配電網(wǎng)無功補(bǔ)償與管理系統(tǒng)研究及XX地區(qū)無功優(yōu)化實踐

1、配電網(wǎng)無功補(bǔ)償與管理系統(tǒng)研究及XX地區(qū)無功優(yōu)化實踐摘 要關(guān)鍵詞：AbstractKeywords:第1章 緒 論1.1 研究背景及其意義電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理不僅要重視安全可靠性，同時也要考慮其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，以及對企業(yè)效益和社會效益的影響。隨著市場經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，能源意識的增強(qiáng)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問題愈發(fā)重要，如何實現(xiàn)科學(xué)管理，在保證安全可靠的同時科學(xué)利用和優(yōu)化配置系統(tǒng)資源，降低運(yùn)行損耗，提高供電電能質(zhì)量，最終提高企業(yè)效益和社會效益，越來越受到人們的關(guān)注和重視。多年來，我國高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的管理很受重視，有了較多的研究成果，在實踐當(dāng)中得以廣泛應(yīng)用并且效果明顯，而配電網(wǎng)的研究由于歷史原因一直沒有得到應(yīng)

2、有的重視，尤其是城鎮(zhèn)和農(nóng)村配電網(wǎng)重視程度更低。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，在電力系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中，配電網(wǎng)處于末端直接與用戶相聯(lián)系，盡管國家實施兩網(wǎng)改造工程以來眾多配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)設(shè)備、裝置應(yīng)運(yùn)而生，但都僅限于提高供電可靠性方面，對其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行卻研究相對較少。長期以來，重視有功調(diào)度而忽視無功功率的分布，導(dǎo)致大量無功功率在配電網(wǎng)中流動，既增加了配電網(wǎng)有功損耗，又影響了電壓質(zhì)量，降低了配電網(wǎng)運(yùn)行效率。因而對于如何利用和配置無功資源進(jìn)一步降低配電網(wǎng)損耗，提高電壓合格率，提高配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的研究無論從運(yùn)行實際還是從研究現(xiàn)狀來看都表現(xiàn)出很強(qiáng)的迫切性，而配電網(wǎng)的自動化運(yùn)行與管理便是解決這一問題的重要手

3、段之一。近年來，我國配電網(wǎng)運(yùn)行的自動化水平已得到很大的提高，調(diào)度自動化系統(tǒng)SCADA/EMS(Supervisory Control And Data Acquisition/Energy Manage System)也已得到普及，在現(xiàn)場運(yùn)行中具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，SCADA的“四遙”功能日趨完善。計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，使電力系統(tǒng)管理維護(hù)人員對配電網(wǎng)的優(yōu)化管理提出了更新、更高的要求。如何利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲和分析計算功能，實現(xiàn)無功資源的優(yōu)化配置？如何借助已有調(diào)度自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件，通過軟件實現(xiàn)電網(wǎng)的無功優(yōu)化實時閉環(huán)控制等等這些問題是當(dāng)前地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制問題的研究熱點。本課題所研

4、究的配電網(wǎng)無功優(yōu)化與管理系統(tǒng)就是建立在已有SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)城鎮(zhèn)或農(nóng)村配電網(wǎng)內(nèi)無功優(yōu)化實時閉環(huán)控制。本課題的研究，具有以下幾方面重要的意義：一是本課題對于配電網(wǎng)無功補(bǔ)償及其管理系統(tǒng)的研究，能夠作為國內(nèi)對該領(lǐng)域相關(guān)研究成果的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，具有一定的理論意義；二是本課題的研究，對于城鎮(zhèn)或農(nóng)村配電網(wǎng)，利用優(yōu)化的方式，實現(xiàn)科學(xué)有效的降低損耗，滿足配電網(wǎng)運(yùn)行的各種安全性要求及經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，具有較高的現(xiàn)實意義；三是本文通過對無功潮流的計算，以及相關(guān)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，最終實現(xiàn)配電網(wǎng)補(bǔ)償量的最優(yōu)化，這對于保護(hù)配電網(wǎng)運(yùn)行安全，提升相關(guān)人員的調(diào)度水平，以及實現(xiàn)電網(wǎng)的無功規(guī)劃都具有重要的借鑒價值。1.2

