电力系统无功规划的原则与模型

电力系统规划与可靠性

电气工程学院电力信息与控制研究所

李晓明武汉大学电气工程及其自动化专业选修课(第6专题:电力系统无功规划)电力系统无功规划的原则与模型第1页电力系统无功规划概述电网电压标准无功赔偿规划标准无功赔偿线性规划模型无功赔偿容量配置配电网无功赔偿容量确实定/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所632电力系统无功规划的原则与模型第2页概述无功赔偿主要性：电力系统无功赔偿与无功平衡是确保电压质量基本条件。无功赔偿作用：无功规划分类：按规划时间长短电网无功规划也可分为长久规划（以上）、中期规划（5～）和短期规划（1～5年）三种。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所633低压及配电网络（1）调整电压（2）提升功率因数，降低网络损耗高压输电系统（1）提升系统稳定性（2）调整受端电压（3）抑制线路电压升高（4）降低有功损耗（5）赔偿换流装置需要无功功率电力系统无功规划的原则与模型第3页电网电压标准发电厂和变电站母线电压允许偏差值500（330）kV母线：正常运行方式时，最高运行电压不得超出系统额定电压+10％最低运行电压不应影响电力系统同时稳定、电压稳定、厂用电正常使用及下一级电压调整。发电厂和500kV变电站220kV母线：正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电压0～+10%，事故运行方式时为系统额定电压-5％～+10％。发电厂和220kV变电站110～35kV母线：正常运行方式时，电压允许偏筹为对应系统额定电压-3％～+7％，事故后为系统额定电压±10％。带地域供电负荷变电站和发电厂(直属)10（6）kV母线：正常运行方式下电压允许偏差为系统额定电压0～+7%。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所634电力系统无功规划的原则与模型第4页电网电压标准用户受端供电电压允许偏差值35kV及以上用户供电电压正、负偏差绝对值之和不超出额定电压10％。10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压±7％。220V单相供电电压允许偏差为额定电压-10%～+7%。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所635电力系统无功规划的原则与模型第5页电网电压标准各级电压允许损失值范围/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所636额定电压电压损失分配值（%）变压器线路220kV1.5～31～2110kV2～53～535kV2～4.51.5～4.510kV及以下2～44～8110kV线路配电变压器低压线路2～41.5～32.5～5电力系统无功规划的原则与模型第6页无功赔偿规划标准国家相关标准按电压赔偿标准按经济赔偿标准无功赔偿优化/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所637电力系统无功规划的原则与模型第7页国家相关标准无功赔偿应按《国家电网企业电力系统电压质量和无功电力管理要求》（国家电网生[]203号）执行，主要内容为：【无功就地平衡】集中赔偿与分散赔偿相结合，以分散赔偿为主；高压赔偿与低压赔偿相结合，以低压赔偿为主标准，实施分级赔偿，实现无功动态就地平衡，满足降损和调压需要。。【分（电压）层和分（供电）区无功平衡】电力系统配置无功赔偿装置应能确保在系统有功负荷高峰和低谷运行方式下分（电压）层和分（供电）区无功平衡。分（电压)层无功平衡重点是：220kV及以上电压等级层面无功平衡；分（供电）区就地平衡重点是110kV及以下配电系统无功平衡。【防止无功交换】各级电网应防止经过输电线路远距离输送无功电力。500(330)kV电压等级系统与下一级系统之间不应有大量无功电力交换。500(330)kV电压等级超高压输电线路充电功率应按照就地赔偿标准采取高、低压并联电抗器基本给予赔偿。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所638电力系统无功规划的原则与模型第8页国家相关标准【受端无功备用】受端系统应自足够无功备用容量。当受端系统存在电压稳定问题时，应经过技术经济比较，考虑在受端系统枢纽变电站配置动态无功赔偿装置。【不引发系统谐波显著放大、防止大量无功电力穿越变压器】各电压等级变电站应结合电网规划和电源建设，合理配置适当规模、类型无功赔偿装置。所装设无功赔偿装置应不引发系统谐波显著放大，并应防止大量无功电力穿越变压器。35～220kV变电站，在主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数应不低于095，在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。【电缆线路配置适当容量感性无功】对于大量采取10～220kV电缆线路城市电网．在新建110kV及以上电压等级变电站时，应依据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量感性无功赔偿装置。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所639电力系统无功规划的原则与模型第9页国家相关标准【主变运行参数采集、测量】35kV及以下电压等级变电站，主变压器高压侧应具备双向有功功率和无功功率(或功率因数)等运行参数采集、测量功效。【足够事故备用无功容量和调压能力】为了确保系统含有足够事故备用无功容量和调压能力，并入电网发电机组应具备满负荷时功率因数在O85（滞相）～097（进相）运行能力，新建机组应满足进相0.95运行能力。为了平衡500（330)kV电压等级输电线路充电功率．在电厂侧能够考虑安装一定容量并联电抗器。【电力用户不应向电网反送无功、不从电网吸收无功】电力用户应依据其负荷性质采取适当无功赔偿方式和容量。在任何情况下，不应向电网反送无功电力，并确保在电网负荷高峰时不从电网吸收无功电力。【自动投切并联电容器组和并联电抗器组】并联电容器组和并联电抗器组宜采取自动投切方式。