（电气工程专业论文）农村中压配电网无功补偿的优化研究.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 o p t i m i z a t i o ns t u d y o fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nf o rr 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 ns y s t e m s p e c i a l t y ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：w a n gh o n g w u t u t o r ：t o n gx i a n g q l a n z h a n gc h a n g a n a b s t r a c t s e v e r a lk i n d so fs e n s i b l ec o d s u m c r sa r ew i d e l yu s e di nt h ee l e c t r i c a ls y s t e m g e n e r a l l y , t h ep o w e rf a c t o r so ft h e s ec o i 瑚l l n e r sa r el o w t h i sc a u s e sal o to fr e a c t i v ep o w e ri nt h ep o w c r 鲥d sa n da f f e c t st h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y , e s p e c i a l l yt h er u r a lm e d i u m - v o l t a g ep o w e rg r i d s b e u o ft h el e n g t ho ft h et r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h en u m b e ro fd i s t n b u t i o nt r a n s f o r m e r s ，s t r o n g l o a ds e a s o n a l i t ya n dt i m ev a r i a b i l i t y , t h er e a c t i v ep o w e ri nt h er u r a lm e d i u m - v o l t a g ep o w e r 鲥d si sm o r ee v i d e n t b u tt h i sa l s ob r i n g sag r e a tp o t e n t i a lo fr e d u c i n gt h el o s si nt h em r a l d i s t r i b u t i o ns y s t e m t h e r e f o r e , t h eo p t i m i z a t i o no fr e a c t i v ep o w e ri so fg e mi m p o r t a n c et o i m p r o v i n gt h ev o l t a g eq u a l i t ya n dt or e d u c i n gt h el i n el o s s i nv i e wo ft h es e r i o u sr e a c t i v ep o w e rl o s si nt h er u r a lm e d i u m - v o l t a g ep o w e rg s i d s t h i s p a p e rh a se m p h a t i c a l l ys t u d i e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rt h e r u r a l m e d i u m - v o l t a g e d i s t r i b u t i o n s y s t e m b a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er 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 ns y s e t m , u n d e rt h ec o n s t r a i n e dc o n d i t i o n so fm i n i m ml i n el o s s , v o l t a g eq u a l i t ya n de c o n o m i cc o n s i d e r a t i o n , ac o n v e n i e n ta n de f f e c t i v eh a l f - e r g o d i cs e a r c h a l g o r i t h mi n t e n d e dt og e tt h eo p t i m a lr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o np l a c ea n dt h eo p t i m a l c o m p e n s a t i o nc