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浙江大学工程硕士学位论文 油田配冈的高压无功自动补偿系统 摘要 文章以滨南采油厂6 k v 输配电线路为例，针对多分支树状结构线路的特点，研制出 由f 1 - u 控制的户外柱上型高压电容自动补偿系统。该系统采用测量点与补偿点分开的方 式，实现了区域性无功负荷监视，使无功补偿点可以安置在区域性分散负荷的中心部 位，最大程度地利用了补偿容量，有效地缩短了无功电流传输的距离，降低了电网的有 功损耗。系统在优化控制技术中采用了电容器补偿的两段控制模型，不仅解决了分支线 路之间无功电流的穿越，实现了功率因数的自动跟踪，而且使整个系统的可靠性大大提 高。 文章提出滨南采油厂配电网自动化系统的基本框架结构、自动化主站和f r u 的系统 框图j 利用g p r s 数字通讯技术实现数据传输，使高压无功自动补偿系统更趋合 理，解决了配电网分支线路无功参数不易测量的问题。 文章还介绍了系统无功补偿容量及安装位置的计算方法，通过经济技术比较提出了 切实可行的无功补偿方案。 文章最后对滨南采油厂实施高压无功自动补偿系统前后的效果进行了分析，并对存 在的问题进行了解决。 关键词：柱上型、无功补偿、两段控制模型、g p r s 数字通讯技术 ，塑坚奎堂三堡堡圭兰堡丝苎苎里曼堕塑壹堡歪垄鱼垫! ! 堡墨竺 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，an e wk i n d o fp o l eh i g i lv o l t a g ea u t o m o t i v ec a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n s y s t e mw a gd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f f e e d e rl i n ew i t hm a n yb r a n c h e ss u c h 船t h e 6 k vf e e d e rl i n ei nb i n n a no i lp r o d u c t i o np l a n t i nt h es y s t e m ，w es e p a r a t et h em e a s u r ep o s i t i o n a n dc o m p e n s a t i o np o s i t i o na n dr e a l i z et h es u p e r v i s i o no fr e a c t i v el o a di nl o c a la r e a t h u st h e r e a c t i v ec o m p e n s a t o rc a nb el o c a t e di nt h ec e n t e ro ft h ed i s t r i b u t e dl o a di nt h ea r e aa n dm a k et h e b e s tu s e ro ft h ec o m p e n s a t o r sc a p a c i t y t h ed i s t a n c ef l o w e db yt h er e a c t i v ec u r r e n ti se f f i c i e n t l y r e d u c e da n dt h ea c t i v el o s so fp o w e rn e tg o e sd o w n t w o - s t a g ec o n t r o lm o d e li sa d o p t e di nt h e o p t i m i z e dc o n t r o lt e c h n i q u eo ft h es y s t e m i tn o to n l ys o l v e st h ep r o b l e mo fo p t i m i z e dc o n t r o lo f t h er e a c t i v ec u r r e n te x c h a n g i n ga m o n gb r a n c h e s ，i no t h e rw o r d s ，r e a l i z e st h ea u t o - t r a c k i n gt ot h e r e a c t a n c ef a c t o r , b u ta l s og r e a t l yi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h eb a s i cs t r u c t u r eo fa u t o m a t i o ns y s t e mt ot h ef e e d e rl i n ei n b i n n a no i lp r o d u c t i o np l a n t t h ea u t o m a t i o nm a s t e rs t a t i o na n db e n c ho