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油田配电网无功优化的研究 摘要 电力系统无功优化配置是保证电力系统安全、经济运行的一项有效手段， 是提高电压质量的重要措施。因此，从目前我国油田供电系统的实际出发，研 究油田配电网的无功优化问题，既具有理论意义，又具有实际应用价值。 首先，结合油田配电网实际运行现状，研究了配电网无功优化的课题背景、 存在的问题和基本理论，阐明了本课题研究的必要性和可行性。 然后，详细介绍了配电网无功优化数学模型的建立及其求解方法，在此基 础上，提出了适合油田配电网无功优化的数学模型，直接计算出油田配电网最 佳补偿点和最佳补偿容量。在无功优化计算过程中，充分考虑三种不同负荷方 式在全年所占的比重，利用最大负荷损耗时间来协调不同负荷运行方式下的电 能损失费用，避免了只考虑单一负荷水平的片面性。 最后，对中原油田采油二厂的南七线( 6 k v ) 、王刀线( 3 5 k v ) 进行详细的 优化分析。利用上述无功优化算法计算出无功补偿设备的最佳补偿点和最佳补 偿容量，从而提高两条线路运行的安全、经济水平，有效地降低了系统的网损， 同时全网的电压质量得到显著提高，计算结果令人满意。 关键词：油田配电网网损无功优化 s t u d yo nr e a c t i v eo p t i m i z a t i o no f o i l f i e l dp o w e rd i s t r i b u t i o n a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o dt ok e e pp o w e rs y s t e ms a f e a n de c o n o m y , a n di t sa ni m p o r t a n tm e a s u r et oi m p r o v ev o l t a g eq u a l i t y t h e r e f o r e ， f r o mt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h eo i l f i e l dp o w e rs u p p l ys y s t e mi nc h i n a , t os t u d yt h e p r o b l e mo f r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni sb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yv a l u a b l e f i r s t l v i n t e g r a t e dt h e c u r r e n tf u n c t i o no fo i l f i e l dd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h e b a c k g r o u n d ，e x i s t i n gp r o b l e m sa n df u n d a m e n t a lt h e o r i e s o nt h er e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o ni nd i s t r i b u t i o ns y s t e m h a v eb e e ns t u d i e d ，a n dt h en e c e s s i t ya n d f e a s i b i l i t yo f s t u d y o nt h i ss u b j e c th a v e b e e ni l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h ee s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i cm o d e la n di t s s o l u t i o n sh a v eb e e n d i s c u s s e di nd e t a i l s ，b a s e do nw h i c h ，a nm a t h e m a t i cm o d e ls u i t a b l ef o rt h er e a c t i v e p o w e ro p t i m i z a t i o ni no i l f i e l dd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sp u tf o r w a r d ，a n dt h eo p t i m a l c o m p e n s a t i n gp o i n t sa n dc a p a c i t i e sa r ew o r k e do u td i r e c t l y d u r i n gt h ec a l c u l a t i n go f