區域電網系統用戶電壓質量優化補償研究

任小航，易春磊，王世友，柴良明

(云南電網有限責任公司瑞麗供電局，云南，瑞麗 678600)

0 引言

配網電壓質量直接關系到電力系統的安全與經濟運行及電氣設備的使用壽命，電壓過低可能會引發電壓崩潰，造成大面積停電[1]，還會降低設備的運行能力，增加設備運行能耗，燒毀用戶電動機，引起電燈功率下降[2]。因此，配網的電壓質量控制是供電企業迫切需要解決的難題[3]。

國外現狀針對電壓質量優化補償的研究起步較早，國內研究起步較晚，最早在2000年容量為20MVA的首臺SVG由清華大學與河南電力工業局合作開發并成功運行。吳麗珍等[4]提出了網絡化分層協同優化控制方法，采用動態一致性算法獲取全局平均值，調節電壓和無功功率的偏差，以實現電壓無靜差控制和功率的精確分配，但是耗能較大；王坤等[5]在引入核密度估計分析方法的基礎上運用R語言開發了基于核密度估計的電網電壓質量分析系統，建立模型參數對電網電壓質量進行分析，但是未對電壓質量進行有效補償。針對上述問題，本文提出區域電網系統用戶電壓質量優化補償方法。

1 區域電網系統用戶電壓質量優化補償研究

1.1 構建區域電網潮流計算方式

區域性電網系統用戶分布較為均勻，以發電站的母線節點為基礎[6-7]，在構建區域電網潮流計算方式時，以徑向配電網基本單元為處理對象，選定的饋線支路結構如圖1所示。

在圖1所示的單元結構下，計算圖1所示單元結構中節點的負荷的導納電流總和，計算公式可表示為

(1)

其中，S表示節點各項符合功率，I表示節點各項流出電流，U表示節點各項電壓，k表示迭代次數。根據上述的數量關系，計算基本單元中各個支路電流數值大小，計算公式可表示為

圖1 電網系統基礎單元結

(2)

其中，L表示各相電流，m表示一個支路，M表示一個集合。當電網中產生回代過程時，各個階段的電壓就可表示為

(3)

式中，U表示節點的各項電壓。將上述的處理過程作為實際的潮流計算過程，以上述得到的電壓數值為控制對象，將區域電網中的基礎單元結構轉化為整體性區域電網系統拓撲結構[8-9]，如圖2所示。

圖2 整體性區域電網拓撲結構

在構建整體性區域電網的潮流計算時，依次獲取圖2中代表不同拓撲層次的序號數據后，根據這些數據探尋各個節點電壓的數量變化關系，根據該數量變化關系，優化控制電壓質量。

1.2 優化控制電壓質量

在優化控制電壓質量時，以拓撲結構中各個點作為電壓質量評估點[10]，根據配電網的運行方式構建電壓偏差目標函數，目標函數可表示為

(4)

其中，Fi表示拓撲結構中第i個電壓質量評估點的滿意度，n為評估點的個數。在上述目標函數控制下，不同用戶對電壓質量的不同需求，篩選上述n個電壓質量評估指標后，確定得到電壓質量優化控制的主要目標是降低損耗。假設理想狀態下的網損為PL，控制該網損值為最小，在上述計算式(4)滿意度的控制下，網損最優評估函數就可表示為圖3。

圖3 滿意度隨網損的變化

由圖3可知，在滿意度數值的控制下[11]，區域電網產生的損耗可表示為

(5)

其中，gk表示各個電網支路上的電導數值，k表示區域電網支路的數量，vi、vj表示電荷水平，其余參數含義不變。在上述損耗數值的控制下，采用前述構建的潮流計算方式，設定一個變量控制約束產生的網損[12-13]，變量約束參數可表示為

(6)

其中，Qmin表示最小的無功功率，Qmax表示最大的無功功率，N表示節點數量。在上述約束參量的控制下，最終形成優化控制過程，可表示為

(7)

其中，Tg表示預設的最大網損數值，A表示控制參數，g表示控制代數，其余參數含義不變，優化控制電壓質量后，針對未被控制的網損建立補償策略，最終完成優化補償方法的構建。

