電網(wǎng)無功電壓運(yùn)行優(yōu)化與分析系統(tǒng)研究與應(yīng)用

石　磊，林哲敏，羅亞橋，徐　斌，計(jì)長安，洪　偉，桂國亮，鄭國強(qiáng)，謝毓廣，郭　力，李　輝，李　娟，張伏治

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，合肥　230601；2. 國網(wǎng)合肥供電公司，合肥　230061)

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電網(wǎng)無功電壓運(yùn)行優(yōu)化與分析系統(tǒng)研究與應(yīng)用

石磊1，林哲敏1，羅亞橋1，徐斌1，計(jì)長安1，洪偉1，桂國亮1，鄭國強(qiáng)1，謝毓廣1，郭力1，李輝2，李娟2，張伏治2

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，合肥230601；2. 國網(wǎng)合肥供電公司，合肥230061)

摘要：電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化分析是電力系統(tǒng)研究的重要課題之一。針對無功優(yōu)化問題，結(jié)合安徽省電網(wǎng)無功電壓運(yùn)行優(yōu)化與分析系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)用中面臨的情況，闡述了無功優(yōu)化模型的建立和基于無功數(shù)據(jù)的挖掘分析及系統(tǒng)主要功能、關(guān)鍵技術(shù)。安徽省電網(wǎng)無功電壓運(yùn)行優(yōu)化與分析系統(tǒng)已部署成省級無功綜合管理平臺，通過接入主網(wǎng)、及地市配網(wǎng)無功數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化模型及算法，通過提高全省電網(wǎng)無功的管理水平來提高電網(wǎng)電能質(zhì)量及效益水平。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；電能質(zhì)量；無功補(bǔ)償；無功優(yōu)化與分析

無功雖然不傳遞能量，但是卻會影響電網(wǎng)的電壓。為保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，通常會在電力系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償。隨著電能質(zhì)量的持續(xù)建設(shè)，安徽省在電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化的研究上不斷投入，部署了電網(wǎng)無功優(yōu)化與分析的綜合系統(tǒng)平臺，通過接入全省無功數(shù)據(jù)進(jìn)行電網(wǎng)無功優(yōu)化與分析的研究、應(yīng)用。本文將以此為例，探討通過建立一個(gè)無功數(shù)據(jù)綜合管理和分析的系統(tǒng)平臺，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對建立的無功優(yōu)化模型使用不同的算法進(jìn)行驗(yàn)證。從數(shù)據(jù)的不同視角進(jìn)行多層面分析，發(fā)現(xiàn)問題、達(dá)到優(yōu)化無功的目的。在保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的大前提下，做到進(jìn)一步降低損耗，提高電能質(zhì)量水平及電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償與無功平衡的管理水平。

1現(xiàn)狀與趨勢

我國作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，各行業(yè)的發(fā)展速度都很快。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力的電力系統(tǒng)，也在迅速增長。為了應(yīng)對電力系統(tǒng)在無功優(yōu)化上面臨的挑戰(zhàn)，提高無功優(yōu)化水平，需要不斷加大對電網(wǎng)系統(tǒng)無功優(yōu)化上的投入。

隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，我們應(yīng)該思考如何利用這些新技術(shù)來完成對電網(wǎng)系統(tǒng)的改造。同時(shí)不能局限于傳統(tǒng)的安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，需要綜合電網(wǎng)無功電壓數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析、無功優(yōu)化決策控制的綜合性系統(tǒng)平臺。在現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行無功數(shù)據(jù)采集、無功優(yōu)化計(jì)算，無功數(shù)據(jù)分析等無功管理活動(dòng)。

電網(wǎng)無功電壓運(yùn)行優(yōu)化與分析系統(tǒng)平臺以導(dǎo)入主網(wǎng)、配網(wǎng)中的無功數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立無功優(yōu)化模型、提出相應(yīng)的算法，指導(dǎo)相應(yīng)的調(diào)度人員安排運(yùn)行方式，提高電力系統(tǒng)無功優(yōu)化水平。

