配電網(wǎng)重構(gòu)方式下無(wú)源濾波裝置穩(wěn)定運(yùn)行研究

朱明星，朱磊，蘇國(guó)友

(1.教育部電能質(zhì)量工程研究中心，安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，合肥市230601;2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽省馬鞍山市243003)

0 引言

供配電系統(tǒng)具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行的特點(diǎn)，它包含大量的常合刀閘及少量常開刀閘。配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是指在正?；蚍钦＿\(yùn)行條件下通過改變開關(guān)的狀態(tài)來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電容器投切是指合理改變的電容器投切個(gè)數(shù)和順序，以補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率，使無(wú)功功率就地平衡，從而改善電壓分布和降低網(wǎng)損。配電網(wǎng)重構(gòu)和電容器投切是配電網(wǎng)優(yōu)化的2個(gè)重要措施。通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，一方面平衡負(fù)荷、消除過載、提高供電電壓質(zhì)量;另一方面降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，配電網(wǎng)重構(gòu)是提高配電系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段［1］。

從數(shù)學(xué)模型上看，配電網(wǎng)重構(gòu)是非線性組合優(yōu)化問題，電容器投切是非線性整數(shù)規(guī)劃問題［2］。根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)的不同，配電網(wǎng)重構(gòu)有5類目標(biāo)函數(shù)，即:以提高穩(wěn)定性和可靠性為目標(biāo)，以故障恢復(fù)時(shí)間最短為目標(biāo)，以負(fù)荷平衡分布為目標(biāo)，以系統(tǒng)有功損耗最小為目標(biāo)和系統(tǒng)能量損失最小為目標(biāo)。對(duì)這些目標(biāo)函數(shù)的求解有很多種方法，例如最優(yōu)流法［3］、支路交換法［4］等數(shù)學(xué)優(yōu)化方法;遺傳算法［5］、禁忌搜索［6］、蟻群算法［7］等人工智能算法。這些算法及其改進(jìn)算法對(duì)加快重構(gòu)速度及全局優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)起到了很大的推動(dòng)作用。

但是在將配電網(wǎng)重構(gòu)和無(wú)功補(bǔ)償裝置優(yōu)化問題綜合考慮的時(shí)候，一些制約條件往往被疏忽，例如背景諧波、變壓器負(fù)載率、諧波電流系數(shù)等，這些因素可能導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償裝置在配電網(wǎng)重構(gòu)過程中發(fā)生過電流過電壓等問題，影響無(wú)功補(bǔ)償裝置的安全穩(wěn)定性。本文基于這一背景，研究在以均衡負(fù)荷分布為目標(biāo)的配電網(wǎng)重構(gòu)過程中無(wú)功補(bǔ)償裝置的穩(wěn)定運(yùn)行問題，并結(jié)合具體實(shí)例，驗(yàn)證方法的合理性，為配電網(wǎng)重構(gòu)中無(wú)功補(bǔ)償裝置投切策略的制定提供一種可行的技術(shù)手段。

1 配電網(wǎng)重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

1.1 基于負(fù)荷平衡的目標(biāo)函數(shù)

負(fù)荷平衡的目標(biāo)函數(shù)是指在滿足約束條件的情況下，調(diào)整各聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)的位置，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀供電且負(fù)荷平衡指數(shù)最小。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷平衡指數(shù)定義為

式中:Si，max為支路i的額定容量;Si為支路i的負(fù)荷;Pi、Qi分別為支路i末端各個(gè)時(shí)間段內(nèi)流過的有功和無(wú)功功率。支路可以是1臺(tái)變壓器或帶分段開關(guān)的支路等［8］。

1.2 約束條件

以負(fù)荷平衡為目標(biāo)的配電網(wǎng)重構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足以下約束條件:

(1)配電系統(tǒng)運(yùn)行方式應(yīng)當(dāng)以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為首要目標(biāo)，在運(yùn)行工況時(shí)變壓器平均負(fù)載率應(yīng)在30%≤ηT≤60%范圍內(nèi)。

