配電網中無功補償節能技術研究

張文超（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

隨著國家工業的迅速發展以及電力需求種類的增多，在電力系統中，存在著有功功率和無功功率，伴隨著電動機等無功電氣設備的增多，電網中的無功功率也在逐漸增大，結合配電網覆蓋范圍更廣、負荷增長更快、電壓等級更高、負荷特性更復雜等特點，找到滿足配電網中節能降耗的技術尤為重要。國內已經有很多學者提出了多種補償技術并對其進行了驗證。高三策[1]建立了靜止無功發生器的模型，利用RBF神經網絡技術對其進行控制，根據模型進行了模擬仿真分析，仿真結果證明了該裝置的有效性；蘇克[2]提出了動態分相無功補償方法，利用實驗平臺和仿真軟件對改方法進行了研究，結果表明該方法應用在無功補償裝置的可靠性，降低了配電變壓器損耗；陳冰斌，趙健[3]建立了配電網無功補償優化的模型，提出了形狀系數的電量損耗折算法和等值電阻法對其進行優化，驗證了該方法的合理性；殷培峰，馬莉[4]研究了在智能電網無功動態補償技術中晶閘管的應用，降低了電磁干擾，提高了無功補償器的補償能力。將無功補償裝置合理的安裝在合適的位置同時設計合理的容量，這樣可以降低線路損耗同時也可以提高功率因數，在實際應用中，常常以分散無功補償為主，需要根據具體的實際情況設計無功補償裝置來滿足不同地區的要求[5]。因此，研究配電網中無功補償技術對節約電能、降低損耗等具有重要的意義。

1 配電網無功補償技術

隨著配電網中無功補償技術逐漸被重視，各種無功補償裝置在實際應用中多了起來[6]。在電網實際運行中，感性負載居多，在運行過程中需要消耗無功功率，因此在線路中增加一些無功電源，用無功電源給感性負載提供無功功率，可以降低線路損耗；同時也可以設置容性負荷，讓感性負荷和容性負荷在一條電路上，使兩種負荷隨意切換能夠滿足電力要求[7]。采用無功補償技術可以大范圍內優化電網電壓，降低無功功率的流動性，節約了電網運行的能量消耗，同時提高了電網運行的穩定性和可靠性，同時它也是保證電網高質量運行的重要手段，無功補償技術受到越來越多的關注。

其中，變電站集中補償一般對變壓器進行電壓調節和無功補償，采用補償裝置來達到輸電網絡間的無功功率的平衡，其優點是操作簡單且維護和管理方面更加容易；低壓集中補償通常是在低壓配電變壓器側并聯電容器柜來進行無功補償，可以通過智能技術來控制并聯電容器柜實現電容器的自動補償，進而滿足用戶負載大小，優點是能夠實現自動補償無功功率，提高了用戶需要的功率，保障了電壓水平穩定，缺點是可能會導致線路電壓的波動進而使得電力系統線路電壓不穩定，同時會產生無功功率補償不足或者無功電容補償過多的問題；用戶終端分散補償優點是能夠降低小路損耗，改善線路電壓質量，其缺點是在安裝無功補償裝置時需要確定部分變壓器功率，且在變壓器低壓側進行負載波動時，限制電容器輕載運行而降低無功補償裝置的利用效率[8]。高壓配電線路無功補償由于其公共變壓器數量增多通常并聯電容器來改變功率因數，降低功率損耗，但是在補償過程中應該減少補償點的數量，其控制方式應該更加簡單而避免補償過量。而補償裝置也是多種多樣的大概有同步調相機、并聯電容器、靜止式無功補償裝置等等，目前采用較多的是靜止式無功補償裝置，其優點是提高功率因數、節約電能、改善電網電壓質量、維護方便等等，能夠保證并實現電網穩定運行[9]。

配電網無功補償優化其核心是算法，其中有以簡化梯度法、牛頓法為代表的非線性規劃法，優點是算法比較簡單，缺點是收斂性不好，計算時間比較長；線性規劃法泰勒公式將非線性規劃問題變為線性規劃問題；現代人工智能方法有遺傳算法、人工神經網絡、模糊集理論等等，隨著智能算法的發展逐漸替代了以前的無功補償優化方法。分析無功補償優化技術是個多約束的、多變量、非線性規劃等等特點，在對現有的配電網中的無功補償技術進行優化時也需要考慮負荷預測等問題，但是隨著無功補償技術的發展，在對其進行優化、智能化的過程中，同時也會存在一些諧波、電壓調節方式等等問題，所以在使用過程中要綜合考慮無功補償裝置的優缺點，才能保證配電網中無功補償技術對節約電能、降低損耗的意義。

2 配電網無功補償優化模型

針對配電網中無功補償優化模型，利用節點負荷電壓穩定裕度確定最優補償位置，利用遺傳算法來確定無功補償的容量。最后建立10 kV的配電網無功補償優化模型，對無功補償優化前后的一些參數進行對比分析，結果表明配電網中無功補償技術可以保證電網安全穩定運行。