t h er e a c t i v eo p t i m i z a t i o n t h er a t i oo ft h r e ed i f f e r e n tl o a dm a n n e r si sf u l l yt a k e ni n t o a c c o u n ti nay e a r , t h em a x i m u ml o a dw a s t a g et i m ei su s e dt oc o o r d i n a t et h ec o s to f p o w e re n e r g yl o s si nd i f f e r e n tl o a df u n c t i o nm a n n e r s ，a n dt h eu n i l a t e r a l i s mo fo n l y c o n s i d e r i n gs i n g l el o a dl e v e li sa v o i d e d f i n a l l y ，t h en e t w o r k so fn a n q ia n dw a n g d a oi nt h es e c o n do i le x t r a c t i o np l a n t o fz h o n g y u a no i l f i e l dh a v e b e e n a n a l y z e d i nd e t a i l s r e a c t i v e o p t i m i z a t i o n a r i t h m e t i ci su s e dt of i g u r eo u tt h eo p t i m a lc o m p e n s a t i n gp o i n t sa n dc a p a c i t i e s t h u s ， t h el e v e lo fs a f e t ya n de c o n o m yo ft h et w on e t w o r k sa r ei m p r o v e d ，t h en e t w o r k w a s t a g eo ft h es y s t e mi sr e d u c e d ，a n dt h ev o l t a g eq u a l i t yo ft h ew h o l en e t w o r ki s i m p r o v e dr e m a r k a b l yi nt h es a l v et i m e t h ec a l c u l a t e dr e s u ri ss a t i s f i e d k e yw o r d s ：o i l f i e l d ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，e n e r g yl o s s ，r e a c t i v eo p t i m i z a t i o n 插图清单 图2 1 电力系统无功功率的日负荷曲线8 图2 - 2 无功功率平衡和系统电压水平的关系1 0 图2 3 无功补偿效果示意图15 图3 - 1 主程序框图2 9 图3 2 最大负荷方式模型程序框图3 1 图3 3 一般和最小负荷方式模型程序框图3 3 图4 1 南七线网络结构图3 4 图4 2 王刀线网络结构图3 8 表格清单 表2 - 1 变压器无功损耗表一 表4 1 南七线中变压器的原始参数 9 3 4 表4 - 2 无功补偿优化前后各节点电压3 5 表4 3 新增无功补偿设备投入情况3 6 表4 4 优化前后网损及目标函数3 6 表4 5 王刀线中变压器的原始参数3 8 表4 - 6 无功补偿优化前后各监察点电压4 0 表4 7 新增无功补偿设备投入情况4 1 表4 8 优化前后全网网损( k w ) 及目标函数4 1 附表l 优化前最大负荷运行方式下的节点数据4 6 附表2 优化前一般负荷运行方式下的节点数据4 7 附表3 优化前最小负荷运行方式下的节点数据4 8 附表4 优化后最大负荷运行方式下的节点数据4 9 附表5 优化后一般负荷运行方式下的节点数据5 0 附表6 优化后最小负荷运行方式下的节点数据5 1 附表7 优化前最大负荷运行方式下的支路数据! 5 2 附表8 优化前一般负荷运行方式下的支路数据5 4 附表9 优化前最小负荷运行方式下的支路数据5 6 附表1 0 优化后最大负荷运行方式下的支路数据5 8 附表1 l 优化后一般负荷运行方式下的支路数据6 0 附表1 2 优化后最小负荷运行方式下的支路数据6 2 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 金b 王些盔堂 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：韩芝凌签字日期：却务月召日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些盔堂有关保留、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。