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6310电力系统无功规划的原则与模型第10页按电压赔偿标准【按电压赔偿标准】满足负荷对无功电力基本需要，使电压运行在要求范围内，以确保电力系统运行安全和可靠。【优点】从利用发电机无功容量考虑，按电压允许偏差进行无功赔偿，能够让线路多输送些无功电力给受端。这一标准适合用于无功赔偿容量少，尚不能按经济赔偿标准来要求电力系统。【缺点】按电压标准赔偿，使电网中无功流动量加大和流动距离增加，电网有功损耗也对应提升。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6311电力系统无功规划的原则与模型第11页按经济标准进行赔偿标准：按降低电网有功损耗和年费用最小经济标准进行赔偿和配置，即就地分区分层平衡。500（330）kV与220（110）kV电网层间，应提升运行功率因数，其至不交换无功。一个供电企业是一个平衡区，一个500kV变电站可作为一个供电区，35～220kV变电站均可作为一个平衡单位，以预防地域间和变电站间无功电力大量窜动。对用户则要求最大有功负荷时，功率因数赔偿到0.98～1.0，而且要求赔偿容量随无功负荷改变及时调整平衡，不向系统倒送无功。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6312电力系统无功规划的原则与模型第12页无功赔偿优化概念：依据各规划年负荷水平，经过优化计算求出电网逐年赔偿电容量及有载调压变压器最优配置方案。最优配置目标：经济目标：系统有功损耗最小，赔偿电容量最小，赔偿效果最好。电压质量：各节点电压幅值偏离期望值差之和最小。电压稳定：考虑系统电压稳定性，提升系统电压稳定裕度。作用：经过对电力系统无功电源合理配置和对无功负荷最正确赔偿，不但能够维持电压水平和提升系统运行稳定性，而且能够降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6313电力系统无功规划的原则与模型第13页无功赔偿线性规划模型目标函数变量约束条件综合灵敏度矩阵网络参数修正优化模型及计算流程/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6314电力系统无功规划的原则与模型第14页目标函数网损最小目标函数：在满足约束条件情况下，用投切赔偿电容器及调整有载调压变压器分接头来到达电网运行网损最小无功配置方案。网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6315电力系统无功规划的原则与模型第15页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6316电力系统无功规划的原则与模型第16页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6317电力系统无功规划的原则与模型第17页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6318电力系统无功规划的原则与模型第18页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6319电力系统无功规划的原则与模型第19页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6320电力系统无功规划的原则与模型第20页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6321电力系统无功规划的原则与模型第21页目标函数网损最小目标函数推导/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6322电力系统无功规划的原则与模型第22页目标函数赔偿电容最小目标函数/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6323电力系统无功规划的原则与模型第23页目标函数赔偿效果最好目标函数/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6324电力系统无功规划的原则与模型第24页变量约束条件被控制量约束条件/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6325电力系统无功规划的原则与模型第25页变量约束条件被控制量约束条件/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6326电力系统无功规划的原则与模型第26页变量约束条件控制变量约束条件/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6327电力系统无功规划的原则与模型第27页综合灵敏度矩阵灵敏度矩阵：述了状态（被控制）变量和决议（控制）变量之间关系矩阵。灵敏度矩阵求解/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6328电力系统无功规划的原则与模型第28页综合灵敏度矩阵灵敏度矩阵求解/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6329电力系统无功规划的原则与模型第29页综合灵敏度矩阵灵敏度矩阵求解/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6330电力系统无功规划的原则与模型第30页综合灵敏度矩阵灵敏度矩阵求解/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6331电力系统无功规划的原则与模型第31页综合灵敏度矩阵灵敏度矩阵求解/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6332电力系统无功规划的原则与模型第32页网络参数修正不论是投切电容器方式还是调整有载调压变压器分接头方式来控制电网电压，实际上都是靠改变电网参数来实现，每次投切电容或改变变压器分接头都对应地改变着电网参数。