試論低壓配電網(wǎng)無功補償分散配置的優(yōu)化方法

張雪磊

(國網(wǎng)山東省電力公司莘縣供電公司,山東 聊城 252400)

低壓配電網(wǎng)是電力網(wǎng)絡(luò)中重要組成部分，能起到配置電能的作用，進(jìn)一步影響電能供應(yīng)質(zhì)量。這種情況下，有必要做好配電網(wǎng)的無功補償，從而控制電能消耗，在配電網(wǎng)功能正常發(fā)揮下，可實現(xiàn)電力安全運行。當(dāng)前低壓配電網(wǎng)進(jìn)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(yīng)的分散配置優(yōu)化方式，在這些措施有效落實下，促進(jìn)電力行業(yè)良好發(fā)展。

1 低壓配電網(wǎng)無功補償分散配置分析

要想發(fā)揮配電網(wǎng)分配電能的功能，在配電網(wǎng)運行中要為其配備相應(yīng)的無功補償裝置，以便達(dá)到降低電能損耗、提高電網(wǎng)運行質(zhì)量的目的。實際進(jìn)行配電網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)損和負(fù)荷點電壓補償容量等因素，本文主要針對低壓配電網(wǎng)的無功補償裝置設(shè)計進(jìn)行分析，在保證各個負(fù)荷節(jié)點的補償容量設(shè)置滿足電力系統(tǒng)安全運行的條件下，將負(fù)荷點作為候選補償位置來建立優(yōu)化模型，再次考慮投資費用和裝置性能等要求，結(jié)合配電網(wǎng)運行特點選出重要補償節(jié)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(yōu)化模型

構(gòu)建無功補償分散配置優(yōu)化模型時，以減少配電網(wǎng)網(wǎng)損為目標(biāo)可得到以下優(yōu)化模型。

上述式子中，目標(biāo)函數(shù)f(x)設(shè)置配電網(wǎng)總的有功損耗；h(x)為不同負(fù)荷節(jié)點的無功平衡方程；x為電力系統(tǒng)狀態(tài)變量，包括不同負(fù)荷節(jié)點電壓幅值和相角。不等式g(x)是對各個負(fù)荷節(jié)點的電壓幅值及無功補償容量進(jìn)行約束。現(xiàn)在假設(shè)配電網(wǎng)中包含n個負(fù)荷節(jié)點，設(shè)定第n個負(fù)荷節(jié)點電壓相角始終為0，將其作為參考節(jié)點。目標(biāo)函數(shù)為配電網(wǎng)配變高壓側(cè)輸入的有功功率減去全部負(fù)荷節(jié)點對應(yīng)的有功功率，從而計算得到各負(fù)荷點的補償容量大小。

3 模型求解

本文建立的低壓配電網(wǎng)分散無功補償配置優(yōu)化模型，是非線性規(guī)劃模型，為了發(fā)揮模型作用，關(guān)鍵在于有效處理離散決策變量，可利用正曲率二次函數(shù)來進(jìn)行離散變量的處理。在優(yōu)化過程中，當(dāng)離散變量值處于需要優(yōu)化范圍內(nèi)，則將其向區(qū)域中心靠攏，二次函數(shù)中的罰因子在模型完善構(gòu)建過程中是處于動態(tài)變化狀態(tài)的，這時需要根據(jù)計算值求出需要響應(yīng)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(shù)中，同時將其引入目標(biāo)函數(shù)中，從而保證離散變量能在配置優(yōu)化流程中作連續(xù)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(zhuǎn)變成非線性規(guī)劃模型，利用二次函數(shù)求解負(fù)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(yè)不斷發(fā)展，無功補償分散配置方法有一定改進(jìn)，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(tǒng)內(nèi)電力變壓器數(shù)量隨之增加，為無功補償配置工作帶來一定難度，導(dǎo)致配電網(wǎng)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(wǎng)無功補償配置運行中，大多地區(qū)還采用集中補償?shù)姆椒?，將帶來一定的電能損耗，并且容易引發(fā)電力運行故障。

5 低壓配電網(wǎng)無功補償分散配置優(yōu)化方式

在進(jìn)行分散配置模型分析的基礎(chǔ)上，能得到相應(yīng)的低壓配電網(wǎng)無功補償分散配置優(yōu)化方式，下面將具體闡述優(yōu)化方法。

（1）優(yōu)化分散配置步驟。在配電網(wǎng)分散配置優(yōu)化運行過程中，如果選擇系統(tǒng)中的負(fù)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(chǔ)上，能提升電力資源利用率，保證電力運行效益的實現(xiàn)。而上述分散配置計劃的實施，要求設(shè)置較多安裝點，實施難度和成本較高，因此，要結(jié)合電網(wǎng)運行實際選用合理的分散配置方法，實現(xiàn)分散配置效果的提升。在分散配置步驟設(shè)計方面，需要將系統(tǒng)中負(fù)荷點看作是候選補償點，為了確保分散配置有效性，可結(jié)合配電網(wǎng)無功補償分散配置運行特點，將二次函數(shù)模型應(yīng)用到分散配置優(yōu)化中，以便準(zhǔn)確評估無功補償量。例如在配電網(wǎng)無功補償分散配置優(yōu)化過程中，采用對偶內(nèi)點法來得到優(yōu)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(xiàn)較多問題，無法保證配電網(wǎng)正常運行。因此，從分散配置整體效果來看，應(yīng)針對重要的負(fù)荷點位置，配備對應(yīng)的補償點，在明確分散配置優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵點的基礎(chǔ)上，確保分散配置優(yōu)化取得理想效果。另外，在確定重要位置時，要綜合考慮負(fù)荷功率大的位置，從而科學(xué)選擇補償容量節(jié)點。通過在電力系統(tǒng)關(guān)鍵位置選擇對應(yīng)的補償點，可保證電力系統(tǒng)在配電網(wǎng)無功補償分散配置合理化的情況下，達(dá)到性能的提升。

