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華 北 電 力 大 學(xué)工程碩士研究生選題報告及論文工作計劃研究生姓名 李海霞 學(xué) 號 1102301336 院(系、所) 電氣與電子工程學(xué)院 學(xué)科、專業(yè) 電氣工程或電子與通信工程 學(xué)校指導(dǎo)教師趙成勇 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 企業(yè)指導(dǎo)教師丁宏林 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 入學(xué)日期 2011年5 月 2012年 8 月 17 日擬選論文題目： 清油河地區(qū)10KV無功分散補償研究 選題報告會地點： 選題報告會日期： 年 月 日清油河地區(qū)10KV無功分散補償研究一、選題背景及其意義隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電力用戶自動化水平的提高，電氣設(shè)備對電源電壓質(zhì)量的要求越來越高。波動性負(fù)荷造成的局部電網(wǎng)電壓不穩(wěn)和功率因數(shù)惡化嚴(yán)重威脅著高自動化水平設(shè)備的電氣壽命，制約著企業(yè)生產(chǎn)效率的提高。電力系統(tǒng)無功功率的調(diào)節(jié)影響到系統(tǒng)的功率因數(shù)、電壓水平和負(fù)荷平衡，因而是電力系統(tǒng)運行中的一個重要問題。隨著配電系統(tǒng)負(fù)荷日益增長，無功需求也相應(yīng)增加。補償電力系統(tǒng)無功、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善系統(tǒng)功率因數(shù)，己成為廣大用戶的迫切要求和電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的研究方向之一。而隨著配電系統(tǒng)負(fù)荷日益增長，無功需求也相應(yīng)增加，并越來越依賴于安裝在配電線路上的并聯(lián)電容器來滿足無功需求。目前，我國配電網(wǎng)無功補償通常在專用變壓器低壓側(cè)(0.4kV側(cè))進(jìn)行。但大量分散的公用變壓器低壓側(cè)不便于裝設(shè)補償裝置，因無法實現(xiàn)自動投切，會因管理困難不能防止過補償和電壓升高損壞電容器和其他設(shè)備造成隱患。因此，配電網(wǎng)的補償度就受到限制，使得配電網(wǎng)存在較大的降損空間。在10kV配電網(wǎng)采用桿上無功補償方式，即將戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上，以進(jìn)一步提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。這種無功補償方式與在各公用變壓器低壓側(cè)分散補償方式相比，有著補償裝置集中，設(shè)備利用率高，便于管理和維護(hù)的優(yōu)點，而且能彌補公用變壓器低壓側(cè)缺少無功補償?shù)娜毕荩瑴p少了大量無功的沿線傳輸，可以直接連接于主干線和較大的分支線上，尤其是在線路較長(5km以上)功率因數(shù)較低(0.9以下)的配電線路上。在負(fù)荷側(cè)進(jìn)行桿上無功補償，其效益將相當(dāng)明顯。但如何確定補償?shù)攸c和容量，使線損或年支出費用盡可能少，同時又不會顯著增加運行的維護(hù)工作量，達(dá)到安全可靠運行目的是一個有意義的課題。具體到清油河地區(qū)，其10kV配電線路廣泛采用大樹干、多分支的單向輻射型供電方式。這些線路的特點是負(fù)荷率低，負(fù)荷季節(jié)性波動大，配電變壓器的平均負(fù)荷率低，供電半徑長，無功消耗多，功率因數(shù)低，線路損耗大，末端電壓質(zhì)量差?；谝陨戏治觯瑢τ谇逵秃拥貐^(qū)無功分散補償研究是十分必要的。這樣不僅可以改善配電網(wǎng)長期處在無功不足的狀態(tài)下運行的現(xiàn)狀，而且可以提高電力線路的運行性能，降低電能損耗，提高供電網(wǎng)絡(luò)的電壓質(zhì)量。二、國內(nèi)外研究動態(tài)1.配電網(wǎng)無功補償?shù)姆桨秆芯烤C述配電系統(tǒng)的各種無功補償方式如圖1所示。圖1配電系統(tǒng)得各種無功補償方式示意圖1) 方式1：變電站集中補償針對輸電網(wǎng)的無功平衡，在變電站進(jìn)行集中補償，補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等，主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)、提高終端變電所的電壓和補償主變壓器的無功損耗。這些補償裝置一般連在變電站的10kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點，但是這種方案對配電網(wǎng)的降損起的作用很小。2) 方式2：低壓集中補償目前國內(nèi)普遍采用的另外一種無功補償方式是在配電變壓器38OV側(cè)進(jìn)行集中補償，通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等。