（电力系统及其自动化专业论文）中压配电网无功补偿方法研究及实现.pdf

里里型羔l 兰壁! ! ! 塑歪型盐堡立堕型茎丝塞墨 a b s t r a c t a so n eo tt h ei m p o r t a n tm e t h o d st oe n h a n c et h eq u a l i t yo fe l e c t r i c a le n e r g v a n d1 n s u r et h es e c u r i t ya n ds t a h i l i t yo f n e t w o r k s ，r e a c t i r ep o w e rc o l l d e n s a t i o n h a s1 m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h e r u n n i n gs a f e t ya n dd e b a s e m e n tl o s s e s t h e s w i t c h i n go fs h u n tc a p a c i t o r si s i n v e s t i g a t e d ，w h i c hc a nb ei n s t a l l e do n1 0 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t h et h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o ra n dt h ed r i n c i p l e o fs w i t c h i n gi sm a i n l y d i s c u s s e d ，a n dm a k et h ee m u l a t i o no ft s c t h ec o u n t o fc a p a c l t o r s 。c a p a c i t yh a sm u c hd a t a ，w h i c hjsa c q u i r e db yt h es a m e ss a 9 9 0 4 a m e a s u r e dv a l u e sf o ra c t i v ea n dr e a c t i v e e n e r g y ，t h em a i n sv o l t a g ea n d f r e q u e n c yf o re a c hp h a s ea r ea c c e s s i b l et h r o u g ht h e $ p ii n t e r f a c ef r o m2 4b i t r e g i s t e r s f i n a l l y ，t h ed a t af r o mt h ec o m p e n s a t i o ni s g a i n e db yt c p i p k e yw o r d s ：r e a c t i r ep o w e rc o m p e n s a t i o nt s cs a 9 9 0 4 a n e t w o r k s c o m m u n i c a t i o n t c p i p i i y6 2 乏6 7 2 ， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 董生蒸 妒一尹年7 月肛日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文。按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：耋窒盏 妒中年7b 2 - b 硕士论立 中压酣屯网无功补偿方法研究及实现 1 引言 无功补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领 域的重大课题。由于大型电机和电力电子装置的应用日益广泛，使得无功问题引 起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速发展，在无功补偿方 面也取得了一些较明显的进展。无功补偿包括两个方面，一是对系统，即对输电 线的补偿；二是对负荷的补偿。本论文主要讨论的是对输电线的补偿。 1 1 研究背景 随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增 长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增加， 以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分 布，造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足、电压 水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能 在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。 原电力部颁布的“九五”指标中，要求配电系统供电电压合格率在9 8 以上， 一天中允许电压不合格的时间小于2 8 8 m i n ；而“创一流”企业的指标中，要求配 电系统供电电压合格率在9 9 以上，一天中允许电压不合格的时间小于1 4 4 m i n 。 