ft h ef r u w eu s e d g p r sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yt oa c h i e v ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ed e v i c ec a nm e a s u r e r e a c t i v e p a r a m e t e r si nd i s t r i b u t i o np o w e rn e tt h a t a r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e dt ob ed i f f i c u l t l y m e a s u r e d t h eh i g l lv o l t a g ea u t o m o t i v er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw a sm o r er e a s o n a b l e a tl a s tw ea n a l y z e dt h er e s u l t so fh i g hv o l t a g ea u t o m o t i v er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d s o l v e dt h ep r o b l e m k e yw o r d s ：o np o l e ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，t w o - s t a g ec o n t r o lm o d e l ，g p r sd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y 2 浙江人学t 程硕l 擘位论文油i h 配网的岛压无功自动补偿系统 第一章概述 1 1 滨南电网现状及存在的问题 胜利油田滨南采油厂有6 k v 线路9 3 条，线路总长6 8 5 k m ，带有各类变压器1 2 0 5 台，变压器容量1 6 0 3 2 0 k v a ，年最高负荷4 万k w ，年用电量约3 亿k w h 。已安装配网 自动化终端设备7 3 台套，主站一座。采油厂目前的6 k v 线路全部采用辐射型树状结构， 主要电力负荷为电机，其中油井电机占有相当大的比例。油井生产方式决定了抽油机上行 时负载较重，下行时负载较轻，有时还处在发电状态，从而导致油井电机大部分处在轻载 状态，功率因数普遍偏低，在6 k v 线路无电容补偿的情况下线路出口平均功率因数在0 5 左右。为了降低电网损耗，提高线路功率因数，目前采油厂已采取了多种无功补偿措施。 例如变电站集中补偿方式：对于油气集输联合泵站类的集中性负荷采用了低压手动或自动 电容器进行低压集中补偿；对于6 k v 输电线路采用了柱上电容器固定补偿；对于产量稳 定易于管理的抽油机采用就地补偿。但是，由于油井电机分布极为分散，运转率低，补偿 难度大使得大部分线路的无功负荷有较大的波动，在各分支线路之间无功电流的穿越现象 十分严重。 在电网管理上，胜利油阳采用了线路与变电站分丌管理的方式，变电站由电力部门管 理，6 k v 线路由各采油厂管理。近期，电力部门将对各6 k v 线路出口的功率因数进行考 核，对功率因数达不到要求的线路要实行利率调整电费。滨南采油厂虽然前期曾投入资金 进行过各种方式电容补偿，但功率因数一直不稳定，如果不积极进行改造每年的利率罚款 将达几百万元，因此如何稳定6 k v 线路出口的功率因数显得尤为重要。 1 2 国内外现状及研究方向 近2 0 年来，世界各地( 包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国) 发生 了多起由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故，引起了各国的高度重视。持续了短 短7 2 小时的8 1 4 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响】，而我国电网的 建设和运行中长期存在的一个问题是无功补偿容量不足和配备不合理，特别是可调节的无 功容量不足，快速响应的无功调节设备更少。随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的 无功冲击和谐波污染也呈不断上升趋势f 2 引，这些都提醒我们，电网运行要有无功备用容 量。自从上个世纪5 0 年代以来，并联电容器的效益问题一直得到科技工作者的关注，有 浙扛大学工程硕士学位论文油田配同的高压无功自动补偿系统 关文献非常之多降5 1 ，但大都是从规划角度来研究( 即电容器优化配置) ，关于电容优化配 置问题已有相关文献综述了其研究发展的过程 6 - 9 1 ，动态无功补偿技术从传统的带旋转机 械的方式到现代的电力电子元件的应用经历了近一个世纪的发展历程，大体可分为几个阶 段：同步调相机开关投切电容器晶闸管控制电抗器型( t c r ) 和晶闸管投切电容器 型( t s c ) s v c 装置静止无功发生器( s t a t c o m ) 。 