本人授权盒 胆王些盍堂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) 学位论文作者签名韩芒唛 签字日期：踟年f 月? ；e l 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 黜名：审附 签字日期：口石年月霹目 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的校内导师温阳东教授和企业导师唐治华高级工程师的热情关 怀和悉心指导下完成的，两位导师高尚的人格，严谨的治学态度，渊博的学识， 令我受益匪浅。在论文进展过程中，时时得到他们无私的帮助。在此，谨向我 的两位导师表示最诚挚的谢意! 在论文撰写过程中，我还得到了课题组成员王艳华教授、邹振春副教授和 高嵩教授的支持和指导，以及中原油田采油二厂部分管理人员和北京联合大学 宋玉秋副教授的大力协助，为我完成本论文提供了相当有价值的参考资料，在 此也向他们表示衷心的感谢! 此外，我还要感谢数年来默默为我奉献并鼓励我克服困难完成学业的家人、 亲戚和朋友，我的论文凝聚着他们的大量心血! 作者：韩志凌 2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的快速发展和国际化能源紧张局势的加剧，电力系统运 行的经济性问题显得日趋突出和重要。如何在保证系统安全可靠地运行前提下， 科学利用和优化配置系统资源，降低运行损耗，提高供电电能质量，最终提高 企业效益和社会效益，越来越受到人们的关注。 配电网络作为电力系统到用户的最后一环，与用户的联系十分紧密，对用 户的供电可靠性和供电质量的影响也最直接【l 卅。在用户的停电原因中，有8 0 是由配电系统的可靠性不足引起的。配电网的电压质量也不尽如人意，有的城 市电网电压合格率仅为6 0 【4 】。 同时，有资料表明，1 3 的电力是在配电系统中浪费掉的【5 】，目前我国的电 网损耗分为三个等级，即2 2 0 k v 及以上电压等级网损、1 1 0 k v 及3 5 k v 网损、 1 0 k v 网损。其网损量的比例约为1 5 ：1 1 ：2 5 1 6 ，说明配电系统的损耗是相当大 的。 因此，如何降低网损、提高供电质量受到人们的普遍关注，提出了许多技 术措施，主要包括口】：逐步更新淘汰现有低效率的供用电设备；改造现有的能耗 大的设备；改造现有企业供配电系统，降低线损；合理选择公用电设备的容量， 或进行技术改造，提高设备的负荷率；采用无功功率人工补偿设备，人为的提 高功率因数等。 在以上技术措施中，对现有的网络及网络负荷，采用无功功率人工补偿设 备，人为的提高功率因数，具有切实的意义。我国电力事业的发展中，长期存 在着“重发电、轻供电、不管用电”现象。在资金上，对配电网的投资严重不 足，我国的发输配电投资为1 ：o 2 1 ：0 1 2 ，而美国为1 ：0 4 3 ：o 7 【8 】口在技术上，无 功自动控制手段不够完善，计算机技术支持不到位。在认识上，人们一般重视 有功调度而忽视无功调度，尤其是忽略配电网的无功调度，甚至有人认为无功 就是“无用功”。在管理上，由于配电网覆盖面积大，且多为中小用户，缺乏有 效的监管措施。正是这些因素造成配电网无功功率分布不合理，影响电力系统 的安全和稳定，并与经济效益直接挂钩。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，甚至会引发电压崩溃等一系列事故，如1 9 7 0 年美 国纽约大停电和1 9 8 7 年东京大停电都是由于高峰负荷时无功不足而造成电压崩 溃，进而导致系统瓦解。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。另外，假如系统仅以发电机无功 出力来平衡无功，将会有大量无功在系统中流动，使线路电压降增大、线路损 耗增加、供电的经济性下降。我国现装机容量己超过2 亿k w ，每降低0 1 的 网损就相当于少建一座2 0 万k w 的火电厂，而建一座2 0 万千瓦的火电厂需综 合费用约1 5 亿元，同时每年需燃煤约6 0 万吨，每年生产c 0 2 、s 0 2 等有害物 质约3 0 万吨【9 l 。如果利用电力电容器等无功补偿设备对电网进行无功补偿，降 低相同的网损其成本仅为兴建电厂成本的1 5 1 4 【6 j 。 所以，合理的无功电源配置能有效的降低网损，保证电压质量、预防事故 发生或防止事故的扩大，从而提高电力系统运行的经济性、安全性和稳定性， 同时能带来巨大的社会效益。 油田供电网的用电大户是采油厂，采油厂的配电网是由配电线路、配电变 压器及用电负荷构成的统一体，电压等级在1 l o 6 k v 之间，属于中、高压配电网 【l o 】，一般呈辐射状运行。8 0 9 0 以上的负荷为感应电动机( 抽油机、电潜泵、 注水泵) ，且负荷分散，自然功率因数低( 大约在0 4 左右) ：配电线路供电半径长， 分支线路多，配电变压器日受载率低，因此网损率高于一般水平。这说明油田 配电网具有巨大的节能潜力。 