（电力系统及其自动化专业论文）负荷预测在变电站电压无功控制中的应用.pdf

l j l 东大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , e l e c t r i cc u s t o m e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t ot h eq u a l i t yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m so p e r a t i o n v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m a l c o n t r o li sa ne f f e c t i v em e a n st os e c u r et h es e c u r i t y , e c o n o m y , r e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo f i t so p e r a t i o n a tp r e s e n t ，t h er e a c t i v ec o m p e n s a t ec o n t r o li sm a i n l yo nr e a c t i v ep o w e r c o n t r o l ，p o w e rf a c t o rc o n t r o l ，a n dr e a c t i v ep o w e rs y n t h e t i c a l l yc o n t r 0 1 t a k i n gt h e c o n t r o ls t r a t e g yi n t oc o n s i d e r e d ，t h er e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，t h er e a c t i v ev o l t a g e s y n t h e t i c a l l yc o n t r o li s m u c hr e a s o n a b l e a l t h o u g ht h eu s eo fp o w e rf a c t o rc o n t r o l c o m p a r a t i v e l ys i m p l e ，t h e r e w i l l p r o d u c et h r o w - c u tv i b r a t i o nw i t h o u tr e l e v a n t s t r a t e g y a tf i r s t ，t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e sh a v eb e e nd o n et ot h er e l a t i o n sb e t w e e nr e a c t i v e p o w e rb a l a n c ea n dt h ev o l t a g er e g u l a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi nt h i sp a p e r i t c o m p a r e sa l lk i n d so fv o l t a g er e g u l a t i o nm e t h o d sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n d m a i n l yd i s c u s s e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft y p i c a lr e a c t i v ev o l t a g ea d ju s t i n gd e v i c e w i t ht h ep r a c t i c a lo p e r a t i o ne x p e r i e n c ea n dm a n a g e m e n te x p e r i e n c eo ne l e c t r i c a l n e t w o r k ，t h i sp a p e rp o i n t e so u tt h a tm o s to ft h er e a c t i v ev o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r e i m p e r f e c t ，w h i c hh a v en oo p t i m i z a t i o na n dt o om a n yt r a n s f o r m e rt a p p i n ga n dt o o m a n yc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ra d ju s t m e n t ，t h i si n f l u e n c e st h ee q u i p m e n tl i f ea n dt h e s e c u r i t