(2)為了滿足用戶用電經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的平均功率因數(shù)應(yīng)大于0.9。

(3)無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后系統(tǒng)母線諧波電壓總畸變率應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)GB/Z 17625.4—2000《電磁兼容限值中高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值》的要求［9］。

(4)無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值滿足GB/T 14549—93《公用電網(wǎng)諧波》［10］里的要求，公式(2)是諧波電流系數(shù) kIh的定義，是一個(gè)反映治理裝置中各次濾波支路濾波效果的非量綱量。

式中:Igh為與濾波裝置接入同一供電母線的諧波電流源(全部非線性負(fù)載)的h次諧波電流發(fā)生量;ISh為濾波裝置接入后，諧波電流源注入系統(tǒng)的h次諧波電流。

2 負(fù)荷平衡配電網(wǎng)重構(gòu)的算法

2.1 開閉開關(guān)的選擇

配電網(wǎng)重構(gòu)的均衡算法屬于支路交換法。支路交換法的基本步驟是，首先閉合1個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，然后在所形成的環(huán)網(wǎng)中打開1個(gè)開關(guān)來(lái)保持配電網(wǎng)的輻射狀，通過不斷的開關(guān)交換來(lái)達(dá)到降低網(wǎng)損、提高供電質(zhì)量的目的。各種支路交換法所不同的就是開閉開關(guān)選擇的規(guī)則問題，即如何選擇需要閉合的開關(guān)，又如何選擇開斷開關(guān)。

2.1.1 閉合開關(guān)的選擇

為了使配電網(wǎng)的負(fù)荷均衡，應(yīng)該通過開關(guān)操作將負(fù)荷較重的分支上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移給負(fù)荷較輕的分支。因此，應(yīng)當(dāng)尋找開關(guān)兩端負(fù)荷輕重相差較大的開關(guān)閉合。因?yàn)殚_關(guān)兩端電壓差越大，反映開關(guān)兩端的負(fù)荷越不均衡，所以，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先閉合開關(guān)兩端電壓差較大的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

2.1.2 開斷開關(guān)的選擇

當(dāng)閉合1個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)后，網(wǎng)絡(luò)中形成1個(gè)單環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)中電壓最低的節(jié)點(diǎn)應(yīng)為環(huán)網(wǎng)的負(fù)荷均衡點(diǎn)，因而開斷這一最低電壓節(jié)點(diǎn)上的開關(guān)，可使所開斷開關(guān)在開斷后的開關(guān)兩端電壓差最小。與環(huán)網(wǎng)中電壓最小節(jié)點(diǎn)上的開關(guān)有2個(gè)，優(yōu)先開斷開關(guān)兩端電壓差較小的那個(gè)開關(guān)［11］。

2.2 無(wú)源濾波裝置投切策略的確定

無(wú)源濾波裝置的投切策略確定需要考慮幾個(gè)方面的因素:

(1)濾波裝置應(yīng)該滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的指標(biāo)，不可以過補(bǔ)償。當(dāng)配電網(wǎng)重構(gòu)后濾波裝置發(fā)生過補(bǔ)償現(xiàn)象，則會(huì)帶來(lái)力調(diào)電費(fèi)增加，線路損耗增加以及負(fù)載電壓降低的不良后果，應(yīng)該合理地控制補(bǔ)償裝置的開關(guān)動(dòng)作，使功率因數(shù)保持在0.95左右［12］。

(2)濾波裝置應(yīng)該滿足安全運(yùn)行的約束條件，確保在濾波裝置的投切過程中不會(huì)發(fā)生過電壓和過電流現(xiàn)象，使濾波裝置在低于額定電壓電流值的安全界限內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

