配电网络无功综合补偿及优化的技术研究
随着日常生活用电规模不断的扩大，人们的用电量日益增长和用电结构的不断变化，以及变压器和电动机等大量感性负载设备的广泛使用，使得用电设备对无功的需求大幅上升，导致电网中无功功率不平衡。从无功功率消耗的情况上来看，在各级电力网中，中低压电网消耗无功功率的比重占有率很大，因此，做好中低压电网无功功率的就地补偿工作具有十分重大意义。
本次调研的主要课题：根据配电网无功的产生、配电网络无功平衡以及当前电压无功优化领域的理论依据进行综合分析，结合无功补偿领域的新技术和新产品的应用，变压器位臵状态、在线监测综合管理系统的发展历史和现状，进行配电网络无功综合补偿及优化的技术研究，以此来解决中低压配电网网损过高等缺点，极大的提高供电质量，实现电能传输的经济效益。 关键词： 无功补偿 无功平衡 优化
目录
一、绪论 .......................................................................................................................... 4
（一）研究目的与意义 .............................................................................................. 4 （二）国内外研究现状 .............................................................................................. 4 （三）主要研究内容 ................................................................................................. 6 二、配电网无功综合补偿优化研究 ................................................................................... 7
（一）配电网的无功功率 .......................................................................................... 7
2.1.1 无功功率负荷 .......................................................................................... 7 2.1.2 输电线路 ................................................................................................. 7 2.1.3 电力变压器 .............................................................................................. 7 （二）配电网无功电源 .............................................................................................. 8
2.2.1发电机...................................................................................................... 8 2.2.2并联电容器............................................................................................... 8 2.2.3并联电抗器............................................................................................... 8 2.2.4同步电动机............................................................................................... 9 2.2.5电缆 ......................................................................................................... 9 2.2.6静止无功补偿 ........................................................................................... 9 （三）无功补偿的原理及补偿方式 ............................................................................ 9
2.3.1无功补偿的原理...................................................................................... 10
2.3.2变电站集中补偿...................................................................................... 11 2.3.3配变低压侧补偿...................................................................................... 11 2.3.4 配电线路无功补偿 ................................................................................. 12 2.3.5用电设备就地补偿 .................................................................................. 12 （四）无功平衡与无功补偿 ..................................................................................... 12
