（农业机械化工程专业论文）电力市场条件下配电网无功优化方法的研究.pdf

摘要 电力市场条件下的配电网无功优化是提高系统电压质量、降低有功损耗、保证系 统安全经济运行、不发生电压崩溃的有效手段。本文以综合经济效益最大为目标函数， 对配电网无功优化方法进行了研究。 首先，电容器组是配电网中应用最广泛的无功补偿设备，本文从网损最小、年运 行费用最小、年支出费用最小、等网损微增率的观点以及在负荷典型分布情况下，研 究了求最佳补偿容量和补偿位置的算法，但这些算法只能确定部分参数。 其次，在实际电网中，并联电容器组的配置包括确定并联电容器组的组数、各组 电容器的容量、安装位置及其投切时刻。本文根据无功电流持续曲线中两个重要几何 特性一“等面积判据”和“等长度判据”，针对我国配电网中大部分线路的无功负荷 随时间波动较大，对末端集中负荷采用最佳分级补偿、对分布负荷采用最佳分散补偿 或固定与投切最佳混合补偿方式，把求取最大经济效益的积分方程组求极值的困难问 题，简化成十分简单的算术运算问题。 最后，通过实例计算和分析证实了本文方法的有效性。 关键词：电力市场；配电网；等面积判据：等长度判据；并联电容器 s t u d yo nr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nm e t h o do f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k i ne l e c t r i ep o w e rm a r k e t a u t h o r ：w a n gl i y a n s u p e r v i s e r ：a s s o c i a t ep r o f w a n gy a n j u n m a j o r ：a 鲥c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t i ne l e c t r i cp o w e rm a r k e t , r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sa l l e f f e c t i v em e a n st o i m p r o v e ，s y s t e mv o l t a g eq u a l i t y , r e d u c ep o w e rl o s s e sa n de n s u r e p o w e rs y s t e mt oo p e r a t ei nas e c u r ea n de c o n o m i c a lw a yw i t h o u tv o l t a g ec o l l a p s e r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , t a k i n g m a x i m u ms y n t h e t i c a le c o n o m i cb e n e f i ta so b j e c t i v ef u n c t i o n f i r s t l y , s h u n tc a p a c i t o r sa r er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s ，w i d e l ya p p l i e d t od i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rh a ss t u d i e d a l g o r i t h m st og e to p t i m a lr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n dl o c a l i t y , f r o mt h ev i e w p o i n to fm i n i m u mn e t c v o r k1 0 s s e s ， m i n i m u ma n n u a ld i s b u r s e m e n tc o s t , m i n i m u ma n n u a lo p e r a t i o nc o s t e q u i v a l e n tt i n yr a t i o o f n e t w o r kl o s s e sa n di nt h es i t u a t i o no f l o a dm o d e ld i s t r i b u t i o n 。