5、 國內(nèi)外研究綜述無功優(yōu)化補(bǔ)償作為一種提升無功優(yōu)化過程效率的方式，長期以來在國內(nèi)外的電網(wǎng)管理中都給予了足夠的重視，相應(yīng)地該領(lǐng)域的許多專家學(xué)者也對無功優(yōu)化補(bǔ)償進(jìn)行了多方面的研究，出現(xiàn)了一系列有價值的理論成果。這些理論成果主要集中在配電網(wǎng)無功優(yōu)化的兩大核心潮流計算與無功優(yōu)化計算方面，為配電網(wǎng)的無功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)於藞詫嵉幕A(chǔ)。1.2.1 國外研究文獻(xiàn)綜述無功優(yōu)化補(bǔ)償在國外的研究起步較早，從20世紀(jì)60年代的大規(guī)模無功補(bǔ)償研究開始，出現(xiàn)了一系列在該方面的不同方法，包括非線性規(guī)劃、線性規(guī)劃、混合式證書規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、遺傳算法、模糊算法等。這些方法有的屬于運(yùn)籌學(xué)理論，有的基于數(shù)學(xué)理論，

6、各有特點。20世紀(jì)60年代末期，學(xué)者多摩和提恩尼首先對無功電源展開了分析，并成功運(yùn)用數(shù)學(xué)中的梯度法進(jìn)行計算，他首先使用拉格朗日乘數(shù)法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行構(gòu)造，然后按照逗留點對梯度進(jìn)行計算，以此對控制量進(jìn)行矯正。由于梯度法較為簡單，但收斂性較差，而且收斂性有被破壞的可能，因此在該方法提出之后，有不少學(xué)者對這種方式進(jìn)行了改善。1984年，學(xué)者Sun使用牛頓法求解了最優(yōu)潮流，該學(xué)者在海森矩陣與雅克比矩陣基礎(chǔ)上，合理利用了兩矩陣的稀疏性，雖然實現(xiàn)了計算量的降低，但卻無法對不等式約束進(jìn)行處理，使得電網(wǎng)在高負(fù)荷運(yùn)行時，優(yōu)化過程會比較長。在該學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，美國學(xué)者托馬斯進(jìn)一步以電網(wǎng)損耗及運(yùn)行投資為目標(biāo)函數(shù)，針

7、對收斂性的問題，采取了二次罰函數(shù)去處理安全約束，并對多種函數(shù)的不等式約束進(jìn)行處理，從而提高收斂性。1994年，英國學(xué)者威爾以Fletcher二次規(guī)劃法為基礎(chǔ)，提出了有關(guān)潮流計算的新方法，他主要使用了逐次逼近求解的方法，用線性處理的過程來對約束條件進(jìn)行處理。1995年，學(xué)者諾布斯瓦對無功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)奶荻确ㄕ归_了深入研究，提出了一種投影梯度法，并就該方法的理論模型與優(yōu)化算法進(jìn)行了分析，主要使用一種正交變換方法，對梯度向量實現(xiàn)正交投影，從而有效解決了傳統(tǒng)矩陣運(yùn)算產(chǎn)生的不穩(wěn)定問題。2003年，學(xué)者賽科在線性規(guī)劃法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了改進(jìn)，提出了一種無需對雅克比矩陣求逆的線性規(guī)劃法，不但能夠極大地節(jié)省計算空間與

8、時間，而且能夠把原本目標(biāo)函數(shù)與約束條件在雅克比矩陣的基礎(chǔ)上實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，成為節(jié)點電壓的線性靈敏度的問題。2005年，學(xué)者布萊沃提出了基于分解法的無功長期優(yōu)化方法，他將無功長期優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)槿竽Ｐ?，分別為投資模型、有功模型及無功模型，而且使得任何一個模型的變量維度都比原本小了許多，從而降低了計算的復(fù)雜度。2007年，美國學(xué)者萊恩對基于遺傳算法的無功優(yōu)化進(jìn)行了研究，他指出簡單遺傳算法作為一種能哦古模擬自然生物遺傳過程的優(yōu)化算法，其實質(zhì)是一種持續(xù)進(jìn)化的算法，屬于效率較高的全局搜索算法，簡單遺傳算法由隨機(jī)產(chǎn)生的原始群體作為起始點，瘦臉是能夠獲得最優(yōu)解。不過，研究也指出了該算法的缺陷，那便是在具有相當(dāng)規(guī)模

