（电气工程专业论文）包头电网无功优化配置研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包头电网无功优化配置研究，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：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：篷! 垡，盟：蹿 咱一盟 碑 垃学 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 无功优化配置的意义 近年来，随着电网容量的不断增加，电网对无功的要求也与日俱增。无功电源 和有功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网损以及安全运行所 不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则将会使系统电压下降，严 重时会导致设备损坏、系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备 得不到充分利用，将促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络无功优 化问题，对保证电力系统电能质量，对网络降损节能有着极为重要的意义。 2 0 0 5 到2 0 0 7 年包头地区电网网络和负荷将有很大的发展，在这种情况下，必 须考虑新设无功补偿点和容量。因此，根据电网和负荷发展的情况，超前对包头地 区电网进行无功的优化分析及电容器补偿规划，以实现电网的安全经济运行，进一 步提高电压质量，从而降低网损，带来可观的经济效益。可见，对包头电网的无功 优化配置进行研究是一项非常重要而迫切的任务。 1 2 包头电网无功配置及运行现状 包头市是内蒙古自治区最大的工业城市，总人口已达到了2 4 0 多万，2 0 0 3 年全 社会用电量达到了9 4 2 9 亿k w h ，地区最大负荷达到了1 1 4 万k w 。包头供电局管 辖的供电网络覆盖着包头市周围近4 万平方公里的区域，2 2 0 k v 输电线路连接着达 旗电厂、乌海电厂、乌拉山电厂、包头一电厂、包头二电厂以及呼市、鄂尔多斯市、 巴盟电网，管辖的变电站共3 6 座，送电线路1 5 4 8 公里，配电线路8 4 6 公里，各类 用户近3 1 万户。 l 、包头地区电源情况 包头地区总装机详见表卜1 ，总计8 7 3 m w 容量中，有2 0 0 m w ( 即二电厂的7 # 、8 # 机) 联于2 2 0 k v 电网，其它均联于1 l o k v 电网，该电源主要供包头地区负荷。 表卜1 包头地区主要电源设备表 发电厂出力发电机台数升压变容量构成升压站容量和 发电厂名 ( m w )( 台)( m v a )( m v a ) 包二电厂4 2 5 82 1 2 0 + 3 3 1 5 + 3 * 6 05 1 4 5 包三电厂 2 422 1 63 2 包一电厂 4 2 463 1 2 0 + 3 * 5 05 1 0 合计8 7 31 61 0 5 6 5 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、各电压等级的变电设备规模 包头供电局2 0 0 3 年各电压等级的变电设备规模如表卜2 所示 表2 - 2 各电压等级变电设备规模 电压等级( k v )主变容量( m v a )主变台数( 台)线路条数( 条) 2 2 09 6 081 5 1 1 0 1 4 3 14 75 7 3 53 569 合计 2 4 2 66 1b l 3 、线路长度和截面分布 包头2 2 0 k v 电压等级的线路截面主要有2 4 0 、3 0 0 、4 0 0 m m 2 三种形式，总长度约 5 0 0 k m ( 包括包头与主网的联络线) ，其中导线截面为4 0 0 m m 2 的2 2 0 k v 线路长度约占 2 2 0 k v 线路总长度的8 5 。 包头地区i l o k v 电网的线路总长度约1 0 0 0 k m ，导线截面的分布从7 0 “4 0 0 m m 2 ， 其中1 2 0m m 2 的导线占1 l o k v 线路总长度的3 8 4 4 ，2 4 0m m 2 的导线占1 1 0 k v 线路总 长度的3 4 3 5 ，两者约占l l o k v 线路总长度的7 2 8 。 4 、无功配置情况 包头地区电网按电压层次配备的无功情况如表i - 3 所示。 表3 - 3 包头电网现有无功配置情况表 统计2 2 0 k v 网1 1 0 k v 网3 5 k v 网l o k v 母线 发电机额定无功( m v a r ) 1 2 43 9 40o 发电机可用无功( m v a r ) 1 2 41 2 700 ( 5 8 8 9 + 4 2 6 ) = 1 0 1 补偿无功( m v a r ) o00 4 9 线路充电无功( m v a r ) 6 63 40o 基本方式无功负荷( m v a r ) 3 01 6 53 88 7 ( 投入5 8 8 9 后) 基本方式有功负荷( m w ) 1 3 0 8 54 0 3 2 2 38 8 7 6 2 1 0 4 2 注：1 、( 5 8 8 9 + 4 2 6 ) m v a r 中前一位数表示已投入运行的，后一位数表示计划安装的： 2 、2 2 0 k v 线路充电功率按每百公里1 3 2 m v a r 估算，1 l o k v 线路充电功率按每百公 里3 3 m v a r 估算。 