基于Powerworld最優潮流的南寧電網無功優化

蘭福生 蘇 曉

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司南寧局

基于Powerworld最優潮流的南寧電網無功優化

蘭福生 蘇 曉

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司南寧局

本文以南寧市區電網為研究目標，在廣西電網的大背景下，對南寧市區電網的運行方式進行分析，并基于Powerworld仿真軟件建立南寧市區電網模型，利用Powerworld仿真軟件的最優潮流算法計算南寧電網的無功優化方案，最后對電網的規劃和發展提供合理的建議。

最優潮流；無功優化；Powerworld仿真軟件

1. 引言

南寧電網是廣西電網的重要地區電網。經過近年的努力，南寧電網的供電可靠性得到了較大程度提高，實現了南寧市區220kV電網的南北環網供電，大大改善了南寧市電網的網架結構。隨著南寧經濟的快速發展，用電的需求不斷增加，電網的規模也日益擴大。南寧電網具有用電量大、負荷密度高、安全可靠和用電質量高等特點。實際上，南寧電網的供電可靠性還存在著薄弱環節，電網建設周期長，系統電源供電不足，設備絕緣化率較低，部分變壓器殘舊。因此，必須從南寧電網城區供電的現狀出發，分析電網和設備的薄弱點，找出差距和不足并總結成熟經驗。通過對南寧電網的潮流計算和分析，針對實際運行的情況找出南寧市區電網存在的問題，合理的電網構造是保證電網安全、可靠、經濟運行的基礎，在管理技術、人員、信息化方面提出合理的改進建議。

本文利用Powerworld仿真軟件的最優潮流算法計算南寧電網的無功優化方案，最后對電網的規劃和發展提供合理的建議。

2. 最優潮流求解電力系統潮流

最優潮流的基本模型可用下式表示：

求解的思路通常如下：引入松弛變量因子u、l，將不等式約束式轉化為等式約束：

式中，松弛變量l=[l1,…,lr]T，u=[u1,…,ur]T，且滿足u＞0，l＞0。這樣原問題就轉化為優化問題A，如下所示：

然后，把目標函數改造成障礙函數，該函數在可行域內接近于原目標函數f (x)，而在邊界時變得很大。因而得到優化問題B：

其中，擾動因子μ＞0。當li或ui靠近邊界時以上函數趨于無窮大，因此滿足以上障礙函數的極小解不可能在邊界上找到，只能在滿足u＞0，l＞0時才可能得到最優解。這樣，就通過目標函數的變換把含有不等式約束的優化為題A變成了只含等式約束的優化問題B，因而可直接用拉格朗日乘子法來求解。

3 無功優化問題描述及其模型

在給定負荷和無功補償裝置地點的基礎上，以有功網損最小為目標函數，主要考慮了變壓器分接頭位置、并聯電容補償容量和發電機機端電壓的控制作用。這一類無功優化問題的數學模型如下：

①目標函數

注：PL為有功網損；

②約束條件

等式約束條件：

注：Pi、Qi、Vi表示節點i處注入的有功功率、無功功率和節點電壓；Gij、Bij、δij表示節點i、j之間的電導、電納和電壓之間的相差角。

不等式約束條件：

注：Vimin、Vimax表示節點i電壓的下上限；Qimin、Qimax表示發電機輸出無功功率的下上限；Timin、Timax表示變壓器變比的下上限；Cimin、Cimax表示并聯補償電容量的下上限；VGimin、VGimax表示發電機機端電壓的下上限。

4 無功優化問題求解

根據上面描述，Powerworld仿真軟件的最優潮流無功優化解算步驟如下：

(1)通過初始潮流計算，設定控制變量初始值。

圖1 南寧市區電網地理接線圖

圖2 南寧市區電網潮流計算模型—冬季

圖3 高級功能無功優化方案潮流圖

(2)令uq0= uq(0)，xq0= xq(0)，迭代計數k=1。

(3)保持uq0及xq0數值不變，解有功子優化問題，得到u的最優值u*(k)及相應的x*(k)。

ppp

(4)令u0= u*(k)，x0= x*(k)。

pppp

(5)保持up0及xp0數值不變，解無功子優化問題，得到u的最優值u*(k)及相應的x*(k)。

qqq

(6)檢驗‖uq*(k)- uq*(k-1)‖＜ ?，‖up*(k)- up*(k-1)‖＜ ?，是否滿足

(7)若滿足上列收斂條件，計算結束；否則令u0= u*(k)，

qqxq0= xq*(k)。

(8) k=k+1，轉向步驟(3)。

5 案例分析

截止2014年底，南寧電網共有500kV變電站2座，主變3臺，總容量2500MVA；220kV變電站15座，變壓器28臺，總容量4620MVA；110kV變電站43座，變壓器83臺，110kV變電總容量3592.5MVA(不包括用戶變電站)；35kV變電站9座，變壓器16臺，總容量64.5MVA；輸電線路總長度達3032.08km。如圖1為南寧電網地理接線圖。

在分析南寧電網的潮流時，利用PowerWorld Simulator的功能，解決靜態安全和電壓無功補償的問題。由于南寧電網的覆蓋廣，負荷和線路的情況復雜，在建立南寧市區電網潮流模型時，選取了49個節點的小型網絡進行分析。其中，220kV系統包括南寧站、石西站、林村站、瑯東站、邕州站、青秀站、沙田站和五一站，并設置南寧站為平衡節點。經過簡化得到的南寧市區電網潮流的計算模型如圖2。

電網無功補償的原則是應基本上按照分層分區和就地補償平衡原則的考慮，并應能隨負荷或電壓進行調整，保證系統各樞紐電壓在正常和事故后均能滿足規定的需求，避免經長距離線路或多級變壓器傳送無功功率。為此，擬采用帶負荷調壓變壓器與并聯電容補償配合使用運行方式。

采用PowerWorld仿真軟件的高級功能，設置無功優化的最優潮流計算，得無功功率方案，成為無功優化方案。高級功能無功優化方案如圖3所示。

圖4為母線電壓補償前后對比圖。由圖可知，利用最優潮流算法對南寧電網進行無功優化計算，得到了較好的優化效果。且無功優化之后，有功損耗從原來的5.04MW降低至4.46MW。

圖4 母線電壓和補償前后電壓對比

6. 總結

電力系統無功優化是保證電力系統安全經濟運行、提高電壓質量的重要措施，對指導調度人員安全運行和計劃部門進行電網規劃具有重要意義。本文利用Powerworld仿真軟件的最優潮流算法計算南寧電網的無功優化方案，得到了較好的優化效果，最后對電網的規劃和發展提供合理的建議。

[1]李真， 江平. 廣西電網2010年運行分析及存在的問題探討[J]. 廣西電力， 2011.

[2]楊雁萍. 南寧電網35kV及以上電網供電可靠性分析[J]. 廣西電力， 2004.

[3]姜寧等. 電壓無功控制及優化技術[M]. 中國電力出版社，2009.