供配電系統的無功補償與節能分析

黔南民族職業技術學院 舒 華 王 黔

電網中的電力負荷以感性負荷為主，在運行期間此類設備會消耗無功功率。為降低線路在運輸無功功率時產生的電能損耗可對其進行無功補償，將并聯電容器安裝到供配電網系統中，為配電網提供感性負載所消耗的無功功率，由此降低無功功率在配電網中的流動速率。在無功補償實施后可在源頭上變為無功能量，由此降低大量線損能量，促進配變利用率提升，降低視在功率。在設備運行中無功補償裝置同步運行，在設備運行結束后補償設備也停止運行，由此減少視在功率，達到節能省電的效果。

1 供配電無功補償原理與方式

1.1 裝置配置

為確保電力系統穩定運行，獲得更多電網經濟效益，要求各級電網企業與用戶嚴格遵循無功補償技術規則，合理配置補償裝置。通常情況下配電網無功補償主要為容性補償，在變/配電站中安裝集中補償電容器，并輔以6～20kV的高壓補償。針對變壓器中的無功補償容量，可將變壓器負載率提高75%、功率因數設置為0.85，在無功補償滿足變壓器負荷最大值后，要求高壓側功率因數超過0.95。此外還可依照變壓器額定容量，在15～40%比例內配置無功補償。

上述配置主要依照電網系統應用經驗制定，但在變壓器容量范圍方面沒有明確規定，應針對電容器組設立約束條件，要求依據無功/有功電流將其分組，對控制裝置進行自動切換。用戶應結合配電網內接載負荷的特征對電力系統內無功補償裝置進行配置，使其滿足以下要求：針對超過100kVA的高壓電力電網用戶，當達到用電高峰期時要求高壓側功率因數應超過0.95；剩余用電負荷的用戶系統功率因數應超過0.90，還要對無功補償裝置分組投切，使其在不同狀態下避免無功功率進入系統[1]。

1.2 補償原理

在交流電路運行中，以純電阻電路為例，可將電能全部轉變為熱能，經過純容性負載時并不做工、無需消耗電能，即無功功率。通常情況下實際負載為混合性負載，在電能經過負載時便有部分電能不做功，即無功功率，此時功率因數不超過1。為提高電能利用率，需對其實施無功補償。當前工業負荷大部分為感性，全部電感負載均需補償眾多無功功率。如若由輸電系統供應，則設計輸電系統期間應對有功/無功兩種功率綜合分析。通過輸電系統傳遞無功功率可導致線路與變壓器損耗提升，影響經濟效益。同時還可由并聯補償電容器提供無功功率，可有效避免輸電系統傳輸的無功功率，使無功損耗降低，促進系統傳輸效率提升。

1.3 補償方式

無功補償是電網運行的基礎與前提，合理布局有助于實現無償補償，還與降低補償投資息息相關。通過無功補償的應用可使無功功率能夠就地平衡，促進電壓質量提升，降低線損，維護配電網穩定運行。對于無功補償應堅持分層平衡、就地平衡等原則，基本方式包括集中型、分散型與集中、分散相結合三種模式。從整體來看，應用較為頻繁的補償方式有四種，即變電站集中補償（A模式）、桿上無功補償（B模式）、低壓集中補償（C模式）、用戶端分散補償（D模式），四種方式性能分別如下。

A模式下以滿足變電站無功需求為補償目標，降損有效范圍為主變與輸電網，可有效改善電壓狀態，投資量較大，設備利用率較高，后期維護檢修較為便利；B模式下以滿足配變無功需求為補償目標，降損有效范圍為配變與輸電網，可有效改善電壓狀態，投資量較大，設備利用率較高，后期維護檢修較為便利；C模式下以滿足中壓線路無功負荷為補償目標，降損有效范圍為中壓線路與輸電網，可有效改善電壓狀態，投資量較小，設備利用率較高，后期維護檢修較為便利；D模式下以滿足用戶端無功需求為補償目標，降損有效范圍為整個電網，可有效改善電壓狀態，投資量較大，設備利用率較低，后期維護檢修不夠便利[2]。

2 供配電生產中常用的節能技術

在企業生產期間，供配電系統可分為兩項內容，即用電設備與供配電網。結合系統構成特點可從兩個角度著手進行驗證：一是普及先進節能設備，提高設備能源利用效率，以電機類節能應用為代表；二是將節能技術引入企業生產中使能源損耗降低。從整體來看，供配電生產中應用較為普遍的節能技術如下。

2.1 電力變壓器節能

在電力系統結構中，變壓器作為關鍵電力設備之一，要想實現節能目標應合理選擇配電變壓器容量。對于單臺配電變壓器來說，先要對負荷大小進行選擇，使其超過多臺備選變壓器，再對變壓器對應負荷率進行計算，得到不同配電變壓器的運行效率，對比不同待選變壓器運行效率，選出效率最佳的變壓器。例如，某企業計算負荷有功功率設定為240kW，功率因數為0.75。根據經濟運行原則合理選擇變壓器容量對負荷進行計算，公式為：S＝240/cosφ=240/0.75＝320kW。

