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1、 华 北 电 力 大 学工程硕士研究生选题报告及论文工作计划研究生姓名 李海霞 学 号 院(系、所) 电气与电子工程学院 学科、专业 电气工程或电子与通信工程 学校指导教师赵成勇 专业技术职务 企业指导教师丁宏林 专业技术职务 入学日期 2011年5 月 2012年 8 月 17 日拟选论文题目： 清油河地区10KV无功分散补偿研究 选题报告会地点： 选题报告会日期： 年 月 日清油河地区10KV无功分散补偿研究一、选题背景及其意义随着电力系统的发展和电力用户自动化水平的提高，电气设备对电源电压质量的要求越来越高。波动性负荷造成的局部电网电压不稳和功率因数恶化严重威胁着高自动化水平设备的电气寿
2、命，制约着企业生产效率的提高。电力系统无功功率的调节影响到系统的功率因数、电压水平和负荷平衡，因而是电力系统运行中的一个重要问题。随着配电系统负荷日益增长，无功需求也相应增加。补偿电力系统无功、稳定系统电压、改善系统功率因数，己成为广大用户的迫切要求和电力系统自动化领域的研究方向之一。而随着配电系统负荷日益增长，无功需求也相应增加，并越来越依赖于安装在配电线路上的并联电容器来满足无功需求。目前，我国配电网无功补偿通常在专用变压器低压侧(0.4kV侧)进行。但大量分散的公用变压器低压侧不便于装设补偿装置，因无法实现自动投切，会因管理困难不能防止过补偿和电压升高损坏电容器和其他设备造成隐患。因此，
3、配电网的补偿度就受到限制，使得配电网存在较大的降损空间。在10kV配电网采用杆上无功补偿方式，即将户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上，以进一步提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。这种无功补偿方式与在各公用变压器低压侧分散补偿方式相比，有着补偿装置集中，设备利用率高，便于管理和维护的优点，而且能弥补公用变压器低压侧缺少无功补偿的缺陷，减少了大量无功的沿线传输，可以直接连接于主干线和较大的分支线上，尤其是在线路较长(5km以上)功率因数较低(0.9以下)的配电线路上。在负荷侧进行杆上无功补偿，其效益将相当明显。但如何确定补偿地点和容量，使线损或年支出费用尽可能少，同时又不会显著增加运行的维护
4、工作量，达到安全可靠运行目的是一个有意义的课题。具体到清油河地区，其10kV配电线路广泛采用大树干、多分支的单向辐射型供电方式。这些线路的特点是负荷率低，负荷季节性波动大，配电变压器的平均负荷率低，供电半径长，无功消耗多，功率因数低，线路损耗大，末端电压质量差。基于以上分析，对于清油河地区无功分散补偿研究是十分必要的。这样不仅可以改善配电网长期处在无功不足的状态下运行的现状，而且可以提高电力线路的运行性能，降低电能损耗，提高供电网络的电压质量。二、国内外研究动态1.配电网无功补偿的方案研究综述配电系统的各种无功补偿方式如图1所示。图1配电系统得各种无功补偿方式示意图1) 方式1：变电站集中补偿
5、针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变压器的无功损耗。这些补偿装置一般连在变电站的10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但是这种方案对配电网的降损起的作用很小。2) 方式2：低压集中补偿目前国内普遍采用的另外一种无功补偿方式是在配电变压器38OV侧进行集中补偿，通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等。根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专有变压器用户的功率因数，实现无功就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定
6、作用，也有助于保证该用户的电压水平。3) 方式3：用户终端补偿供电系统设计规范(GB50052-95)指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。故对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端的负荷小、波动大、地点分散、无人管理等特点，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并满足以下要求:智能型控制，免维护；体积小，易安装；功能完善，造价较低。4) 方式4：柱上无功补偿由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，使得补偿度受到限制。由此造成很大的无功缺口，需要由变电站或发电厂来填补。大量的无功沿线传输使得配电网损仍然高居不下。因此可
7、以采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上(或另行架杆)进行无功补偿，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。因此，杆上无功优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行。2.无功补偿方式研究综述在10kV供电网中所需的无功功率，主要包括配电变压器励磁所损耗的无功功率，线路感抗所损耗的无功功率及感性用电负荷的无功功率，下面分别对这三种无功功率的补偿方式进行讨论。1) 负荷的无功功率补偿对于分散补偿(补偿电容器安装于配电变压器的低压侧)，无功补偿主要是按提高功率因数的要