电压质量是电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系 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能质量的优 劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配 电网中显得同样的重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于 电网容量的增加，对电网无功要求也与日俱增。此外，网络的功率因数和电压的 降低将使电气设备得不到充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。因 此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意 义。 合理的无功补偿点的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，提高系统的电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损， 减少发电费用。而且由于我国配电网长期以来无功溃乏，由其造成的网损较大， 因此无功功率补偿是投资少回报高的方案“1 3 。 现在，美国电力主网设备的功率因数已接近于l ，原苏联法律规定功率因数 应大于0 9 2 ，日本等国还建立了全国性的无功管理委员会，研究无功补偿方面的 技术经济政策。1 。从实际情况看，世界上工业发达的国家，其电网功率因数都比 较高。因此，大力提高电网功率因数，降低线损，节约能源，挖掘发电设备的潜 力，是当前电力网发展的趋势。 硕士论文中垭配电网无功补偿方法研究及实现 无功补偿技术，对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要 的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数，减少设备容量和功率损耗，稳 定电压，提高供电质量，提高长距离输电中系统输电稳定性和输电能力，平衡三 相负载的有功和无功功率等。因此，无功功率补偿就成为保持电网高质量运行的 主要手段之一，也是当今电力系统研究领域的一个重大课题。我国与世界上的发 达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距，因此在我 国大力推广无功补偿技术就尤为迫切。 传统的无功补偿是用普通开关将电容器或电抗器投入电网，由于它会产生很 大的冲击电流，而且，当把电容器从电网中切除时，有可能产生拉弧等现象，现 已逐渐被动态无功补偿装置所代替。早期的无功功率动态补偿装置是同步调相机 s c ，它是专门用来产生无功功率的同步电机，可以发出不同大小的容性或感性 无功功率。7 0 年代以来，同步调相机开始逐渐被静止无功补偿装置( s v c ) 代替”1 。 1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行了使用晶闸管的静止无功补 偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸 管的静止无功补偿装置投入实际运行。静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器 ( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) ，以及这两者的混合装置t c r + t s c ，或者是晶闸 管控制电抗器与固定电容器( f c ) 或机械投切电容器( m s c ) 混合使用的装置。在国 内，s v c 目前越来越广泛地应用于电力系统，成为对电力系统的动态电压支撑的 重要手段。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静 止型无功补偿装置出现了，这就是g t o 、i g b t 电路的静止无功补偿装置，即静止 无功发生器( s v g ) ，也称静止调相器( s t a t c o m ) 。 人们还在研究用于动态无功补偿的其它各种形式的静止变流器，包括电流型 自换相桥式电路( 如超导储能s m e s ) ，交一交变频电路，以及交流斩波电路等。 最近，美国电力研究院还提出了统一潮流控制器( u p e ) 和相间潮流控制器 ( i p f c ) 。 2 0 世纪9 0 年代初，人们提出了同步电源的概念，它可以产生与交流电网同 相的三相可控电压来与电网交换有功功率和无功功率，并提出了与线路串联、可 控制线路有效阻抗的静止同步串联补偿器( s s s c ) 。它可以在同一电容性或电感性 范围内，与线路电流无关地产生一可控的补偿电压；而且，当直流侧接电容器时， 可对线路进行无功补偿：接入储能器后，可实现无功和有功补偿a s s s c 正逐渐 被人们广泛认可并加以研究”1 。 1 2 国内外对无功补偿的研究 随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增 2 硕士论文 中艇配l b 阐无功补偿方法研究及实现 长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。因此对于电网的无功损 耗己不单单是要求进行无功补偿，而是要综合考虑电网的各种因素，进行无功优 化。所谓无功优化，就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过对某些控制 变量的优化，所能找到的在满足所有指定约束条件的前提下，使系统的某一个或 多个性能指标达到最优时的无功调节手段n ”。 