智能電網(wǎng)框架下的配電網(wǎng)無功補償問題研究

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司 ，河北 石家莊 050000 ；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司辛集供電分公司，河北 石家莊 052300)

1 概述

配電網(wǎng)的功率隨經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展而顯著增加，無功功率和無功電流也隨之增大，特別是近幾年，大量電力電子設(shè)備不斷并入電網(wǎng)，低壓電纜開始在城市電網(wǎng)中大規(guī)模應(yīng)用，配電網(wǎng)無功分布及流動特點呈現(xiàn)了新的特點。無功電流在配電網(wǎng)中流動，產(chǎn)生的無功損耗問題變得不容忽視。一方面，農(nóng)村電網(wǎng)因其輸電線路長，負(fù)荷隨晝夜、季節(jié)波動大，無功和損耗問題比較突出。另一方面，隨社會的不斷發(fā)展，用電設(shè)備的不斷革新，電力用戶的用電需求與傳統(tǒng)的用電需求也有差別。最新型空調(diào)、洗衣機、電動車及電腦和數(shù)據(jù)處理中心等均采用變頻設(shè)備供電并且功率較大。如電動自行車通常采用相控式充電，其功率因數(shù)約為0.8，需要吸收較多的無功功率。

大量無功在系統(tǒng)內(nèi)傳輸，不但增加了電網(wǎng)損耗，同時也占用了大量系統(tǒng)容量，使供電公司不得不采用更大容量的變壓器，更大截面積的導(dǎo)線來傳輸系統(tǒng)所需的無功。配電網(wǎng)作為無功的主要來源，如不進(jìn)行補償，其無功功率將穿越整個輸電網(wǎng)由發(fā)電機提供，此過程產(chǎn)生顯著的電能損耗，輸電線損顯著增加。

我國電網(wǎng)一直處在成長期，長期以來，對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性運行的論述和應(yīng)用主要集中在輸電網(wǎng)，配網(wǎng)管理不受重視，對配電網(wǎng)無功研究和無功補償不夠,配網(wǎng)無功功率因數(shù)長期偏低，特別是農(nóng)村地區(qū)無功損耗問題較為嚴(yán)重。隨電網(wǎng)精益化管理的不斷深入，電網(wǎng)智能化水平越來越高，配網(wǎng)無功補償研究和應(yīng)用即將進(jìn)入快速發(fā)展時期。

配網(wǎng)的無功補償問題因其顯著的經(jīng)濟(jì)效益越來越受到重視，研究配電網(wǎng)無功補償對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行具有重要的意義，而智能電網(wǎng)的發(fā)展讓配網(wǎng)無功優(yōu)化及統(tǒng)籌管理變得簡單直觀。

2 當(dāng)前電網(wǎng)補償方式

目前，電網(wǎng)無功補償?shù)姆绞街饕请娙萜鞑⒙?lián)補償，110kV及以上變電站內(nèi)電容器采用分組投切方式，由自動電壓控制系統(tǒng)(AVC)按照一定的控制策略調(diào)節(jié)，根據(jù)電網(wǎng)無功需求，自動投切合適數(shù)量的電容器分組，以平衡電網(wǎng)中的無功需求。表1為110kV以上電網(wǎng)AVC的分時段控制策略。由表1可以看出，因為增加了電容器分組投切，110kV變電站的功率因數(shù)在高峰負(fù)荷時基本能維持在0.95以上。

表1 為110kV以上電網(wǎng)AVC的分時段控制策略

變電站集中補償主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高終端變電所的電壓，補償主變壓器的無功損耗。補償裝置一般連接在變電站的 10kV 母線上，易于管理、維護(hù)方便，但對10kV母線以下配電網(wǎng)無降損作用。

為了解決配網(wǎng)無功補償“最后一公里”問題，配網(wǎng)無功補償開始受到重視。配網(wǎng)無功補償也有多種方式，目前配電網(wǎng)傳統(tǒng)的補償方式為以下三種。