b u tt h ea b o v ea l g o r i t h m s c a r lo n l yc o n f i r mp a r t i a lp a r a m e t e r s s e c o n d l y , i nt h ea c t u a le l e c t r i cn e t w o r k , c o n f i g u r a t i o no fs h u n tc a p a c i t o r si n c l u d e s h o wt oc o n f n - mt h e i rg r o u pn u m b e r , c a p a c i t o r s ，i n s t a l l a t i o np o s i t i o na n ds w i t c h e dt i m eo f e a c hg r o u p t w os i g n i f i c a n tg e o m e t r i ct r a i t so fr e a c t i v ep o w e rc u r r e n ts u s t a i n i n gc u r v e “e q u i v a l e n ta r e ac r i t e r i o n a n d e q u i v a l e n tl e n g t hc r i t e r i o n a mu s e di nt h i sp a p e r a i m i n ga to u rc o u n t r y sr e a c t i v ep o w e rl o a do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a sb i gf l u c t u a t i o n ， t w oc r i t e r i am e n t i o n e da b o v ea r ea p p l i e dt oo p t i m i z i n gc l a s s i f i c a t i o nc o m p e n s a t i o no ft h e t e r m i n a lc e n t r a l i z a t i o n l o a d ，o p t i m i z i n g d e c e n t r a l i z a t i o nr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n o r o p t i m i z i n gf i x e da n ds w i t c h e dm i x e dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fd i s l r i b u t i o nl o a d t h e m e t h o da d o p t e di nt h i sp a p e rn e e d n td i r e c t l ys o l v ei n t e g r a le q u a t i o ng r o u p ，s i m p l i f i e d o p e r a t i o np r o c e s s f i n a l l y , t h em e t h o di ss u b s t a n t i a t e dv a l i dt h r o u g he x a m p l ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i s k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rm a r k e t ；d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；e q u i v a l e n ta r e ac r i t e r i o n ； e q u i v a l e n tl e n g t hc r i t e r i o n ；s h u n tc a p a c i t o r s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 垦壅些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王诵艳 签字日期：删年z 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑些盛些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑些盔些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王丽狍 签字日期：如彳年月“日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲歪襻 签字日期：加衫年，月，占日 电话： 邮编： 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 1 1 课题研究的背景和现状 1绪论 电力体制改革的深入和电力市场的开放，促使用电管理初步走向市场。电压作为 衡量供电质量的重要指标之一，直接影响到电力系统的安全性，被严格地引入到供电 部门对用户的重要承诺之中，要求负荷端电压合格率不低于9 5 。 电压过高、过低或偏离一定范围都会影响用电设备的寿命和效率。特别是电压崩 溃，曾导致国内外许多电力系统丢失负荷甚至大面积停电的事故屡见不鲜，造成了巨 大的经济损失【l j 。据分析，电压崩溃的根本原因在于电力系统无功补偿严重不足，对 无功和电压问题没有给予充分重视，这就要求在电网规划和运行中必须重视无功电源 配置和枢纽电压支撑，以防止电压崩溃。