（电力系统及其自动化专业论文）企业级电网分析与优化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 企业电网是配电网的一个分支，其规模不亚于城乡配电网，通常由企业内部 的电力部门负责运行管理。企业对电网的投入不足，造成企业电网运行水平相对 落后。随着企业的发展，企业电网己不能满足企业生产的要求。对企业电网的运 行方式的分析和无功优化配置的研究，不仅可以提高企业电网的电压质量，也关 系到企业电网的经济运行。本文以兖矿集团内部电网为例，来分析企业电网运行 中的潮流分布和无功优化配置问题。 潮流计算是分析配电网的基础。本文通过比较几种常用于配电网潮流计算的 算法，采用牛顿法进行企业电网的潮流分析，发现企业电网运行中出现的问题， 并提出调整措施；本文考虑电压约束限制和设备容量限制，采用发电机调节、变 压器分接头调节、无功补偿设备的投切为控制方法，通过比较经典的和人工智能 的无功优化算法，最终运用计算迅速准确的内点法对企业电网进行无功优化配置 的计算；并针对电网无功补偿容量过低、补偿位置分布不合理的情况，运用灵敏 度分析的方法，来确定最佳的补偿位置，增加补偿容量，进一步提高电压质量， 降低网络损耗。 本文在总结文献资料和实地调研的基础上，以兖矿集团电网为研究目标，对 兖矿集团电网的特点、运行中出现的问题、电网的发展现状和要求进行了总结归 纳，运用电力系统综合分析软件包p s a s p 6 2 作为仿真和计算工具，采用牛顿法 对兖矿集团电网进行了潮流计算，对潮流分布的合理性，实际运行方式下的电压 水平等方面进行了全面分析，找出兖矿电网存在的问题，提出了优化方案；针对 兖矿电网运行电压较低，网络损耗较大的问题，采用内点法，以电网有功功率损 耗最小为目标，得出最佳的电网运行时的变压器分接头位置和无功补偿容量；对 兖矿电网运用灵敏度分析的方法，找出了最佳的增加补偿电容器的位置，计算结 果表明补偿后进一步降低了网络损耗，提高了电压质量。 本文提出的优化方法已在兖矿电网的运行中得到了应用，收到了良好的效 果，对兖矿电网的运行起到了指导意义。 关键词：企业电网；潮流计算；无功优化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee n t e r p r i s ep o w e rg r i di sak i n do fs p e c i a ld i s t r i b u t i o np o w e rn e t w o r k s ，w h i c h i sa l m o s ta sl a r g ea st h en o r m a lu r b a na n dr u r a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n di ti s o p e r a t e da n dm a n a g e db yt h ei n t e r n a le l e c t r i c i t ys e c t o ro ft h ee n t e r p r i s e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e ，e n t e r p r i s e sp o w e rg r i dh a sb e e nu n a b l et om e e tt h e r e q u i r e m e n t si np r o d u c t i o n w i t ha n a l y s i so nt h ee n t e r p r i s en e t w o r ko p e r a t i n gm o d e a n dr e s e a r c ho no p t i m i z a t i o no fr e a c t i v ep o w e r , e n t e r p r i s e sc a nn o to n l ye n h a n c et h e v o l t a g eq u a l i t yo ft h eg r i d ，b u ta l s or e l a t et ot h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e r n e t w o r k b a s e do nt h ey a nk u a n gi n t e r n a lg r i d ，t h ep a p e r a n a l y z e st h er e a s o n a b l e n e s s o ft h el o a df l o wa n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o n l o a df l o wc a l c u l a t i o ni st h eb a s i so fd i s t r i b u t i o np o w e rn e t w o r ka n a l y s i s b y c o m p a r i n gs e v e r a la l g o r i t h m sc o m m o n l yu s e di nl o a df l