y , a l s oc a u s e st h et h r o w - c u tv i b r a t i o nw i t ht h el o a df l u c t u a t i o n t h es h o r t t e r ma n du l t r a - s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t i n gt ov o l t a g es y n t h e t i c a l l y a d j u s t i n gh a sb e e ni n t r o d u c e dm a i n l yo nc o n t r o ls t r a t e g yo p t i m i z a t i o no fs y n t h e t i c a l l y v o l t a g ea a ju s t m e n t f i r s t l y , c a r r y i n go u ta no p t i m i z a t i o no nc o n t r o ls t r a t e g yo ft h e t r a n s f o r m e rt a p p i n ga d j u s t m e n ta n dc o m p e n s a t e sc a p a c i t o rt h r o w - c u t ，f u l l yu s i n gt w o s u p e r i o r i t yt or e a l i z eo p t i m i z e ds y n t h e t i c a l l ya d j u s t m e n tv o l t a g e ；b u tt h ep r e m i s ei s t h a ti tc a nj u d g et h el o a df l u c t u a t i o na n dg r a s pt h el o a dc h a n g et e n d e n c y t h e r e f o r e ， o n ef e a s i b l em e t h o di st ou s et h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es h o r t - t e r ma n d u l t r a s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t t h eb a s i cw a yi st oc o m p a r et h ea c t u a ll o a dw i t l lt h e f o r e c a s t i n gc u r v e ，b yt h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o n ，j u d g i n gw h e t h e rt h r o w - c u tt h e c a p a c i t o ra n da d j u s t m e n tt r a n s f o r m e rt a p p i n g ，a n df u l l yu s e st h eo v e r l o a da b i l i t yo f 山东大学硕十学位论文 t h et r a n s f o r m e r , t h u sa c h i e v e ss y n t h e t i c a l l yo p t i m i z a t i o n sg o a l t h ea c c u r a t ef o r e c a s to fe l e c t r i c a l p o w e rs y s t e ms h o r t - t e r m l o a di st h e f o u n d a t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h ea b o v em e t h o d t h i sp a p e rh a sc a r r i e do u tt h e c o m p a r i s o no fe a c hl o a df o r e c a s t i n gm e t h o d ，a n a l y z e dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e c h a n g er u l e i no r d e rt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no fl o a df o r e c a s ta n dt h ei n t e l l e c t u a l l e v e l ，t h es y n t h e t i c a l l ys h o r t t e r ma n du l t r a - s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t i n gm e t h o do ft h e a r t i f i c i a ln e r v en e t