電網無功電壓運行優化與分析系統研究與應用

石　磊，林哲敏，羅亞橋，徐　斌，計長安，洪　偉，桂國亮，鄭國強，謝毓廣，郭　力，李　輝，李　娟，張伏治

(1. 國網安徽省電力公司電力科學研究院電網技術中心，合肥　230601；2. 國網合肥供電公司，合肥　230061)

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電網無功電壓運行優化與分析系統研究與應用

石磊1，林哲敏1，羅亞橋1，徐斌1，計長安1，洪偉1，桂國亮1，鄭國強1，謝毓廣1，郭力1，李輝2，李娟2，張伏治2

(1. 國網安徽省電力公司電力科學研究院電網技術中心，合肥230601；2. 國網合肥供電公司，合肥230061)

摘要：電力系統的無功優化分析是電力系統研究的重要課題之一。針對無功優化問題，結合安徽省電網無功電壓運行優化與分析系統的建設和運用中面臨的情況，闡述了無功優化模型的建立和基于無功數據的挖掘分析及系統主要功能、關鍵技術。安徽省電網無功電壓運行優化與分析系統已部署成省級無功綜合管理平臺，通過接入主網、及地市配網無功數據，建立優化模型及算法，通過提高全省電網無功的管理水平來提高電網電能質量及效益水平。

關鍵詞：電網；電能質量；無功補償；無功優化與分析

無功雖然不傳遞能量，但是卻會影響電網的電壓。為保持電網電壓的穩定，通常會在電力系統中進行無功補償。隨著電能質量的持續建設，安徽省在電網無功電壓優化的研究上不斷投入，部署了電網無功優化與分析的綜合系統平臺，通過接入全省無功數據進行電網無功優化與分析的研究、應用。本文將以此為例，探討通過建立一個無功數據綜合管理和分析的系統平臺，利用計算機技術對建立的無功優化模型使用不同的算法進行驗證。從數據的不同視角進行多層面分析，發現問題、達到優化無功的目的。在保障電網安全運行的大前提下，做到進一步降低損耗，提高電能質量水平及電力系統的無功補償與無功平衡的管理水平。

1現狀與趨勢

我國作為全球第二大經濟體，各行業的發展速度都很快。作為經濟發展動力的電力系統，也在迅速增長。為了應對電力系統在無功優化上面臨的挑戰，提高無功優化水平，需要不斷加大對電網系統無功優化上的投入。

隨著自動化技術、計算機技術、互聯網技術的日益成熟，我們應該思考如何利用這些新技術來完成對電網系統的改造。同時不能局限于傳統的安全監控和數據采集系統，需要綜合電網無功電壓數據采集、大數據分析、無功優化決策控制的綜合性系統平臺。在現有的自動化系統基礎上進行無功數據采集、無功優化計算，無功數據分析等無功管理活動。

電網無功電壓運行優化與分析系統平臺以導入主網、配網中的無功數據為基礎，通過建立無功優化模型、提出相應的算法，指導相應的調度人員安排運行方式，提高電力系統無功優化水平。

2無功優化模型與算法

傳統意義上的無功優化都是以有功網損最小作為目標，在電網結構和負荷給定的情況下，為了達到在滿足各種約束條件下，最小化電網系統的損耗的目標,常用的做法是通過調節電容器的安裝位置和電容器的容量等方式來進行無功補償，這種優化方式最大化了電網效益，但是其局限性在于只追求經濟效益常常會使得系統運行在臨界狀態，系統長期運行在這種狀態中必然對其穩定性造成影響。在日趨多元化的效益要求下，不能局限在經濟性上，也要把電壓質量水平作為重要因素進行考慮。

電力系統的無功優化問題不是簡單的線性、等式約束的問題，而是一個高度復雜的優化問題。集中了非線性的、連續量與非連續量、等式約束與不等式約束的復雜模型。需要借鑒傳統意義上的無功優化模型，同時達到最小的網損、最優電壓質量的述求。并通過對大量的無功數據的統計分析，找到目標優化模型的最優解。

(1)以有功網損最小為目標

電能輸送過程中以熱能形式提供的功率消耗是有功網損，即電阻、電導消耗功率為有功功率。有功網損的大小可用于衡量電網建設成熟化程度和管理水平高低，從經濟性角度出發，以系統的有功損耗最小為目標函數。

目標函數可表示為：

minΔW

(1)

