電力系統(tǒng)無功優(yōu)化與無功補(bǔ)償控制策略

劉清平　鄒清源　周錦麗

摘 要

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無功補(bǔ)償和優(yōu)化的良好控制能夠有效減少電網(wǎng)運(yùn)行的損耗，同時(shí)還可提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是現(xiàn)階段我國電力系統(tǒng)無功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)膯栴}日漸突出，這對(duì)其控制策略也提出了更加嚴(yán)格的要求。本文針對(duì)我國當(dāng)前電力系統(tǒng)無功優(yōu)化和補(bǔ)償應(yīng)用等方面的不足進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)控制措施予以改善。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng) 無功優(yōu)化 無功補(bǔ)償 控制策略

城市化進(jìn)程的加快促進(jìn)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，城市電網(wǎng)逐漸走向低壓配電的形式，隨著電力負(fù)荷與電源的涌現(xiàn)，其對(duì)城市電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與電源分布產(chǎn)生了一定的影響，這就導(dǎo)致電力系統(tǒng)的無功分布變得不合理化。在低壓電的線路中涌動(dòng)著大量的無功電流，降低了電網(wǎng)功率因數(shù)，增加線路損耗，降低末端電壓，使用電客戶的用電質(zhì)量出現(xiàn)問題。因此電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化和補(bǔ)償是現(xiàn)階段電力部門研究的主要課題之一。

1 電力系統(tǒng)無功優(yōu)化

1.1 無功優(yōu)化現(xiàn)狀

我國電力事業(yè)與電力系統(tǒng)的發(fā)展使電網(wǎng)電壓水平得到較大的提升，但是其中依然存在較多的問題需要解決。部分電網(wǎng)進(jìn)行輕載運(yùn)行時(shí)常出現(xiàn)電壓過高的情況，一些用電量較大的地區(qū)電壓設(shè)置已經(jīng)超過相關(guān)部門的規(guī)定，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成巨大的隱患；在進(jìn)行重載運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓偏低，導(dǎo)致大部分工業(yè)生產(chǎn)以及居民的正常用電受到影響。此外，電力系統(tǒng)無功功率的流動(dòng)存在不合理性，這不僅會(huì)增加配電線路的損耗，還會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

1.2 無功優(yōu)化存在的問題

當(dāng)前我國配電網(wǎng)無功優(yōu)化存在以下幾項(xiàng)問題有待解決：

（1）電力系統(tǒng)無功優(yōu)化屬于一種非線性問題，非線性問題的規(guī)劃一般在進(jìn)行局部收斂時(shí)可獲得最佳解決方案與效果，但是如何能夠跳脫出局部限制進(jìn)行全局最優(yōu)化有待研究；

（2）電力系統(tǒng)配電網(wǎng)線路損耗是無功優(yōu)化的最低目標(biāo)函數(shù)，這可能導(dǎo)致最后的母線電壓優(yōu)化求解值會(huì)更加接近電網(wǎng)電壓設(shè)置的上限，但是在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中有關(guān)部門并不希望出現(xiàn)該情況。但若縮小電網(wǎng)電壓的約束范圍，則會(huì)增大無功優(yōu)化收斂效果較差或不進(jìn)行收斂或反復(fù)修正的風(fēng)險(xiǎn)，因此如何統(tǒng)一電壓質(zhì)量與最佳經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是需要進(jìn)行解決的問題；

（3）電力系統(tǒng)的發(fā)展以及自動(dòng)化水平的日漸提升均對(duì)無功優(yōu)化的實(shí)時(shí)性提出了較為嚴(yán)格的要求，怎樣在最短的時(shí)間內(nèi)，在不出現(xiàn)未收斂的基礎(chǔ)上求出優(yōu)化最佳值是當(dāng)前有關(guān)部門急需解決的問題之一。

1.3 無功優(yōu)化措施

傳統(tǒng)靜態(tài)無功優(yōu)化過程中的優(yōu)化方法是采用過去某一時(shí)刻產(chǎn)生的最佳優(yōu)化結(jié)果給予電力系統(tǒng)設(shè)備下一步優(yōu)化指導(dǎo)，這種做法存在顯而易見的不合理性和不科學(xué)性。而采用動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化則能夠在最大程度上避免靜態(tài)無功優(yōu)化的缺點(diǎn)，一般情況下動(dòng)態(tài)無功優(yōu)化包括無功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)化以及電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制兩部分。