例如在对中原油田采油一厂、二厂、五厂等进行调研工作时，采油二厂供 电大队所管辖的变压器有5 0 0 多台，供电线路复杂，2 0 0 1 年用电量2 2 5 9 1 万度， 电费1 9 亿元，占该厂总成本的三分之一。其中，网损耗电3 5 3 9 度，占总用电量 的1 5 6 7 。造成网损过高的主要原因是无功补偿装置的配置存在问题，无功平 衡点分布不合理。网损过高的同时严重影响电能质量，使电压偏移超过国家规 定的1 0 。如何选择无功补偿设备、确定补偿位置以及补偿容量，采用优化设 计的方法，以改善系统的运行状态，成为目前油田配电网亟待解决的问题。 多年来，我国高压输电网络的无功优化很受重视，有了较多研究，也取得 了一定成果，并在实践应用中效果明显。而配电网的研究一直没有得到应有的 重视，尽管国家实施两网改造工程以来，众多配网自动化系统、设备、装置应 运而生，但都仅限于提高供电可靠性方面，对于如何利用和配置无功资源以迸 一步降低配电网损失，提高电压合格率，提高配电网经济运行性的研究，无论 从运行实际还是研究现状都表现出较强的迫切性【n 】。在配电网的无功资源规划 配置、优化网络运行和线损管理方面存在较多问题，因此，针对配电网实际进 行无功优化的研究具有很强的现实意义和可行性。 配电网无功优化的目的就是在负荷预测、电源规划、电网规划的基础上， 在保证系统安全可靠性及良好的电能质量的前提下，通过合理地确定无功补偿 设备的安装位置和容量，调节变压器的分接头等措施，使系统运行的经济性最 好，实现最优运行。配电网无功优化方案的好坏，不仅影响着系统的运行水平， 而且对今后电网的扩展有相当大的影响。 综上所述，配电网的无功优化具有多方面的益处，主要体现在如下方面： ( 1 ) 降低网损，提高功率因数，从而提高电力部门的经济效益； ( 2 ) 提高电力设备的利用率，节约资金，避免重复建设； ( 3 ) 调整电压，提高供电电压质量，从而维护了用户的利益； ( 4 ) 提高了供电可靠性，使电力部门和用户均受益； ( 5 ) 节约能源，改善环境。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 电力系统的无功优化问题是一个多变量、多约束的混合非线性规划问题， 其操作变量既有连续变量( 如：节点电压、发电机的无功出力) ，又有离散变量( 如： 变压器分接头位置、补偿电抗器和电容器的投切容量) ，使得优化过程十分复杂。 长期以来，国内外的许多专家、学者对此进行了大量的研究和探索工作，取得 了很多成果。 电力系统无功优化问题有如下特点： ( 1 ) 离散性 通过用离散变量来表示在何处安装无功补偿设备，表示变压器分接头的位 置、电容器组和电抗器组数等。 ( 2 ) 非线性 在数学模型中，为了满足功率平衡，约束条件中包含潮流计算方程。潮流 方程就是典型的非线性方程。 ( 3 ) 大规模 现代电力网包含众多的节点和出线。越是电压等级低的网络，其节点数往 往越多，网络越复杂。 ( 4 ) 收敛性依赖于初值 无功优化的数学模型中要考虑潮流方程作为等式约束，而潮流方程是超越 方程。因此，电压无功优化问题是非凸的，即可能存在多解的情况。电力系统 无功优化问题的约束条件大部分为非线性的，引入离散变量后，难以保证其连 续可微的要求，因此其收敛性更依赖于初值的选择。 在满足运行条件的约束下，根据优化的侧重点不同，优化的目标函数也不 尽相同，通常有以下几种目标函数： ( 1 ) 各节点电压幅值与各节点额定电压之差的平方和最小； ( 2 ) 系统网损最小； ( 3 ) 无功补偿设备投资最小； ( 4 ) 综合考虑2 、3 ，是综合效益最大； ( 5 ) 分接头、电容器( 电抗器等) 投切次数最少。 另外，由于对无功优化模型的处理不同以及优化目标函数的选择不同，所 以使用的优化方法也有差异。主要有以下几种优化方法： ( 1 ) 非线性规划法； ( 2 ) 线性规划法； ( 3 ) 混合整数规划法： ( 4 ) 人工智能方法等。 1 2 1 几种常用的无功优化方法 ( 1 ) 非线性规划法 电力系统无功补偿优化的计算中，直接采用非线性规划方法的最多。其基 本思想是将约束条件进行适当的处理后，把有约束的非线性规划问题转化为无 约束非线性规划问题。采用罚函数处理不等式约束的方法，称为罚函数法，具 有满意的收敛性和计算速度。对于无约束非线性规划问题可用梯度法、共轭梯 度法、变尺度法、步长加速法等数学方法进行求解。 非线性规划法是处理电力系统无功优化最直接的方法，这种方法的数学模 型建立比较直观，易于理解，物理概念清晰，计算精度高。缺点是算法较复杂， 稳定性较差。如果不考虑控制变量和某些函数变量的离散特性，则配电网的电 压无功运行优化问题可看成典型的非线性规划问题，从而可以建立准确的非线 性模型，并且采用非线性规划法来提高解的质量。 ( 2 ) 线性规划法 线性优化方法应用于电力系统无功优化，其原理就是把目标函数和约束条 件全部用泰勒公式展开，略去高次项，使非线性规划问题在初值点处转化为线 性规划问题，用逐次线性逼近的方法来进行解空间的寻优。线性规划法理论完 整，方法成熟，计算速度快，收敛相对可靠，算法稳定，因而被广泛的应用到 无功优化领域中。 