基于負荷曲線分段的配電網無功優(yōu)化策略

國網三門縣供電公司 鄭建宏

配電網是電力系統(tǒng)中直接向用戶供電的重要環(huán)節(jié)，但是其結構和運行特性決定了系統(tǒng)節(jié)點電壓質量和線路損耗問題突出，特別是在考慮到負荷波動的影響下，往往難以達到系統(tǒng)運行的優(yōu)質性和經濟性要求[1]。所以有必要尋求有效無功優(yōu)化補償策略，以改善配網系統(tǒng)電壓質量和提升運行經濟性[2]。在電力系統(tǒng)中配電網擔負著為廣大用戶輸送電力的任務，其具體結構及實際特征構成了在整個系統(tǒng)中節(jié)點的電壓運行質量同線路運行損耗問題，再加上負荷運行波動所帶來的影響，通常無法實現(xiàn)系統(tǒng)運行需達到的經濟性目標和優(yōu)質性要求。因此需找到有效的無功功率優(yōu)化解決方案，以保障配網供電系統(tǒng)電壓運行質量，實現(xiàn)電網經濟增收[3]。

關于電網存在波動性的負荷問題，采用無功功率分時、分段進行補償?shù)霓k法予以解決，不但可以有效改善電壓運行的穩(wěn)定性，還具有較好的經濟效益。通過研究分析驗證了此算法不僅可以實現(xiàn)電能的有效節(jié)約，還具有控制方法簡單，實施策略具有一定的安全性和有效性的特點。

1 無功補償方式及無功補償電容器安裝運行過程中的安全問題

無功功率補償?shù)脑硎窃陔姶旁娐分邪幢壤惭b電容器，因此兩個電流相互補償，電流矢量和電壓矢量之間的夾角減小，從而提高電的工作能力，目前一般有三種補償方式。

中央補償。補償電容器組裝在變電站的母線上，可手動或成組自動補償。結合電網的實際情況，選擇功率因數(shù)、電壓、無功等不同的補償方式，電壓和無功綜合控制或電壓控制和電壓和無功綜合濾波器；動態(tài)無功補償。晶閘管控制電容器的轉換，該控制方式的反應速度一般為20kg，切換時無充電電流和過電流。然而由于晶閘管的物理傳導電壓特性，電容器的轉換將產生諧波；供電線路無功自動補償分組。一般用于廠礦企業(yè)低壓部分和配電變壓器的就地補償。在考慮無功補償方法的選擇時，為充分發(fā)揮發(fā)電和供電設備的潛力，并盡量減少發(fā)電機的無功能量生產，變電站應首先補償用戶所需的無功功率和電網中的無功功率損失，從而提高供電網絡各部件允許溫升和允許壓降的輸送能力，減少網絡電能損耗。

安裝接線必須符合技術要求。對于帶中央補償?shù)碾娙萜鹘M，將建造一個單獨的電容器室，該電容器室應通風良好并防止陽光照射。電容器組通過斷路器和電纜連接到母線。對于中型點式間接接地系統(tǒng)，當電容器采用星形接線時，為避免系統(tǒng)單相接地電壓升高其外殼將與地面絕緣，絕緣程度將與電網的額定電壓一致。

環(huán)境溫度的影響。電容器的工作溫度是操作人員的重要監(jiān)測元件。溫度不超過允許范圍是確保電容器安全運行和達到預定使用壽命的重要前提。工作溫度過高導致介質擊穿力降低或介質損耗迅速增加。如溫度繼續(xù)升高將破壞熱平衡并導致熱中斷。在低溫下電容器內部會有負壓，自由電壓會下降。所以不同地區(qū)的能源元件將根據(jù)當?shù)貧夂驐l件和電容器技術法規(guī)的要求選擇相應的型號，以確保安全行動的細節(jié)。

電容器過載風險。該法規(guī)規(guī)定電容器可以在1.1倍額定電壓下長時間運行，但在許多情況下，夜間鉆孔的工作電壓通常高于規(guī)定的允許電壓，工作過電流會影響電容器的壽命。發(fā)現(xiàn)電容器的壽命與電壓的7～8次方成反比。如果電壓增加15%，在額定電壓下運行時其使用壽命可降低到32.7%～37.6%。為避免實際運行中的過電流，設備選型時應優(yōu)先選用額定電壓最高的電容器，容量差小的電容器應在同一相位串聯(lián)，三相差不應太大。應正確選擇電容器組專用斷路器組，一般為真空斷路器等。此外應盡可能減少電容器組的開關次數(shù)，以避免操作過電壓的頻繁影響。