9、的電力系統(tǒng)中，遺傳算法就顯得收斂速度較慢而且計算時間較長。1.2.2 國內(nèi)研究文獻(xiàn)綜述與國外相比，國內(nèi)對于配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方面的研究起步較晚，同時國內(nèi)學(xué)者的研究大多是在國外成熟理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展或改進(jìn)，一些學(xué)者的研究更多地結(jié)合我國電網(wǎng)的實際狀況展開，具有較高的實用價值。近年來，基于配電網(wǎng)無功補(bǔ)償中潮流計算和無功優(yōu)化補(bǔ)償算法研究成果也比較豐富，比較有代表性的如下：2001年，學(xué)者孫朝洪以重慶高壓電網(wǎng)實際系統(tǒng)的無功優(yōu)化為研究對象，并借鑒了先進(jìn)的進(jìn)化規(guī)劃算法輔助研究。文中首先對重慶高壓電網(wǎng)的特點以及具體調(diào)壓要求進(jìn)行了分析，然后為其建立了一種無功優(yōu)化模型，該模型不但符合重慶高壓電網(wǎng)實際，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)

10、合理的簡化，減少了模型的優(yōu)化變量，在一定成都上提高了優(yōu)化計算的效率；然后對進(jìn)化規(guī)劃算法的特點以及該算法在求解無功優(yōu)化問題時存在的狀態(tài)變量越限問題進(jìn)行了研究，并結(jié)合無功平衡原理提出了一套有效的變異量修正措施，避免了進(jìn)化規(guī)劃的不可行問題，從而促進(jìn)了進(jìn)化規(guī)劃算法在求解無功優(yōu)化問題時更加快速有效。 2002年，學(xué)者劉雅靜針對配電網(wǎng)三相潮流計算進(jìn)行了研究及軟件實現(xiàn)。作者首先對數(shù)據(jù)庫的原始信息關(guān)系模式進(jìn)行了定義，同時對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌木仃嚹Ｐ瓦M(jìn)行了建立，并在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒕仃囆纬傻倪^程中完成了對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與支路的自動編碼；然后進(jìn)一步對配電網(wǎng)潮流計算的前推回代法相結(jié)合的三相潮流計算方法展開研究，在此基礎(chǔ)上，對配變

11、低壓側(cè)的功率到高壓側(cè)的電流的轉(zhuǎn)換模型實現(xiàn)了建立；最后在基于支路電流的三相配電網(wǎng)狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上提出了以負(fù)荷電流為狀態(tài)變量的配電網(wǎng)的三相狀態(tài)估計方法，并結(jié)合配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，編制了配電網(wǎng)的三相潮流計算軟件以及三相狀態(tài)估計軟件，使其能夠更好地應(yīng)用于實際工程當(dāng)中。2003年，學(xué)者車仁飛對配電網(wǎng)潮流計算、大規(guī)模配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)以及配電網(wǎng)的動態(tài)重構(gòu)等問題進(jìn)行了深入研究。作者在對國內(nèi)外有關(guān)配電網(wǎng)潮流計算和重構(gòu)算法及其理論的基礎(chǔ)上，建立起了配電網(wǎng)絡(luò)各種元件的三相數(shù)學(xué)模型，以此作為三相潮流計算的基礎(chǔ)；然后進(jìn)一步對配電網(wǎng)絡(luò)的三相潮流計算問題進(jìn)行研究，重點對輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)的三相潮流計算深入探討并擴(kuò)展，并提出了一種

12、基于疊加原理的少環(huán)配電網(wǎng)的三相潮流計算方法；在此基礎(chǔ)上對大規(guī)模配電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)問題進(jìn)行研究，創(chuàng)新提出了基于最小樹和開關(guān)交換方法的重構(gòu)算法；并就配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重構(gòu)問題指出新的規(guī)劃措施。2006年，學(xué)者張文對粒子群優(yōu)化算法在無功優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，作者首先指出高質(zhì)量的電力供應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)生活的迫切需求，電壓質(zhì)量是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，無功潮流分布是否合理，直接決定了電壓質(zhì)量的好壞，直接影響電網(wǎng)自身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。電力系統(tǒng)無功優(yōu)化屬于非線性優(yōu)化范疇，具有多目標(biāo)、多控制變量、多約束條件、連續(xù)和整型變量混雜以及不確定性等特點。常規(guī)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在處理此類問題時有較大的局限性。因此，作者