无功优化问题是从最优潮流的发展中逐渐分化出的一个分支问题。建立在严 格的数学模型上的最优潮流模型，首先由法国的电气工程师c a r p e n t i e r 于2 0 世纪 6 0 年代初期提出。从数学上讲，无功优化是一个复杂的非线性、非连续优化问题， 其目标函数往往不能表达成控制变量的显式函数。由于无功优化问题的重要性， 各国学者展开了大量的研究。基于经典优化算法的方法有：线性规划法( l p ) 、同 伦非线性内点法、动态规划、非线性规划法以及复合形法等。这些方法可以求解 无功优化模型，但也存在一些问题。线性规划可以快速得到结果，但将模型线性 化难以避免误差：非线性规划一般要求目标函数连续可导，在实际应用中受限制； 动态规划法对于高维问题将面临维数灾难。近年来，人工智能技术取得飞速发展， 与严格的数学优化方法不同，它可以处理离散、非凸的非线性问题，比较适于求 解无功优化问题。 无功优化的关键集中在对非线性函数的处理、算法的收敛性和如何解决优化 问题中离散变量的问题三个方面。由于无功优化问题本身的复杂性，对无功优化 的分类比较困难。首先，目标函数有可能因侧重点不一样而存在差别，主要有以 下几种：保证最优电压质量，使电压与额定电压值相差最小；系统有功损耗最小； 无功补偿设备投资最小；变压器分接头和电容器投切次数最少；综合考虑以上几 种目标的多目标无功优化等。其次，约束条件不尽相同，优化方法也有差异。其 中普遍采用的是以系统有功网损最小为目标函数的优化模型”。 对于无功补偿可看作是由于变压器、电动机等电感性负载，在运行或做功时 既要消耗系统的有功功率，又要吸收、交换无功功率，在电网中安装并联电容器、 同步调相机等容性设备以后，可以供给感性负载消耗的部分无功功率，减少电网 电源向感性负载提供的、由输电线路输送的无功功率，也就是减少无功功率在电 网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的损耗，改善电网运行 条件，简言之就是通过调节电容器的安装位置和电容器的容量，使系统在满足各 种约束条件下网损达到最小。 早期的无功补偿装置为静电电容器和同步补偿器。多用在系统的高压侧进行 集中补偿。并联电容器补偿至今仍是一种主要的补偿方式，应用范围很广。同步 补偿器实质是同步电动机，当励磁电流变化时，电动机可随之平滑地改变输出无 功电流的大小、方向。对电力系统的稳定运行很有好处。但同步补偿器成本高、 碘| 论文 中压配电网无功补偿方法酬究及实现 安装复杂、维护困难，使其应用受到限制。目前广泛应用的是结合了电力电子技 术的静止型无功补偿装置。 现代无功补偿技术主要包括： a ) 基于自换向逆变器电路的静止无功功率补偿方法 从电力系统- 则来观察，可以把逆变器电路看成是一个产生基波和谐波电压 的交流电压源，控制补偿器基波电压大小与相位来改变基波无功电流的大小与相 位。当逆变器基波电压比交流电源电压高时，逆变器就会产生一个超前( 容性) 无功电流。反之，当逆变器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后( 感 性) 无功电流，因此能与系统进行有功、无功之间的交换，有资料称其为静止无 功发生器( s v g ) ，它能对一个宽范围的交流电压环境提供额定的无功补偿，并且 比起传统的t c r + t s c 装置其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元 件，谐波含量小，工作范围宽，特别在系统欠电压条件下无功调节能力强。从理 论上讲，逆变的交流侧输出为方波的情况下直接投入电网运行显然是不可行的， 从谐波抑制角度来看目前大多数采取多重化、多电平技术来解决。在国外，9 0 年代中期已进入实用化阶段，如美国西屋电气公司与电力研究院联合为田纳西峡 谷电力系统研制的1 0 0 m v a r 的s v g ，其变流器主电路由8 个1 2 5 m v a 的三相桥式 变流器形成4 8 脉波的多重化结构，通过平衡电抗器及变压器连接到1 6 1 k v 母线 上，变压器的漏抗被用作连接电抗。在我国正逐步进入实用化阶段，清华大学研 制的3 0 0 k r a 静止无功 偿器，采用种借助变压器连接的谐波消除方法即6 n 脉 冲变流器，这也是一种多重化技术。其主电路采用单相桥式结构，其基本组成单 元为三个单相桥组成的三相逆变器，将多个这样的三相逆变器进行多重化连接， 便构成了大容量的主电路，成功地将s v g 应用于大型电力系统。由此看来基于自 换向逆变器电路的静止无功发生器必将成为未来无功补偿的重要发展方向。 b ) 电力有源滤波器 实际上，单独使用的并联有源电力滤波器，为适应降低有源电力滤波器，适 应补偿电压源型谐波等要求，出现了多种其他类型的有源电力滤波器。无论哪种 类型，其基本原理是由全控型电力电子器件构成的采用p w m 控制的逆变器提供与 谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，使电网只含有基波电流，同时还可以提 供无功电流补偿无功功率。其优点是对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功 功率同时进行补偿，可连续调节且响应迅速：大功率补偿时不需储能元件；补偿 谐波时所需储能元件容量也不大：即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不 会发生过载，并能正常发挥补偿作用；受网阻的影响不大，不容易和电网阻抗发 生谐振：能跟踪电网频率的变化；既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多 个谐波和无功源集中补偿。