2 電網運行的無功功率優(yōu)化補償模型

2.1 負荷運行曲線不同分段特點分析

通常根據(jù)負荷運行曲線的具體條件，通過負荷運行水平以及曲線的不同趨勢和調壓補償設備動作的次數(shù)要求，首先把分段數(shù)定下來，然后再對負荷運行曲線加以分段。由于需要利用無功調節(jié)功率的電網運行實現(xiàn)對有功的損耗減少目的，因此要采用無功曲線變化的方法完成分段。通常情況下，電網有功與無功的運行變化大體相同，故而兩者能夠兼顧，實際分段較容易[4]。在達到無功分段控制裝置限定次數(shù)條件下，實際分段數(shù)由負荷運行曲線狀況決定，分段越細其有功的損耗就會越小。其中負荷運行曲線的實際分段同負荷的實際水平、曲線運行變化、調壓設備次數(shù)限制等因素密切相關，通過調節(jié)無功運行功率的實際損耗比有功的實際損耗小，因此在進行實際調節(jié)時要首先查對無功運行負荷的曲線分段。

通常有功和無功運行的曲線不會存在很大變化，對有功的實際功率進行調節(jié)時可參照無功分段的實際情況進行調節(jié)。把無功補償裝置運作的次數(shù)確定下來，具體分段數(shù)則要看曲線實際運行變化的情況而定，這時電網有功功率消耗的越少其運行效率就會越高。

2.2 目標設定函數(shù)與制約條件

當分段和負荷點得到確定后，再選擇科學的方法計算得出各個時段下所耗電能的實際情況，同時根據(jù)計算得出的結果提出控制今后電能消耗的具體策略，如采用具有代表性負荷點加入研發(fā)設計，其兩點間所用的電量須同分段時間存在必然聯(lián)系，在做好電量的函數(shù)目標值確定工作后要制定出相關的制約標準。比如各個時段需達到的電壓、電容需補償?shù)木唧w容量、變壓變電器的調節(jié)與操作等都要達到設計標準，尤其是調節(jié)補償設備，只有將各個設備之間不同的用電需求處理好，才可真正達到對電網進行無功功率優(yōu)化升級的目標。

2.3 配電網運行中無功功率優(yōu)化補償

采取最小的負荷辦法確定適合無功用電功率的最佳補償標準。如今配電網在實際運行中采取無功功率的補償設備無法實現(xiàn)補償?shù)娜萘空{節(jié)，為防止出現(xiàn)無功倒送功率問題，通常會采取負荷最小的辦法計算潮流，同時把補償點持續(xù)流出的無功量作為整點補償?shù)目側萘浚员銓崿F(xiàn)整個運行配電網補償功率的最大化。

優(yōu)化后的算法步驟。據(jù)PSO 變異模擬算子方法做步驟分解：錄入初始數(shù)據(jù)，主要分為配電網各項參數(shù)和負荷信息數(shù)據(jù)及所對應的無功粒子群補償算法標準等。在初始化過程中需設置迭代次數(shù)、即m=0，同時根據(jù)設定次數(shù)確定補償?shù)奈恢煤途唧w點數(shù)，并對所有節(jié)點速度開始初始化的隨機性作業(yè)。完成其最小的負荷量計算。采取與其相適宜的算法獲取補償點總的補償量并完成最大的負荷量測算，由此判斷需不需要新增補償點，從而求出所對應的函數(shù)值。然后計算出粒子群中每一個粒子的速度和更新以后的所處位置，并檢查更新粒子位置后它的變量是否發(fā)生越線，當通過檢查粒子已發(fā)生越線就須對其進行限制，同時要進行判斷變異的算子是不是已經達到啟動的條件，當達到條件時要啟動變異的算子排除局部的優(yōu)化，另外要對歷史粒子位置的優(yōu)化和全部的位置優(yōu)化實施更新。

3 供電網絡無功功率分時分段進行控制的策略

3.1 兩階段的優(yōu)化形式

兩階段進行優(yōu)化的主要形式是，調度前進行相應預先的優(yōu)化和實時的優(yōu)化，其中預先的優(yōu)化主要是利用預測供電網絡負荷大小，再進行供電網絡調度的周期統(tǒng)計與計算，隨后再利用統(tǒng)計與計算的結果進行實時的優(yōu)化，實時進行供電網絡的調整，不僅可對電網無功功率進行控制與管理，同時還能防止信息的失真，最終達到供電網絡無功功率優(yōu)化的需求[5]。

