某區(qū)域電網智能無功優(yōu)化系統(tǒng)設計

李紀輝，張 帆

(1.華北水利水電學院，河南 鄭州 450011;2.湖南大學，湖南 長沙 410082)

某區(qū)域電網智能無功優(yōu)化系統(tǒng)設計

李紀輝1，張 帆2

(1.華北水利水電學院，河南 鄭州 450011;2.湖南大學，湖南 長沙 410082)

某區(qū)域電網負荷逐年快速增長，出現(xiàn)主變總容量不足、無功補償設備技術落后、補償效果不好等問題，這些問題集中表現(xiàn)在電壓質量降低上，故對此區(qū)域電網進行智能無功優(yōu)化系統(tǒng)設計.通過合理配置底層無功補償設備，并建立無功補償設備的上位優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對該區(qū)域電網的智能無功優(yōu)化控制.

無功優(yōu)化;補償節(jié)點;補償容量;無功補償經濟當量;電壓無功控制裝置

電壓質量直接關系電力客戶的正常用電，是保障供電服務的基本條件.隨著居民消費水平的提高，用電量快速增長，低壓用戶在用電高峰時段電壓偏低(簡稱“低電壓”)的現(xiàn)象在個別地區(qū)非常突出，已不能滿足用戶正常用電需要.

據調查，該區(qū)域電網35 kV，110 kV變電站，晝夜負荷變化2～5倍，有時會更大.而多數(shù)地區(qū)農村電網沿用老式的固定補償方式，補償裝置不能跟隨負荷變化自動跟蹤調節(jié)，經常出現(xiàn)負荷高時欠補、負荷低時過補現(xiàn)象.大量的無功功率需要從輸電網流向農電網以及末端，造成較大的電壓降低，出現(xiàn)農電網“低電壓”現(xiàn)象.部分10 kV線路功率因數(shù)在0.6～0.8，電壓降低率20% ～25%.400 V線路功率因數(shù)更低，電壓降低更為嚴重，負荷高峰時有的用戶可能低于130 V.筆者基于此區(qū)域電網現(xiàn)狀，提出了區(qū)域電網智能無功優(yōu)化系統(tǒng)設計.

1 該區(qū)域電網現(xiàn)狀

電網規(guī)模:該區(qū)現(xiàn)有220 kV變電站1座，主變2臺，容量120 MVar+150 MVar;110 kV變電站2座，主變容量40 MVar+31.5 MVar;到目前為止，該區(qū)在建35 kV變電站12座，主變21臺，容量210.25 MVar;在建35 kV變電站1座，主變1臺，容量10 MVar.

該區(qū)110 kV變電站無功補償容量10.2 MVar，占主變總容量的11.1%;35 kV變電站無功補償容量為18.151 MVar，占主變總容量的 14.53%，低于15%的要求，且變電站目前10 kV并聯(lián)電容器沒有采用電壓無功控制(VQC)自動補償裝置［1］，電容器投退不平滑，導致電壓波動.100 kVar以上公用變80%裝設了低壓電容器，但由于運行年限過久，大部分低壓無功補償裝置都已經損壞不能使用，再加上變壓器的增容，補償容量明顯不足，且自動化程度低.

2 智能無功優(yōu)化控制系統(tǒng)方案設計

2.1 工作原理

基于該區(qū)域電網的現(xiàn)狀，在對該區(qū)域電網進行無功優(yōu)化時，按照“分層、分區(qū)”原則，先對整個電網進行分級處理，然后再分別對各級逐個優(yōu)化，同時考慮上下級之間的相互影響.下面介紹具體的實施方案，工作原理如圖1所示.

1)根據電壓等級和網絡拓撲，分層、分區(qū)保障無功平衡［2］.正常情況下，各補償節(jié)點的無功補償設備，依據節(jié)點參數(shù)自動運行，保證節(jié)點的無功平衡、電壓合格，上級系統(tǒng)監(jiān)視其運行.特殊情況下，上級系統(tǒng)按區(qū)域優(yōu)化策略發(fā)出指令，就近調度其他補償節(jié)點無功儲備，支撐區(qū)域無功平衡，保證供電區(qū)域的電壓合格.

2)以配變低壓側0.4 kV作為配變補償節(jié)點，以10 kV線路作為線路補償節(jié)點，35 kV/110 kV變電站作為站級補償節(jié)點［3］，各節(jié)點獨立閉環(huán)工作［4］，實現(xiàn)節(jié)點電壓無功的優(yōu)化控制;子站依據站屬區(qū)域無功潮流，優(yōu)先調度各補償節(jié)點無功儲備，達到各配電線路至站屬區(qū)域內部無功平衡的優(yōu)化目的.