从表卜3 看出，包头地区的无功电源有四项： 1 包头二厂的7 # 、8 # 机( 接2 2 0 k v 系统) 的无功出力，为2 1 0 0 0 6 2 = 1 2 4 m v a r ； 2 华北电力大学工程硕士学位论文 2 接入到1 l o k v 系统上的包头一厂、二厂的6 3 7 m w 机组的无功出力，为6 3 7 x 0 6 2 = 3 9 4 9 4 m v a r ，这部分出力受1 l o k v 电网的限制，其中只有约1 3 的无功可以 参与平衡； 3 2 2 0 k v 和1 1 0 k v 线路的充电功率之和约1 0 0 m v a r ； 4 1 0 k v 母线上的补偿无功，已有的和计划的容量共计为1 0 1 4 9 m v a r 。 以上四项无功电源总和大约在4 5 0 m v a r 左右，从表中可以看出无功负荷的总计 大约在3 2 0 m v a r 左右，线路的电抗损耗大约为l o o m v a r ，变压器的电抗损耗大约为 l o o m v a r ，这两项损耗在运行方式变化时略有变化。 由此可见，包头地区电网无功自身难以平衡，缺额需邻网注入。通过2 0 0 3 年 基本潮流方式的计算，对包头地区电网的电压水平和有功及无功进行了分析，2 0 0 3 年潮流计算结果表明，大量无功从2 2 0 k v 网向各电压等级电网传输，电网网损较为 严重，且有电压越限点，威胁着电网的安全、经济运行，这是包头电网目前运行现 状。 1 3 论文的主要工作内容 本论文的目的是研究包头地区电网无功配置不足的问题，在现有网架结构及负 荷水平的基础上，通过计算和分析，确定包头地区高压电网无功优化配置方案，主 要工作有以下几项： 1 、确定2 0 0 3 年的计算条件。 2 、对包头地区电网进行分区与分层处理。 3 、确定各类控制条件。 4 、用电力系统分析综合程序( 简称p s a s p ) 进行潮流计算，确定实际投入 和计划投入的无功配置是否合理，决定是否需要新增无功容量，以及具体的配置地 点，形成包头地区电网无功优化配置方案。 潮流计算包括以下几个方面： 、行潮流计算，并对计算结果进行分析。 、进行无功设备补偿地点和分组容量的计算分析。 、对补偿容量进行效果分析。 、研究无功补偿容量与网损及电压的关系。 5 、对包头地区电网无功设备优化配置方案进行经济分析，得出结论和相关建 议。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章计算的目的、思路和条件 2 1 计算目的 1 、发现现无功配置的问题。 2 、分析产生问题的原因。 3 、提出解决问题的方案。 2 2 基本思路 1 、根据电力系统电压和无功电力技术导则( 试行) s d 3 2 5 8 9 ( 以下简称无 功导则) 的要求，分析包头电网的无功现状，找出存在的问题。 2 、根据无功分区( 即地区) 分层( 即电压等级) 的原则，确定各区各层的无功平 衡总量。 3 、细化各区各层的无功负荷及无功补偿配置，以及各层无功补偿的一般规律。 4 、确定无功设备单组容量和组数，投入后节点的电压变化不大于2 0 考虑。 5 、按新平衡方案计算电网的潮流。 2 3 导则有关章节节录 电力系统电压和无功电力技术导则( 试行) s d3 2 5 8 9 。本导则属部颁标准， 是电力规划、设计、运行中应遵守的准则。其中： i 2 电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件。有效的电 压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且提高了电力系统运行的稳定 性和安全性，充分发挥了经济效益。 3 2 电力系统的无功电源与无功负荷，在高峰或低谷时都应采用分( 电压) 层和 分( 供电) 区基本平衡的原则进行配置和运行，并应具有灵活的无功电力调节能力与 检修备用。 5 72 2 0 k v 及以下电压等级的变电站中，应根据需要配置无功补偿设备，其容 量可按主变容量的0 i 0 3 倍确定。在主变压器最大容量时，其二次侧的功率因数 不小于表2 1 中所列数值，或者由电网供给的无功功率与有功功率比值不大于表 2 1 中所列数值。 表2 - i2 2 0 k v 及以下变电所二次侧功率因数规定值 i电压等级( k v )2 2 03 5 l l o i功率因数o 9 5 1o 9 1 无功功率有功功率 o o 3 3o 0 4 8 4 华北电力大学工程硕士学位论文 注：1 ) 由发电厂直接供电的变电所，其供电线路较短时，功率因数可取表2 1 中较低值。 