電力系統功能型計算軟件的設計研發

唐溧克，王淮冬，史雅豐，任思行，高 源

（長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012）

0 引言

電力系統得以在穩定經濟的條件下運行，與系統總裝機容量、最大負荷、額定頻率、無功功率、負荷變化量等參數有著密不可分的聯系。在互聯電力系統中，負荷變動是引起的頻率變化的主要原因。頻率擾動過大會給電網的穩定性帶來巨大影響，其直接或間接帶來的危害也是巨大的，所以對電網頻率的控制是電力系統主要控制目的之一。輸電為了更高的經濟效益，大電網的無功補償就在電力系統中顯得尤為重要。無功補償主要是在于無功補償設備的容量確定，無功容量過大、過小對電力系統都會有影響[1]。所以頻率調整和無功補償的計算準確度就顯得非常重要。

針對頻率調整和無功補償這兩個問題，在原有的設計電力系統過程中，是通過人工手動或者Excel表格自帶的函數，對電力系統頻率調整的數值和電力系統無功補償的數值進行計算。而這種傳統的計算方式容易產生較大的計算誤差并且計算效率低，Excel程序計算的輸入界面不美觀，提取有效數值煩瑣，并且需要對程序進行頻繁的修改，對數值的檢驗過程也十分復雜，容易出現人為的操作失誤。所以，設計一款界面簡潔、計算速度快、計算精度高、容易操作的計算軟件在電力系統設計過程中是極為必要的。本文針對這一問題，利用VB對電力系統頻率調整的數值和電力系統無功補償的數值進行計算，并且實現對數值的校驗。

1 設計方案

1.1 互聯電力系統頻率調整計算

在互聯電力系統頻率控制中，大容量負荷變化引起的頻率波動主要由系統發電機組的備用容量來實現調頻的，若兩機組的備用容量不足或者系統調度直接由二次調頻的調頻設備進行調頻，可實現無差的頻率調整。

互聯電力系統頻率調整主要是控制發電機組的運行容量大小，及時地調整發電機的輸出，對突然增加或者減少的負荷進行補償，維持負載波動的平衡。控制互聯電力系統的正常運行主要實現以下的目標：

（1）實現發電機組的輸出隨所帶負荷變化而實時跟蹤改變，使系統頻率維持在規定允許范圍內（50Hz±0.2Hz）[2]。

（2）互聯系統間的互為備用容量可以及時調整輸出功率，使系統間聯絡線的交換功率在規定值內，在限量內保持聯絡線功率波動在允許計劃內。

若要對目標參數的精準計算，最主要的是提供較為準確的負荷變動，要針對互聯系統收集有功功率的變化情況，為計算提供日負荷變化曲線，以便在某一時段內計算出較為精確的頻率變化量及聯絡線交換功率。

綜上所述，若要達到互聯系統的可靠運行，且頻率控制的可控目的，主要任務是控制頻率變化量及聯絡線的交換功率在可控允許范圍內。故對頻率變化量和聯絡線的交換功率的計算顯得格外重要。這是對頻率調整，維持系統穩定平衡的重要參數。

互聯電力系統頻率調整的計算是在兩機組都進行一次調頻、都不進行一次調頻、僅一側機組參加一次調頻的情況下對聯絡線上交換功率和頻率變量的計算進行程序設計的。

1.2 電力系統無功補償計算

無功補償是為了提高電力系統中的自然功率因數，在有多種補償方式的情況下應該全面統籌規劃、合理進行布局、采用分級補償、就地平衡；集中補償方式和分散補償方式相互結合但以分散補償方式為主，高壓補償與低壓補償相互結合，以低壓的補償方式為主。

電力系統中由于供電的地區幅員廣闊，而無功功率在遠距離的傳輸時，電流會在導線上消耗大量的有功功率，使得線路的損耗更大，因此從電力系統的經濟方面考慮應該盡量地減少無功功率的遠距離傳輸。無功補償主要是分為就地補償、集中補償、分散補償幾種方式[3]。分散補償和集中補償方式相結合要以分散補償為主。集中補償，是在變電所里集中的裝設容量比較大的補償電容器。但因為無功功率傳輸的過程中會造成大量的功率損耗，故集中補償不適合在傳輸距離比較遠的電力網。分散補償是指在配電網中分散的負荷區域，例如對配電線路，配電變壓器和用戶的用電設備等進行的無功補償。

