（电气工程专业论文）农网中压配电线路无功补偿配置的研究.pdf

声明尸明 f j i l l i j iifjjiiii l l l f y 17 8 6 1 1 ”6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 农网中压配电线路无功补偿配置的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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 明确的说明并表示了谢意。、 学位论文作者签名： 到垒亟 日期：弘io b 。匕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：型豳 导师签名： 日 期：2l ! ：l 日 期： 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 农网中压配电线路的供电半径长，自然功率因数低，大量无功的传输造成电压 质量的下降和电能损耗的增加。研究配电线路无功补偿算法，进行精确的补偿配置， 可以提高线路电压、降低有功损耗、获得较好经济效益。 本论文提出一种精确的单电源配电线路无功补偿计算方法，以满足电压合格率 为第一约束条件，以有功损耗最小为目标，综合考虑补偿设备的投资和运行费用， 寻找经济效益最优的补偿方案。并选取了三条不同负荷分布的典型配电线路，进行 了精确无功补偿配置的计算，得到了明确的计算结果，并较经验做法有明显的优势， 可以作为农网中压配电线路无功补偿配置的实用方法。 关键词：农网中压配电，无功补偿，有功损耗，电压合格率 a b s t r a c t t h er a d i u so fr u r a lm e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nl i n e si sl o n g ，a n dt h en a t u r a lp o w e r f a c t o ri sl o w t h et r a n s m i s s i o no fal a r g en u m b e ro fr e a c t i v ep o w e rd e c l i n e st h ev o l t a g e q u a l i t ya n di n c r e a s e st h ec o n s u m p t i o no fp o w e r s t u d yt h ea l g o r i t h mo fd i s t r i b u t i o nl i n e s 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 a k ee f f e c t i v e l yr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm e a s u r e s c a n i m p r o v et h el i n ev o l t a g e ，r e d u c i n gl i n el o s s e sa n do b t a i ne c o n o m i cb e n e f i t t h i sp a p e rp r e s e n t sap r e c i s ec a l c u l a t i n gm e t h o do fs i n g l e s u p p l yd i s t r i b u t i o nl i n e s r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t om e e tt h ev o l t a g eq u a l i f i c a t i o nr a t ef o r t h ef i r s tc o n s t r a i n t , m i n i m i z ep o w e rl o s sa st h eg o a la n dc o n s i d e r i n gc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ti n v e s t m e n ta n d r u n n i n gc o s t s ，s e e kt h ec o s t - b e n e f i tc o m p e n s a t i o np r o g r a m t h ec a l c u l a t i o no fr u r a l m e d i u m - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nl