无功补偿的问题总体上分为两部分，第一部分是无功规划问题，第二部分是补偿方式 问题。无功规划的目的是确定电网中无功设备的安装地点、容量和类型，使规划期内投资 及运行费用的总和最小。随着电网信息技术的发展，无功规划已由原来静止的计划性规划 转变当前的动态性规划，也就是常说的无功优化规划。无功优化规划需要从全局的角度出 发去合理的安排系统各点的无功补偿容量，使整个电网的损耗最小，电压最稳定。由于电 网的负载是时时变动的，因此补偿容量也应该是时时变动的。如何能预测负荷的变化规 律，合理的确定补偿位置和补偿容量是无功优化的中心问题。无功优化规划的计算方法多 种多样，主要依据是电力系统潮流计算。用经典理论建立各种数学模型对系统的状态进行 估计，这类方法已经有比较长的研究时间。文献 1 1 - 3 1 、【1 5 1 1 7 1 等有一定的代表意义。 近几年基于遗传学理论的无功优化规划发展比较盛行，文献 4 1 - 9 是用遗传学对电力系统 负荷进行预测从而实现无功优化的代表性文献。文献 9 是近期的研究成果，文中提出的 改进退火遗传算法缩小了遗传算法的搜索范围。用退火选择进行个体更新，保持了群的多 样性，避免陷入局部优化。采用十进制编码、竞争繁殖、逐代记录的最优算法，加快了计 算的速度和精度。无论采用什么算法无功优化规划的基本数学模型是一样的，都要满足潮 流方程的等式约束条件，即有功平衡和无功平衡条件，以及不等式约束条件，即节点宇h 偿 容量范围、变压器调整范围和电压调整范围等。 单纯是无功优化规划的算法还远不能构成一个无功优化控制系统，还必须与实时数据 采集系统、实时控制系统结合成为一个整体控制系统才能实现它的控制的作用。我国目前 大多数地区电网都是采用分布式调整的方式进行无功电压的控制，但这也仅限于安置在系 统中主要节点上的补偿设备，地区电网的无功优化实时控制的系统仍处在试验阶段。 补偿方式是指补偿系统设备的功能原理，以及设备本身的软件技术理论。补偿方式不 仅要满足补偿容量调节的需要，还要考虑实际投资、安装施工的可行性以及补偿目地的多 样性。利用三相电容器、调相机等设备对电网的三相基波无功进行补偿是早期系统补偿的 主要手段。近年来随着电力负荷的多样性发展，电网中出现了诸如三相功率不平衡、谐波 2 浙江大学工程硕士学位论文 油田配同的高压无功自动补偿系统 等更为复杂的问题。因而在补偿方式上也出现了各种各样的新技术，形成了多个技术领域 的分支。解决电网三相不平衡问题可采用多种不同的补偿手段。文献【10 】直接采用了无功 电流的分相补偿方法。该方法将电力电容接成星形，并将其中性点接零，然后利用晶闸管 分组投切的方式控制每一相补偿电容的数量，方法直接明了具有很明确的的补偿效果。文 献 1 3 1 1 1 4 提出的方法不仅可以补偿无功不平衡，而且还能实现有功不平衡的补偿。文献 【1 2 】首先对单相有功不平衡的补偿中提出了一个用电容和电感代替电阻的补偿模型，从向 量关系上说明了为何用电容可以补偿不平衡有功的原理。随着电力电子技术的发展，电力 系统中非线性负载大大增加，出现了大量的系统谐波。谐波主要有以下危害：线损增加、 变压器寿命降低、计量仪表误差、谐波分量高的情况下还会引起过电压保护、过电流保护 误动作等。对用户补偿电容的影响：造成补偿装旨投不上、电容器使用寿命降低、电容器 熔丝熔断、甚至发生串并联谐振，导致电容器爆炸等。国际上研究系统谐波起源于2 0 世 纪5 0 年代l l ”，直到8 0 年代电力半导体器件的出现才有了解决的可能。目前电力谐波的 有源滤波方法成为电力电子领域研究的热点。但有源滤波器在容量、成本、可靠性、运行 费用等方面还存在着许多问题。 谐波抑制和无功补偿两者之间联系紧密，在实际中抑制谐波的装置通常也就是无功补 偿装置。电力电容是补偿装置中必不可少的设备，而电容器的投切控制方式是电容器补偿 装置中的技术关键，它直接关系到补偿系统的性能与造价。多年来低压电容器的投切开关 直是采用接触器，高压电容器投切开关是采用断路器。随着电力电子技术的迅速发展， 用可控硅进行电容器的投切控制呈现较好的发展趋势。用可控硅进行电容器的投切控制的 优点是可以实现补偿容量的快速跟踪。目前用可控硅进行补偿控制仅是一个过渡阶段。采 用的方法大致可分为用双向硅控制、单向硅+ 二极管控制以及固态继电器控制。具有斩波 能力的新一代电力电子器件的应用将有很大的发展前景。用可控硅进行电容投切的缺点是 可控硅本身有一定的功率损耗，可控硅的造价也比较高。对于l o k v 及以下的系统目前广 泛应用的是真空开关控制电容器投入与切除，它具有造价低、无损耗、控制简单的优点。 1 3 本课题研究内容及需要解决的问题 本课题的就是要研制一种能直接安装在户外电线杆上的轻型自动无功补偿系统，解决 采油厂电网功率因数不能跟踪调节，线路之间无功分配不合理的问题。 以下是本文重点研究的四个方面： 浙江大学工程硕士学位论文 油r n 配t n l 的高压无功自动补偿系统 一、系统总体结构与设计 介绍了该系统的总体设计原则，以及采用的基本原理和方法。 二、无功自动补偿控制方案 首先根据无功负荷的历史纪录以及新增负荷的规划情况确定线路的最大和最小无功补 偿容量，从而确定出无功自动调节的补偿容量。