w o r ka n do n c eb a s i cl i n e a r i t yr e t u r n ，i n d e xs m o o t h i n gm e t h o dh a s b e e nu s e d a n ds p e c i f i cn u m e r i c a le x a m p l eh a sb e e nu s e dt ov e r i f yt h i sm e t h o do f s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t i n gg e n e r a lp r a c t i c a l i t y a tt h eb a s i so ft h er e s u l t so ft h es t u d y , t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h ei d l ew o r k c o m p e n s a t i o nr e a l t i m ec o n t r o ls o l u t i o n ，h a sg i v e nt h es y s t e md i a g r a m ，c a r r i e do nt h e o p t i m i z a t i o nt ot h et y p i c a lv o l t a g ei d l ew o r ki nt h eh a r d w a r ea s p e c t k e y w o r d s ：l o a df o r e c a s t i n g ；c o m b i n a t i o nf o r e c a s t ；v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r c o n t r o l i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冯幽! e l期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：荔数导师签名：嶂e l 期： i j 东大学硕士论文 第一章绪论 1 1 变电站电压无功控制的意义 随着电力体制改革的进行，厂网分开，电力市场商业化运营逐步实施，电能 质量将成为电力企业对用户的质量承诺指标。衡量电能质量好坏的指标主要是电 压、频率、以及谐波分量等。采取有效手段降低网损、改善电压水平，已经成为 直接关系电力企业自身经济效益的主要工作。 电压的质量对电网稳定、电力设备安全运行以及工农业生产具有重大影响。 当电压过高时，对电网内一次设备的绝缘以及设备的运行寿命均会带来影响，同 时也会影响用户设备的使用寿命，甚至使其烧毁。而当电压过低时则会对电网内 机械设备输出功率带来影响，会使机械设备输出电流过大而造成设备烧损。电压 严重过低时甚至会出现电压崩溃，从而导致系统失去同步而瓦解的灾难性事故， 如1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典大停电，2 0 0 3 年的“8 1 4 ” 美加大停电事故。随着电网的不断发展，电压已不仅仅是单纯的供电质量问题， 还关系到电网的安全、稳定和经济运行，因此电压问题对目前电网而言，已上升 到举足轻重的地位【l 】。 保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。无功是 影响电压质量和系统运行稳定性的一个重要因素。对于确定规模的配电网络终端 系统，无功过剩时一方面会提高系统运行电压，导致运行中的用电设备的运行电 压超出额定工况，缩短设备的使用寿命；另一方面，无功过剩也会影响线路传输 的安全稳定性，导致系统的输送容量下降，给电网运行调度带来不利的影响。而 系统无功不足时，一方面会降低电网电压，另一方面，电网中传送的无功功率还 增加了电能传输时的网络损耗，加大了电网的运行成本【2 】。 降低电压网损也是目前我国城乡电网改造的主要目标之一。在整个电网损耗 中，配电系统的网损约占整个网损的7 0 ，因此，降低配电系统的网损是降低整 个电网损耗的关键。在配电系统中，大部分用电设备的自然功率因数在0 7 左右， 即配电系统的网损有5 0 由无功引起的，如果使配电系统的无功得到补偿，配电 系统的网损可降低5 0 ，整个电网损耗可降低3 5 ，具有较大的节能效益【2 】。 实现无功的分层、分区就地平衡是降低网损的主要原则和重要手段，通过在 i i i 东大学硕十论文 各级变电站有选择性的安装一定容量的无功补偿设备，根据运行时电压、负荷情 况对无功功率进行有效控制。通过无功补偿设备，利用有载调压变压器分接头的 调整都可以有效地控制电压【3 1 。变电站通过灵活、协调地利用这两种调节手段， 就可以实现在不同运行情况下对电压的有效控制。 由此可见，充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用，实现电压无功的 综合控制对于提高电压合格率和降低网损具有重要的意义。 1 2 变电站电压无功控制的研究现状 在初期的交流电网中，因系统小，发电厂靠近负荷中心，负载消耗的无功功 率全部由发电机提供，用户端电压波动小。因此，不需要进行专门的无功补偿和 电压调整。 