(1)桿上無功補償方式

把10kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上來進(jìn)行無功補償，以達(dá)到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站，所以容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置，控制成本高，維護(hù)工作量大，受安裝環(huán)境限制等工程問題。桿上補償多為固定電容補償，在輕載時，需要防止配電線路出現(xiàn)過電壓和過補償現(xiàn)象。

(2)低壓集中補償方式

在配電變壓器低壓側(cè)進(jìn)行補償，是在國內(nèi)較普遍采用的一種無功補償方式。這種方式下，補償裝置根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補償。能實現(xiàn)無功功率的就地平衡。該補償方式更接近負(fù)荷，補償效果比桿上補償效果更好，但無電容器分組投切，也會出現(xiàn)無功功率補償過多或不足的情況。

(3)用戶終端分散補償方式

直接對用戶末端進(jìn)行無功補償，將最恰當(dāng)?shù)亟档碗娋W(wǎng)的損耗和維持網(wǎng)絡(luò)的電壓水平，補償效果最好。這種補償方式的缺點是補償?shù)攸c分散，無人管理，維護(hù)率低，故障率高，易造成大量電容器在較輕載時閑置，設(shè)備利用率不高。

3 補償度的選擇與補償容量的確定

配電網(wǎng)的無功配置情況相對復(fù)雜 ,主要受電網(wǎng)位置、負(fù)荷密度、負(fù)荷功率因數(shù)、輸電距離、電壓狀況、主變壓器容量、電纜的數(shù)量、配電裝置型式、設(shè)備維護(hù)水平等條件限制，在工作中要結(jié)合實際情況具體分析選擇合適的補償方式和補償度，最大限度的保證電網(wǎng)無功需求并且投資收益率最高。

現(xiàn)在配網(wǎng)無功補償?shù)闹饕苁牵河邢薜馁Y金與較大的無功補償需求和補償設(shè)備價格之間的矛盾，即在電網(wǎng)什么位置，安裝多大容量的電容器經(jīng)濟(jì)性安全性最好的運籌學(xué)問題。補償度的選擇與補償容量的確定目前有以下兩種方法：

3.1 估算法

(1)容量估算法：《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術(shù)原則》，有如下論述：配電變壓器的無功補償容量可按變壓器最大負(fù)載率為75%，負(fù)荷自然功率因數(shù)0.85考慮，補償?shù)阶儔浩髯畲筘?fù)荷時高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95，或按變壓器容量的20%～40%進(jìn)行配置。

(2)三分之二法：無功補償裝置安裝地點為線路的三分之二處，最佳配置容量為總無功負(fù)荷的三分之二。

(3)等面積法：使無功補償在負(fù)荷變化時，其過補償?shù)娜萘颗c時間的積分(面積)等于欠補償?shù)娜萘颗c時間的積分(面積)，從而達(dá)到較為優(yōu)良的配置。

估算法簡單方便，在配網(wǎng)優(yōu)化中起到了積極作用。但隨電網(wǎng)精益化管理不斷深入、配網(wǎng)的不斷增大，粗放型的估算法漸漸變得不適合配網(wǎng)的無功優(yōu)化。目前很多地區(qū)以用先進(jìn)的計算方法，求得效果更好的補償策略。

3.2 智能算法

(1)無功補償優(yōu)化計算的模型

無功補償模型要滿足相應(yīng)的潮流方程、電壓要求、開關(guān)每天動作次數(shù)的限制及投資總額的限制等要求，使得以電網(wǎng)電能損失費用和投資/年之和最小。

目標(biāo)函數(shù):以電網(wǎng)電能損失費用和投資/年之和最小為目標(biāo)函數(shù)。

minf=∑pi+W/n

其中：pi為配網(wǎng)支路i上的損耗；W/n為投資/年的值。

約束條件：

s.t.Vmin≤V≤Vmax(電壓要符合要求)

f(x1,x2…xn)=0 (滿足相應(yīng)的潮流方程)

