智能電網框架下的配電網無功補償問題研究

(1.國網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

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

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

我國電網一直處在成長期，長期以來，對電網經濟性運行的論述和應用主要集中在輸電網，配網管理不受重視，對配電網無功研究和無功補償不夠,配網無功功率因數長期偏低，特別是農村地區無功損耗問題較為嚴重。隨電網精益化管理的不斷深入，電網智能化水平越來越高，配網無功補償研究和應用即將進入快速發展時期。

配網的無功補償問題因其顯著的經濟效益越來越受到重視，研究配電網無功補償對電網經濟運行具有重要的意義，而智能電網的發展讓配網無功優化及統籌管理變得簡單直觀。

2 當前電網補償方式

目前，電網無功補償的方式主要是電容器并聯補償，110kV及以上變電站內電容器采用分組投切方式，由自動電壓控制系統(AVC)按照一定的控制策略調節，根據電網無功需求，自動投切合適數量的電容器分組，以平衡電網中的無功需求。表1為110kV以上電網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變電站的功率因數在高峰負荷時基本能維持在0.95以上。

表1 為110kV以上電網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的功率因數，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、維護方便，但對10kV母線以下配電網無降損作用。

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

(1)桿上無功補償方式

把10kV戶外并聯電容器安裝在架空線路的桿塔上來進行無功補償，以達到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯電容器遠離變電站，所以容易出現保護不易配置，控制成本高，維護工作量大，受安裝環境限制等工程問題。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過電壓和過補償現象。

(2)低壓集中補償方式

在配電變壓器低壓側進行補償，是在國內較普遍采用的一種無功補償方式。這種方式下，補償裝置根據用戶負荷水平的波動，投入相應數量的電容器進行跟蹤補償。能實現無功功率的就地平衡。該補償方式更接近負荷，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

直接對用戶末端進行無功補償，將最恰當地降低電網的損耗和維持網絡的電壓水平，補償效果最好。這種補償方式的缺點是補償地點分散，無人管理，維護率低，故障率高，易造成大量電容器在較輕載時閑置，設備利用率不高。

3 補償度的選擇與補償容量的確定

配電網的無功配置情況相對復雜 ,主要受電網位置、負荷密度、負荷功率因數、輸電距離、電壓狀況、主變壓器容量、電纜的數量、配電裝置型式、設備維護水平等條件限制，在工作中要結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無功需求并且投資收益率最高。

現在配網無功補償的主要矛盾是：有限的資金與較大的無功補償需求和補償設備價格之間的矛盾，即在電網什么位置，安裝多大容量的電容器經濟性安全性最好的運籌學問題。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：《國家電網公司電力系統無功補償配置技術原則》，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載率為75%，負荷自然功率因數0.85考慮，補償到變壓器最大負荷時高壓側功率因數不低于0.95，或按變壓器容量的20%～40%進行配置。

(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荷的三分之二。

(3)等面積法：使無功補償在負荷變化時，其過補償的容量與時間的積分(面積)等于欠補償的容量與時間的積分(面積)，從而達到較為優良的配置。

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

3.2 智能算法

(1)無功補償優化計算的模型

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

目標函數:以電網電能損失費用和投資/年之和最小為目標函數。

minf=∑pi+W/n

其中：pi為配網支路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 (滿足相應的潮流方程)

0≤xi≤Qi(容量小于總容量)

k≤K(動作次數小于開關每天動作限值)

W≤W0(投資小于總投資)

其中：Vmin、Vmax為電網各個節點的最小電壓和最大電壓限值；Qi為需安裝的無功補償總容量；K為電容器開關每天動作次數限值；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，將所有可以補償的位置和可能的補償容量計算一遍，選出最優補償方案。該方法可以得出補償效果的最優解，但是計算量較大，適用于小電網，當電網較大時，因為計算量太大而不能在有限的時間內求解。也有學者用電網的簡化模型等進行遍歷搜索，同樣對規模大的配網不適合。

(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，適用于較大規模的電網，能得出較為接近最優解的可用解，其接近程度與算法參數的選取有關。

4 智能電網與無功補償

配網無功補償與智能電網協調發展是今后電網的發展方向，一方面，電網規模的擴大，使得以人管理為主導的電網管理模式向智能化、精益化的智能電網管理模式轉變。未來配網無功補償將出現全局管理，精益化管理的特點。

智能電網管理模型中，配電自動化對每條配電線路及其負荷特性進行采集，在智能調度系統中進行整理和分析，同時調用上述智能算法，通過大數據的計算，得出整個電網無功最優化控制策略。配電自動化系統遙控一個個遠方無功補償設備的投切，并通過控制靜止無功補償或動態無功補償設備，調整整個電網的無功補償容量，實現整個電網無功最優解。

5 補償的經濟性

無功補償的經濟性與電網功率因數有關，無功缺額越大，補償的經濟性越好。承德供電公司研究表明無功補償裝置兩年內可以收回成本并有一定盈余。廣東電網研究認為定功率因數補償回報年限一般為三年，對與供電質量較差的邊遠農網，補償回報年限則縮短至兩年以內。

6 結論

配網是無功功率的主要來源，由于配網電流大，補償不足，配網無功損耗問題較主網更加突出。研究配網配網電網結構以及與之相適應的無功補償方式，確定配網無功補償的地點和補償容量，得到投資與補償效果總體的最優方案，是解決配網無功問題的主要途徑。配網無功補償經濟性好，特別是針對電能質量較差的縣網和農網，補償收益更加明顯。深入研究智能電網下配電網無功補償問題是提高電網運行效率、提高資產利用率、保障電網經濟運行的有效手段。