13、基于進(jìn)化計算理論、模糊集理論等技術(shù)，提出了自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法和模糊自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法，將所提出的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用于無功優(yōu)化，并提出了考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性的多目標(biāo)無功優(yōu)化模型；在此基礎(chǔ)上，基于協(xié)同進(jìn)化理論，探索了大規(guī)模系統(tǒng)的無功優(yōu)化模型及其解算方法，對粒子群優(yōu)化算法的尋優(yōu)機(jī)理及算法的控制參數(shù)進(jìn)行了深入的研究和探討，提出了自適應(yīng)粒子群優(yōu)化(APSO)和模糊自適應(yīng)粒子群優(yōu)化(FAPSO)兩種改進(jìn)算法，最后針對針對無功優(yōu)化問題，在粒子的構(gòu)造、等式約束與不等式約束的處理以及適應(yīng)度函數(shù)的選取等方面進(jìn)行了深入探討。 2009年，學(xué)者郭學(xué)鳳對分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)三相潮流計算進(jìn)行了研究，他指出分布式發(fā)

14、電技術(shù)是一種新型的發(fā)電和能源綜合利用方式，具有不錯的發(fā)展前景，基于這種發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)注入活力的同時，也給電力系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，包括各種損耗、潮流、電壓等，潮流計算作為分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)影響進(jìn)行量化分析的重要基礎(chǔ)，對其研究是非常重要。作者進(jìn)一步指出，因為分布式電力系統(tǒng)中電源、負(fù)荷及線路參數(shù)的不對稱性，使得以往對稱的配電網(wǎng)潮流算法已無法適應(yīng)這類網(wǎng)絡(luò)，因此研究配電網(wǎng)的不對稱三相潮流計算是發(fā)展的趨勢。文章在進(jìn)一步對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、蓄電池、高頻微型燃?xì)廨啓C(jī)及工頻熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行和控制性能詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,建立了各種分布式電源潮流計算模型，并基于配電網(wǎng)的前推回

15、代算法提出了適用于含多種分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)的前推回代三相潮流算法。1.3 論文主要內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)1.3.1 論文主要內(nèi)容為了全面掌握配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償模型及管理系統(tǒng)，本文將對配電網(wǎng)無功補(bǔ)償模型進(jìn)行深入研究，力求對配電網(wǎng)無功資源優(yōu)化配置，使配電網(wǎng)的有功損耗最小，無功補(bǔ)償設(shè)備的投資最小，主要包括以下研究內(nèi)容：一是深入研究配電網(wǎng)的特點，建立配電網(wǎng)潮流計算的模型，確定配電網(wǎng)潮流計算的方法，并對配電網(wǎng)潮流計算的方法進(jìn)行比較；建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型二是通過研究遺傳算法的基本原理，以及基本特點，將改進(jìn)的遺傳算法應(yīng)用于無功優(yōu)化中，并研究遺傳算法在無功優(yōu)化潮流算法中的應(yīng)用。三是進(jìn)行無功優(yōu)化管理系統(tǒng)方案的

16、設(shè)計，并將A地區(qū)的無功優(yōu)化管理系統(tǒng)作為算例進(jìn)行驗證方案的可行性，詳細(xì)分析A地區(qū)城鎮(zhèn)配電網(wǎng)的無功優(yōu)化實踐。1.3.2 論文組織結(jié)構(gòu)本文針對上述主要研究內(nèi)容，按照如下組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究：第一章 緒論。首先對課題研究的背景及意義進(jìn)行了研究，然后就國內(nèi)外有關(guān)無功優(yōu)化補(bǔ)償方面的研究文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，最后指出論文研究的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)。第二章 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償基礎(chǔ)理論。本章重點對配電網(wǎng)的基礎(chǔ)概念及特點，無功補(bǔ)償?shù)姆绞降然A(chǔ)理論進(jìn)行研究，并提出配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案選擇的原則，為后文配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。第三章 配電網(wǎng)潮流計算比較分析。通過對幾種常用的配電網(wǎng)潮流計算方法進(jìn)行闡述與分析，重點針對前推回代法與牛頓法

