（电气工程专业论文）乌海电网无功优化实时控制系统的研究与开发.pdf

华北电力人学i ：袢硕+ 学位论文摘要 摘要 无功电压优化控制是保证市级电网安全经济运行的一项重要手段，是提高电能 质量的有效措施，因此研究乌海地区电网的无功电压优化控制，既具有理论意义， 又具有实际应用价值。本文针对乌海电网无功负荷、无功电源以及乌海电网无功功 率平衡与系统电压水平的关系，指出了目前乌海电网无功电压控制方法存在的主要 问题，阐明了研制乌海电网无功电压优化控制系统的可行性和必要性。并根据乌海 电网运行的实际，提出了乌海电网无功电压优化控制系统的数学模型，主要为基于 变电站的电压调整算法和无功潮流优化模型及其解决方法。利用乌海地区调度自动 化系统的功能研制一套市级电网无功电压优化控制系统。该系统采用一台工作站从 调度自动化系统采集实时数据，根据无功电压优化计算、无功潮流优化计算，形成 变电站主变压器有载调压开关调节和电容器投切指令，由调度自动化系统执行，实 现乌海电网的无功电压优化控制。本文的研究结果表明，本系统适用于乌海电网的 无功优化控制，取得了令人满意的效果。 关键词：乌海电网，电压控制，无功优化 a b s t r a c t t h eo p t i m a lc o n t r 0 1o ft h er e a c t i v ev a l t a g ei so n eo ft h ei m p o n a n tm e t h o d st oe n s u r et h e s a f ea i l de c o n o m i co p e r a t i o no fm em u n i c i p a lp o w e rs y s t 锄，a n da l s oa ne h e c t i v ew a vt 0 i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y t h e r e 岛r ，i t sw o 劬w h i l eb o t hi nt h e o 巧a i l dp r a c t i c e t os t u d yo nt h eo p t i m a lc o n n o lo ft i l er e a c t i v ev a l t a g eo ft h el o c a lp o w e rs y s t e mi nw u h a i b a s eo nt h er e s e a r c ho fm el o c a ls v s t 锄r e a c t i v el o a d ，r e a c t i v es o u r c ea n dt h er e l a t i o n so f t h el o c a ln e t w o r kr e a c t i v ep o w e rb a l a n c ea n dt h el e v e lo ft h es y s t 锄v a l t a g e ，t h i sp a p e r i n d i c a t e dt h ep r o b l e m so ft h em e t h o d so ft h eo p t i m a lc o n t r o lo ft h er e a c t i v ev a l t a g eu s e di n w u h a ip o w e rs y s t e ma 1 1 dc l a r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yt od e v e l o pal o c a lr e a c t i v e v 训t a g eo p t i m a jc o n t r i 胡s y s t e m am a t h m a t i cm o d o lo fm et h er e a c t i v ev a l t a g eo p t i m a lc o n t r o ls y s t e mf o rw u h a ip o w e r s y s t e mw a ss e tb a s e do nt h ev a l t a 呈pr e g u l a t i o na l g o r i t h i na j l do p t i m a lr e a c t i v el o a df l o w m o d 0 1 as y s t e mf o rm u n i c i p a lp o w e rs y s t e mo p t i m a lr e a c t i v ev a l t a g ec o n t r 0 1w a sd e v e l o p e d u s i n gt h e 如n c t i o no ft h el o c a le l e c t r i cn e t w o r km a n a g e m e n ts v s t e mi nw u h a i t h es v s t e mc a n c 0 1 l e c td a t au s i n gap cw o r k s t a t i o n 行o