o wc a l c u l a t i o n ，t h ep a p e ru s e s t h en e w t o nm e t h o dt oc a l c u l a t et h e e n t e r p r i s eg r i d ，f i n d st h ep r o b l e m si n t h e o p e r a t i o na n dg i v e st h es o l u t i o n s i nt h i sp a p e rw et a k ea c c o u n to ft h el i m i to fv o l t a g e r e s t r i c t i o nc o n d i t i o n sa n dt h ee q u i p m e n tc a p a c i t y c o n s t r a i n t s ，u s et h eg e n e r a t o r s a d j u s t m e n t 、r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt r a n s f o r m e rt a pc h a n g ea sc o n t r o l m e t h o d b yc o m p a r i n gt h ec l a s s i ca n dt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c er e a c t i v eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，w ea d o p ti n t e r i o rp o i n tm e t h o db e c a u s eo fi t sh i g hc o m p u t i n gs p e e da n d h i g ha c c u r a c yf o rr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o nc o m p u t i n go ft h e e n t e r p r i s eg r i dn e t w o r k b a s e do nt h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h ep a p e rd e t e r m i n et h eb e s t l o c a t i o no ft h ec o m p e n s a t i o ni n c r e a s e dt of u r t h e ri m p r o v et h ev o l t a g eq u a l i t ya n d r e d u c en e t w o r k l o s s e s ，f o r l o wr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n a n di r r a t i o n a l d i s t r i b u t i o no ft h ee n t e r p r i s eg r i dn e t w o r k b a s e do nt h el i t e r a t u r ea n dt h e i n v e s t i g a t i o n ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o b l e mi nt h eo p e r a t i o na n ds t a t u so ft h ey a nk u a n gg r i d b y u s i n gt h ep s a s p 6 2a st h et o o l ，t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h e r e a s o n a b l e n e s so ft h el o a df l o wa n dt h ev o l t a g el e v e lo ft h er e a lo p e r a t i o nm o d eo ft h e 山东大学硕士学位论文 y a nk u a n gg r i du s i n gn e w t o nm e t h o d t h er o o t so ft h ep r o b l e m sa p p e a r i n gi ny a n k u a n gg r i da r ef o u n do u ta n dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d t a k i n gt h e m i n i m u mo ft h ea c t i v ep o w e rl o s sa so b j e c tf u n c t i o n ，t h ep a p e ru s e si n t e r i o rp o i n t m e t h o dt os o l v et h ep r o b l e