配電網(wǎng)無功優(yōu)化規(guī)劃及控制系統(tǒng)

黃 倫，左劍飛，吳 敏

（西安供電局，西安 710032）

0 引言

為響應(yīng)“節(jié)能減排，電力要先行”的號召[1]，全國各電力企業(yè)積極加大提高電力能源利用率，降低電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗。電壓無功控制是降低網(wǎng)損、提高供電質(zhì)量的重要手段[2]。在我國，過去電壓無功控制方面的研究主要集中在35 kV及以上電壓等級，對10 kV及以下的中低壓配網(wǎng)的研究才剛剛起步，如果配電網(wǎng)絡(luò)中的一些異步電機(jī)等電力設(shè)備消耗的無功都由根節(jié)點的配變直接提供，那么網(wǎng)絡(luò)中將會有大量的無功流動，這將造成配電網(wǎng)中電壓質(zhì)量較低，網(wǎng)絡(luò)損耗較大。因此，科學(xué)的配電網(wǎng)的無功優(yōu)化規(guī)劃及監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，對加強(qiáng)配電網(wǎng)的無功優(yōu)化管理、合理分配無功、提高配電網(wǎng)電壓質(zhì)量及減少中低壓配網(wǎng)的無功損耗有著重要的意義。

1 建設(shè)目標(biāo)及主要內(nèi)容

配電網(wǎng)的無功優(yōu)化旨在合理分布無功，以及在電網(wǎng)無功分布發(fā)生變化時，可以及時調(diào)控，達(dá)到降低電網(wǎng)功率損耗，提高電壓質(zhì)量的目的。因此，把無功優(yōu)化的前期規(guī)劃和控制系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，成為無功優(yōu)化的一個理想選擇，二者缺一勢必影響無功優(yōu)化的效果[3]。

首先，配電網(wǎng)無功優(yōu)化規(guī)劃要根據(jù)現(xiàn)有配電網(wǎng)的情況，遵循“集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，調(diào)壓與降損相結(jié)合”的補(bǔ)償原則，因地制宜，全面考慮電網(wǎng)、負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)條件等綜合因素，在進(jìn)行農(nóng)網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)合理的無功優(yōu)化補(bǔ)償模式，提供無功優(yōu)化的評價手段，分析配電網(wǎng)無功裝置的容量、安裝位置、類型評價，并給出優(yōu)化的無功裝置配置方案，其中包括變電站集中補(bǔ)償方式的選擇、線路補(bǔ)償方式、配變補(bǔ)償方式等[4-5]。

其次，在安裝好無功補(bǔ)償裝置后，無功優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)要在線監(jiān)測和分析電網(wǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)配電網(wǎng)無功的實時分布，給出電網(wǎng)無功優(yōu)化的運(yùn)行策略，并根據(jù)優(yōu)化分析前后電壓和網(wǎng)損的變化情況，進(jìn)行優(yōu)化的綜合評判，給出無功優(yōu)化的效果。

2 配電網(wǎng)無功優(yōu)化規(guī)劃

配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償結(jié)合各區(qū)負(fù)荷情況，通過全網(wǎng)無功優(yōu)化計算來確定系統(tǒng)的最佳補(bǔ)償點和最佳補(bǔ)償容量，并選擇合理的無功補(bǔ)償裝置。農(nóng)網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化需要綜合考慮農(nóng)網(wǎng)全網(wǎng)運(yùn)行情況，以各節(jié)點電壓合格、網(wǎng)絡(luò)關(guān)口功率因數(shù)等為約束條件，以提高功率因數(shù)、全網(wǎng)網(wǎng)損最小、年運(yùn)行費(fèi)用最小和年支出費(fèi)用最小為目標(biāo)，進(jìn)行全網(wǎng)無功優(yōu)化計算，確定系統(tǒng)的最優(yōu)補(bǔ)償點和最佳補(bǔ)償容量[6]。農(nóng)網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償高壓網(wǎng)以變電站集中補(bǔ)償為重點，中壓網(wǎng)以10 kV線路補(bǔ)償和配電變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償為重點，低壓網(wǎng)及以下以用戶側(cè)分散補(bǔ)償為重點。

