保证电力系统无功平衡的要求

武汉理工大学《电力系统分析》课程设计说明书

摘要

在电力系统整个运行过程中，电压始终是衡量电能质量的一个重要指标，质量合格的电压应该在以下四个方面都能满足有关国家标准规定的要求： 供电电压偏移；电压波动和闪变；电网谐波；三相不对称程度。电压如果不合理，对电气设备、生产运营等产生严重影响，甚至有可能造成大面积停电，例如日本东京电力系统1987年7月23日发生电压崩溃造成大停电事故。起因是由于负荷增加过快，电压开始下降，最后发展到继电保护动作跳闸，导致三个变电所全停。而无功负荷与无功电源失去平衡时，会引起系统电压的升高或下降，可见实现无功功率在额定电压下的平衡是保证电压质量的基本条件。无功功率对电压水平有决定性的影响，是引起电压损耗的重要因素，系统无功电源充足，可以满足较高电压水平下的无功功率平衡，无功不足，则运行电压水平较低。本文针对电网无功功率平衡与电压调整的问题展开深入研究，设计使电网工作在无功功率平衡和电压合理的范围内。

关键词：电压合理 电能质量 无功功率平衡 电压调整

1

武汉理工大学《电力系统分析》课程设计说明书

电力系统无功平衡计算与分析

1基本原理

1.1无功功率平衡的基本概念

电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的

电力系统无功功率平衡与电压调整

由于电力系统中节点很多，网络结构复杂，负荷分布不均匀，各节点的负荷变动时，会引起各节点电压的波动。要使各节点电压维持在额定值是不可能的。所以，电力系统调压的任务，就是在满足各负荷正常需求的条件下，使各节点的电压偏移在允许范围之内。

由综合负荷的无功功率一电压静态特性分析可知，负荷的无功功率是随电压的降低而减少的，要想保持负荷端电压水平，就得向负荷供应所需要的无功功率。所以，电力系统的无功功率必须保持平衡，即无功功率电源发出的无功功率要与无功功率负荷和无功功率损耗平衡。这是维持电力系统电压水平的必要条件。

一、无功功率负荷和无功功率损耗 1．无功功率负荷

无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备(主要是异步电动机)所吸收的无功功率。一般综合负荷的功率因数为0.6～O.9，其中，较大的数值对应于采用大容量同步电动机的场合。 2．电力系统中的无功损耗 (1)变压器的无功损耗。变压器的无功损耗包括两部分。一部分为励磁损耗，这种无功损耗占额定容量的百分数，基本上等于空载电流百分数I0％，约为1％～2％。因此励磁损耗为

?QTy?I0STN/100 (Mvar)

电力系统中的无功补偿

众所周知，电源能量通过电感或电容时并没有能量消耗，只是在负荷与电源之间相互交换和三相之间流动。由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。电力系统中的设备大部分是根据电磁感应原理工作的，它们在单位周期内吸收的功率和释放的功率相同，以此建立交变的磁场，这部分功率就是无功功率。可见，无功功率在电力系统中扮演了重要的角色。可是在电力系统中为什么要进行无功补偿呢？

无功补偿的必要性

在电力系统中，如变压器、电动机等许多工作时需要励磁的设备都需要从电力系统中吸收无功功率；并且输电线路具有分布电容，在电压下将产生容性无功功率，也就是说线路也要吸收感性无功。发电机是电力系统中唯一的有功电源，也是基本的无功电源。如果只依靠发电机来提供无功功率的，由于无功功率不断地来回地交换会引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。另外，发电机发出的所有功率等于有功功率与无功功率的矢量和，提供的无功功率多时，提供的有功功率也就相对就减少了，显然这种运行方式也是很不经济的。

如果不进行无功功率补偿，通常会造成两个主要问题：

（1）在电力传输系统中，如果说出现了无功功率不足的现象，那么就会导致电力系统中的电压以及功率因数不断的降低，最终导致用电设

现代生产和现代生活离不开电力。电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求。所谓电能质量，主要是指所提供电能的电压、频率和波形是否合格，在合格的电能下工作，用电设备性能最好、效率最高，电压质量是电能质量的一个重要方面，同时，电压质量的高低对电网稳定、经济运行也起着至关重要的作用。