其它变电所的功率因数应取较高值。 2 ) 技术经济比较合理时，功率因数可高于表2 - 1 中上限值。 2 4 计算条件 2 4 1 分区与分层 由2 0 0 3 年度全网潮流计算数据及初步计算结果( p s a s p 格式数据) 可看出，该数据所 反映的是包头电网目前的实际情况，将该数据作为本次计算的依据。为了便于分析计算 结果，将包头提供的全网数据做如下分区处理，将原计算网络分为包头电网、达旗2 2 0 k v 母线、呼东郊2 2 0 k v 母线、乌拉山2 2 0 k v 母线。包头电网与蒙西电网的连接情况如图2 - 1 所示。 乌拉 图2 - i 电网分区图 然后将包头电网按电压等级分为发电厂、2 2 0 k v 网、1 l o k v 网、3 5 k v 网、l o k v 母线、6 k v 母线等6 部分。分区分层编号及内容见下表： 区域 区域名称所含内容 总出力总负荷 编号( m w )( m ) 0一电厂二电厂包头地区发电机5 4 1 3 06 5 o o 2 2 0 k v 网络及主变( 含l o k v 母 12 2 0 k v 网络01 3 0 8 5 线) 2 1 l o k v 网络1 l o k v 网络及主变 o4 0 3 2 2 33 5 k v 网络3 5 k v 网络及主变0 8 8 7 6 4 l o k v 母线l o k v 母线 02 1 0 4 2 56 k v 母线6 k v 母线o1 1 9 8 6 达旗2 2 0 k v 母线达旗电厂2 2 0 k v 母线 5 0 0 8 6o 呼东郊2 2 0 k v 母 7呼东郊2 2 0 k v 母线1 1 3 7 5o 线 乌拉山2 2 0 k v 母 8乌拉山2 2 0 k v 母线o2 1 8 1 4 线 包头电网总计 5 4 1 3 09 l o 2 3 计算全网 1 1 5 5 9 l1 1 2 8 3 7 5 华北电力大学工程硕士学位论文 2 4 2 控制条件 1 、电压控制 电压控制值由综合程序母线数据文件中综合统计而出，一般情况下不允许改 变。综合统计时控制条件基本不变，但作了如下处理：凡变压器中性点的电压控制 值放大，即表示不与控制。各电压等级的控制值归纳如下： 2 2 0 k v 级母线，发电厂端为2 4 2 “2 1 6 k v ，变电站为2 3 5 2 1 2 k v ； 1 l o k v 级母线，大多为1 1 8 1 0 6 k v ，最高为1 2 4 k v ，最低为1 0 4 k v ： 3 5 k v 级母线，多为3 7 5 3 5 k v 或3 8 “3 5 k v ，个别高到4 0 k v ，低到3 4 k v ； l o k v 级母线，多为1 0 7 l o k v ，小部分高到1 1 5 k v ，低到9 8 5 k v 。 2 、平衡节点和p v 点的设置 达旗2 2 0 k v 母为平衡节点，呼东郊2 2 0 k v 母线及乌拉山2 2 0 k v 母线为p v 节点， 包头一、二电厂各台发电机机端为p v 节点，包头发电机机端的给定电压可在控制 值之内变动。 3 、联络节点和负荷节点均为p q 节点 负荷节点中，原来设置为p v 节点的负荷值，改为p q 节点后，p 值不变，q 值 按原始值给定；无原始值的，按包头电网的自然平均力率o 8 7 给定。 2 4 3 基础数据 取2 0 0 3 年度包头电网综合分析程序( p s a s p ) 计算数据，按该数据文件整理的各 数据表，详见附录1 。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章计算内容和结果分析 在进行无功研究时，将基本潮流数据作为研究的基本方式，该方式反映的是包 头电网目前的实际情况。以这个基本方式数据为基础，分析包头电网无功现状存在 的问题。 3 1 基本方式计算分析 基本方式是以基本潮流数据文件( p s a s p ) 为基础，再按控制条件稍加修改后的 潮流结果( 详见附录) ，该方式下包头地区供电负荷的计算值为 9 1 0 2 3 3 m w + j 3 6 1 5 0 6 m v a r ，其中1 1 0 k v 直供负荷为4 0 3 2 2 3 m w + j 1 6 5 7 8 m v a r ，直供 约占全部负荷的4 4 4 6 。该方式下包头地区一、二电厂开机7 3 7 m w ，实际出力 5 4 1 3 m w + j 3 0 5 3 6 4 m v a r ，送2 2 0 k v 网为1 4 9 5 9 9 m w + j 1 3 4 1 0 3 m v a r ，送1 1 0 k v 网为 3 2 5 1 5 9 m w + j 9 9 0 7 9 m v a r ，计算结果的分区分层潮流图见图3 一l 示。 基本方式包头无功配置计算分块潮流圈 图3 - 1 基本方式分区分层潮流图 7 华北电力大学工程硕士学位论文 包头电网的有功缺额由达旗电厂送入4 9 3 1 3 7 m w + j 1 3 7 3 5 8 m v a r ，由呼市送入 1 1 2 7 m w + j 1 7 ，8 9 3 m v a r ，同时由包头2 2 0 k v 网向乌拉山送出2 1 8 1 4 m w j 9 8 3 6 m v a r 。 