17、進(jìn)行了多方面的算法比較，并針對負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行了分析。第四章 改進(jìn)的遺傳算法在配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償中的應(yīng)用。本章是在對傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，并對遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)后應(yīng)用于配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償中。第五章 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償管理系統(tǒng)的方案設(shè)計。對基于計算機(jī)的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償管理系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、數(shù)據(jù)建模等；并在該方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，以該系統(tǒng)在A地區(qū)的應(yīng)用為例進(jìn)行可行性分析。第六章 結(jié)論與展望。對全文進(jìn)行總結(jié)，指出其中的不足，并對未來的研究進(jìn)行展望。1.4 研究方法為完成本課題的研究，采取了以下幾種研究方法：一是文獻(xiàn)研究法，通過對國內(nèi)外電網(wǎng)無功補(bǔ)償方面的文獻(xiàn)進(jìn)行深入閱

18、讀和研究，更加明確了無功補(bǔ)償?shù)睦碚摵退褂玫亩喾N方法，便于在后文的分析中運(yùn)用。二是案例分析法，文章針對A地區(qū)的實際情況進(jìn)行了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償管理系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地避免了單純的理論研究缺乏具體性的弱點，使得無功補(bǔ)償管理系統(tǒng)基于實際，更加真實。三是比較分析法，在研究過程中，通過對各種不同潮流計算方法的比較研究，對課題所研究的問題進(jìn)行歸納總結(jié)，有利于在配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償方案的的選擇中更具有針對性。第二章 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償基礎(chǔ)理論2.1 配電網(wǎng)基礎(chǔ)2.1.1 配電網(wǎng)的概念配電網(wǎng)主要是指電網(wǎng)中專門進(jìn)行電能分配的網(wǎng)絡(luò)，在一般電網(wǎng)中常常是二次降壓變壓器低壓側(cè)直接或降壓后向用戶供電的網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)主要由電纜配電線路

19、、配電開關(guān)設(shè)備、配電所、住上變壓器、配電箱以及其它附屬設(shè)施構(gòu)成。配電網(wǎng)在電網(wǎng)中的位置如下圖2-1所示：發(fā)電廠輸電線高壓變電站配電網(wǎng)用戶圖2-1 配電網(wǎng)在電網(wǎng)中的位置根據(jù)配電網(wǎng)電壓等級的不同，可將配電網(wǎng)劃分為高壓配電網(wǎng)(35-110kV)、中壓配電網(wǎng)(6-10kV)以及低壓配電網(wǎng)(220-380V)三個等級；而按照供電區(qū)域的不同，可將配電網(wǎng)劃分為城市配電網(wǎng)、農(nóng)村配電網(wǎng)和工廠配電網(wǎng)。2.1.2 配電網(wǎng)的特點配電網(wǎng)是作為電網(wǎng)中占有舉足輕重地位的組成部分。在很多地方電網(wǎng)中的投資比例超過40%，它對整個電力系統(tǒng)所帶來的影響是非常巨大的，一般來講，配電網(wǎng)具有以下幾方面主要特點：一是覆蓋范圍廣，敷設(shè)線路長。

20、由于配電網(wǎng)中的設(shè)備種類及數(shù)量都很多，如主要包含的變壓器、配電室、分接箱、環(huán)網(wǎng)柜、線路、開關(guān)以及一些計量裝置等眾多設(shè)備，這也造成了配電網(wǎng)中的線路敷設(shè)較長，覆蓋范圍較廣的特點，這一特點與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)是非常明顯的。如在一些農(nóng)村配電網(wǎng)中，由于負(fù)荷比較分散，使得供電半徑較大，敷設(shè)線路長，一些10kV線路都達(dá)到幾十公里。二是當(dāng)前我國配電網(wǎng)運(yùn)行投資多元化。自從本世紀(jì)初期國家取消供電工程貼費之后，在配電網(wǎng)建設(shè)過程中缺乏一定的資金已經(jīng)成為重要的問題之一，因此在這個過程中，除了供電部門自有的投資之外，還需要依靠國家撥款和社會投資等資金來源渠道。這使得如何保證配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性成為配電網(wǎng)的重要工作。三是配電網(wǎng)