3)以無功優(yōu)化控制中心為系統(tǒng)主站，協(xié)同、控制子站，實現(xiàn)區(qū)域電網智能無功優(yōu)化控制［5］.

圖1 區(qū)域電網智能無功優(yōu)化系統(tǒng)控制原理示意圖

2.2 體系架構

主要由系統(tǒng)主站、子站、變電站補償節(jié)點設備、線路補償節(jié)點設備和配變補償節(jié)點設備構成.其中，各節(jié)點設備負責就地無功平衡［6］，子站負責管轄站屬區(qū)域無功平衡，系統(tǒng)主站負責協(xié)調整個電網無功平衡.物理體系架構如圖2所示.

圖2 物理體系架構

2.2.1 各節(jié)點設備

各節(jié)點設備指變電站補償節(jié)點設備、線路節(jié)點設備和配變節(jié)點設備，其中變電站補償節(jié)點設備配置在35 kV/110 kV變電站;線路節(jié)點設備配置在10 kV線路上;配變節(jié)點設備配置在配變低壓(0.4 kV)側.各補償節(jié)點的無功補償設備作為第一級控制，依據節(jié)點參數(shù)自動運行，獨立閉環(huán)工作，保證節(jié)點的無功平衡、電壓合格以實現(xiàn)節(jié)點電壓無功的優(yōu)化控制.

2.2.2 系統(tǒng)子站

系統(tǒng)子站作為第二級控制，按區(qū)域優(yōu)化策略發(fā)出指令，就近調度其他補償節(jié)點無功儲備，支撐區(qū)域無功平衡.以無功就地平衡、電壓最優(yōu)為依據，綜合利用現(xiàn)代通信技術、自動控制技術、短期與超短期負荷預測等手段，完成對變電站無功補償設備、線路無功補償設備、配變低壓側無功補償設備的優(yōu)化協(xié)調控制，實現(xiàn)變電站、線路、配變無功電壓的三級聯(lián)調，增強電壓調控能力，改善供電質量.

2.2.3 系統(tǒng)主站

系統(tǒng)主站作為第三級控制，為無功優(yōu)化控制中心.以安全和經濟協(xié)調的全局優(yōu)化為主要目的，在線給出最優(yōu)運行點，保證電網始終運行在最優(yōu)運行點周圍，偏離不大.對負荷潮流和電壓水平進行預測，對二級控制進行觸發(fā)控制，保證操作次數(shù)滿足約束要求，實現(xiàn)2個控制級之間的協(xié)調.

2.3 網絡通訊架構

通訊網絡由專用和無線專用通訊網絡組成.專用通訊網絡負責系統(tǒng)主站與子站之間、子站與站級補償節(jié)點之間的通訊聯(lián)絡.3G，GPRS，CDMA等借助無線專用通訊網絡數(shù)據傳輸技術，通過通訊服務器，實現(xiàn)線路節(jié)點和配變節(jié)點實時數(shù)據傳輸，便于子站對其站屬區(qū)域無功潮流的協(xié)調控制，如圖3所示.

圖3 網絡通訊架構

2.4 軟件架構

控制系統(tǒng)軟件體系由基礎平臺層、集成平臺層和應用層3部分組成.基礎平臺層由計算機、操作系統(tǒng)、數(shù)據庫及中間件4部分組成.集成平臺層包括集成設施(通訊中間件、服務監(jiān)控管理)，集成工具(圖庫建模、數(shù)據維護、模型編輯、安全配置)，集成服務(模型服務、實時數(shù)據服務、歷史數(shù)據服務、事項服務及電子報表服務)，集成框架(圖形框架、圖標框架)及二次開發(fā)包.應用層由數(shù)據采集與監(jiān)控、無功優(yōu)化控制、人機會話及報表打印、WEB信息發(fā)布、輔助決策及模擬仿真訓練6大功能模塊構成.

3 實際效果

3.1 預期目標

該項目旨在改善該區(qū)域電網的整體供、用電環(huán)境，提高電網傳輸能力，提升管理水平，有力保證電網安全、合理運行.達到的實際效果如下:提高功率因數(shù);變電站功率因數(shù)提高到0.95以上;線路功率因數(shù)提高到0.95以上;配變低壓側負載功率因數(shù)提高到0.95以上;降低線路損耗，本項目實施后，將大幅減少無功電流的傳輸，線路損耗能夠比原來降低30%以上;提升電壓水平，將部分存在“低電壓”現(xiàn)象的配電臺區(qū)，低壓側電壓提升10%左右.