另一方面，无功功率在系统中流动，不仅要 损耗有功功率、占用输电线路和设备的容量，而且在线路上要产生电压降落，影响电 压质量和电力系统的稳定性，这就要求在电网规划和运行中，必须控制无功功率，限 制其在系统中的流动。 然而，长期以来，由于受到设备技术水平、管理水平及财力物力的限制，我国配 电网无功调节存在一些问题，主要表现：一、系统无功补偿容量不足或分布不合理， 致使某些负荷中心地区电压水平偏低、稳定性差、损耗大；二、系统调压手段缺乏或 不合理，致使系统在高峰负荷时电压偏低，低谷负荷时电压偏高。 由于电力系统规模日益扩大，以及无功调节手段的多样化，使得单凭经验进行无 功配置已不能适应现代电力系统的需要，这就要求在现代电子与计算机技术的基础 上，研究建立无功优化模型，提出相应的算法，在电网的规划建设和实际调度运行中 实现无功优化，满足电网的安全运行和在各种安全约束前提下，调节无功补偿容量或 者变压器分接头位置，确定最佳无功补偿位置和容量以及最有利的变压器分接头位 置，减少有功损耗和投资。 在我国没有实行电力市场的时期，无功都是靠调度所强加给电厂，从而提高功率 因数，并根据功率因数高低进行奖惩的制度来实现无功需求，无功损耗不计入电价1 2 】 里面，无功优化都是以有功网损最小或电压实际偏差量最小为目标函数。但随着电力 市场理论的完善及其推广，各个发电公司迫于各种竞争压力，为了提高运营效益，都 在挖掘自身的设备潜力，都想使有功达到极限而不愿意多发无功。因此，许多专家学 者意识到无功合理定价的重要性，无功成本1 3 - 5 必须计入优化目标函数里面。 长期以来，电力工业一直实行垄断式经营。随着电力工业的不断发展，垄断经营 模式的弊病逐渐暴露出来：电力工业机构臃肿、发电厂内部浪费严重、电力行业服务 较差。特别在我国，由于地区保护主义的干扰，一些高耗低效的电厂多发电、满发电， 而低耗高效机组则被给以较少的发电量。电力工业在经过近百年的平稳发展之后，面 临着新的历史机遇与挑战一电力市场。它要求打破传统的垄断经营，本着公平的原则， 在电力行业内部引入竞争机制，使电力企业优胜劣汰，从而实现有限资源的综合利用 河北农业大学硕士学位论文 州。电力工业体制的根本性转变，对电力科学的一些研究课题提出了新的要求，其中 包括本文所要研究的电力市场条件下配电网无功优化方法。 电力系统无功优化规划1 7 8 】一直是电力系统运行和规划领域的重要研究课题之 一，是保证电力系统安全经济运行的有效措施，合理的无功补偿容量的分布，是实现 电压控制和无功控制的必要前提，它不仅能够降低网损、提高电压质量，而且有利于 提高系统的稳定性。但是随着城网改造的深入，其网架结构、潮流分布等都在发生较 大变化，而且负荷需求逐年迅速增长，电压稳定问题变得同益突出，长期以来由于缺 少有效的分析计算手段，无功电压控制难以进一步深入。为此，在电力市场条件下 建立合理的数学模型和运用有效的优化方法是必须的。 1 2 配电网无功优化的意义 电力系统运行中的配电网无功优化是一个直接影响系统电压质量，又关系到电网 经济运行的重要问题。系统电压既与电网的无功分布有关，又受电网有功分布的影响， 在满足电力系统正常运行的条件下，无功优化目标函数可以是无功补偿设备投资最 小，也可以是系统网损最小。配电网无功优化作为电网规划的一个有机组成部分，通 过无功补偿和调节变压器分接头，可以实现电网电压控制、改善电网稳定性、减少网 损及保证有较宽的运行裕度，使电压和无功都保持在合理的范围内，不发生电压崩溃 1 9 1 。寻求一个技术上可行而经济上又最节省的配电网无功优化方法，一直是电力规划 者所追求的一个目标。 长期以来，由于我国电网建设落后于电源建设，重视有功调度面忽视无功调度， 尤其是忽略配电网无功调度，导致大量无功功率在配电网中流动，既增加了配电网有 功损耗，又影响了电压质量。特别是近年来，随着国民经济的快速增长，配电网的负 荷不断增加，峰谷用电负荷差较大，加之负荷的中性负载( 异步电动机) 比例增大，致 使峰谷电压波动更大，增加了配电网的无功消耗，降低了配电网运行效率。同时，在 配电网实际运行中，由于缺少科学的无功优化控制策略，一些电力部门仍然凭着经验 控制配电网中的并联电容器，使配电网无功和电压得不到很好控制，增加了配电网有 功损耗，降低了配电网电能质量。 配电网无功优化作为配电网安全、经济运行不可缺少的重要环节，它不但能向用 户提供可靠而高质量的电能，而且降低配电网损耗效果显著。因此，研究配电网无功 优化方法对提高配电网功率因数、改善配电网电压水平、降低配电网有功损耗以及提 高电力企业经济效益等方面具有重要的现实意义。 1 3 配电网无功优化的主要内容和对象 随着配电自动化的发展以及人们对配电网经济运行的要求越来越高，配电网无功 优化作为配电网经济运行的一项重要手段已日益受到关注。但是配电网无功优化的效 果如何与配电网中电容器的位置和容量有密切关系，而且与各节点的电压要求有关。 2 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 这样就提出了一系列问题，如投切什么地方的电容器? 投切容量多少? 如何才能使系统 有功损耗最小? 由于配电网存在其自身的结构特点、无功补偿方式以及无功补偿的实 现方法等方面与输电网有很大不同，配电网无功优化控制的内容和对象与输电网有明 显的差别“。 1 无功优化控制实现方法不同。 