基本方式的结果综述报表见表3 - 1 示。 表3 - 1 基本方式结果综述报表 区域总有功总无功发电总有功总无功负荷总有功总无功 区域名 号发电发电c o s 巾负荷负荷g o s 夺损耗损耗 一厂二厂05 4 1 3 03 0 5 3 60 8 7 16 5 0 03 6 8 4o 8 71 3 63 6 0 3 2 2 0 k v 网络1ooo1 3 0 8 52 9 0 40 9 7 65 1 54 8 5 9 1 l o k v 网络2o004 0 3 2 2 1 6 5 7 8d 9 2 55 4 39 1 4 3 5 k v 网络3o008 8 7 63 7 ，9 7 0 9 1 90 3 20 9 8 l o k v 母线4o0o2 1 0 4 28 7 0 5 0 9 2 400 6 k v 母线500o1 1 9 84 8 30 9 2 700 达旗2 2 0 k v 母线 65 0 0 8 6 1 6 2 3 90 9 5 l0oo7 7 32 5 0 3 呼东郊2 2 0 k v 母线 7“3 7 5- 8 7 00 9 9 70o01 0 5- 2 6 5 9 乌拉山2 2 0 k v 母线 800o2 1 81 49 8 40 9 9 96 5 21 4 2 6 包头地区总计 5 4 1 3 03 0 5 3 6d 8 7 19 1 0 2 33 6 1 5 19 9 2 9 计算全网1 1 5 5 9 14 5 9 0 5d 9 2 91 1 2 8 3 73 5 1 6 70 9 5 52 7 5 51 0 7 4 4 各层无功电力平衡如表3 - 2 示。 表3 - 2 包头电网基本方式计算无功配置情况表 1 l o k v3 s k y 统计2 2 0 k v 网1 0 k v 母线6 k v 母线 网网 发电机注入无功( m v a r ) 1 4 5 3 11 2 3 2 6000 补偿无功( m v a r ) 00o5 8 8 9 + 4 2 。6 0o 线路充电无功( m v a r ) 1 9 3 7 + 6 0 6 42 3 6 20 0 40o 主网或邻网注入( m v a r ) 1 6 3 5 22 0 6 7 94 3 3 68 2 6 5 + 4 4 04 8 3 4 3 3 6 + 向下一级电网流出 2 0 6 7 98 2 6 5 +4 4oo ( m v a r ) 4 8 3 线路电抗无功损耗 9 3 7 51 3 0 3o 4 7o0 ( m v a r ) 变压器电抗无功损耗 5 8 7 74 3 9 30 5 500 ( m v a r ) ， 基本方式无功负荷 2 9 0 41 6 5 7 83 7 9 78 7 0 54 8 3 ( m v a r ) 基本方式有功负荷( m i v ) 1 3 0 8 54 0 3 2 28 8 7 62 1 0 4 21 1 9 8 注：1 ( 5 8 8 9 + 4 2 6 0 ) m v a r 中5 8 8 9 m v a r 表示己投入运行的并联电容，4 2 6 0 m v a r 表示计划安装的并联电容； 2 2 2 0 k v 网中线路充电功率1 9 3 7 + 6 0 6 4 m v a r 中，1 9 3 7 m v a r 为包头区内2 2 0 k v 线路的充电功率，6 0 6 4 m v a r 为邻网2 2 0 k v 联络线路的充电功率之和； 8 华北电力大学工程硕士学位论文 3 8 2 6 5 + 4 4 0 m v a r 中8 2 6 5 m v a r 表示1 1 0k v 网络流入的无功，4 4 0 m v a r 表 示3 5k v 网流入的无功； 4 4 3 3 6 + 8 2 6 5 + 4 8 3 m v a r 中4 3 3 6 m v a r 表示1 1 0 k v 网向3 5 k v 网流出的无功， 8 2 6 5 m v a r 表示1 l o k v 网向l o k v 母线流出的无功，4 8 3 m v a r 表示l l o k v 网向6 k v 母线流出的无功。 从上述结果可看出，电网运行存在以下4 个方面的问题。 3 1 1 由2 2 0 k v 网向1 1 0 k v 网输送无功超标 无功导则第5 7 条规定，2 2 0 k v 变电站变压器二次侧潮流力率应控制在 0 9 5 1 o 之间，即q p 值应小于0 3 3 ，大于0 。图3 1 所示2 2 0 k v 网向1 1 0 k v 网 送电的比值为2 0 6 7 9 4 0 3 9 4 8 7 6 0 = 0 5 2 3 7 ，取q p 值0 3 3 做标准，则输送无功超 标额为3 9 4 8 7 6 0 * ( 0 5 2 3 7 一o 3 3 ) = 7 6 4 8 m v a r 。 其中，8 台2 2 0 k v 降压变压器的1 1 0 k v 侧功率见表3 3 示。 