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1、电力系统规划与可靠性 （第6专题:电力系统无功规划 ） 2015版 武汉大学电气工程学院电力信息与控制研究所 武汉大学电气工程及其自动化专业选修课 张莲梅 email：lloottuuss 电力系统无功规划 1 概述 2 电网电压标准 3 无功补偿规划的原则 4 无功补偿线性规划模型 5 无功补偿容量的配置 6 配电网无功补偿容量的确定 概述 无功补偿的重要性：电力系统的无功补偿与无功平衡是保证电 压质量的基本条件。 无功补偿作用： 无功规划分类：按规划时间长短电网无功规划也可分为长期规 划（10年以上）、中期规划（5-10年）和短期规划（1-5年 ）三种。 低压及配电网络 （1）调整电压 （
2、2）提高功率因数，降低网络损耗 高压输电系统 （1）提高系统的稳定性 （2）调整受端电压 （3）抑制线路电压升高 （4）降低有功损耗 （5）补偿换流装置需要的无功功率 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 过系统额定电压的+10,最低运行电压不应影响电力系统同步 稳定、电压稳定、厂用电的正常使用及下一级电压调节。 发电厂和500kV变电站的220kV母线：正常运行方式时，电压 允许偏差为系统额定电压的0-+10%，事故运行方式时为系统 额定电压的-5-+10。 发电厂和220kV变电站的110-35kV母线：正常运行方式时
3、， 电压允许偏筹为相应系统额定电压的-3-+7，事故后为系 统额定电压的10。 带地区供电负荷的变电站和发电厂(直属)的10（6）kV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%。 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过额定 电压的10。 10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7。 220V单相供电电压允许偏差为额定电压的-10%+7%。 电网电压标准 各级电压容许损失值的范围 额定电压 电压损失分配值（%） 变压器线路 220kV1.5312 110kV2535 35kV24.51.54.5 10kV及以下24
4、48 110kV线路配电变压器 低压线路 24 1.53 2.55 无功补偿规划的原则 国家相关标准 按电压补偿原则 按经济补偿原则 无功补偿优化 国家相关标准 无功补偿应按国家电网公司电力系统电压质量和无功电力 管理规定（国家电网生2004203号）执行，主要内容为： 【无功就地平衡】集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿 为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主的原则 ，实行分级补偿，实现无功动态就地平衡，满足降损和调压 的需要。 【分（电压）层和分（供电）区的无功平衡】电力系统配置 的无功补偿装置应能保证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）区的无功平衡。分（电
5、压) 层无功平衡的重点是：220kV及以上电压等级层面的无功平 衡；分（供电）区就地平衡的重点是110kV 及以下配电系统 的无功平衡。 【避免无功交换】各级电网应避免通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 不应有大量的无功电力交换。500(330)kV电压等级超高压 输电线路的充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压 并联电抗器基本予以补偿。 【受端无功备用】受端系统应有足够的无功备用容量。当 受端系统存在电压稳定问题时，应通过技术经济比较，考 虑在受端系统的枢纽变电站配置动态无功补偿装置。 【不引起系统谐波明显放大、避免大量的无功电力穿越变 压器
6、】各电压等级的变电站应结合电网规划和电源建设， 合理配置适当规模、类型的无功补偿装置。所装设的无功 补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免大量的无 功电力穿越变压器。35220kV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0 95，在低谷负荷时功 率因数应不高于0.95。 国家相关标准 【电缆线路配置适当容量的感性无功】对于大量采用10 220kV电缆线路的城市电网在新建110kV及以上电压等级 的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散 配置适当容量的感性无功补偿装置。 【主变运行参数的采集、测量】35kV及以下电压等级的变 电站，主变压器高压侧应具备双向有功功率和
7、无功功率(或 功率因数)等运行参数的采集、测量功能。 【足够的事故备用无功容量和调压能力】为了保证系统具 有足够的事故备用无功容量和调压能力，并入电网的发电 机组应具备满负荷时功率因数在O 85（滞相）0 97（进 相）运行的能力，新建机组应满足进相0.95运行的能力。 为了平衡500（330)kV电压等级输电线路的充电功率在电 厂侧可以考虑安装一定容量的并联电抗器。 国家相关标准 【电力用户不应向电网反送无功、不从电网吸收无功】电 力用户应根据其负荷性质采用适当的无功补偿方式和容量 。在任何情况下，不应向电网反送无功电力，并保证在电 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
8、和并联电抗器组】并联电容器组 和并联电抗器组宜采用自动投切方式。 国家相关标准 按电压补偿原则 【按电压补偿原则】满足负荷对无功电力的基本需要，使 电压运行在规定的范围内，以保证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 行无功补偿，可以让线路多输送些无功电力给受端。这一 原则适用于无功补偿容量少，尚不能按经济补偿原则来要 求的电力系统。 【缺点】按电压原则补偿，使电网中无功流动量加大和流 动距离增加，电网有功损耗也相应提高。 按经济原则进行补偿 原则：按减少电网有功损耗和年费用最小的经济原则进行 补偿和配置，即就地分区分层平衡。 500（330）kV与22