ml o c a ln e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dc a c u l a t e 协eo r d e r sw i t hw h i c ht or e 呈：u l a t ev a l t a g ew i t ho n 1 0 a df o rm em a i nt r a n s f o 彻e ro ft h e s u b s t a t i o n sa n ds w i t c hc a p a c i t o r s t h eo r d e r sw i l lb ei m p l e m e n t e db yt h ee l e c t n cn e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t 啪t or e a l i z et h eo p t i m a lr e a c t i v ev a l t a g ec o n t r o lo ft h ew u h a ip o w e r s y s t e m ，a n df i n a l l y ；e x p e r i m e n t a lr e s u l td e n l o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mu s e di n w u h a ip o w e rs y s t e m m ah o n 舀i ( e 】e c t r i c a je n g j n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g l ( e yw o r d s ：w u h a jp o w e rs y s t e i n v a i t a g ec o n t r o l ，r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z e l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文乌海电网无功优化实时控制系统的研 究与开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，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：日期： 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： 日 期： 导师签名： 日期： 华北电力人学。r 程硕十学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对市级电网供电的电压质量 提出了越来越高的要求，保证用户电压接近额定值是市级电网运行控制的基本 任务之一。 市级电网是现代化区域电网的一个有机的组成部分。由于电网中的负荷波 动十分剧烈，使得电网中在同一时间内，一些地方电压高，一些地方电压低； 在同一区域内，有时电压高，有时电压低。电压是衡量电能质量的一个重要指 标，电压的波动使电能质量下降，严重时甚至引起电压崩溃和电网瓦解，对电 力用户以及电网的安全经济运行带来不良的影响，电压的偏移过大对电网和电 力用户的运行影响如下： 1 、电压降低，使电网中的功率损耗和能量损耗增大。电压过低还可能危 及电力系统运行的稳定性，在系统中无功功率不是，电压水平较低的情况下， 某些枢纽变电站母线电压在微小的扰动下，会出现顷刻之间大幅度下降的“电 压崩溃”现象，其后果十分严重，可能导致发电厂之间失步，整个系统瓦解的 灾难性事故。 2 、电压对电力用户设备的安全运行也是极其重要的，因为这些用电设备 都是接额定电压进行设计和制造的。在额定电压下，这些设备的运行工况最佳。 电压过多偏移额定值，将会产生不良的影响，直接影响工农业生产的产品的质 量和产量，甚至使用电设备损坏。电压过高时，会使各种电气设备的绝缘受损， 变压器、电动机等的铁损增加，温升增加，寿命缩短，如荧光灯电压升高l ， 光通量将增加4 ，如平均电压升高5 ，其寿命将缩短5 0 。电压太低，会 严重影响居民生活，使电视机不能正常收看节目，电冰箱不能启动，照明灯具 的亮度和发光效率大幅度下降；电压降低，使各类用电负荷中占比例最大的异 步电动机转差率增大，定子电流随之增大，发热增加，绝缘加速老化。当电压 降低1 0 时，转矩大约下降1 9 ，当电压太低时，电动机可能由于转矩太小， 带不动所拖动的机械停转。些精密加工设备及测试仪器，如电压偏移过大， 会损坏设备，影响精度，出现错误信息，以至酿成重大事故。 在市级电网中，3 5 k v 、1 0 k v 电压等级电网主要给用户提供电能，其电能质 量的好坏尤其关键，而电网的无功优化和无功功率的就地平衡是保证电能质量 的基本条件。我们知道，当线路上有功率传输时，就会产生电压损耗u ，它 华北电力大学t 程硕十学位论文 主要是由凹【，造成的，q 越大，则线路末端的电压就越低。如果在线路末端 安装无功电源，使线路上不传输或少传输无功功率，则线路上的电压降将大为 减少。 