根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補償。主要目的是提高專有變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用，也有助于保證該用戶的電壓水平。3) 方式3：用戶終端補償供電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范(GB50052-95)指出，容量較大、負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備無功負(fù)荷宜單獨就地補償。故對于企業(yè)和廠礦中的電動機，應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補償，即隨機補償；針對小區(qū)用戶終端的負(fù)荷小、波動大、地點分散、無人管理等特點，應(yīng)該開發(fā)一種新型低壓終端無功補償裝置，并滿足以下要求:智能型控制，免維護(hù)；體積小，易安裝；功能完善，造價較低。4) 方式4：柱上無功補償由于配電網(wǎng)中大量存在的公用變壓器沒有進(jìn)行低壓補償，使得補償度受到限制。由此造成很大的無功缺口，需要由變電站或發(fā)電廠來填補。大量的無功沿線傳輸使得配電網(wǎng)損仍然高居不下。因此可以采用10kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上(或另行架桿)進(jìn)行無功補償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站，容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置、控制成本高、維護(hù)工作量大、受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。因此，桿上無功優(yōu)化補償必須結(jié)合以下實際工程要求來進(jìn)行。2.無功補償方式研究綜述在10kV供電網(wǎng)中所需的無功功率，主要包括配電變壓器勵磁所損耗的無功功率，線路感抗所損耗的無功功率及感性用電負(fù)荷的無功功率，下面分別對這三種無功功率的補償方式進(jìn)行討論。1) 負(fù)荷的無功功率補償對于分散補償(補償電容器安裝于配電變壓器的低壓側(cè))，無功補償主要是按提高功率因數(shù)的要求來計算所需補償電容器的容量。補償電容器的容量是隨著負(fù)荷的變化而變化的，因此需要自動投切一部分電容器組，以達(dá)到最佳補償功率因數(shù)。當(dāng)無功補償系統(tǒng)處于獨立工作狀態(tài)時，補償點的選取直接影響到補償效果。尤其在距離較長的線路上進(jìn)行集中補償，如農(nóng)電網(wǎng)線路，補償點的影響更加明顯。一些距離很長或帶有特殊負(fù)荷的線路(如電氣化鐵路的機車牽引電力線)為保證補償效果，往往在一條線路上安裝多臺補償設(shè)備。安裝點的選取與線路上負(fù)荷的分布情況直接相關(guān)。對于10kV配網(wǎng)而言，其負(fù)荷一般是沿線路均勻分布的，為使補償前、后的降損效果最大，必須確定補償容量和位置。2) 線路中無功損耗的補償對于1Okv線路來說感抗值是均勻分布的，因此由線路感抗所造成的無功潮流是均勻遞增的。10kV線路的無功相對于負(fù)荷來說一般很小，因此，一般不對線路進(jìn)行專門補償，而是與變壓器、負(fù)荷一起進(jìn)行集中補償。3) 配電變壓器中無功損耗的補償配電變壓器的無功損耗是由固定無功損耗和可變無功損耗兩部分組成。前者是用來建立磁場的勵磁無功損耗，與負(fù)荷電流無關(guān)；后者是與負(fù)荷電流的平方成正比的漏磁無功損耗，大多在負(fù)荷處進(jìn)行無功補償。線路及配電變壓器中無功損耗的補償，應(yīng)根據(jù)配電變壓器的勵磁無功損耗和線路無功損耗來確定補償容量和補償位置。三、課題研究內(nèi)容本文在分析無功補償?shù)幕驹砼c傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，針對10kV配電網(wǎng)的實際情況，提出了一套適用于10kV線路新型分散式無功補償系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能降損的目的。本文的主要工作有:(1)對無功補償?shù)幕驹磉M(jìn)行詳細(xì)論述。(2)針對10kV配電網(wǎng)的無功補償，結(jié)合工程實際，對并聯(lián)電容器補償原理、補償容量、安裝位置等進(jìn)行了分析，確定最優(yōu)補償方式，使之達(dá)到最佳補償效果，使網(wǎng)損大幅度下降。(3) 為了進(jìn)一步提高每條線路的電能數(shù)據(jù)的檢測、計量、監(jiān)測的準(zhǔn)確性以及經(jīng)濟效益，本文在傳統(tǒng)無功補償系統(tǒng)基礎(chǔ)之上提出了一種新型配電線路分散式無功優(yōu)化補償方法。(4)為使配電線路上的無功潮流的分布趨于最合理、最經(jīng)濟，效益達(dá)到最佳，本文還對新型配電線路分散式無功優(yōu)化補償系統(tǒng)的最佳補償位置進(jìn)行了尋找，對配網(wǎng)電容器投切方法進(jìn)行了優(yōu)化。