（电气工程专业论文）县级电网无功电压优化控制方法的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i m i z i n gc o n t r o lo fv a ra n dv o l t a g ei sa l li m p o r t a n tm e a n so fe n s u r i n g c o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r kn l ns a f e l ya n de c o n o m i c a l l y , i ti sa l s o8 1 1i m p o r t a n t m e a s u r eo ni m p r o v i n ge l e c t r i ce n e r g yq u a 3 i t y t h u st h er e s e a r c ho no p t i m i z i n g c o n t r o lo fv a ra n dv o l t a g eo fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r kh a sn o to n l yt h e o r y m e a n i n gb u ta l s oa c t u a la p p l i c a t i o nv a l u e n em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c hw o r ki n t h i sa r t i c l ei n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ec u r r e n ts t a t u so fo p t i m i z i n gc o n t r o lo fv a ra n d v o l t a g eo fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k ，t h er e a c t i v el o a da n dt h er e a c t i v ep o w e r s o n r c eo fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e a c t i v e p o w e rb a l a n c eo fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r ka n dt h ep o w e rs y s t e m sv o l t a g el e v e l t h i sa r t i c l ea l s oa d j u s t st h em a i nq u e s t i o n se x i s t i n gi nt h em e t h o d so f c o n t r o lo f v a r a n dv o l t a g ei nc o u n t r y - l e v e lp o w e rn e t w o r ka tp r e s e n t ，a n de x p o u n d st h ef e a s i b i l i t y a n dt h en e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho no p t i m i z i n gc o n t r o lo fv a ra n dv o l t a g eo f c o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k 2 b a s e do nt h ep r a c t i c a lr u ns i t u a t i o no fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dt h em a t h e m a t i c a lm a t r i xo ft h es y s t e mo fo p t i m i z i n gc o n t r o lo f v a ra n dv o l t a g e t h em a t h e m a t i c a lm a t r i xm a i n l yi n c l u d e st h ev o l t a g ea d j u s t m e n t a l g o r i t h mf o rp o w e rs u b s t a t i o n ，t h em a t r i xo fo p t i m i z i n gc o n t r o lo fv a rt i d ec u r r e n t a n di t ss o l u t i o nm e t h o d ， 3 ak i n do fv a ra n dv o l t a g eo fc o u n t r y - l e v e lp o w e rn e t w o r ko 两m i z i n g c o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e db yu t i l i z i n gt h ec o u n t r y l e v e ld i s p a t c ha u t o m a t i o n s y s t e m t h es y s t e mg a t h e r sr e a lt i m ed a t eb yas p e c i a ls e r v e rf r o mt h ed i s p a t c h a u t o m a t i o ns y s t e m ，f o r m st h eo r d e r sf o rv o l t a g er e g u l a t i n go ft r a n s f o r m e r s t a p c h a n g e r sa n dt h eo p e n i n g c l o s i n go r d e r sf o rc a p a c i t o r sa c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z e d c a l c u l a t i o no fv a r ，v o l t a g ea n dt h ev a rt i d ec u r r e n t ，a n dp u t st h eo r d e r st ot h e d i s p a t c ha u t o m a t i o ns y s t e mt op e r f o r m ，r e a l i z e st oo p t i m i z i n gc o n t r o lo fv a ra n d v o l t a g eo fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k