(3)濾波裝置的投切應(yīng)具有一定的次序性，要滿足如下原則:投入時(shí)，先投低次再投高次;切除時(shí)，先切除高次再切除低次。

3 案例分析

3.1 供配電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某工廠10kV供配電系統(tǒng)重構(gòu)前由2臺(tái)變壓器分別帶2段母線，2段母線下分別安裝1套無(wú)功補(bǔ)償裝置，其供配電系統(tǒng)如圖1所示，10kV母線的最小短路容量Smin=301.84 MVA。

3.2 主要饋線負(fù)荷功率及諧波發(fā)生量

根據(jù)對(duì)電網(wǎng)重構(gòu)過程中主要負(fù)荷的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到主要饋線諧波電流發(fā)生量，見表1。在測(cè)試工況下，忽略系統(tǒng)的背景諧波污染，將各主要饋線測(cè)得的2～25次諧波電流95%概率大值作為諧波電流源，各次諧波電流發(fā)生量是按照國(guó)標(biāo)［10］對(duì)主要負(fù)荷的各次諧波進(jìn)行無(wú)相位合成后得到的數(shù)值。

圖1 供配電系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of power supply and distribution system

表1 10kV母線各饋線總諧波電流發(fā)生量(合成值Ih)Tab.1 Total harmonic current generating capacity of 10kV busbar feeder(synthetic value Ih) A

3.3 基于負(fù)荷平衡的目標(biāo)函數(shù)求解

經(jīng)計(jì)算配電網(wǎng)重構(gòu)前10kVⅠ段母線變壓器的負(fù)載率為45.43%，10kVⅢ段母線變壓器的負(fù)載率為－1.14%，負(fù)荷平衡指數(shù) F=0.206 6，由此可見10kVⅢ段母線變壓器的負(fù)載率不滿足約束條件，現(xiàn)將開關(guān)1閉合，開關(guān)3斷開，使10kVⅠ段母線變壓器帶2段母線運(yùn)行，則配電網(wǎng)重構(gòu)后負(fù)載率為44.29%，負(fù)荷平衡指數(shù)F=0.196 1，比重構(gòu)前略低，滿足目標(biāo)函數(shù)值最小的要求。

3.4 濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置的仿真研究

3.4.1 仿真原則

系統(tǒng)運(yùn)行短路容量為Sp=390.63 MVA，此值介于最小短路容量和最大短路容量之間，由此可以驗(yàn)證由測(cè)試分析結(jié)果計(jì)算的系統(tǒng)阻抗值是合理的，在仿真中取系統(tǒng)阻抗值為Xs=0.256 Ω，等效線路損耗設(shè)為0.01Xs，等效空載損耗電阻為30Xs。

由于電網(wǎng)重構(gòu)，現(xiàn)需要由1臺(tái)主變壓器帶10kV I段母線和10kV III段母線運(yùn)行，確定需仿真的4種投切方案如下:①不投運(yùn)濾波器;②投運(yùn)I段濾波器;③投運(yùn)III段濾波器;④投運(yùn)I段+III段濾波器。

3.4.2 濾波裝置組合運(yùn)行仿真模型

諧波濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置接入后的配電系統(tǒng)等效仿真模型如圖2所示。圖2中:RS、LS、RP為系統(tǒng)阻抗參數(shù);為網(wǎng)絡(luò)諧波阻抗，且為系統(tǒng)阻抗，且

圖2 諧波濾波與無(wú)功補(bǔ)償裝置接入后的配電系統(tǒng)等效仿真模型Fig.2 Equivalent simulation model of harmonic filtering and reactive power compensation device accessing power distribution system

3.4.3 諧波電流系數(shù)仿真

利用MATLAB Simulink 6.0仿真工具箱依據(jù)圖2建立仿真模型，通過測(cè)量系統(tǒng)阻抗和網(wǎng)絡(luò)阻抗根據(jù)公式(3)仿真出諧波電流系數(shù)曲線，其式為

