油田配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償優(yōu)化研究

邵剛濤

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000；2.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

油田配電網(wǎng)由于其負(fù)荷特性和滾動開發(fā)特點，造成功率因數(shù)較低，線損較大。隨著油田開發(fā)降本增效的要求，在系統(tǒng)運行過程中如何穩(wěn)定電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)系統(tǒng)無功補(bǔ)償過程中減少線路損耗、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實意義。

1 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)哪康?/h2>

無功補(bǔ)償具有改善輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]、保障電能質(zhì)量[2]以及平衡三相功率負(fù)載[3]等功效。提高油田配電網(wǎng)的生產(chǎn)效率，配電網(wǎng)無功的合理分布是尤為重要的一個因素。

采取無功補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ诮档途€路損耗方面是一個行之有效的措施。在長距離運輸過程中，提前規(guī)劃好動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的放置地點，能夠提高輸送電能過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電效率。

油田負(fù)荷呈點多、分散、距離長的特點，導(dǎo)致配電網(wǎng)之間的損耗長期以來沒有好的解決方案。解決配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化中的線損問題，分析配電系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題，從而優(yōu)化系統(tǒng)的運行，進(jìn)而提升整體的經(jīng)濟(jì)效益。

2 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)分析中，很多場合都涉及到非線性規(guī)劃問題，其中無功優(yōu)化問題也屬于這類優(yōu)化問題。隨著油田原油生產(chǎn)用電指標(biāo)呈上升的趨勢，電能消耗在采油過程成本中占據(jù)很大的比例。從石化企業(yè)來看，降低運行過程中的電能消耗，解決網(wǎng)損的問題，能夠極大地提升企業(yè)的盈利。油田配電網(wǎng)采用無功補(bǔ)償?shù)拇胧诮档碗娋W(wǎng)的消耗方面有很大的效果。

長期以來，不少國內(nèi)外學(xué)者在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償方面開展研究，提出了線性規(guī)劃法[4]、非線性規(guī)劃法[5]、混合整數(shù)規(guī)劃法[6]、動態(tài)規(guī)劃法[7]和遺傳算法[8]等相關(guān)算法研究思路，但是一直都沒有成熟穩(wěn)定的方法。

電力系統(tǒng)在運行過程中涉及到較多的無功負(fù)荷，需要消耗較大的無功功率。此時，需要通過采用無功補(bǔ)償裝置，保證電網(wǎng)正常的電壓質(zhì)量，對降低電網(wǎng)的網(wǎng)損具有較大的幫助。隨著國家越來越重視配電建設(shè)，運行過程中無功補(bǔ)償技術(shù)取得了不斐的成績。但是，在油田配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方面還存在局限性，對于在補(bǔ)償容量和位置的確定具有較好的研究應(yīng)用前景。

3 配電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)據(jù)模型

無功補(bǔ)償優(yōu)化的最終目標(biāo)是年運行費用最小、補(bǔ)償裝置投資最小以及企業(yè)獲得的經(jīng)濟(jì)效益最大。

該配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可以以油田配電系統(tǒng)的年運行費用最小為目標(biāo)。在目標(biāo)函數(shù)中，該費用主要包括無功設(shè)備的運維費、投資的回收以及網(wǎng)損等。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，F(xiàn)min表示年運行費用；Ta表示補(bǔ)償設(shè)備的年維護(hù)費用率；Tb表示裝置單位補(bǔ)償容量的綜合投資；Tc表示投資年回收率；Tn表示補(bǔ)償設(shè)備的安裝費用；N表示補(bǔ)償節(jié)點個數(shù)；α表示有功電價；Kci表示節(jié)點的補(bǔ)償容量；λmax表示全網(wǎng)最大損耗小時數(shù)；Rci表示支線的有功損耗。

4 計算實例

本文以某油田配電系統(tǒng)為例，分析具體的無功補(bǔ)償優(yōu)化方法。在該配電系統(tǒng)中共包括34 臺配電變壓器，57 個節(jié)點，總?cè)萘繛? 235 kVA。該配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 油田配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對于上述的無功優(yōu)化模型，可以通過優(yōu)化算法進(jìn)行求解，得出油田配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償方案，結(jié)果如表1 所示。

經(jīng)過計算可以得到如下結(jié)果。

（1）擬定的無功優(yōu)化補(bǔ)償配置方案。對于配電系統(tǒng)高壓側(cè)無功補(bǔ)償，分別在高壓側(cè)節(jié)點15 安裝150 kVar 無功補(bǔ)償電容器裝置，節(jié)點36 安裝150 kVar無功補(bǔ)償電容器裝置，節(jié)點59 安裝105 kVar 無功補(bǔ)償電容器裝置。對于低壓側(cè)無功補(bǔ)償，總安裝低壓無功補(bǔ)償裝置710 kVar，具體如表1 所示。

表1 某油田10 kV 配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償優(yōu)化結(jié)果

（2）配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償參數(shù)的取值：補(bǔ)償裝置的使用年限（裝置使用壽命）15年；平均售電單價0.6元/kW·h；全網(wǎng)最大損耗小時數(shù)7 000 h；無功補(bǔ)償裝置的年維護(hù)費用系數(shù)0.001；單臺10 kV 電容器的固定投資9 800 元/臺；單位容量10 kV 電容器的投資造價50 元/kVar；單臺低壓電容器的固定投資8 500 元/臺；單位容量低壓電容器的投資造價45 元/kVar。

（3）當(dāng)無功優(yōu)化模型計算完成后，可以對無功補(bǔ)償?shù)姆桨高M(jìn)行分析和評估。根據(jù)上述的計算結(jié)果，共需設(shè)備投資（405×50+9 800×3）+（8 500×20+710×45）=25.160 萬元。對于年維護(hù)費用，總補(bǔ)償容量為1 115 kVar，總年維護(hù)費用為2.345 萬元。

通過公式計算分析如表2 所示，對該條10 kV 線路進(jìn)行補(bǔ)償具有一定的優(yōu)勢，能夠在降低運行費用、提高運行的經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)揮重要作用。

5 結(jié) 論

在配電系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償，應(yīng)對具體的補(bǔ)償策略和方法進(jìn)行優(yōu)化分析，以減少無功功率在線路上的傳輸，從而降低線路上所產(chǎn)生的無功損耗，提高配電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，對于提高配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量具有較大的積極作用。同時，應(yīng)把補(bǔ)償位置選在負(fù)荷點，采用對各負(fù)荷點分散補(bǔ)償?shù)姆绞健τ跓o功補(bǔ)償裝置的選擇，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)嘏潆娤到y(tǒng)的實際情況，便于對電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使得配電系統(tǒng)可以取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過實際計算，中低壓油田配電網(wǎng)無功優(yōu)化補(bǔ)償可以明顯提高電壓合格率。本文詳細(xì)分析了油田配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償優(yōu)化模型，得到了具體的油田配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置安裝點和安裝容量，具有較大的工程應(yīng)用價值，可以在其他配電系統(tǒng)中加以推廣應(yīng)用。

表2 某油田10 kV 配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償優(yōu)化對比結(jié)果