含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究

任志強(qiáng)，趙啟明

（1.浙江省電力公司培訓(xùn)中心，浙江建德311600；2.浙江省電力公司，杭州310007）

含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究

任志強(qiáng)1，趙啟明2

（1.浙江省電力公司培訓(xùn)中心，浙江建德311600；2.浙江省電力公司，杭州310007）

針對(duì)含小水電的線路上安裝雙向調(diào)壓器（BSVR）后無功補(bǔ)償容量難以合理確定的問題，提出了潮流方向判定準(zhǔn)則以及考慮分接頭調(diào)整影響的雙向調(diào)壓器等值模型重構(gòu)，采用適應(yīng)前推回代潮流算法的小水電數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)遺傳算法的改進(jìn)，求出最優(yōu)或較優(yōu)的補(bǔ)償方案。實(shí)例證明，該方法應(yīng)用于含小水電配電網(wǎng)的無功優(yōu)化計(jì)算是有效的。

雙向調(diào)壓器；小水電；無功優(yōu)化；改進(jìn)遺傳算法

0 引言

浙江水利資源豐富，部分地區(qū)水電站較多,且以徑流式水電站為主。豐水期時(shí)，小水電除滿足線路用戶用電需求外還通過變電站向主網(wǎng)輸送電能。由于線路阻抗產(chǎn)生壓降，必須將小水電的出口電壓調(diào)到很高才能將電能送向主網(wǎng)，從而導(dǎo)致10 kV配電線路上低壓用戶的電壓過高，經(jīng)常燒壞用戶用電設(shè)備；枯水期時(shí)，線路上低壓用戶所需電能主要由變電站提供，由于線路較長(zhǎng)，故線路末端用戶的電壓又很低，不能滿足用戶用電質(zhì)量要求。

為解決上述問題，通常采用雙向調(diào)壓器[1]來改善電壓質(zhì)量，但應(yīng)用后對(duì)電壓調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償容量的優(yōu)化配置將產(chǎn)生一定影響。本文主要對(duì)此進(jìn)行分析，提出考慮上述影響的數(shù)學(xué)模型和算法。

1 含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化

1.1 雙向調(diào)壓器及其數(shù)學(xué)模型

含小水電的線路調(diào)節(jié)電壓時(shí)，潮流方向可能發(fā)生改變。普通變壓器無法滿足潮流方向發(fā)生變化的要求，而雙向調(diào)壓器則可以自動(dòng)識(shí)別潮流方向，并通過跟蹤輸入電壓的變化來自動(dòng)調(diào)整三相有載分接開關(guān)的檔位，保證輸出電壓穩(wěn)定。

豐水期和枯水期安裝雙向調(diào)壓器的效果如圖1、圖2所示。

雙向調(diào)壓器的數(shù)學(xué)模型如圖3所示，在精確計(jì)算變壓器參數(shù)時(shí)，選用變比k=U1/U2，其中U1和U2分別為變壓器的一次、二次側(cè)額定電壓，但因含小水電線路的潮流方向不確定，故無法確定其一次側(cè)。此時(shí)可將系統(tǒng)視為無窮大，電壓基本保持穩(wěn)定，故U1取雙向調(diào)壓器靠近變電站側(cè)的額定電壓（簡(jiǎn)稱一次側(cè)），U2取雙向調(diào)壓器另一側(cè)額定電壓（簡(jiǎn)稱二次側(cè)），其計(jì)算所得參數(shù)隨變壓器分接頭調(diào)整而變化。

1.2 小水電數(shù)學(xué)模型

大部分小水電的輸出功率不恒定，負(fù)荷也不恒定，所以負(fù)荷節(jié)點(diǎn)潮流方向可能出現(xiàn)變化，因此要求潮流計(jì)算能認(rèn)別潮流方向。