備選變壓器分別為400kVA、630kVA、800kVA、1250kVA。結合變壓器中的技術參數、功率因數等，對不同變壓器內負荷率、運行率進行計算，其負荷率（β）、運行效率（η）分別為0.8/0.9754、0.508/0.9842、0.40/0.9541、0.265/0.9541，由此發現630kVA變壓器的運行效率最高，故選擇該型號設備。在多臺變壓器運行容量選擇中，可使負載損耗與空載損耗處于相同狀態。待負載增加后可令n臺變壓器負載損耗處于（n+1）臺空載損耗內，再投入一臺變壓器便可實現經濟持續運行[3]。

2.2 降低線損程度

供電半徑對線損具有較大影響，要求對配電網合理布局，盡可能將配電變壓器安裝在工廠負荷中心點，由此縮短電源與用電負荷間的距離。隨著線路長度、電流的變化線損也會隨之改變。針對負荷集中線路可利用分流方式、增加線路出線方式降低線路內的負荷電流，由此達到降低線損的目的。導線截面大小同樣會影響線損，一般采用截面較大的導線降低線損。導線截面增加可使線損降低，但若增加到一定程度線損降低程度便不再明顯。線損不但與電阻相關，還受線路長短、阻抗等因素影響，但阻抗與截面基本沒有關聯，因此不可過分增加截面達到降低線損的目標，而是要對發熱、阻抗、電阻及電流密度等因素綜合分析。

隨著變頻設備內鎮流器的廣泛應用，導致系統內高次諧波增加、三相電流失去平衡，此時中性線電流增加，應減少傳統線路配置模式，增加中性線導線截面以降低線損。在車間運行中，以電動機為代表的感性負載得到普及應用，使功率因數降低，如若無功功率在車間內部無法得到有效補償便會進入到線路中，導致線損增加，同時還會使供電質量下降。對此，應利用并聯電容器等促進功率因數提升，使線損得到有效控制。此外還可通過更新導線連接方式，在導線聯結期間應盡量采用線夾連接手段，禁止纏繞連接，不可將銅鋁連接起來，盡量利用鋁銅過度夾。在正式裝配之前還應妥善處理導線或線夾，避免造成銹蝕，還要確保穩定安裝。

2.3 合理選擇電氣設備

變壓器作為主要節能設備可分為銅損與鐵損兩種類型。在空載期間有功損耗一般與鐵損相似，固定不發生改變，在負載期間有功損耗與銅損相似，與負荷存在正相關關系。對此，先應根據企業負荷將變壓器容量控制在經濟運行期間，以免出現“大材小用”情況，降低電能損耗。部分企業始終延用線損較大的老式變壓器，此類設備不但線損較高，還存在較大的安全隱患，與節能要求不相符合，此應選擇合理高效的電氣設備。

例如，將以往電熱管加熱變為電磁感應加熱可有效提高熱效率，節約電能；還可在企業內部普及應用變頻控制技術等，提高節能效率。當前部分企業普遍應用變頻、鎮流設備等，很容易導致有功損耗產生，需對此加強重視；企業也可采用抑制高次諧波的聯結組別變壓器，使諧波得到有效控制[4]。

2.4 普及節能照明系統

據調查國內照明用量占比較大，企業應注重照明方面的節能控制，利用節能燈具替代傳統白熾燈，達到節能目標。例如，可在車間廠房、企業內普及高光效的LED燈具，此類燈具不易受損且光效良好，節能型強。同時在照明線路方面還應采用單獨布設的方式，利用三相四線供電，將燈具均勻布設為三相可增加零線的截面直徑。當前智能技術飛速發展，企業應結合實際需求創建照明智能控制系統，與廠區工作時間、照度等因素結合，對照度進行實時監測與調節，由此實現節能目標。

3 遺傳算法在配電無功補償中的應用

3.1 算法原理

遺傳操作的目標是結合個體適應度對生物基因進行模擬操作，由此實現優勝劣汰的優化過程。該算法的主要原理是先要確定染色體，采用輪盤賭的方式解決問題。結合遺傳規則，優秀父代有更大幾率產生優秀子代，因此應盡量選擇優秀染色體為父代。為符合染色體基因多樣性，在實際選擇中一些較差的染色體也可能被選中。

以某染色體為例，選擇比率可用公式表示為Pi式中Pi代表的是第i個染色體相應的概率值；Fi代表的是第i個染色體適應度；當Pi值越大時染色體中選概率便會更大。在染色體選擇完畢后，應按照特定交叉概率隨機選擇部分個體，將其兩兩配對，且交叉點也應隨機選擇。在交叉操作時，群體雖然會繼承父代基因但不會與父代完全相同，很可能成為更加優秀的個體，使其更加靠近最優解。在交叉期間可能出現0～1個隨機數，如若該數字與交叉概率相比較小，此時交叉才會順利實施。