無功優(yōu)化的基本原則是“就地平衡”，因此對于配電網(wǎng)無功優(yōu)化的基本方法為：

1）首先考慮容量100 kV·A以上配變負(fù)荷點低壓側(cè)補(bǔ)償；

2）負(fù)荷點補(bǔ)償后，如果線路出口功率因數(shù)達(dá)到要求，而線路負(fù)荷不重，線路長度不長，則該線路補(bǔ)償結(jié)束；

3）負(fù)荷點補(bǔ)償后，如果線路出口功率因數(shù)不能達(dá)到要求，則必須加桿上集中補(bǔ)償；負(fù)荷點補(bǔ)償后，如果線路出口功率因數(shù)達(dá)到要求，但是該線路負(fù)荷較重，線路較長，可以考慮桿上集中補(bǔ)償，因為此時桿上集中補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效果較好；

4）根據(jù)線路最大運(yùn)行方式確定桿上無功補(bǔ)償容量；根據(jù)最小運(yùn)行方式確定桿上固定補(bǔ)償容量。

2.1 負(fù)荷點補(bǔ)償

傳統(tǒng)的負(fù)荷點補(bǔ)償方式都是按變壓器容量的10%~30%進(jìn)行補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式?jīng)]有考慮到配變的實際運(yùn)行情況，因此補(bǔ)償結(jié)果不是很理想。最佳的補(bǔ)償方式是根據(jù)每臺配變1 a的有功、無功數(shù)據(jù)，計算現(xiàn)有的功率因數(shù)，然后根據(jù)預(yù)達(dá)到的功率因數(shù)計算補(bǔ)償容量[7]。但我國現(xiàn)有的配電網(wǎng)，特別是農(nóng)村電網(wǎng)，配電變壓器缺少測量裝置，無法獲得配變的功率數(shù)據(jù)，只有每個月的有功電量（通常絕大多數(shù)配變也沒有無功電量）。根據(jù)上述條件，采取的負(fù)荷點補(bǔ)償方案如下：

1）根據(jù)配變的有功電量，計算配變的平均有功功率；

2）將配變所在10 kV線路出口數(shù)據(jù)，按照一定的算法進(jìn)行無功分配，計算配變的功率因數(shù)；

3）對于功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的配變，按照最大負(fù)荷確定無功補(bǔ)償容量。

2.2 桿上集中補(bǔ)償

桿上集中補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕?個技術(shù)難點：一是最優(yōu)補(bǔ)償點的選擇；二是最優(yōu)補(bǔ)償容量的確定。

針對配電網(wǎng)運(yùn)行的輻射型結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償?shù)挠嬎阋话悴捎脽o功精確矩來表示對網(wǎng)損影響大的節(jié)點特征和對電壓水平有顯著改善的節(jié)點特征，根據(jù)無功二次精確矩可初步選擇對網(wǎng)損和電壓影響大的節(jié)點作為候選補(bǔ)償節(jié)點。另外，通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和智能優(yōu)化求解的方法確定桿上補(bǔ)償容量。

3 配電網(wǎng)無功優(yōu)化控制

3.1 無功優(yōu)化控制系統(tǒng)的組成

配電網(wǎng)無功優(yōu)化控制系統(tǒng)主要包括終端設(shè)備、通信通道和主站控制系統(tǒng)。

一般在進(jìn)行無功優(yōu)化規(guī)劃后，就會給出終端設(shè)備的容量、安裝位置等無功裝置的配置方案。終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)對安裝位置的電網(wǎng)無功電壓數(shù)據(jù)的采集、上送和補(bǔ)償容量的調(diào)節(jié)。

考慮到配電網(wǎng)本身具有的一些特點：供電線路長、監(jiān)控范圍大以及設(shè)備安裝較分散等，一般通訊通道不建議采用常規(guī)通道，常規(guī)通道的建設(shè)資金投入較大，且通道建設(shè)的周期較長。綜合配電網(wǎng)的自身特點和經(jīng)濟(jì)因素的考慮，宜采用無線通訊（GPRS或CDMA）的方式將各終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過2 M光纜專線上傳到主站系統(tǒng)。采用無線通信方式,無功布點方便，接入靈活，且擴(kuò)展性強(qiáng)。

主站設(shè)備負(fù)責(zé)接收各終端設(shè)備送上來的無功采集數(shù)據(jù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電網(wǎng)運(yùn)行狀況和電壓無功的變化趨勢給出電壓無功調(diào)節(jié)的策略，并向終端裝置下發(fā)遙控命令，調(diào)節(jié)裝置的無功輸出容量。