输电网主要是通过调节变压器分接头和无功补偿设备( 发电机、电容器、并联电 抗器、调相机、静止补偿器以及静止调相机等) ，来实现电网电压无功优化控制。而 配电网主要是投切配电网中的并联电容器，实现配电网的无功优化控锖。 2 无功补偿方式不同。 输电网主要采用集中补偿方式，其无功补偿设备一般设置在变电站内，所以输电 网的电压无功控制就是指变电站电压无功优化控制。而配电网主要有配电线路补偿和 用户补偿，以及这两种方式结合，所以配电网无功优化控制的内容是投切配电网中不 同位置的电容器，合理调整配电网中的无功功率，使配电网网损最小。 3 无功优化控制目的不同。 输电网电压无功优化控制可以提高系统稳定性、抑制线路电压升高、减少有功损 耗以及提高受端电压、在直流输电中补偿换流装置需要的无功功率等。而在配电网中， 其主要是降低配电网有功损耗和电压损耗。 1 4 配电网无功优化控制方法 配电网无功优化控制策略是通过优化方法来实现的，其重点是对优化方法进行研 究，它是以数学规划方法作为基本模式。目前解决此问题有传统方法：无功优化经典 法、线性规划法、非线性规划法、混合整数规划法、动态规划法；还有近年来发展的 一些人工智能方法如：遗传算法、禁忌算法、模拟退火法、人工神经网络法、模糊 优化法等。 1 4 1 传统无功优化方法 1 无功优化经典法 配电网无功优化经典法是以配电网网损最小为目标，以电容器注入的无功功率为 控制变量，在无功平衡方程和电容器无功功率约束的条件下，建立拉格朗同函数，利 用条件极值定理，导出最优网损微增率准则，实现配电网的无功优化控制策略。文献 f l l l 在建立完全与配电网接线图一一对应的精确数学模型的基础上，计算配电网的潮 流分布，利用无功优化经典法确定配电网中并联电容器的合理补偿容量，从而实现配 电网无功优化控制。此法求解配电网无功优化问鼷简单、快速，但没有考虑线路安全 约束、节点电压约束以及并联电容器组整数约束问题。 2 线性规划法 线性规划方法f 协1 4 1 是一种最成熟的规划方法，其原理就是把目标函数和约束条件 3 河北农业大学硕士学位论文 全部用泰勒公式展开，忽略高次项，使非线性规划问题在初值点处转化为线性规划问 题【l “。其最主要的优点是计算迅速、收敛可靠、便于处理各种约束，能满足实时调度 对计算速度的要求。文献 1 6 1 通过合理选取电容器投切点的电压幅值作为控制变量， 既减少了状态变量数目，又使目标函数可用控制变量显式表示，减少了计算量。但线 性规划方法把系统实际优化模型作了线性近似处理，并对离散变量作了连续化处理， 使计算结果往往与电力系统实际情况有差异。 3 非线性规划法 由于无功优化问题自身的非线性，所以非线性规划法【l7 。1 9 】最先被运用到电力系统 无功优化之中。从数学上讲，如不考虑控制变量的离散特性，配电网电容器投切问题 是一个典型的非线性规划问题，采用非线性问题求解模型可提高计算精度。文献 2 0 1 在考虑电容器调节次数和电压约束的条件下，采用非线性规划法优化电容器的投切次 数。文献 2 1 1 在此基础上考虑了配电网三相负荷不平衡情况，用非线性规划法求取大 规模不平衡配电网的电容器优化控制策略。非线性规划法是处理无功优化最直接的方 法，该方法数学模型的建立比较直观、物理概念清晰、计算精度较高。但常会遇到搜 索方向不对、迭代不收敛、逼近速度慢、计算量大等问题。 4 混合整数规划法 混合整数规划法能够有效地解决优化计算中变量的离散性问题。该方法是通过分 支一定界法不断定界以缩小可行域，逐步逼近全局最优解。 由于配电系统中的可投切电容器组是整型变量，所以可运用混合燕数规划法。文 献【2 2 】选取电容器状态为控制变量，建立非线性混合整数规划模型，用逐次线性整数 规划法求解馈线电容器实时投切策略。文献【2 3 】用与输电网相同的方法建立线性规划 模型，先不考虑整数约束，求出最优解，再用专家系统法和混合整数规划法获得整数 解，该方法可以处理难以用数学方式描述的约束条件，但是开发周期长且不易移植。 文献 2 4 】根据无功负荷水平的不同，用混合整数规划法确定不平衡配电网电容器的实 时优化控制策略，更趋于合理性，但计算时间较长，并且其解的结果与初值的选取有 很大关系。 5 动态规划法 动态规划法 2 5 2 1 是研究多阶段决策过程最优解的一种有效方法，它按时间或空间 顺序将问题分解为若干互相联系的阶段，依次对每一阶段做出决策，最后获得整个过 程的最优解。在配电网无功优化控制中，作为控制变量的电容器组均取整数值，其投 切策略可按负荷预报阶段进行，适合于用动态规划法求解。文献 2 8 】用该方法确定未 来2 4 小时馈线电容器最优投切策略，并用恒电流负荷模型求解电容器的组数，约束 条件中包括了对电容器投切次数的限制。文献 2 9 】采用动态规划法和人工神经网络法 相结合，根据历史负荷数据用人工神经网络法将负荷分为几组，然后用动态规划法确 定每组负荷相应的电容器优化投切策略，从而提高计算速度。动态规划法不仅运用于 离散性问题，而且在动态过程中总体寻优，与其它方法结合，可减少计算量、提高计 算速度，对解决电容器控制策略问题具有较好的应用前景。 4 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 1 4 2 人工智能方法 1 遗传算法 遗传算法p o j 是一种随机化搜索方法，主要特点是其群体搜索策略和群体中个体 的信息交换，具有全局收敛、无可微的特点，通用性较强。