1.3 建立補償策略

在建立補償策略時，結合優化控制電壓質量結果，假定周期內的有功功率為Pγ，補償前的功率因數為cosφ1，補償后的功率因數可表示為cosφ2，所以該補償容量可表示為

(8)

其中，t表示補償時間。根據上述計算式的各項處理關系，不斷調控兩項因數的大小，此時在高功率因數下，其補償數值Q也相應地減少，故采用線損的方式來確定實際的補償容量[14-15]，假設補償過程中產生的有功及無功分量為IR、IX，在一定參數作用下，此時的補償電流可計算得到：

I1=IR-IX

(9)

其中，I1表示補償前的電流數值。補償前的線路損耗可表示為

(10)

其中，R表示線路中的電阻值，其余參數含義不變。補償處理后,線損降低的百分比的數值關系可表示為

(11)

在實際運行補償策略時，首先確定區域電網中的線損指標，得到線損的數值關系，最終得到實際損耗數值，根據線路實際的線損數值，制定補償策略，制定的補償策略如表1所示。

表1 補償策略

在表1的調節策略下，以實際的降損百分比為對比量，當降損百分比數值大于0.5且小于0.7時，使用表1中的策略3；當降損百分比數值大于0.3且小于0.5時，采用補償策略2；當降損數值大于0且小于0.2時，采用表1中的策略1。綜合上述處理，最終完成對區域電網系統用戶電壓質量優化補償的研究。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

隨機選定一個區域性電網系統，電網線路的結構如圖4所示。

圖4 實驗采用的電網線路結構

使用通用實時仿真器(UREP)搭建在如圖4所示的電網線路結構仿真模型，采用多核并行計算技術，分配4個處理器，配置圖4各個節點的電壓的出力電壓數值，各個電壓公變節點分配的電壓數值如表2所示。

在表2的電壓數值控制下，調節線路調壓器退出運行后，電壓調整結構如圖5所示。

在圖5的電壓調整結構下，分別使用文獻[4]方法、文獻[5]方法以及本文設計的電壓質量優化補償方法進行實驗，比較3種優化補償方法的性能。

表2 電網線路節點分配電壓數值

圖5 電壓調整結構

2.2 結果及分析

基于上述實驗準備，以表2的分配電壓數值為實驗對象，控制各個節點的電壓數值，在3種優化補償方法控制下，在不同的節點處放置電壓表，測量3種優化補償方法可控制的電壓數值，最終形成的實驗結果如表3所示。

由表3可知，文獻[4]中的優化補償方法在節點處可控制的電壓數值最小，文獻[5]方法可控的電壓數值較大，但這2種優化補償方法可控制的電壓數值均小于本文設計的優化補償方法。

保持上述實驗環境不變，未被控制的電壓數值就是優化補償過程中產生的損耗。根據該數值計算各個節點產生的損耗，以線路中各個節點產生的損耗為對比指標，統計并計算接入節點產生的有功損耗，3種優化補償方法產生的功耗結果如表4所示。

由表4可知，在相同電網線路結構下，3種優化補償方法產生的功耗數值結果不同，文獻[4]方法和文獻[5]方法中的優化補償方法產生的平均功耗數值分別為262.4 kW和172.8 kW，而本文設計的優化補償方法最終產生的功耗數值在98.6 kW左右。綜合上述實驗結果可知，本文設計的優化補償方法可控制更大數值的電壓，在實際優化補償過程中消耗的功率數值最小，更適合實際使用。

表3 3種優化補償方法可控的電壓數值

表4 3種優化補償功耗結果

3 總結

以區域配電網電壓質量優化治理為目標，開展基于區域性電網系統用戶的電網數據，建立優化補償模型，研究越限特性；根據模擬數值得到不同參數下的補償策略，改正了傳統方法產生功耗數值過大的不足，完成了區域電網系統用戶電壓質量優化補償的方法設計。通過仿真實驗，驗證了設計方法能夠控制高達795.6 kV的電壓，且消耗的功率較小，在98.6 kW左右，具有較高的應用價值。