i n e sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns c h e m eg e t sat r u e c o n c l u s i o n t h i st h e o r yc a ng u i d et h ec h o i c eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns c h e m e l i uj i a n g u o ( p o w e rs y s t e mr e l a yp r o t e c t i o na n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i a n go u i s h u k e yw o r d s ：r u r a lm e d i u m - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nl i n e ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , a c t i v e p o w e rl o s s ，v o l t a g eq u a l i f i c a t i o nr a t e 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题研究的背景。l 1 2 无功补偿技术的发展及现状l 1 3 农村中压配电线路无功补偿的意义3 1 3 1 减少配电线路的有功损耗。3 1 3 2 降低配电线路的电压损失3 1 4 经典的无功补偿算法4 1 4 1 专家系统4 1 4 2 遗传算法4 1 4 3 模拟退火算法5 1 4 4t a b u 搜索方法5 1 4 5 模糊集理论5 1 5 本论文的主要工作6 第二章配电网无功补偿的基本方法和理论8 2 1 无功的定义8 2 2 无功补偿的原理9 2 3 常用的无功补偿设备9 2 3 1 同步调相机1 0 2 3 2 电力电容器1 0 2 3 3 静止无功补偿装置1 0 2 4 常用的无功补偿方式1 2 2 4 1 变电站集中补偿。1 2 2 4 2 中压配电线路的分段补偿1 3 2 4 3 配电变压器低压集中补偿1 3 2 4 4 终端设备分散补偿恤引。1 3 2 5 经验算法的优点和局限性1 3 第三章二维遍历算法1 5 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 1 二维遍历算法的提出。1 5 3 2 补偿设备的选取1 6 3 3 补偿设备点数的确定1 7 3 4 对线路支线节点的简化1 7 3 5 线路的功率分布与电压分布计算1 8 3 5 1 功率分布的计算原理18 3 5 2 电压分布的计算原理1 9 3 5 3 迭代法潮流计算的实现2 0 3 6 不同补偿点数下的补偿方案的计算2 0 3 6 1 单点无功补偿方案的计算2 l 3 6 2 两点无功补偿方案的确定2 l 3 6 3 三点无功补偿方案的确定2 2 3 7 电压合格率的约束2 3 第四章二维遍历算法实现程序的设计2 4 4 1 软件设计的基本思路和实现的功能2 4 4 1 1 参数录入功能2 4 4 1 2 线路支线简化功能2 5 4 1 3 潮流计算功能。2 5 4 1 4 补偿方案的分析功能2 5 4 2 程序流程图。2 5 4 2 1 主程序流程图2 5 4 2 2 潮流计算程序流程图2 6 4 2 3 单点补偿计算程序流程图2 8 4 2 4 两点补偿程序流程图2 8 4 2 5 三点补偿程序流程图3 0 第五章无功补偿方案的算例及分析比较。3l 5 1 典型线路一的计算分析( 负荷均匀型) 31 5 1 1 线路参数31 5 1 2 二维遍历算法的计算结果。3 3 5 1 3 经验算法的计算结果。3 5 5 1 4 两种算法经济效益的分析比较3 7 华北电力大学工程硕士学位论文目录 5 2 典型线路二的计算分析( 负荷首端集中型) 3 8 5 2 1 线路参数3 8 5 2 2 二维遍历算法补偿效果4 0 5 2 3 经验算法的补偿效果4 1 5 2 4 两种算法经济效益的分析比较4 2 5 3 典型线路三的计算分析( 负荷末端集中型) 4 3 5 3 1 线路参数4 3 5 3 2 二维遍历算法的计算结果“ 5 3 3 经验算法的补偿效果。4 6 5 3 4 两种算法经济效益的分析比较4 6 第六章结论4 8 参考文献4 9 致谢51 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 u i 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 电压是电能主要质量指标之一n 1 ，在电网有功需求一定的情况下，它的好坏主 要取决电力系统无功潮流分布是否合理，这不仅关系到电力系统向电力用户提供电 质量的优劣问题，而且还直接影响电网的安全、经济运行。