a p a c i t yw a si n t r o d u c e d t h eo p t i m i z a t i o ns o f t w a r ew i t hv c 6 o + + w h i c hi s s u i t a b l ef o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rt h er u r a ls i n g l e - s u p p l y d i s t r i b u t i o ns y s t c m ，w a sd e v e l o p e d t h eo p t i m a lc o m p e n s a t i o np l a c ea n dt h eb e s tc o m p e n s a t i o n c a p a c i t y nb eg e t t e dw h e nt h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r kp a r a m e t e r sa n dl o a dp a r a m e t e r si s i n p u t t e d t h i ss o f t w a r ew a sv a l i d a t e dw i t hau n i f o r m e dl o a ds y s t e m t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d o fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw a sa p p l i e dt oal o k vr u r a ld i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dt h eo p t i m a l n u m b e r , p o s i t i o na n dc a p a c i t yo fc o m p e n s a t i o nd e v i c e su n d e rd i f f e r e n tc o n s t r a i n e dc o n d i t i o n s ， a sw e l la st h ec o m p a r i o nr e s u l t so fl i n el o s sa n dc o m p r e h e n s i v ee c o n o m i cc o m p a r i o nb e f o r e a n da f t e rc o m p e n s a t i o n a r eo b t a i n e d t h ew o r ko ft h i st h e s i sp r o v i d e sas c i c n t i 五cr e f e r e n c ef o r b ed e c i s i o n - m a k i n go ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o r t h er u r a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m 脚o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，o p t i m a lc o m p e n s a t i o n p l a c ea n dc a p a c i t y , 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 ns y s t e m 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任河贡献均已在论文中传了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者繇脚刁年月哆日 学位论文使用授权声明 本人i 五星! i l 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 l 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名：叠礁 才年月 j 日 1 绪论 1 绪论 1 1 无功功率补偿的意义 在电力系统中，发电机输出的功率有两种“1 ，一种是有功功率，另一种是无功功 率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的功率，也就是将电能转换为其他形式能量( 机 械能、光能、热能) 的功率；无功功率反映了无源网络中电源与电感和电容之间的能量转 换。虽未被网络消耗，但反映了网络内部与外部交换能量能力的大小，它是在电路内部的 电容、电感元件之间建立变化的电磁场，从而传递和维持磁场的功率。它不对外作功，而 是转变为其他形式的能量。凡是有电感线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。 由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率并非无用功率，而是和有功功率一样 重要。