試論低壓配電網無功補償分散配置的優化方法

張雪磊

(國網山東省電力公司莘縣供電公司,山東 聊城 252400)

低壓配電網是電力網絡中重要組成部分，能起到配置電能的作用，進一步影響電能供應質量。這種情況下，有必要做好配電網的無功補償，從而控制電能消耗，在配電網功能正常發揮下，可實現電力安全運行。當前低壓配電網進行無功補償分散配置過程中，還面臨一些問題，不能保證電力資源充分利用。為了解決這一問題，需要借助相應的分散配置優化方式，在這些措施有效落實下，促進電力行業良好發展。

1 低壓配電網無功補償分散配置分析

要想發揮配電網分配電能的功能，在配電網運行中要為其配備相應的無功補償裝置，以便達到降低電能損耗、提高電網運行質量的目的。實際進行配電網無功補償分散配置時，要以無功功率平衡就地平衡為主，減少無功功率傳輸過程中造成的電能損失。無功補償裝置安裝要充分考慮安裝成本、電網網損和負荷點電壓補償容量等因素，本文主要針對低壓配電網的無功補償裝置設計進行分析，在保證各個負荷節點的補償容量設置滿足電力系統安全運行的條件下，將負荷點作為候選補償位置來建立優化模型，再次考慮投資費用和裝置性能等要求，結合配電網運行特點選出重要補償節點，得到最佳分散無功補償配置計劃。

2 無功補償分散配置優化模型

構建無功補償分散配置優化模型時，以減少配電網網損為目標可得到以下優化模型。

上述式子中，目標函數f(x)設置配電網總的有功損耗；h(x)為不同負荷節點的無功平衡方程；x為電力系統狀態變量，包括不同負荷節點電壓幅值和相角。不等式g(x)是對各個負荷節點的電壓幅值及無功補償容量進行約束?，F在假設配電網中包含n個負荷節點，設定第n個負荷節點電壓相角始終為0，將其作為參考節點。目標函數為配電網配變高壓側輸入的有功功率減去全部負荷節點對應的有功功率，從而計算得到各負荷點的補償容量大小。

3 模型求解

本文建立的低壓配電網分散無功補償配置優化模型，是非線性規劃模型，為了發揮模型作用，關鍵在于有效處理離散決策變量，可利用正曲率二次函數來進行離散變量的處理。在優化過程中，當離散變量值處于需要優化范圍內，則將其向區域中心靠攏，二次函數中的罰因子在模型完善構建過程中是處于動態變化狀態的，這時需要根據計算值求出需要響應的離散取值，再次獲得變量因子。通過將各個離散變量代入二次函數中，同時將其引入目標函數中，從而保證離散變量能在配置優化流程中作連續變量來處理，簡化了模型分析步驟。這時分散無功補償配置模型轉變成非線性規劃模型，利用二次函數求解負荷點補償容量。

4 無功補償分散配置存在的問題

隨著電力行業不斷發展，無功補償分散配置方法有一定改進，但是實際運行過程中，還存在以下問題：一是電力需求明顯增加，這就使得系統內電力變壓器數量隨之增加，為無功補償配置工作帶來一定難度，導致配電網運行中電壓和電能的損耗量有所增加，不利于電力運行安全性。二是配電網無功補償配置運行中，大多地區還采用集中補償的方法，將帶來一定的電能損耗，并且容易引發電力運行故障。

5 低壓配電網無功補償分散配置優化方式

在進行分散配置模型分析的基礎上，能得到相應的低壓配電網無功補償分散配置優化方式，下面將具體闡述優化方法。

（1）優化分散配置步驟。在配電網分散配置優化運行過程中，如果選擇系統中的負荷點作為無功補償點，能得到可行性較高的分散配置方案，在無功補償分散配置合理化的基礎上，能提升電力資源利用率，保證電力運行效益的實現。而上述分散配置計劃的實施，要求設置較多安裝點，實施難度和成本較高，因此，要結合電網運行實際選用合理的分散配置方法，實現分散配置效果的提升。在分散配置步驟設計方面，需要將系統中負荷點看作是候選補償點，為了確保分散配置有效性，可結合配電網無功補償分散配置運行特點，將二次函數模型應用到分散配置優化中，以便準確評估無功補償量。例如在配電網無功補償分散配置優化過程中，采用對偶內點法來得到優化配置求解模式，保證分散配置方案實施效果。