（2）配置范圍的優(yōu)化。在制定無功補償分散配置方案時，要注重對系統(tǒng)電流和電壓的有效調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)內(nèi)各個功能模塊功能的實現(xiàn)。為了實現(xiàn)上述優(yōu)化目的，可從以下方面著手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：首先，在單相電容方面。低壓配電網(wǎng)無功補償配置組成部分相對復(fù)雜，其中單相電容是重要的結(jié)構(gòu)組成之一，能借助電動機(jī)設(shè)施進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。分散配置組成結(jié)構(gòu)中的單線電容應(yīng)和電源連接起來，從而發(fā)揮其電壓控制功能，根據(jù)配電網(wǎng)運行實際進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，可保障電流和電壓處于安全運行狀態(tài)。因此，在優(yōu)化配置范圍過程中，要注重單相電容在電壓、電流穩(wěn)定運行上的重要作用。其次，還應(yīng)從電壓范圍角度出發(fā)實現(xiàn)無功補償分散配置范圍的優(yōu)化設(shè)置，實際優(yōu)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(jìn)一步降低電力故障發(fā)生可能性，當(dāng)輸出電壓不超過197V時，裝置處于工作補償狀態(tài)，為終端設(shè)備運行提供足夠的電能。

6 算例分析

為了驗證上述配電網(wǎng)無功補償配置優(yōu)化方法是否可行，主要針對某地區(qū)多個低壓配電網(wǎng)進(jìn)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(wǎng)電能損耗情況。下面重點論述某村10#低壓配電網(wǎng)的功率補償分散配置的優(yōu)化運行情況。這一配電網(wǎng)主要為農(nóng)業(yè)灌溉分配需要的電能，其內(nèi)部元件參數(shù)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?jǐn)?shù)為4，容量是200kVA，通過以上參數(shù)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(shù)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(yīng)的阻抗；各個負(fù)荷節(jié)點對應(yīng)的無功功率和有功功率可按照相應(yīng)的計算方法得到，其中有功功率可由電量分析得到，并根據(jù)功率因數(shù)估算出無功功率數(shù)值。線路中的潮流計算以標(biāo)幺值為主，配電網(wǎng)基準(zhǔn)電壓容量設(shè)定為100kVA，并且配電側(cè)的電壓標(biāo)準(zhǔn)值分別是380kV和10kV。選擇負(fù)荷點11作為平衡節(jié)點，確定其電壓幅值和電壓相角。

圖1 低壓配電網(wǎng)輸電線路示意圖

根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖可看出，負(fù)荷節(jié)點5-9距離配變有一段距離，這些節(jié)點對應(yīng)的電壓偏移可根據(jù)電網(wǎng)運行設(shè)計得出。實踐表明，由于上述負(fù)荷節(jié)點出現(xiàn)電壓偏移，可能造成電壓偏低或者負(fù)荷設(shè)施啟動電動機(jī)轉(zhuǎn)矩過小不能正常工作等。除了上述電力運行故障外，還會導(dǎo)致系統(tǒng)電能損耗較大，不利于電力系統(tǒng)運行效益的實現(xiàn)。通過在負(fù)荷節(jié)點10位置上配備集中補償裝置，將補償容量設(shè)置成100kvar，可觀察到這一措施實施后的不同負(fù)荷節(jié)點電壓值有所增加，進(jìn)而減少配電網(wǎng)運行時的電能損耗。另外，還需要對各個節(jié)點電壓進(jìn)行約束，其中負(fù)荷節(jié)點為0.9～1.07p.u，配變低壓側(cè)為1～1.1p.u，配變高壓側(cè)為1～1.05p.u。以負(fù)荷點11為參考基準(zhǔn)，盡可能縮小節(jié)點電壓偏移。利用上述分散配置優(yōu)化方法，可觀察到各個節(jié)點在補償裝置作用下，其電壓偏移都在規(guī)定范圍內(nèi)，可保證系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時補償裝置安裝下電網(wǎng)網(wǎng)損有明顯下降，說明這一優(yōu)化分散配置方案能很好應(yīng)用在低壓配電網(wǎng)運行中，進(jìn)而保證電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

7 結(jié)語

綜上所述，低壓配電網(wǎng)無功補償分散配置優(yōu)化方法的合理運用，是提高電力系統(tǒng)建設(shè)水平的重要措施，需要結(jié)合電力運行中產(chǎn)生的問題，制定相應(yīng)的優(yōu)化配置方法。配電網(wǎng)無功補償分散配置實質(zhì)是對電力系統(tǒng)中的電流和電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用適合的優(yōu)化方法，可保證電能供應(yīng)合理化，并能提升電力系統(tǒng)運行性能，提高電網(wǎng)運行效益。