市级电网中大多数用电设备电压在稍许偏移额定值的情况下，仍可以正常 运行。根据需要，从技术经济等方面综合考虑，国家电网公司电力系统电压 质量和无功电力管理制定第五条、用户受电端供电电压允许偏差值： ( 1 ) 3 5 k v 及以上用户供电电压正、负偏差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额定电压的+ 7 一一1 0 ： 第六条电力网电压质量控制标准 ( 1 ) 发电厂和2 2 0 k v 变电站的1 1 0 k v 一3 5 k v 母线正常运行方式时，电压允 许偏差为系统额定电压的一3 一+ 7 ，事故运行方式时为系统额定电压的1 0 ： ( 2 ) 带地区供电负荷的变电站和发电厂( 直属) 的1 0 ( 6 ) k v 母线正常运 行方式下的电压允许偏差为系统额定电压的o 一+ 7 ： 为保证用户的电能质量，各负荷点的电压应保持在允许的电压偏移范围之 内，但是在市级电网中，负荷点的数量极多而且颁布很广，要想对每个负荷点 的电压都进行控制和调节肯定是做不到的。因此，为保持用户电压质量合格， 在市级电网中，一般都采用调节和控制各变电站的母线电压来实现。 1 2 无功电压优化控制方法研究的可行性和必要性 乌海电业局作为供电企业，越来越重视企业的经济效益和电网的经济运行， 内蒙古电力公司对乌海电业局的生产重点考核指标中，已明确考核电压合格率 和线损率，要求电压合格率为9 5 ，全口径线损率为3 3 8 。随着电力体制改革 的逐步深入，电网的经济运行愈显重要。供电企业的经济效益主要体现在多供 电、低成本，且把降低电网的损耗为主要的技术手段。为了树立良好的供电企 业形象，避免用户的投诉，电压质量作为电能质量的一个重要指标，也越来越 受到供电企业的重视。乌海电网位于内蒙古电网的西南部，是重要的煤炭、冶 金、煤化工工业基地，其电压主要调节变电站母线电压和电容器投推进行。因 此无功电压优化控制方法的研究，对乌海电业局而言是非常必要的。 随着科学技术的不断发展，乌海电网己实现调度自动化，各变电站已改为 综合自动化，并实现了光纤通信，各变电站的无功、电压以及有载调压开关档 位等数据已全部采集至调度自动化系统。目前电网的无功和电压的控制仍由运 行人员遥控各变电站有载调压开关和电容器开关进行，劳动强度大，不能实现 2 华北电力人学丁程硕十学位论文 无功电压的优化控制。因此，从改善控制策略入手，充分发挥计算机的智能， 利用市级调度自动化系统采集到的实时运行参数，进行无功电压优化计算，根 据计算数据作出无功电压的控制决策，实现以最少的调节次数得到最佳的调节 质量，实行无功电压优化控制是可行的。 1 3 国内外研究的现状 国内外对无功电压优化控制问题作了大量的研究，取得了许多研究成果。 有变电站无功电压自动调节装置( s v a ) ，有基于人工智能技术的各种控制手段。 由于电力系统无功电压控制，作为电力系统自动化的一个重要组成部分，具有 电力系统控制所固有的复杂性、非线性、不精确性以及控制要求实时性强等特 性，使得其中有些方面难以用传统的数学模型和控制方法来描述和实现。于是， 国内外的研究人员开始借助于计算机技术来解决这些难题，推动计算机技术在 电力系统无功电压控制领域的广泛应用。 1 、国外研究的状况 在二十世纪五十年代初期，随着计算机的出现，电网的计算出现了一个新 的阶段，出现了许多电网计算的应用软件，如：潮流计算软件包、稳定计算软 件包、无功优化计算软件包等。这些应用软件的丌发，很大程度上缩短了计算 的时间。 在六十年代，电网调度自动化系统有了突飞猛进的发展，数字式远动设备 开始替代传统的模拟式设备，使电网信息的采集和传输技术在精度、速度、容 量和可靠性上有了一个很大的提高，使调度中心能迅速、正确而经济地得到调 度控制所需的各种电力系统实时数据。 随着计算机技术的发展，计算机和图像显示技术在电力系统调度控制中心 得到广泛的应用，使电力系统的监视和控制的功能大为改观。在开始阶段，计 算机与相应的远动装置及通信设备组成的系统，主要用来完成电力系统运行状 态的监视( 包括信息的采集、处理和显示) 、断路器的遥控操作、自动出力控制、 经济运行以及制表、记录和统计功能，一般称为监视控制和数据收集系统 ( s c a d a ) 。为电网的运行和控制提供了大量的实时数据和历史数据。 于是九十年代，人们开始尝试把电力系统的计算与调度自动化系统提供的 信息有机地结合起来，对电力系统的运行状态进行分析、判断和决策，一般称 为能量管理系统e m s ，在s c a d a 的基础上，增加了高级应用软件，包括潮流计 算、无功优化、负荷预测等。 2 、国内研究的状况 八十年代初，网调成功地实现了调度自动化s c a d a 功能，八十年代术、九 3 华北电力人学工科硕十学何论文 十年代初省调、地调逐步实现了s c a d a 和潮流计算，其中省调实现了e m s 。九 十年代中期县调逐步实现了s c a d 。由于网、省调关心的经济运行主要来自发电 厂出力和大电网运行方式的安排，e m s 重点解决了潮流计算、潮流优化等问题， 而无功电压优化属于市级电力部门的问题，没有重点解决。 1 4 本文的主要工作 电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户电压接近额定值是市级电 网运行的重要任务之一。