對(duì)于小水電的節(jié)點(diǎn)類型，還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，一般當(dāng)作PQ或PV節(jié)點(diǎn)來處理。本文認(rèn)為小水電發(fā)出的無功功率隨有功功率的改變而改變，故可將其視為PQ節(jié)點(diǎn)，發(fā)出功率時(shí)為負(fù)，吸收功率時(shí)為正，由此解決了潮流方向改變對(duì)前推回代潮流算法的影響。

1.3 含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

式（2）中，Uimax和Uimin分別表示節(jié)點(diǎn)的電壓上限、下限。

式（3）中，Qimax和Qimin分別表示無功出力的上限、下限。

1.4 含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化約束條件

在配電網(wǎng)無功優(yōu)化過程中，要考慮以下約束條件：

（1）潮流方程約束

（2）支路電流和節(jié)點(diǎn)電壓約束

2 含小水電的配電網(wǎng)無功優(yōu)化的改進(jìn)遺傳算法

2.1 染色體編碼

編碼的方式有很多，主要有二進(jìn)制編碼、十進(jìn)制編碼、實(shí)數(shù)編碼等[2]。本文采用十進(jìn)制編碼方式，編碼形式為：X＝[T1，T2，…│C1，C2，…]。

Ci為第i個(gè)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)投切的電容器/電控器的容量，（-配變?nèi)萘浚糃i＜配變?nèi)萘?，Ci∈Z）。

本文僅考慮變壓器隨器補(bǔ)償，故染色體編碼中不含補(bǔ)償點(diǎn)位置信息。

2.2 產(chǎn)生初始種群

按照2.1提出的染色體編碼及取值范圍，隨機(jī)生成初始種群。其中Ti的產(chǎn)生需要依據(jù)潮流方向判據(jù)來選擇，潮流方向判據(jù)如式（7）所示，當(dāng)其成立時(shí)取Ti為0至（總調(diào)節(jié)檔位數(shù)-1）/2之間的整數(shù)，當(dāng)其不成立時(shí)取其為-（總調(diào)節(jié)檔位數(shù)-1）/ 2至0之間的整數(shù)。

式中：m為雙向調(diào)壓器安裝位置之后用戶及小水電的總數(shù)。

2.3 染色體的適應(yīng)值[3]

適應(yīng)值指導(dǎo)遺傳算法的搜索方向，應(yīng)保證其不為負(fù)。本文網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的目的是網(wǎng)損最小，所以用網(wǎng)損的倒數(shù)作為適應(yīng)值。

因線路加裝了雙向調(diào)壓器，會(huì)使線路電壓發(fā)生變化，且調(diào)壓器調(diào)壓范圍可達(dá)±20%，將對(duì)配電變壓器的電容器實(shí)際補(bǔ)償容量產(chǎn)生一定影響。

在計(jì)算染色體適應(yīng)值時(shí)，需根據(jù)雙向調(diào)壓器分接頭位置更新其等值模型，再計(jì)算配網(wǎng)網(wǎng)損。

2.4 較差個(gè)體單獨(dú)成群[4]

優(yōu)勢(shì)種群的產(chǎn)生策略一般為：產(chǎn)生初始種群后，按照比例選擇法淘汰適應(yīng)度較差的個(gè)體，保留較好個(gè)體，但是這樣可能會(huì)淘汰掉部分初始適應(yīng)度不高的優(yōu)勢(shì)個(gè)體。為了保證遺傳算法能夠收斂到全局最優(yōu)解，本文采用較差個(gè)體單獨(dú)成群策略，即：在產(chǎn)生初始種群后，按照比例選擇一部分優(yōu)勢(shì)個(gè)體成群，另將較差的10%個(gè)體單獨(dú)成立1個(gè)種群進(jìn)行優(yōu)化，最后選擇正常種群與新成立種群優(yōu)化結(jié)果較好者。