s i n c et h es y s t e mw a sp u ti n t ou s e ，i th a s i m p r o v e dt h em a n a g e m e n to f t h ec o n t r o lo f v a r a n dv o l t a g eo f c o u n t r y l e v e lp o w e r n e t w o r k ，r e d u c e dt h ee n e r g yl o s so np o w e rn e t w o r k ，b r o u g h tt h ee c o n o m i cb e n e f i t s ， a n de n s u r e dt h ep o w e rn e t w o r kw o r k m o r es a f e l y t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to f t h i sa r t i c l ei n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mi sa c c e p t a b l e f o ro p t i m i z i n gc o n t r o lo fv a ra n dv o l t a g eo fc o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k ，i t a c h i e v e ss a t i s f a c t o r i l ye f f e c t k e y w o r d s ：c o u n t r y l e v e lp o w e rn e t w o r k ；v o l t a g ec o n t r o l ；v a ro p t i m i z i n g v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：乌聋 导师签名：l _ ! 二日期：兰：! ，! ：! l i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 县级电网运行中无功电压优化控制的意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对县级电网供电的电压质量 提出了越来越高的要求，保证客户电压接近额定值是县级电网运行控制的基本 任务之一。 县级电网是现代化大电网的个有机的组成部分。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，些地方电压过高，一些地方电压过低； 在同一区域内，有时电压很高，有时电压较低。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【2 “， 对电力客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客户的运行影响如下： 1 、电压降低，使网络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足，电压水平低下的情况下，某 些枢纽变电所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，可以导致发电厂之间失步，整个系统瓦解的灾 难性事故。 2 、电压对电力客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1 ， 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l o 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 上海大学硕士学位论文 不动所拖动的机械停转。一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。 在县级电网中，3 5 k v 、1 0 k v 电网主要给客户供给电能，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a u ，它主要是由 q x u 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。 县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规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 、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 变电所的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3 + 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所和发电厂( 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0 + 7 。 为保证客户的电能质量，各负荷点的电压应保持在允许的电压偏移范围之 内，但是在县级电网中，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，为保持客户电压质量合格， 在县级电网中，一般都采用调节和控制各变电所的母线电压来实现。 1 2 无功电压优化控制方法研究的可行性和必要性 海安县供电公司已成为企业，越来越重视企业的经济效益和电网的经济运 行，南通供电公司对海安县供电公司双文明综合承包指标中，已明确考核电压 合格率和线损率，要求电压合格率为9 9 5 ，全口径线损率为1 1 9 1 。随着电 上海大学硕士学位论文 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，避免客户的投诉，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。海安县电网位于南通电网的东北部，无电源点 支撑，是典型的负荷区，其电压主要调节变电所母线电压进行。因此无功电压 优化控制方法的研究，对海安县供电公司而言是非常必要的。 随着科学技术的不断发展，海安县电网已实现调度自动化，各变电所己改 为综合自动化，并实现了光纤通信，各变电所的无功、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所有载调压开关和电容器开关进行，劳动强度大，不能实 现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， 利用县级调度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。 有变电所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。这些应用软件的开发，很大程度上缩短了计算 的时间。 