但是，由于线性规划法需要使用梯度矢量信息，因而在求解具体问题时不 得不做一些近似处理，往往得不到全局最优解，因为无功优化问题不是一个凸 问题，且算法沿单路径搜索寻优，故常常会收敛于一个局部最优解，除非初始 点就在全局最优解附近，才有可能达到全局最优解。其次，线性规划法无法解 决离散变量问题，对于无功优化过程中大量的离散变量，采用连续化的近似处 理，误差很大。另外，在线性逼近的求解过程中，若步长取得过大，则可能引 发振荡，步长太小，又容易使收敛变慢。 ( 3 ) 混合整数规划法 混合整数规划法的原理就是先确定整数变量，再与线性规划法协调来处理 连续变量。它解决了前述方法中没有解决的离散变量的精确处理问题，其数学 模型也比较准确的体现了无功优化实际，但是这种分两步优化的方法削弱了它 的总体最优性，同时在问题的求解过程中常常发生振荡发散，而且它的计算过 程十分复杂，计算量大，使这种方法难以得到进一步的推广应用。 ( 4 ) 人工智能方法 传统数学优化方法依赖于精确的数学模型，但精确的数学模型往往流于复 杂，使之难以适应实时控制的要求：而粗略的数学模型又带来较大的误差。近 年来，基于对自然界和人类本身的有效类比而获得启示的智能方法受到了研究 人员的广泛注意，如模拟退火法、遗传算法、专家系统、人工神经网络算法、 4 t a b u 搜索方法、模糊集理论、粗糙集理论等。它们在电力系统无功优化中的研 究或应用正处于积极的进行中，其中以“模拟退火法”和“遗传算法”为代表。 模拟退火法是一种随机搜索方法，它模拟了金属溶液冷却或退火过程，即 退火过程中能量逐渐减小，而退火结束后，金属的能量最小。但其参数( 如温 度t 的初始值设置、退火速度以及温度管理问题) 的选取比较麻烦。为了使最 终解尽可能接近全局最优，退火过程不能太快，但这又使算法的计算时间加长。 遗传算法是近年来发展起来的一种模拟生物进化过程的，便于计算机实现 的全局优化算法。其机理源于自然界生物进化过程中，由于环境的限制，只有 适应性强的个体可以生存下来，并能将其优良特性遗传到下一代，经过这样代 代优选，存留下来的个体具备更强的适应性。与传统算法相比，该算法简单， 对目标函数不要求可导，且能方便的处理离散变量和获得全局最优解等优点。 因此遗传算法被广泛地应用于机器学习，人工神经网络，函数优化等许多领域。 在当前电力系统中，基于遗传算法的无功优化研究也是一个十分热门的课题。 在利用前面提到的各种方法中解决无功优化问题时，各有其自身的优缺 点，可以根据需要选择不同的优化方法。在本文中，考虑到非线性规划法方法 成熟，物理概念清晰，数学模型建立比较直观，计算精度高，能够比较好地应 用到无功优化领域中，因此本文采用非线性规划法来进行油田配电网无功优化 问题的研究。 1 2 2 配电网无功优化的实现手段 合理地确定无功补偿设备( 并联电容器、并联电抗器等) 的安装位置和容 量、调节变压器的分接头，保证系统安全可靠性及良好的电能质量，同时使系 统运行的经济性最好，是配电网无功优化的目的【1 2 】【l ”。 并联电容器的主要目的是降低有功网损，辅助目的是调整电压。它一般不 能连续调节，只能分组投切以改变其供应的感性无功功率，从而提高功率因数、 减少电源端送来的无功功率、降低损耗、提高负荷端电压和配电网的运行效率。 并联电容器补偿的主要优点是损耗小，成本低，设备简单，占地少。作为配电 网中的主要无功电源，并联电容器组的配置原则是“分级补偿，就地平衡”。既 要注意整个配电网中无功功率的总体平衡，又要注意局部地区的无功功率平衡。 如果无功电源的规划( 补偿容量和补偿位置) 不合理，局部地区的无功功率不 能就地平衡，就会造成一些变电站或者线路的无功电源过多，电压偏高，过剩 的无功功率要向外输送；而另外一些变电站或者线路的无功电源不足，电压偏 低，只能由上一级电网供应无功功率，从而形成不同地区间无功功率的长途输 送和交换，使配电网的有功损耗和电压损耗增加。为了实现“分级补偿，就地 平衡”的原则，就必须采用分散补偿与集中补偿相结合的方式，同时既要开展 供电部门的补偿，又要进行用户的补偿。 并联电抗器用于吸收高压电力网过剩的无功功率。对于高压远距离输电线 路，则还有提高输送能力、降低过电压等作用【l “。 有载调压变压器的主要目的是调整电压，辅助目的是再分配无功功率。变 压器本身并不产生无功功率，只能改变无功功率在电网中的分布。有载调压变 压器的变比是可以选择的，例如u 。4 x 2 5 或u 。8 1 2 5 等，即有9 个或 1 7 个分接头可供选择。其中，对应于u n 的分接头常称为主接头或主抽头。在 无功功率供应充裕的配电网中，采用有载调压变压器调压比较灵活可靠，节约 投资，特别是当负荷的变化规律以及其距电源的远近相差悬殊时，不采用有载 调压变压器几乎无法满足所有负荷对电压质量的要求。但是，在无功缺乏的配 电网中，一般不采用这种方式，因为升高某地区电网的运行电压，则该地区负 荷电压和消耗的无功都将增加，从而加剧了配电网中其他地区的无功不足程度。 有载调压变压器的另一个缺点是只能分级调压，调压不够平滑。 近些年来，柔性交流输电技术( f a c t s ) 的出现和发展为电力系统的无功 补偿提供了新的手段。f a c t s 的概念是1 9 8 6 年由美国电力研究院( e p r j ) 的 n g h i n g o r a n i 博士首先提出来的。