表3 - 38 台降压变压器二次侧潮流 l l o k v 侧 p ( m w ) + j i q ( m v a r )q p 古城i # 变1 l o k v 5 5 5 4 5 + j 3 1 6 6 6 0 5 7 0 0 9 6 古城2 # 变1 1 0 k v 5 6 7 0 5 + j 3 2 3 8 8 o 5 7 1 1 6 7 古城3 # 变1 l o k v 5 8 8 0 3 + j 3 3 6 3 0 5 7 1 9 l 麻池l # 变1 l o k v 3 4 2 6 8 + 2 4 2 7 70 7 0 8 4 4 5 麻池2 # 变1 l o k v 3 5 7 7 1 + j 2 4 9 9 9 0 6 9 8 8 6 2 兴胜l # 变1 l o k v 5 2 6 4 9 + j 2 8 7 8 7 0 5 4 6 7 7 2 张变l # 变1 l o k v 5 0 1 3 7 + j 1 5 3 6 4 0 3 0 6 4 4 张变2 # 变1 1 0 k v 5 0 9 9 8 + j 1 5 6 8 3 0 3 0 7 5 2 2 8 台主变中有6 台主变的比值均超过0 3 3 。8 台主变向1 l o k v 网送出有功 3 9 4 8 7 6 m w ，无功2 0 6 7 9 4 m v a r ，平均力率为0 8 8 5 9 ，比要求的力率o 9 5 大约多送 了7 6 m v a r 的无功功率。 表3 4 示为2 0 0 2 年系统的实际功率因数报表中4 个2 2 0 k v 变电站2 2 0 k v 侧主 变力率： 表3 - 4 变电站功率因数报表 变电站名母线名2 0 0 3 年5 月2 0 0 3 年8 月2 0 0 3 年1 1 月 1 # 变2 2 0 k v 母 o 8 30 8 8o 8 7 古城2 # 变2 2 0 k v 母 0 8 40 8 5o 8 8 3 # 变2 2 0 k v 母 0 8 4o 8 5o 8 8 9 华北电力大学工程硕士学位论文 1 # 变2 2 0 k v 母 0 6 6o 6 70 7 3 麻池 2 # 变2 2 0 k v 母 0 6 60 6 8o 7 3 兴胜l # 变2 2 0 k v 母 0 9 20 8 9o 8 8 1 # 变2 2 0 k v 母 o 7 50 8 30 9 6 张变 2 # 变2 2 0 k v 母 o 7 5o 8 lo 9 7 由此可见，去年的实际情况，就力率指标而言，计算结果与实际数据大致相同。 3 1 2 铝厂一、二、三所受电力率未达标 造成上述大量无功从2 2 0 k v 网向1 l o k v 网络流动的主要原因，是l l o k v 网络存 在较大的无功需求，而1 l o k v 网又无足够的无功电源所致。其中最大的需求是铝厂 一、二、三所，铝厂一、二、三所在基本方式中从1 1 0k v 网络受电电力如表3 - 5 不： 表3 - 5 铝厂一、二、三所受电电力 母线名p ( m w ) + j q ( m v a r ) c o s 由 铝厂一所l l o k v i 母4 6 9 + j 4 3 9 d 7 3 0 铝厂一所1 l o k v i i 母5 1 5 8 + j 2 5 4 6 0 8 9 7 铝厂二所1 l o k v i 母 8 7 8 3 + j 5 2 6 2 0 8 5 8 铝厂二所1 l o k v i i 母 2 5 8 3 + j 1 6 0 1 0 8 5 0 铝厂三所1 l o k v i 母5 2 3 + j 3 5 2 8 0 8 7 0 铝厂三所1 l o k v i i 母 1 7 9 + j 1 6 4 0 7 3 7 合计2 3 4 0 2 + j 1 3 5 40 8 6 6 表3 - 6 为铝厂一、二、三所实际电量报表。 表3 - 62 0 0 3 年1 0 月电量报表 输送线路p ( 万k w )q ( 万k v a r )p + j q c o s 中 古城变1 1 7 送铝厂 1 9 0 6 11 4 5 91 9 0 6 1 + j 1 4 5 90 7 9 4 古城变1 1 9 送铝厂 4 5 6 0 6 92 5 9 1 64 5 6 0 6 9 + j 2 5 9 1 60 8 5 9 古城变1 2 2 送铝厂 6 5 1 7 9 83 7 0 4 6 2 6 5 1 7 9 8 + j 3 7 0 4 6 2 0 8 6 9 古城变1 2 3 送铝厂 4 2 0 2 92 7 1 7 44 2 0 2 9 + j 2 7 1 7 40 8 4 0 古城变1 2 4 送铝厂3 6 3 4 1 7 2 8 3 3 6 3 4 + j 1 7 2 8 3 0 9 0 3 古城变1 2 5 送铝厂 3 9 1 3 0 11 8 3 2 4 23 9 1 3 o l + j 1 8 3 2 4 20 9 0 6 合计1 5 9 6 5 9 88 7 1 9 1 1 1 5 9 6 5 9 8 + j 8 7 1 9 1 1 0 8 7 8 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 从表中的电量数据，按一月的小时数7 4 4 h 换算成平均无功负荷为 8 7 1 9 7 4 4 = 1 1 7 m v a r ，与潮流计算结果基本相符。