上海大学硕士学位论文 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，八十年代末、九 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 a 。由于网、省调关，t h , 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、县供电公司的问题，没有重点解决。 多年来，专家学者们在无功电压优化控制方面做了许多艰苦的研究工作， 取得了许多成果。 文献( 1 ) 对变电所无功电压综合控制设计的原理、策略、应用情况进行了 阐述，并介绍了整定和调试经验，描述了外围环境对该设备运行的影响，运行 中存在的问题及解决的措施，并预测了它的发展趁势和前景。 文献( 2 ) 介绍了一种功能和控制策略与传统的变电所无功电压调节装置完 全不同的电力系统无功电压调节控制装置的作用、控制原理、控制方法以及计 算软件，并对5 0 0 k v 输电系统进行了基于经济压差( u ，) 的优化无功潮流 上海大学硕士学位论文 ( o p f ) 计算分析。只要在同一电压层的每个发电厂和变电所都安装一套装置 正常运行，电力系统就能有最优( 或接近最优) 无功潮流，达到电压好、线损 低和电压稳定储备高的目的。 文献( 3 ) 提出了一种实用的基于s c a d a 模式的无功电压自动监控的专家系 统。该系统拓展了s c a d a 的功能，综合利用主站系统提供的丰富信息进行防错 处理和上下级厂站的统一考虑，需要规则、时段、限值的相互协调，适应电网 自动化发展的趋势，并介绍了该系统设计的基本原则、方案、特点以及实现中 应注意的问题，该系统的运行结果表明对改善电能质量的效果是明显的。 文献【4 ) 描述了如何利用s c a d a 、负控管理、电能计费等自动化系统中的 实时数据，设计开发咸阳供电局无功电压管理系统。帮助管理人员及时掌握各 级电网的无功潮流、主要电压监测点电压合格率，无功及调压设备的运行工况， 及采取有效措施，改善电能质量，降低电网损耗，提高运行管理水平。 文献( 5 ) 从技术角度分析了面向地区电网的无功电压优化控制的特点， 经济性和实用效果从而提出利用实时监控系统实施地区电网的电压无功自动 优化控制是实现电网经济运行和低成本电力服务的有效措施。 文献( 6 ) 在大型变电所的二次母线上装设可投切补偿电容器组和带负荷可 调分接头的主变压器相配合，进行联合控制连续模型的基础上，提出了无功电 压双参数离散模型，利用该模型对一实际变电所无功电压控制进行了计算，并 与连续模型的结果进行了比较。 文献( 7 ) 从满足用户电能质量需求点出发，结合合肥地区电网无功电压 控制的实施，从技术角度分析了面向全网无功，电压优化控制的特点，经济性和 实施效果，从而提出在实时监控系统的支持下，自动实施整个网络的电压无功 优化控制是实现电网经济运行和低成本电力服务的有效措施。 文献( 8 】介绍地区电网无功电压优化控制系统软件的主要功能、优化控 制原理和主要流程，分析使用该系统所带来的效益，应用表明，该系统可有效 地提高地区电网各节点的电压合格率，减少线路网损，在电力系统中有良好的 应用前景。 文献( 9 ) 介绍了作为电力系统自动化的一个重要组成部分，电力系统无功 上海大学硕士学位论文 电压控制具有电力系统控制所固有的复杂性、非线性、不精确性及实时性强等 特性，其中有些方面难以用传统的数学模型和常规的控制方法来描述和实现， 人工智能技术由于具有传统方法所不具备的智能特性，因而在无功电压控制中 得到了广泛的关注，并取得了大量的研究成果。文章介绍了近年来专家系统、 人工神经网络、模糊理论、遗传算法以及多a g e n t 系统等人工智能技术在电力 系统无功电压控制中应用的主要成果和方法，分析比较了它们各自的应用特点， 并提出了一些需要解决的问题和值得进一步研究的方向。 文献( 1 0 ) 介绍了电力系统的实际运行中可能存在某些状态变量的越限。 在线运行的无功电压控制软件必须满足安全运行的要求保证电压在其合格范 围之内，并进一步在电压安全的基础上降低有功损耗。通过对越限约束化为等 式约束，推导了进行电压越限校正的原对偶内点算法。求解目标函数为控制变 量动作次数最少的优化问题得到电压校正控制方案。并针对控制变量的选取、 违限约束校正方法问题进行了分析。实际计算表明，可以有效地降低问题规模， 减少校正控制次数。 文献( 11 ) 介绍了通过对双卷变压器的数学模型进行分析，讨论了双卷变 压器抽头调整后，变电所各侧电压及无功功率的变化；无功补偿对变电所各侧 电压及无功功率的影响；实际电网生产运行中，无功补偿与变压器抽头的配合 调整。并以湖北电网为例给出了算例进行了验证，以供电网调度和变电运行人 员参考。 文献 1 2 ) 介绍了变电所无功、电压控制的特点，分类阐述了目前在变电 所主要采用的无功电压控制策略的原理及方法。分析了各种控制策略的优缺 点，从而为更好地进行变电所的无功、电压控制提供了策略参考，也指出了变 电所无功、电压控制的发展趋势。 1 4 本论文的主要工作 电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证客户电压接近额定值是县级电 网运行的重要任务之一。电压偏移过多，不仅影响客户设备的正常工作，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 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 上海大学硕士学位论文 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。 鉴于以上分析，本论文主要根据海安县电网实际，对无功和电压优化控制 的方法进行研究，其章节编排为： 第一章：对县级电网无功电压优化控制的意义进行论述，对县级电网的无 功电压控制的可行性、必要性和国内外研究现状进行分析。 第二章：对县级电网中的无功负荷，无功电源和电压调整方法进行分析， 论述县级电网中无功功率平衡与系统电压水平的关系，指出目前县级电网中无 功电压控制存在的主要问题。 第三章：根据县级电网结构和无功电压的优化控制原则，确定数学模型。 第四章：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。 第五章：对本文进行总结，对进一步的工作进行安排。 上海大学硕士学位论文 第二章县级电网无功电压控制分析与研究 在县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。县级电网正常运行时，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 县级电网中的无功负荷 县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 谓功率因素就是指 c o s = p 2 + q 2 ( 2 1 ) 式中：c o s 舻一功率因素 p 有功功率 q 一无功功率 县级电网中的电气设备千千万万，在电网中，输送电能的主变压器、配电 变压器、各级电压等级的输、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、日光灯在运行时也 在消耗着无功功率，以海安电网为例，2 0 0 4 年7 月2 8 目消耗的无功功率见表 2 一l 。 