电压偏移过多，不仅影响用户设备的j 下常工作，对电 力系统本身也有许多不利的影响，电压降低使电网中的功率损耗增加，电压过 低甚至会危及电力系统运行的稳定性。 电网中无功功率和电压有着密切的关系，如果无功功率能就地平衡，就能 降低电压损失，降低电网的有功和无功损耗。为此，本文主要根据乌海电网实 际，对无功和电压优化控制的方法进行研究，主要工作如下； ( 1 ) 对乌海电网中的无功负荷，无功电源和电压调整方法进行分析，论述 乌海电网中无功功率平衡与系统电压水平的关系，指出目前乌海电网中无功电 压控制存在的主要问题。 ( 2 ) 根据乌海电网结构和无功电压的优化控制原则，提出数学模型及解算 方法。 ( 3 ) 研制无功电压优化控制系统，主要为控制系统的目的和功能、系统的 组成、实现方法和计算流程、运行数据的采集与传输、系统软件实现、系统安 全控制和系统的使用情况等。 4 华北电力人学下程硕十学位论文 第二章乌海电网无功电压控制分析与研究 在市级电网中的无功功率的就地平衡和供电电压合格是一个十分重要的问 题，在电网中只要有充足的调压手段和无功补偿设备，无功补偿和电压的控制 一般都可以解决。市级电网正常运行时，一般会出现季节性局部电压偏高和局 部电压偏低的现象，一天中也会出现高峰负荷( 如晚峰) 电压偏低而低谷负荷( 如 后半夜) 电压偏高的现象。电压偏低主要是由于系统负荷较重，加之无功补偿不 足，而导致电压损失偏大：电压过高主要是由于系统负荷较轻，电压损失偏小， 加之无功补偿偏多，不能很好平衡的缘故。 2 1 市级电网中的无功负荷 市级电网中除纯电阻设备外，其它电气设备在运行的每时每刻都在消耗着 无功功率，所消耗的无功功率的大小与它消耗的有功功率有着密切的关系，所 谓功率因数就是指 c 傩矿= p 尸2 + q 2 ( 2 1 ) 式中：c 傩矽一功率因数 p 一有功功率 q 一无功功率 市级电网中的电气设备千千力万，在电网中，输送电能的主变压器、配电 变压器、各电压等级的输、配电线路每时、每刻都在消耗着无功功率；工厂中 的异步电动机、居民家中的家用电器，如电冰箱、空调、r 光灯在运行时也在 消耗着无功功率，以乌海电网为例，2 0 0 7 年7 月2 5 日消耗的无功功率见表2 1 。 表2 1 电网消耗的无功功率表( 单位：m v a r ) 时间 123456789l o1 l1 2 无功 负荷 4 0 33 8 34 0 94 3 63 9 14 5 84 6 64 1 54 3 23 8 83 9 84 1 1 时l 日j 1 31 41 51 6 1 7 1 8 1 92 02 l2 22 32 4 无功 负荷 4 0 94 2 14 3 03 9 54 4 54 3 34 4 54 5 l4 2 84 7 l4 6 43 4 5 因此，市级电网中需要的无功功率仅靠2 2 0 k v 电网供给是远远不够的，需 要装设大量的无功补偿设备。 2 1 1 用户无功功率负荷 在市级电网中，用户的感应负载消耗有功功率的同时消耗着大量的无功功 5 华北电力人学i ：程硕士学位论文 率，造成输变电设备功率因素下降，负荷电流增加，损耗增加，影响供电质量， 一般工业用户感应负载的功率因素见表2 2 。 表2 2 一般工业用户感应负载的功率因数表 功率因数c o s 巾 负载类型 轻载 5 0 满载8 0 1 0 0 感应电动机 0 5 一o 60 7 5 0 8 0 化工设备 o 。6 5 0 7 0o 7 5 0 8 2 冶炼工业 0 5 0 一0 6 0o 7 5 一o 8 5 水泥厂 0 6 5 一o 7 20 7 5 0 8 2 交流焊机 0 0 3 50 4 荧光灯、家用电器 o 6 5 0 7 5 市级电网中的负荷千千万万，各式各样。无功负荷主要为工业负荷，以乌海电 网为例，2 0 0 7 年工业用电量为6 1 1 2 亿千瓦时，占全社会用电量的9 1 5 ，在工业 负荷中，消耗无功功率最多的为异步电动机，异步电动机在电力系统中的负荷( 特 别是无功负荷) 中占的比重很大。图2 一l 为异步电动机等值电路，图中x 。为定子 漏抗，x ：为转子漏抗，尺：为转子电阻，x 。为励磁电抗，s 为转差率。 l j z 图2 1 异步电动机等值电路图 r 2 s 电动机从电网吸收的无功功率为： ，厂2 q = 告+ ，2 ( x i + x 2 ) ( 2 2 ) 一 t ， 、 i7 式( 2 1 ) 中，第一项为励磁无功功率损耗，其数值随电压的升高急剧增加， 第二项为定子和转子绕组漏抗上的无功功率损耗，电压升高时电流下降而使其有所 降低。图2 2 为异步电动机的无功功率一电压静态特性。从图2 2 中可知，在额定 电压工作点附近异步电动机吸收的无功功率是随端电压的降低而明显下降，这是因 为励磁电抗的无功功率消耗占主要部分，但电压下降到一定程度，电压的下降不再 6 华北电力人学一i ：样硕十学位论文 使异步电动机吸收的无功功率下降，反而使其有所增加，这是因为此时漏电抗的无 功功率消耗占了主要部分，而磁路已经不饱和，励磁电抗上无功功率损耗的降低已 没有以前显著。 