8、求来计算所需补偿电容器的容量。补偿电容器的容量是随着负荷的变化而变化的，因此需要自动投切一部分电容器组，以达到最佳补偿功率因数。当无功补偿系统处于独立工作状态时，补偿点的选取直接影响到补偿效果。尤其在距离较长的线路上进行集中补偿，如农电网线路，补偿点的影响更加明显。一些距离很长或带有特殊负荷的线路(如电气化铁路的机车牵引电力线)为保证补偿效果，往往在一条线路上安装多台补偿设备。安装点的选取与线路上负荷的分布情况直接相关。对于10kV配网而言，其负荷一般是沿线路均匀分布的，为使补偿前、后的降损效果最大，必须确定补偿容量和位置。2) 线路中无功损耗的补偿对于1Okv线路来说感抗值是均匀分布的，因此
9、由线路感抗所造成的无功潮流是均匀递增的。10kV线路的无功相对于负荷来说一般很小，因此，一般不对线路进行专门补偿，而是与变压器、负荷一起进行集中补偿。3) 配电变压器中无功损耗的补偿配电变压器的无功损耗是由固定无功损耗和可变无功损耗两部分组成。前者是用来建立磁场的励磁无功损耗，与负荷电流无关；后者是与负荷电流的平方成正比的漏磁无功损耗，大多在负荷处进行无功补偿。线路及配电变压器中无功损耗的补偿，应根据配电变压器的励磁无功损耗和线路无功损耗来确定补偿容量和补偿位置。三、课题研究内容本文在分析无功补偿的基本原理与传统方法的基础上，针对10kV配电网的实际情况，提出了一套适用于10kV线路新型分散式
10、无功补偿系统，达到节能降损的目的。本文的主要工作有:(1)对无功补偿的基本原理进行详细论述。(2)针对10kV配电网的无功补偿，结合工程实际，对并联电容器补偿原理、补偿容量、安装位置等进行了分析，确定最优补偿方式，使之达到最佳补偿效果，使网损大幅度下降。(3) 为了进一步提高每条线路的电能数据的检测、计量、监测的准确性以及经济效益，本文在传统无功补偿系统基础之上提出了一种新型配电线路分散式无功优化补偿方法。(4)为使配电线路上的无功潮流的分布趋于最合理、最经济，效益达到最佳，本文还对新型配电线路分散式无功优化补偿系统的最佳补偿位置进行了寻找，对配网电容器投切方法进行了优化。(5)以清油河地区为
11、例，对上述新型配电线路分散式无功优化补偿系统进行了实例分析。四、研究方案及难点针对上述研究内容，本文拟采取以下研究方案：(1) 为了改善10kV配电网长期处在无功不足的状态下运行的现状，提高电力线路的运行性能，降低电能损耗，本文结合清油河地区的实际情况，对并联电容器补偿原理、补偿容量、安装位置等进行了分析，确定柱上无功自动补偿方式，使之达到最佳补偿效果。(2) 新型配电线路分散式无功优化补偿系统，把无功补偿装置的测控单元与补偿单元长距离分割开，测控点位于线路首端，补偿点位于线路中的1个点或几个点。线路中多个负荷节点安装补偿设备只需一套测控单元，可以节约设备投资。(3) 为使配电线路上的无功潮流
12、的分布趋于最合理、最经济，效益达到最佳，本文的无功补偿系统欲采用基于灵敏度的最佳补偿位置的确定和基于现代智能优化方法的配网电容器投切算法的研究。研究工作的难点主要体现在：传统的无功补偿系统的不足主要为：在配电线路补偿中尤其是在远距离线路的无功补偿中，由于补偿装置是向安装点线路两端（电源端和负荷端）输送无功功率，这势必有一定量的无功功率朝着电源端反送，容易导致测量点电源侧过补偿，不仅加大线损，而且会使得电压过高，导致补偿电容器及其他设备损坏。另外，控制器通常不能很好地反映线路全局的负荷情况，并且由于每一组并联电容都设有一套控制器，成本投入较大。为了克服上述不足，本文提出了新型配电线路分散式无功优
13、化补偿系统把传统补偿装置中集成在一起的测量控制单元和投切执行单元分离开，利用GPRS无线数据传输单元联络，实现远距离控制无功补偿单元的自动运行，并引入了基于灵敏度的最佳位置选择和基于遗传算法的全局优化控制算法，能够根据配电系统潮流实时优化分析，确定系统中无功补偿设备的投切策略，综合考虑设备的运行费用。五、预期成果和可能的创新点（1）创建新型配电线路分散式无功优化补偿系统该系统由测量控制单元、GPRS 无线数据传输单元、投切执行单元和无功补偿单元4个部分组成，其结构图如图2所示。该系统的测量控制单元利用电压，电流互感器从电网中检测各种电能数据，经过信号转换、运算、分析和控制决策，最后由控制器发出
14、数字投切指令，无线数据传输单元将控制器发来的投切指令信号，通过GPRS网络给馈线终端，经过信号转化，将数字信号变成为电信号，驱动需要补偿点的投切执行单元。GPRS无线数据传输单元是实现系统达到四遥（遥测、遥信、遥调和遥控）的关键，并可与变电站或者调度中心的后台软件相配合，对线路上的各种信息（三相电压、三相电流、功率因素、有功功率及无功功率等）实时监控。投切执行单元主要完成驱动开关的合、分闸动作，以接通和开断电容器组；投切开关采用专用永磁机构真空断路器，可以实现过零投切，防止涌流和过电压的冲击，使电容器的使用寿命得到延长。无功补偿单元为无功功率发生单元，起主要补偿作用，其他单元都是为其服务的。图
15、2 配电线路新型分散式无功补偿装置结构图 （2）无功控制的全局优化算法由于并联电容器组价格昂贵，不可能在所有负荷节点处进行配置。因此在配网规划设计时确定电容器组的最佳安装位置。 基于现代智能优化方法的全局优化算法研究，包括：基于蚁群算法的无功控制的设计与实现；基于遗传算法的无功控制的设计与实现；基于模拟退火算法的无功控制的设计与实现。与此同时，对上述方法进行对比，找出最适用的方法。（3）GPRS通信技术特点和实现系统建立的通信网络结构如图3所示。图3 通信网络结构简图系统主要由馈线终端的控制单元、GPRS 通信模块、GPRS通信网络和管理主机等组成。通信过程如下：无功补偿系统的测量控制单元利用电压/电流互感器从电网中检测各种电能数据，经过信号转换、运算、分析和控制决策，最后由控制器发出数字投切指令，无线数据传输单元将控制器发来的投切指令信号，通过GPRS网络给馈线终端，经过信号转化，将数字信号变成为电信号，驱动投切执行单元。六、主要参考文献1Bhattacharya T K, Basu T K. Medium Range Forecasting of Power Sy