配电网无功优化控制是控 制可投切电容器的分组投切，客观上具备了控制变量离散性的条件，适合于用遗传算 法求解。但是遗传算法收敛速度较慢，不利于在线运行，无法满足电容器实时投切的 要求。文献【3 2 】针对馈线电容器实时投切的非线性、整数寻优和快速性特点提出改进 遗传算法，并与禁忌算法相结合，用于馈线电容器的实时投切。文献【3 3 】采用改进遗 传算法对配电网无功优化控制问题进行了探讨，其改进后的方法是当两个个体适应值 相差较大时，将适应值较大者保留不变，让适应值较小的个体接受适应值较大的个体 的优良性态，使种群向最优解范围逼近。 2 禁忌算法 禁忌算法适合于解决组合优化问题，能够有效地处理不可微的目标函数。其基本 思想是利用一种灵活的“记忆”技术，对已经进行的优化过程进行记录和选择，当达 到局部最优解时，禁忌法将搜索方向后退到使目标退化最小的一个方向上，以此作为 新的初始方向，指导下一步搜索方向。它具有三个基本要素：移动、 t a b u 表、期望 水平。文献【3 4 】首先生成灵敏度表，选取灵敏度较大的一组节点作为投切控制点，用 禁忌算法进行搜索，探讨了配电网补偿电容器优化投切0 1 组合优化问题。文献 3 5 】 在文献【3 4 】基础上，将改进遗传算法中优化编码技术引入禁忌算法，并在此基础上推 导出迭代判定条件、动态管理t a b u 表深度、动态管理领域搜索规模等，用以处理补 偿电容器分档投切的组合优化问题。禁忌算法寻优速度较快，但不能在整个寻优空间 同时开始搜索，因此初值的好坏直接影响算法的收敛速度和解的质量。 3 模拟退火算法 模拟退火算法是一种随机的启发式搜索方法，是局部搜索算法的扩展，理论上它 是一个全局最优算法，其计算结果较精确。该算法适用于处理非线性规划问题，能以 较大概率求得优化问题的全局最优解。该算法模拟了金属溶液冷却或退火的过程，即 退火过程中能量逐渐减小，面退火结束后，金属的能量最小。该算法寻优结束时能得 到优化问题的最小值，但其参数的选取比较复杂。文献【3 6 】用该方法进行了无功优化 的研究，很好地处理了优化计算中离散变量和连续变量共存的现象，但只考虑了无功 源的配置而未对发电机电压及变压器分接头位置进行处理。 4 人工神经网络法 人工神经网络法以其高维性、并行分布式信息处理性、非线性以及自组织自学习 等优良特性应用于电力系统。文献【3 7 以网损最小为目标，提出了用b p 模型对多抽 头的配电网电容器进行实时控制，采用了两层人工神经网络( a n n ) 结构，这种结构要 求的a n n 离线训练时间少。文献 3 8 1 以网损和投切运行费用最小为目标，应用人工神 经网络h o p f i e l d 模型来确定无功最优补偿，实行无功最优控制。在这些应用中此法收 5 河北农业大学硕士学位论文 敛特性好，但不足之处是如果缺乏十分有效的学习方法，人工神经网路在训练过程中 很容易陷入局部极值。 5 模糊优化法 模糊优化法是通过引入模糊集理论使一些不确定问题得到解决。将模糊优化法应 用于配电网并联电容器组的优化投切，符合配电网的实际运行情况。文献【3 9 】通过求 解有功负荷和节点电压的隶属度函数，用模糊优化法优化配电网的电容器投切，使配 电网无功功率得到有效控制，以减少配电网网损和提高其电压质量。文献 4 0 】考虑模 糊逻辑的优越性，通过求解约束条件和目标函数的模糊集合的交集，得出有功损耗最 小的经济运行状态。模糊优化法所需信息量少、智能性强、迭代次数少、计算速度较 快于非模糊优化法。但是模糊优化法只对一些不确定问题分析有效，对于精确的概念 会使问题复杂化。 1 5 本文所作的主要工作 随着我国电力市场的逐步建立和完善，实行厂网分开，竞价上网，而单纯有功损 耗最小的目标函数并不能保证电网公司及各个电厂的经济利益，因此本文研究了电力 市场条件下配电网的无功优化方法。本文在这方面所做的主要工作如下： 、 1 通过阅读大量参考文献，明确了配电网无功优化的主要内容，分析比较了以 往配电网无功优化的主要方法。 2 总结了配电网无功优化中确定无功补偿容量的典型方法，根据无功潮流，分 析了几种特殊负荷分布时，补偿容量和补偿位置的确定。 3 建立了综合经济效益最大( 考虑了因无功补偿而减少的系统有功网损和电能 损耗以及补偿设备的投资) 的目标函数，符合电力市场的实际情况。 4 理论分析了配电线路最佳无功补偿方式中存在着“电流一时间”与“电流一 长度”关系中的“等面积判据”和“等长度判据”，将其应用于末端集中负荷线路、 分布负荷线路最佳补偿方式的求解过程，把求取最大经济效益这样一个对积分方程组 求极值的困难问题，简化成十分简单的算术运算问题。 5 研究了根据上述两判据无功补偿的求解方法，包括末端集中负荷线路最佳分 级补偿、分布负荷线路最佳分散补偿及分布负荷线路固定与投切混合补偿，并对前两 种情况做了算例及分析。 6 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 2 配电网无功优化的理论基础 2 1 配电网基本概念和分类 配电网是电力系统电能发、变、送、配中最后一个向用户供电的环节。通常把电 力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，称为配电网【4 l 】。 