3.2 無功優(yōu)化控制

電力系統(tǒng)各電壓等級電網(wǎng)是一個相互影響的整體，因此，在進(jìn)行無功優(yōu)化時，不能單純以10 kV及以下電壓等級為對象，而是要同時兼顧其他電壓等級，把各電壓等級的配電網(wǎng)無功優(yōu)化至于同一系統(tǒng)平臺上，進(jìn)而將各級的無功優(yōu)化管理有機(jī)結(jié)合起來。

一般縣級電網(wǎng)和區(qū)域電網(wǎng)的監(jiān)控范圍是110 kV及其以下的電力網(wǎng)絡(luò)，屬于高中壓配電網(wǎng)絡(luò)范疇。高壓配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點是：環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開環(huán)、弱環(huán)網(wǎng)或輻射狀運(yùn)行，呈樹狀結(jié)構(gòu)。一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是以110 kV變電站的高壓母線為根的樹型網(wǎng)絡(luò)，在這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，設(shè)備調(diào)節(jié)只會對本樹枝上的節(jié)點電壓和無功分布產(chǎn)生顯著的影響，而對其他樹枝的影響是微乎其微的[8]。

高壓網(wǎng)的無功優(yōu)化是先將整個電網(wǎng)根據(jù)其拓?fù)潢P(guān)系劃分為樹根與樹枝，并在每個樹枝內(nèi)，確定變壓器之間的父子、兄弟關(guān)系。根據(jù)無功就地平衡原則，對由第一步所形成的樹枝，從其末端站開始，按照由下游站到上游站的順序，對每個變電站逐步采用精細(xì)劃分的九域圖原理得到調(diào)控策略，如果給出的調(diào)控策略是投切本站的電容器，則作為待執(zhí)行的調(diào)控策略。由于一條樹枝上的電容器投切，會影響其上游站所有變電站的電壓和無功，所以其上游站全部要閉鎖，需等待下一個調(diào)節(jié)周期。但其兄弟站不閉鎖，可以允許產(chǎn)生投切電容器的策略。

如果下游站給出的調(diào)節(jié)策略是變壓器調(diào)檔，則需要綜合其所有兄弟站的調(diào)節(jié)策略，如果大部分兄弟站給出的都是相同的調(diào)節(jié)策略，即都是本站的升檔或者降檔，則調(diào)節(jié)其上游站的變壓器檔位，否則調(diào)節(jié)本站的變壓器檔位。

一般中壓網(wǎng)無功優(yōu)化的調(diào)節(jié)可根據(jù)中壓線路的裝置分布，一臺無功補(bǔ)償裝置形成一個調(diào)控單元，在此調(diào)控單元中根據(jù)設(shè)定的電壓限值、補(bǔ)償裝置的容量和系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行的電壓水平以及無功流量大小，決定系統(tǒng)在改進(jìn)的九域圖原理上運(yùn)行的位置，然后根據(jù)運(yùn)行的位置，決定無功容量的投切。另外，也可將中壓的無功優(yōu)化做成一個相對獨(dú)立的系統(tǒng)，和高壓變電站中的無功優(yōu)化系統(tǒng)的交互只是通過10 kV出線開關(guān)上的無功量測來進(jìn)行[9]。變電站的無功補(bǔ)償根據(jù)變壓器高端的無功和10 kV母線的電壓進(jìn)行，而中壓線路上的無功優(yōu)化則是根據(jù)中壓量測裝置的電壓和無功量測來進(jìn)行；在優(yōu)化的過程中，可根據(jù)設(shè)定是否允許10 kV線路向變電站倒送無功容量，如果不允許倒送無功容量，則在10 kV的中壓線路上可以選擇性地切除電容器。

4 結(jié)語

無功優(yōu)化規(guī)劃與控制系統(tǒng)的建設(shè)模式已經(jīng)在陜西地區(qū)得以應(yīng)用，做好無功優(yōu)化的規(guī)劃和控制系統(tǒng)的建設(shè)，必將成為維持電力系統(tǒng)的無功穩(wěn)定、提高功率因數(shù)、減少電能損失、改善地區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量和提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)措施。

[1] 王薇,蘇煜.改進(jìn)遺傳算法在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(4):75-80.

[2] 段金長.改進(jìn)遺傳算法在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(6):15-20.

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