目前，我国电网尤其是 广大的农村电网普遍的功率因数较低乜1 ，造成了线路有功损耗较大，这主要是由于 配电网中存在着较多的感性负荷比如电动机消耗的电能占全国用电量的7 0 以 上口】，而大部分的电动机由于设计和使用上的原因其功率因数往往很低，一般只有 0 7 左右，这些感性负载需要吸收大量的无功功率来满足其运行的需要；另外，随 着现代电力电子技术的发展，各种电力电子装置，尤其是大功率变流、变频装置在 电力系统、工矿企业、居民家庭得到了广泛应用，这些装置的自然功率因数往往较 低，而且有迅速发展的势头，同样需要从电网吸取大量的无功功率。电网无功功率 的来源主要靠发电机发出和各种补偿设备提供，为保证发电机的出力和输电线路的 传输效率，通常系统电源只提供少量的无功功率，大量的无功功率需要由各级变电 站、配电线路以及用户的补偿设备来提供。对于农网中压配电网来说线路较长，配 电变压器容量较小，安装位置分散，分布极不均匀，而且用户就地无功补偿很少， 一般靠配网变电站进行集中补偿。变电站集中补偿只能减少系统对上级电源的无功 需求，不能改善由配网变电站向其用户长距离传输无功功率带来的有功功率损耗和 电压损失，严重的情况下，线路电压损失会使一些末端设备在负荷高峰期不能正常 运行，由于上述原因造成l o k v 配电网既是重损区，也是降损潜力的最大区h 1 。本论 文针对农网中压配电网的特点，就农网中压配电线路分段无功补偿配置进行研究， 寻找降低配电线路有功损耗、提高线路整体电压水平的优化补偿方案，最终实现经 济效益最大化。 1 2 无功补偿技术的发展及现状 传统的无功补偿装置是同步调相机，它是专门用来产生无功功率的同步电机， 在过励磁或欠励磁的不同运行状态下，可以分别发出容性或感性无功功率。在2 0 世纪2 0 年代以后的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一直发挥着 主要作用，然而，由于它是旋转电机，损耗和噪声都较大，而且响应速度慢，运行 维护复杂，逐渐无法满足快速无功功率控制的要求，所以2 0 世纪7 0 年代以后，同 步调相机逐渐被静止无功补偿装置所取代。1 9 6 7 年，第一批静止无功补偿设备在英 国开始应用到电网，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、瑞士、瑞典、苏联等 1 华北电力大学工程硕士学位论文 国竟相研制，大力推广，使得静止补偿装置技术得以迅速发展，并广泛用于电力、 冶金、化工、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、改善经济运行条件的 有效设备。国际上几个大的电气公司，包括瑞典通用电气公司( a e a ) 、芬兰诺基亚 电容器公司、瑞士的勃朗鲍威利公司( a a c ) ，美国的通用电气公司( g e ) 、日本日新 公司等均研发了不同类型的静止无功补偿技术西1 。2 0 世纪8 0 年代，随着i g b t 、g t o 等电力电子元件的开发，使大功率、高电压变流器的性能有了显著提高，而且由于 微处理机和大规模集成电路组件的采用，使复杂的控制电路得以简化，有源无功补 偿设备s v g 得到了开发与应用1 。近年新型的有源无功补偿设备a s v g 得到开发与应 用。以电力电子技术为核心静止无功补偿技术不仅具有相应速度快、损耗小的优点， 而且实现了集无功补偿、电压控制和谐波治理功能于一身，是一种理想的无功补偿 设备。 在国外，电力系统的无功补偿主要用电容器和静止无功补偿装置，取得了良好 的效果，并积累了宝贵的运行经验。在发达国家，电网是否安装户外无功补偿设备 己成为衡量配电网性能的主要指标之一，无功补偿设备的配置都是基于全电网的无 功平衡和最优效率进行的，一般包括电网重要节点补偿和用户就地补偿两种。如在 日本，配电网基本不输送无功功率，用户无功功率需求依靠“就地补偿 来解决， 户外补偿电容器的自动投切率己达8 5 4 ；在美国，许多城市道路旁的电线杆上装 有并联电容器组，并采用自动控制装置j 1 。 我国的静止无功补偿技术走的是引进、吸收、发展的道路。在2 0 世纪8 0 年代 初期由机械部和电力部联合引进了b b c 公司的t c r 型s v c 动态无功补偿技术，并经 过多年的努力在大冶钢厂投入使用，但由于自动化程度和装置的可靠性较低，没有 得到广泛使用。9 0 年代中期，我国又引进了乌克兰的t c r 型s v c 动态无功补偿技术， 由于装置故障率较高，也限制了其应用范围阻1 ，到二十一世纪初期5 0 0 k v 、2 2 0 k v 系 统运行的动态无功补偿设备几乎为进口设备。