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子 磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，主要在变压器的一 次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变 压器不能变压，交流接触器也不会吸合。在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功 功率，同时还需要从电源取得无功功率。 随着科学技术的发展，人民生活水平的提高，各种类型用电设备得到了广泛的应用， 对电压质量的要求也越来越高。但是，由于配电网结构、运行变化等原因，我国配电网损 耗、电压合格率等技术指标与发达国家相比有较大差距。由于电压不合格等原因造成用户 电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的宝贵电麓自白浪费，并且影响电力企业 的经济效益。无功功率是在公用电网中伴随着用电设备出现的，是一种既不能作有功，但 又会在电网中引起损耗，而且又是不能缺少的一种功率。是电网本身的运行规律所决定， 但它给电网安全经济运行造成诸多地影响。 从功率损耗的计算公式a p 一( p 2 + q 2 冰( ，2 可见，当有功功率和无功功率通过网络 电阻时，会造成有功功率损耗一方面，当输送功率( p 2 + q 2 ) 一定时，功率损耗与网络电阻 ( r ) 成正比，即网络电阻越大，功率损耗越大。反之，网络电阻越小，功率损耗越小。另一 方面，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，当 输送的无功功率越小时，总的功率损耗就越小为了更清楚地说明这种关系，将公式 a p 一俨2 + q 2 冰c ，2 改写成下式： 丝一a o + 矗易一p 礓u 2 + q 2 霄i u 2 ( 1 1 ) 式中：a p 输送有功功率和无功功率造成的总有功功率损耗( k w ) ； 蛾输送有功功率造成的有功功率损耗( k w ) ； 峨输送无功功率造成的有功功率损耗( 妍) ： 显然可见，当网络结构一定，输送的有功功率一定时，总的功率损耗完全决定于输送 的无功功率的变化。 西安理工大学工程硕士学位论文 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 。当线路输送一定数量的有功功率时，线路的电压损失随着输送的无功功率的增多 而增大。 a u 塑丝( 1 2 ) u 式中：a u 线路的电压损失( k v ) ： u 。线路的额定电压( k v ) ； p 一线路输送的有功功率( k v a ) ； q 钱路输送的无功功率( k v a r ) ； r 线路电阻( o ) ； 卜线路电抗( a ) 由上式可见，当进行无功补偿后，用户的功率因数就会提高，用户向电力系统吸取的 无功功率就会减少，因此电压损失也就减少，从而提高了电压质量。 另外，当电网的功率因数过低时，势必会使发电机降低功率因数运行，使它多发无功 功率，以达到功率平衡，而发电机多发无功功率时，则会影响它的有功功率的输出，这是 很不经济的，无功补偿可以是高负荷功率因数。因此在输送相同的有功功率下，就可以使 设备容量减少，从而节省投资。从另一方面来讲，在设备容量一定的情况下，由于无功补 偿从而使功率因数提高，也使电网向用电设备输送的有功功率之量增大。 因此，当无功电源容量不足时，会使电气设备的容量得不到充分的利用，降低馈电 线路的输电能力，增大线损，使系统电压难以保证，电网向用户输送功率的能力也受到影 响。随着电网容量的不断增加，对电网无功功率的要求也与曰俱增，因此解决好配电电网 的无功补偿问题，对电网的安全和节能降耗有着重要的现实意义 1 2 无功补偿原理 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。电动机和变压器在能量转换 过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无 功功率接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率 相等，这种充放电功率叫做容性无功功率。将电容器和电感并联接在同一电路中，电感吸收 能量时，正好电容器在释放能量，而电感放出能量时，电容器却吸收能量。能量就在它们之 间交换，即感性负荷( 电动机、变压器等) 所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率 中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，调相机、同步电动机 等也可作为无功补偿装置。 无功补偿的作用和原理可由图1 - 1 来解释：设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率 为q ，装设无功补偿装置后，补偿的无功功率为q ，则补偿后设备从电源吸收的无功功率 减少为q l q q c ，功率因数由c o s 吼提高到c o s 妒2 ，视在功率由原来的墨减少到s ：。同时 2 1 绪论 视在功率的减小可相应减小供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例 如一台1 0 0 0 0 千伏安的变压器，把负荷功率因数从0 7 提高到0 9 时，变压器可多供2 0 0 0 千瓦负荷，是相当可观的。