表2 - 1 电网消耗的无功功率表( 单位：m v a r ) 时间 l234 56 7 891 0l l】2 无功负荷 1 0 81 0 21 0 41 0 31 0 61 1 31 1 01 2 01 2 11 2 61 2 91 1 8 时间1 31 41 51 61 71 81 92 02 l2 22 32 4 无功负荷1 0 41 1 81 1 41 1 91 2 01 2 81 3 01 2 61 1 31 1 51 0 31 0 6 上海大学硕士学位论文 因此，县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 客户无功功率负荷 在县级电网中，客户的感应负载消耗有功功率的同时消耗着大量的无功功 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， 一般工业客户感应负载的功率因素见表2 2 。 表2 2 一般工业客户感应负载的功率因素表 功率因数c o s 妒 负载类型 轻载 5 0 满载8 肚一1 0 0 感应电动机05 0 6o 7 5 - _ 0 8 造纸工业0 4 - _ 0 50 ，7 2 _ 0 7 8 化工设备0 6 5 o 7 0 7 5 一o 8 2 冶炼工业o 5 0 60 7 5 _ o 8 5 轧钢设备0 2 _ o 30 6 5 _ 0 7 2 塑料工业 0 5 0 60 6 5 一o 7 2 水泥厂0 6 5 句7 2o 7 5 _ o 8 2 交流焊机、点焊机 0 一0 3 5 o ，4 荧光灯、家用电器 0 ，6 5 加7 5 县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，以海 安电网为例，2 0 0 4 年工业用电量为7 7 亿千瓦时，占全社会用电量的7 0 ，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 - 1 为异步电动机等值电路，图 中五为定予漏抗，置为转子漏抗，r 为转予电阻，以为励磁电抗，s 为转差 率。 f u 2 - 1 异步电动机等值电路图 电动机从电网吸收的无功功率为： r 2 s 上海大学硕士学位论文 q = 笔玎( 五碣) 式( 2 - i ) 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。 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。 l 、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 上海大学硕士学位论文 u s r t + j x t 图2 - 3 变压器等值电路 分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中的损耗，即： 驴播聃畿( 鲁) 2 。， 其中励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流以厶的百分值，约为 1 2 ；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巩 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16 5 5 0 0 k v 升 压，网络中的50 0 2 2 0 、35 1 0 、1o 0 4 k v 降压至客户，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 变压器绕组漏抗中损耗 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荷 5 7 1 0 01 9 5 5 0 2 、输电线路中的无功损耗 输电线路n 型等值电路如图2 - 4 所示，线路串联电抗中的无功功率损耗q 上 与所通过的电流平方成正比即 上海大学硕士学位论文 q = 警z = 警2 2 x 线路电容的充电功率与电压平方成正比，即 幺= 一鲔2k ，1 2 + 叼) 线路的无功总损耗为 妒蚴q = 墨茅x 一罢( 断吲 r j x 图2 - 4 输电线路等值电路 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 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。1 1o 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 县级电网中的无功电源 以海安县电网为例，由于县内在建的热电厂尚未投入运行，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 县级电网内的无功补偿装置 县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 形接法或星形接法并接到变电所的母线上，它发出的感性无功功率q c 的值与所 在的节点电压u 的平方成正比，即： rr 2 q c = 告= c o c u2 = 2 * r f c u 2 ( 2 7 ) 1 2 上海大学硕士学位论文 式中：z ，一电容器的容抗，z 、= 1 c o c 。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0 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，因而在县级电网中广泛地应 用。 2 2 2 县级电网无功补偿装霉分布情况 1 、客户端无功补偿装置 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置，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o 9 5 ：其他电力用户，功率因数不宜低于0 ，9 0 根据此规定，目前海安电网客户端无功补偿电容器容量为1 2 5 m v a r 。 客户端无功动态补偿装置集电脑、机电一体化、全自动、高精度随着客户 端有功、无功负荷和电压的变化自动投入和切出补偿电容器，实现了分类、分 区无功自动补偿，使客户端向电网吸收的无功保持在最佳状态，以提高功率因 素，改善电能质量。客户端无功补偿装置，对县级电网无功、电压优化控制起 到了很大的作用，是一种性能优越不可缺少的无功电源。 客户端无功补偿装置可以利用专用接触器投切电容器，也可以利用功率模 块作为开关器件投切电容器，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 上海大学硕：e 学位论文 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。 目前，海安电网装设在1 0 k v 线路上的固定补偿电容器容量为5 m v a r ，自 动投切的无功补偿装置由于价格昂贵，目前仅装设2 套，计2 3 0 0 k v a r 。 ( 2 ) 装设在变电所母线上的无功补偿装霞 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 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 l o 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，海安电网目前装设了9 5 3 m v a r 补偿电容器，其配置如袭2 - 4 ，装设 在变电所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 海安电网各变电所补偿电容器配置表( 单位：m v a r ) 贺脚海安 田庄 南郊曲塘墩头李堡新城腰庄雅周营溪双楼新南 容量2 圯8 * 4 4 + 3 粥 2 1 8 粥33l5l 2施l5 安脚沙岗仇湖隆政城中北郊东郊大公西场新生角斜潍涂胡集 容量 l 5l 51抛飘52 1 22l 5l 51 - 8ll 5 2 - 3 县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 要等于所有客户负荷消耗的无功功率和系统中无功功率损耗之和。县级电网中 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。 县级电网中的无功功率平衡关系与有功功率相似，即 q 。c = q l + 呸 ( 2 8 ) 式中：瓯一电源供应的无功功率，含2 2 0 k v 电网供给和县级电网内无功 1 4 上海大学硕士学位论文 补偿装置发出的无功功率； 骁一负荷消耗的无功功率； 珐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。 舀 ( a ) 等值电路( b ) 相量图 图2 - 5 输电线路等值电路和相量图 由图2 5 ，可知 d 。一吨= d d = 、s j ( r + ，) ( 2 9 ) 为线路上的电压降落，取d 口在吼方向上的投影u 及也垂直方向上的投 影8 u ，分别为电压降落的纵分量及横分量。从相量图上可知： a u = 3 ( r c o s p + r s i n 妒) ( 2 - 1 0 ) 5 u = 4 互l ( x c o s q , 一rs i n ( p 1 ( 2 1 1 ) ，：善 4 3 u ， u ：8 r + q 2 x u 2 ( 2 - 1 2 ) 将式( 2 1 2 ) 代八式( 2 一l o ) 和式( 2 1 1 ) ，则可得 ( 2 - 1 3 ) 上海大学硕士学位论文 6 u ：墨墨垒墨 ( 2 - 1 4 ) 以作为坐标参考时 d 。= 吼+ a u + j u ( 2 1 5 ) u i = ( + u ) 2 + ( 万u ) 2 ( 2 1 6 ) 一般矾、吼间的相角差比较小，可以忽略电压降落横分量时电压损耗影 响，把电压降落纵分量近似看作电压损耗，即 u * + 半 ( 2 1 7 ) u = u 一2 半 ( 2 _ 1 8 ) 一般来说，q 比p 在数值上略小一些，当c o s f o = 0 8 时，p q = 8 6 ，对 于高压电网x 往往大于霞许多，例如一般z = 0 4 欧公里，而足可能仅仅是盖 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 爿造成的，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。 上海大学硕士学位论文 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，当略去电阻对，电源点到负荷点之间的总阻抗为x ，等值电路图如图2 - 6 ( a ) 所示，图2 - 6 ( b ) 画出了各参数间的相量关系。 e 图2 - 6 无功功率与电压关系解释 从相量图中可以找出以下关系： es i n 占= x g o s d 蛔妒= 晏s i l l 5 e c o s 8 一u = s i n 毋 ，s 抽：旦c o s 巧一旦 于是有： p = 叫c o s = 型s i n j q = u i s i n o = e uc 。s 占一i 9 2 现在从q 的表达式中消去c o s 8 ，则有 陕i 了e u 3 j 2s ，n 2 占= ( 警 2 一( 警 2 c o s 2 d ( 黔矗巧= 2 ( 2 - 1 9 ) f 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) r 2 2 2 ) r 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) r 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 一 上海大学硕士学位论文 e u 、 c o s d x q = 等c o s 艿一警领等卜一警 这就得到了无功功率和电压的关系式q = s ( v ) f 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 如图2 7 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 - 7 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n 就决定了负荷节点的电压值乩，系统在此电压下达到了无功功率的平衡。 削2 7 负衙的无功电压曲线 当负荷增加时( 为减化分析仍设j 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1 ， 则两者相定交于n7 ，这时负荷点的电压降低为u 。以后新的无功平衡点，此时虬 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。 上海大学硕士学位论文 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，如果 日l j n i j 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 = i ( u 1 曲线就可以上移为1 ，恰好与曲线2 交于c 点，仍然 对应于原来的额定电压阮，显然这时的无功功率平衡值增大为q 2 8 o 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，要维持县级电网的电压水平，就必须有足够的无 功电源来满足县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，就会使县级电网处于低水平上的无功功率平衡。即靠降低电 压运行，使负荷吸收无功功率减少来弥补无功电源的不足。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压运 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 县级电网的电压调整 2 4 1 变电所母线的电压管理 为了保证电能质量，各负荷点的电压都应当保持