對于無功補償優化模型來說，其中潮流計算是基礎，其常用的方法是節點法、支路類法等等。節點法中的牛拉法的有點是快速收斂性，但是在大型復雜配網中，因迭代過程中計算時間長、效率低。支路法的典型是前推回代法，其方法不需要進行矩陣的運算而大大提高了效率，潮流計算的方法采用前推回代法，前推回代法潮流計算步驟具體如下：設定計算所需的線路元件參數，對系統拓撲結構的各個部分進行分析，形成節點分層，初始化節點并進行負荷等參數賦值，利用回代算法進行各支路功率以及功率損耗的計算，利用前推算法前推迭代出各節點電壓及壓降[10]。對節點電壓差值進行二次計算，判斷是否滿足收斂條件，滿足則輸出，否則繼續迭代。

以10 kV的配電網無功補償優化模型為例，由于配電網中節點數目比較多，所以需要確定配電網的無功補償點，采用節點負荷電壓穩定裕度作為判斷方法，根據基爾霍夫定律建立一個節點電壓方程，用L指標來表示，需要對線路進行潮流計算得到其變量和參數，把L指標和1進行比較，L=1.0時，代表節點電壓臨界穩定；當L＞1.0時，代表節點電壓失穩；L＜1.0時，代表節點電壓穩定。因此確定每一個負荷節點電壓的穩定裕度Mj，節點電壓的穩定裕度越大，系統電壓失穩的可能性越小，所以根據節點電壓的穩定裕度數值的大小判斷電壓穩定弱節點。當電網系統穩定運行時，根據電網要求設置電壓穩定裕度的數值，當實際運行的負荷節點電壓低于設定值時，將這些節點認為是電壓穩定弱節點的集合，對這些的弱節點視為是無功補償點。所以在配電網中利用節點負荷電壓穩定裕度來判斷需要無功補償點，確定補償位置。利用遺傳算法來確定無功補償裝置的容量，把系統中經濟效益最好放到首位，采用凈現值法作為經濟評價標準。

在建立無功補償優化模型的工程中，采用罰函數作為狀態變量的約束條件建立目標函數，將配電網中的數據和遺傳算法參數輸入計算機軟件，利用前推回代法進行潮流計算，得到負荷節點電壓穩定裕度，確定無功補償裝置的安裝點，進行編碼，生出初始種群，修正網絡參數，再次進行潮流計算，計算個體適應度，選擇、交叉、變異操作，潮流計算，評價個體，判斷是否滿足進化，最后建立配電網無功補償優化模型，算法流程見圖1。

圖1 算法流程Fig.1 Algorithm flow chart

10 kV配電線路拓撲結構見圖2，將無功補償優化模型應用到實際中對線路進行分析和優化。根據10 kV的配電網中的潮流數據和較大負荷情況下線路的潮流分布，電能損耗和負荷成正比例，負荷大，損耗也就大；在負荷較大或較小時，功率因數不好，具有提高的余地；另外，從饋線初始到節點7消耗了大部分的能量，其中一部分原因是線路較長，損耗較大。與此同時，在配電網中變壓器的損耗也很大，由于變壓器的型號、容量都不相同，而且配電線路中負載率低、負荷波動大使其無法經濟運行，增大配電網的損耗。

圖2 線路拓撲結構Fig.2 Structure of the urban line

在不考慮線路好變壓器損耗的條件下，利用潮流計算結果，找到負荷節點電壓穩定裕度，評估各個負荷節點的電壓穩定裕度，評估各個負荷節點的電壓穩定裕度后，設置其值0.6，負荷節點的電壓穩定裕度小于這個值的節點選為無功補償點，選出的無功補償的節點包括：34、55、57、62、65、70、72。為了方便實際操作和靈活動態補償選擇在配電網中低壓側進行動態補償。確定補償點后根據遺傳算法確定補償容量，進行無功補償優化計算，遺傳算法經過多次迭代后找到最大凈現值點，負荷節點的無功補償容量見表1。

表1 無功補償容量Tab.1 Reactive compensation capacity

確定了補償裝置的位置和補償容量之后，利用遺傳算法對無功補償技術進行優化，將經過優化之后的補償裝置應用到實際之中，無功補償優化前后整體參數對比見表2，經過分析可知，在無功補償優化之后，配電網中有用功和無用功的損耗都有所降低，同時線路總有功損耗也降低了，功率因數得到了明顯的提高，無功補償優化后的配電網整體數據都有轉好的趨勢。

表2 無功補償優化前后整體參數對比Tab.2 Comparison of overall parameters before and after optimization of reactive compensation

3 結論

對于配電網來說，最有效節能降損的方法就是無功補償技術。通過對配電線路低壓側進行無功補償的研究，根據潮流計算結果，設置負荷節點的電壓穩定裕度，找到需要進行無功補償的節點，采用遺傳算法將經濟效益最好是目標函數，綜合考慮各方面因素，對無功補償技術進行優化，確定需要補償節點的補償容量。最后以某城區10 kV配電網為例，根據優化模型在配電網中設置無功補償裝置，從數據中分析可知，使用無功補償優化模型后，提高了功率因數、降低了能量損耗，響應了國家節能減排的號召，為我國經濟可持續發展做出了一點貢獻。但是，目前的無功補償裝置還不夠完善，很多需要改進的地方，需要嘗試更多的智能算法，需要考慮更多實際生活中的因素，要為此做好備用方案。