然后根据线路的分支情况以及负荷的分布 情况将补偿容量进行分区。最后根据线路有功损耗最小的原则确定电容器组的补偿位置， 也就是本文所说的无功负荷中心。这里的一些计算理论上是精确的，但是应用起来可能是 粗略的。因为在实际工程中提供不出所需的完整资料。 其次提出了两段式控制模型，使得区域与区域之间通过前一级线路构成了联系，最终 使整个系统实现了优化控制。本文具体说明了两段式控制模型基本原理，并在实际可行的 基础上推出了可具体操作的两段式控制模型的表达式。分析了该模型在多极复杂系统中的 应用特点。 三、无功自动补偿系统的实现 重点介绍了馈线终端一f t u 及总站硬件的搭建及软件的实现。将配网自动补偿系统 分为分组开关和电容、基于g p r s 的数据采集和监测系统和配网主站管理系统三部分。数 据采集和监测系统实现电力数据采集，并通过g p r s 无线通信与主站管理系统连接，将电 力数据上传到主站，从而完成电力数据的管理工作，并根据投切策略实现无功补偿。 四、使用效果分析及改进措施 对滨南采油厂2 5 条线路在使用无功自动补偿前后的效果进行了对比分析。对两条效 果没达到预期的线路电容迸行了调整。 浙江大学工程硕士学位论文油田配罔的高压无功自动补偿系统 第二章系统的总体结构设计 基于g p r s 无线通信的配网自动补偿系统，是将终端电力数据采集后，通过现代传输通 讯技术送到主站端进行数据处理，并根据投切策略进行无功功率自动补偿的系统。 2 。1 系统的总体设计原则 该系统本着安全、准确、可靠、先进、智能、实用、经济、合理的原则进行设计，在 设计过程中还应注意以下方面： 1 、准确性 系统在数据采集、传输( 数据通道) 、存储及计算( 包括终端和主站) 、使用( 用户工 作站) 等环节上均应采取相应措施确保数据的准确性。具体包括： ( 1 ) 测量值准确。要求计算机得到数据与终端窗口值之间误差在一个给定的范围 内。误差来源：采集终端，传输，存储及计算，使用。 ( 2 ) 数据时标准确。电力数据是一个过程量，所有数据都附带时标，系统需要一段 时间的电量走码( 增量、变化量) ，数据附带的时标必须非常准确。要求所有数据时标都 与一个标准时钟一致，误差在指定范围内，在准时性达到要求同时，同步性也达到要求。 ( 3 ) 量纲准确性。作为物理测量，应该包括数字和量纲两部分，如果量纲错误，也 会造成数据错误。要求系统全部采用i s o 标准量纲来存储、计算、应用数据。 2 、可靠性， 可靠性是系统的基本要求。在实际使用中要求系统具有抗恶劣工作环境的能力，无故 障工作时间长。具体包括以下几个方面： ( 1 ) 系统的可靠性 ( 2 ) 结构坚固，不易损坏 ( 3 ) 电路的硬件及可靠性 ( 4 ) 软件的抗干扰和可靠性设计 ( 5 ) 系统故障的自保护、自检、自诊断设计 ( 6 ) 元器件与参数合理选择、老化筛选、部件和整体测试 系统的数据作为电容补偿的依据，也必须具有连续性和完整性，系统要采用时间和空 浙江大学工程硕士学位论文油田配同的高压无功自动补偿系统 间冗余；软件要冗余设计，通讯失败要进行重试。系统可靠性上不要求1 0 0 无间隙的连 续运行，但必须能尽快的进行故障定位以便缩短维修时间，并保证故障处理时间内不造成 数据丢失妨碍系统使用。 3 、智能性 智能化是配网自动补偿系统最大的特色之一，由于采用微机系统，使系统具有数据处 理、逻辑判断和信息存储的功能。在设计时，要选择性能先进、满足功能要求的c p u 和 足够容量的存储器，并提供良好的硬件环境，这样智能化才有了基础。 配网自动补偿系统之所以能智能地处理问题，主要是软件的功劳。因此智能性原则必 须充分发挥软件的作用，在设计中尽量采用软件来代替硬件完成一些功能，特别是数据采 集过程的控制，故障的检测报警，电容投切策略等。在设计中还从软件的角度，利用数据 处理能力，数据存储能力、逻辑判断能力等特长去开发一些新功能。 4 、可发展性 系统除应具有电力数据的远方采集、统计和处理以及电容投切等的生产和管理等功能 外，还应可以根据具体情况进行二次应用开发，以满足电网运行不断深化的要求。确保系 统易于与油田内部用电营销系统、e m s 系统、m i s 系统等相关系统进行数据交换，易于 电网规模扩展和软件高级功能扩展。 2 2 目标和功能 该系统应达到数据的实时采集和监测、g p r s 无线通讯以及分组电容的自动投切的目 标。具有如数据采集、数据显示、数据传输、电容补偿及异常处理等功能。 一、数据采集和监测系统的功能 ( 1 ) 数据采集：采用每周波2 4 点交流采样技术，提高了遥测精度，实现多次谐波的 计算分析。对每条电力线路可采集以下数据：有功功率( p ) 、无功功率( q ) 、电压 ( u ) 、电流( i ) 、工频频率( f ) 、功率因数( c o s 伊) 、有功及无功电量、相位，谐波等。 ( 2 ) 数据存储：存储两个抄表周期数据，正向电量有功一总、尖、峰、谷、平、需 量；无功一感性无功、容性无功；反向电量有功一总、尖、峰、谷、平、需量；无功一感 性无功、容性无功等数据，最大保存2 个月；具有掉电保护功能，采用f l a s h 保存运行 参数及历史数据，掉电不丢失。 ( 3 ) 数据传输：通过g p r s 无线通讯模块通信主动定时上报有关数据( 默认每日零 6 浙江大学工程硕士学位论文 油田配罔的高压无功自动补偿系统 点电量，但可以设置) 、异常报警信息、设置等命令。 ( 4 ) 遥控功能：实现分组开关的遥控投切。 ( 5 ) 无功补偿：根据采集的电力数据情况，自动对电网进行无功补偿。 二、g p r s 无线通讯模块的功能 ( 1 ) 数据传输：通过g p r s 无线通讯模块通信；通信协议遵守中华人民共和国电力 行业标准d l t 6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约：通过g s m 短信及g p r s 无线通讯方式 实现与主站系统的通讯，完成电力数据向主站的传输和接收主站指令的功能。 ( 2 ) 数据处理：g p r s 传输的数据是t c p i p 数据包，这就需要把数据采集和监测系 统传到g p r s 模块的数据进行t c p i p 协议的处理，以能在g p r s 无线通讯网络上传输， 把数据上传到主站系统。 ( 3 ) 无线通讯：g p r s 无线通讯网络，时时在线、随时响应主站的请求，完成数据 的传送和接收；断电再恢复通电后，能自动寻找主站并能主动登陆主站。 2 3 设计基本原理与方法 本次设计的思想是把无功补偿点设置在支线路的无功负荷中心，使无功补偿电流以最 短的距离到达负载，尽量减小线路损耗。由于油田大部分负荷是沿着线路布设的，负荷等 效中心位置通常不在分支线路的始端。为了能准确测量支线路上的全部负荷，本次设计将 无功检测点放在主线路及分支线路的无功负荷中心。根据各馈线远方终端( f e e d e r t e r m i n a lu n i t - f t u ，以下简称f t u ) 的数据采集情况，选择性的投切各支路电容。本次设 计的每一个补偿点都有一个f t u ，该f r u 不仅能采集到本区域的无功测量信号，而且还 能根据主站的命令实现电容的自动投切，从而可以实现功率因数的最佳控制，防止了分支 线路之间的无功穿越。 图2 1 是本次设计的系统分区补偿示意图，它是一个双分支线路，根据负荷的分布 情况可将该供电系统分成两个区。在每个分区的负荷中心都设置了电容补偿点，补偿点 电容器的操作是由f t u 控制的。f 1 u 一方面测量本区域无功信号，另一方面对电容进行 投切。而且可以根据主站的要求合理的调整两个区域无功补偿容量，使得被测的两条线 路损耗的总和最小，实现系统的优化补偿控制。 浙江大学工程硕士学位论文 油田配嗣的高压无功自动补偿系统 2 4 系统的总体结构 图2 - 1系统分区补偿示意图 配网自动补偿系统主要包括分组开关和电容、基于g p r s 的数据采集和监测系统、配 网主站管理系统三部分。数据采集和监测系统实现电力数据采集，并通过g p r s 无线通信 与主站管理系统连接，将电力数据上传到主站，从而完成电力数据的管理工作，并根据投 切策略实现无功补偿。 配网无功自动 补偿系统 图2 - 2 配网自动补偿系统的组成框图 管理层 终端 浙江大学工程硕士学位论文 油田配同的高压无功自动补偿系统 根据其结构组成，可以归纳各个组成部分。 ( 1 ) 分组开关和电容。主要包括柱上开关和分组电容 ( 2 ) 数据采集和监测系统。主要包括电力数据采集、电能质量管理、与g p r s 模块 通信传输数据等功能，同时根据现场数据的采集和计算情况以及电容的投切策略来实现配 网高压电容的自动补偿。 ( 3 )g p r s 无线通信模块。用来实现系统终端与主机之间的g p r s 通信。 以上三部分构成了配网自动补偿系统子站。 ( 4 ) 配网系统主站。这是配网自动补偿系统的管理中心，由计算机、不间断电源、 打印机、标准工业机柜构成，是主控方实现管理的平台。在这里，管理人员可以通过计算 机随时观察到各子站的电力数据，该系统在专用的检测系统软件支持下，实现和子站的双 肉通讯。同时可以在主站对站端开关进行远程遥控。 2 5 本章小结 本章提出了滨南采油厂配网自动补偿系统的总体设计方案，主要包括分组开关和电 容、基于g p r s 的数据采集和监测系统和配网主站管理系统。数据采集和监测系统对电网 数据进行采集分析。电网数据通过g p r s 无线通信模块上传到配变主站。主站对数据进行 分析并下达操作命令。 9 新江大学工程硕士学位论文 油田配同的高压无功自动补偿系统 第三章无功自动补偿控制系统方案 3 1 线路无功补偿容量的计算 无功优化规划的计算方法多种多样，主要依据是电力系统潮流计算。近年应用较广的 为遗传算法。 3 1 1 无功补偿算法 一、遗传算法： 遗传算法是美国学者j o h nh o l l a n d 于1 9 7 5 年首次提出来的，他认为遗传算法是一种 概率性搜索和自适应方法，它可以收敛到问题域内的全局最优解，可以用简单的编码方式 和再生过程进行复杂的计算。它的机理源于自然界生物迸化的选择和遗传，是一种模拟生 物进化过程的全局寻优方法。 遗传算法的两大主要特点是：群体搜索策略和群体中个体与个体之间的信息相互交 换。它从任一初始化的群体出发，通过随机选择( 目的是为了使群体中优秀的个体有较多 的机会传给下一代) 、交叉( 体现了自然界中群体内个体间信息的相互交换) 和变异( 在 群体中引入新的变种以确保群体中信息的多样性) 等遗传操作，使得群体一代一代地进化 到搜索空间中越来越多的区域，直至达到最优解点。 