1.3.1 無功補(bǔ)償設(shè)備優(yōu)化

無功功率的產(chǎn)生與配電變壓器、電機(jī)、加熱器等多種電力設(shè)備的運(yùn)行有關(guān)，因此補(bǔ)償裝置選擇的合理性能夠有效減少電網(wǎng)線路的損耗，進(jìn)而提升電網(wǎng)的配電質(zhì)量。一般而言，可對(duì)負(fù)荷所致的無功電流使用電容器進(jìn)行補(bǔ)償，至此出現(xiàn)無功補(bǔ)償。將其進(jìn)行簡化敘述則為，電網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生有功和無功功率，無功功率過大會(huì)增加電網(wǎng)線路的損耗，但是電機(jī)類設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)載屬于感性負(fù)載，其需要消耗無功功率保證運(yùn)行，這就需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償以保證感性負(fù)載的水平。

1.3.2 電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制

無功優(yōu)化閉環(huán)控制首先需要使用調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遙測數(shù)據(jù)、電壓合格數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集，并將其設(shè)置為優(yōu)化控制的約束條件，同時(shí)在線實(shí)現(xiàn)電壓無功優(yōu)化項(xiàng)目的分析以及控制措施設(shè)定，進(jìn)行主變電分接開關(guān)最少次數(shù)的調(diào)整，對(duì)電容器進(jìn)行最為合理的投切控制，實(shí)現(xiàn)最高電壓合格率以及最小電網(wǎng)損耗率的優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而以優(yōu)化目標(biāo)為依據(jù)形成指令，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行指令執(zhí)行。

2 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償

2.1 無功補(bǔ)償形式

無功補(bǔ)償屬于無功優(yōu)化的一部分，是無功優(yōu)化在實(shí)際生活中的具體操作實(shí)例，其通過對(duì)電容器安裝位置以及容量進(jìn)行不斷調(diào)整，進(jìn)而尋找出能夠滿足各個(gè)約束條件的電網(wǎng)線路損耗最小值。電容器安裝位置以及容量的合理設(shè)定能夠使電力系統(tǒng)的電壓水平保持在合理的范圍內(nèi)，保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。現(xiàn)階段，實(shí)際生活中常見的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償形式包括：變電站集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、桿上無功補(bǔ)償以及用電客戶終端補(bǔ)償四種。

2.2 無功補(bǔ)償存在的問題

現(xiàn)階段我國配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中存在較多急需解決的問題，主要包括下述三個(gè)問題：

2.2.1 優(yōu)化

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化配置的最終目的是基于電網(wǎng)電壓的正常水平最大幅度的減少電網(wǎng)損耗，在實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的過程中還需要對(duì)補(bǔ)償后電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)費(fèi)以及設(shè)備安裝經(jīng)費(fèi)進(jìn)行最小化計(jì)算，其過程十分復(fù)雜繁瑣，為解決該問題曾有研究人員提出多種優(yōu)化計(jì)算方式的假設(shè)，但最終效果并不顯著。

2.2.2 測量

當(dāng)前國內(nèi)10KV配電網(wǎng)線路負(fù)荷點(diǎn)無表計(jì)，加之工作人員的能力水平偏低，這就無法保證表計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，導(dǎo)致優(yōu)化計(jì)算難上加難。

2.2.3 諧波

電容器運(yùn)行能夠放大諧波，而這種副作用則會(huì)對(duì)電容器的使用期限造成不良影響，并且電容器的損壞會(huì)加重諧波對(duì)電力系統(tǒng)的干擾，因此在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)需要對(duì)諧波的治理進(jìn)行充分考慮，以此減少對(duì)電力系統(tǒng)的影響。

2.3 無功補(bǔ)償措施

相關(guān)部門應(yīng)對(duì)高、低壓電用電客戶的電網(wǎng)運(yùn)行功率因數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際情況將功率因數(shù)法定值進(jìn)行合理的提升，保證能夠在規(guī)范化層面以及法律層面解決用電客戶的無功補(bǔ)償問題。此外，有關(guān)部門應(yīng)該為對(duì)電能流失漠然的客戶制定能夠提升其積極性的電力系統(tǒng)動(dòng)率因數(shù)，并且建立既具有節(jié)能意識(shí)，又存在投資回報(bào)的法律法規(guī)，研發(fā)各種小巧、高質(zhì)量以及高性價(jià)比的自動(dòng)無功補(bǔ)償產(chǎn)品，保證實(shí)現(xiàn)小功率用電客戶的無功補(bǔ)償，進(jìn)而減少無功功率的流動(dòng)，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

節(jié)約型社會(huì)是我國未來發(fā)展的目標(biāo)，節(jié)約資源也是我國的基本國策之一，這就需要我們從實(shí)際生活中的點(diǎn)滴做起，實(shí)施電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化，開發(fā)電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，降低無功功率對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的損耗，節(jié)約電力資源，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。

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作者單位

國網(wǎng)江西省電力公司培訓(xùn)中心 江西省南昌市 330032