投切电容器对电网参数影响/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6333电力系统无功规划的原则与模型第33页网络参数修正/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6334电力系统无功规划的原则与模型第34页优化模型及计算流程无功赔偿规划线性规划模型计算流程图如/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6335电力系统无功规划的原则与模型第35页电力系统无功规划的原则与模型第36页无功赔偿容量配置用户赔偿容量500（330）kV变电站无功赔偿220kV变电站无功赔偿35～110kV变电站无功赔偿10kV及其它电压等级配电网无功赔偿电缆线路电抗器赔偿/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6337电力系统无功规划的原则与模型第37页用户赔偿容量要求：基本不受系统供给无功(功率因数到达0.98～1.0)；在非最大负荷方式时，用户应及时调整赔偿容量，不向系统倒送无功）进行赔偿。相关国家要求（《全国供用电规则》第四十一条）：无功电力应就地平衡，用户应在提升用电自然功率因数基础上，按相关标准设计和装置无功赔偿设备，并做到随负荷和电压变动及时投人和切除以预防无功电力倒送。除电网有特殊要求用户外．用户在当地供电企业要求电网高峰负荷时功率因数．应到达以下要求：100kV•A及以上高压供电用户功率因数为0.95以上；其它电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.90以上；农业用电功率因数为0.85以上。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6338电力系统无功规划的原则与模型第38页500（330）kV变电站无功赔偿500(330)kV电压等级变电站容性无功赔偿主要作用是赔偿主变压器无功损耗以及输电线路输送容量较大时电网无功缺额。容性无功赔偿应按照主变压器容量10%～20%配置。500(330)kV电压等级高压并联电抗器（包含中性点小电抗）士要作用是限制工频过电压和降低潜供电流、恢复电压以及平衡超高压输电线路充电功率，高压开联电抗器容量应依据上述要求确定。主变压器低压侧并联电抗器组作用主要是赔偿超高压输电线路剩下充电功率，其容量应依据电网结构和运行需要而确定。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6339电力系统无功规划的原则与模型第39页500（330）kV变电站无功赔偿当局部地域500（300）kV电压等级短线路较多时，应依据电网结构，在适当地点装设高压并联电抗器，进行无功赔偿。以无功赔偿为主高压并联电抗器应装设断路器。500(330)kV电压等级变电站安装有两台及以上变压器时，每台变压器配置无功赔偿容量宜基本一致。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6340电力系统无功规划的原则与模型第40页220kV变电站无功赔偿220kV变电站容性无功赔偿以赔偿主变压器无功损耗为主，并适当赔偿部分线路无功损耗。赔偿容量按照主变压器容量10%～25％配置，并满足220kV主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95。当220kV变电站无功赔偿装置所接如母线有直配负荷时，容性无功赔偿容量可按上限配置；当无功赔偿装置所接入母线无直配负荷或变压器各侧出线以电缆为主时．容性无功赔偿容量可按下限配置。对进、出线以电缆为主220kV变电站，可依据电缆长度配置对应感性无功赔偿装置。每一台变压器感性无功赔偿装置容量不宜大于主变压器容量20%，或经过技术经济比较后确定。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6341电力系统无功规划的原则与模型第41页220kV变电站无功赔偿220kV变电站无功赔偿装置分组容量选择．应依据计算确定，最大单组无功赔偿装置投切引发所在母线电压改变不宜超出电压额定值2.5%。普通情况下无功赔偿装置单组容量，接于66kV电压等级时小宜大于20Mvar，接于35kv电压等级时不宜大于12Mvar，接于10kV电压等级时不宣大于8Mvar。220kV变电站安装有两台及以上变压器时，每台变压器配置无功赔偿容量宜基本一致。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6342电力系统无功规划的原则与模型第42页35～110kV变电站无功赔偿35～110kV变电站容性无功赔偿装置以赔偿变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧无功赔偿。容性无功赔偿装置容量按主变压器容量10%～30%配置，井满足35～110kV主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95。110kv变电站单台主变压器容量为40MV·A及以上时．每台主变压器应配置不少于两组容性无功赔偿装置。110kv变电站无功赔偿装置单组容量不宜大于6Mvar，35kV变电站无功赔偿装置单组容量不宜大于3Mvar，单组容量选择还应考虑变电站负荷较小时无功赔偿需要。新建110kV变电站时，应依据电缆进出线情况配置适当容量感性无功赔偿装置。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6343电力系统无功规划的原则与模型第43页10kV及其它电压等级配电网无功赔偿配电同无功赔偿以配电变压器低压侧集中赔偿为主，以高压侧赔偿为辅。配电变压器无功赔偿装置可按变压器最大负载率为75%，负荷自然功率因数为0.85考虑，赔偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95，或按照变压器容量20%～40#进行配置。配电变压器电容器组应装设以电压为约束条件，依据无功功率(或无功电流、进行分组自动投切控制装置。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6344电力系统无功规划的原则与模型第44页电缆线路电抗器赔偿电缆线路特点：电缆线路与架空线路相比，其单位长度电抗小，普通为架空线路30%～40%；正序电容大，普通为架空线路20～50倍；因为散热条件不一样，一样截面导体，电缆长久允许经过电流值普通只有架空线路50%。