由式1 1 可知，在采用无功补偿措施后，电源输送无功功率的减 少，将使电力网和变压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。由电压损耗计算公式 1 2 可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损 耗，提高了用户处的电压质量。 图1 - 1 无功补偿的作用和原理图 f i g u r e l - 1 e t t e ta n d o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f r e a c t i v e 删l i o n 1 3 无功补偿原则 为使电网无功补偿能取得最佳的综合效益，应“统筹规划，合理布局，分级补偿，就 地平衡”的原则进行。 无功补偿原则：负荷中的无功功率影响着电网的电压和系统的电能损耗，而补偿电容 器的容量和装设的位置的不同，对无功补偿的降损效果、调压程度以及装设电容器本身的 经济效果也各不相同。 ( 1 ) 力求最佳的经济效益，由于配电网中不同地点的无功负荷和线路电阻的差异， 因此，在不同地点进行无功补偿所取得的经济效益并不一样。应当主要考虑两个因素，一 是安装地点，无功补偿装置安装在1 0 1 0 线路上的电容器取得节能效益的千瓦数愈高，则 节能效果愈好。二是要考虑到补偿后要求达到的功率因数的合理性，并非愈高愈好，力求 做到既能降低线损，又提高经济效益。 ( 2 ) 经济效益尽量节约，具有一定的可行性。 。 ( 3 ) 便于维护的原则：一是在设备选型上应慎重，要尽量选用便于管理，维护少、 性能优越的设备，如带自动投放装置的电容器。二是安装地点要仔细选择，尽量避免将电 容器安装在“野外线路上”。 ( 4 ) 无功补偿的分布重点是：线路长而细，负荷重，电压质量差且可显著降低可变 损耗，线路的负载端，对轻载运行的线路，其线路末端一般都满足要求，则不宜进行补偿， 否则，在用电低谷时往往使线路电压升得过高，反而使配电线损进一步加大。 ( 5 ) 采取线路分散补偿和随器补偿相结合的方式。 + ， 3 西安理工大学工程硕士学位论文 1 4 常用无功补偿设备 无功补偿需要定的补偿设备，在配电网中无功补偿设备通常有：同步发电机、静 止无功补偿装置、电力电容器、同期调相机。 1 4 1 周步发电机 同步发电机是一种最常用的交流发电机，一般采用直流励磁，当其单机独立运行时， 通过调节励磁电流，可方便的调节发动机的电压，并入电网运行时，通过调节励磁电流可 调节电动机的功率因数和无功功率，同步发电机是电力系统中唯一的有功电源，同时也是 无功的基本源。 1 4 2 静止无功补偿装置 静止无功补偿装置是七十年代发展起来的一种新的大型无功补偿设备，主要由并联电 容器组与饱和电抗器等元件组成。它兼有电容器与调相机二者的优点，能平滑无机地调节 无功功率和电压，可在几个周波内快速地完成调节，故能保持网络电压稳定，增强系统的 稳定性。同时有助于降低网络内的过电压和减少高次谐波对设备的危害。静止无功补偿装 置主要适用于较大无功冲击负荷的大型工业用户，或应用于超高压输电系统作为无功补偿 和调压设备，以增强系统的稳定性。 1 4 3 电力电容器 在配电网中，电力电容器是应用最为广泛的无功补偿设备，电力系统的负荷和供电设 备如电动机、变压器、互感器等，除了消耗有功电能以外，还要“吸收”无功电能。如果 这些无功电能都由发电机供给，必将影响它的有功出力，不但不经济，而且会造成电压质 量低劣，影响用户使用。而电力电容器在交流电压作用下能“发”出无功电能( g g 容电流) ， 如果把电容器并接在负荷( 如电动机) 或供电设备( 如变压器) 上运行，那么，负荷或供电 设备要“吸收”的无功电能，正好由电容器“发出”的无功电能供给，这样就能得到 补偿，并能减少线路的能量损耗，从而改善电压质量，提高功率因数，提高系统供电能力。 另外电力电容器是静止的无功补偿设备，其安装、运行、维护都比较简单 1 4 4 同期调相机 同期调相机是一种专用的无功功率发电机，实质上是空载运行的同步电动机，其主要 用途是供给无功功搴，改善功率因数。调相机可根据电网的要求来调节其运行状态。过励 磁运行时，在额定电压5 的范围内，可发出额定容量的无功功率；在欠励磁运行时，它可以 吸收系统多余的无功功率，吸收的容量为其额定容量5 傩6 5 。调相机在电网发生故障时， 4 1 绪论 可投入强行励磁，提高无功出力，维持电压稳定，增强电网的稳定性。由于调相机容量较大， 运行灵活，既可作为无功电源，又可作为无功负荷，便于调整和控制电网的无功潮流，所以一 般将其装于电网中的枢纽变电站，特别需要进行调相和增强系统稳定的地方。 1 5 常用无功补偿的方式 壹 电 蛄 图卜2 配电网常见无功补偿示意图 f i g u r e1 - 2c o m m o nw a y so fd i s t r i b u t i n gn e tr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n 从理论上而言，无功补偿最好的方式是哪里需要无功，就在哪里补偿，整个系统将没 有无功电流的流动。但在实际电网中这是不可能的，因为无论是变压器、输电线路还是各 种负载，均需要无功功率，常用的无功补偿方式有1 ：变电站集中补偿、低压集中补偿、 杆上无功补偿、用户终端分散补偿等。 1 5 1 变电站集中补偿方式 针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿( 如图1 - 2 中的方式1 ) ，补偿装置 包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数、提高 终端变电所的电压和补偿主变压器的无功损耗。