2.4.1无功功率平衡 ......................................................................................... 13 2.4.2补偿容量不足时的无功功率平衡 ............................................................. 13 2.4.3系统无功功率电源充足时的无功功率平衡 ............................................... 14 （五）无功补偿的主要作用 ..................................................................................... 14
2.5.1 补偿无功功率，提高功率因数 ................................................................ 14 2.5.2 提高设备出力 ........................................................................................ 14 2.5.3降低功率损耗和电能损失........................................................................ 14 （六）无功补偿的经济效益 ..................................................................................... 15
2.6.1无功补偿经济当量 .................................................................................. 15 2.6.2无功补偿对电压质量的改善 .................................................................... 15 2.6.3释放发供电设备容量............................................................................... 16 （七）线路无功补偿遵循的原则 .............................................................................. 17 （八）线路补偿安装位臵的选择 .............................................................................. 17
2.8.1线路无功负荷均匀分布 ........................................................................... 17 2.8.2单点补偿 ................................................................................................ 18 2.8.3两点补偿 ................................................................................................ 18 2.8.4无功负荷沿线路递增分布........................................................................ 18 2.8.5无功负荷沿线路递减分布........................................................................ 18 2.8.6无功负荷沿线路等腰分布........................................................................ 18 （九）无功补偿容量的确定 ..................................................................................... 18
2.9.1按提高功率因数确定补偿容量................................................................. 18
2.9.2 按提高电压确定补偿容量 ....................................................................... 18 2.9.3按降低线损确定补偿容量........................................................................ 19
2.9.4按配电变压器容量确定补偿容量 ............................................................. 19 2.9.5按感应电动机空载电流确定补偿容量 ...................................................... 20
三、GPRS无线通信技术 .................................................................................................. 21
（一）GPRS的主要特点 ........................................................................................... 21
（二）GPRS的优势 .................................................................................................. 21 四、无功综合补偿及优化仿真图形平台 .......................................................................... 22 五、结论及建议 ............................................................................................................. 23
一、 绪论
（一） 研究目的与意义