投切方式④下系統(tǒng)諧波電流系數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示。各種投切方式下，系統(tǒng)諧波電流系數(shù)仿真結(jié)果見表2。

圖3 投切方式④下系統(tǒng)諧波電流系數(shù)仿真曲線Fig.3 Harmonic current coefficient curves under switching mode④

表2 4種投切方式下諧波電流系數(shù)khTab.2 Harmonic current coefficients kh under four switching modes

3.4.4 濾波器仿真結(jié)論

(1)圖3中前2圖分別是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)阻抗幅值和相位在不同頻率下的特性曲線，后一圖是諧波電流系數(shù)曲線，kh＞1表示諧波電流被放大，kh＜1表示諧波電流被部分濾除，kh=1表示諧波電流既沒有被放大也沒有被濾除。

4種投切方式下諧波電流系數(shù)見表2，從表2可以看出:

(2)由于電纜充電電容的存在，使得42次以下的諧波被放大，經(jīng)計(jì)算多次諧波電流明顯超標(biāo)，10kV母線諧波電壓總畸變率為6.70%，超過了規(guī)定的限值6.5%。

(3)投切方式②中，投運(yùn)10kV I段濾波器后，諧波電流系數(shù)得到了較明顯的改善，10kV母線諧波電壓含量得到較大的改善。經(jīng)計(jì)算，總諧波電壓畸變率為4.23%，已在規(guī)定的限值6.5%之內(nèi)，但是21、33次諧波仍然超標(biāo)。

(4)投切方式③中，投運(yùn)10kV III段濾波器后，諧波電流系數(shù)得到了較明顯的改善。經(jīng)計(jì)算，10kV母線諧波電壓含量得到較大的改善，總諧波電壓畸變率為3.90%，已在規(guī)定的限值6.5%之內(nèi)。相比于投切方式②，21次諧波電流已在國(guó)標(biāo)規(guī)定的限制以內(nèi)，總諧波電壓畸變率下降了0.33%，但是33、35次等高次諧波仍然有少許超標(biāo)。

(5)投切方式④中，投運(yùn)10kV I段+III段濾波器后，諧波電流系數(shù)得到了非常明顯的改善，10kV母線諧波電壓含量得到了很大的降低，總諧波電壓畸變率為3.00%，已在規(guī)定的限值6.5%之內(nèi)。相比于其他投切方式，方式④的治理效果最好，可以較好地滿足電網(wǎng)正常工作的要求。

3.5 濾波器安全參數(shù)校核

根據(jù)仿真結(jié)果中的諧波電流系數(shù)以及諧波電流發(fā)生量，在4種投切方式下對(duì)治理裝置進(jìn)行安全可靠性運(yùn)行的參數(shù)校核，來(lái)判斷濾波裝置在不同的組合運(yùn)行情況下工作的安全和穩(wěn)定性。各濾波支路的電容器參數(shù)校核的檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 治理裝置的電容器參數(shù)校核結(jié)果Tab.3 Checking results of capacitors'parameters for governance device

從表3中可以看出，濾波裝置在3種運(yùn)行方式下均可滿足參數(shù)校核要求，說明各次濾波支路電容器的額定電壓和容量選擇合理，能夠滿足配電網(wǎng)重構(gòu)后電容器安全穩(wěn)定的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

本文就基于負(fù)荷平衡基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)配電網(wǎng)重構(gòu)問題進(jìn)行了闡述，并討論了當(dāng)原供配電系統(tǒng)裝有無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，目標(biāo)函數(shù)求解過程中應(yīng)該考慮的約束條件。在此基礎(chǔ)上，提出了如何協(xié)調(diào)控制配電網(wǎng)重構(gòu)與補(bǔ)償裝置投切策略的關(guān)系。最后結(jié)合具體實(shí)例和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了計(jì)算和仿真，對(duì)配電網(wǎng)重構(gòu)后的無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果以及安全性、穩(wěn)定性做出了科學(xué)的評(píng)估，保證了裝置的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

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