在我国，配电网按电压等级可分为高压配电网( 3 5 1 i o k v ) 、中压配电网( 6 1 0k v ) 和低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区功能可分为城市配电网、农村配电网 和工厂配电网。 从投资角度看，我国与国外先进国家的发电、输电、配电投资比率差异很大，国 外基本上是电网投资大于电厂投资，输电投资小于配电投资。我国刚从重发电轻供电 状态中转变过来，在供电投资中，输电投资大于配电投资。从我国城网改造之后，将 逐渐从输电投资转入以配网建设为主。 2 2 配电网接线方式 这里主要介绍i o k v 、6 k v 配电网。配电网一次接线图可采用放射式接线、树干式 接线及环网式接线方式，其形式主要取决于对供电可靠性的要求。 1 放射式接线 ( 1 ) 单回路放射式接线。如图1 所示，这种接线方式的优点是线路敷设简单，操 作维护方便，缺点是可靠性较低，某段线路故障时，该段线路上的设备都要停电，影 响面较大。 图1 单回路放射式 f i g1s i n g l e - c i r c u i te m a n a n t ( 2 ) 有公共备用干线的放射式接线。如图2 所示，除了具备单回路放射式接线的 优点，另外因有了备用线路，还能保证在电源发生故障时对负荷供电，一般可供二级 负荷，若备用电源可靠也可供给一级负荷，提高了供电可靠性。 2 树干式接线 7 河北农业大学硕士学位论文 图2 具有公共备用干线的放射式 f i g2e m a n a n tw i t hc o m m o ns t a d b yt r u n k ( 1 ) 单回路树干式接线。如图3 所示，从总降压变电所引出干线，所有负荷都从 该干线接出的分支线直接得到供电。由于总的引出线少，可以减少设备的数量及投资， 线路架设简单。其缺点是供电可靠性较差，且当干线故障时，全干线上的负荷全部停 电，一般仅用于对三级负荷供电。每条干线引出的分支( 变压器台数) 约6 条，、总容量 不超过2 0 0 0 k v a 。 弋 眦脚 ( 2 ) 双回路树干式接线。双回路树干式接线可分为单侧供电双回路树干式( 图4 ) 和双侧供电双回路树干式( 图5 ) 两种。双回路树干式供电的可靠性比单回路树干式供 电的可靠性高，但投资要增加，接线方式更复杂些。对于双侧供电双回路树干式，由 于多增加一组电源，供电可靠性更高，可以满足负荷的要求。 3 环网供电方式 如图6 所示，在几种接线方式里，环网供电方式可靠性最高。它可以工作在开环 或闭环的状态，不论哪一段出现故障，都可以保证非故障段不停电而继续运行，但接 线方式、保护装置及整定配合比较复杂。 8 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 图4 单侧供电双回路树干式 f i g4d o u b l e - c i r c u i tt r u n kw i t hu n i l a t e r a ls u p p l y i ! ! 塑坠，： l 嘞k v 2 2 0 v 3 8 0 v 图5 双侧供电双回路树干式 f i g5d o u b l e - c i r c u i tt r u n kw i t hd o u b l e - s i d es u p p l y “ il i 777 常宁 ) 钳宁 图6 环网供电方式 f i g6 r i n gn e t w o r ks u p p l y 9 河北农业火学硕士学位论文 具体采用哪种接线方式必须根据实际情况确定。长期以来，我国配电网接线形式 大多数采用以架空线路为主的放射式供电方式，这种方式一旦某线段故障，影响面较 大，且这种网络结构的应交能力差，不适合自动化发展的要求。现不少地方已逐步改 为电缆线路与环网供电方式，这种方式可以提供实现配电网自动化的条件，提高供电 可靠性。 2 3 无功补偿及电压调整原则 2 3 1 无功补偿原则 全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡，具体内容 4 2 1 如下： 1 总体平衡与局部平衡相结合，既要满足全网的总无功平衡，又要满足分线、 分站的无功平衡。 2 集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主，既要在变电站进行大容量集 中补偿，又要在配电线路、配电变压器和用电设备处进行分散补偿，目的是做到无功 就地平衡，减少其长距离输送。 3 高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主。 4 降损与调压相结合，以降损为主，兼顾调压。这是针对线路长、分支多、负 荷分散、功率因数低的线路。 5 供电部门的无功补偿与用户补偿相结合，因为无功消耗大约6 0 在配电变压 器中，其余的消耗在用户的用电设备中，若两者不能很好地配合，可能造成轻载或空 载时过补偿、满负荷时欠补偿。 2 3 2 电压调整 配电网电压调整的综合措施【4 3 1 ： 1 无功就地平衡； 2 充分利用改变发电机的端电压和变压器分接头进行调压； 3 在高峰和低谷负荷时，保证线路末端电压偏移在允许范围内。 