这些补偿装置一般连接在变电站的1 0 k v 母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但是这种方案对配电网的降损起的作用很 小。 1 5 2 低压集中补偿方式 目前国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式是在配电变压器3 8 0 v 侧进行集中补 偿( 如图卜2 中的方式2 ) ，通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千 5 西安理工大学工程硕士学位论文 乏不等。根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高 专用变压器用户的功率因数，实现无功就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定 作用，也有助于保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户 承担。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切， 也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。这种方案虽然有助于保证用户的 电能质量，但对电力系统并不可取。因为虽然线路电压的波动主要由无功变化引起，但线 路的电压水平是由系统情况决定的。当线路电压基准偏高或偏低时，无功功率的投切量可 能与实际需求相去甚远，出现无功过补偿或欠补偿。另外，对配电系统来说，除了专用变 压器之外，还有许多公用变压器，面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变压器，由于 其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功集中补偿则是不现实的，这样进行补偿往往难 于维护、控制和管理，且容易成为生产安全隐患，配电网的补偿度也受到了限制。 1 5 3 杆上无功补偿方式 通过上述补偿，配电网中大量存在的公用变压器并没有进行有效补偿，使得补偿度受 到限制。由此造成很大的无功缺口。需要由变电站或芨电厂来填补。大量的无功沿线传输 使得配电网的网损仍然居高不下。通常采用l o k v 户外并联电容器安装在架空线路的杆塔 上( 或另行架杆) ，进行无功补偿( 如图1 2 e p 的方式3 ) ，以提高配电网的功率因数，从而达 到降损升压的目的。但由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、 控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件的限制等工程问题。因此，杆 上无功优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行： ( 1 ) 补偿点宜少。一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿。 ( 2 ) 控制方式从简。杆上补偿不设分组投切。 ( 3 ) 补偿容量不宜过大。补偿容量太大将会导致配电线路在轻载时的过电压和过补 偿现象；另外杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热。 建议按重载补偿后电源节点功率因数不超过0 9 5 和轻载时功率因数达到1 左右即可。 ( 4 ) 接线宜简单最好是每相只采用一台电容器装置。以降低整套补偿设备的故障 率。 ( 5 ) 保护方式也要简化。主要采用熔断器和氧化锌避雷器分别作为过流保护和过电 压保护。 ( 6 ) 防止电容器安装后产生谐振现象。显然，杆上无功补偿主要是针对l o k v 馈线上 沿线的公用变压器所需无功进行补偿。因其具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管 理和维护等优点，适合于功率因数较低、负荷较重、距离较长的配电线路，但是因负荷经 常波动而该补偿方式是长期固定补偿，故其适应能力较差，主要是补偿了无功基荷，在线 路重载情况下补偿度一般是不能达到o 9 5 。 6 1 绪论 1 5 4 用户终端分散补偿方式 目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功功率的需 求都很大，直接对用户末端进行无功补偿( 如图1 2 中的方式4 ) 将最恰当地降低电网的 损耗和维持网络的电压水平。供电系统设计规范( g b 5 0 0 5 2 9 5 ) 指出，容量较大、 负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。故对于企业和厂矿中的电动 机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿：针对小区用户终端的负荷小、波动大、地点分 散、无人管理等特点，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并满足以下要求： 智能型控制，免维护。体积小，易安装。功能完善，造价较低。