2.5 遺傳算法的基因操作

采用動(dòng)態(tài)的交叉與變異操作。交叉是在1個(gè)染色體編碼中隨機(jī)選擇1位與另1個(gè)染色體中對(duì)應(yīng)位交換。變異是對(duì)染色體選定某一位進(jìn)行變化，在2.1節(jié)中給定的變化范圍中取值，在此過程中采用最優(yōu)保留策略。交叉或變異結(jié)果為不可行解時(shí)，采用返回策略，重新進(jìn)行操作。

基于改進(jìn)遺傳算法的含小水電配電網(wǎng)無功優(yōu)化計(jì)算程序流程如圖4所示。

3 算例分析

以浙江省景寧畬族自治縣電力工業(yè)局某條含4個(gè)小水電站的10 kV線路為例，應(yīng)用上述算法進(jìn)行分析計(jì)算。

按上文中給出的方法對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，取初始種群為60，初始交叉率為0.6，初始變異率為0.1?？紤]到已經(jīng)配置的自動(dòng)投切無功補(bǔ)償裝置，本次計(jì)算只考慮線路補(bǔ)償裝置，以某一典型日數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行全年網(wǎng)損計(jì)算。優(yōu)化補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

采用本文提出的遺傳算法與傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行計(jì)算收斂性對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，采用傳統(tǒng)遺傳算法時(shí)，計(jì)算結(jié)果大多在14~ 16代收斂。而采用本文算法，一般在12代以內(nèi)收斂。同時(shí)本文所提出的方法在降低網(wǎng)損及合理確定補(bǔ)償容量方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜述配電網(wǎng)無功優(yōu)化的現(xiàn)狀，考慮含水電線路為改善電壓質(zhì)量而采用雙向調(diào)壓器后對(duì)無功補(bǔ)償?shù)挠绊?，提出了在?yōu)化過程中依據(jù)雙向調(diào)壓器分接頭狀態(tài)來調(diào)整等值模型，并計(jì)及電壓變化對(duì)電容器實(shí)際提供補(bǔ)償容量影響的計(jì)算方法。

本文算法已在浙江省景寧縣電力工業(yè)局應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用和算例結(jié)果表明，配電網(wǎng)無功優(yōu)化方法在含雙向調(diào)壓器線路上應(yīng)用是有效的，能有效降低網(wǎng)損，提高運(yùn)算效率。

[1]趙啟明，任志強(qiáng).全網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)慕ㄔO(shè)及影響[J].農(nóng)村電氣化，2011（1）∶34-35.

[2]蘇玲.電力系統(tǒng)無功優(yōu)化算法綜述[J].現(xiàn)代電力，2004，21（6）∶40-45.

[3]LEE K Y，BAI X，PARK Y M.Optimization Method for Reactive Power Planning by Using a Modified Simple Genetical Gorithm[J].IEEE Trans.on Power Systems，1995, 10（4）∶1843-1850.

[4]王秀云，任志強(qiáng).用于降低網(wǎng)損的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，19（10）∶21-24.

（本文編輯：龔皓）

Research on Reactive Power Optimization in Distribution Network with Small Hydro Power

REN Zhi-qiang1，ZHAO Qi-ming2
（1.Zhejiang Electric Power Corporation Training Centre，Jiande Zhejiang 311600，China；2.Zhejiang Electric Power Corporation，Hangzhou 310007，China）

As it is difficult to determine a reasonable reactive power compensation capacity after installing bidirection voltage regulator on line with small hydro power，this paper presents the power flow direction judgment criterion and the BSVR equivalent model considering tap adjustment effects，adopts power flow algorithm for small hydropower mathematical model.Based on the improvement of genetic algorithm，the optimal compensation scheme is developed The practice proves that this method is effective in reactive power optimization in distribution network with small hydro power.

BSVR；small hydro power；reactive power optimization；improved genetic algorithm

TM714

：A

：1007-1881（2012）10-0007-03

2012-02-22

任志強(qiáng)（1981-），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，主要研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化。