q u 图2 2异步电动机的无功功率一电压静态特性 2 1 2 电网中的无功功率负荷 电网中的无功功率负荷主要为变压器中的无功功率损耗和输电线路中的无功 损耗。 1 、变压器中的无功功率损耗 变压器的等值电路图如图2 3 所示，它的无功功率损耗分两部分，即励磁支路 u 图2 3 变压器等值电路 损耗和绕组漏抗中的损耗，即： 驴篙即筹( 鲁) 2 浯3 ， 其中励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流以，。的百分值，约为1 一2 7 华北电力人学j i ：程硕士学位论文 绕组漏抗中损耗的百分值，在变压器满载时，基本上等于短路电压u r 的百分值， 约为1 0 。对一台变压器或一级变压的网络而言，变压器的无功功率损耗并不大， 满载时约为它额定容量的百分之几。但对多级电压网而言，变压器的无功损耗就相 当可观。以一个五级变压网络为例，设电厂中1 6 5 5 0 0 k v 升压，网络中的5 0 0 2 2 0 、3 5 1 0 、1 0 0 4 k v 降压至用户，典型计算结果见表2 3 。由此可见，系统中 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 3 五级变压网计算结果 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 7 7 变压器绕组漏抗损耗 5 0 1 2 5 变压器中总损耗 5 7 1 9 5 变压器损耗变压器负载 5 7 1 0 01 9 5 5 0 2 、输电线路中的无功损耗 输电线路串联电抗中的无功功率损耗鱿与所通过的电流平方成正比即 盼警小等x ( 2 - 4 ) 线路电容的充电功率与电压平方成正比，即 鳊= 一等( u 2 + u 2 2 ) ( 2 5 ) 线路的无功总损耗为 妒鱿+ 绋= 等x 一罢( 竹昀 ( 2 _ 6 ) 一般3 5 k v 及以下的架空线路充电功率甚小，都是消耗无功功率的。l l o k v 及以 上线路传输功率较大时，电抗中消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率，线 路为无功负载，当线路传输的功率较小时，电纳中产生的无功功率除了抵偿电抗中 的损耗以外还有多余，这时线路就成为无功电源。 2 2 市级电网中的无功电源 以乌海电网为例，电网中的无功电源主要为( 1 ) 由2 2 0 k v 电网提供；( 2 ) 由电 网内的无功补偿装置提供。 2 2 1 市级电网内的无功补偿装置 市级电网内的无功补偿装置主要为静电电容器组。静电电容器组可以三角形接 华北电力人学一r ：程硕士学位论文 法或星形接法并接到变电站的母线上，它发出的感性无功功率q r 的值与所在的节 点电压u 的平方成f 比，即： rr 2 p r 、= ! = 国c u 2 = 2 彬c 厂2 ( 2 7 ) 爿c 。 式中：x r 一电容器的容抗，x r = 1 葩。静电电容器组容量可大可小，而且 既可集中使用，又可分散装设就地供应无功功率，以降低网络的电能损耗，电容器 每单位容量投资较小，与其它无功补偿装置相比，在投资上存在着数量级的差别。 其运行时有功损耗只有额定容量的o 3 一0 5 。为了能在运行中调节电容器输出 的无功功率，可将电容器分成若干组，根据负荷变化分组投入或切除，也可以由监 控中心根据系统无功功率平衡的需要，发出遥控指令予以投切。静电电容器价格便 宜，安装简单，维护方便，因而在市级电网中广泛地应用。 2 2 2 市级电网无功补偿装置分布情况 1 、用户端无功补偿装置 国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则第二十七条规定：电力用户 应根据其负荷特点，合理配置无功补偿装黄，并达到以下要求： 1 0 0 k v a 及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数 不宜低于0 9 5 ；其他电力用户，功率因数不宜低于0 9 0 。根据此规定，目前乌海 电网用户端无功补偿电容器容量为3 3 1 6 7 9 m v a r 。 用户端无功补偿装置利用断路器投切电容器，补偿方式可以根据实际需要采用 共补和分相补偿相结合的方式，以实现最优的无功补偿。 2 、装设在电网上的无功补偿装置 ( 1 ) 装设在1 0 k v 配电线路上的无功补偿装置。 装设在1 0 k v 线路上的无功补偿装置分为两种。一种是固定补偿，即在1 0 k v 线 路负荷比较集中的区域，根据该处消耗无功功率的最小值，装设电容器，该电容器 一般不投退，线路运行时，即发出无功功率，进行补偿。另一种为自动投切的无功 补偿装置。该装置具有编程功能，可以通过计算机根据软件中菜单的提示自行设定 工作模式，并通过r s 2 3 2 通讯口与控制器实现双向数据交换，对真空负荷开关下达 分、合闸指令，对电容器实行自动控制，并对数据进行记录，对电容器实现自动保 护。 ( 2 ) 装设在变电站母线上的无功补偿装置 国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则第二十一条规定：3 5 k v 一 1 1 0 k v 变电站的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧 的无功补偿。