3.2 效益分析

3.2.1 計算依據

1)采用無功補償經濟當量法［7］，也就是將無功電流折算成有功電流，無功電流造成的損耗可以通過有功電流來計算.

2)無功補償經濟當量取值參照國家標準GB/T13462《變壓器經濟運行導則》、GB12497《三相異步電動機經濟運行》的規(guī)定，并依據低值選取.

3)假定設備利用率75%，每度電價按0.56元計算;110 kV變電站無功補償經濟當量C110=0.03，年滿負荷用電時間T=4 600 h;35 kV變電站無功補償經濟當量C35=0.05，年滿負荷用電時間T=3 800 h;10 kV線路無功補償經濟當量C10=0.08，年滿負荷用電時間T=3 200 h;0.4 kV配變無功補償經濟當量 C0.4=0.10，年滿負荷用電時間 T=2 600 h.

4)110 kV和35 kV變電站站級補償裝置19套，安裝容量分別為13 500 kVar和25 800 kVar;10 kV線路無功自動補償裝置36套，安裝容量4 170 kVar;400 V配變補償設備1 060套，安裝容量55 800 kVar.3.2.2 直接經濟效益分析

1)110 kV變電站補償節(jié)點節(jié)約電量=13 500×C110×75% ×4 600÷10 000=139.73(萬 kW·h)，每年可節(jié)約資金78.3萬元.

2)35 kV變電站補償節(jié)點節(jié)約電量=25 800×C35×75% ×3 800÷10 000=367.7(萬 kW·h)，每年可節(jié)約資金205.9萬元.

3)10 kV線路補償節(jié)點節(jié)約電量=4 170×C10×75% ×3 200÷10 000=80.1(萬kW·h)，每年可節(jié)約資金44.84萬元.

4)0.4 kV配變補償節(jié)點節(jié)約電量=55 800×C0.4×75% ×2 600 ÷10 000=1 088.1(萬 kW·h)，每年可節(jié)約資金609.4萬元.

4 結語

1)“低電壓”是電網無功補償不足的具體表現(xiàn)，做好無功優(yōu)化補償，減小或消除無功電流，是提高和穩(wěn)定電網電壓的切實可行的技術措施.

2)文中設計依據是電壓等級和網絡拓撲，分層、分區(qū)保障無功平衡，并依據專用通訊網絡和無線專用通訊網絡，實現(xiàn)了系統(tǒng)主站與子站之間、子站與站級補償節(jié)點之間的通訊聯(lián)絡和線路節(jié)點與配變節(jié)點的實時數(shù)據傳輸，構建了由基礎平臺層、集成平臺層和應用層3部分組成的軟件體系.最終建成結構合理、技術先進、安全可靠、高效實用，滿足電網無功優(yōu)化要求的“區(qū)域電網智能無功優(yōu)化系統(tǒng)”.

3)該設計符合國家發(fā)改委“全面規(guī)劃、合理布局、全網優(yōu)化、分級補償、就地平衡”的電網改造升級技術原則，具有很強的實用性，對解決普遍存在的區(qū)域電網無功補償效果差的現(xiàn)象有針對性和借鑒性.

［1］劉志超，陳宏鐘，張偉，等.基于專家系統(tǒng)的變電站電壓無功控制裝置［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(2):74－77.

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Design on a Regional Power Grid Intelligent Reactive Optimal System

LI JI-hui1，ZHANG Fan2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Hunan University，Changsha 410082，China)

In a region，the power grid loads rapidly increase year by year，the total capacity of the main transformer lacks，and the technology of reactive power compensation equipment are backward and poor compensation effect.All these problems focus on the performance of the reduced voltage quality.Thus，intelligent reactive power optimization system design is applied to power grid of the region.Through the rational allocation of the underlying reactive power compensation equipment，and the establishment of the position optimization of reactive power compensation equipment control systems，the intelligent reactive power optimization control is realized in the power grid of the region.

reactive power optimization;compensation node;compensation capacity;reactive power to compensate for the economic equivalent;voltage and reactive power control device

1002－5634(2012)03－0055－04

2012－02－30

河南省科技攻關計劃項目(102102210219).

李紀輝(1982—)，男，河南沈丘人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與安全運行方面的研究.

(責任編輯:杜明俠)