近年随着国内电力电子技术的迅速发 展，s v c 以及更为先进的s v g 设备研制取得了飞速的发展，1 9 9 5 年，清华大学和河 南电力局共同研制出了我国第一台s v g ，容量为3 0 0 k v a r ，开辟了我国研制补偿设 备的先河。2 0 0 0 年，清华大学和河南电力局又成功研制出一台2 0 m v a r 的s v g ，并 投入电网运行。如今我国静止无功补偿技术正向着广泛应用的方向发展，在较为发 达的地区3 5 k v 变电站已经开始使用s v c 、s v g 技术进行无功补偿和谐波治理。但由 于s v c 、s v g 技术的设备造价比较高、维护技术要求高，对经济效益较低、谐波问 题不严重的中低压电网或中小型企业应用较少，其所需的无功多采用并联电容器组 进行补偿，特别是农网配电系统无功补偿设备基本上仍是并联电容器。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 农村中压配电线路无功补偿的意义 目前农村配电网分布范围广，且基本采用大树干、小分支的单向辐射状供电方 式细j 们。由于供电半径长，线路分支多且线径较细，随着农村用电负荷的迅速增长， 无功需求不断增加，导致1 0 k v 配电线路电压质量差、电能损耗大。如何降低配电 线路的有功损耗，提高线路末端电压，进而提高设备的利用率已经是电力企业面临 重要问题。在电力实行市场经济的模式下，供电企业通过采用包括无功补偿等先进 的技术手段来改善电能质量，并通过降低线路及设备有功功率损耗带来的收益，提 高系统运行的经济性。如今电力系统无功补偿及其优化已经成为电力系统安全经济 运行管理和研究的一个重要组成部分。 1 3 1 减少配电线路的有功损耗 电力系统输送电能的功率从理论上可以分为有功功率和无功功率，当电力线路 进行电能传输时，由于线路的电阻和电抗，会造成有功功率和无功功率的损耗，其 中有功功率计算公式为式1 - 1 。 a p ：竺：垡r u ( 卜1 ) 式中：ap 、u 、p 、q 和r 分别表示线路的有功损失( k w ) 、线路的额定电压( k v ) 、 线路输送的有功功率( k w ) 、线路输送的无功功率( k v a r ) 和线路电阻( q ) 。 有功功率损耗会造成电能的直接损失，电力线路节能降损就是减少其有功功率 损耗。由公式卜1 可见，线路的电阻r 是不变的，电压u 的变化范围很小，引起p 变 化的主要是p 2 + q 2 ，当输送的有功功率一定时，输送的无功功率越大，总的功率损 耗就越大；反之就越小。在实际配电线路投入运行后，有功需求是根据用户需求而 定的，降低有功率损耗有效方法是减少输送的无功功率。 1 3 2 降低配电线路的电压损失 电力系统向用户供电的电压，是随着线路所输送的有功功率和无功功率变化而 变化的1 1 1 o 当线路输送的有功功率一定时，线路的电压损失随着输送的无功功率的 增多而增大。计算公式为式1 - 2 。 a u = p r 百+ q x( 卜2 )u( 1 一) 式中： au 和x 分别表示线路的电压损失( k v ) 和线路电抗( q ) 。 由于r 、x 、是不变的，u 的影响较小，p 由用户的需求而定，减小线路电压损 失a u 主要也是靠减少线路的无功功率传输。 华北电力大学工程硕士学位论文 进行配电线路合理的分段无功补偿后， 电线路总的无功功率传输，提高功率因数， 压分布的作用。 1 4 经典的无功补偿算法 就会使无功电源靠近需求，大大减少配 起到降低线路的有功功率损耗和改善电 由于电力系统无功补偿的重要意义，人们对研究无功补偿做了大量的工作，取 得了很多算法。经典优化算法主要有两大类n 2 1 ：一类是基于牛顿( n e w t o n ) 法的优化 潮流方法：另一类则是基于运筹学理论的数学优化方法，如线性规划法、非线性规 划法、混合整数规划法等。 经典优化法的具体方法是从网损最小或年运行费最小或年支出费用最小等目 标出发，求出最佳补偿位置和补偿容量的方法。这些算法的共同特点是：首先找到 所要求的量值的数学表达式，通过求函数极值的方法，来求得补偿容量和位置的数 学表达式。从经济效益的角度讲，年费用支出最小是最优的，节省电能所获得的效 益，应动态地考虑效益投入比。但这些方法只能应用于简单网络，不能用于复杂网 络计算。 “人工智能 一词最初是在1 9 5 6 年d a r t m o u t h 学会上提出的，它是研究、开 发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术 科学。电力工业界对无功优化算法问题作了大量的研究，特别是数学规划的最优潮 流模型中能够引入了凡是能表示成状态变量和控制变量的各种不等式约束条件，并 从改善算法收敛性，提高计算速度等目的出发，将电力系统对于经济、安全性及电 能质量三方面的要求统一起来，研究产生了各种各样的无功最优潮流新算法。