容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的1 0 3 0 配置，并满足 3 5 k v 1 1 0 k v 主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于o 9 5 。根据此规定， 日 华北电力大学l ：程硕十学位论文 乌海电网目f ； 装设了3 1 8 4m v a r 补偿电容器，其配置如表2 4 ，装设在变电站每 一组电容器都由开关控制，操作这些开关就可以投切该组电容器。 表2 4 乌海电网内目前变电站安装的电容器统计表单位( m v a r ) 西 新站顺 伊黄宝 五 卧 祥 海 乌达地变 来 名达和河山福 龙 和站地 冈 峰 容 量 93 23 03 03 61 81 81 21 7 22 3 62 l4 2 巴 站大哈乌 甘骆 明永 立 河拐拉僧日 名 桥 站 址德驼 珠 安 陶子庙 尔山 亥 容 j 邑 1 22 04 84 266661 21 2 里 2 3 市级电网无功功率平衡与系统电压水平 2 3 1 无功功率平衡 无功功率平衡是指电网运行的每一时刻，所有无功电源发出的无功功率都要等 于所有用户负荷消耗的无功功率和系统中无功功率损耗之和。市级电网中无功功 率，大致上一半是供给负荷的，而另一半是补偿线路、变压器中的无功功率损耗的。 市级电网中的无功功率平衡关系与有功功率相似，即 如= 鱿+ q ( 2 8 ) 式中：艮一电源供应的无功功率，含2 2 0 k v 电网供给和市级电网内无功 补偿装置发出的无功功率： q ，一负荷消耗的无功功率： q ，一电网中的无功功率损耗。 2 3 2 功率传输与电压损失 当线路传输功率时，电流将在线路阻抗上产生电压损失，图2 5 为不考虑电容 影响的输电线路等值电路和相量图。 u 1 r + j x u 2 卜一 七j q 2 ( a ) 等值电路 l o 华北电力人学i ：样硕十学位论文 ( b ) 相量图 图2 4 输电线路等值电路和相量图 由图2 4 ，可知 u l u 2 = du = 3 ，( 尺+ ，r ) ( 2 9 ) 为线路上的电压降落，取d u 在u ：方向上的投影u 及u ：垂直方向上的投影 彬，分别为电压降落的纵分量及横分量。从相量图上可知： u = 3 ，( 尺c o s 妒+ xs i n 妒) ( 2 一l o ) 6 【，= 3 j ( x c o s 缈一r s i n 缈) ( 2 一l1 ) ： l( 2 1 2 ) 、3 u 2 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) ，则可得 u ：墨墨鱼墨( 2 1 3 ) u 2 硼：墨堑鱼墨( 2 1 4 ) u 2 以【，z 作为坐标参考时 u l = u 2 + u + 触 u ：厄再面河丽万 一般矽。和衫：问的相角差比较小， 把电压降落纵分量近似看作电压损耗， ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 可以考虑电压降落横分量时电压损耗影响， 即 华北电力大学t 程硕十学位论文 u 咀+ 等等 ( 2 1 7 ) u ：u 一u ，：墨窒鱼茎 ( 2 1 8 ) 1 u 2 一般来说，q 比p 在数值上略小一些，当c o s 缈= o 8 时，p q = 8 6 ，对于高压 电网x 往往大于尺许多，例如一般x = 0 4 欧公罩，而尺可能仅仅是x 的五分 之一甚至十分之一。所以输电线路上的电压损失u 主要的第二部分q 2 u ：造成 的，由线路上传输的无功功率越大，则线路末端的电压就越低，而线路首端电压u ， 又不可能太高，不足以弥补线路上的电压损失。在变压器传输率的过程中，由于变 压器等值电路中串联电抗数值也要比电阻大得多，无功功率消耗也是造成电压损耗 的主要原因。 从以上分析可见，在电网线路、变压器上产生的电压损耗与以下因素有关： ( 1 ) 电网元件的参数有关，因为在电网各点由于电压损耗不同，所以它们实际 的运行电压或电压偏差是不同的； ( 2 ) 决定于线路或变压器传输的功率，由于传输功率随时间不断变化，因此即 使在电网的同一节点上，它的电压损耗或电压偏差也随时间不断变化； ( 3 ) 假如负荷所需的无功功率和电网损耗的无功功率由本地产生，线路和变压 器上少传输无功功率，则电压损失就可以大为减少，这是可以做到的，具体的办法 就是就地安装无功补偿装置，使无功功率就地平衡。 2 3 3 无功功率与电压的关系 我们用一台等值发电机来代表系统中的一组发电机，并经一段线路向负荷供 电，当略去电阻时，电源点到负荷点之间的总阻抗为x ，等值电路图如图2 5 ( a ) 所示，图2 5 ( b ) 画出了各参数问的相量关系。 ( a ) 等值电路 1 2 华北电力人学j 川犁硕十学位论文 q e ( b ) 相量图 图2 5 无功功率与电压关系解释 从相量图中可以找出以下关系： e s i n 6 = c o s 口 舾伊= 争万 e c o s 万一u = s i n 口 ，s i n 汐：鱼c o s 万一旦 爿义 于是有： 尸：c o s 汐：坐s i n 万 爿 q = 一擎刚一警 现在从q 的表达式中消去c o s 够，则有 尸2 = ( 等) 2s i n 2 万= ( 半) 2 一( 等) 2 c 毋万 ( 盼莳万= 型c o s 万：c o s d2 x q = 譬c o s 万一警= 【，2 x 1 3 c o 西 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 华北电力人学 ：程硕十学位论文 这就得到了无功功率和电压的关系式q = 厂u ) 如图2 6 所示，为了使问题简化，假设有功功率p 保持不变。负荷的主要成份 是异步电动机，这是负荷的无功一电压曲线为图2 6 的曲线2 。当负荷本身没有变化 时，电压降低会使负荷所吸取的无功功率随之减小。曲线1 、2 的交点a 就决定了 负荷节点的电压值u 。，系统在此电压下达到了无功功率的平衡。 当负荷增加时( 为减化分析仍设p 不变) ，其无功一电压特性抬高为曲线2 ，若 等值发电机励磁电流不变，则电势e 也不变，电源的无功电压特性仍为曲线l ，则 两者相定交于a ，这时负荷点的电压降低为【，。以后新的无功平衡点，此时u 。 q 。，由于负荷点的电压下降，负荷吸取的无功也相应减少，同时发电 机无功出力又增大一些，无功功率供需双方达成了一个折衷的平衡。这说明系统负 荷增加后，系统的无功电源若不能满足负荷在原额定电压u 。下的无功需要，只好 降压运行，以求得较低电压下的无功平衡。 此时如果系统的无功备用比较充足，可以投入无功补偿装置或发电机增发无 功，满足负荷在较高电压水平下的无功需要，系统电压就会有较高的运行水平，如 q c q - - q 鱼 q u 图2 6 负荷的无功电压曲线 果刚刚讨论的情形中，调整发电机励磁电流到某一适当值，使电势正增加，则发电 机的q = 厂妙) 曲线就可以上移为l ，恰好与曲线2 交于c 点，仍然对应于原来的 额定电压u ，显然这时的无功功率平衡值增大为绋。从以上分析可知，要想维护 负荷的电压水平，就必须供给相当于该电压水平的无功功率。从根本上说，要维持 市级电网的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足市级电网负荷对无功功率的 需求和补偿无功功率的损耗。如果系统无功电源不足，就会使市级电网处于低水平 上的无功功率平衡。即靠降电压运行，使负荷吸收无功功率减少来弥补无功电源的 不是。同样如果电网缺乏调节手段使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的 1 4 华北电力人学j i ：稃硕十学位论文 运行电压过高。 我国电网曾在2 0 世纪7 0 年代由于缺乏无功补偿设备而长期处于低电夺运行状 态。有些地区利用调整变压器分接头的办法来解决本地区电压水平低的问题，这种 办法有一些效果，某些供电点的电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因 为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处的无功功率更 少、电压更低。因此，如果各地都采用这种方法调节电压，不仅不会提高负荷的供 电电压，反而会造成一次电压降低、无功损耗增大，使整个系统电压问题更加严重。 后来，我国各个电网都投入了大量的并联电容器，增加无功电源，才使低电压运行 的状况得到根本的改善。 2 4 市级电网的电压调整 2 4 1 变电站母线的电压管理 为了保证电能质量，各负荷点的电压都应当保持在允许的电压偏移范围之内， 即市级电网在不同的运行方式下，都必须采用各种调压手段和方法，使用户电压偏 差符合标准。但由于市级电网结构比较复杂，负荷点数量较多且分布较广，对每个 负荷点的电压都进行控制和调整，既无可能，也无必要。市级电网的电压监视和调 整主要通过对变电站母线电压的监视和调整来实现。控制了这些母线的电压偏差， 也就控制了市级电网中大部分负荷的电压偏差，使电压不超过一个合理的用户可以 接受的范围。对变电站母线电压控制可以分为三种方式： 1 、逆调压。在高峰负荷时升高变电站母线电压，例如将变电站母线电压调整 升高为比线路的额定电压高5 ，而在低谷负荷时，将变电站母线电压调整下降为 线路的额定电压，这种调压方法称为逆调压。当高峰负荷时，由于变电站母线到各 负荷点的线路电压损耗大，变电站母线电压的升高就可以补偿线路上较大的电压损 失，从而使负荷点的电压不致过低；当低谷负荷时，由于变电站母线到各负荷点的 线路电压损耗减少，将变电站母线电压适当降低，就不会使负荷点的电压过高。这 样，在其它大部分时问里，负荷点的电压都会符合要求。因此，有条件的电网均应 采用逆调压方式。 2 、顺调压。在高峰负荷时，允许变电站母线电压低一些( 但不得低于线路额 定电压的1 0 2 5 ) ；在低谷负荷时允许变电站母线电压高一些 c 。，贝l jc 1 = c 。， ( 3 2 7 ) c c 胁，则c j c 咖( 3 2 8 ) 根据c = q d ( a 、b 分别是q d 越限与未越限的集合) ，如果q d 。