m so fl o w v o l t a g el e v e li no p e r m i o na n daw i d en e t w o r k l o s s ，a n dg e t st h eo p t i m a lt a pl o c a t i o na n dc a p a c i t yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no f g r i d b a s e do nt h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h eb e s tp o s i t i o n st oi n c r e a s ec o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r sa r ei d e n t i f i e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tn e t w o r kl o s s e sa r er e d u c e d a n dt h eq u a l i t yo ft h ev o l t a g ei m p r o v e da f t e rc o m p e n s a t i o ni n c r e a s e d t h ep r o p o s e ds c h e m eb yt h ep a p e rh a sb e e no p e r a t e di ny a nk u a n g 鲥d ，a n d g o o dr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d i tp l a y sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a lr o l ei nt h eo p e r a t i o n o fy a nk u a n gg r i d k e yw o r d s ：e n t e r p r i s en e t w o r kg r i d ，p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n ，r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o n 4 山东大学硕士学位论文 1 1 企业电网的特点 第一章绪论 电力系统由发电、输电、变电、配电和用电五部分组成。发电厂特别是大型 发电厂往往远离负荷中心，一般要通过高压或超高压输电网络输送到负荷中心， 然后在负荷中心由电压等级较低的电力网络把电能分配到不同电压等级的用户。 这种在电力网络中主要起分配电能作用的电力网络称为配电网络【l 】。配电网络按 供电的功能分为城市配电网、农村配电网和工厂配电网；按配电网络的电压等级 分为3 5 k v - i i o k v 的高压配电网、6 k v i o k v 的中压配电网芹h 2 2 0 v - 3 8 0 v 的低压配电 网；按配电网络的连接方式可分为辐射网、树状网和环状网，环状网多以环状连 接，开环运行。 企业电网指大型企业的内部电网，其规模不亚于城乡配电网络，属于配电网 络的一种。企业电网本身是一个小规模综合性的电力系统，其内部包含有发电厂、 变电所、输电线路和配电网络，同时又与地方电力系统相连接。当企业自备电厂 发电不足时，企业电网从电力系统吸收功率；当企业自备电厂发电充裕时，向电 力系统提供功率。如兖矿集团内部电网、大庆油田内部电网和胜利油田内部电网 等，这些企业电网没有纳入电力系统的管理体系，由企业内部的电力管理部门进 行运行维护，由于电力供应是这些企业的辅业，投入的人力、物力和财力明显较 少，因此这些电网存在着各种各样的问题，如电压质量不合格、无功配置较差、 网损较大，已不能适应现代企业发展的要求。 电力是石油、煤炭、钢铁、化工、冶金等基础性重工业部门生产的主要动力， 这些重工业部门关系着国家的经济命脉，与人民的生活息息相关，这些企业对电 力供应的质量和可靠性要求越来越高，对于电力系统来说，他们是一类负荷2 1 。 随着这些企业的不断发展，企业内部形成了完善的供配电网络。这些企业电网具 有以下特点： ( 1 ) 企业内部的自备电厂一般都为小型火力发电厂，容量很小，从几k w 至, j 几十m w 不等，一般不会超过】o o m w 。这些自备电厂大部分时问满发以减少从系统购入的 5 山东大学硕士学位论文 电量，多余的电量向系统输送，还承担企业的供热、供气及冬季供暖。系统作为 企业的补充电源。 ( 2 ) 对于企业内部电网来晚，地方电网相当于一个无穷大电源，地区变电所是枢 纽变电所，它的失电将使企业电网全网崩溃。 ( 3 ) 企业内部电网属于典型的配电网电压等级，由系统2 2 0 k v 或1l o k v 变电站供电， 经过1l o k v ，3 5 k v ，l o k v ，6 k v ，3 8 0 v 供给企业生产及生活用电。为了保证生产用电的 可靠性和安全性，其高压配电网多为环网连接，开环运行，重要的负荷均为双电 源供电。 ( 4 ) 企业内部电网所带负荷大都是关系国计民生的一、二类负荷，如果出现停电 事故，很容易危及工人的生命，缩短设备的寿命，造成重大经济损失，因此对电 能质量、供电可靠性、迅速排除故障的快速反应能力都有很高的要求，网架结构 必须强劲有力。 ( 5 ) 企业内部电网的无功负荷主要包括配电变压器的无功负荷和感应电动机等用 电设备的无功负荷，无功补偿点和补偿容量不尽合理，造成网络损耗较大。 ( 6 ) 企业大电网网络结构不尽合理，负荷分配不均匀，造成供电质量差别较大， 输电线路一般较短，除个别输电线路长度超过l o k m 以外，其余大都在l o k m 以下， 一般为5 0 0 m 一2 k m 不等。 1 2 企业电网运行分析与优化的必要性 电网能够安全、可靠、经济运行的条件是电网内发电、变电、配电结构合理， 电力设备运行可靠，无功补偿容量充足、分布合理，保护装置快速可靠。企业大 电网多以工矿企业电网为主，这些电网受企业的发展方式和各种条件限制，出现 了各种各样的问题，主要有以下情况： ( 1 ) 企业电网与国家电网问的矛盾 8 0 年代以来，国家先后出台过很多政策、文件和优惠条件，鼓励煤矿利用煤 矸石发电，因此煤矸石电站如雨后春笋般地建设起来。这批煤矸石电站的建成大 大缓解了全国电力供应的紧张局面，提高了煤炭行业的整体经济效益。这些矿区 自备电网一般与当地国家电网实行并网发电，以提高矿区供电质量或在自备电网 出现事故时可从国家电网中获得备用电源。企业内部的自备电厂自发自用，余量 6 山东大学硕士学位论文 上网，普遍存在不参与调峰、反而抢低谷发电上网，甚至“反调峰运行的现象， 同时这些电厂通信落后、调度不便，不能与国家电网很好地协调，近几年由于部 分地区国网电力过剩、销售困难，一般不允许企业自备电厂余电上网销售，企业 内部电网电量一旦上网即视为无效，如果国家电网将矿区自备电厂纳入统一的电 力市场进行管理，企业内电网还可能要承担低谷时段上网电量的赔偿责任。因此， 自备电厂如何控制好上网无效电量，关系到企业电网的整体经济效益。 ( 2 ) 企业电网的建设缺乏中长期规划，网架结构存在诸多薄弱环节 以矿业、油田内部电网为例，矿业、油田集团的发展是受地域制约的，新矿 井的开始往往伴随着老矿井的枯竭，开一个新井拉一条线，甚至建一座新的自备 电厂的现象非常普遍，企业内部电网的建设往往缺乏整体的规划设计，所以网架 结构也存在许多不合理的地方。煤矿一般都在地下作业，井下煤层经常涌出大量 有毒易爆的瓦斯气体和地下水，随着矿井的不断延伸，瓦斯、水害、火灾、地压 等灾害呈上升趋势，加之居民生活用电的不断增加和地位的不断提升，对矿区电 网安全、可靠、连续供电的要求愈来愈高。而矿区、油田的生活用电还有挂靠在 生产用电线路上的现象，由于煤矿、油田生产的特殊性，一旦供电不足，首先保 证生产用电，居民生活会受到很大影响。 ( 3 ) 企业电网负荷重，网损率高，无功配置较差 煤矿、油田、钢铁、化工等行业是耗能大户。企业电网的网损率高，降低网 络损耗是增强企业经济效益的重要措施目前企业电力管理部门为降低企业电网 的网损率所做的工作主要有：配电网的升压改造；确定电网的经济运行方式；提 高功率因数，包括提高用电设备主要是电动机的自然功率因数，利用并联补偿装 置提高系统和用户端的功率因数；合理调整负荷，提高负荷率；通过提高变压器 的经济运行效率以及功率因数降低变压器的损耗等等。 ( 4 ) 企业电网管理上存在缺口，电网发展滞后于企业发展 企业内部电网不在国家电网公司的管辖范围内，而大型企业的电力生产是辅 业，企业对其投资力度较小，电网发、供、配电设备陈旧，运行效率低，绝缘性 能差，损耗大，电网建设跟不上负荷发展，输电线路负担重，配电变压器有超负 荷运行的隐患，如马钢电刚驯有些变电所站六十年代的产品仍在使用，七十年 代的产品是主要设备；继电保护设备部分已实现微机保护，但还有相当一部分是 7 山东大学硕士学位论文 电磁式的，灵敏度差，一旦发生事故，容易误动，扩大事故范围。 企业大电网存在的弱点使之已不能满足电网运行的安全、可靠、经济运行的 要求，不能适应企业发展的需要，为此需要全面分析企业电网的运行状况，主要 有以下几个方面： ( 1 ) 企业电网的潮流分布 企业电网的电能分布极不均匀，生活用电和生产用电差别明显，根据给定的 运行条件和接线方式，通过潮流计算得出各母线的电压，各元件中流过的功率， 系统的功率损耗等。在电力系统规划和现行电力系统运行方式的研究中，都需要 利用潮流计算来定量地分析比较供电方案和运行方式的合理性、可行性和经济 性。配电网潮流计算是配电网网络分析的基础，配电网的网络重构、故障处理、 无功优化和状态估计，稳定性分析等都需要用到配网潮流的数据，因此潮流计算 在电网调度、运行分析、操作模拟和设计规划中都发挥着重要的作用。 ( 2 ) 无功补偿设备配置的分析 企业电网的负荷大部分为生产用电，消耗大量的无功功率。电网上大量无功 功率的流动造成了电压质量下降，电网损耗增加，降低了电网的供电能力。配电 网无功的合理分布对提i 商电网的电能质量和节能降耗的影响十分重要，这其中采 取无功补偿的方法提高功率因数、降低线损等都是行之有效的措施。通过无功补 偿可以提高供电系统及负载的功率因数、降低设备容量、减少功率损耗、稳定受 电端及电网的电压以及提高供电质量。无功补偿以有功网损最小为目标，确定无 功补偿设备的投入容量和投入位置是无功配置的中心问题。 ( 3 ) 企业电网的稳定性分析 电力系统稳定性是指电力系统可以连续向负荷持续正常供电的状态。