(5)以清油河地區(qū)為例，對上述新型配電線路分散式無功優(yōu)化補償系統(tǒng)進(jìn)行了實例分析。四、研究方案及難點針對上述研究內(nèi)容，本文擬采取以下研究方案：(1) 為了改善10kV配電網(wǎng)長期處在無功不足的狀態(tài)下運行的現(xiàn)狀，提高電力線路的運行性能，降低電能損耗，本文結(jié)合清油河地區(qū)的實際情況，對并聯(lián)電容器補償原理、補償容量、安裝位置等進(jìn)行了分析，確定柱上無功自動補償方式，使之達(dá)到最佳補償效果。(2) 新型配電線路分散式無功優(yōu)化補償系統(tǒng)，把無功補償裝置的測控單元與補償單元長距離分割開，測控點位于線路首端，補償點位于線路中的1個點或幾個點。線路中多個負(fù)荷節(jié)點安裝補償設(shè)備只需一套測控單元，可以節(jié)約設(shè)備投資。(3) 為使配電線路上的無功潮流的分布趨于最合理、最經(jīng)濟，效益達(dá)到最佳，本文的無功補償系統(tǒng)欲采用基于靈敏度的最佳補償位置的確定和基于現(xiàn)代智能優(yōu)化方法的配網(wǎng)電容器投切算法的研究。研究工作的難點主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)的無功補償系統(tǒng)的不足主要為：在配電線路補償中尤其是在遠(yuǎn)距離線路的無功補償中，由于補償裝置是向安裝點線路兩端（電源端和負(fù)荷端）輸送無功功率，這勢必有一定量的無功功率朝著電源端反送，容易導(dǎo)致測量點電源側(cè)過補償，不僅加大線損，而且會使得電壓過高，導(dǎo)致補償電容器及其他設(shè)備損壞。另外，控制器通常不能很好地反映線路全局的負(fù)荷情況，并且由于每一組并聯(lián)電容都設(shè)有一套控制器，成本投入較大。為了克服上述不足，本文提出了新型配電線路分散式無功優(yōu)化補償系統(tǒng)把傳統(tǒng)補償裝置中集成在一起的測量控制單元和投切執(zhí)行單元分離開，利用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸單元聯(lián)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制無功補償單元的自動運行，并引入了基于靈敏度的最佳位置選擇和基于遺傳算法的全局優(yōu)化控制算法，能夠根據(jù)配電系統(tǒng)潮流實時優(yōu)化分析，確定系統(tǒng)中無功補償設(shè)備的投切策略，綜合考慮設(shè)備的運行費用。五、預(yù)期成果和可能的創(chuàng)新點（1）創(chuàng)建新型配電線路分散式無功優(yōu)化補償系統(tǒng)該系統(tǒng)由測量控制單元、GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸單元、投切執(zhí)行單元和無功補償單元4個部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)的測量控制單元利用電壓，電流互感器從電網(wǎng)中檢測各種電能數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換、運算、分析和控制決策，最后由控制器發(fā)出數(shù)字投切指令，無線數(shù)據(jù)傳輸單元將控制器發(fā)來的投切指令信號，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)給饋線終端，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)化，將數(shù)字信號變成為電信號，驅(qū)動需要補償點的投切執(zhí)行單元。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸單元是實現(xiàn)系統(tǒng)達(dá)到四遙（遙測、遙信、遙調(diào)和遙控）的關(guān)鍵，并可與變電站或者調(diào)度中心的后臺軟件相配合，對線路上的各種信息（三相電壓、三相電流、功率因素、有功功率及無功功率等）實時監(jiān)控。投切執(zhí)行單元主要完成驅(qū)動開關(guān)的合、分閘動作，以接通和開斷電容器組；投切開關(guān)采用專用永磁機構(gòu)真空斷路器，可以實現(xiàn)過零投切，防止涌流和過電壓的沖擊，使電容器的使用壽命得到延長。無功補償單元為無功功率發(fā)生單元，起主要補償作用，其他單元都是為其服務(wù)的。圖2 配電線路新型分散式無功補償裝置結(jié)構(gòu)圖 （2）無功控制的全局優(yōu)化算法由于并聯(lián)電容器組價格昂貴，不可能在所有負(fù)荷節(jié)點處進(jìn)行配置。因此在配網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計時確定電容器組的最佳安裝位置。 基于現(xiàn)代智能優(yōu)化方法的全局優(yōu)化算法研究，包括：基于蟻群算法的無功控制的設(shè)計與實現(xiàn)；基于遺傳算法的無功控制的設(shè)計與實現(xiàn)；基于模擬退火算法的無功控制的設(shè)計與實現(xiàn)。