其中 包括专家系统、遗传算法、模拟退火算法、t a b u 搜索方法、模糊集算法等。 1 4 1 专家系统 专家系统方法是在常规算法的基础上，根据专家经验设置初始值，通过不断调 整控制量的值，直到取得一个比较好的解。将专家系统应用于无功优化的主要优点 在于，它是以常规算法为基础，与运行人员的知识结合后功能增强，将专家经验与 优化方法结合起来以解决无功优化问题，具有很强的实用性。已开发的系统大都是 基于专家经验和数值计算程序的结合。 1 4 2 遗传算法 1 9 7 5 年美国m i c h i g a n 大学的j h o l l a n d 教授首先提出了遗传算法，是一种基 于自然群体遗传演化机制的高效探索算法。它借鉴生物界自然选择和遗传机制的高 度并行随机自适应搜索方法，采用随机优化技术，通过遗传操作处理离散变量，模 4 华北电力大学工程硕士学位论文 拟达尔文的遗传选择的生物进化过程，对群体反复进行基于遗传学的操作，根据预 定的目标适应度函数对每个个体进行选择，依据搿适者生存，优胜劣汰”的进化规 则，不断得到更优的群体，同时以全局并行搜索方式来搜索优化群体中的最优个体， 求得满足要求的最优解。此算法用于无功优化就是将被补偿系统的一组初始解，在 各种约束条件的限制下，进行适应值评估，适应值低的函数被淘汰，将适应值高的 函数的特性迭代到下一轮解，最后趋向于最优解n 3 j 们。缺点是传统的遗传算法存在 收敛和计算过程中，容易发生着“早熟”或非全局收敛，或收敛速度慢等问题。主 要表现在群体所有个体都趋于同一非最优状态而停止进化，特别是随着系统容量和 规模增加以及补偿配置的扩展，传统的基于遗传算法受计算的影响变大。 1 4 3 模拟退火算法 模拟退火法是1 9 5 3 年由m e t r o p o l i s 等人提的一种简单算法，即m e t r o p o l i s 抽样算法，原理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， 在物理系统中当退火结束时，金属能量达到最小值。模拟退火是一个强大的解决组 合最优化问题的通用方法，目前大量基于模拟退火的算法专门用来解决非线性规划 问题，而关系电力系统实际利益的许多问题正是属于等式和不等式约束的约束最优 化问题n 盯。应用模拟退火算法进行无功优化，可通过随机扰动来产生解群，这种算 法寻优能力强于简单遗传算法。 1 4 4t a b u 搜索方法 t a b u 搜索方法基本思想是由g l o v e r 在2 0 世纪6 0 年代末提出的，是伴随计算 机技术的发展而产生的一种高效率的启发式优化技术，是一种扩展邻域的启发式搜 索方法。t a b u 搜索是一种限制性的搜索技术，通过记录搜索历史，在搜索过程中获 得知识，利用它确定后续的搜索方向以避开局部最优解。在配电网无功优化过程中， t a b u 搜索法得到很广泛的应用，主要通过对基本的t a b u 算法进行改进，并将改进 的遗传算法中优化编码技术引入t a b u 算法，在此基础上推出迭代判定条件、动态 管理t a b u 表深度和动态管理邻域搜索规模等，用以处理补偿电容器分档投切的组 合优化。此外利用t a b u 算法还可以优化配电电容器的投切策略。t a b u 算法寻优速 度较快，但不能在整个寻优空间同时开始搜索，因此初始值的选择质量直接影响到 算法的收敛速度和解的质量。近年来搜索方法应用于求解输电系统最优规划、配电 补偿电容器投切策略等，均取得了较好的效果。 1 4 5 模糊集理论 l o t f iz a d e h 在1 9 6 5 年介绍了模糊集合，模糊概念使数学建模、计算和分析从 人类思考和推理出现的信息得到很大的改革。模糊算法是采用模糊集将多个目标函 华北电力大学工程硕士学位论文 数和负荷电压模糊化，给出各目标函数的分段隶属函数，对于离散的约束条件，根 据连续值取最接近的离散值，或者采用模糊集表达整型变量，优化过程中引入满意 程度的最大目标使解最终趋向于整型。通过对多目标函数和约束条件模糊处理，就 把原来的优化问题转化成了标准的线性规划或非线性规划问题。新的目标函数给出 原多个目标软约束的满意解，大大简化了原本相当复杂的计算。由于电力系统的各 数据量的时变性，各种信息不能实时全面取得，以及电力系统的庞大复杂性，各种 目标之间的平衡往往很难确定，因此模糊逻辑得到了广泛的应用。模糊算法在线处 理能力方面由于最终都归结为线性或非线性规划问题，计算速度得不到明显提高， 另外引入其他的模糊算子进行优化时又会导致模型变成非线性而影响计算效率。 以上各种算法是在不同的电网模型下提出的不同的优化算法，这些算法都要对 电网进行不同的处理，和实际电网有一定的差距。目前研究人员不断深入研究并完 善这些算法，克服其在具体应用中的不足，在不断改进各种算法过程中，把这些算 法结合起来使用，充分发挥各自的长处，开发出更全面可靠、更高计算效率的综合 算法是目前研究的一个趋势。 