1 电压与无功补偿

电压顾名思义就是电(力)的压力。在电压的作用下电能从电源端传输到用户端，驱动用电设备工作。

交流电力系统需要电源供给两部分能量，一部分将用于作功而被消耗掉，这部分电能将转换为机械能、光能、热能或化学能，我们称

为“有功功率”。另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有作功，由电能转换为磁能，再由磁能转换为电能，周而复始，并没有消耗，这部分能量我们称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立感应磁场，电动机、变压器等设备就不能运转。在电力系统中，除了负荷无功功率外，变压器和线路的电抗上也需要大量无功功率。

国际电工委员会给出的无功功率的定义是：电压与无功电流的乘积

为无功功率。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件活动所需要的功率交换称为无功功率。

　我们以电

第一节 功率三角形

一、 概述 1、有功和无功的概念

电力系统无论是发电厂发出的电能还是消费的电能，其电功率都可分为有功功率和无功功率。有功功率就是指电能转化为热能或者机械能等形式被人们使用或消耗的能量，有功电能是我们最直接能感受到的电功率；而无功功率比较抽象，它是指用于建立电场能和磁场能相互交换所必须的、并用来在电气设备中建立和维持磁场的那部分电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量，凡是有电磁线圈的电气设备要建立磁场，都要消耗无功功率。

无功功率决不是无用的功率，它的作用很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动而带动机械运动的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的；变压器也同样需要无功功率在变压器的一次线圈建立磁场，进而才能在二次线圈感应出电压。因此没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器也不会吸合。

无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千乏（kVar）。 发电厂(站）担负着向用户提供安全优质电能的任务，由于电能不能储存，因此发电厂(站）必须按照用户的需求向系统实时送出经济安全优质足量的有功和无功电能，确保总发出电能与总需求电能的平衡。

2、电能质量的两个重要指标

电压和频率是衡量电

母线和用户受电端电压质量的要求 8.2 升压变压器高压侧的额定电压 330kV 证后确定 并考虑电力系统 10 15 年发展的需要 经计算论 220kV 及以下电压等级者 宜选 1.1 倍系统额定电压 宜根据系统无功功率分层平衡要求 500kV 级变压器高压侧的额定电压 8.3 降压变压器高压侧的额定电压 宜选系统额定电压 中压侧和低压侧的额定电压 宜选 1.05 倍系统额定电压 8.4 发电机升压变压器 计算论证可行时 一般可选用无励磁调压型 330kV 500kV 级升压变压器 可选用有载调压型 经调压计算论证确有必要且技术经 经调压计算 仅此一级调 经调压 也可采用不设分接头的变压器 经调压计算论证有必要时 8.5 发电厂的联络变压器 济比较合理时 8.6 330kV 500kV 级降压变压器宜选用无励磁调压型 可选用有载调压型 8.7 直接向 10kV 配电网供电的降压变压器 应选用有载调压型 变压器 压尚不能满足电压控制的要求时 可在其电源侧各级降压变压器中 再采用一级有载调压型 8.8 电力用户对电压质量的要求高于本导则 4.1 条规定的数值时 该用户的受电变压器应选 用有载调压型 8.9 变 压 器 分 接 开 关 调 压 范

母线和用户受电端电压质量的要求 8.2 升压变压器高压侧的额定电压 330kV 证后确定 并考虑电力系统 10 15 年发展的需要 经计算论 220kV 及以下电压等级者 宜选 1.1 倍系统额定电压 宜根据系统无功功率分层平衡要求 500kV 级变压器高压侧的额定电压 8.3 降压变压器高压侧的额定电压 宜选系统额定电压 中压侧和低压侧的额定电压 宜选 1.05 倍系统额定电压 8.4 发电机升压变压器 计算论证可行时 一般可选用无励磁调压型 330kV 500kV 级升压变压器 可选用有载调压型 经调压计算论证确有必要且技术经 经调压计算 仅此一级调 经调压 也可采用不设分接头的变压器 经调压计算论证有必要时 8.5 发电厂的联络变压器 济比较合理时 8.6 330kV 500kV 级降压变压器宜选用无励磁调压型 可选用有载调压型 8.7 直接向 10kV 配电网供电的降压变压器 应选用有载调压型 变压器 压尚不能满足电压控制的要求时 可在其电源侧各级降压变压器中 再采用一级有载调压型 8.8 电力用户对电压质量的要求高于本导则 4.1 条规定的数值时 该用户的受电变压器应选 用有载调压型 8.9 变 压 器 分 接 开 关 调 压 范