我国国家标准g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量一供电电压允许偏差中规定： 1 ) 3 5 k v 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1 0 ； 2 ) 1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7 ； 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为+ 7 与1 0 。 2 4 电力系统电压与无功优化控制 2 4 1 电压与无功功率的联系 电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压质量对电网稳定运行、降低线路损耗、 1 0 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 保证工农业安全生产、提高产品质量、降低用电损耗等都有直接影响。 无功功率是影响电压质量的主要因素。一方面，无功不足将导致系统电压降低， 用电设备不能充分利用，甚至引发电压崩溃等一系列事故；无功过剩也会恶化系统电 压，危害系统和设备的安全，而且过多的无功备用又会浪费不必要的投资【删。因此， 必须对系统各节点电压进行监视和控制，使电压水平维持在正常范围内。 以图7 所示一条简单输电线为例( 不考虑输电线对地电容) ，在高压电力系统中， 线路电抗远大于线路电阻，令r = o ，有 整理得 o z 一盐聋艺幽外地 o _ _ _ _ * _ _ _ _ o l 。_ _ 。_ _ _ _ _ - q _ _ h _ w _ ”o 图7 简单输电线 f i g7s i m p l et r a n s m i s s i o nl i n e 4 5 j u 。0 = u j 0 + a u + j 甜 = 哆+ 警+ ，等 j p ：u ，u j s i n 0 x =半ujq = 二_ = _ 1 ( 1 一1 ) ( 1 2 ) 凹：芝箬尺0 - 3 ) u ： 正常运行时输电线路两端的电压相位角差。比较小，可以认为c o s o * 1 ，这样线 路中传输的无功功率大小与线路两端电压幅值之差成正比，无功功率将从节点电压高 的一端流向节点电压低的一端。节点电压幅值的变化，也将使流经线路的无功功率随 之发生变化，因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变化。可以看出， 如果从远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点电压下降，甚至不 能满足电压质量要求。 无功功率在系统中的流动不仅要在线路上产生电压降落，影响电压质量和电力系 统的稳定性，而且要损耗有功功率、占用输电线路和设备的容量。由传输线路上的有 功损耗公式( 1 3 ) 可知，当有功功率和无功功率流经网络电阻时，会造成有功损耗， 当输送的有功功率一定时，总的有功损耗主要取决于输送的无功功率的数值。这就要 求在电网规划和运行中，必须控制无功功率，限制其在系统中的流动。 河北农业大学硕士学位论文 2 4 2 电力系统无功控制的主要手段 可控设备的多样性是无功优化有别于有功优化的主要困难之一，各类无功可控设 备的控制能力和特点差异很大，目前常用的几种无功控制设备主要有：发电机、有载 调压变压器和无功补偿装置。电力系统无功控制的主要手段 4 6 j 有： 1 改变发电机机端电压。应用发电机调压不需要另外增加投资。发电机端电压 由励磁调节器控制，改变调节器的电压整定值即可改变端电压。发电机的端电压与其 无功输出密切相关。增加发电机端电压的同时也增加了发电机的无功输出；反之，降 低发电机的端电压，也就减少了发电机的无功功率甚至进相运行。因此，发电机端电 压的调节受发电机无功功率极限的限制。发电机的无功输出和发电机的有功出力有 关，有功出力较小时，无功的调节范围较大，调压能力较强。多台机组进相运行时会 影响系统的稳定性，必须做大量的稳定计算。 2 调节变压器变比。通过控制变压器变比，可以改变负荷节点电压，其实质是 对系统的无功功率重新分配，在满足调压要求的同时减少系统的有功和无功损耗，提 高经济效益。但是，变压器本身不是无功功率电源，只能传输功率。因此，只有在系 统无功容量相对充裕时，采用变压器调压才能奏效；在系统无功缺乏时，不合理的分 接头调节将是系统电压崩溃的重要原因之一。在现行的运行规程中，要求系统无功功 率不足时首先考虑调节无功补偿设备，然后进行分接头的调节。 3 应用无功补偿装置调节电压。在电力网的适当地点接入并联无功补偿装置， 能够减少系统的无功流动，进而减少系统有功和无功损耗，提高系统的电压水平。在 负荷节点配置补偿电容器，实现无功的就地补偿；在高压输电线路配置并联电抗器， 平衡线路在轻载时的过剩无功，防止轻载时系统过电压。随着电力电子技术的发展， 新型的f a c t s 装置的出现，为电力系统无功调节提供了新的手段。 4 目前有些系统还配置了多级调压系统处理电压问题。在这样的系统中，把调 节局部节点电压的设备，即在以上1 3 中所提及的调压手段作为一级调压系统，在 此基础上，根据系统的全局状态( 区域网或地区网) 对一次调压设备进行协调控制，以 达到区域安全稳定和经济运行的要求，作为二级调压系统。一级电压控制处于最高层， 是对全系统的控制，由系统控制中心来执行。三级电压控制监视全系统的电压，以全 系统的经济运行为优化目标，并考虑稳定性指标，在紧急情况下可以采取一些紧急控 制措施，通过二级控制系统的紧急控制手段，实现直接控制。 