这种新型交流输电方式不仅具有灵活的潮流 控制能力，更高的输电能力，而且具有适应性很强的输电性能。在正常运行情 况下可按照用户需求和安全、经济指标调节系统潮流分布，提高输电线传输功 率极限【m 1 6 】。在系统受扰动情况下可快速调节系统参数，提高系统稳定性，防 止系统崩溃，或抑制系统振荡等。f a c t s 技术在电力系统改造、现代电力系统 的形成和发展以及电力系统理论研究等三方面具有深远的意义。 f a c t s 包括交流输电系统以及接在该系统上各种电力电子控制设备， f a c t s 设备的种类很多，其中静止无功补偿器s v c ( s t a t i e v a r c o m p e n s a t o r s ) 、 静止调相器s t a t c o n ( s t a t i cc o n d e n s e r ) 等都是具有可控晶闸管控制系统的无 功功率补偿设备，包括电容性补偿及电感性补偿。由于f a c t s 装置的成本昂贵， 所以其合理的配置显得十分重要【l7 i 。 因此，配电网中实际的无功优化配置问题的发展方向将是运用现代的 f a c t s 元件，结合传统的电容器、电抗器进行设计。 1 3 论文的主要工作 本文根据油田配电网自身的特点，提出了适合油田配电网的无功优化数学 模型，来解决油田配电网中实际的无功优化配置问题。主要工作如下： ( 1 ) 本文以配电网年电能损失费用和折合到每一年的新增无功补偿设备的 投资最小为目标函数，无功优化的数学模型符合实际情况，全面、具体地衡量 补偿的经济效益，同时在约束条件中保证了系统良好的电能质量。 ( 2 ) 在油田配电网无功补偿优化设计中采用先进的f a c t s 设备与传统的 电容器组、电抗器组相结合的方法，既利用了f a c t s 设备能快速连续地调整无 功从而有效地解决电压稳定性的特点，又充分考虑了设备投资的经济性问题， 是比较合理可行的方案，在一些对全网运行性能影响较大的重要节点使用 6 f a c t s 设备的优越性尤为突出。 ( 3 ) 根据分解协调原理把无功优化数学模型分解为最大、一般和最小负荷 方式三个子模型，使计算更加简便，符合配电网运行方式变化的实际情况。 ( 4 ) 在无功优化计算过程中，考虑了三种不同负荷方式在全年所占的比重， 利用最大负荷损耗时间来协调不同负荷运行方式下的电能损失费用，避免了只 考虑单一负荷水平的片面性，计算结果更加准确。 ( 5 ) 在制定无功补偿方案时，充分考虑了变压器分接头的改变对电压调整 的作用，在某些方面避免或减少了所增加的补偿设备，使新增无功补偿设备的 投资费用减少，经济性更好。 ( 6 ) 本文对中原油田采油二厂的南七线、王刀线进行详细的优化分析，利 用上述无功优化算法计算出无功补偿设备的最佳补偿点和最佳补偿容量，从而 提高该线运行的安全、经济水平，有效地降低了系统的网损，其计算结果令人 满意。 第二章配电网的无功优化控制原理 2 1 配电网无功损耗及无功特性 在正弦稳态电路中，无功功率定义为 q = f 3 u i s i n o ( 2 一1 ) 式中 卜一元件两端电压差的有效值 卜一流过元件电流的有效值 p 电流相量滞后于电压相量的相位差 无功功率表示单位时间内元件与外施电源间来回交换能量的大小，即该能 量是可逆的。而有功功率表示单位时间内元件消耗的能量，它是不可逆的【”】。 由于无功功率流过电网时会增加网络的有功损耗和电压损耗，且无功电源 比有功电源易于获取，因此在电力系统运行中，无功功率一般是就地平衡，而 不经过长距离输送。 2 1 1 无功功率负荷 在配电网的各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功 率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数用电设备都要消 耗无功功率。因此，无论工业或农业用户都以滞后功率因数运行，其值约为 0 6 0 9 ，即负荷消耗的无功功率约为其有功功率的0 5 1 3 倍。用户的无功功率 负荷曲线的变化规律与有功功率负荷曲线的变化规律大体相似，由于一昼夜间 负荷成份的变化，不同类型负荷的功率因数未必相同，使得这两种负荷曲线间 存在着差异，无功功率和有功功率的最大负荷不一定同时出现。图2 - 1 为某地 区电力系统无功功率的日负荷曲线。 2 1 2 变压器中的无功功率损耗 专 i g d 1 们 2 0 时间 图2 - 1 电力系统无功功率的日负荷曲线 变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。 其中，励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流的百分值，约为l r 一2 ：绕 组漏抗中损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压的百分值，约为1 0 。 因此，对一台变压器或一级变压的网络而言，变压器中的无功功率损耗并不大。 但对于多电压等级网络，变压器中的无功功率损耗就相当可观了。例如，当配 电网中含有三级变压器1 1 0 3 5 、3 5 1 0 、1 0 0 4 k v 降压至用户，其无功损耗如表 2 1 所示。