电力系 统稳定的破坏往往会导致系统的解列和崩溃，造成大面积停电，所以保证电力系 统稳定是电力系统安全运行的必要条件。同样，企业电网稳定性的降低也会给企 业电网的安全运行带来隐患，分析企业电网的稳定性有着非常重要的意义。 1 3 本文计算所使用的程序 本文计算所使用的程序为中国电力科学院开发的电力系统分析综合程序 ( p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ，p s a s p ) 1 4 1 。p s a s p 是一套历史长久、 8 山东大学硕士学位论文 功能强大、使用方便的电力系统分析程序，是高度集成和开放具有我国自主知识 产权的大型软件包。 基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，p s a s p 可 进行电力系统( 输电、供电和配电系统) 的各种计算分析，主要包括： 稳态分析的潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐 波分析、静态等值等； 故障分析的短路计算、复杂故障计算以及继电保护整定计算等； 机电暂态分析的暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、电压稳定计算、小干 扰稳定计算、动态等值、马达起动、控制系统参数优化与协调以及电磁一机电暂 态分析的次同步谐振计算等。 1 4 本文所做的工作 本文分析企业级电网的现状，总结企业级电网的特点，研究适合企业电网 分析的潮流计算的方法，通过计算潮流分布，分析电压质量存在的问题，接线合 理性以及电网存在的其它问题；以有功网损最小为目标，以发电机调节、变压器 分接头调节和无功投入容量为控制方法，采用内点法，研究无功补偿装置，主要 是并联电容器的投入容量；采用灵敏度分析的方法，确定电网无功装置的最佳配 置点，进行并联电容器的优化配置；本文在“矿区电网潮流分布的分析研究与应 用”这一研究课题的基础上，以兖矿电网为例，经过大量实地调研分析，在用户、 专家咨询的指导下，搜集整理兖矿电网运行的大量数据，建立能反应实际运行状 况的模型，对兖矿电网进行了详细深入的分析，运用上述算法，发现存在的问题， 并提出解决的可行方案，实际运行结果显示本文所述方法取得了良好的效果，提 高了企业电网运行的可靠性、安全性和经济性，为企业级电网的分析和优化提供 了指导意义。 9 山东大学硕士学位论文 第二章企业电网的潮流分析 2 1 企业电网潮流分析概述 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，企业对电力供应质量 的要求越来越高。大型企业对企业内部电网的投入较少，企业电网的发展收到极 大的限制，已出现各种各样的问题。因此对企业电网分析的必要性日益增大。在 电力系统运行和规划中，都需要研究电力系统稳态运行情况以确定其运行状态。 电网潮流计算的目的是为了清楚掌握所计算的网络在各种运行方式下各个节点 和每条线路上的电压分布和功率分布情况。电力系统潮流计算是电力系统分析中 最基本最重要的计算，是电力系统运行、规划以及安全性、可靠性分析和优化的 基础，也是各种电磁暂态和机电暂态分析的基础和出发点。通过对企业电网潮流 计算得出的结果，可以分析企业电网电压质量是否合格，各线路功率分布情况， 分析电网的接线足否合理，潮流数据还是企业电网短路计算和继电保护整定的基 础，电网的无功配置及优化、电力系统稳定性分析都是以潮流数据为前提的。 企业大电网属于配电网的一种，配电网的网络结构与输电网相比有着明显的 差异：配电网的网络呈辐射状，在正常运行时是开环的，只有在倒换负荷或发生 故障时才有可能出现短时环网运行情况。配电网的另一个特点是配电线路的总长 度较输电线路要长且分支较多，配电线的线径比输电网细导致配电网的r x 较大， 且线路的充电电容可以忽略由于配电线路的r x 较大，无法满足p 、q 解耦条件 g j b i ，所以在输电网中常用的快速解耦算法( f d l f ) i s 在配电网中则难以收敛。 虽然有些学者为使快速解耦法能在配电网中得以继续应用而作了一些有益的尝 试，f f 啦h d r a g o s l a vr a j i c i c 平n a n j a nb o s e 6 1 应用补偿技术处理r x 较大的线路。 但这些方法都使算法复杂化，丧失了快速解耦算法原有的计算量小、收敛可靠的 特点。 企业电网的潮流分析问题不仅仅是一个计算问题，更主要的是通过选择合适 的潮流算法来取得一个合理的准确的潮流结果，并通过结果来知道电网的规划。 本章通过几种潮流算法的比较，得出功率平衡牛顿法是一种计算配电网潮流的优 秀算法，并以兖矿电网为例，来分析企业电网潮流存在的问题。 山东大学硕士学位论文 2 2 潮流计算的算法分析 电力系统潮流计算算法可分成节点法和支路法两大类。输电网络结构复杂， 环路众多，用节点法计算潮流较为合适。而配电网通常开环运行，只有在故障或 倒换负荷时才短时闭环运行，运行环路中的线路数目较少，网架结构较简单，因 此节点法和支路法均适用于配电网络潮流计算。 2 2 1 节点类潮流算法 此类方法以节点的注入量为自变量列出潮流方程，比较常见的方法有z b u s f 7 】 法和y b u s 法。