有功網損：

(2)

式中P——有功功率；Q——無功功率；ΔW——有功網損。

可以看出，無功功率和有功損耗是成正比例的變化關系。即在電網中有功功率保持不變的條件下，當無功功率越大，有功損耗就越大。當無功功率越小，總的有功損耗就越小。

無功功率的流動使得有功損耗上升，所以為了達到降低電網中有功損耗的目的，需要盡量減少、限制無功功率在電網中的流動，就地補償無功功率。

把電力系統有功損耗最小化是無功優化問題中最常用的目標函數，針對此目標函數，合理降低函數中的能夠調節的變量值可以目標得到函數的最優解。這種設定方法是假定電網系統中電能的傳輸容量擁有足夠可調節范圍的情況下進行演算驗證的，當不滿足這個條件時，就應該考慮其它因素的影響。

(2)以電壓質量最好為目標

知道電力系統中無功功率和電壓水平的強相關性就是要讓電壓保持在額定值范圍內就必須使無功功率的輸出能夠滿足要求。在系統電壓較高時，此時線路兩端的電壓相位角差比較小，對應的cosθ近似等于1。

把電壓質量最好作為目標，則目標函數應以節點的電壓值在偏離期望值的平方和最小來計算。以往在只考慮電壓的限制因素的條件下，往往造成電壓過于接近極限值，及其容易促發不穩定的結果，因此需要避免這種情況。

目標函數可表示為：

(3)

無功數據綜合管理和分析的系統通過對無功投切、電壓變化等數據的采集和分析，從降低有功網損，維持合理的電壓水平多個方面探討無功優化問題。

3主要功能及分析技術

3.1無功數據導入與管理功能

通過導入E語言數據文件，分別從省公司調度系統、地市調度接入500、220、110 kV和35 kV主網和配網的變電站設備信息及相關數據信息。通過導入Excel數據文件，從PMS系統獲取并導入電容電抗信息。系統通過對在無功數據進行時間上的分級，地域上的分層等方式，不僅更符合人的視角，對數據的呈現也接近實際情況，便于后期數據的查看及分析，充分挖掘數據背后的實際價值。根據設備的類型、地域、時間等條件對導入的數據進行分類保存，并提供查詢、編輯等基本功能。

圖1　無功數據導入數據來源

導入變電站相關、主變(變壓器)相關信息、母線相關信息、線路相關信息、電容、電抗相關信息以及相關電壓、電流、有功、無功等數據。

導入包含變電站站間關系、變電站內部設備關系數據的XML數據文件，用于電網架構圖的生成，把數據邏輯形象化、圖形化。

具體的數據來源如圖1所示。導入的數據作為整體平臺的數據基礎，為系統提供科學分析的數據依據。

3.2形成架構圖

根據從省調度系統、地市調度系統導入的500、220、110 kV和35 kV變電站設備數據信息形成主網、配網架構圖。采用架構圖的方式把分散的變電站、單純的數據信息按照地域、電壓等級進行劃分、用圖形化的方式展示變電站與變電站之間的實際關系。是數據從抽象化到形象化的還原。同時也形成變電站內部的架構圖，還原變電站內部設備的連接布置、線路的連接情況、無功設備的安裝情況。

通過對電網架構圖形化的方式不僅更加直觀，也利于使用者對全局情況的把握，形成緊密的、層級關聯的電網架構關系。

3.3無功分析計算

對電力系統無功優化涉及到需要什么樣的無功設備、需要多少設備、怎樣合理的調節無功設備這些具體的問題上，本文主要探討通過已有無功設備的合理調節來達到有功損耗下降、電壓質量提高、穩定性增強的目標。

除了需要注意無功優化問題涉及到非線性、多變量、多約束的特點，還需考慮到時間上的分級，地域上的分層，對無功優化問題的影響。這些因素都是在電力系統無功電壓的優化過程中需要考慮的。而且各因素所占的重要程度也不一定完全一致，還需要更進一步的研究。

(1)約束條件

無功優化的約束條件是包含等式約束和不等式約束，無功的優化問題就是求一個多變量有約束非線性目標函數的最優解問題。以降低電力系統的損耗、提高電壓質量水平為目標，通過安裝無功設備并合理調節無功設備來實現無功優化。