與此同時，對上述方法進(jìn)行對比，找出最適用的方法。（3）GPRS通信技術(shù)特點和實現(xiàn)系統(tǒng)建立的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖系統(tǒng)主要由饋線終端的控制單元、GPRS 通信模塊、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和管理主機等組成。通信過程如下：無功補償系統(tǒng)的測量控制單元利用電壓/電流互感器從電網(wǎng)中檢測各種電能數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換、運算、分析和控制決策，最后由控制器發(fā)出數(shù)字投切指令，無線數(shù)據(jù)傳輸單元將控制器發(fā)來的投切指令信號，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)給饋線終端，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)化，將數(shù)字信號變成為電信號，驅(qū)動投切執(zhí)行單元。六、主要參考文獻(xiàn)1Bhattacharya T K, Basu T K. Medium Range Forecasting of Power System Load Using Modified Kalman Filter and Walsh Transform.International Journal of Electrical Power and Energy System,1993,15(2):109-115.2Edmund T.H. Heng，Dipti Srinivasan, et al. Short Term Load Forecasting Using Genetic Algorithm And Neural Networks. IEEE Catalogue No:98EX137:576-581.3TAYATI Worawit, CHANKAIPOL Wanchai. Substation Short Term Load Forecasting Using Neural Network with Genetic Algorithm. Proceedings of IEEE TENCON02:1787-1790.4 程浩忠，吳浩.電力系統(tǒng)無功與電壓穩(wěn)定.北京:中國電力出版社，2004.5陳晰.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析.北京:中國電力出版社，1995.6Alireza Khotanzad, Reza Afkhami-Rohani, Dominic Maratukulam.ANNSTLF-Artificial Neural Network Short-Term Load Forecaster Generation Three. IEEE Transactions on Power Systems,1998,13(4):1413-1422.7 Palma-Behnke R，Vargas L S，et al. OPF with SVC and UPFC modelingfor longitudinal systems. IEEE Transactions On Power Systems 2004,19(4):1742-1753.8Bhattacharya T K, Basu T K. Medium Range Forecasting of Power System Load Using Modified Kalman Filter and Walsh Transform. International Journal of Electrical Power and Energy System,1993,15(2):109-115.9Hippert H S, Pedreira C E, Souza R C. Neural Networks for Short-term Load Forecasting: A Review and Evaluation. IEEE Trans on Power Systems,2001,16(1):44-55.10王兆安，楊軍，等.諧波抑制和無功功率補償.北京:機械工業(yè)出版社，1998.11中華人民共和國能源部標(biāo)準(zhǔn).SD325-1989.電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則.北京:中華人民共和國能源部，1989.12戴曉亮.無功補償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(6):11-14.13趙曉春，董德坤，等.配電網(wǎng)的無功功率及無功功率補償.電測與儀表，2002，39(3):27-29.14于爾鏗等能量管理系統(tǒng):EMS北京:科學(xué)出版社1998.15Liu K,Load Subbarayan S, Shoults R R, et al. Comparison of Very Short-term Forecasting Tec