无功优化的目的是通过调整无功潮流的分布，降低有功损耗，并且保持较好的电压水 平。因此。通常采用的优化目标是有功网损最小。在计及节点电压安全约束时，无功优化 的数学模型包括功率约束方程即潮流方程，变量约束条件和目标函数。 任一节点i 的注入有功功率和无功功率满足( 3 1 ) 式的等式约束方程 霉= 岛一圪= m 巧( q c o s 岛+ 岛s i n 岛) 。 ( 3 一1 ) = l l i b q = 如一既+ m 9 = 形巧( qs i n s # 一岛c o s 岛) j = l 式中：马，9 、”分别为节点i 处注入有功功率、无功功率和电压； 嘞，助，分别为节点i 和j 之间的电导、电纳； j f 为节点i 和节点j 之间的电压相角差； p c i ，纷，分别为发电机节点的有功和无功出力； i o 浙江大学工程硕士学位论文油田配弼的高压无功自动补偿系统 ，b ，纨f 分别为负荷节点的有功和无功功率； 0 为补偿节点可投切电容器组数； 4 q 0 为补偿节点可投切电容器每组的容量； n b 为节点总数。 系统的有功功率损耗满足( 3 2 ) 式的等式约束方程 最：兰巧一( g 9c o s 6 u + b es i n 岛) 3 屯 j i l j e 式中：p l 为系统有功损耗。 h 表示与节点i 相连接节点的集合。 采用的控制变量是( ，c ，t c h 状态变量是( 巧，q ) ，其中，：p v 发电机节 点电压幅值；n c 电容器补偿设备的投切组数；r e ： 有载调压变压器可调分接头档位； 职：除p v 节点外的节点电压；9 ：发电机的无功出力 控制变量的不等式约束 瓦。m 瓦瓦一 q o m 如q a q o 似 r e , ms s v g , 。 式中；乃为第k 台变压器的分接头位置； q c , 为i 节点无功电源补偿： 为i 节点p v 发电机电压； m 为所有变压器的支路集合； 坼p 为p v 发电机的集合； 状态变量的不等式约束 f 。i 。s k 巧一 f 地 i 如“如s 如。 i ( 坼r ，聍) 式中： 为第i 节点的电压( 除f v 节点之外) ； q l 研为i 节点所带发电机无功出力； n p q 为p q 节点的集合； ，p y 为p v 发电机的集合； n 为平衡节点； ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 浙江大学工程硕士学位论文 油田配网的高压无功自动补偿系统 无功优化目标包括技术性能目标和经济目标，它可以是无功补偿容量最小、 最少、投资最省和综合经济效益最大等等。般可以给出一个增广的目标函数 r a i nf = 1 ，z ( p ，q ，i r ，口) + 五乃( ，q ，v ，口) 其中：w ，为加权因子； 石为第i 项函数指标； a ，为罚因子； 石罚函数。 根据电力网的实际，确定的目标函数 系统网损 ( 3 - 5 ) m 舭咧咖 磊( 告矧2 + 五五隆毛) 2 c 其中：凡为系统有功损耗： ，为节点电压越界罚因子( 除p v 节点之外) ； 2 为p v 发电机节点的无功越界罚因子； m 炯为电压越界节点的集合； 锄。为发电机无功功率越限节点的集合。 ，_ 。：孑“ 孑二：“v 4 。：一一， c s 一， ，矿f = ( 矿，。如s ts 一一) 7 i 。 ( 一) 纵。：p q鼍。二氅“q ? sq 一 仔s ， q f m = j ( q 。m ，s ，。) 。 【q 。一( q ， q ，一) 目标函数不仅考虑了系统有功网损最小，同时也考虑了实际运行点电压合格水平和发 电机安全运行的约束，后两项采用相对增量的形式使节点电压越界增量与无功越界增量处 于相同数量级，便于实现优化控制。遗传算法中，待优化变量的取值能够自动适应其定义 域范围，因此控制变量的约束方程即方程( 3 3 ) 式将自动满足；同时，在无功优化过程 中的潮流方程的求解，保证了潮流约束方程即方程( 3 1 ) 式的自动满足，所以，在遗传 算法的无功优化中，需要考虑的约束条件是状态变量的约束式即方程( 3 - 4 ) 。 浙江大学工程硕士学位论文油田配网的高压无功自动补偿系统 二、偿还年限法 油田电力无功的管理有两种管理方法，第一种是罚款法，就是当功率因数低到一定数 值时( 一般为0 9 ) 对用户利率调整电费。这种情况就必须采用自动补偿，因为通常一年 的利率调整电费一般就达到了全部安装自动补偿的设备工程费用。第二种是费率法，就是 根据用户不同的功率因数将电费划分为若干档次，比如当负载或线路功率因数在0 9 以上 每度电6 元，当功率因数在0 8 o 9 每度电0 7 元，当功率因数在0 7 o 8 每度电0 8 元等 等。这种情况就需要计算确定是否需要装设自动补偿装置了。在实际中衡量个工程项目 是否可行，即 设备工程投资年节省费用偿还年限 ( 3 9 ) 对于本项目来说，上式中设备工程投资和年节省费都与电容器的容量都有关。为了使 工程计算更为简便，先假定补偿点设置在线路出口，即不改变原线路损耗。这样年节省费 用就仅与电费有关，而与节能效果无关。 p 图3 1功率三角形 前面所说的电费分档实际上是按视在功率小时分档收费，即按照功率因数分档按心 收费。