變異是以較小的概率對群體中某個體的數值進行改變[5]。基本流程為：針對交叉中產生個體內的各個基因，在[0,1]區間偽隨機數r，如若r值不超過Pm則實施變異操作。在二進制編碼中變異算子可取隨機值的相反值，如“0”變為“1”。從本質上看，變異自身為隨機搜索，可與交叉算子相結合，避免在交叉計算中造成部分信息丟失，使算法更加有效，還可具備群體多樣性，以免未成熟收斂情況發生。

3.2 模型創建

在無功優化問題處理中可結合配電網現實情況創建數學模型，并從多角度出發進行模型優化。在無功優化方面功率約束可創建潮流方程如下：式中，PGi代表的是節點i注入有功/無功功率；PDi代表的是第i負荷有功/無功功率；Gij代表的是節點矩陣中節點i與j元素；代表的是節點i與j之間的相角差，k取值為1時代表最大，k值為2時代表一般，k值為3時代表最小負荷運行方式。

在無功優化方面，可將變量劃分為控制型與狀態型兩種，其中Qc代表的是補償容量，T代表帶負荷調壓變壓器變比，V代表的是節點電壓。針對控制變量不等式約束為：Timin≤Tik≤Timax，i取值為1到nt；Qcimin≤Qcik≤Qcimax，i取值為1到nc；式中，nt代表的是有載調壓變壓器數量；Ti代表的是變壓器變比；Timax代表的是變壓器變比上限；Timin代表的是變壓器變比下限；nc代表的是補償節點數量；Qci代表的是補償容量；Qcmin代表的是補償容量最小值；Qcmax代表的是補償容量最大值。在狀態變量不等式方面，可約束條件可表示為：Vimin≤Vik≤Vimax，i取值為1到nt；式中，Vimin代表的是節點電壓上限；Vimax代表的是節點電壓下限。

3.3 無功優化

3.3.1 定制初始種群

在變壓器應用中，如若將檔位調整到17檔，可每次生成0～16個隨機數，將其當作變壓器的譯碼，電容器也是同樣的道理。每次生成一個染色體后可將各編碼從范圍內去掉，待全部刪除后可重新生成，直到擁有最多檔位設備被全部搜索過一遍，便可形成n個不同個體，重復上述操作共計可形成m×n個個體，要求m×n個不超過N的種群，最終利用標準遺傳算法生成初始種群，隨機生成N-m×n個個體。通過上述方式可使種群能夠遍布整個空間，可為后續遺傳操作提供更多便利，為全局最優解尋找提供更多可能。

3.3.2 適應度優化

在對電網模型進行分析時可利用配電無功優化函數，將其作為適應度函數進行配電無功計算，一般以遺傳算法做到指導方向。本文利用輪盤賭的選擇方式朝著適應度增加之處尋找，但無功優化的本質為最小值優化，需要進行目標函數轉換，公式為：fitniss=1/F，式中F代表的是目標函數，其變量含義與目標函數相同。首先對適應值總數與各個體所占比重進行計算，當比重越大時可參與繁殖概率便越高，由此確定母體內繁殖個體的數量。

例如，假設適應值函數為fi，種群規模用N表示，則fi為0.5，N為20。在個體繁殖庫內的數量計算公式為Ni＝INT（20×0.5/3）＝3個。式中INT代表的是取整函數，待繁殖庫形成完畢后邊可雜交、變異。

3.3.3 無功優化流程

在開始后將配電網原始數據錄入其中，如總節點數、總支路數與節點負荷參數等，然后實施靈敏度分析，挑選幾條支路靈敏度最高的點將其當作無功補償控制點；對種群進行初始化操作，結合編碼原則將其變為內含50余個體的初始種群，再將其生成多個控制變量，重新修正網絡參數；結合不同負荷水平對配電網潮流進行計算、交叉與變異等，在繁殖庫內完成個體雜交、變異等操作，最終生成新個體；針對不同新個體逐一解碼，將網絡參數調整完畢后實施潮流計算；獲得不同個體適應值進行計算并評價個體、并排序；最后判斷收斂條件，待其滿足最優個體保留數量時停止迭代，將最優解輸出，盡管未能達到最佳個體保留數量，但若達到最大遺傳迭代次數時也會停止迭代，將次優解輸出，否則將會繼續迭代，直到輸出最優結果，完成程序運行目標[6]。

綜上，當前國內經濟飛速發展，電力消耗不斷增加，在能源需求上存在較大矛盾，不利于工業持續發展。對此，在供配電運行中可通過電力變壓器節能、降低線損程度、合理選擇電氣設備以及普及節能照明系統等方式使系統得到無功補償，達到節能降耗目標，減輕電力部門整體壓力，改善電能資源的生產現狀，推動當地工業建設的可持續發展。