故其运行特点是损耗小、充电功率多、负荷轻。赔偿标准：因为35kV和63kV电缆线路充电功率小且距负荷电气距离近，普通情况下，即作为无功电源参加无功平衡，不进行电抗赔偿。对110kV和220kV电缆线路充电功率则需依据电缆线路长度和电网详细情况而定。电缆充电功率利用越多，无功电源调整容量越小。为更加好地降低电缆线路产生无功功率对电网运行影响，应考虑装设定容量电抗器，以赔偿在小负荷运行方式时电缆线路多出充电功率。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6345电力系统无功规划的原则与模型第45页确定赔偿容量几个方法从提升功率因数需要确定赔偿容量从降低有功线损来确定赔偿容量从提升运行电压水平来确定赔偿容量用赔偿当量确定赔偿容量低压电网无功赔偿配电网无功补偿容量确定/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6346电力系统无功规划的原则与模型第46页从提升功率因数需要确定赔偿容量确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6347电力系统无功规划的原则与模型第47页确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6348电力系统无功规划的原则与模型第48页从降低有功线损来确定赔偿容量确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6349电力系统无功规划的原则与模型第49页确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6350电力系统无功规划的原则与模型第50页确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6351电力系统无功规划的原则与模型第51页从提升运行电压水平来确定赔偿容量确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6352电力系统无功规划的原则与模型第52页确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6353电力系统无功规划的原则与模型第53页用赔偿当量确定赔偿容量确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6354电力系统无功规划的原则与模型第54页确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6355电力系统无功规划的原则与模型第55页实例分析变电所低压侧集中赔偿接线图如各条出线参数和设备容量见表。

确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6356负载数量（台）设备容量（kW）负载系数平均功率（kW）平均功率因数总平均功率（kW）总平均功率因数电动机33×1000.82400.874750.84电动机1750.75600.86各种设备383500.51750.8电力系统无功规划的原则与模型第56页实例分析相关参数计算方法以下：设备总平均功率=各负载平均功率之和负载平均功率=设备额定容量×负载系数负载系数=某期间负载平均功率∕设备额定容量总平均功率因数=总平均功率∕总平均视在功率问题：欲将功率因数提升到0.97～0.98，试计算无功赔偿容量。/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6357电力系统无功规划的原则与模型第57页实例分析求无功赔偿容量确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6358电力系统无功规划的原则与模型第58页实例分析求赔偿后线损百分比确定赔偿容量几个方法/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6359电力系统无功规划的原则与模型第59页赔偿目标：实现无功就地平衡，从而减轻上一级电网无功负担，提升配电变压器利用率，改进用户功率因数和电压质量，并有效地降低电能损失。控制方式：手动赔偿和跟踪赔偿。赔偿方式：集中赔偿、分散赔偿和随机赔偿、随器赔偿集中赔偿：将低压电容器组集中安装在配电房变压器低压侧，进行无功赔偿。分散赔偿：将低压电容器组分散安装在各负荷点（车间或负荷较集中点），进行无功赔偿。随机赔偿：将低压电容器组与电动机并联，经过控制、保护装置与电动机同时投切。其优点是用电设备运行时无功赔偿投入，用电设备停运时赔偿设备退出；不需要频繁调整赔偿容量，含有投资少、占位小、安装轻易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。鉴于这些特点，农用电动机，尤其是排灌电动机，应优先选取此种赔偿方式。其容量配置计算式为低压电网无功赔偿/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6360电力系统无功规划的原则与模型第60页随器赔偿：将低压电容器经过低压保险接在配电变压器二次侧，以赔偿配电变压器空载无功赔偿方式。配电变压器在轻载或空载时无功负荷主要是变压器空载励磁无功损耗，计算以下随器赔偿优点：因为随器赔偿在低压侧，故其接线简单，维护管理方便，且能够有效地赔偿配电变压器空载无功，使该部分无功就地平衡，从而提升配电变压器利用率，降低无功网损，是当前赔偿配电变压器无功有效伎俩之一。随器赔偿容量取值：普通推荐选取

低压电网无功赔偿/10/2武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所6361电力系统无功规划的原则与模型第61页跟踪赔偿：以无功赔偿投切装置作为控制、保护装置，将低压电容器组赔偿在大用户0.4kV母线上赔偿方式。赔偿电容器固定连接组可起到相当于随器赔偿作用，赔偿用户本身无功基荷；投切连接组用于赔偿无功峰荷部分。投切方式为自动和手动投入两种。普通用户负荷都用一定波动性，故选取自动投切方式，采取无功赔偿自动投切装置。这种装置能够较准确跟踪无功负荷改变，运行方式