母线和用户受电端电压质量的要求 8.2 升压变压器高压侧的额定电压 330kV 证后确定 并考虑电力系统 10 15 年发展的需要 经计算论 220kV 及以下电压等级者 宜选 1.1 倍系统额定电压 宜根据系统无功功率分层平衡要求 500kV 级变压器高压侧的额定电压 8.3 降压变压器高压侧的额定电压 宜选系统额定电压 中压侧和低压侧的额定电压 宜选 1.05 倍系统额定电压 8.4 发电机升压变压器 计算论证可行时 一般可选用无励磁调压型 330kV 500kV 级升压变压器 可选用有载调压型 经调压计算论证确有必要且技术经 经调压计算 仅此一级调 经调压 也可采用不设分接头的变压器 经调压计算论证有必要时 8.5 发电厂的联络变压器 济比较合理时 8.6 330kV 500kV 级降压变压器宜选用无励磁调压型 可选用有载调压型 8.7 直接向 10kV 配电网供电的降压变压器 应选用有载调压型 变压器 压尚不能满足电压控制的要求时 可在其电源侧各级降压变压器中 再采用一级有载调压型 8.8 电力用户对电压质量的要求高于本导则 4.1 条规定的数值时 该用户的受电变压器应选 用有载调压型 8.9 变 压 器 分 接 开 关 调 压 范

基于遗传算法的电力系统无功优化

目录

中文摘要 (1)

英文摘要 (2)

1 绪论 (3)

1.1 问题的提出及研究意义 (3)

1.2 国内外研究现状 (3)

1.3 本文的主要工作 (4)

2 电力系统无功优化模型 (6)

2.1无功优化的模型 (6)

2.2无功优化的目标函数 (6)

2.3无功优化的约束条件 (7)

3 遗传算法的原理及其解题过程 (9)

3.1 生物进化与遗传算法 (9)

3.2 遗传算法的特点及其优化原理 (9)

3.3 遗传算法的解题过程 (11)

4 算例分析 (14)

4.1 参数设置 (14)

4.2 结果分析 (16)

5 总结展望 (19)

参考文献 (20)

附录 (21)

摘要：随着现代工业的发展，电能质量越来越重要。无功优化是通过对可调变压器分接头、发电机端电压和无功补偿设备的综合调节，使系统满足电

网安全约束，在稳定电压的同时可以降低系统的网络损耗。由于可投切

并联电容器组的无功出力和可调变压器的分接头位置是非连续变化的，

因此电力系统无功优化问题是一个复杂的非线性混合整数规划问题、其

控制变量既有连续变量又有离散变量，优化过程十分复杂。针对无功优

化问题，人们提出了众多的求解方法，目前常用的、比较成熟的方法主

要有非线性规划法、线性规划法、混合整数

基于遗传算法的电力系统无功优化

目录

中文摘要 (1)

英文摘要 (2)

1 绪论 (3)

1.1 问题的提出及研究意义 (3)

1.2 国内外研究现状 (3)

1.3 本文的主要工作 (4)

2 电力系统无功优化模型 (6)

2.1无功优化的模型 (6)

2.2无功优化的目标函数 (6)

2.3无功优化的约束条件 (7)

3 遗传算法的原理及其解题过程 (9)

3.1 生物进化与遗传算法 (9)

3.2 遗传算法的特点及其优化原理 (9)

3.3 遗传算法的解题过程 (11)

4 算例分析 (14)

4.1 参数设置 (14)

4.2 结果分析 (16)

5 总结展望 (19)

参考文献 (20)

附录 (21)

摘要：随着现代工业的发展，电能质量越来越重要。无功优化是通过对可调变压器分接头、发电机端电压和无功补偿设备的综合调节，使系统满足电

网安全约束，在稳定电压的同时可以降低系统的网络损耗。由于可投切

并联电容器组的无功出力和可调变压器的分接头位置是非连续变化的，

因此电力系统无功优化问题是一个复杂的非线性混合整数规划问题、其

控制变量既有连续变量又有离散变量，优化过程十分复杂。针对无功优

化问题，人们提出了众多的求解方法，目前常用的、比较成熟的方法主

要有非线性规划法、线性规划法、混合整数