与前面三种补偿方式 相比，本补偿方式将更能体现以下优点：线损率可减少2 0 。减小电压损失，改善 电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件。释放系统能量，提高线路供电能力。缺 点是由于低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功需求来确定安装容量，而各配电 变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在较轻载时的闲置，设备利用率不高。 根据以上常用无功补偿方案的分析、讨论，我们可归纳、整理出四种补偿方案的特点 和基本性能如表1 1 所示 表1 - 1 四种无功补偿方法的特点比较 t a b l e l - 1 c o m p a r i s o n o f t h e f o u r r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n w a y s 补偿方式变电站集中补偿配电变低压补偿配电线路固定补偿用电设备随机补偿 补偿对象变电站无功需求配电变无功需求配电线路无功基荷用电设备无功需求 降损范围主变压器及输电网配电变及输配电网配电线路及输电网整个输配电系统网 调压效果较好较好较好最好 单位投资较大较大较小较大 设备利用率较高较高很高较低 维护方便性方便较方便方便 不 1 6 农村中压电网的现状及补偿措施 1 6 1 农村中压电网的现状 目前农村电网具有配电网分布广、输电线路长、配电变压器多、负荷季节性和时变性 强等特点，导致农村电网长期以来无功匮乏，无功缺额较大，功率因数低，线路末端电压 过低，输电线路损耗严重，使得农村电价提高等，直接影响着电网的经济运行，影响了农 民的生活，滞缓了农业的发展。 ，：。 电压质量和功率因数是供电企业的重要技术指标。电压是电能的主要质量指标之一， 7 西安理工大学工程硕士学位论文 电压质量对电网稳定及电力设备的安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用 电单耗和人民生活用电都起着直接的影响作用。无功电源是影响电压质量和电网经济运行 的一个重要因数，若无功电源容量不足，会使电气设备的容量得不到充分的利用，降低馈 电线路的输电能力，增大线损，使系统电压难以保证。随着电网容量的不断增加，对电网 无功功率的要求也与日俱增，因此解决好配电电网的无功补偿问题，对电网的安全和节能 降耗有着重要的现实意义。 ， 1 6 2 无功补偿对农村电网的好处 随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。降低网损， 提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也 是电力系统研究的主要问题之一。特别是随着电力市场的实行，输电公司通过有效手段来 降低网损，并提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益的利润，电力系统无 功优化和无功功率的补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。 主要好处有：( 1 ) 减少输电线路及变压器的损耗。( 2 ) 增加变压器及输电线路的利 用率。( 3 ) 提高系统的端电压减少系统的电压降。 ， 1 6 3 农村电网无功补偿常用的方式及缺点 农网无功补偿的方式主要有“： a 二次变电所集中补偿。 这种补偿方式是在变电所1 0 k v 母线上集中安装电力电容器，补偿容量按主变容量的 1 5 3 0 配备，但这种补偿方式对于农网有以下缺点： ( 1 ) 农网负荷季节性强，设备负载率低，变电所的无功补偿容量的选择很难适应季 节性和昼夜大幅度变化的无功负荷的需要。 ( 2 ) 为了使其功率因数达到上级电网规定值，并防止过补偿和电压升高的问题，就 必须采用大容量无功补偿装置自动投切，在运行上势必出现频繁的操作。 ( 3 ) 这种补偿方式电容器都集中安装在变电所的二次母线上，对每条配电出线并不 减少线损。 b 在1 0 k 、1 电线路上集中补偿 这种补偿方式是在线路负荷集中点( 配电线主干线2 3 处) ，每点集中装置1 0 k v 电容器 1 0 0 k v a r 3 0 0 k v a r ，比起变电所集中补偿有优点，但也存在着缺点： ( 1 ) 补偿设备装在线路上，长久运行在室外，风吹雨打，设备损坏率高。 ( 2 ) 由于运行在野外，电容器发生事故时不易及时发现，往往形成长期停运状态， 失去补偿作用。因此，应该建立严格的定期巡视、检修制度，努力提高运行效率。 c 集中在1 0 0 k v a 以上大用户补偿 8 1 绪论 这种补偿方式是在变压器低压母线上，集中安装一定数量的电容器，按照无功经济当 量分析，低压无功补偿可以就地平衡无功，降损效果好于高压，但乡镇企业多数是非三班 制连续工作，如不摘自动投切，也常常出现过补偿和二次侧电压升高现象。因此，凡此种 补偿方式都应装设无功自动投切装置。另外，当这种用户无负荷时，自动投切装置全部切 除电容器，而变压器的无功损耗得不到补偿，为了避免此种情况发生，应按变压器容载时 消耗的无功容量，在变压器二次侧安装固定补偿容量，其容量按q = s e 1 0 的值配备。 1 7 无功补偿优化问题的研究与发展 在电力系统中，常用的负荷多为感性负荷，而且这些装置的功率因数都偏低，异步电 动机作为传统的感性负荷从电网中吸收大量的无功功率。