21、直接面對用戶，與用戶密切相關(guān)。由前文配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的位置可知，配電網(wǎng)與終端用戶直接相連，因此一旦由于配電網(wǎng)發(fā)生問題而導(dǎo)致停電等事故，便會直接影響用戶的使用。這使得配電網(wǎng)的故障和異常處理是配電網(wǎng)運(yùn)行的首要工作。2.2 無功功率概述2.2.1 無功功率的定義在電網(wǎng)系統(tǒng)中，大部分電力設(shè)備是基于電磁的原理進(jìn)行工作的，也就是說，電力設(shè)備能夠在能量交換的過程中產(chǎn)生交變磁場，且在同一個周期內(nèi)，釋放的功率與吸納的功率是完全相等的。但是，電源在通過純電容或者是純電感時并不減少任何能量，而只是在與用電負(fù)荷實現(xiàn)交換，這種交換的過程不對外做功，便成為無功功率。從根本上講，無功功率表現(xiàn)了內(nèi)外部往返交換的能量狀況，這

22、與有功功率不同，并非表示單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均功率，在電網(wǎng)中，無功功率通常用符號Q來表示，常用單位為乏（var）、千乏（Kvar）與兆乏（Mvar）。2.2.2 無功功率的本質(zhì)意義正如前文所述，無功功率反映的只是能量交換的情況，并不產(chǎn)生功率消耗。下圖2-2所示的單相電路中，負(fù)載是滯后性的負(fù)載，即感性負(fù)載，電阻對有用功進(jìn)行消耗，電感在每個周期內(nèi)會將來自電源的能量進(jìn)行存儲，又在同一周期不同時間將已經(jīng)存儲的能量進(jìn)行釋放，整個過程看起來沒有任何能量的消耗。對于電源與負(fù)載的能量交換幅度可以使用無功功率來表示，無功功率的產(chǎn)生是負(fù)載的需要，它同時對電源會產(chǎn)生一定的影響。URL有功無功圖2-2 無功功率示意圖再

23、如下圖2-3所示的一個三相電路中，規(guī)定參數(shù)U、R以及都與圖2-1中的相同，則該電路為對稱三相電路，電路中的無功功率大小依舊是反映電源與負(fù)載電感產(chǎn)生能量交換的幅度大小，所產(chǎn)生的無功能量會在電源與負(fù)載之間往復(fù)流動，在對稱三相電路中可以發(fā)現(xiàn)，在任何時刻，各項的無功功率分量瞬時值之和都是零，也就是說，無功能量在整個三相電路中也進(jìn)行流動。URL無功能量圖2-3 三相電路無功功率示意圖實際上，很多的實驗已經(jīng)證明，無論三相電路是否對稱，也不論三相電路中有無諧波存在，電路中各無功分量的瞬時值都是零，完全可以認(rèn)為無功能量能夠在三相之間流動。2.2.3 無功功率對電網(wǎng)的影響一般來講，無功功率作為電源與負(fù)載之間的能

24、量度量，屬于儲能元件與電源的能量交換，不過，隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多非儲能元件也能夠?qū)o功進(jìn)行吸收，這是由于元件的非線性產(chǎn)生的。電網(wǎng)中的無功消耗一般出自兩種原因，一種是由于線路消耗的無功，另一種是負(fù)載所消耗的無功。由于電力設(shè)備在進(jìn)行電能輸送時會進(jìn)行無功的吸收，所以為提升電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸送容量，通常會采取對無功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?；同時，由于大量的非線性負(fù)荷消耗無功，例如在工業(yè)與日常中的各類變流設(shè)備、電氣設(shè)備等，特別是一些負(fù)荷的容量較大，無論是啟動過程還是使用過程都會對無功進(jìn)行吸收，這可能會引起電網(wǎng)的畸變。歸納起來，無功功率消耗對電網(wǎng)的影響主要有以下幾個方面：一是能夠降低發(fā)電機(jī)組的輸電能力及輸變