铝厂一、二、三所从包头电网1 l o k v 吸收大量的无功电力是很不正常的，根据无功导则的要求，直供大负荷应控制 力率，大负荷接入电网除常规的电气设计外，还要对接入后的电压波动、无功补偿、 谐波分量等专题进行研究，如果上述各项中的某个指标有超标的情况，要采取相应 的技术措施，直到全部指标达标后才能接入。这一要求是对供需双方都是有利的。 如果铝厂从电力系统吸收无功，按照国家规定，电力部门应收取功率因素的调整电 费。对铝厂的技术指标和经济指标的达标都是不利的，对铝厂的产品质量也将带来 负面影响。铝厂提高力率进行技术改造，不仅是节能、节电的问题，必将为铝厂的 产品竞争和其他经济效益带来丰厚的回报，对此铝厂有同感并委托包头供电局制定 无功方案。 3 1 3 包头一、二电厂无功出力受阻 包头1 1 0 k v 电网上接有包头一、二电厂的6 3 7 m w 装机容量，这是厂、网发展不 平衡的结果，1 1 0 k v 电网适应不了如此规模的装机容量。按基本方式安排，6 3 7 m w 中留1 0 0 m w 备用，开机5 3 7 m w ，理论计算的出力为5 3 7 m w + j 3 3 3 m v a r ，但在实际潮流 调整过程中，无功出力很难调出，受到母线电压、变压器分接位置及1 1 0 k v 网络输 送能力的限制。1 l o k v 网络的无功负荷集中在东河区的古城变，而无功电源即包头 一、二电厂却在青昆区，通向古城仅有2 回1 l o k v 线路，单条线路长度为2 8 k m ，1 l o k v 线路的自然功率为3 8 m w ，两回线负荷到5 0 m w 6 0 m w 时，两端电压降在3 以上。从 这点也可看出同在1 l o k v 电压层，青昆区的无功电源却解决不了东河区的无功负荷 的需求，这一实例也表明了分区平衡无功的必要性。 3 1 4 麻池变力率较低 包头二电厂有两台i o o m n 机组即7 # 、8 # 机接入2 2 0 k v 电网，两台机无功出力 的额定值为1 2 4 m v a r ，全部发出，要经过从机端升压到2 2 0 k v 网络，再从2 2 0 k v 网 络降压后才能到l l o k v 网络，也难以满足铝厂的需求。因此，无功缺额部分只能通 过麻池变从距包头最近的4 0 k m 外的达旗电厂吸收，这是麻池变压器力率比其它变 压器力率较低的原因。四个2 2 0 k v 变电站2 0 0 3 年1 1 月电量报表和2 0 0 3 年功率因 数报表记录如下： 表3 72 2 0 k v 主变力率实测参考值 电量力率报表c o s 中报表 变电站名变压器名 2 0 0 3 年1 1 月电量核算2 0 0 3 年1 1 月平均值 古城l # 变 o 8 50 8 7 2 # 变 o 8 50 8 8 华北电力大学工程硕士学位论文 3 # 变 o 8 50 8 8 1 # 变 o 7 30 7 3 麻池 2 # 变 o 7 30 7 3 兴胜1 # 变 o 9 1o 8 8 1 # 变 o 9 0o 9 6 张变 2 # 变 o 9 00 9 7 可以明显看出，麻池变力率低于其他几个变电站。 3 1 5 基本方式分析小结 2 0 0 3 年包头电网基本方式下无功配置的主要问题是：2 2 0 k v 电网的无功送往 “o k v 电网的无功超标7 6 4 8 m v a r ，超标的原因有两点，一是铝一所、铝二所、铝 三所直供用户用电力率未达标，二是l l o k v 电网所接入的发电机无功出力严重受阻， 因此，所需要的无功只有从2 2 0 k v 电网获取，造成麻池主变利率低。 基本方式的无功电源和无功负荷情况简述如表3 - 8 、表3 9 所示： 表3 - 8 无功电源情况表 统计2 2 0 k v 1 i o k v3 5 k vl o k v ( 6 k v )合计 达旗电厂无功出力( m v a r ) 1 6 3 5 2 31 6 3 5 2 3 包一、二电厂无功出力( m v a r ) 1 4 5 3 l o1 2 3 2 6 22 6 8 5 7 2 线路充电无功( m v a r )2 0 + 6 0 2 3 6 2 40 0 3 81 0 3 6 8 7 并联补偿电容器( m v a r ) 05 8 8 95 8 8 9 合计无功电源( m v a r ) 3 8 8 8 5 81 4 6 8 8 60 0 3 85 8 8 95 9 4 6 7 2 注：2 2 0 k v 充电无功中有2 0m v a r 为包头电网内的无功，6 0m v a r 为包头与达旗、呼 市、乌拉山联络线路产生的无功。 