3.2 預先進行優(yōu)化的統(tǒng)計與計算

預先進行優(yōu)化計算的實施主要是根據(jù)模型進行的，同時依據(jù)各項數(shù)據(jù)建立相應的目標參數(shù)和約束的條件。在實際的計算中無需考慮實際工作次數(shù)，且調度周期設定成24小時，同時應用遺傳的算法對各個階段無功功率的優(yōu)化進行計算，并將預先進行優(yōu)化出的結果當做實時進行優(yōu)化最基礎的數(shù)據(jù)，在進行各階段無功功率優(yōu)化計算時，還要進行設備使用的數(shù)量和調控設備次數(shù)的記錄，最終通過各方因素的分析獲得精準結果。在設備調控過程中，設備顯示1時證明調控動作，當設備顯示0時證明調控沒有工作。設備工作限動的次數(shù)和電氣設備實際工作的壽命及使用的壽命存在必然的聯(lián)系，設備使用的限動次數(shù)的計算是和設備所使用年限以及設備運行次數(shù)相關。

通過計算獲得相應結論如下：當在動作限制次數(shù)范圍內工作，分段控制越多其電網供電電能的損失將會越小，可是分段控制的次數(shù)越多、會出現(xiàn)降低補償設備的使用壽命。因此要依據(jù)實際控制復雜的程度及經濟性確定分段控制的數(shù)量，一般在一個荷峰及一個荷谷情況下可選擇兩個到四個分段控制；依據(jù)供電網負荷實際變化情況，通過調壓型變壓器調解電壓，不但可降低供電網絡的損耗，同時還可減輕補償設備中電容投入；在供電網絡中須考慮可調變壓器存在的鐵損，從而達到優(yōu)化降低供電的損失，提高供電電壓的質量以及達到控制過程的簡單化。

3.3 實施多目標無功功率的優(yōu)化

實施多目標無功功率的優(yōu)化，其具體實現(xiàn)要分成三部分達到：首先須進行多目標確定，為確保調控優(yōu)化后的結果具有一定的精確性，在實際計算中須應用多目標進行計算，要綜合使用各個目標進行函數(shù)目標的建立，然后依據(jù)函數(shù)目標實際參數(shù)確定決策；其二進行必要的計算工作，在進行多目標實時調度時，須區(qū)分出多目標中的權重問題，對比出目標存在差異的不同點，隨后把各個目標存在的差異利用矩形列陣表現(xiàn)出來，然后再根據(jù)矩形列陣求出矩形的行列及矩形的列陣，列陣的最終結果就是權重；最后進行結果評定和設定動作的閾值。供電網絡中，當供電網出現(xiàn)非常大的損耗時控制設備會發(fā)出損耗報警，要想能有效提高供電網絡使用的效率、減輕供電網絡在供電狀態(tài)下的損耗，須對控制系統(tǒng)進行必要的優(yōu)化及報警閾值的設置。

報警閾值的設定步驟由三部分組成：首先確定當前網絡正常，網絡是否正常和電壓存在偏差、各個時段之間的負荷及系統(tǒng)設備網絡存在直接的聯(lián)系，當相關數(shù)據(jù)到達相應數(shù)值時系統(tǒng)會立刻利用網絡對控制系統(tǒng)進行必要的優(yōu)化。

圖1 配電變低壓端機電一體開關無功補償裝置接線圖

其次進行報警閥值的調節(jié)，報警閾值是利用優(yōu)化的結果計算進行報警閾值的確定的，當系統(tǒng)發(fā)出控制指令時報警閾值自動會進行相應的優(yōu)化。

最后對計算的結果進行分析，在供電網絡無功功率相應的數(shù)據(jù)計算低于報警閾值時表明供電網絡運行非常好，這時不需對控制系統(tǒng)進行相應的優(yōu)化，但在實際的計算過程中存在相應的誤差，因此為確保計算的優(yōu)化結果具有一定準確性及一定的精確性，在進行兩段形式優(yōu)化同時，還要實施分段控制的遺傳算法的策略。

4 結語

為達到降低供電網絡運行的壓力、減小供電過程中對電能的損耗，本文通過研究提出了分段進行優(yōu)化的控制形式。針對已經安裝無功補償設施的供電網絡，提出24小時無功補償優(yōu)化策略，這種分段控制與不分段控制相比，更加容易解決受到調壓補償設備動作的次數(shù)以及節(jié)點處電壓等制約，能夠兼顧各階段負荷變化情況，并能減小供電網絡有功功率的損失，其控制的形式非常方便。