25、電設(shè)備的輸電能力，從而使各種電氣設(shè)備的使用效率大幅度降低，不利于發(fā)電和輸變電成本的降低，對整個電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性發(fā)展造成很大影響。二是能夠增加輸電損耗，使得電能在輸送過程中被持續(xù)降低與損耗，一定程度上浪費了電力能源，對國家電力經(jīng)濟(jì)造成影響。三是增加了電網(wǎng)中的電壓損耗，容易引起電壓的波動和閃變。強(qiáng)烈的閃爍會造成發(fā)電機(jī)等轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定，電子裝置發(fā)生誤動作甚至被損壞，同時使電網(wǎng)供電用戶的實際功率減少。2.3 無功補(bǔ)償理論2.3.1 無功補(bǔ)償?shù)淖饔梅治鰪漠?dāng)前的電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r來看，范圍日益廣泛，系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，各種電力設(shè)備和用戶終端對于電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求，而前文所述的無功功率廣泛存在于各種電網(wǎng)中，實

26、際上，只有少部分設(shè)備消耗有用功，大多數(shù)屬于感性負(fù)載的電力設(shè)備都需要吸收無功。有關(guān)的統(tǒng)計表明，電網(wǎng)中的無功大約是有用功的1.3倍，如果電網(wǎng)系統(tǒng)中的無功比較缺乏時，甚至?xí)岆娏ο到y(tǒng)崩潰。很明顯，這些所需的無功如果全部由發(fā)電源頭提供的話，都需要經(jīng)過遠(yuǎn)距離的輸送，顯然是不合理的，因此，可以通過在需要消耗無功功率的合理位置進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。從根本上講，無功補(bǔ)償是通過提高功率因數(shù)來達(dá)到節(jié)能降損目的的一種方式?？傮w來講，無功補(bǔ)償主要作用包括以下幾個方面：一是直接提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而提升設(shè)備使用率，設(shè)備所需要的容量也會因此降低，同時還能夠降低設(shè)備與線路的損耗，達(dá)到節(jié)約電力能源的目的。二是穩(wěn)定用電終端端

27、及整個系統(tǒng)的電壓，從而提高電能的質(zhì)量，而且如果在遠(yuǎn)距離的線路中找到合理的補(bǔ)償點，就能夠?qū)旊娋€路的穩(wěn)定性以及輸電能力實現(xiàn)提高。三是能夠?qū)σ恍┤嘭?fù)載不平衡的場合，使用無功補(bǔ)償措施，會實現(xiàn)對三相負(fù)載的平衡作用。四是對配電變壓器的安裝容量實現(xiàn)減少，同時增加變壓器、發(fā)電機(jī)等的被用量，達(dá)到減少電費的目的。實際上，在電網(wǎng)中使用無功補(bǔ)償?shù)哪康氖且獙崿F(xiàn)無功平衡，也就是讓整個電網(wǎng)中的無功功率產(chǎn)生量與無功負(fù)荷所消耗的無功功率量達(dá)到平衡。2.3.2 無功補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t 從根本上講，所有的電網(wǎng)系統(tǒng)中都會對無功功率進(jìn)行吸收，尤其是在一些低壓配電網(wǎng)中，這種吸收現(xiàn)象更為嚴(yán)重，那么，想要實現(xiàn)對無功功率傳輸損耗的降低，就必須

28、采取一定的無功補(bǔ)償措施，這些措施的實施必須按照一定的原則進(jìn)行。在我國頒布的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)冊中特意提出了有關(guān)無功功率補(bǔ)償?shù)囊恍┮?，包括有無功功率電源安排規(guī)劃、無功補(bǔ)償分層分區(qū)、電機(jī)自動調(diào)節(jié)勵磁運(yùn)行、受端電壓的無功備用容量等。根據(jù)國家的一些要求，并結(jié)合實際工作的需求，以下歸納出無功補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t：一是無功功率應(yīng)按照分級分層補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t。由于在電網(wǎng)系統(tǒng)中各級輸電配電設(shè)備都需要進(jìn)行無功功率的吸收，這種吸收在一些低壓配電網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)的尤其明顯，那么，對一般的無功功率補(bǔ)償設(shè)備而言，應(yīng)該按照分級別、分層次的原則實現(xiàn)合理的布局。二是無功功率應(yīng)遵循兼顧分散與集中補(bǔ)償，以分散補(bǔ)償為主的原則。一般而言，分散補(bǔ)