0≤xi≤Qi(容量小于總?cè)萘?

k≤K(動作次數(shù)小于開關(guān)每天動作限值)

W≤W0(投資小于總投資)

其中：Vmin、Vmax為電網(wǎng)各個節(jié)點的最小電壓和最大電壓限值；Qi為需安裝的無功補償總?cè)萘浚籏為電容器開關(guān)每天動作次數(shù)限值；W0為無功補償總投資。

(2)遍歷算法和其演化算法

該方法與枚舉法相近，將所有可以補償?shù)奈恢煤涂赡艿难a償容量計算一遍，選出最優(yōu)補償方案。該方法可以得出補償效果的最優(yōu)解，但是計算量較大，適用于小電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)較大時，因為計算量太大而不能在有限的時間內(nèi)求解。也有學(xué)者用電網(wǎng)的簡化模型等進(jìn)行遍歷搜索，同樣對規(guī)模大的配網(wǎng)不適合。

(3)智能算法

對智能算法各高校研究較多，其中主要有結(jié)合靈敏度的遺傳算法和粒子群算法兩種。智能算法的通用性較強，適用于較大規(guī)模的電網(wǎng)，能得出較為接近最優(yōu)解的可用解，其接近程度與算法參數(shù)的選取有關(guān)。

4 智能電網(wǎng)與無功補償

配網(wǎng)無功補償與智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展是今后電網(wǎng)的發(fā)展方向，一方面，電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，使得以人管理為主導(dǎo)的電網(wǎng)管理模式向智能化、精益化的智能電網(wǎng)管理模式轉(zhuǎn)變。未來配網(wǎng)無功補償將出現(xiàn)全局管理，精益化管理的特點。

智能電網(wǎng)管理模型中，配電自動化對每條配電線路及其負(fù)荷特性進(jìn)行采集，在智能調(diào)度系統(tǒng)中進(jìn)行整理和分析，同時調(diào)用上述智能算法，通過大數(shù)據(jù)的計算，得出整個電網(wǎng)無功最優(yōu)化控制策略。配電自動化系統(tǒng)遙控一個個遠(yuǎn)方無功補償設(shè)備的投切，并通過控制靜止無功補償或動態(tài)無功補償設(shè)備，調(diào)整整個電網(wǎng)的無功補償容量，實現(xiàn)整個電網(wǎng)無功最優(yōu)解。

5 補償?shù)慕?jīng)濟(jì)性

無功補償?shù)慕?jīng)濟(jì)性與電網(wǎng)功率因數(shù)有關(guān)，無功缺額越大，補償?shù)慕?jīng)濟(jì)性越好。承德供電公司研究表明無功補償裝置兩年內(nèi)可以收回成本并有一定盈余。廣東電網(wǎng)研究認(rèn)為定功率因數(shù)補償回報年限一般為三年，對與供電質(zhì)量較差的邊遠(yuǎn)農(nóng)網(wǎng)，補償回報年限則縮短至兩年以內(nèi)。

6 結(jié)論

配網(wǎng)是無功功率的主要來源，由于配網(wǎng)電流大，補償不足，配網(wǎng)無功損耗問題較主網(wǎng)更加突出。研究配網(wǎng)配網(wǎng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及與之相適應(yīng)的無功補償方式，確定配網(wǎng)無功補償?shù)牡攸c和補償容量，得到投資與補償效果總體的最優(yōu)方案，是解決配網(wǎng)無功問題的主要途徑。配網(wǎng)無功補償經(jīng)濟(jì)性好，特別是針對電能質(zhì)量較差的縣網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)，補償收益更加明顯。深入研究智能電網(wǎng)下配電網(wǎng)無功補償問題是提高電網(wǎng)運行效率、提高資產(chǎn)利用率、保障電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行的有效手段。