表3 - 9 无功负荷情况表 统计 2 2 0 k v1 l o k v3 5 k vl o k v ( 6 k v )合计 线路电抗无功损耗( m v a r ) 9 3 7 4 81 3 0 2 60 4 6 51 0 7 2 3 9 变压器电抗无功损耗( m v a r ) 5 8 7 7 2 4 3 9 2 50 5 5 31 0 3 2 5 无功负荷( m v a r ) 2 9 0 4 01 6 5 7 8 03 7 9 7 09 1 8 8 03 2 4 6 7 0 合计无功负荷( m v a r ) 1 8 1 5 6 02 2 2 7 3 13 8 9 8 89 1 8 8 05 3 5 1 5 9 表3 - 1 0 不平衡无功情况表 统计2 2 0 k v1 l o k y 3 5 k vl o k v ( 6 k v )合计 合计无功电源( m v a r ) 3 8 8 8 5 81 4 6 8 8 60 0 3 85 8 8 95 9 4 5 7 2 合计无功负荷( m v a r ) 1 8 1 5 6 02 2 2 7 3 13 8 9 8 89 1 8 85 3 5 1 5 9 各电压级负荷的c o sm 0 9 7 60 9 2 5o 9 1 90 9 2 4 不平衡无功( m v a r )余2 0 7 2 9 8缺7 5 8 4 5缺3 8 9 5缺3 2 9 9 华北电力大学工程硕士学位论文 由表3 1 0 可见，2 2 0 k v 电网的无功，不仅流向1 l o k v 电网，还要通过l l o k v 电网，流向3 5 k v 、l o k v 、6 k v 等电网。 由表3 - 8 、表3 - 9 可见，有三个大约1 0 0m v a r 的数值，即线路充电无功 1 0 3 6 8 7 m v a r ，线路电抗功损耗1 0 7 2 3 9m v a r ，变压器电抗无功损耗1 0 3 2 5m v a r 。 三项合计1 0 7 6 7 6m v a r 。也可认为，线路的充电无功与线路的电抗损耗大致相抵消， 变压器的无功损耗为1 0 0m v a r 多一点。 包头电网无功平衡问题，要从1 l o k v 大负荷接入电网的功率因数控制条件入手。 根据无功导则无功不过网的原则，大负荷的实际力率可要求在0 9 5 0 9 8 之间。 大负荷接入电网除作必要的电气设计之外，要对接入后的无功补偿、电压波动、谐 波分量等作专题研究。指标不达标要采取相应的措施，各项指标合格后才可供电。 可类比为治理环境污染，电能质量的污染源也需治理。 如果不对铝厂等大用户的力率加以控制，由包头电网自身做无功平衡将非常困 难，只能以牺牲电能质量为代价，其结果是既不能按供电区按电压分层平衡，更不 能有效调控，电压质量将难以保证。 3 2 补偿方式分析 由表3 一l o 可见l l o k v 直供负荷无功较大，且力率未满足无功导则的要求。 1 0 k v ( 包括3 5 k v ) 母线上缺无功电源，但负荷力率已满足导则要求。 本着无功就地补偿的原则，无功过网传输问题要从以下三个途径解决。 第一个途径是要求铝厂按规程要求提高用电负荷力率，减少l l o k v 网无功负荷； 第二个途径将计划投入的4 4 m v a r 电容器有条件的投入，增加3 5 k v 和l o k v 无 功补偿容量： 第三个途径是在古城变电站集中安装无功补偿容量，解决就地无功的补偿问 题。 3 2 1 提高铝厂一、二、三所的负荷力率 铝厂一、二、三所在基本方式中从1 1 0k v 网络受电电力情况如表3 - 5 所示。 按电力系统电压和无功电力技术导则第5 9 1 条和电力系统电压和无功电力 管理条例第四章第十二条的规定，高压供电用户的功率因数应在0 9 及以上。假 定铝厂的力率按下表补偿，并假定补偿后的无功全部用于抵消过网无功，用以下4 个方案来分析。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 1 1以基本方式为基础需要补偿的无功容量 第一方案第二方案第三方案第四方案 铝厂补偿方案 铝厂c o s 币= 0 9 铝厂c o s 母= 0 9 2 5 铝厂c o s q ，= 0 9 5铝厂c o s o p = 09 7 铝厂总负荷 ( m w + j m v a r ) 2 3 4 0 2 + j 1 1 3 3 42 3 4 0 2 + j 9 6 1 32 3 4 0 2 + j 7 6 9 22 3 4 0 2 + j 5 6 6 5 需要补偿电容器 2 2 0 5 93 9 2 75 8 4 87 8 7 5 ( m v a r ) 过网无功( m v a r ) 5 4 4 1 63 7 2 11 82 2 7 由表可见，如果完全要求铝厂提高力率来达到减少过网无功的目的，铝厂力率 要提高到0 9 7 ，总计需要补偿无功7 8 7 5 m v a r ，这一要求是不现实的，铝厂投入太 大表示不同意。如果铝厂按无功导则的最低要求，即力率为0 9 ，那么，就给 系统留有5 4 4 1 6m v a r 的无功缺口，供电局又不同意。经双方协商，同意将力率提 高到0 9 2 5 ，铝厂需要补偿无功为3 9 2 7 m v a r 。 3 2 2 提高3 5 k v 和1 0 k v 母线负荷的力率 如果只采用第二个途径，将1 0 k v 母线计划投入的无功3 6 8 m v a r 和3 5 k v 母线 投入的无功7 2m v a r 。共4 4m v a r 投入以下变压器的1 0 k v 母线上。 