從無功補償分散配置實際來看，需要的無功補償容量較大，安裝和后期運行過程中容易出現較多問題，無法保證配電網正常運行。因此，從分散配置整體效果來看，應針對重要的負荷點位置，配備對應的補償點，在明確分散配置優化設計關鍵點的基礎上，確保分散配置優化取得理想效果。另外，在確定重要位置時，要綜合考慮負荷功率大的位置，從而科學選擇補償容量節點。通過在電力系統關鍵位置選擇對應的補償點，可保證電力系統在配電網無功補償分散配置合理化的情況下，達到性能的提升。

（2）配置范圍的優化。在制定無功補償分散配置方案時，要注重對系統電流和電壓的有效調節，從而保證系統內各個功能模塊功能的實現。為了實現上述優化目的，可從以下方面著手進行優化設計：首先，在單相電容方面。低壓配電網無功補償配置組成部分相對復雜，其中單相電容是重要的結構組成之一，能借助電動機設施進行電壓轉換。分散配置組成結構中的單線電容應和電源連接起來，從而發揮其電壓控制功能，根據配電網運行實際進行相應的轉換，可保障電流和電壓處于安全運行狀態。因此，在優化配置范圍過程中，要注重單相電容在電壓、電流穩定運行上的重要作用。其次，還應從電壓范圍角度出發實現無功補償分散配置范圍的優化設置，實際優化過程中，將電壓范圍控制在20%Ue，Ue為額定電壓。通過有效控制電壓范圍，能進一步降低電力故障發生可能性，當輸出電壓不超過197V時，裝置處于工作補償狀態，為終端設備運行提供足夠的電能。

6 算例分析

為了驗證上述配電網無功補償配置優化方法是否可行，主要針對某地區多個低壓配電網進行計算，在以上分散配置方案實施一段時間后，對比分析配電網電能損耗情況。下面重點論述某村10#低壓配電網的功率補償分散配置的優化運行情況。這一配電網主要為農業灌溉分配需要的電能，其內部元件參數如下：變壓器型號為S9-200，這類變壓器短路電能損耗為2.5kW，電壓百分數為4，容量是200kVA，通過以上參數能分析得到變壓器漏磁阻抗；各個輸電線路長度、型號、截面積如下圖1所示。其中BVV型號輸電線路為銅線，其電阻率為0.0175，利用電阻計算公式，將線路長度與截面積等數值帶入公式中，可計算得到不同線路段的電阻值，最終得到各個線路對應的阻抗；各個負荷節點對應的無功功率和有功功率可按照相應的計算方法得到，其中有功功率可由電量分析得到，并根據功率因數估算出無功功率數值。線路中的潮流計算以標幺值為主，配電網基準電壓容量設定為100kVA，并且配電側的電壓標準值分別是380kV和10kV。選擇負荷點11作為平衡節點，確定其電壓幅值和電壓相角。

圖1 低壓配電網輸電線路示意圖

根據配電網結構圖可看出，負荷節點5-9距離配變有一段距離，這些節點對應的電壓偏移可根據電網運行設計得出。實踐表明，由于上述負荷節點出現電壓偏移，可能造成電壓偏低或者負荷設施啟動電動機轉矩過小不能正常工作等。除了上述電力運行故障外，還會導致系統電能損耗較大，不利于電力系統運行效益的實現。通過在負荷節點10位置上配備集中補償裝置，將補償容量設置成100kvar，可觀察到這一措施實施后的不同負荷節點電壓值有所增加，進而減少配電網運行時的電能損耗。另外，還需要對各個節點電壓進行約束，其中負荷節點為0.9～1.07p.u，配變低壓側為1～1.1p.u，配變高壓側為1～1.05p.u。以負荷點11為參考基準，盡可能縮小節點電壓偏移。利用上述分散配置優化方法，可觀察到各個節點在補償裝置作用下，其電壓偏移都在規定范圍內，可保證系統供電質量。同時補償裝置安裝下電網網損有明顯下降，說明這一優化分散配置方案能很好應用在低壓配電網運行中，進而保證電力系統的運行穩定性。

7 結語

綜上所述，低壓配電網無功補償分散配置優化方法的合理運用，是提高電力系統建設水平的重要措施，需要結合電力運行中產生的問題，制定相應的優化配置方法。配電網無功補償分散配置實質是對電力系統中的電流和電壓進行調節，利用適合的優化方法，可保證電能供應合理化，并能提升電力系統運行性能，提高電網運行效益。