但目前仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台 4 硕七论义中自、酣电网无功补偿方法研究及实现 容量低，成本较高等。随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既 能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。 c ) 综合潮流控制器( u p f c ) 它将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使 其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提 高输送能力以及阻尼系统振荡。一种简化的u p f c 正在西屋公司研制，称为串联 潮流控制器( s p f c ) ，其基本结构和s v g 类似，区别是其输出变压器串联接入输电 线。我国电科院在分析程序和动模实验室中皆建立了u p f c 等控制器的模型，研 究结果证明了u p f c 良好的效果和功能，尤其是其运行灵活性，具有良好的发展 前景。 从以上可以看到无功电流补偿实现手段正趋于与电力电子技术的结合上。结 合方式有三种“”：一是为投切电容器的开关，二是作为无功输出的调节开关，三 是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源补偿无功。目前在我国广泛使 用的还是以s v c 为代表的传统的无功补偿装置，国内外对s v c 的研究集中在控制 策略上。模糊控制人工神经网络和专家系统等智能控制手段也被引入s v c 控制系 统，使s v c 系统的性能更加提高。但是由于上述现代无功补偿技术的突出优点， 使得无功补偿技术未来发展的方向主要以电力电子逆变技术( 即现代无功补偿技 术) 为核心开发出性能更为优越的装置“”1 。 1 3 并联电容器补偿无功的分析 在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。 为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定范围内。频率的控 制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功 功率进行控制。 控制无功功率的方法很多，现在比较常用的是并联电容器和静止无功补偿装 置。论文中采用并联电容器补偿无功。 1 3 1 并联电容器补偿无功功率的原理 在实际电力系统中，大部分负载为异步电动机。包括异步电动机在内的绝大 部分电气设备的等效电路可看作电阻r 与电感l 串联的电路，其功率因数为 c o s 妒。赢 n3 1 ) 式中x l _ r o l 。 给r 、l 电路并联接入c 之后，电路如图1 3 1 a 所示。该电路的电流方程 为 西| 十论文 中胜配电网无功补偿方法研究及实现 ，= ( 1 + j m ( 1 3 2 ) 由图1 3 1 b 的向量图可知，并联电容后电压6 与；的相位差变小了，即供 电回路的功率因数提高了。此时供电电流j 的相位滞后于电压6 ，这种情况称为 欠补偿。 i t 8 l 【 c 、 ，。 、， f f 1 童 c ) 图1 3 1 并联电容补偿无功功率的电路和向量图 a ) 电路b ) 相量图( 欠补偿)c ) 相量图( 过补偿) 若电容c 的容量过大，使得供电电流；的相位超前于电压0 ，这种情况称为 过补偿，其向量图如图1 3 1 c 所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这会 引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电 能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温 升增大，影响电容器的寿命。 1 3 2 并联电容器补偿无功功率的方式 按电容器安装的位置不同，通常有三种方式。 a ) 集中补偿电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 k v 1 0 k v 6 碗- ，论文 中抓配电网无功补偿方法研究及实现 母线上，用来提高整个变电所的功率因数使该变电所的供电范围内无功功率基 本平衡。可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高本变电所的供电电压质量。 b ) 分组补偿将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或村镇终端变电 所高压或低压母线上，也称为分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点， 仅无功补偿容量和范围相对较小些。但是分组补偿的效果比较明显，采用得也较 普遍。 c ) 就地补偿将电容器或电容器组装设在异步电动机或电感性用电设备附 近，就地进行补偿，也称为单独补偿或个别补偿方式。这种方式既能提高用电设 备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分使 用。 无功补偿应根据分级就地平衡和便于调整电压的原则进行配置。