2無功優(yōu)化模型與算法

傳統(tǒng)意義上的無功優(yōu)化都是以有功網(wǎng)損最小作為目標(biāo)，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷給定的情況下，為了達(dá)到在滿足各種約束條件下，最小化電網(wǎng)系統(tǒng)的損耗的目標(biāo),常用的做法是通過調(diào)節(jié)電容器的安裝位置和電容器的容量等方式來進(jìn)行無功補(bǔ)償，這種優(yōu)化方式最大化了電網(wǎng)效益，但是其局限性在于只追求經(jīng)濟(jì)效益常常會使得系統(tǒng)運(yùn)行在臨界狀態(tài)，系統(tǒng)長期運(yùn)行在這種狀態(tài)中必然對其穩(wěn)定性造成影響。在日趨多元化的效益要求下，不能局限在經(jīng)濟(jì)性上，也要把電壓質(zhì)量水平作為重要因素進(jìn)行考慮。

電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題不是簡單的線性、等式約束的問題，而是一個(gè)高度復(fù)雜的優(yōu)化問題。集中了非線性的、連續(xù)量與非連續(xù)量、等式約束與不等式約束的復(fù)雜模型。需要借鑒傳統(tǒng)意義上的無功優(yōu)化模型，同時(shí)達(dá)到最小的網(wǎng)損、最優(yōu)電壓質(zhì)量的述求。并通過對大量的無功數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，找到目標(biāo)優(yōu)化模型的最優(yōu)解。

(1)以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)

電能輸送過程中以熱能形式提供的功率消耗是有功網(wǎng)損，即電阻、電導(dǎo)消耗功率為有功功率。有功網(wǎng)損的大小可用于衡量電網(wǎng)建設(shè)成熟化程度和管理水平高低，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，以系統(tǒng)的有功損耗最小為目標(biāo)函數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)可表示為：

minΔW

(1)

有功網(wǎng)損：

(2)

式中P——有功功率；Q——無功功率；ΔW——有功網(wǎng)損。

可以看出，無功功率和有功損耗是成正比例的變化關(guān)系。即在電網(wǎng)中有功功率保持不變的條件下，當(dāng)無功功率越大，有功損耗就越大。當(dāng)無功功率越小，總的有功損耗就越小。

無功功率的流動(dòng)使得有功損耗上升，所以為了達(dá)到降低電網(wǎng)中有功損耗的目的，需要盡量減少、限制無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，就地補(bǔ)償無功功率。

把電力系統(tǒng)有功損耗最小化是無功優(yōu)化問題中最常用的目標(biāo)函數(shù)，針對此目標(biāo)函數(shù)，合理降低函數(shù)中的能夠調(diào)節(jié)的變量值可以目標(biāo)得到函數(shù)的最優(yōu)解。這種設(shè)定方法是假定電網(wǎng)系統(tǒng)中電能的傳輸容量擁有足夠可調(diào)節(jié)范圍的情況下進(jìn)行演算驗(yàn)證的，當(dāng)不滿足這個(gè)條件時(shí)，就應(yīng)該考慮其它因素的影響。

(2)以電壓質(zhì)量最好為目標(biāo)

知道電力系統(tǒng)中無功功率和電壓水平的強(qiáng)相關(guān)性就是要讓電壓保持在額定值范圍內(nèi)就必須使無功功率的輸出能夠滿足要求。在系統(tǒng)電壓較高時(shí)，此時(shí)線路兩端的電壓相位角差比較小，對應(yīng)的cosθ近似等于1。

把電壓質(zhì)量最好作為目標(biāo)，則目標(biāo)函數(shù)應(yīng)以節(jié)點(diǎn)的電壓值在偏離期望值的平方和最小來計(jì)算。以往在只考慮電壓的限制因素的條件下，往往造成電壓過于接近極限值，及其容易促發(fā)不穩(wěn)定的結(jié)果，因此需要避免這種情況。

目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(3)

無功數(shù)據(jù)綜合管理和分析的系統(tǒng)通過對無功投切、電壓變化等數(shù)據(jù)的采集和分析，從降低有功網(wǎng)損，維持合理的電壓水平多個(gè)方面探討無功優(yōu)化問題。

3主要功能及分析技術(shù)

3.1無功數(shù)據(jù)導(dǎo)入與管理功能

通過導(dǎo)入E語言數(shù)據(jù)文件，分別從省公司調(diào)度系統(tǒng)、地市調(diào)度接入500、220、110 kV和35 kV主網(wǎng)和配網(wǎng)的變電站設(shè)備信息及相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)文件，從PMS系統(tǒng)獲取并導(dǎo)入電容電抗信息。系統(tǒng)通過對在無功數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的分級，地域上的分層等方式，不僅更符合人的視角，對數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)也接近實(shí)際情況，便于后期數(shù)據(jù)的查看及分析，充分挖掘數(shù)據(jù)背后的實(shí)際價(jià)值。根據(jù)設(shè)備的類型、地域、時(shí)間等條件對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，并提供查詢、編輯等基本功能。