為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸電配電設備的效率，無功補償應分級補償，就地平衡，達到最經濟的目標。所以電力系統無功補償計算會常用到最大負荷補償計算、平均負荷補償計算、變壓器和輸電線路無功補償計算、配電網無功補償容量計算、低壓無功補償容量計算（P）、低壓無功補償容量計算（s）。因此，運用以上6種無功補償計算進行程序設計。

1.3 軟件的計算程序流程框架

計算程序的設計，先要對程序結構框架進行設計，根據框架模塊對各模塊控件進行編程設計[4]。計算程序的核心功能是各種計算函數可以實現相互調用功能和對數值校驗算法的設計。

2 計算軟件的理論基礎

此軟件由兩大模塊組成：計算模塊和數值校驗模塊。軟件的計算參數較多，計算公式、參數的計算單位、數值的規定范圍主要參考《電力系統穩態分析（第三版）》。

2.1 頻率調整計算模塊

頻率調整計算主要用來計算兩互聯電力系統頻率變化量和交換功率。在交換功率數值合理的條件下及時地對頻率進行調整，保證系統穩定運行。

2.2 無功補償計算模塊

無功補償計算主要對無功補償容量進行計算。根據電力系統無功補償原則，將計算出的無功補償容量通過規定的補償設備進行無功補償，保證系統在可靠、經濟的狀態下運行。

2.3 校驗模塊

對各種參數的輸入數值是否有效進行校驗；對比參數是否在規定有效范圍內，確保參數輸入有效。

3 軟件應用

本軟件以《電力系統穩態分析》例題數據為例，來展示軟件的計算效果和校驗功能的準確性。

3.1 頻率調整計算模塊

輸入標準電壓頻率、兩互聯電力系統的容量、需要增加的容量，可計算出聯絡線上需要傳輸的功率值和頻率偏移值的大小。

3.2 無功補償計算模塊

以常用的最大負荷補償計算和平均負荷補償計算為例展示計算效果。

工程例題，某變電所低壓計算負荷為：有功計算負荷800 kV，無功計算負荷580 kvar，現功率因數為0.81。若使低壓側的功率因數達到0.92，通過計算補償的無功容量為238.391 kvar。

在正常情況下，實現補償容量的確定一般采用平均功率因數，平均有功負荷系數一般取0.82，通過平均負荷補償計算補償的無功容量為195.481 kvar。

3.3 校驗模塊

在各參數輸入完畢后需要對所輸入的參數進行校驗，減少因人為操作失誤造成的計算錯誤。

當條件輸入框內輸入的不是數值，將彈出提醒對話框提示需要修改的信息。以A系統容量輸入窗口為例，當輸入不是數字的情況下，可以實現對輸入的無效值進行提示。

當所輸入的參數不在規定有效范圍內時，彈出警告窗口，提示操作者需要修改輸入參數。無功補償計算中在輸入功率因數的數值應該是小于1的，在大于1的情況下點擊校驗1按鈕將會彈出輸入不合理的字樣。

3.4 擴展延伸模塊

為響應國家的號召，促進國與國之間的聯系情感，軟件添加了英文界面選擇按鈕，可以選擇多個國家地區的電壓頻率進行互聯電力系統頻率調整計算，所以此軟件不僅局限于國內電力系統，還可以用于其他國家和地區，擴大了軟件的使用范圍。

4 結語

電力系統功能型計算軟件可實現精準計算互聯電力系統頻率調整的基本參數和電力系統無功補償容量大小，還具有完整的英文操作界面、參數校驗功能、詳細的使用說明書，并且適配32個國家和地區的標準電壓頻率參數存檔。該軟件已經用于學校實驗室對電力系統設計的教學實驗，可提高對電力系統設計的效率和電力系統數值校驗的精確度，減少操作失誤和計算誤差。