1 5 本论文的主要工作 关于电力配电线路分段补偿的计算方法已经有了很多的研究，潮流法、遍历算 法、精确无功矩法等等，这些算法的目的就是通过改变线路的无功分布，满足一定 约束条件下，如何获得最好的经济效益。通常做法一般是以电压为约束条件，以降 低功损耗为手段，以获得经济效益最大为最终目的。 l 、本论文的研究对象。由于农网中压配电线路的具有负荷分散、负荷波动较 大、用户补偿不足等特点，对其进行分段无功补偿具有非常重要的意义。本论文选 取目前农网中压系统广泛应用的供电方式：单电源、长干型、小分支配电线路为研 究对象，以满足电压合格率为约束条件，以减少有功损耗为手段，以经济效益最大 化为目标，进行线路分段无功补偿配置的研究。在市场经济模式下，电力企业进行 电网建设必然考虑其经济效益，农网中压配电线路负荷分散，负荷较小，一般为数 千千瓦，一套s v g 补偿设备投资要上百万，一套s v c 补偿设备也要几十万元，高额 的投资，虽然能够实现理想的补偿效果，但很难收回投资，更谈不上获得效益，除 非不得已，否则供电企业是不会接受的。从安装环境考虑，农网配电线路分布范围 广，地理环境较为恶劣，配电变压器基本为柱上安装，先进的补偿设备的应用受安 装场所的限制。从技术水平考虑，农网电力公司的技术力量还很薄弱，高科技设备 的应用缺乏有力的技术支持。由于上述条件的限制，补偿设备选应取投资经济、安 装简单、维护少、操作简单的电力并联电容器组，一般通过台架式安装的方式接入 6 华北电力大学工程硕士学位论文 配电线路，对于安装空间的要求较低，操作设备和保护设备为电力跌落式熔断器。 2 、本论文利用计算配电线路的潮流分布，获取电压分布和有功功率、无功功 率分布，进而获取整个配电线路的有功功率损耗；在确定补偿点数的基础上，如何 获得使得线路有功损耗最小的补偿配置是本论文要解决的关键问题。目前进行配电 线路无功补偿配置的算法或以负荷均匀分布或以平均补偿容量为假设条件，有的是 先确定补偿容量，再进行补偿点数，补偿位置的计算，有的是先进行补偿点数补偿 位置的计算，再进行补偿容量的确定，这些假设与配电网的实际情况是有一定出入 的。农网配电线路负荷分布是极其不均匀的，节点与节点的容量相差可达数十倍， 在线路上的分布也极不均匀，往往以村镇的出现而密集。补偿点的位置和容量必然 与负荷节点的分布密切相关；补偿点位置的变化必然引起相应的补偿容量配置的变 化，将补偿点位置的选择与补偿容量的配置分离进行，必然造成计算结果的偏差。 更为精确的做法是将补偿点位置和补偿容量的确定作为一个整体综合考虑，在多点 补偿的情况下，补偿点的变化必然影响补偿容量的变化。基于以上分析提出了改进 的遍历算法二维遍历算法，将无功补偿点逐个代入线路节点纵向遍历( 传 统遍历算法) ，在每一个补偿点上，从工程实际出发确定一个合理的补偿容量区间 和递增步长进行补偿点容量的遍历横向遍历，针对每一个补偿容量对线路进行 一次潮流计算，在所有的计算结果中满足约束条件有功损耗最小的补偿方案就是要 得到的最优补偿配置。 3 、农网中压配电线路的负荷波动是很大的，负荷低谷状态下载容比一般只有 0 4 左右，负荷尖峰时刻载容比可达o 8 以上，如何使固定补偿设备在波动负荷下 取得满足约束条件，并取得最大效益是本论文研究的又一关键问题。虽然农网中压 配电线路的载容比波动很大，但实际上其载容比大部分时间处于0 4 左右，短期的 负荷高峰载容比可达到o 6 左右，出现时间基本上是在春灌、冬灌时期；载容比达 到0 8 只是在负荷尖峰时刻的瞬时值。线路分段无功补偿的容量需求按着载容比0 4 确定，并按载容比o 4 进行经济效益的计算和分析。线路的电压损失是随着负荷上 升而加剧的，因此计算电压分布按照载容比0 6 进行，保证线路末端电压满足电压 合格率的约束条件。 4 、二维遍历算法的计算量非常庞大，论文着重进行了算法的简化。在算法简 化的基础上，采用v c 9 0 作为软件的开发工具，编制计算程序，解决计算量庞大的 问题。为了验证所选取方法的正确性，选取不同负荷分布的三条典型l o k v 配电线 路进行计算，均获得了明确的结论；为了验证所选取方法的优越性将计算结果与目 前农网电力系统广泛应用的配电线路无功补偿经验算法进了行逐一比较，均有相对 更好的经济效益。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章配电网无功补偿的基本方法和理论 2 1 无功的定义 无功在交流电网中是一个计算量，他是人们为了对交流电进行研究而引入的一 个概念，其表达式定义为q - - u x i x s i n 妒。