集中补偿与 分散补偿相结合，以分散补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主；高压与低 压相结合，以降压为主，并与配电网改造同步规划、同步投运。 1 3 3 并联电容器补偿容量的计算 合理的无功补偿点的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，提高系统的电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损， 减少发电费用。 电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器接法等 有关。 a ) 集中补偿和分组补偿电容器容量计算采用集中补偿方式和分组补偿方 式时，总的补偿容量由下式决定： q c = 凡乓( f g 纪一僖妒2 ) ( 1 3 3 ) 或 o c = 。q 。只 ( 1 _ 3 4 ) 式中只，由变配电所供电的月最大有功计算负载( k w ) ； 户0 月平均负载率，一般可取0 7 0 8 ； 纯补偿前的功率因数角，c o s 。可取最大负载时的值： 妒，补偿后的功率因数角，参照电力部门的要求确定，一般可取0 9 0 9 5 ： q ，电容器补偿率( k v a r k w ) ，即每千瓦有功负载需要补偿的无功功 翠，q 。= t g 妒l t g 妒2 。 电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。 1 ) 电容器组为星形联结时 顽十论文中b 配电网无功补偿方法研究及实现 ”励c x l o - 3 = 徊糌l o 涮1 0 。3 ( 13 5 ) 式中u 装设地点电网线电压( v ) ； l 电容器组的线电流( a ) ； c 。每相电容器组的电容量( f ) 。 考虑到电网电压的单位常用k v ，q 。的单位为k v a r ，则星形联结时每相电容 器组的容量为 c ，蚂= 铲 ( 13 6 ) 式中c ，的单位为。 2 ) 电容器为三角形联结时 q c - 渤c x l 旷- 3 u 志x l o - 3 = 3 葩1 0 。 ( 13 7 ) 若线电压u 的单位为k v ，则每相电容器的容量( 单位为) 为 c 。= 警 。s ， b ) 就地补偿电容器容量计算单台异步电动机装有就地补偿电容器时，若 电动机突然与电源断开，电容器将对电动机放电而产生自励磁现象。如果补偿电 容器容量过大，可能因电动机惯性转动而产生过电压，导致电动机损坏。为防止 这种情况，不宜使电容器补偿容量过大，应以电容器( 组) 在此时的放电电流不 大于电动机空载电流1 。为限，即 q c = 3 u ，d 1 0 。3 ( 1 3 ，9 ) 式中u 。供电系统额定线电压( v ) ； ，。电动机额定空载电流( a ) 。 若电动机空载电流厶在产品样本中查不到，可用下式估算： l o = 2 1 m ( 1 一c o s 驴) ( 1 3 ，1 0 ) 或 f o ： n m ( s i nq o n - c o 珥s 妒一 式中 i n u 电动机额定电流( a ) ； p 。电动机未经补偿时的功率因数角； 硕士论文 中压配 乜同无功补偿方法硎究及实现 n ，电动机最大转矩倍数，一般取1 8 2 2 ，可查手册。 需要注意，若实际运行电压与电容器额定电压不一致，则电容器的实际补偿 容量为q ( f 如= ( 鼍。 式中 u 。电容器的额定电压； g 。，电容器的额定补偿容量； u 。电容器实际工作电压。 配电网无功补偿已经得到越来越多的重视，一般可采用并联电容器作为无功 补偿装置。 、 1 4 网络协议 由于配电网的接线形式多为辐射状，变电站到用户的电力线路具有分布密度 较大、导线线径小的特点，特别是配电网的设备比输电网要多，累计的损耗也就 大。当前的无功补偿装置存在以下一些问题：a ) 若采用固定电容器组进行补偿， 由于负荷的时变性，总存在欠补偿和过补偿的情况b ) 由于各个补偿点是孤立的， 各补偿点是以该点的电参数为依据进行补偿的，在同一条馈电线路上，就可能不 是最优的，在某种特定的条件下，还可能出现投切振荡；c ) 若采用多组电容器进 行补偿，分组数目过多，则投资大，分组过少，则仍存在与a ) 相同的问题。根据 当前配电网自动化的发展趋势，有的文献提出了一种分布式联网型无功补偿方 法。该方法的基本思路是，对配电网进行无功补偿时，并不是把补偿点的装置看 成一个孤立的补偿点，而是把馈电线路上装设的所有补偿装置作为一个补偿系统 来考虑，各个补偿装置都设有通信接口，装置之间通过通信通道连成网络，这一 网络又与上位机( 配电子站) 相连“。 组建网络时，必须选择一种网络通信协议，使得用户之间能够相互进行“交 流”。协议( p r o t o c 0 1 ) 是网络设备用来通信的一套规则，这套规则可以理解为一 种彼此都能听得懂的公用语言，就像使用不同母语的人与人之间需要一种通用语 言才能交谈样，网络之间的通信也需要一种通用语言，这种通用语言就是通信 协议。目前，局域网中常用的通信协议主要有n e t b e u i ，i p x s p x 及其兼容协议 和t c p i p 3 类。 其中t c p i p ( 传输控制协议网际协议) 是目前最常用到的一种通信协议。 在局域网中，t c p i p 最早出现在u n i x 系统中，现在几乎所有的厂商和操作系统 都开始支持它。同时t c p i p 也是i n t e r n e t 的基础协议”“。 经过几十年的发展，t c p i p 协议栈不论是在标准化还是开放性上，已经发展 9 硕士论文 中联配电嗣无功补偿方法研究及实现 得相当完善。这也使得硬件实现成为可能。