随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功，无 功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经 不能满足要求。从2 0 世纪初开始，人们就无功补偿技术问题进行了大量的研究， 为改善负荷功率因数，逐步采用了同步发电机、同步调相机、并联电容器、并联 电抗器、串联电容器、现代静止无功补偿器等无功补偿手段【3 】。 随着超高压远距离输电系统的发展，一方面系统消耗的无功功率日益增多； 另一方面无功补偿容量相对不足，导致一些地区的超高压电网低谷时电压过高， 而一些配电网在高峰时电压水平过低的状况。不仅严重威胁着电网的安全运行， 而且也影响了用户的正常生产和生活。由此从而促进了国内外电力系统在电压无 功控制方式和控制手段的发展。 在日本，大约有半数电力公司采用个别控制和地区自动控制方式。所谓个别 控制是指发电机单独运行，变电站无功补偿设备和有载调压变压器自动控制的方 式；而地区自动控制是指以发电厂和变电站为核心，对发电机、调压调相设备进 行综合控制及对变电站内的无功补偿设备和调压设备进行组合协调控制的方式。 另有一半公司实行在线集中综合控制【4 】。 在法国，其电力网实现了无功功率及电压的区域性集中控制，共分为三个控 制层( 一次、二次及三次) 。一次控制，对快速无规则的电压变化主要由电力系 统机组的“一次作用 进行补偿，其次靠调节4 0 0 2 2 5 k v 变压器的自动调压分接 2 山东大学硕十论文 头的档位；二次电压控制主要通过自动控制该区被选为“控制机组”的部分机组 ( 包括部分大电容高压电容器组) 所发出或吸收的无功功率，以控制某一“控制 区内的电压；三次控制为手动，由中心调度所与地区调度所间作电压水平和无 功潮流的优化协调。从而取得全系统各节点电压的全面协调。蛰j 1 9 8 6 年，几乎全 法国系统都实现了二次控制，相应设有2 7 个控制区。 意大利国家电力系统( e n e l ) 也已实现电压、无功自动控制，至1 9 9 3 年， e n e l 在整个超高压电网中普遍实现了二次和三次电压调整。 从国外情况看，各电力系统在实施电压无功控制上，具体做法并不相同。既 有个别调节方式，也有综合调节方式；既有区域性集中控制模式，又有分层协调 控制模式。为了协调电网中各种无功和调压手段，电力系统v q 控制总的发展趋 势是：从运行安全性与经济性着眼，向分层集中综合优化控制模式方向发展。所 谓分层就是将整个电力系统按电压等级分解，由上、下级调度负责“界面 电压、 无功协调控制：所谓集中就是将电力系统按区域划分，每个调度区根据本辖区无 功电源和调节能力进行优化协调控制；所谓综合控制是指针对各种无功补偿设 备、调压设备，根据各自的功效及控制特性进行合理使用、协调控制【4 】。 由于我国配电网网架结构相对薄弱，需要通过电压和无功功率的联合控制来 实现配网运行优化。从七十年代开始，陆续有一些单位对变电站电压无功自动调 节装置进行了研究和试验，积累了一些经验。早期的自动调节装置在运行过程中 存在调节频繁的现象，供电部门担心有载分接开关和并联补偿电容器的频繁调节 会引起变压器和开关设备故障率增加，尤其是有载开关的频繁调节容易引起变压 器故障，所以变电站电压无功综合控制装置一直未能在电力系统中推广【5 1 。 近年来，随着技术进步，运行管理水平大幅提高，微机应用技术迅速发展， 无人值班变电站正在成为一种趋势。作为变电站综合自动化的重要组成部分，电 压无功综合控制装置的研究和应用也得到了重视和发展。清华大学、北京农 业大学、华北电力大学、山东大学和一些电力研究单位先后提出了一些控制方案。 一些公司也先后推出了多种v q c 装置【6 】，这些电压无功综合控制装置按其控制策 略，大致可分为以下几种川： ( 1 ) 单一功能的控制策略 这类控制器包括： 3 i i i 东大学硕+ 论文 按功率因数大小控制 按母线电压曲线控制 按无功功率变化控制 按昼夜时间段控制 按负载电流大小控制 按电压电流相位差控制等。 ( 2 ) 综合控制功能的控制策略 这类控制器包括： 按电压、功率因数复合控制 按电压、时问复合控制等。 ( 3 ) 电压无功综合控制的控制策略 这类控制方法也就是通常所说的“九区图”法1 8 】f 9 】。即以主变低压侧电压为 主要控制目标，以无功功率( 或功率因数) 为参考条件，通过界定电压和无功功 率( 或功率因数) 的上下限，将平面分为九个区，通过对不同的区域内控制方式 的不同规定，实现对电容器组和主变有载分接开关的联合控制。国内目前在线运 行的电压无功控制装置大多基于此法f l o l 。 1 3 本文拟解决的问题和所做的工作 根据有关资料分析，目前多数电压无功综合控制装置( v q c ) 的控制策略不 完善，没有进行优化，主要表现在变压器分接头和补偿电容器调整次数过多、影 响设备寿命和安全以及负荷波动时的投切振荡问题i l 。 所谓“投切振荡”，是指在电网无功与电压波动情况下，为满足功率因数或 电压的要求，并联补偿电容器开关频繁投切，变压器分接头档位频繁调整1 1 2 1 。由 于电力系统负荷构成的多样性，不可避免存在着类似于电炉、轧钢等冲击性负荷 以及一些不可预见的随机负荷波动，其特点是随机性强，持续时间不定( 一般较 短) ，起停快。根据有关资料统计，该类负荷约占总负荷的2 3 ，是不可忽视 的【l3 1 。