9、0（110）kV电网层间，应提高运行功率 因数，甚至不交换无功。 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，35220kV变电站均可作为一个平衡单位，以防止 地区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，功率因数补偿到0.981.0 ，而且要求补偿容量随无功负荷的变化及时调整平衡，不 向系统倒送无功。 无功补偿优化 概念：根据各规划年的负荷水平，通过优化计算求出电网 逐年补偿电容量及有载调压变压器的最优配置方案。 最优配置的目标： 经济目标：系统的有功损耗最小，补偿电容量最小，补偿 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：
10、考虑系统的电压稳定性，提高系统的电压稳定 裕度。 作用：通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷 的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高系统运行的稳 定性，而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能 够安全经济运行。 无功补偿线性规划模型 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 目标函数 网损最小目标函数：在满足约束条件的情况下，用投切补 偿电容器及调节有载调压变压器的分接头来达到电网运行 网损最小的无功配置方案。 网损最小目标函数推导 目标函数 网损最小目标函数推导 目标函数 网损最小目标函数推导 网损最小目标函数推导 目标函数 网损最小目标函数推导
11、目标函数 网损最小目标函数推导 目标函数 网损最小目标函数推导 目标函数 网损最小目标函数推导 目标函数 补偿电容最小目标函数 目标函数 补偿效果最好目标函数 目标函数 变量约束条件 被控制量的约束条件 被控制量的约束条件 变量约束条件 控制变量的约束条件 变量约束条件 综合灵敏度矩阵 灵敏度矩阵：述了状态（被控制）变量和决策（控制）变量 之间的关系的矩阵。 灵敏度矩阵求解 灵敏度矩阵求解 综合灵敏度矩阵 灵敏度矩阵求解 综合灵敏度矩阵 灵敏度矩阵求解 综合灵敏度矩阵 灵敏度矩阵求解 综合灵敏度矩阵 网络参数修正 不管是投切电容器的方式还是调节有载调压变压器分接头 的方式来控制电网电压，实际上
12、都是靠改变电网的参数来 实现的，每次投切电容或改变变压器的分接头都相应地改 变着电网参数。 投切电容器对电网参数的影响 网络参数修正 优化模型及计算流程 无功补偿规划的线性规划模型 计算流程图如下 无功补偿容量的配置 用户的补偿容量 500（330）kV变电站的无功补偿 220kV变电站的无功补偿 35110kV变电站的无功补偿 10kV及其它电压等级配电网的无功补偿 电缆线路电抗器的补偿 用户的补偿容量 要求：基本不受系统供给无功(功率因数达到0. 981.0)；在非 最大负荷方式时，用户应及时调节补偿容量，不向系统倒送无功 ）进行补偿。 相关国家规定（全国供用电规则第四十一条）： 无功电力
13、应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上 ，按有关标准设计和装置无功补偿设备，并做到随负荷和电压变 动及时投人和切除以防止无功电力倒送。除电网有特殊要求的用 户外用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数 应达到下列规定： 100kVA及以上高压供电的用户功率因数为0.95以上； 其他电力用户和大、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。 500（330）kV变电站的无功补偿 500(330)kV电压等级变电站容性无功补偿的主要作用是补偿 主变压器无功损耗以及输电线路输送容量较大时电网的无功 缺额。容性无功补偿应按照主变压器容量
14、的10%20%配置。 500(330)kV电压等级高压并联电抗器（包括中性点小电抗） 的主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的充电功率，高压开联电抗器的容量 应根据上述要求确定。主变压器低压侧并联电抗器组的作用 主要是补偿超高压输电线路的剩余充电功率，其容量应根据 电网结构和运行的需要而确定。 当局部地区500（300）kV电压等级短线路较多时，应根据电 网结构，在适当地点装设高压并联电抗器，进行无功补偿。 以无功补偿为主的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 台变压器配置的无功补偿容量宜基本一致。 2
15、20kV变电站的无功补偿 220kV变电站的容性无功补偿以补偿主变压器无功损耗为主 ，并适当补偿部分线路的无功损耗。补偿容量按照主变压 器容量的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变电站无功补偿装置所接如母线有直配负荷时，容 性无功补偿容量可按上限配置；当无功补偿装置所接入母 线无直配负荷或变压器各侧出线以电缆为主时容性无功 补偿容量可按下限配置。 对进、出线以电缆为主的220kV变电站，可根据电缆长度配 置相应的感性无功补偿装置。每一台变压器的感性无功补 偿装置容量不宜大于主变压器容量的20%，或经过技术经济 比较后确定。 22
16、0kV变电站无功补偿装置的分组容量选择应根据计算确 定，最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不 宜超过电压额定值的2.5%。一般情况下无功补偿装置的单 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 的无功补偿容量宜基本一致。 220kV变电站的无功补偿 35110kV变电站的无功补偿 35-110kV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10%30%配置，井满足35 110kV主变压器最大负荷时，其高压侧
