B.4 功能体系 354

B.4.1 主要功能 354

B.4.2 安全约束条件 355

B.5 主站与子站通信方案 356

附录C 变电站协调优化控制 358

C.1 概述 358

C.2 考虑变电站控制资源的协调全局优化 358

C.3 变电站直控模式 359

C.4 控制策略 360

C.4.1 控制目标 360

C.4.2 控制逻辑 361

C.5 功能设计 363

C.5.1 变电站控制建模 363

C.5.2 变电站闭环控制 364

附录D 海外专家书评 368

D.1 美国能源部高级顾问、国家工程院院士Anjan Bose教授 368

D.2 美国国家工程院院士Joe H. Chow教授 370

D.3 美国国家工程院院士Yilu Liu教授 371

D.4 美国国家工程院院士Jay Giri博士 372

D.5 美国国家工程院院士、IEEE智能电网汇刊创刊主编Mohammad Shahidehpour教授 373

D.6 IEEE电力与能源协会主席Saifur Rahman教授 374

D.7 IEEE电力与能源协会前任主席Miroslav Begovic教授 375

D.8 IEEE电力系统汇刊主编 Nikos Hatziargyriou教授 376

D.9 IEEE可持续能源汇刊主编Bikash Pal教授 377

D.10 IEEE智能电网汇刊主编Jianhui Wang博

2100433B

《电力系统自动电压控制》系统阐述了现代大规模电力系统自动电压控制的基础理论、关键技术和工程应用。《电力系统自动电压控制》分为四篇共13章。第一篇基础知识；第二篇基础技术，包括控制模式、在线自适应分区、三级电压控制、二级电压控制、静态电压稳定预警等；第三篇介绍自动电压控制中的高级协调问题，包括多级控制中心协调、安全与经济协调、支撑大规模风电汇集接入的自律协同电压控制；第四篇工程实践，包括与 EMS 的集成、标准化技术、大规模电力系统的应用实例等。

电力系统的负荷是经常变化的，有的是有规律性的，如随着工厂的上班负荷会增加；有的是随机的，如某条输电线突然跳闸。负荷发生变化后，系统的频率将随之变化。为了维持系统的频率，就需要进行调节，使频率恢复到原先的水平，也就是期望的水平，当然允许一定的误差。这个误差随系统规模的大小而变。一般来说，大系统允许的误差要小些，如0．1Hz，小系统允许的误差大些。严格地说，负荷发生变化后，不仅频率受到影响，电压也受到影响。因此，有功功率的控制与无功功率的控制是有联系的。但相应的系统灵敏性分析表明：

(1)有功功率的不平衡主要影响系统频率，基本上不影响系统母线电压。

(2)无功功率的不平衡主要影响系统母线电压，基本上不影响系统频率。 　因此，通常将有功功率控制与无功功率控制分成两个相对独立的问题来处理。这种分割在分析系统小波动时是合适的，如果系统发生大波动，频率和电压偏差都比较大，相互独立的假设就不再成立。电力系统的自动发电控制不涉及系统大波动情况，届时，它将自动退出控制。因此，我们只研究小波动时的情况，可以将自动发电控制与自动电压控制分别单独处理。现在，我们深人地分析系统负荷发生变化以后的情况。

一旦某条输电线跳闸或突然有一批负荷增加到系统中，出力与负荷的不平衡首先由系统的惯性存储的能量来补偿，这导致系统频率的下降。系统频率下降后，一些负荷(如电动机负荷)也会随之下降，因此，新的平衡有可能在较低的新频率下达到。如果不平衡值不大的话，此效果能阻止系统频率的下降，通常这在不到2s的时间内完成。如果出力与负荷的不平衡值比较大，导致频率偏差超过了机组调速器的死区，调速器将动作，增加机组的出力以减小系统频率的偏差，我们通常称之为一次性调节。调速器的动作和负荷因频率下降而减少，补偿了出力与负荷的不平衡，就可能达到新的平衡。这种新平衡通常在10s左右时间完成。

《电网自动电压控制(AVC)技术及案例分析》对电网自动电压控制（AVC）技术领域的最新研究成果进行了总结和提炼，结合作者多年对无功优化在线控制理论的研究和工程应用经验，充分阐述了自动电压控制中的建模、算法、控制等理论问题，以及在实际工程中的一些工程化的特别处理方法。此外，还对长久以来电力系统中争执不下的无功优化和电压稳定的关系等问题进行了讨论，并提出了自动电压控制系统在面对智能电网时可能遇到的问题和解决方法。

《电网自动电压控制(AVC)技术及案例分析》适合于电力系统管理人员、研发人员，以及高等院校相关专业本科生和研究生阅读。