越限，则 i = l 既l 如，( q 所是越限值，f 彳) ，把c = c 一q ，( f 彳) 在未越限的q ，7 ( f b ) j = l 中重新分配，q d = 线毒c 线，检查线7 是否越限，越限继续处理，直到 扭l 所有q ，都满足条件。 对于并列运行的三绕组变压器，如果只要求中压侧电压合格，方法同双绕组变 压器，如果要求中低压侧电压合格，方法同双绕组变压器，如果要求中低压侧电压 合格，按中压侧电压求补偿容量的大小，补偿容量的约束条件按中低压侧选取，方 法同双绕组变压器。 3 2 无功潮流优化的模型及解算方法 为了保证供电质量和设备安全，变电站的运行变量如母线电压、无功补偿容量， 以及有载分接开关档位不能超某个定值。 3 2 1 最小目标函数 在满足约束条件的情况下，用投切补偿电容器及调节有载分接开关档位来达到 电网运行网损最小的无功配置方案。 若电网总的节点数为n ，则其网损为 畸= 【，u g ，c o s q ( 3 2 9 ) 一 i = l = l 式中：【厂，【，一节点i 和j 的电压； g 。一节点i 和j 之间的电导； 华北电力人学 ：程硕十学位论文 p ，一u ，u ，的相角差。 为了便于线性规划求解，对式( 3 2 9 ) 中在运行点邻域进行线性化，并写成网 损为无功补偿容量以及有载分接开关档位的函数表达式 z 毁= 喜薏岛等m 浯3 。， 式中：k 一无功补偿节点数； m 。一有载分接调压变压器台数； 线一节点j 的补偿电容增量； z ；一i 号载分接调压变压器分接开关档位增量。 3 2 2 被控量与控制量的约束方程 在无功潮流优化过程中，要乓 以最小是有条件的，即需要满足约束条 件。 1 、被控量约束条件 以电网中各母线( 节点) 电压的允许偏移范围以及变压器允许无功为约束条件， 其表达式为： 玑哪u 一( i = 1 ，2 ，n ) ( 3 3 0 ) q 咖g g ，吣( j = l ，2 ，m ) ( 3 3 1 ) 式中：f 一节点号； ，一支路号； 甩，聊一分别为节点数和支路数； 【，岫，、u 一厂分别为i 节点允许电压的下限和上限； g 岫，、g 一厂分别为j 支路无功潮流的下限和上限。 上式约束写成增量形式为 u “u 一 g 咖g ，g 咖 2 、控制量约束条件 ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) 对于市级电网，各节点可投切补偿电容器和变压器有载分接开关的调节范围必 须满足 伤晌乌岛一 ( 3 3 4 ) 耐“吣 ( 3 3 5 ) 华北电力人学i ：程硕十学位论文 写成增量形式为 既m m 线线 ( 3 3 6 ) 叫“。m 1 ( 3 3 7 ) 式中：q 而“。、q 懈c 一分别为电网j 节点配置的无功补偿容量的下限和上限； ，r 一第k 台变压器分接头； f 训。、f 一。一第k 台变压器分接头调节的下限和上限。 3 2 3 综合灵敏度矩阵 已确定以电网的节点电压和支路无功潮流为被控量，各节点配置的无功补偿容 量和变压器分接开关为控制量，还需要确定各节点被控量和控制量之间的一一对应 关系。这种被控量和控制量之间的定量对应关系往往是通过灵敏度矩阵来得到的， 灵敏度矩阵取决于电网的结构。 在电网中i 节点注入无功功率g 的极坐标形式可用下式表示 q = u u ( 岛s i n 岛一吃c o s 巳) ( 3 3 8 ) 式中：u ，【，一节点i 和j 的电压； g 。一节点i 和j 之间的电导： 吼一u ，u ，之间的相角差。 由式( 3 3 8 ) 节点在状态( u o ，吼) 领域内的无功增量方程 q = 芸c 参嵋十爹吲k 矿善篑蚍引 仔3 9 ， ( i 、j = 1 ，2 n 一1 ：k = 1 ，2 m t ) 式中：q f i 节点的无功增量； u ；，目，一分别为j 点电压和无功相角差的增量； 厶一第k 台有载调压分接变压器分接头位移量； n 一平衡节点。 在电网计算中，针对某以负荷水平时，可认为 署嵋殄磬嘭始终成氩 所以式( 3 3 9 ) 可改写如下 皑薯暑州剐+ 鬈篑她k ， 仔4 。， 2 7 华北电力人学工科硕十学位论文 即q = 厶u + r 丁 非如= 吼洲，柏岫圳， ( 3 4 1 ) 扣胤溉，觥阵， q 、【，分( n 一1 ) 维列相量，丁为m k ( n 一1 ) 维列相量。 由式( 3 4 1 ) 可写出被控量电压增量【厂和控制量u 及丁的函数关系式 u = k 一如叫，r 会； c 3 4 2 ， 同理，根据支路无功潮流方程写出在状念( ，岛) 附近的增量方程 地芸参吼溉，+ 善善似h ， 即g = 日c ，u + 日7 r 热巩= 嘲，叫孔 ( 3 4 3 ) ( 3 4 4 ) q 为m 维列相量、u 为( n 一1 ) 维列相量，r 为m k ( n 1 ) 维列相量。 g = h u p q 一，q 。1 ，r 会；l + r r = b u 厶。1 r 日u ，q 一，r 会；l 把式( 3 4 2 ) 和( 3 4 5 ) 合并可得 阱 荔羞_ 鞠 【- gj 1 日u 屯一日r 一日u 厶。1 厶i 【丁j 或 阱酬陶 ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) ( 3 4