由此可见，变压器的无功功率损耗占相当大的比例，较有功功率损耗 大得多。 表2 - 1 变压器无功损耗表 项目所有变压器都满载所有变压器都半载 变压器的励磁支路损耗4 5 4 5 变压器绕组漏抗中损耗3 0 7 ，5 变压器中的总损耗3 4 5 1 2 变压器损耗，变压器负荷3 45 1 0 02 4 1 1 0 0 2 1 3 电力线路上的无功功率损耗 电力线路上的无功损耗也分为两个部分，即并联电纳和串联电抗中的无功 功率损耗。并联电纳中的无功损耗又称充电功率，已与线路电压的平方成正比， 呈容性。串联电抗中的无功损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。一般，对 于1 1 0 k v 及以下的配电网线路，可忽略电纳的影响，消耗的无功功率主要由电 抗引起的，可表示为 q ，：3 1 2 x l 1 0 - 3 ：芝箬置1 0 3 ( 2 - 2 ) u 式中 q 线路消耗的感性无功功率，k v a r 卜一线路流过的电流，k a p 输送的有功功率，k w 卜输送的无功功率，k v a r u 。线路的额定电压，k v z ，线路的阻抗，0 从式( 2 2 ) 可以看出，线路无功损耗与线路电压的平方成反比，与输送功 率的平方成正比。线路运行电压越低，则无功损耗越大；输送的功率越大，则 无功损耗越大。 2 1 4 配电网无功功率的平衡 配电网中无功功率的平衡关系与有功功率相似，可表示为u 2 z q 一q 一珐= 0( 2 - 3 ) 其中，电源供应的无功功率q o c 由两部分组成：发电机供应的无功功率f l o 和补 偿设备供应的无功功率q c 。无功功率损耗绕主要包括两个部分：变压器中的 无功功率损耗和线路电抗中的无功功率损耗。负荷消耗的无功功率q - - - i 燃 的功率因数计算，即 既= rx t a n q ( 2 - 4 ) 式中最负荷消耗的有功功功率 舻负荷的功率因数角 未经改善的负荷功率因数虽然一般不高，仅达o 6 0 9 ，即负荷消费的无功 功率约为其有功功率的0 5 1 3 倍，但因规程对电力用户的功率因数有一定限 制，例如，不得低于0 9 等，系统运行部门作无功功率平衡时，就可按规程规定 确定负荷消费的无功功率q 。 维持配电网正常电压水平下的无功功率平衡是保证配电网电压质量的基本条 件。如果不能在正常电压水平下保证无功功率的平衡，配电网的电压质量将得 不到保证。配电网无功功率负荷( 包括损耗) 的静态电压特性如图2 - 2 所示。 设配电网运行于额定电压u 。时，系统电源所能提供的无功功率为如。当系 统电源提供的无功功率不足，所供给的无功功率仅为如时，虽然无功功率也能 平衡，但配电网的运行电压被迫下降至【，。 图2 - 2 无功功率平衡和系统电压水平的关系 这种情况下，虽可采取某些措施，如改变某台变压器的变比以提高局部地 区的电压水平，但如果不能增加配电网无功功率电源所能供应的无功功率，则 配电网的电压质量总不能获得全面改善。事实上，配电网中无功功率电源不足 时的无功功率平衡是由于配电网电压水平的下降、无功功率负荷( 包括损耗) 本身 的具有正值的电压调节效应使配电网的无功功率需求有所下降而达到的。 从图2 - 2 可见，为了适应负荷的增长，配电网中应该有足够的无功功率备用 容量。否则，当负荷增大时，配电网的电压质量就得不到保证。因此应力求实 现在额定电压下系统无功功率的平衡，并根据要求进行合理的无功功率控制， 这就是配电网的无功特性【1 m 。 2 2 配电网的无功补偿 2 2 1 无功补偿的作用 无功功率对供电系统和负荷的运行都十分重要。电力系统网络元件的阻抗 主要是电感性的，因此，为了输送有功功率，就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。而为了输送无功功率，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。网络元件和负载所需要的无功功率必 1 0 须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要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。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，这就是无功功率的就地补偿。电容器组是配电网中 应用最广泛的无功补偿设备，通过投切电容器组可有效调整配电网中的无功功 率，以满足在正常电压水平下系统对无功功率的需求。具体地说，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所，通过适当的无功功率补偿可 以平衡三相的有功和无功负载。 2 2 2 无功补偿的要求及标准 配电网无功补偿是为了使无功补偿投资能取得最佳的综合效益，应遵循以 下原则：全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡。 