随着工业的迅速发展，电力电子 装置的大量使用，导致电臃中出现大量的无功电流，无功电流产生无功功率，给电网带来 额外负担，影响了供电质量。特别是近十几年来，配电网负荷日益增长，无功功率需求也 相应增加，并越来越依赖于安装在馈线上的并联电容器来满足无功要求。目前我国配电网 无功补偿通常在变压器低压侧进行，但大量分散的公用变压器低压侧不便于装设无功补偿 、装置，这样配电网的补偿度就受到限制，配电网的网损仍然较大，存在着较大的降损空问。 馈线杆上无功补偿方式就是将户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上，通过减少沿线的 无功传输，提高配电网的功率因数，达到进一步降低l o k v 配电线路电压降落、减小线路 损耗馈线杆上无功补偿方式与低压集中补偿相比主要优点是投资小、设备的利用率高， 降损效果好。另外，其不但能降低配电线路的损耗，而且可以弥补配变低压侧缺少无功补 偿的缺陷尤其在线路较长( 5 k m 以上) 、功率因数较低( o 9 0 以下) 的馈线线路上，在负荷 侧进行杆上无功补偿，其效益明显。而且因其设备安装简单、维护方便、事故率低，在世 界范围内得到很广泛的应用。 目前我们国家要大力发展农业，而农村电网常常制约了农业的发展，现在的农村电网 分布广、输送距离长、设备陈旧，用户分散，峰谷差大，负载单位密度小且分散，电网无 功缺额较大，功率因数低，线路末端电压过低，线耗问题突出。由此导致电价提高，影响 了农民的生活，滞缓了农业的发展。因此，发展有效节能技术、提高农网质量以适应农村 电网低功率因数、电力潮流大起大落和线路过长的特点，成为需要解决的一个新课题。为 了解决这个问题，可在电网中采用杆上无功补偿方式，即将户外并联电容器安装在架空线 路的杆塔上，以进一步提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。 无功补偿点的合理选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，避免 大量无功功率的远距离传输，减少输电费用。我国配电网( 尤其是农网) 长期以来无功匮 乏，输电线路损耗严重，因此，在中压配电网实施线路的无功补偿十分必要。 人们对于无功优化做了很多研究，根据不同的条件，提出各种各样的算法，但是现在 的电力系统对实时无功优化控制提出的要求较为苛刻，它涉及到实时的响应速度、起动点 的鲁棒性、不可行性的探测和处理、控制变量的平滑有效调节、数据质量的要求以及外部 9 西安理工大学工程硕士学位论文 网络的等值等诸多方面的因素，现有的算法目前常用的优化算法有2 n l ( 2 n + 1 ) 法和归一化 算法。2 n l ( 2 n + 1 ) 法要假定负荷均匀分布，导线型号相同，而且不考虑馈线分支情况，与 实际相差较大，应用中误差也较大。归一化算法取消了负荷均匀分布，导线型号相同的假 定，使计算精度得到了提高，但仍不能处理馈线有分支的情况。其它上述优化算法也都有 各自的局限性，不适合于农村中压电网，使得农村电网长期缺乏科学的无功电力规划与优 化的补偿方案，造成了无功补偿装置的布局不合理，直接影响到农村电网的安全经济运行， 产生下列弊端：电网的功率因数普遍较低。电网的电压质量差，合格率低。 发供电 设备效率低，供电线损高。影响供电企业的经济效益。所以电力系统中有关无功运行和 规划的问题愈来愈重要。 针对农村电网的现状和特点，本论文主要研究农村单端中压配电网的无功优化问题， 即在一条辐射式并具有多个t 接负荷点的馈电线路上，研究在何处装设无功补偿电容器， 装设多大容量的电力电容器，可以使得输电线路的电能损耗最小、电压偏差最小，而且最 为经济，从而探索一套适合于农村中压配电网的无功优化方案。本文就是研究一种以网损 最小为目标，以电压约束条件结合经济性条件的优化算法，来确定无功优化时并联电容器 的最佳安装位置和最佳补偿容量。 1 8 本论文的主要内容 通过对各种无功补偿优化方法的比较，结合农村中压配电网的实际情况和基本需要， 选择了一种以网损最小为目标函数，结合电压约束和综合经济性条件的半遍历搜索算法， 以确定并联电容器的最佳安装位置和最佳补偿容量。 在算法研究基础上，采用v c 6 0 + + 作为主要的开发工具，设计了一套单端配电网无功 补偿优化软件，用户只需要输入相应的网络参数与负荷参数，即可寻找出最佳补偿地点和 最佳补偿容量。并且用此算法对某l o k v 县级实际电网进行分析，应用优化软件确定出最 优补偿点数、最佳补偿地点和最佳补偿容量，提出一种适合于农村中压电网特点的无功补 偿优化算法。 论文中的第一章主要介绍无功补偿的意义、无功补偿的常用方式和原则及农村电网无 功补偿的现状，研究了对农村电网进行无功补偿的必要性；第二章主要介绍了无功优化的 数学模型和常用算法，对常用算法进行了分析，针对农村电网提出了遍历优化算法；第三 章主要提出了农村无功优化策略，研究了在给定点数条件下、电压约束条件下、综合经济 条件下无功补偿点数、最佳补偿地点和最佳补偿容量的确定，并对遍历算法进行了改进， 提出了半遍历优化算法的思路；第四章主要针对半遍历算法的无功优化，采用v c 6 o + + 作 为开发工具进行了程序设计，并用均匀负荷的先验结论验证了软件的正确性：第五章主要 用设计的软件对某l o k v 农村单端配电网进行了无功补偿优化，得到了不同约束条件下无 功补偿装置的最佳安装点数、安装位置和安装容量，同时给出补偿前后的线损计算结果和 综合经济比较结果，为农网无功补偿的决策提供了科学的依据；第六章为主要结论与展望。 