2 5 无功补偿的作用 无功功率对供电系统和负荷的运行十分重要。电力系统网络元件的阻抗主要是 电感性的。为了输送有功功率，要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽 的范围内可以实现。为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄 的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。 1 2 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率 如果都由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的【4 ”。合理的方 法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率。 无功补偿的作用主要有以下几点： 1 提高供用电系统及负载的功率因数、降低设备容量、减少功率损耗： 2 稳定受电端及电网的电压、提高供电质量。在长距离输电线路合适的地点设 置动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性、提高输电能力； 3 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相 有功及无功负载。 2 6 无功补偿的经济效益 2 6 1 无功补偿经济当量 补偿当量通常只计算线路减少的有功损耗，变压器有功损耗计算很困难且占总损 耗比重小，通常忽略不计。 线路无功补偿前的有功功率损耗为 鼯等= 等川 加装补偿容量q c 后，有功功率损耗为 峨：堕掣川旷 有功损耗的减少值为 蝇= 叱一叱：=q j 2 q 一- q , ) r i o 一， u 品 无功经济当量h 剐的意义是投入单位补偿容量时，有功损耗的减小值。即 2 百。百厂一万一 = 垡笋c ：一告，= 軎c ：一罟， = p c ( 2 鲁 式中p 。一q 个单位有功功率通过线路时，由线路电阻月所引起的损耗，k w ： 足一单位无功功率通过线路时，由线路电阻r 所引起的有功损耗，k w ； p ，一线路有功损耗的变化值： 1 3 司北农业大学硕士学位论文 “w 线路额定电压，k v ； 姨q 一无功功率的相对降低值，称为补偿度。 从补偿度公式可看出： ( 1 ) 补偿度很低时，即q 9 = 0 时，c b = 2 p c 。 ( 2 ) 补偿度很高时，即q q “l 时，c b = 耳。 因此，补偿度越大，对减小有功功率的作用变小。这就说明，并非补偿容量越大 越经济。国家电力部门规定，补偿度不得低于0 7 1 4 9 1 。具体补偿度达多少经济，功率 因数取多少最优与网架结构及有功电价、无功电价有关。 2 6 2 无功补偿的效益分析 若设网络首端的有功功率为_ p ，平均功率因数为c o s 妒o ，电网平均损失率，则电 网的可变损耗厶，在无功补偿前的数值为 e 。= p y 当用户投入无功补偿容量q 之后，电网的平均功率因数将会提高，即网络电压 和总电流间的相角差将会出现负的增量，此时网络损耗将会从如下降到只，有功损 耗的下降值城则为 只= 只。一只 因此，在l h 内，其经济效益e 为 c 。= 配g p = q g 口 式中 g ，一有功电价，元k w h ； g 。无功电价，元k v a r h 。 ，配g o l l = 一 。gg p 补偿后网络损耗值只将与补偿后功率因数c o s 妒具有下述关系 只：p ，竺善 c o s 伊 变化一个单位的功率因数角妒中，线路有功损失变化量为 等：等：2 p 佃s z s e c z 伊t g 伊 口d 。” 变化一个单位的功率因数角p ，引起无功功率的变化量为 孥：孥：风c ：p d o 电力市场条件下配电网无功优化方法的研究 所以 c s = 薏= 2 y c 。s z 妒0 留妒 现设 = t g f 口o ，丑2 = 培伊，则当网络的功率因数由c o s 妒。提高到c o s 伊时，其平均 降损当量为 笪：竺垒璧竺：! ! = 垒鱼! q 一 一如 = y c o s 2 ( + 五) 例如，当功率因数由0 8 提高到c o s 妒时，旯值将由 = 0 7 5 下降到名= 。因此， 若网络平均线损率，= 1 0 ，则 ； ：o 1 o 8 2 ( o 7 5 + 五2 ) ：( 4 8 + 6 4 五2 ) q 、 “ 、“ 上面只说明当投入补偿容量后，由于功率因数角的变化，所引起的有功损耗的平 均下降值。但是，没有计入由于功率因数的提高导致电压上升u ，而引起的有功损 耗下降值 又因为 趔哦可2 a u 嘶等 。a u ：= a q o u x u1 0 0 0 u 1 0 4 = u j = x 式中 x 、u ；一线路电抗和电抗压降的标幺值。 故得 衅2 | p ，等蝴鲫枷 式中口电源电压与负荷端电压向量的夹角。 正常稳定的电网，s i n o = o 1 5 o 3 5 【5 0 1 ，今取s i n 0 = 0 2 ，若，= 1 0 ，则 堡：2 r s i n 0 ：4 彰。 无功补偿经济当量为 掣= ( 4 + 4 8 + 6 4 五) ( 9 + 6