无功补偿的侧重点包括以下方面： ( 1 ) 集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主； ( 2 ) 降损与调压相结合，以降损为主；输电网补偿与配电网相结合，以配 电网补偿为主： ( 3 ) 供电部门进行补偿与用户进行补偿相结合，以就地平衡为主。 无功补偿的标准要遵照我国相关规定【2 0 】，对功率因数做如下规定： ( 1 ) 对于系统站，l l o k v 及以上系统站主变在最大负荷时，其二次侧的功 率因数为0 9 5 以上；3 5 k v 系统站主变在最大负荷时，其二次侧的功率因数为0 9 5 以上； ( 2 ) 对于用户站，高压供电的工业及装有带负荷调整电压设备的用户，功 率因数为0 9 5 以上： ( 3 ) 其它工业用户功率因数为0 9 5 以上； ( 4 ) 趸售和农业用户功率因数为0 。8 0 以上。 2 2 3 无功补偿的实旆方式 无功补偿应根据就地平衡和便于调整电压的原则进行配置。可采用分散和 集中补偿相结合的方式，接近用电端的分散补偿，可取得较好的经济效益，集 中安装在变电所内，有利于控制电压水平。集中补偿方式与分散补偿方式是相 对而言的，对于变电站无功补偿而言，它既是下级站的集中补偿方式，又是上 级站的分散补偿方式。原则是要求达到无功就地平衡。 集中无功补偿方式：就是在变电站站内安装投运无功设备，以达到改善电 能质量、减少变压器及上级电网的功率损耗、提高输变电设备有功出力的目的。 变电站集中补偿基本上应与本级电网设备无功消耗相平衡，并且是就地补偿方 式的补充。新建变电站无功补偿容量应执行国家规赳2 0 1 ，达到功率因数要求。 分散补偿方式；就是在配电线路装设无功补偿设备。从目前配电网看，由 于现在1 0 k v 配电线路大多为单辐射供电方式，从而使得线路存在供电半径过大 的问题。采用分散无功补偿方式，不仅能有效地降低电能损耗，提高供电网络 的电压质量，同时也是低压就地补偿方式的很好补充。 2 3 无功优化控制对电压的影响 电压是衡量电能质量的一个重要指标。保证用户处的电压接近额定值是电 力系统运行调整的基本任务之一。电压偏移过大，除了影响用户的正常工作外， 对电力系统本身也有不利影响。电压降低，会使网络中的功率损耗和能量损耗 加大，电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性；而电压过高时，各种电气 设备的绝缘可能受到损害，在超高压网络中还将增加电晕损耗等【2 ”。 在电力系统的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变， 网络中的电压损耗也将发生变化。要严格保证所有用户在任何时候都有额定电 压是不可能的，因此，系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免的。实际上， 大多数用电设各在稍许偏移额定值的电压下运行，也仍有较良好的技术性能。 从技术上和经济上综合考虑，合理地规定各类用户的允许偏移量是完全必要的。 目前，我国国家标准口2 1 规定； ( 1 ) 3 5 千伏及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的 1 0 ： ( 2 ) 1 0 千伏及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的 t - 7 。 随着高新科技的发展，城市电网电能用户对电压偏差的要求越来越高，因 此。在城市规划时，电压允许偏差取值往往高于上述要求。农村用电一般相对 要求较低，一般可参照上述最低要求执行。 2 3 1 无功功率与电压损失的关系 线路电压损失的近似计算公式为 a u ：p r + q x ( 2 - 5 、 u n 。 式中u 线路的电压损失，k v 亓戡路的电阻，q 石线路的电抗，q p 线路传输的有功功率，k w q 线路传输的无功功率，k v a r u n 线路的额定电压，k v 由公式( 2 5 ) 可以看出，在配电网系统参数( 电阻、电抗) 确定的情况下， 电压损失取决于输送无功功率的大小。如果需要输送的无功过多，则线路电压 损失可能超过允许值，就会引起用户端电压偏低。这时，就需要对配电网进行 无功补偿和无功运行优化分析。 2 3 2 配电网无功优化控制对电压损失的影响 根据式( 2 - 5 ) ，设补偿前线路的电压损失【，。为 a v ： ( 2 6 ) , p l r + q l x u n 补偿后线路的电压损失a u ，为 u ，：墨墨垫= 坠坚( 2 7 ) 。 u 式中只负荷的有功功率 幺负荷的无功功率 乏i c 并联补偿电容器的容量 由式( 2 6 ) 和式( 2 - 7 ) 可以得出，由于补偿了无功功率，线路可减少的 电压损失为 【，l 一u 2 ：q f c x ( 2 - 8 ) l ， 补偿系数以为 尼= 兰1 0 0 ( 2 - 9 ) 。耽 投切电容器前后线路压降的相对值k 。为 k a u , - a u 2 鱼兰：生 1 0 0 r 2 1 0 ) 9 a u le r + q l x1 + k c t g ( o 、 式中k 。线路阻抗比 配电网无功优化控制对电压损失有直接影响，从上述公式可以看出：无功 功率控制对配电线路压降的影响效果与补偿系数七，、