设q 为完全补偿时所需的补偿容量，根据功率三角形的关系按最低档工业用电每 度0 6 元计算： 年节省费用：0 6 t ( s p ) ：0 6 。8 7 6 0 ( 旦+ q 娑翌) s i n 妒s l n 尹 ；5 2 5 6 q ! 二；咝：5 2 5 6 q 三竺竺刍) s m 0 1 一c o s 2 妒 鲍s s q 罹 ( 元) ( 3 1 0 ) 设备工程投资中设备投资包括开关、控制系统和电容，本课题所选用的真空接触器、 电流互感器：无功采集器、f 1 u 等设备共大约2 4 万元，电容器按4 0 元k v a r 计算。工程 浙江大学工程硕士学位论文油田配嘲的高压无功自动补偿系统 费用的计算比较复杂，大致可按5 0 的设备费控制，从而可得： 设备工程投资= 1 5 x ( 2 4 0 0 0 + 4 0 q ) = 3 6 0 0 0 + 6 0 q ( 3 - 1 1 ) 将式( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 带入( 3 9 ) 可得： 口2 0 罢) - 一 。 ( 3 1 2 ) s z s 6 c j 去器“o 式( 3 1 2 ) 中c 为偿还年限，对于短时见效的追加性的投资项目一般为一年，即 c = l 。功率因数应该取电费最低档功率因数限额值，即c o s 妒= o 9 将两值带入式( 3 1 2 ) 可求得补偿容量的最小值q = 3 1 4 2 k v a r 。 3 1 2 线路的无功功率统计 电网无功补偿工程的第一步是确定补偿区域内无功补偿的固定补偿容量和调节补偿的 容量。对于已经采取了固定补偿的线路，只需要计算变化部分的无功容量即可。而对于没 有补偿或补偿不足的线路则需要同时计算变动部分和固定不分两部分的补偿容量。据胜利 石油管理局的生产管理模式，油区内的变电站由电力部门管理，变电站不对输电线路的无 功缺额进行补偿调节。从6 k v 线路出口全部的用电负荷归各采油厂管理。所以从某种意 义上讲这里的电网无功规划，仅仅是确定一条6 k v 线路以及相应负载的无功补偿方案。 油井负载的负荷量是随着油井的产液量、油井的井修情况、新井投产和其它大型油水泵站 投产情况而定的。单从供电的日负荷曲线和年负荷曲线上看不出多大规律。由于原油产量 对于同一油区来说是相对稳定的，所以根据现场提供的一些资料可以采用下面方法计算无 功补偿容量： 一、在有每小时无功负荷纪录曲线的情况下，可直接利用无功记载的最大值确定补偿 总容量和最小补偿容量。 二、在有无功电度历史记录表格的情况下可以根据记录表的记录查出最大月的无功电 量和最小无功电量，将最大、最小无功电量折算成无功功率最大、最小值。即 无功功率最大值= 最大月无功电度量峰值系数月统计小时数 ( 3 1 3 ) 无功功率最小值= 最大月无功电度量谷值系数月统计小时数( 3 1 4 ) 关于峰值系数和谷值系数的计算：油井负载的无功最大、最小值是没有记录的，由于 1 4 浙江大学工程硕士学位论文油田配网的高压无功自动补偿系统 现场一般只记录电流曲线不记录功率曲线。所以只能用电流来计算峰值系数和谷值系数： 峰值系数= 当月最大电流当月平均电流 ( 3 1 5 ) 谷值系数= 当月最小电流当月平均电流 ( 3 1 6 ) 三、在没有无功电度历史记录表格的情况下只能根据有功纪录表折算出每个月的无功 用量。即 无功功率= 有功功率x , 1 一c o s 2p ( 3 1 7 ) 式中c o s 妒应该根据线路无功补偿程度来选择：对于无补偿线路应选用线路最大功率 因数，因为一般负荷越重功率因数越高。对于有足量固定补偿的线路一般在轻载时功率因 数接近于l ，因此计算时应选用线路最小功率因数，因为对于有补偿的线路负荷越重功率 因数越低。其它负荷可视具体情况而定。 3 1 3 无功自动补偿容量的确定 采用无功电容固定补偿的方法可以提高线路的功率因数，但是如果固定的按最大无功 缺额功率进行补偿，在负荷减小时就会出现过补偿。如果按最小无功缺额功率补偿，在负 荷增大时就会出现欠补偿。为了消除过补偿和欠补偿的现象，就必须采用自动补偿系统。 理论上讲，自动无功补偿容量= 无功功率最大值无功功率最小值，但是在实际中不可能按 功率因数等去考核。因此可以以负荷最大和负荷最小时功率因数不小于规定值为限。我们 不妨把功率因数定为o 9 5 ，即功率因数角为1 8 度，对应的正切值为0 3 2 。依照系统有功 功率和无功功率的关系可得： 自动无功补偿功率= 无功功率最大值无功功率最小值 o 3 2 ( 有功功率最大值+ 有功功率最小值) ( 3 1 8 ) 当然在实际工程中还应考虑可能增加或减少的负荷变动情况。 3 1 4 采用分离补偿方式基本容量的计算 可控无功补偿的投资要比固定无功补偿投资高得多，采用分级补偿每增加一个控制级 至少要增加一个开关的成本，而对于第一级补偿还应该加一套控制系统的成本。所以当补 偿容量小到一定程度就不能采用可调节补偿方式了。本节要讨论的问题就是补偿装置基本 补偿容量如何确定的问题。 ， 浙江大学工程硕士学位论文油田配网的高压无功自动补偿系统 补偿点与测量点分离能降低线路的有功损耗，但是每设置一个分离补偿点至少要增加 一台站端设备的投资，所以设置分离补偿点的基本条件是； 补偿年限年节省电费站端设备投资 ( 3 1 9 ) 线路节省电费与线路长度和补偿容量有关。