圖1　無功數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)來源

導(dǎo)入變電站相關(guān)、主變(變壓器)相關(guān)信息、母線相關(guān)信息、線路相關(guān)信息、電容、電抗相關(guān)信息以及相關(guān)電壓、電流、有功、無功等數(shù)據(jù)。

導(dǎo)入包含變電站站間關(guān)系、變電站內(nèi)部設(shè)備關(guān)系數(shù)據(jù)的XML數(shù)據(jù)文件，用于電網(wǎng)架構(gòu)圖的生成，把數(shù)據(jù)邏輯形象化、圖形化。

具體的數(shù)據(jù)來源如圖1所示。導(dǎo)入的數(shù)據(jù)作為整體平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為系統(tǒng)提供科學(xué)分析的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2形成架構(gòu)圖

根據(jù)從省調(diào)度系統(tǒng)、地市調(diào)度系統(tǒng)導(dǎo)入的500、220、110 kV和35 kV變電站設(shè)備數(shù)據(jù)信息形成主網(wǎng)、配網(wǎng)架構(gòu)圖。采用架構(gòu)圖的方式把分散的變電站、單純的數(shù)據(jù)信息按照地域、電壓等級進(jìn)行劃分、用圖形化的方式展示變電站與變電站之間的實(shí)際關(guān)系。是數(shù)據(jù)從抽象化到形象化的還原。同時(shí)也形成變電站內(nèi)部的架構(gòu)圖，還原變電站內(nèi)部設(shè)備的連接布置、線路的連接情況、無功設(shè)備的安裝情況。

通過對電網(wǎng)架構(gòu)圖形化的方式不僅更加直觀，也利于使用者對全局情況的把握，形成緊密的、層級關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)架構(gòu)關(guān)系。

3.3無功分析計(jì)算

對電力系統(tǒng)無功優(yōu)化涉及到需要什么樣的無功設(shè)備、需要多少設(shè)備、怎樣合理的調(diào)節(jié)無功設(shè)備這些具體的問題上，本文主要探討通過已有無功設(shè)備的合理調(diào)節(jié)來達(dá)到有功損耗下降、電壓質(zhì)量提高、穩(wěn)定性增強(qiáng)的目標(biāo)。

除了需要注意無功優(yōu)化問題涉及到非線性、多變量、多約束的特點(diǎn)，還需考慮到時(shí)間上的分級，地域上的分層，對無功優(yōu)化問題的影響。這些因素都是在電力系統(tǒng)無功電壓的優(yōu)化過程中需要考慮的。而且各因素所占的重要程度也不一定完全一致，還需要更進(jìn)一步的研究。

(1)約束條件

無功優(yōu)化的約束條件是包含等式約束和不等式約束，無功的優(yōu)化問題就是求一個(gè)多變量有約束非線性目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解問題。以降低電力系統(tǒng)的損耗、提高電壓質(zhì)量水平為目標(biāo)，通過安裝無功設(shè)備并合理調(diào)節(jié)無功設(shè)備來實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化。

電網(wǎng)是用著有功的輸送，電網(wǎng)上輸送的有功和電力成正比例關(guān)系，二者同一個(gè)方向變化。在研究無功優(yōu)化問題時(shí)，實(shí)際上是在電網(wǎng)有功基本確定的前提條件下進(jìn)行的。對于節(jié)點(diǎn)電壓必須滿足：Umin

(2)分析計(jì)算

根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》及其它相關(guān)無功管理規(guī)定，通過接入各電壓等級的變電站無功數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)無功不足的變電站，為后續(xù)無功優(yōu)化及相關(guān)設(shè)備更新或新增提供數(shù)據(jù)支撐。對歷史無功數(shù)據(jù)的同比、對比分析，計(jì)算系統(tǒng)的無功補(bǔ)償及無功平衡，從而優(yōu)化后續(xù)的無功補(bǔ)償及無功平衡。通過功率因數(shù)曲線、變壓器檔位、電容器投入容量等的綜合分析，從而優(yōu)化分析電壓合格率、功率因數(shù)合格率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以真正分析電壓不合格率的原因、分析無功補(bǔ)償設(shè)備動(dòng)作對電壓的影響、分析無功補(bǔ)償設(shè)備動(dòng)作的效果、動(dòng)作的及時(shí)性，為電壓的運(yùn)行優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1)功率因數(shù)為總功率中有功功率所占的比例，是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。其大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。功率因數(shù)低的根本原因是電感性負(fù)載的存在導(dǎo)致設(shè)備的利用率降低。