電網是用著有功的輸送，電網上輸送的有功和電力成正比例關系，二者同一個方向變化。在研究無功優化問題時，實際上是在電網有功基本確定的前提條件下進行的。對于節點電壓必須滿足：Umin

(2)分析計算

根據《電力系統電壓和無功電力技術導則》及其它相關無功管理規定，通過接入各電壓等級的變電站無功數據，及時發現無功不足的變電站，為后續無功優化及相關設備更新或新增提供數據支撐。對歷史無功數據的同比、對比分析，計算系統的無功補償及無功平衡，從而優化后續的無功補償及無功平衡。通過功率因數曲線、變壓器檔位、電容器投入容量等的綜合分析，從而優化分析電壓合格率、功率因數合格率的關聯關系，以真正分析電壓不合格率的原因、分析無功補償設備動作對電壓的影響、分析無功補償設備動作的效果、動作的及時性，為電壓的運行優化提供可靠的數據支撐。

1)功率因數為總功率中有功功率所占的比例，是電力系統的一個重要的技術數據。其大小與電路的負荷性質有關。功率因數低的根本原因是電感性負載的存在導致設備的利用率降低。

功率因數的計算：

(4)

式中P——有功功率；Q——無功功率；S——視在功率；cosφ——功率因數；

電力用戶功率因數應達到一定要求，有必要對達不到要求的功率因數異常情況進行統計。其中高壓供電用戶的功率因數需要達到0.90以上；其他100 kVA及以上電力用戶，功率因數需達到0.85以上；農業用電功率因數需達到0.80以上。

2)要進行合理無功補償，需要計算無功補償設備總容量。電網中的安裝的無功總容量應大于電網最大自然無功負荷，一般可按照最大自然無功負荷的1.15倍計算。

無功補償設備總容量：

QC=1.15QD-QG-QR-QL

(5)

式中QC——無功補償設備總容量；QD——最大自然無功負荷；QG——發電機的無功功率；QR——電網輸入的無功功率；QL——線路的充電功率。

統計變電站無功設備無功裝機容量及無功補償容量之間的比例，可以掌握無功設備的利用效率情況及對其是否發揮了實際作用進行數據追蹤和效果考核。

4結語

電力系統無功優化可通過無功補償裝置的優化規劃和電壓無功優化控制兩方面進行保障。合理的無功補償、電壓優化使得電網系統的電壓保持在額定范圍的條件下達到網損最小的目的。

提高電力系統效率、經濟性及電能質量水平作為保障國民經濟持續、高效運行的基本保障，是電力系統研究的主要方向之一，而做好電力系統無功補償和無功平衡對電網效率及電能質量整體的提升都有著重要的意義，通過在電網系統中進行無功平衡和對無功負荷的優化補償,讓電網系統運行在一個更有效率的狀態下，保障國民經濟的順利發展具有積極的意義。對于一個越來越龐大越來越重要的系統，我們對其依賴性也越來越高。因此保證其穩定、高效地運行對提升社會經濟效益影響深遠。

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(本文編輯：楊林青)

Research and Application of Grid Reactive Voltage Operation Optimization and Analysis System

SHI Lei1, LIN Zhe-min1, LUO Ya-qiao1, XU Bin1, JI Chang-an1, HONG Wei1, GUI Guo-liang1, ZHENG Guo-qiang1, XIE Yu-guang1, GUO Li1, LI Hui2, LI Juan2, ZHANG Fu-zhi2

(1. Grid Technology Center of Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China;2. State Grid Hefei Power Company, Anhui Provincial Electric Power Company, Hefei 230061, China)

Abstract:Power system reactive power optimization analysis is one of the important hot topics in the field of power system. For reactive power optimization problem, and in combination with the construction and operation of Anhui Power Grid reactive voltage operation optimization and analysis system, this paper describes the establishment of reactive power optimization model and the main functions and key techniques of the system based on the analysis of reactive power data mining. Anhui grid reactive voltage operation optimization and analysis system has been deployed as the provincial-level integrated management platform. Based on the main grid access and local distribution network reactive power data, optimization model and algorithm are established; the grid power quality and benefit are improved by raising the provincial grid reactive power management.

Key words:grid; power quality; reactive power compensation; reactive power optimization and analysis

DOI：10.11973/dlyny201602002

作者簡介：石磊(1981)，男，工程師，主要研究方向為電能質量和電壓無功在線監測。

中圖分類號：TM714.3

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)02-0161-04

收稿日期：2016-01-20