由于这些特点，如果单纯从提高功率因数和电压合格率的角度出发，补偿 电容器和变压器分接头将随负荷变化而不断投切调整，运行指标虽然有一点提 高，但频繁操作对设备寿命和系统安全造成的威胁更大。这种现象的发生，一方 4 山东大学硕士论文 面与电容器组的分组数和容量，控制值的上下限范围、调节时间等因素有关，另 一方面与控制器的控制策略有很大关系。 文献 1 4 通过构造电压和电容器组投切判据间的一次线性关系，将无功上下 限变成受电压影响的分段折线，在一定程度上改善了边界区域的“投切振荡 ， 减少了调节次数；文献【1 5 】、【1 6 将模糊控制引入电压无功的综合控制中；文献 【1 7 】 1 8 】进行了更细的分区。这些方法都在一定程度上减少了“投切振荡 。近 年来一些改进措施也陆续应用于生产中。 为解决变电站电压和无功控制中补偿电容器和变压器分接头的“投切振荡 问题，在保证电压质量的前提下减少调节次数，提高设备寿命，避免不必要的延 时等待，提高无功补偿控制的针对性，本文将负荷预测引入电压无功实时控制， 通过负荷预测，掌握负荷变化和波动情况，在满足电压和功率因数合格的前提下， 充分利用变压器的过载能力，尽量减少电容器投切次数和不必要的调整，从而提 高系统的稳定性。该方法通过s c a d a 接口，得到电网历史运行数据，进行短期 和超短期负荷预测，将负荷预测的结果作为主要参考量提供给无功补偿装置，将 实际负荷同预测曲线相比较，判断是否为波动负荷，得到负荷波动时间，同时考 虑变压器的过载能力等，判断是否需要投切补偿电容器，何时投切比较合适，避 免不必要的延时。该方法不仅提高节点电压合格率和功率因数，同时有效地减少 了开关操作次数，延长设备寿命，减少对系统安全的影响。 实现变电站综合调压优化的基础是要有准确的负荷预侧，本文分析了一元线 性回归法、指数平滑法和人工神经智能网络等方法在电力系统短期和超短期负荷 预测中的应用，并就提高负荷预测的精度，实际应用中存在的伪信息的处理及模 型的自适应功能等进行了讨论。针对各种负荷预测方法，根据电网负荷是一个强 非线性、时变参数、含有大量未建模动态特性的系统，而且其发展同趋复杂化的 特点，采用一元线性回归法、指数平滑法和人工神经网络法相结合的组合负荷预 测方法进行电网的短期和超短期负荷预测。仿真分析证明，该组合负荷预测方法 能满足实时控制的需要。 在上述分析的基础上，本文建立了补偿电容器实时控制解决方案，给出了系 统框图，对典型电压无功综合控制装置从控制策略上进行了优化，做了改进工作。 l l f 东大学硕十论文 第二章变电站电压无功控制的原理与装置 2 1 电力系统的无功功率平衡 2 1 1 无功负荷 电力系统无功功率负荷中，异步电动机占的比重比较大。系统无功负荷的电 压特性要由异步电动机决定，要维持负荷点的电压水平，就必须向负荷供给所需 的无功功率1 1 9 1 。 2 1 2 无功功率平衡 无功功率平衡包括两方面含义：其是对于运行的各种电气设备，要求系统 无功电源所发出无功功率与系统无功负荷及系统中消耗的无功功率相平衡。其二 是对于一个实际系统，整个系统无功电源设备容量，要与系统无功电源所发出无 功功率及系统的备用无功电源功率相平衡，来满足运行的可靠性要求，以及系统 负荷发展的需要。 系统中的无功电源发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功 率和网络中的无功损耗，这是电力系统无功功率平衡的基本要求。为了保证运行 可靠性和适应无功负荷的增长系统还必须配置一定的无功备用容量。令驻为电 源供应的无功功率之和，为无功负荷之和，q 为网络无功功率损耗之和，缆 为无功功率备用，则系统中无功功率的平衡关系式为( 2 1 ) ： 鳓一q d 一骁= q 。 ( 2 1 ) 如 o 表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；如既 o 表示系统 中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。 系统无功电源的总出力艮包括发电机的无功功率如和各种无功补偿设备 的无功功率绞z ，即： 如= 绞+ 骁z ( 2 2 ) 一般要求发电机接近于额定功率因数运行，故可按额定功率因数计算它所发 出的无功功率。此时如系统的无功功率能够平衡，则发电机就保持有一定的无功 6 i l f 东大学硕士论文 备用，这是因为发电机的有功功率是留有备用的。调相机和静电电容器等无功补 偿装置按额定容量来计算其无功功率。 总无功负荷绕d 按负荷的有功功率和功率因数计算。为了减少输送无功功率 引起的网损，我国现行规程规定，以3 5 k v 及以上电压等级直接供电的工业负荷， 功率因数不得低于0 9 0 ；对其他负荷，功率因数不得低于0 8 5 。但实际上有些用 户的功率因数往往达不到这些标准【1 9 1 。 从改善电压质量和降低网络功率损耗考虑，应该尽量避免通过电网元件大量 地传送无功功率。因此，仅从全系统的角度进行无功功率平衡是不够的，更重要 的是还应该分地区分电压等级地进行无功功率平衡。有时候，某一地区无功功率 电源有富余，另一地区则存在缺额，调余补缺往往是不适宜的，这时就应该分别 进行处理。在现代大型电力系统中，超高压输电网的线路分布电容能产生大量的 无功功率，从系统安全运行考虑，需要装设并联电抗器予以吸收，与此同时，较 低电压等级的配电网络却要配置大量的并联电容补偿，这种情况也是正常的。 