29、償面對的是電網(wǎng)中相對分散的負(fù)荷區(qū)域，包括一些配電線路、用戶端的耗電設(shè)備等；而集中補(bǔ)償則主要面對的是變電所內(nèi)一些較為集中的設(shè)備，只需要安裝補(bǔ)償電容器就可以。此外，集中補(bǔ)償是針對主變本身的無功損耗，實現(xiàn)降低輸電線路的無功損耗。所以在進(jìn)行無功功率補(bǔ)償時，要重點針對用戶所需要的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，也就是在無功功率發(fā)生的地方實行補(bǔ)償。三是無功功率補(bǔ)償應(yīng)該留有一定的無功余量。對電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)哪康氖潜３肿罱K的電能質(zhì)量，而在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，可能會發(fā)生一些突發(fā)事件影響無功功率補(bǔ)償?shù)男Ч敲淳蛻?yīng)該有一定的無功余量，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)負(fù)荷的變化跟蹤并處理突發(fā)事件。四是無功功率補(bǔ)償應(yīng)強(qiáng)調(diào)協(xié)調(diào)性與經(jīng)濟(jì)性。無功功率補(bǔ)

30、償?shù)哪康臑樘嵘娔苜|(zhì)量，從而實現(xiàn)電力經(jīng)濟(jì)效益的提升，也就是說，無功功率補(bǔ)償在很大程度上是以經(jīng)濟(jì)最大化為指導(dǎo)的。因此在無功功率補(bǔ)償過程中，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)募袇f(xié)調(diào)以及優(yōu)化，如針對不同的變電站采取不同的優(yōu)化補(bǔ)償方式，或者針對不同的用戶設(shè)備設(shè)定具體的補(bǔ)償設(shè)備。五是無功功率補(bǔ)償應(yīng)遵循電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的原則。盡管無功功率補(bǔ)償能夠提升節(jié)點電壓的穩(wěn)定性，但無功功率補(bǔ)償如果僅僅從局部的電壓穩(wěn)定為基礎(chǔ)開展的話，在一定程度上可能會對全局電網(wǎng)電壓造成不好的影響，這就要求在進(jìn)行無功功率補(bǔ)償時應(yīng)該從整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定需求出發(fā)進(jìn)行。六是無功功率補(bǔ)償應(yīng)兼具普通狀態(tài)與緊急狀態(tài)功能。本原則是從無功功率補(bǔ)償?shù)牟煌瑺顟B(tài)來講的，也就是要求

31、無功功率補(bǔ)償不但能夠在普通正常狀態(tài)時對受控區(qū)域的無功功率調(diào)整到最佳狀態(tài)，同時也能夠在一些特殊緊急狀態(tài)時也能夠進(jìn)行有效的控制電壓的正常范圍，這些緊急狀態(tài)可能是負(fù)荷的突然變化，電網(wǎng)發(fā)生故障等。七是無功功率補(bǔ)償應(yīng)遵循動作的最小化調(diào)節(jié)原則。對一些無功功率補(bǔ)償調(diào)節(jié)設(shè)備而言，其使用次數(shù)與壽命有著直接的關(guān)系，也就是說他們進(jìn)行調(diào)節(jié)的次數(shù)是有限的，那么在系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償時，就應(yīng)該對這些設(shè)備的調(diào)節(jié)動作次數(shù)進(jìn)行合理的規(guī)劃，不但要讓調(diào)節(jié)滿足電網(wǎng)的需求，而且能夠讓設(shè)備的使用次數(shù)在可用范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)補(bǔ)償設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。八是無功功率補(bǔ)償應(yīng)能夠滿足不同的調(diào)壓方式。調(diào)壓方式主要包括有逆調(diào)壓、順調(diào)壓、長調(diào)壓等，要求在實現(xiàn)無功功率補(bǔ)償時，能夠根據(jù)不同時段為母線設(shè)置不同的電壓限值約束，從而達(dá)到用戶對調(diào)壓方式的