表3 - 1 2 各变电站补偿容量 变电站名变压器容量( m v a )补偿电容容量( m v a r ) 幸福3 1 54 2 和平3 1 53 6 美岱1 63 6 民主3 l ，53 6 桥西5 01 8 + 3 o 兴胜1 2 0 1 2 0 ，6 03 6 河西 5 02 4 哈林8 ( ? ? )3 0 轻质3 l ，5 + 3 0 2 + 3 6 ( 3 5 k v ) 石圆 2 * 5 02 * 4 0 合计5 0 0 3 6 8 ( 1 0 k v ) + 7 2 ( 3 5 k v ) 计划无功投入前负荷的平均力率 l负荷 pq c o s 由 l3 5 k v 负荷 8 8 7 63 7 9 7o 9 1 9 l1 0 k v 负荷 2 1 0 4 28 7 0 50 9 2 4 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 计划无功投入后负荷的平均力率 l负荷 pqc o s 巾 l3 5 k v 负荷 8 8 7 63 7 9 7 - 7 20 9 4 4 8 ll o k v 负荷 2 1 0 4 28 7 0 5 3 6 80 9 7 2 6 就基本方式负荷水平而言，计划无功投入后，3 5 k v 负荷的力率将接近0 9 5 ， 而l o k v 负荷的力率将超过0 9 7 。计划无功投入后，幸福变、美岱变、兴胜变、民 主变、石园变等变压器由于无功负荷较轻，电容器投入后将要向1 l o k v 系统送无功， 这种运行方式也是不符合无功导则要求的。除去上述五个变电站，其他几个变 电站若投入补偿，经计算力率和电压均合格，这样可投入的补偿容量为2 1 m v a r 。 3 2 3 在古城变压器的第三线圈安装补偿电容 根据无功分层分区平衡的原则，哪里需要无功，就在哪里补偿无功。古城变电 站的1 1 0 k v 母线上集中了1 3 5 m v a r 的无功负荷，占1 l o k v 级无功负荷的8 1 4 ，占 全包头2 0 0 3 年基本方式无功负荷的1 3 ，但古城变电站从电压层，从区域块都没有 自己的无功电源。如果在古城变电站变压器的第三线圈集中安装无功来平衡过网无 功，每台变压器的第三线圈要装7 6 4 8 3 = 2 5 5 m v a r 。占主变容量的2 1 3 ，占第 三线圈容量的4 2 6 。因此，单独在古城变电站补偿无功也是不现实的，经计算， 在古城变压器的第三线圈每台装2 * 4 m v a r 电容器，共2 4 m v a r 。 3 2 4 三个途径的综合方案 解决过网无功问题的三个途径分别采用不现实，也不可能完全达到目的。三个 途径的组合方案是有可能实现的，既大致按铝厂补偿4 0 m v a r ，力率提高到0 9 2 5 7 l o k v 和3 5 k v 补偿2 1 m v a r ；古城第三线圈补偿2 4 m v a r 。在这种方式下对地区电网进 行潮流计算分析，计算结果的分区分层潮流图如图3 2 所示，各项数据如表3 1 3 所 示，补偿方式各层无功电力平衡如表3 1 4 所示。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 达旗2 2 0 k v 母 补偿方式包头无功配置计算分块潮流图 i包头地区 i 统计 p ( m w )q ( m n r ) i 总出力5 4 1 32 6 62 8 9 l 总负荷l9 1 0 2 3 3 i3 2 20 5 4 图3 - 2 补偿方式分区分层潮流图 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 一1 3 补偿方式结果综述报表 区域总有功总无功发电总有功总无功负荷总有功 总无功 区域名号发电发电 c o s 由 负荷负荷c o s 由损耗损耗 一厂二r 05 4 1 3 0 2 6 6 2 90 8 9 76 5 0 03 6 8 40 8 71 2 83 3 5 4 2 2 0 k v 网络 10o01 2 8 4 5 2 7 6 80 9 7 84 8 63 6 8 4 l l o k v 网络 2ooo4 0 5 。6 21 2 7 。6 9 0 。9 5 44 9 42 6 1 5 3 5 k v 网络300o8 8 7 63 7 9 7 - 7 2 20 9 4 50 3 16 3 8 l o k v 母线 400o2 1 0 4 28 7 0 5 - 1 2 60 9 4 3 01 2 6 9 6 k v 母线 50 0o1 1 9 84 8 30 9 2 7o0 达旗2 2 0 k v 母线 64 9 9 5 51 1 3 6 1 90 9 7 5o 007 3 21 8 0 3 呼东郊2 2 0 k v 母 71 1 3 7 5 2 7 3 30 9 7 20o01 0 52 6 8 4 乌拉山2 2 0 k v 母 8o0o2 1 8 1 40 2 71 6 4 81 4 4 8 包头地区总计 5 4 1 3 02 6 6 2 90 8 9 79 1 0 2 33 2 2 0 5 0 9 4 31 1