近年来，随着国民经济的快速发展以及建设社会主义新农村的高速推进，电力用户对电力负荷的需求以及供电可靠性、电压质量和客户服务水平等，都提出了更高的要求。经过电网改造，电网供电能力和电网结构都有了显著的提高和加强，但是随着各地招商引资工作的大力发展及“家电下乡”等一系列政策的扶持，农村及城镇居民用电负荷不断增长，负荷的峰谷差也越来越大，电力负荷和电网容量迅速增加，电力供应呈现紧张局面，如何合理地调整电压，提高电网的电压质量，降低线损促使电网安全、经济运行，是摆在我们面前的一项重要任务。
电力系统的无功优化，可以改善电压质量，降低线路损耗，使电网能安全、稳定、经济地运行，对保证工农业的正常生产、提高产品质量和改善人民生活都具有重大的意义。电压质量差，既对用户造成危害，同时也影响电力企业本身。应力求使电力系统运行电压接近电力设备的额定电压，通过合理分配无功来进行电压调节，从而降低线损，获得显著的经济效益和社会效益。各地电力部门在加大对配电网建设投资的同时，对现有配电网络进行无功优化及对配网运行情况进行实时在线监测显得日益重要。
配电网络主要由10kV中压配电线路和10/0.4kV配电变压器以及两大部分组成，这两部分也是电网中线路最长，所占比重更高的部分，如何对低压配电台区和中压配电线路进行无功补偿关是节能降损的关键所在，也是实现无功功率就地平衡最为理想的状态。
如何对配变台区及10kV配电线路进行无功补偿及补偿效果监测成为当前电力系统降低配电网损的重要任务之一，将配电变压器无功补偿和线路无功补偿运行情况及补偿效果进行在线监测成为当前无功及线损管理的重要手段之一，本课题将采用GPRS作为通信手段将无功补偿的数据进行实时在线监测的运行情况，完成传统电压表、电能表、功率因数表、以及负荷指示仪、无功补偿装臵状态监测和电压监视仪等的功能。使之与后台通讯软件接口，通过GPRS公用网络传输运行、监测数据及信息至电力公司专用数据服务器，进行图形化平台仿真运行，供相关人员分析、管理、决策之用。
（二） 国内外研究现状
近三十年来，随着超高压远距离输电系统迅速发展，电网中的无功功率消耗也不断增大。因此，利用无功补偿技术开始成为当前世界电力设计者及决策人员的共识，无功补偿装臵的资金投入已经被纳入电力投资整体规划中，成为一个不可或缺的环节。提高电力网的功率因数，以降低线路损耗、节约能源、挖掘发供电设备的潜在能力，是当前各国电力网发展的趋势。
现在，美国在主网设备上的功率因数已接近于1，原苏联的法律中规定主网功率因数应大于0.92，日本等国还成立了全国性的管理无功优化问题的委员会，制定出了无功补偿方面的技术及经济政策。从世界情况看，一些世界上工业比较发达的国家，并联电容器需要量成直线上升增加。容性无功补偿容量与发电设备容量之比，即补偿度K，日本在0.56以上，美国电网补偿度一般约在0.5以上。有的系统的补偿度为0.82，而我国仅为0.451。
电力网的无功补偿技术可采用并联电容器装臵、同期跳相机、静止无功补偿装臵等设备，另外还可采取同步电动机进相运动同时和一部电动机同步化运行等补偿方式。但因为并联电容器装臵具有：（1）适合分散安装，能满足就地补偿的要求；（2）分组投切的并联电容器装臵有很好的无功调节性能。虽然只能进行非连续的有级调节，但
因为调节级差通常可满足“小于不动作范围”的要求，并且满足电压和无功调整的需要，（3）投资省，能耗低，运行维护方便可得到广泛应用。到1992年年底，全国总容性无功容量中并联电容器已占90%以上。
因此，为了满足电网稳定运行和冲击负荷等特殊要求而考虑采用同步调相机和静止无功补偿装臵外，一般采用并联电容装臵进行各级电网的无功补偿。
无功补偿装臵有：低压无功就地补偿装臵，低压并联电容器装臵，高压并联电容器装臵（包括集合式并联电容器装臵）。
由于调压的需要，电网集中装臵的并联电容器装臵的容量越来越大，电压等级越来越高。在美国并联电容器装臵已经直接和230、162、132及116kV网络连接上了，装臵的最大容量已达到200MVar，33kV及以上电压等级的可以就地安装，66和77kV的需要安装在用绝缘子支撑的平台上；澳大利亚的500kV输电线的中间专门设臵有高压大容量的无功补偿站，电压为230kV，容量为60MVar；ABB公司制造的积木框架式并联电容器装臵有占空间少、安装起来很方便的优点，在各个国家得到广泛的应用。
目前，国内的并联电容器装臵大多安装在110kV及以上电压等级的变电所主变上，其电压等级为66kV及以下，框架式单组容量最大的为30MVar，集合式单台的容量为5MVar。
在配电线路的电杆上分散的安装一些并联电容器装臵，在美国已经得到了广泛的应用。部分容量达1200～2400kVar，用断路器或者跌落式熔断器来保护。包括固定电容器组和可控电容器组两个部分。而在日本电业部门装设容量的比例一般在10%左右。在东南亚地区，采用线路补偿的方法范围愈来愈广。
在我国，因为过去电容器的损坏率很高，没有合适的户外投切电容器断路器以及自动控制装臵的可靠性很差等原因，只有少数地区才采用固定式的杆式并联电容器。伴随着电容器质量的逐渐提高，分批户外柱上用断路器的问世，自动控制装臵性能的稳定以及控制功能的完善，国内已研制成一些适合农网10kV以及城网0.38kV配电线路自动投切的并联电容器装臵。
除此之外，应用和推广无功功率就地补偿技术，早在70年代国外就开始，所以不少引进的设备和机组都有附设装臵。据相关资料介绍美英日等发达国家都主张在配电网络及感应负荷的无功缺额主要依靠“就地补偿”来解决，该技术得到了西方工业发达的国家的普遍应用。
据统计，我国现在装有的容性无功补偿容量还远远不够，至少缺2000多万kVar，部分主网电压偏低的问题仍然十分显著，城市电网电压合格率仅在80%左右，电力企业和电力用容性补偿设备都不足；同时现有无功补偿装臵的利用率仍然不高，占总容量中的8.2%的调相机以及占1.4%的静止补偿装臵，并不能充分发挥在轻载的时侯吸收无功功率的潜力，使许多电网后半夜的电压偏高。有的电网电压过高，严重影响并联电容器的安全运行。
现在，我国电网线损率的高达12%以上，按现有总装机容量为1.6亿kW来计算，若线损率能降低一个百分点，等于节约了160万kW的有功功率。
我国60%的电能是用在电动机上，占中小型三相异步电动机的30%左右，大约为1亿kW的电动机，它们的运行负载率平均在50%左右，运行功率因数较低（一般为0.8左右），因此，电动机成为无功就地补偿的重点对象。
目前我国装臵的成套技术和机电一体化水平较低，还远远不能适应我国电网的实际发展情况，导致电网既缺无功但并联电容器又投不上，造成无功补偿装臵浪费严重。
综上所述，在无功补偿方面，我国和西方国家还有一定差距。无功不足，是我国电网面临的现实问题。可喜的是，安装无功补偿装臵已成为主网电力投资的一个固定项目，但是，如何科学地利用无功补偿装臵仍将是我们要解决的重要课题。同时，要因地制宜，灵活采取各种补偿办法，从而获得充分的补偿效果，有效地提高电压质量，