功率因數(shù)的計(jì)算：

(4)

式中P——有功功率；Q——無功功率；S——視在功率；cosφ——功率因數(shù)；

電力用戶功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到一定要求，有必要對達(dá)不到要求的功率因數(shù)異常情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中高壓供電用戶的功率因數(shù)需要達(dá)到0.90以上；其他100 kVA及以上電力用戶，功率因數(shù)需達(dá)到0.85以上；農(nóng)業(yè)用電功率因數(shù)需達(dá)到0.80以上。

2)要進(jìn)行合理無功補(bǔ)償，需要計(jì)算無功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘?。電網(wǎng)中的安裝的無功總?cè)萘繎?yīng)大于電網(wǎng)最大自然無功負(fù)荷，一般可按照最大自然無功負(fù)荷的1.15倍計(jì)算。

無功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘浚?/p>

QC=1.15QD-QG-QR-QL

(5)

式中QC——無功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘?；QD——最大自然無功負(fù)荷；QG——發(fā)電機(jī)的無功功率；QR——電網(wǎng)輸入的無功功率；QL——線路的充電功率。

統(tǒng)計(jì)變電站無功設(shè)備無功裝機(jī)容量及無功補(bǔ)償容量之間的比例，可以掌握無功設(shè)備的利用效率情況及對其是否發(fā)揮了實(shí)際作用進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤和效果考核。

4結(jié)語

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化可通過無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化規(guī)劃和電壓無功優(yōu)化控制兩方面進(jìn)行保障。合理的無功補(bǔ)償、電壓優(yōu)化使得電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓保持在額定范圍的條件下達(dá)到網(wǎng)損最小的目的。

提高電力系統(tǒng)效率、經(jīng)濟(jì)性及電能質(zhì)量水平作為保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、高效運(yùn)行的基本保障，是電力系統(tǒng)研究的主要方向之一，而做好電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償和無功平衡對電網(wǎng)效率及電能質(zhì)量整體的提升都有著重要的意義，通過在電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行無功平衡和對無功負(fù)荷的優(yōu)化補(bǔ)償,讓電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)更有效率的狀態(tài)下，保障國民經(jīng)濟(jì)的順利發(fā)展具有積極的意義。對于一個(gè)越來越龐大越來越重要的系統(tǒng)，我們對其依賴性也越來越高。因此保證其穩(wěn)定、高效地運(yùn)行對提升社會經(jīng)濟(jì)效益影響深遠(yuǎn)。

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(本文編輯：楊林青)

Research and Application of Grid Reactive Voltage Operation Optimization and Analysis System

SHI Lei1, LIN Zhe-min1, LUO Ya-qiao1, XU Bin1, JI Chang-an1, HONG Wei1, GUI Guo-liang1, ZHENG Guo-qiang1, XIE Yu-guang1, GUO Li1, LI Hui2, LI Juan2, ZHANG Fu-zhi2

(1. Grid Technology Center of Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China;2. State Grid Hefei Power Company, Anhui Provincial Electric Power Company, Hefei 230061, China)

Abstract:Power system reactive power optimization analysis is one of the important hot topics in the field of power system. For reactive power optimization problem, and in combination with the construction and operation of Anhui Power Grid reactive voltage operation optimization and analysis system, this paper describes the establishment of reactive power optimization model and the main functions and key techniques of the system based on the analysis of reactive power data mining. Anhui grid reactive voltage operation optimization and analysis system has been deployed as the provincial-level integrated management platform. Based on the main grid access and local distribution network reactive power data, optimization model and algorithm are established; the grid power quality and benefit are improved by raising the provincial grid reactive power management.

Key words:grid; power quality; reactive power compensation; reactive power optimization and analysis

DOI：10.11973/dlyny201602002

作者簡介：石磊(1981)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量和電壓無功在線監(jiān)測。

中圖分類號：TM714.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)02-0161-04

收稿日期：2016-01-20