z b u s 法是根据叠加原理来实现的，一条母线j 上的电压可以通过根 节点( 松弛节点) 在母线j 上产生的电压与母线j 上的等值注入电流所产生的电压 降叠加求得。这里的等值注入电流指的是除了根节点以外的其他配电网元件如负 荷、电容电抗器、无功补偿器等在它们所连接的母线上产生的等值注入电流。y b u s 法与z b u s 法本质上是一致的。 2 2 2 支路类潮流算法 此类方法是配电网潮流算法中较多的一类，也是应用较多的一类算法，以配 电网的支路数据为研究对象列出潮流方程。此类方法面向支路前推回代。典型算 法有以支路电流为状态量的回路法和以支路网损为状态量的前推回代法。 ( 1 ) 回路法【8 1 将负荷用等值注入电流表示，首先利用基尔霍夫电流定律以求得配电网各支 路电流，再利用支路阻抗矩阵求各分支的电压降，从而求得各节点的电压。 ( 2 ) 前推回代法( 】) 【9 】 前推回代法是配电网支路法中被广泛研究的一种算法，该方法从根节点起按 广度优先搜索并对配电网进行分层编号，编号反映了前推回代的顺序。将负荷用 等值注入电流表示，用回代法求支路电流，再用前推法求得节点电压。 ( 3 ) 前推回代法( 2 ) 前推回代法的另一种形式是面向网损的。其主要思想是利用支路功率代替支 路电流以构成前推回代的基本方程，其中考虑线路的损耗。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 牛顿法 牛顿法【1 0 1 1 1 的数学模型是基于节点功率平衡方程式，再应用牛顿法形成修正 方程，求每次迭代的修正量。自六十年代稀疏矩阵技术应用于牛顿法以来，经过 几十年的发展，它已经成为求解电力系统潮流问题时应用最广泛的一种方法。当 以节点功率为注入量时，潮流方程成为一组非线性方程，而牛顿法是求解非线性 方程组最有效的方法之一。 令o ，= u z o , ，采用极坐标形式的潮流方程为： 一u ，uj ( g 口c o s o , j + b s i n 巳) = a p , = 0 ( 2 1 ) j e t q 卜u ，u ，( g s i no , j b pc o s o , ) = a q ，= 0 ( 2 2 ) o 将上述两式在某个近似解附近用泰勒级数展开，只保留一次项，得到以矩阵形 式表示的修正方程为： j = 褂一j 陶 抛p a 臼 a a q a 秒 a p a u 0 a q 舢 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中a p 、a q 为潮流方程的残差项量，a o , u 为母线的电压修正量，j 为雅可 比矩阵。 2 2 4 潮流算法的比较 对上述算法，从以下几个方面加以比较： ( 1 ) 分支线的处理能力 与输电网不同，配电网是开环运行的。在一条主馈线上有众多的分支馈线， 因此一种配电网潮流算法能否有效处理分支线段就成为评价该配电网潮流算法 的重要指标。节点类潮流算法、回路法和牛顿法都是将配电网作为一个整体形成 导纳阵或阻抗阵，因此都可以很好的处理分支。两种前推回代算法，每次迭代只 能处理一条支路，所以为求得全网的潮流分布，在一次计算周期中必须分别对每 山东大学硕士学位论文 一条支路迭代一次。所以用这两种配电网潮流算法处理带有分支线的馈线的效率 不高，随着网络分支的增多，这两种算法的计算效率将会有所降低。 ( 2 ) 双电源处理能力 在正常运行情况下，配电网是开环运行的辐射网，每条馈线只有一个电源点。 这个电源点在潮流计算中通常作为平衡节点或根节点。但在实际系统运行过程 中，有时会出现环网运行的情况，例如：为了平衡每条馈线的功率，需要在馈线 之间倒换负荷。此时可能会合上某两条馈线之间的联络开关。当出现环网时，对 于这两条馈线中的任意一条来说，都存在两个电源点。因此处理多电源点的馈线 潮流成为各种潮流算法所面临的问题。支路类算法都是面向支路和节点的，这些 方法一次只能对一条馈线计算潮流，所以当出现上述环网情况时，对于两条馈线， 这些方法一般采取迭代联络线潮流的方法，这样就增加了迭代的次数和编程的复 杂性。 ( 3 ) 收敛阶数 潮流算法的收敛阶数是决定收敛速度的关键。上述几种方法中，除了牛顿法 是二阶收敛之外，余下的方法收敛阶数都是一阶的。利用牛顿法可以很快的得到 结果。 ( 4 ) 收敛稳定性 算法的稳定性也是评价配电网潮流算法的重要指标。一般可以认为算法的收 敛的阶数越高，算法的稳定性越差。上述五种方法中前四种方法的收敛阶数为一 阶，所以从理论上讲算法有较好的稳定性。牛顿拉夫逊法是一种二阶方法，其收 敛性受初值影响较大。当电网的末端电压低于一定数值时，牛顿法开始发散。这 个数值一般在0 5 0 6 p u 之间。为弥补牛顿法的这一缺陷，在实际应用中往往采 用牛顿法和其他简单迭代相结合的方法。首先通过简单迭代达到某一个解的邻 域，然后再运用牛顿法加速收敛速度。 目前我国配电网中对末端电压降是有规定的，因此一般的配电馈线末端电压 一般都在0 7 5 - 0 8 5 p u 之间，在这样的范围之内上述3 类方法都可以很好的收敛。 综上所述，牛顿法对于分支线路和双电源f i l l 做很好的处理，而且具有二阶 收敛性，收敛稳定性较好。企业大电网内部往往有小型发电厂，双电源供电随处 可见，大部分负荷为环网供电，开环运行，电网接线随企业的发展变化较大。