协议目前的版本为i p v 4 。但是不论是 目前的i p v 4 和将来的i p v 6 都遵从t c p i p 协议简化的四层模型，如图14 1 所示。 图中相对应地列出各层部分典型协议。 应用软件 h 1 t p应用层 u d pt c p 传输层 i i p i c m p网际网层 i p 地址 l a r pd h c p m a c网络接口层m a c 地址 p h y 主机a 图1 4 1t c p i p 协议结构 主机b i 操作系统 p软件 网络1网络2 图14 2t c p i p 协议的模型互连情况 在这四层内部，可以观察到具体的界限。在网络接口层，只有物理m a c 地址 用于地址转换。当接口没有物理地址时，如果使用调制解调器，将使用逻辑地址。 调制解调器一般用于和网络连接，它没有物理m a c 地址。在使用调制解调器连到 网络的时候，分配一个逻辑地址给调制解调器，于是通信就可以进行了。 在因特网层，逻辑i p 地址被映射成物理m a c 地址。t c p i p 互联网中的每一台 主机都分配了唯一的i p 地址。这个地址用于标识主机和这个主机使用的掩码。 传输层和因特网层使用的所有协议都由操作系统来提供。应用程序不用提供 传输协议或互联网互联协议。这使不同操作系统上的应用程序更容易发展，应用 程序只需要拥有和u d p 传输协议或t c p 传输协议作为它们进行通信的接口就可以 了。 应用层使用的所有协议和软件都是依赖于应用程序的。在把现在使用的协议 硕二i 二论文中k 配l 乜网无功补偿方法研究及实现 转换成另一个基本的协议时，许多应用程序仍然可以继续进行操作。t c p i p 分层 模型中的任何一层都只需和它上面或它下面的那一层进行联系”。 1 5 论文的主要工作 论文主要以l o k v 配电劂为研究背景讨论电力系统无功补偿的关键技术问 题。将从以下几个方面展开工作。 a ) 低压和中压无功补偿的异同及优缺点的讨论，补偿算法的选用，补偿容量的确 定： b ) 无功补偿策略： c ) 分析了补偿装置晶闸管和二极管反并联投切开关的串联均压以及触发控制的 一致性，并对晶闸管模型进行了仿真； d ) 采用3 2 位嵌入式计算机p c i 0 4 作为无功补偿自动控制器的控制核心，提出无 功补偿自动控制器的设计方案； e ) 利用专用电能测量芯片实现三相电压、电流、有功和无功的数据采集及计算， 并设计了硬件接口电路，编程实现数据采集； f ) 无功补偿的在线检测及网络化仪表通信设计，实现种分布式联网型无功补偿 形式。 硕士论文中脏配电网无功补偿方法研究及实现 2 配电网无功补偿的分析及补偿策略的讨论 在我国电网建设中，对配电网的基础投入不多，导致我国的城乡电网中( 特 别是配电网) 电压质量不高。其中的原因涉及到设计规划方面和运行调度等多方 面因素，其中一个主要因素是：配电系统中无功的调控机制不足，由此导致无功 的区域调度无法实现，使得电网运行中部分时段出现系统无功功率过剩或不足 时，调度部门可以采取的控制手段不多。因此加大对配电网的无功补偿非常重要。 2 1 配电网无功补偿的特点 在我国配电网中，一般称2 2 0 k v 为送电电压，11 0 、3 5 k v 为高压配电电压，l o k v 为中压配电电压。这3 个电压等级的网损比例大致为1 5 ：1 ：2 5 ，由此可见，l o k v 配电网的降损潜力最大。据估算通过添加无功补偿装置，网损1 0 以上的l o k v 配电线路，大致可降损5 1 0 ，所以，l o k v 配电网无功补偿装置的研制是有巨 大前景的。 根据g b l 2 3 2 5 - - 9 0 电能质量供电电压允许偏差，对用户受电端的电压允 许偏差值提出如下标准：3 5 k v 及以上电力用户的供电电压正、负偏差的绝对值 之和应不超过额定电压的1 0 注：如供电电压上下偏差同号( 均为正或负) 时， 按较大的偏差绝对值作为衡量依据 ；l o k v 电力用户的电压允许偏差值为系统额 定电压的7 ：3 8 0 v 电力用户的电压允许偏差值为系统额定电压的7 ；2 2 0 v 电力用户的电压允许偏差值为系统额定电压的一1 0 + 7 。 据有关资料统计1 0 k v 配电网的功率损耗占整个电力系统网损的6 0 以上：而 出无功功率流动所产生的损耗又占很大比例，所以，l o k v 配电网无功补偿具有重 要意义。由于目前大部分1 0 k v 配电线路上安装的并联电容器采取的是长期接入， 即便对用电高峰季节的低谷时段，也会引起无功过剩、电压升高，出现诸多潜在 的不利因素。因此有的文献提出了进行配电系统柱上无功补偿的必要性和方法。 开发自动化程度高的柱上无功补偿装置，免维护且不占地面空间，安装在线路中， 作为变电站无功集中补偿的补充，进一步提高配电网功率因数，达到降损升压的 目的。 对低压和高压无功补偿电容器的投切来说虽然都可以使用晶闸管投切电容 器，但它们还是有区别的。晶闸管投切电容器有两种补偿方式： a ) 低压补偿方式：适用于l k v 及其以下电压的补偿。使用单一晶闸管阀即可 满足耐压要求，可直接接入低压系统进行补偿。 b 1 高压补偿方式：即补偿系统直接接入电网进行高压补偿。关键问题是要解 决补偿装置晶闸管阀的耐压，即多个晶闸管串联的均压及晶闸管触发控制的同步 性。主电路接线有直接补偿、降压补偿和调压补偿3 种方式。 硕士论文 中胜酣电网无功补偿方法酬究及实现 根据中华人民共和国能源部部标准电力系统电压和电力技术导则， 1 0 ( 6 ) k v 配电线路上宜配置高压并联电容器，或者在配电变压器低压侧配置低压 并联电容器。