其物理意义，以感性无功为例，接入电网 的用电设备都是为了进行电能的转换，或是进行不同形式的电能转换，或是进行电 能向其他形式能量的转换，而诸如变压器、电动机等设备在其进行电能转换的过程 中必须建立一个交变的磁场，通过磁场进行能量的转换与传递，因此设备从电网吸 取的电能可看成两部分，一部分转换成其他形式能量( 包括不同形式的电能) ，一 部分在建立交变磁场过程中不是被消耗，而是在磁场增强过程中以磁场能形式被储 存起来，在磁场减弱的时候，其储存的磁场能会释放回电网，这就形成了一部分电 能在电网不断的被传送而不真正做功，因此被称为无功。在电网中体现为电流的最 大值滞后与电压的最大值，如图2 一l 。 - 夕n 0n 您v 1 。 图2 - 1 交流系统电压与电流的关系 ( t ， i ( t ) t 电流的最大值滞后与电压的最大值的时间为a t = t , - t , ，用f 表示周期，时间差 转换为角度就是式2 - 1 。 = 丝2 万 f ( 2 - 1 ) 将s - - u x i 定义为视在功率，即设备从电网吸收电能时总的功率： p - - - - u x i x c o s 驴s 定义为有功功率，即设备将电能转换成其他形式能量的功率： q = u x i x s i n 妒定义为无功功率，即设备建立交变磁场或电场过程中储存能量的功 率。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 无功补偿的原理 电网中存在的感性设备在运行过程中吸收的无功称感性无功功率：在电网中还 存在容性设备，类似于感性设备他们通过建立交变的电场来实现储存能量、释放能 量的过程，但他的储能和释放过程造成电压的最大值滞后于电流的最大值，恰好与 感性设备相反，即感性设备吸电能建立磁场时容性设备电场减弱释放电能，感性设 备磁场减弱释放电能时容性设备建立电场吸收电能。备如果配合适当的话可以大大 减少这部分功率从电源汲取和线路中传输，降低电源的容量和电能在传输过程中的 损耗。不幸的是自然状态下电网中存在大量的感性设备，容性容量远远小于感性容 量，人为地有选择地在电网中加入容性设备用以平衡感性设备的无功需求就是的无 功补偿。其原理如图2 - 2 。 1 一q c 图2 - 2 无功补偿的作用和原理图 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为q l ，装设无功补偿装置后，补偿的 无功功率为q c ，则补偿后设备从电源吸收的无功功率减少为q 。，一q c ，功率因数由 c o s 电提高到c o s 蛾s ，视在功率由原来的s ，减少到s ，。视在功率的减小可相应减小配 电线路的传输电流和电源的容量配置。由无功补偿原理图可以看出当补偿容量与需 求无功相等时，视在功率将与有功功率相等，此时电源供应与线路传输的全部是有 功功率，这是无功补偿的理想目标。如果补偿容量大于感性无功需求时，会造成视 在功率向有功功率下方增加，这就是所说过度补偿，俗称过补。过补不但与补偿不 足同样具会造成线路有功损失增加和电压下降，还会造成补偿设备的浪费。在进行 无功补偿配置时必须避免。 2 3 常用的无功补偿设备 进行无功补偿需要通过在电网中安装容性补偿设备来实现，早期的配电网无功 补偿设备有：同步调相机、电力电容器。上世纪七十年代以来随着电力电子设备的 迅速发展涌现出的多种静止动态无功补偿装置。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 1 同步调相机 同步调相机实际上是不带机械负荷、空载运行的同步电动机n 们，一般采用直流 励磁，通过调节励磁电流使电动机发出或吸收无功功率。2 0 世纪2 0 年代以后的几 十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作用，但 由于发电机一般远离用户，无功需要长距离输送才能到达需求端，很不经济，其次 是投资大，运行维护复杂，2 0 世纪7 0 年代以后，同步调相机开始逐渐被静止型无 功补偿装置所取代口0 州。 2 3 2 电力电容器 电容器是一种静止无功补偿设备，其优点首先是安装、调试简单，运行维护简 单，没有噪音，设备投资和运行费用都比较低。其次是电容器的效率高，现代电容 器的损耗只有本身容量的0 0 2 左右。第三是电力电容的安装有很强的灵活性，对 安装场所要求低，可以随电力线路实现台架式安装，改变容量也较方便，还可以根 据需要分散拆迁到其它地点，安装到距离负载很近的地方，负载需要的无功功率， 正好由电容器发出，这样就能得到“就地刀补偿，减少线路的电能传输和损耗，从 而改善电压质量，提高功率因数，提高系统供电能力。因此，并联电容器是一种重 要的无功补偿设备心五2 舭。缺点是电容器联在电网上运行，由其发出的无功只和电压 水平相关，且与电压的平方成正比，电压下降时容量急遽下降，由于无功不足造成 电压下降时，补偿容量的骤降会使系统向更恶劣的方向迅速发展；电容器的功率只 与电压有关，一经投入运行容量不能随时控制调节，对负荷的波动性适应能力差。 