因 1 4 山东大学硕士学位论文 此牛顿法对于企业大电网的潮流计算是一种非常优秀的算法。本次对兖矿电网的 潮流分布的计算即是应用功率式的牛顿法进行的，结果表明牛顿法在企业电网的 潮流计算中是适用的。 2 3 算例分析 2 3 1 兖矿电网简介 兖州矿区电网【1 2 1 1 1 3 】是一个小舰模综合性的电力系统，发电、供电、配电自 成一体，同时又与地方电网相连接。当矿区电厂供电不足时，从地方电网上吸收 功率；当矿区电厂供电充裕时，也向地方电网输送一部分功率。 兖矿集团属于大型工矿企业，各大矿区都有自备电厂。这些自备电厂一般都 以燃烧值很低的煤泥、煤矸石为原料，以达到综合利用的目的。 对于兖矿电网来说，接入地方电网的变电所是枢纽变电所，它的存在对全网 影响很大。 兖矿电网主要通过2 2 0 k v 线路与系统联网，现己形成以2 2 0 k v 电压等级的罗厂 变、接庄变、马青变为枢纽，3 5 k v 为主网络，l o k v ，6 k v 配电变电所为矿区供电 的网架结构。兖矿电网由罗厂区、马青区和接庄区组成。各区具体情况如下： ( 1 ) 罗厂区简介 罗厂区是供电煤矿最多的区，有3 个自备电厂一东滩矿煤泥热电厂、鲍店 矿煤泥热电厂以及南屯矿煤矸石热电厂。东滩热电厂主要向东滩煤矿、铁东变电 所和西关变电所供电，同时西关变电所带铁西变电所3 5 k v 的i 母线负荷，并作 为碳素厂1 1 线的备用电源，其中西关变电所还带着矿务局医院和机关负荷，分属 于一、二级负荷。鲍店热电厂主要向鲍店煤矿供电。南屯热电厂主要向南屯煤矿 及碳素厂供电，同时作为北宿矿的备用电源。 罗厂3 5 k v 变电所是罗厂区的枢纽变电所，它耦联主要厂站，并在小负荷方 式下向全区供电，对罗厂区供电网来说，罗厂变电所被看作一个电压、频率恒定 的无穷大电源。 罗厂区华聚自备电厂总装机容量为7 8 万k w ，电厂通过厂站之间的电缆联络 线直接与变电所相连，厂用电一般占1 2 一1 3 ，冬季供暖时较大，为1 6 一2 0 山东大学硕士学位论文 。在所有的变电所中，东滩变电所的情况较典型，它采用分裂绕组变压器，低 压侧电气主接线为双母线分段接线方式，六段每一段带一矿井负荷，负荷侧任一 出线故障都不会影响其它负荷，大大地提高了供电可靠性，而且可保证分裂变压 器两低压分裂绕组负荷平衡。 ( 2 ) 马青区简介 马青区的网架结构相对简单，兴隆庄电厂装机容量2 4 万k w ，仅向兴隆庄煤 矿供电，地方电网马青3 5 k v 变电所分别向兴隆庄变电所和杨村变电所供电，杨 村变电所带圣杨木业变电所。负荷侧母线上全部装有并联补偿电容器组。 ( 3 ) 接庄区简介 接庄区有两个自备电厂济东新村热电厂和济二煤矸石热电厂，总装机容 量为5 7 万k w ，新村电厂和接庄变电所分别通过新村线和接煤i 线向济二变电 所1 l o k vi 母线供电，接庄变电所和济二热电厂分别通过接煤i i 线和电厂i 线向 济二变电所1 l o k vj j 母线供电。济二变电所l l o k vi 母线向济三变电所供电， 1 1 0 k vi i 母线带济二变电所负荷。 2 3 2 基于p s a s p 的兖矿电网潮流计算及结果分析 本次计算是在电力系统分析软件p s a s p 的基础上，利用兖矿电网2 0 0 6 年的 运行数据，采用功率平衡牛顿法进行计算的。本次计算重点为罗厂区，马青区和 接庄区计算方法与罗厂区相同。p s a s p 具有三层结构，即基础数据层，功能实现 层和结果输出层。任何功能的计算都必须以基础数据库为依据，因此首先要收集 兖矿电网大部分元件的物理参数，并通过查找和补充，准备完备的电气设备物理 参数，然后建立兖矿电网的设备参数数据库，完成兖矿电网的一次系统图( 见附 录1 ) 。 ( 1 ) 兖矿电网数据 电网基础数据包括母线数据、交流线数据、变压器数据、并联补偿设备数据、 负荷数据、发电机数据及其连接方式。罗厂区共有3 个自备发电厂，9 台发电机 组，罗厂区通过罗厂变电所与系统连接，因此可以把罗厂线母线看成为无穷大母 线，系统等值简化为无穷大电源，并设为平衡节点。共有交流线6 2 条( 包括母 线联络线) ，两绕组变压器2 7 台，三绕组变压器2 台，负荷节点1 7 处，并联电 1 6 山东大学硕士学位论文 容器安装地点1 2 处。 ( 2 ) 电压数据上下限的界定 电力系统调压的目的是保证系统中各负荷点的电压在允许的偏移范围内。因 为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 中的电压损耗也随之发生变化，大多数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行 仍然可以正常工作。我国国家标准g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差 中规定： 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 ： l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的一7 9 6 - + 7 ： 2 2 0 k v 单相供电电压允许偏差为+ 7 与一1 0 。 由于兖矿电网自身的特殊性，对6 k v 供电电压要求较高，本次选取电压合格 上下限为6 至；j 6 3 k v 。 