电容器的安装容量不宜过大，一般约为线路配电变压器总容量的 0 0 5 o 1 0 ，并且在线路最小负荷时，不应向变电所倒送无功。如果配置容量过 大，则必须装设自动投切装置。 l o k v 配电网的无功补偿工作应更多地考虑系统的特点，不应因电压等级低、 补偿容量小而忽视补偿设备列系统侧的影响( 包括网损) 。如果需降损的线路能基 于一个完善的补偿方案进行改造，则电力系统的收益将比分散的纯用户行为的补 偿方式要大得多。 无功功率的调整既要考虑系统电网无功总量的平衡，还要考虑无功功率的分 层、分区平衡，其目的在于能够保证电网各处电压控制在合格范围以内，并能有 效降低输电损耗。 随着城乡电网改造的不断深入，6 l o k v 配电线路的无功补偿越来越得到重 视，这是因为城乡将逐步实现同网圊价，一户一表，高压线路的线损将不再分摊 给各个用户，而由电力部门支付，为了提高经济效益，电力部门将会对现有的高 压线路进行大范围改造，增加无功补偿装置，降低线损。农网中的高压线路一般 较长，末端用户的电压质量有待提高，采用高压线路补偿是一种较好的方式。 因此1 0 k v 配电网无功补偿，特别是高压无功补偿越来越引起人们的重视， 具有很大的研究价值。 2 2 控制物理量的测量及算法 控制无功的基础是无功功率测量的实时性、有效性和准确度。 因现场设备配置和调控目标函数的不同，自动投切控制判据在应用中多种多 样。合理的控制策略应做到不发生过补偿、不发生投切振荡、充分使用电容器容 量、响应快速。 a ) 相位差检测原理：一种常用的测量方法。只要测得电网电压和电流的过零 时间羞，即可求得功率因数角和相应的功率因数值。相位差采样是用过零采样电 路结合计算机定时完成的，当电压信号正向过零时，将向计算机发出中断申请信 号，计算机响应中断，其内部定时器开始计数，当电流信号正向过零时，定时器 停止计数，显然此时定时器数值与两者的过零时间差，即相位差成正比。定时器 数值不仅反映功率因数角的大小，而且还可以判断系统无功负载的性质，即可判 断是欠补偿还是过补偿。 无功电流的检测：一种瞬时值检测方法。在相电压由正到负过零瞬间，相 电流的瞬时值恰好就是该相无功电流的最大值。将相电压由正到负过零信号( 单 项比较器的输出信号) 作为采样保持器的采样开关，采样保持器的输出信号就是 硕：卜论文中雎酣i b 网无功补偿方法：| j | 究及实现 对应的无功电流的最大值。根据所测得的无功电流，计算出需要投切的电容器容 量。其优点是简单、快速，每相在个周期内只采样一次，即可满足动态补偿快 速测量的要求。 c ) 无功功率的计算：任取两时刻的电压、电流作为一组数据，就能把无功功 率检测出来。这样取若干组数据，即可计算出若干无功功率值。再经数字滤波后， 就可以把半个工频周期内无功功率值既准确又快速地检测出来。 2 3 控制物理量的选取及控制策略 控制方式一般分为按功率因数补偿和按无功功率 h 偿两种，有的还辅以电压 控制。每种单独的控制方式均有其不足之处。例如，单独按功率因数补偿，在 负载电流较小时，常会发生投切振荡，计算机作为控制元件，为实现多变量控制 提供了可能性。比较合理的补偿应该做到以下几点：最大限度地利用补偿设备提 高电网的功率因数；不发生过补偿；无投切振荡；无冲击投切；反应灵敏、迅速。 a ) 按功率因数c o s 妒控制：根据存入计算机的整定功率因数c o s 纯，由检测到的 运行参数c o s o 控制所需的补偿电容器容量。电容器组投入后，只有当 c o s 妒： c 0 $ 妒 c o s p 。( c o s 吼，c o s 妒：分别为整定功率因数的上、下限) ，且电压不超 过允许值时，才能运行于稳定区。 b ) 按无功功率控制：根据所测得的电压、电流，计算出无功功率和应该投入 的电容器容量。在电容器组合方式中选出一种最接近，但又不会过补偿的组合方 式，电容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量( 下限值) ， 则应该保持状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。 c ) 综合控制：充分发挥计算机强大的存储、计算、逻辑判断功能，以功率因 数控制为基础，以无功功率控制避免投切振荡，及以电网电压上限值和负载电流 下限值作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的智能综合控制。 d ) 模糊控制：当以系统运行工况为参数时，无功补偿电容器的输出容量正比 于端电压的平方，而且并联电容器的端电压与系统功率因数的关系是一簇曲线， 这给无功补偿电容器的自动控制带来了困难圳。 如何自动投切补偿电容器，目前并无统一的准则。根据实践经验，可有下述 六种方法； a ) 按功率函数大小投切 这是电网无功控制的传统方法之一，它以电网中反映电压与无功相位差的功 率因数作为控制信号来控制并联补偿电容器的投切状态。然而功率因数并不能准 确反映电网中负荷的无功分量大小。如电网重载时，负荷的无功分量很大，但由 于无功分量在负荷中所占比例较小，所测的功率因数角可能较小，甚至低于系统 补偿的整定值，使控制装置对电网不做补偿，无法做到跟踪调节，表现出控制系 1 4 弼h 。论文 中b ：配t b 婀无功补偿方法w i 究及实现 统的迟钝性。当电网轻载时，功率因数角可能较大，但负荷的无功分量并不大， 此时对电网进行补偿，很容易造成过补偿，补偿装置要切除电容，系统又恢复到 初态。如此反复造成控制系统的投切振荡。不仅影响控制系统的可靠性和使用 寿命，也将影响电网和用户设备的安全运行。 