电力系统的无功功率平衡应分别按正常最大和最小负荷的运行方式进行计 算。必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平衡【1 9 】。 经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有： ( 1 ) 要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。 ( 2 ) 挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运 行：动员用户的同步电动机过励磁运行等。 ( 3 ) 根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地 平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电电容器； 大容量的、配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器。 2 1 3 无功对电压的影响 ( 1 ) 无功的不平衡，引起电压的偏移。根据负荷的电压特性，当一个地区 无功过剩时，电压将升高；无功不足时，电压将降低。电压升高和降低的数值由 代表该地区综合负荷的电压静态特性决定。 ( 2 ) 无功负荷在电网中的流动，而产生电压降落，造成电压的偏移。 ( 3 ) 无功负荷在线路中产生的电压降落同无功负荷成难比，所以无功负荷 7 l i i 东大学硕士论文 的变化，将引起电压降的变化。无功负荷变化愈大，电压降的变化也愈大。 由于无功对电压的影响作用，要改善电网的电压质量，电网中的无功必须满 足： ( 1 ) 在目标电压下，应保持无功平衡。这就要求有足够的无功补偿容量， 以保证高峰负荷时的无功平衡；并有一定的备用容量，以满足系统检修时的需要； 同时要求有足够的无功调节能力，以保证在低谷负荷时的无功平衡。 ( 2 ) 实现无功的就地平衡，减少无功在电网中的流动，尤其要减少远距离 的无功传送，以降低电网的电压降落，把电网各点的电压都控制在合格范围内。 ( 3 ) 按逆调压的要求实现无功平衡。由于高峰负荷时，无功负荷大，无功 电源到负荷点的压降大；低谷负荷时，无功负荷小，压降也小。 因此，为保证负荷端的电压稳定，对变电站母线的电压实现逆调压，即要求 高峰时调高电压，低谷时调低电压。据此确定目标电压，在这个目标电压下实现 无功平衡。显然，这种调压方式对无功补偿和无功调节能力提出了更高的要求。 2 2 电力系统的电压调整 2 2 1 允许电压偏移 各种用电设备都是按额定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行将 能取得最佳的效果。电压过大地偏离额定值将对用户产生不良的影响。 电力系统常见的用电设备是异步电动机、各种电热设备、照明灯以及近年来 日渐增多的家用电器等。异步电动机的电磁转矩是与其端电压的平方成正比的， 当电压降低1 0 时，转矩大约要降低1 9 。如果电动机所拖动的机械负载的阻力 矩不变，电压降低时，电动机的转差增大，定子电流也随之增大，发热增加，绕 组温度增高，加速绝缘老化，影响电动机的使用寿命。当端电压太低时，电动机 可能由于转矩太小而失速甚至停转。电炉等电热设备的出力大致与电压的平方成 正比，电压降低就会延长电炉的冶炼时间，降低生产率。电压降低时，照明灯发 光不足，影响人的视力和工作效率。电压偏高时，照明设备的寿命将要缩短。 电压偏移过大，除了影响用户的正常工作以外，对电力系统本身也有不利影 响。电压降低，会使电力网络中的功率损耗和能量损耗加大，电压过低还可能危 及电力系统运行的稳定性；而电压过高时，各种电气设备的绝缘可能受到损害， 8 山东大学硕士论文 在超高压网络中还将增加电晕损耗等。 在电力系统的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网 络中的电压损耗也将发生变化。要严格保证所有用户在任何时刻都有额定电压是 不可能的，因此，系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免的。实际上，大多 数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行，仍有良好的技术性能。从技术上和 经济上综合考虑，合理地规定供电电压的允许偏移是完全必要的。目前，我国规 定在正常运行情况下供电电压的允许偏移如下：3 5 k v 及以上供电电压正、负偏移 的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ，如供电电压上下偏移同号时，按较大的偏 移绝对值作为衡量依据；1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏移为额定电压的7 。 2 2 2 电压调整的基本原理 现以图2 1 所示的简单电力系统为例，说明各种调压措施所依据的基本原理。 若忽略线路对地电容、变压器励磁无功功率损耗，令线路和变压器阻抗归算到高 压侧的等值参数为r + 。 场场 p 七l q 厂确 p z + j q z l 坛 r 坯 图2 一l 电压调整原理解释图 负荷端电压圪为 圪= ( 一半) 产 旺3 ， 其中，为电网的额定电压，k 为降压变压器的变比。