设补偿点到线路( 或分支线路) 出口处的 等效线路长度为l 公里，补偿容量为q 。可以计算出年节省电费。参考图3 1 功率三角 形中s 、p 、q 的关系有： 补偿前线路的电流j s = 了甭s 完全补偿后线路的电流，= 而p ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 补偿后减少的损耗矿：3 tl r ( i s 2 一，；) ：f 厶等 ( 3 2 2 ) ( 3 - - 2 2 ) 式中r 是每公里线路电阻，无分支线路的电阻一般每公里0 2q ，油区线路 是多分支线路，在每个分支点都有接触电阻，使得线路平均电阻每公里达0 3q 以上。取 系统平均电压u = 6 k v ，每度电费0 6 元，那么 年节省电费= 8 7 6 1 0 u x u u 0 3 6 x 0 6l q 2 = o 0 4 3 8 l q 2 元。 ( 3 2 3 ) 若偿还年限为3 年，将年节省电费、站端设备投资带入式( 3 9 ) 可求得最小无功补 偿容量 q = 垢至丽k v a r ( 3 2 4 ) 表3 1 按不同等效线路长度的补偿数量 等效线路长( k i n ) 1 23456 789 i o l 补偿容量( k v a r ) 7 9 5 64 64 0 3 53 23 02 82 6 2 5 等效线路长度小于实际补偿点到分支点的距离，通常一两公里。从上表的数据情况可 以看出，一般情况下要想在三年的时间里收回采用分离补偿增加的投资只有当补偿容量大 过6 0 k v a r 时才有可能。 1 6 浙江大学工程硕士学位论文油田配网的高压无功自动补偿系统 3 2 无功补偿点的确定 3 2 1 无功负荷中心 利用前面的统计方法，对于一个负荷分散的区域可以估计出该区域需要补偿的无功功 率。当该区域无功负荷达到一定数量时，就可以在此区域设立一个自动无功补偿点。补偿 点应该选择在能使本区域电网损耗最小的位置，这个位置就是无功负荷中心。无功负荷中 心的位置不一定是我们常说的负荷中心，因为负荷中心主要是由负荷的有功功率决定的， 而无功负荷中心的位置只与负荷的无功功率有关，与有功功率无关。 确定无功负荷中心位置的原则仍然是本区域电网损耗最小。对于6 k v 输电线路来讲 电网的功率损耗是由线路中的有功电流和无功电流分别决定的。假设某区域线路各支路电 流为1 1 、1 2 、1 3 、，各支路电阻为r i 、r 2 、r 3 ，可以用下式计算该区域线路的总体 损耗 = 置，? ( 3 - 2 5 ) 将分解成有功分量如和无功分量l o , ，由于【】与【如】是正交向量，并且 i j = i 矗+ i 毛 ( 3 - 2 6 ) 所以 矿= r ，刍+ 蜀，刍 ( 3 - 2 7 ) 其中r ，2 为无功电流产生的电网损耗，能使无功电流产生的损耗最小的无功电 流注入点就是无功负荷中心。式3 2 5 表明无功电流的分布不直接影响有功电流产生的电 网损耗。 3 2 2 两分法确定无功负荷中心位置 确定无功负荷中心的位置就是确定无功补偿点的位置。由于感性电流与容性电流是标 量加减关系，无功电流值不是补偿点的位置的连续函数，所以不能采用求连续函数极值的 办法确定补偿点位置。本文介绍一种用两分法寻找无功负荷中心的方法。 一、方法的基本原理 若一条线路上有两个感性电流注入点，注入电流分别为i l 和1 2 ，两点之间的电阻为 r ，为了减少线路的功率损耗，可以在线路上选择某一点注入一个容性电流i c = l l + 1 2 。由 基尔霍夫电流第一定律可知，若注入点放在i l 处则电阻r 上流过电流为1 2 ，若注入点放 浙江大学工程硕士学位论文油田配罔的高压无功自动补偿系统 在r 2 处则电阻r 上流过电流为i l 。显然只有当容性电流注入点放在较大的感性电流注入 点时电阻r 上的功率损耗才最小。也就是说无功补偿点应靠近较大的无功负荷。 二、确定多点负荷中心的两分法 若一段线路上有多个负载分支点，正如图3 2 所示的那样，可以通过比较每两个相 邻的分支点两边的无功负荷的多少确定补偿中心的位置。确定补偿位置的方法是：逐点比 较，始终将补偿点向无功负荷较大的一侧靠近，最终找到这个分支点。如比较a 、b 两点 b 侧无功较多，比较b 、c 两点c 侧无功较多，再比较c 、d 两点c 侧无功较多，则最终 c 点为补偿中心。 图3 - 2 多分支负荷中心示意图 3 2 3 确定测量点与补偿点 目前我国户外高压无功自动补偿一般采用测量与补偿一体化的装置结构，线路无功自 动补偿的控制方式属于单装置独立补偿控制方式，他只管补偿点以后的功率因数，没有任 何全局优化的意义。本次设计方面要解决补偿点附近( 包括补偿点以前) 区域的无功平 衡，另一方面还要解决两个以上区域无功容量相互协调的问题。 由于目前柱上开关采用的补偿控制器的操作依据只与补偿点以后的无功负荷情况有 关，所以在补偿点，补偿控制器只能采用不过补偿的原则，这也就是常说的不倒送无功的 原则，然而这个原则在多分支网络中并不适合。 在图3 3 例举的油田典型线路上分散挂接着许多电机负载，无功负荷中心一般不在线 路两端。这时如果采用就近补偿方式将测量点放在补偿点附近，那么必然测量不到补偿点 以前的无功负荷，