为克服上述缺陷，文献 3 4 采用了按不同的负载区间进行功率因数的多值自 动整定及自动选取法进行自动投切，临界功率因数法也是克服临界振荡的常用方 法，其限定了轻载时的临界振荡区域，较有效地克服了电容投切时的振荡。 b ) 按母线电压高低投切 有功功率的波动一般对电网电压影响较小，电网电压波动主要是由无功功率 波动引起的。据此某些对电压要求严格的枢纽变电站，仅以母线电压高低作为变 电站无功自动调节的判据，而未考虑保持无功基本平衡这个原则，虽然据此构成 的并联电容自动投切装置在部分变电站进行了运行，但在原理和补偿效果上都较 差。 c ) 按母线电压和功率因数复合控制投切 按母线电压和功率因数复合控制构成的判据，有2 种判别方式：一是以母线 电压为主，功率因数为辅，即只要电压合格，则不考虑功率因数，当母线电压不 合格时，根据母线电压和功率因数的性质决定电容器组的自动投切；另一种是母 线电压和功率因数作为2 个并行判据，即使电压在合格范围内，如果功率因数满 足投切条件，亦会进行投切。第一种判别方法，尽管考虑了无功补偿效果，但在 某些运行状态下，缺无功补不上去，超无功切不下来，致使无功补偿效果较差； 第二种判据，功率因数并不能真正反映无功。甚至偶尔2 个并行的判据互相矛盾， 使补偿电容器组出现频繁投切的现象。 d ) 按母线电压和昼夜时间复合控制投切 根据变电站的日负荷运行曲线，将日负荷划分为多个负荷时段。根据各个负 荷时段对母线电压和无功功率的要求，编制合适的运行程序，实现对并联补偿电 容器的自动投切。这种调节方式实时性较差，仅适合日负荷较规律的变电站，且 必须随季节和负荷量的改变，对各时段的母线电压和无功功率补偿值进行调整。 e ) 按母线电压和无功功率复合控制投切 母线电压和无功功率综合控制就是利用电压、无功2 个判别量对变电站电压、 无功进行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本乎稳。 按电压、无功限制整定方式综合控制时，电压、无功的上下限如图2 3 1 所 示。 坝i ，论t 中1 1 、酣l u 网无功补偿方j 击 究及实现 jl u 0 q 限 、限 812 7o3 6 54 图2 3 。l 电压无功调1 t 边界 显然，只有运行在0 区时，才能同时满足电压和无功的上下限。当运行状态 脱离0 区时，控制器应自动发出控制指令，调节有载调压变压器的分接头位置或 投切电容器组，使之进入0 区。控制过程应考虑到控制次序的合理性及对各种可 能出现情况的应变能力。下面简单叙述各区的调节过程。 1 ) l 区：电压越上限，降压至脱离该区，如果降到底仍在该区，则切电容器： 2 ) 2 区：电压越上限，无功越下限，应先降压，如果降到底仍在2 区，则切电容 器： 3 ) 3 区：电压合格，无功越下降，投电容器： 4 ) 4 区：电压越下限，无功越下限，应先投电容器，若电压仍越下限，则升压； 5 ) 5 区：电压越下限，升压； 6 ) 6 区：电压越下限，无功越上限，应先升压，无功仍越上限，则切电容器： 7 ) 7 区：电压合格，无功越上限，切电容器； 8 ) 8 区：电压越上限，无功越上限，应先切电容器，若电压仍越上限，则降压。 图2 3 1 中，电压上下限是根据电压合格范围确定的，为了实现电压的逆调 整，需根据各个负荷时段确定电压的上下限：无功上下限是根据每组电容器的容 量、电容偏差、无功基本平稳和保持投切相对稳定的原则来确定的，q t m 表示无 功过剩，q ，。表示无功不足。 目前，利用微处理机构成的变电站电压、无功综合控制装置，基本上都采用 上述控制判据。当然，每个装置的具体构成方案略有差异，比如在某些控制区对 电容实行强投、强切或禁投、禁切等。 硕士论文 中照蚍i 垃网无功补偿方法研究及实现 该控制方案克服了单以电压作为调节判据所造成的无功补偿效果差的缺陷， 基本消除了以电压、功率因数作为调节判据所造成的并联补偿电容器投切振荡现 象，是较为理想的控制方案。但方案中的无功功率调节判据与电压无关是不恰当 的。 f ) 按母线电压和无功功率相关性复合控制投切 无功功率变化对系统电压的影响可近似由下式表示： 坐：丝 ( 2 3 1 ) u os s c 。 式中u 。为无功功率等于0 时的母线电压； s 。为系统短路容量。 可见，无功功率的变化将引起母线电压成比例的变化。 根据这一基本原理，针对电容器的投切判据可建立如下的数学模型： 巩= 等”罢a z s z ， 式中u 。标准电压，u 为实时电压； 凸每组电容器的容量，q 为无功功率； a ，a ，权重系数，由无功调节的边界条件决定： q 。，电容投入的判别量。 假设u = u 。时，q 1 5 q 。则可投入一组电容器；u = 1 0 5 u 。时，q 2 q 。亦可投 入一组电容器。并设投入一组电容器的动作条件为q 。，1 。将上述条件代入式 ( 2 3 2 ) 可得： f 生丝。，+ 堕盘：l lu 。 1 q o l 产等铲 解此方程组可得：a ，；2 0 3 ，a ：= 2 3 a 因此可得一组电容器的动作判据： 鳊= 詈等+ 詈詈 为防止电容器过补偿，再增设电容投切辅助判据q q 。 同样可建立电容切除判据的数学模型： = 百u - u n 旷蚤口： ( z - 3 。? 硕士堑垫中批配电网无功补偿方法研究及实现 假设u = u ，时，q = 一o s q 。则可切除一组电容器；u = 0 9 5 u 。时，q 一q 。亦可 切除一组电容器。并设切除一组电容器的动作条件为q 。】。将上述条件代入 ( 2 3 3 ) 可得切除电容器的动作判掘： q 。= 2 0 u 。- 。u , , 一2 旦o o 1 根据上述无功投切判据，可将电压、无功平面划分为如图2 3 2 所示的9 个区。 无功边界变成了与电压线性相