1 0 2 无功优化常用算法 2 无功优化常用算法 2 1 无功优化的数学模型 电力系统的无功优化问题是属于最优潮流问题的一个组成部分，最优潮流本身在数学 上是一个非线性优化问题，其数学模型可描述为系统的结构参数及负荷情况给定时，通过 4 控制变量的选优，所找到的能满足所有指定的约束条件，并使系统的某一个性能指标或目 标函数达到最优时的潮流分布。采用不同的目标函数并选择不同的控制变量，再和相应的 约束条件相结合，就可以构成不同应用目的的最优潮流问题。 2 1 1 经典的数学模型 电力系统无功优化问题一般可以表示为以下的数学模型7 “； m i n i 0 ，功一0 1 s s s ( u ，并) 一0 ，( 2 1 ) h ( u ，工) 0 l 式( 2 1 ) 中涉及到控制变量( h ) 和状态变量( z ) 。“是能人为调节的变量，包括： 发电机节点的无功功率、可调变压器的抽头位置、无功补偿设备的容量及平衡节点的电压 模值。工包括除平衡节点外其它所有节点的电压相角、除发电机或具有无功补偿设备的节 点的电压模值。 目标函数有多种考虑角度。从经济性角度出发的经典模型是考虑系统的网损最小化， 目标函数为： l gr1 m i n l - m j n z g i 瞬+ u ；一2 u ；u sc o s ( 6 i 一6 s ) j ( 2 2 ) 式中：网络总支路数； q o ，d 支路f 一，电导； 阢、【，分别为f ，两节点的节点电压； 4 ，6 ，分别为节点f ，j 的相角。 从系统安全性出发的经典模型是选取节点电压偏离规定值最小为目标函数： 血五一萋掣 住3 ， 式中：m 除了平衡节点外节点总数； u ，硝为节点，给定电压值； u w 一为节点j 电压给定最大偏差值。 而对系统往往需要同时考虑经济性和安全性，所以出现了同时考虑电压稳定裕度最大 和有功网损最小的多目标函数的无功优化模型。 西安理工大学工程硕士学位论文 约束条件包括等式约束和不等式约束，等式约束即满足潮流方程；不等式约束可考虑： p v 节点或平衡节点的电压、可调变压器的抽头，发电厂的无功出力、无功补偿装置的容 量等控制变量的上下界，p q 节点的电压幅值、p v 或平衡节点的无功注入、支路电流幅值、 支路的视在功率、支路两端电压角度差等运行边界约束。例如针对式( 2 1 ) 模型，可以 考虑如下的约束条件： 。 丑一以善u ，( 岛s + 岛s i n ) 一o i - m q 一阢u j 嘛咖+ 嘲) - o 如m 车如s 如一，q a m q a 如。 玑_ “s u l 。，m 蔓u uu v _ 正。- 五正一 ( 2 4 ) 式中：号，q i 分别表示节点注入的有功功率和无功功率； q b 。，q c 。一，妇b 。，q b 一分别表示第f 个发电机无功出力下限、上限和第f 个无 功补偿器的下限、上限； u j 。，q 一分别表示第f 个可调变压器分节头的调节范围。 2 1 2 电力市场下的数学模型 众所周知，传统的无功优化模型里有很多因素尚未考虑，目标函数大多考虑有功网损 最小或者电压实际偏差量最小。随着电力市场理论的完善及其推广，专家学者意识到无功 合理定价的重要性，提出了考虑无功成本的电力市场下的无功优化模型，即在计及电力系 统无功电价的基础上提出无功优化补偿的模型，其目标函数为系统发电总成本c 。 lc 。磊k ) + ) j + 弘慨) 2 巧 式中：。为发电机节点总数； 坼二为具有无功补偿器的节点总数； c 崩( ) 为节点无功发电成本总数； g ( 岛) 为节点j 的无功补偿器运行成本函数，此优化模型考虑了无功发电成本 和无功补偿器成本，对无功优化问题有一定的修正作用，适应电力市场的需求。 2 2 经典的无功优化算法 关于在无功优化问题中究竟用什么目标函数曾经提出过不同的意见，例如使节点电 2 无功优化常用算法 压偏离其规定值最小，网损最小，补偿电容量最小，或者侧重于经济性的考虑使总投资最 小，综合各种不同的目标函数而言，可以把无功优化问题归结为运行和投资两个子问题。 在现有的无功电源配置中，利用调整发电机，调相机端电压，有载调压变压器分接头和无 功补偿设备的出力使系统总的有功损耗最小来保证电网的经济运行，这属于运行方面的问 题；使系统中需新增设的无功电源费用( 包括投资中的固定费用和可变费用) 消耗最小则 属于投资方面的子问题，这两个问题相结合就构成了无功优化的主要内容。 经典优化算法主要有两大类“”：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。 所谓经典优化法就是从网损最小、年运行费最小、年支出费用最小的观点求出最佳补 偿位置和补偿容量的方法，以及在考虑负荷沿线分布的情况下，求得最佳补偿位置和补偿 容量的算法。这些算法的共同特点是：当求得所要求的量值的数学表达式以后，采用求函 数极值的方法，来求得补偿容量和位置的数学表达式。从数学的观点来看，是一些古典的 算法，故将其称为经典优化算法。这两类算法的基本思想和计算公式的形式很相似，从投 资的角度讲，年费用支出最小是最佳的，考虑到节省电能所获得的效益，应动态地考虑效 益投入比。但二类方法只能应用于简单网络，不能用于复杂网络计算。 黄金分割法是基于数理统计的方法，将黄金分割原理运用予线路补偿中，具有拥有 方法简单，易于计算等优点。这种方法在确定补偿容量前，首先要设定投运率。从经济效 益考虑，一般设定投运率为6 1 8 ，满足黄金分割原则。接着对该点未补偿前一年的1 0 k v 母线总的输入无功功率，运行时间的分布情况进行统计分析，使超过某一无功功率量的统 计时间达到全部运行时间的