由公式( 2 1 ) 可见， 要调整负荷端的电压k ，可采取以下措施【1 9 】： ( 1 ) 适当选择变压器的变比，通过改变变压器分接头位置实现； ( 2 ) 改变线路的参数； 9 i i f 东大学硕十论文 ( 3 ) 改变无功功率的分布，通过投切并联电容器组实现。 2 。2 3 改变变压器分接头调压 变压器可以通过调节分接头的位置，改变原边和副边绕组变比来调整无功流 向，改变电压，使之满足电压质量的要求。变压器分接头调节可以分为有载调压 和无载调压。无载调压变压器改变分接头时需要停电，因此必须事前选好一个合 适的分接头，兼顾运行中出现的最大负荷及最小负荷，使电压偏差不超出允许范 围。这种分接头调节范围有限且不适合频繁操作，往往只做季节性调整。有载调 压变压器又称带负荷调压变压器，它的调压范围大一些，且可以在运行过程中根 据电压越限情况在线动态调整，容易满足电力用户对电压偏差的要求，因此在电 力系统中得到广泛应用。 在电力系统中，电网电压的动态调节靠发电机、调相机及补偿电容器等。其 中补偿电容器是调度运行最欢迎的。 根据有关资料统计，电网变压器有载调压( 电压1 0 1 7 6 5 k v ，电流3 0 0 - 3 0 0 0 a 者) 每年平均调节次数为5 0 0 0 次，即每天1 3 7 次。深圳电网2 0 0 2 年运行方式报告 中规定有载调压变压器每天调节次数控制在1 0 次以内。根据有关设备厂家资料配 网1 0 k v 变压器的有载调节次数为：有载调压接点寿命为2 0 万次；分接开关 操作1 万次要做检查，5 万次要处理；触头磨损4 应换新的【2 0 】【2 l 】。 为了满足上述要求，需要对变电站电压无功调整进行优化，在满足电压质量 和合格率的前提下，尽量减少变压器分接头的调整和补偿电容器的投切，以保证 设备安全，延长设备使用寿命。 2 2 4 利用无功功率补偿调压 无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有 功功率损耗和电压损耗。合理的配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功潮 流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质 量。本节将讨论如何按调压要求来选择无功功率补偿容量的问题。 图2 2 所示为一简单电力网，供电点电压k 和负荷功率p + j q 决定，线路电 容和变压器的励磁功率略去不计。在未加补偿装置前若不计电压降落的横向分 量，便有： l o 山东大学硕士论文 k 蹦半 其中，圪为归算到高压侧的变电站低压母线电压。 在变电所低压侧设置容量为q f 的无功补偿设备后，网络传送到负荷点的无 功功率将变为q q ，这时变电所低压母线的归算电压也相应变为圪，故有： k = 吃+ 半 晓4 ， 如果补偿前后巧保持不变，则有： 吃+ 等罂= 圪c + 堕等业 ( 2 5 ) 7 2 7 2 c 由此可解得使变电所低压母线的归算电压从圪改变到吃时所需要的无功 补偿容量为： 绞= v 叫；c v 旷咖l i p r f + q x 一半) 泣6 ， 上式方括号中第二项的数值一般很小，可以略去，于是便简化为： 绋= 鲁( 吃一吃) ( 2 7 ) 若变压器的变比选为k ，经过补偿后变电所低压侧要求保持的实际电压为 圪c ，则= 七圪c 。将其代入上式，可得： 绞= 警( 一砭) = 争卜譬) 晓8 ， jj l 东大学硕十论文 由此可见，补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关。变l l k 的 选择原则是：在满足调压的要求下，使无功补偿容量为最小。 2 2 5 补偿电容对功率因数的影响 通过投切低压补偿电容器，不仅可以调整变电所母线的电压，更可以提高功 率因数合格率，减少线路损耗。它主要是在确定用户端补偿和配电线路补偿的基 础上，解决无功的动态补偿，满足无功负荷增长的需要【2 】_ 【5 1 。 l 、提高功率因数 如果本变电所最大负荷月的平均有功功率为，投入补偿容量q ，设补偿 前的功率因数为c o s 自o f ，补偿后的功率因数为c o s p 2 ，则有以下关系： q = 易( 辔仍一鲰) = 鳓( 一器) 眩9 ， 其中，c o s 6 p ，应采用最大负荷日平均功率因数，c o s q 0 2 确定必须适当。通常，将 功率因数从0 9 提高n 1 0 ，与将功率因数从0 7 2 提高n o 9 所需要的补偿容量相当。 因此，在高功率因数下进行补偿其综合效益将显著下降。从c o s 6 p 的曲线也可以 看出，在高功率因数情况下，曲线上升率变小，相比之下，此时提高功率因数所 需的补偿容量将要相应增加。 2 、降低网损 线损是电网经济运行的一项重要指标，降低网损是无功补偿的主要目标之 一。设补偿前后线路电流分别为，- ，：，相应补偿容量： q c = 3 形( 五s i n 9 0 l - 1 2s i n q 0 2 ) = p ( t g q 参, - t g c p 2 ) ( 2 1 0 ) 此种情况下，应适当考虑电容器的有功损耗：职= u i c o s q o = q s t g o ，其中6 为电容器的介质损失角，一般取t g & = 0 0 0 3 。 2 2 6 补偿电容器分组和投切时存在问题分析 由于以往对无功补偿电容器投切优化问题不够重视，很多无人值守变电站无 功补偿电容器的投入与退出是定时倒换的，一般是分为低谷和高峰两个阶段。