电力系统中输变电部分对无功的需求很小，大量的无功需求集中在配电系统， 由于配电系统分布范围广，达到比较理想的补偿效果需要小容量的相对分散的补 偿，电力电容的经济性、灵活性和较高的适应性使其成为配电网中应用最广泛的补 偿设备。 2 3 3 静止无功补偿装置 早期对无功的补偿只是简单的对电网进行无功功率平衡，近年随着高精密设备 的发展，对电能质量的要求越来越高，同时对电能质量的研究，认为电压的波动和 闪变实质上也是无功功率的不平衡，对补偿设备提出了更高的要求。静止无功补偿 装置是随电力电子设备发展而产生的一种新的大型无功补偿设备，具有能平滑无级 地调节无功功率和电压的功能，而且具有响应速度快，能够抑止谐波的优点缺点 是投资较大，技术含量高需要专业技术人员维护，需要良好安装场所，目前一般应 用于大型企业和变电站。主要由以下几种。 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 3 1 静止无功补偿器 静止无功补偿器( s v c ) 是近年发展起来的一种动态无功补偿装置。它的的特 点是调节速度高、运行维护工作量小、可靠性高。原理是基于电力电子及其控制技 术，将电抗器与电容器结合起来使用，实现无功补偿的双向、动态调节口们。通常可 分为具有饱和电抗器的静止补偿设备、晶闸管投切电容器、带有固定电容器的晶闸 管控制电抗器。图2 - 3 是具有饱和电抗器的静止补偿器的电路图，它由一台饱和电 抗器b 和一组并联电容器c 组装而成。 d ；一中问变压器d 若一 、：api(3-10) o z 一 一 3 5 2 电压分布的计算原理 计算一条线路的电压分布，需要从变电站出口向线路末端逐个节点进行电压计 算，以第i - 1 节点到i 节点的电压分布为例进行计算推导。示意图如图3 2 。 堡一l l h + j x i v i i r - i + l + j x - i + i 一 一 一 i 1 i 图3 2 电压分布示意图 第i 节点的电压幅值的计算公式为 u i = x ( u i i - - a u ) 2 ( 3 - 1 1 ) 式中 ( e + p ：) s + ( q i + a q j x x , 厶u = 上j 曼三! l 一 u i 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 5 3 迭代法潮流计算的实现 迭代法潮流计算的基本原理是，已知配电线路的参数，包括各线段阻抗值、各 节点的有功、无功功率需求和o 节点的电压，并认为0 节点电压额定不变，第一次 计算某一线段功率损耗时不考虑后续线段的功率损耗，只考虑各节点的有功、无功 需求，由0 节点向末端节点进行功率分布和电压分布计算。由于第一次计算未考虑 线路损耗，故电压值偏高，同时计算线段功率损耗是没有考虑后续线段的功率损耗， 因此得到功率损耗值偏小并助长了电压值的偏高。将第一计算出的各线段功率损耗 计入其前一节点的功率输出，进行第二次潮流计算，由于考虑上一次计算的线路功 率损耗，本次计算将使各线段的功率损耗上升，各节点电压下降；如此进行循环迭 代，当前后两次计算的各节点电压值的最大差值小于收敛判据时，即认为得到了真 实值。 迭代法的优点，首先由于前一次计算的粗糙，各线段代入功率损耗的偏低，各 节点代入的电压值偏高，计算出的功率损耗偏低、电压偏高；第二次计算使得它们 进一步接近真实值，但只能从这方向逐渐逼近真实值，不会突破真实值的限制，因 此计算肯定收敛；其次由于电压和功率的共同作用，使得它们收敛很快，这为后面 大量的计算节省大量的计算资源。 迭代法的主要计算公式为式3 - 1 2 和3 一1 3 。 蝇= 脚 2 + i k - 萎( q k 4 a q k + 1 ) 卅；2 嘱 q ；= 善。、+ p - c + ， 2 + k - 萎( q k - a q k 1 ) 2 u ；2 x 。 ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 式3 - 1 2 和3 - 1 3 中露，衅为i 节点的有功输出和第i 线段的有功损耗， q ， q 为i 节点的无功输出和第i 线段的无功损耗，q 为i 节点的电压，局、五为i 线段的电阻和电抗。由于最初状态下没有获知各节点的电压和各线段的功率损耗， 先从节点0 开始，电压为砜，各线段的有功损耗、无功损耗均代入0 ，可以计算出 第一个线段的电压降u ，逐步向后求的线路的电压分布。 3 6 不同补偿点数下的补偿方案的计算 对于农网中压配电线路来说，补偿点是安装配电线路补偿的位置，是线路上的 一个或多个节点，由于节点数量的限制，在单点补偿模式中，补偿点的可能位置为 n ：在多点补偿模式中，补偿点的可选择组合的数量可能很大，但他是一个有穷数 组，可以逐一代入补偿容量计算，在所有结果中寻找最优解，通过算法的简化，计 华北电力大学工程硕士学位论文 算量可