兖矿电力系统中的无功功率主要消耗在异步电动机、变压器和输电线路这三 类电器元件中，所以拥有充足的无功功率电源是保证电力系统保持良好的运行电 压水平的必要条件。要使所有用户的电压都符合要求，达到最理想的调压效果， 必须灵活地综合应用各种调压措施。当电压超出允许范围时，应做如下处理：以 无功就地平衡为原则，首先投切电容器；有载调压开关调整主变分接头位置；调 整电网运行方式，在不导致设备过载的情况下倒换变压器，以改变潮流分布。经 过调整仍达不到合格范围时，应汇报上级地区电网处理，并在调度中记录。 ( 3 ) 兖矿电网潮流计算及结果分析 在电网基础数据的基础上，利用功率平衡牛顿法进行潮流计算。为了对电网 的潮流分布有比较准确、详细的了解，共进行了最大运行方式、最大峰值运行方 式、最小运行方式、小负荷运行方式、特殊运行方式和故障检修运行方式下的潮 流计算，其中故障检修运行方式又分为最大运行检修方式和小负荷运行检修方 式。以罗厂区最大常舰运行方式为例，潮流计算结果见附录2 。由潮流结果可得： 全区有功发电8 4 6 6 3 m w ，无功发电5 0 4 5 3 m v a r ，总有功负荷8 3 1 8 0 m w ，总无功 负荷4 0 2 7 8 m v a r ，鲍店变电所6 k v 母线电压越上限：阴极厂变电所6 k v 母线电 压越上限；看庄水泥厂3 5 k v 母线电压越下限。对此可以通过调整变压器分接头 来改变母线电压，对于输电线路长、负荷大的可以通过调整并联电容器的投切量 山东大学硕士学位论文 来改善电压水平。 具体调整措施如下：鲍店变电所2 # 主变分接头改在1 档，6 k v 母线电压为 6 1 7 4 9 0 k v ；阴极厂变电所的l # 主变分接头改在1 档，6 k v 母线电压为6 2 3 9 5 k v ； 看庄水泥厂3 5 k v 母线越下限，主要原因在于负荷偏大，从北宿到看庄水泥厂线 路距离长造成线损过大。通过调节变压器分接头改变变比来调节3 5 k v 母线电压， 结果显示效果不明显，可以通过南屯变0 3 5 1n i l ：；宿变0 3 5 线路启用来降低线路 电压降落，也可以投入并联电容器来减少线路流动的无功功率来提高末端电压水 平。 综合各种运行方式下的潮流结果，可得通过潮流计算表明，罗厂区电网出 现的较严重的情况有：鲍店变电所6 k v 母线电压越上限；阴极厂变电所6 k v 母线 电压越上限；北宿变电所1 # 变压器过载，且6 k v 母线电压越限；唐村变电所6 k v 母线电压越限；看庄变电所6 k v 母线电压越限。这几处变压器大部分为无载调压 变压器，固定位置分接头不能同时满足各种运行方式下的调压需要，因此可换成 有载调压变压器，以得到电压质量合格的供电电压。 罗厂区的电网接线使该区的变电所都能得到双电源供电，供电可靠性较高， 但大都采用一路电源供电，另一路作为备用的方式。为保证一路故障时重要用户 不间断供电的问题，建议对重要用户实行双电源同时供电的方案。 最大常规运行方式下，总负荷为8 3 1 8 m w ，罗厂区自备电厂总发电容量为 6 4 1 2 m w ，罗厂变电站的输入为2 0 5 4 m w ，可见兖矿自备电厂的发电容量占的比例 是相当高的。小负荷常规运行方式下，总负荷为6 3 o om w ，罗厂区自备电厂总发 电量为6 4 2 0 + 1 1 3 = 6 5 3 3 m w ，可见此时其自备电厂的发电量不仅完全满足本地区 的负荷需要，还向罗厂变电站( 地方电网) 送出少量的电量。可见，兖矿电网与地 区电网的正常交换功率是不大的，地方电网起到补充和事故( 或检修) 情况下的备 用电源的作用。 2 4 结论 本章以兖矿企业电网为例，运用功率平衡牛顿法进行企业电网的潮流计算， 取得了准确的计算结果。说明功率平衡牛顿法在企业电网的潮流算法中是一个非 常优秀的算法。同时潮流计算的结果给我们研究企业电网的潮流分布，分析企业 山东大学硕士学位论文 电网运行中的各种电压、电流和功率越限问题并提出进行相应的调整的方法和措 施提供了基础，提高了电网运行的安全性，可靠性和经济性；分析企业电网的电 力电量平衡情况，为电网的运行提供准确的规划；为后续的短路电流计算、继电 保护整定以及无功优化计算、电网稳定性分析等课题研究提供了必要的支持；检 验检修方式的选择是否恰当，对不适当的方式予以调整，以保障电网检修下的安 全。 1 9 山东大学硕士学位论文 第三章企业电网的无功优化配置分析 3 1 企业电网无功优化概述 电力系统无功优化是保证系统安全、经济运行的一种有效手段，是提高电力 系统电压质量的重要措施之一，也是调度人员安排运行方式以及计划部门进行电 网无功规划不可缺少的重要工具。 系统无功分布的合理与否直接影响着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；另一方面，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。总之合理的无 功电源配置能有效地降低网损、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。 我国配电网尤其是企业大电网建设严重滞后，网架薄弱，设施老化，线路长， 线径小，另外配电变压器也大部分为高能耗变压器。当电流通过以上环节时要产 生有功功率和无功功率损耗。有功功率和无