一 种常用的方法是先绘制无功负荷图，确定无功补偿容量，然后把轻负荷下的补偿 1 2 i i i 东大学硕士论文 容量固定下来，其余的补偿容量作为按负荷变化的调整容量，根据无功负荷阶梯 图按时间顺序投切。 我国制定的力率调整电费办法中规定，计算用户的功率因数采用加数平 均值，以用户在一个月内所消耗的有功电量w 和无功电量q 进行计算，因此无功 负荷图可以采用无功电能表，按各个小时的读数进行绘制。 例如，某变电所无功负荷图如下： 2 0 l q ( k v a r ) i ii i t ( h ) 036 91 21 6 1 82 1 2 4 图2 3 典型日无功负荷阶梯图 补偿电容器的分组和投切步骤如下： ( 1 ) 为追求较高的补偿度，选最大补偿容量级。= 7 0 k v a r ： ( 2 ) 根据无功负荷图，统计补偿容量的台阶数m = 6 。再根据m ，确定电容 器的分组数1 ，n 和m 有下述关系： 聊 q + q + + q 对照表如表2 1 所示。 表2 1 电容分组 力 12345 ml371 53 1 ( 3 ) 由表2 1 可得，电容器分为三组，每组容量1 0 ，2 0 ，4 0 k v a r , 可以搭配出 1 0 ，2 0 ，3 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 k v a r ，共7 个级别，组合情况如表2 2 所示。 山东大学硕士论文 表2 2 电容器组合情况表 级别1 02 03 04 05 06 07 0 备注 第一组1 0xxxx x 表示 第二组2 0xxxx投入 第三组4 0xxxx ( 4 ) 确定投入时间 t k 。为第一组投入时间，气：为第二组投入时间，为第三组投入时间，则： l ：3 - 4 ，8 - 1 1 ，1 3 1 4 ，1 7 2 2 时 2 ：8 - 1 1 ，1 3 1 9 ，2 3 4 时 3 ：4 1 2 ，1 4 1 7 ，1 9 - 2 2 时 从以上补偿变容器分组和投切步骤可以看出，对图2 3 这样简单的日无功负 荷图，开关操作次数达到1 0 次，如果负荷曲线复杂的话，操作次数更多，分组数 也将增加。故该方法虽能满足无功补偿的需要，但对设备寿命有影响，达不到经 济运行的目的，频繁操作对系统安全也造成一定隐患。 2 3 典型变电站电压无功综合控制装置 2 3 1v q c 的主要调节设备 变电站电电压无功综合控制装置( 简称v q c 装置，下同) 是电力系统中的一 种具有较高智能的自动装置，目前在电力系统的枢纽和终端变电站中都得到了广 泛应用。 变电站电压无功控制的主要调节设备包括有载调压变压器、并联电容器以及 并联电抗器【2 2 1 。 ( 1 ) 有载调压变压器 有载调压变压器的原理接线如图2 - 4 所示。调压绕组上有多个分接头，主绕 组通过并联触头e ，k 与调压绕组串联。可以在不断开主电路的情况下完成接 头的切换，即首先断开以，将k 切换到另一分接头上，然后将以接通。另一个 1 4 i l i 东大学硕士论文 触头也采用同样的切换步骤。限流电阻r 是在分接头切换过程中作限流用的。 当两个可动触头连接在不同的分接头上时，两个分接头与电阻r 构成回路。r 可 限制该回路的短路电流。 图2 4 有载调压变压器原理图 变压器不能作为无功电源，相反它消耗电网中的无功功率，属于无功负荷之 一。有载调压变压器分接头( 抽头) 的调整不但改变了变压器各侧的电压状况， 同时也对变压器各侧的无功功率的分布产生影响。分接头上调后，变压器二次侧 电压上升，同时流过变压器的无功功率增加；分接头下调后，变压器二次侧电压 下降，流过变压器的无功功率减少。 ( 2 ) 并联电容器 在地区电网无功补偿中，并联电容器广泛应用于功率因数校正和馈电电压校 正，是应用最多的无功补偿装置。一般来说，每个变电站安装1 4 组左右，对于 负荷较大的11 0 k v 变电站和2 2 0 k v 变电站，则安装更多组的电容器。其优点有： 可分散、集中、分相补偿；投资少、功率损耗小( 额定容量的o 3 0 5 ) ；无旋 转部件，维护量小：可根据负荷情况分组投切。缺点是：电压如果下降时则下降 速度极快，不利于电压稳定，投入时会产生尖峰电压脉冲。电容器只能吸收无功 功率，可全部或部分切除，不能平滑调节，在最小负荷时，通常切除变电站的全 1 5 i _ ij 东大学硕士论文 部电容器，在负荷高峰期将变电站的并联电容器投入运行。电容器对电压无功的 调节作用体现在：当投入电容器后，流过变压器的无功减少，同时变压器二次侧 电压上升；当切除电容器后，流过变压器的无功增加，同时变压器二次侧电压下 降。 ( 3 ) 并联电抗器 并联电抗器的性质与并联电容器的性质相反，它只能发出无功，从补偿“感 性”无功的角度来说是负补偿，因而常用于补偿线路电容的作用。特别是在超高 压( e h v ) 输电架空线路长度超过2 0 0 k m 时线路充电电容不可忽视，通常需要安 装并联电抗器。在轻负荷时，在2 2 0 k v 及以上的线路中，线路充电功率过大，有 可能会引起电压过高，危及高压电网的运行，此时为了保证电压正常，附加并联 电抗器。当然，在重负荷时有可能一部分并联电抗器需从系统中切除。在地区级 电网电压无功控制中，电抗器个数比较少，在一些对其拥有控制权的2 2 0 k v 变电 站中可能装有电抗器，此时也可以作为控制