配电网无功优化规划及控制系统

黄 伦，左剑飞，吴 敏

（西安供电局，西安 710032）

0 引言

为响应“节能减排，电力要先行”的号召[1]，全国各电力企业积极加大提高电力能源利用率，降低电力系统网络损耗。电压无功控制是降低网损、提高供电质量的重要手段[2]。在我国，过去电压无功控制方面的研究主要集中在35 kV及以上电压等级，对10 kV及以下的中低压配网的研究才刚刚起步，如果配电网络中的一些异步电机等电力设备消耗的无功都由根节点的配变直接提供，那么网络中将会有大量的无功流动，这将造成配电网中电压质量较低，网络损耗较大。因此，科学的配电网的无功优化规划及监控系统的建设，对加强配电网的无功优化管理、合理分配无功、提高配电网电压质量及减少中低压配网的无功损耗有着重要的意义。

1 建设目标及主要内容

配电网的无功优化旨在合理分布无功，以及在电网无功分布发生变化时，可以及时调控，达到降低电网功率损耗，提高电压质量的目的。因此，把无功优化的前期规划和控制系统紧密结合起来，成为无功优化的一个理想选择，二者缺一势必影响无功优化的效果[3]。

首先，配电网无功优化规划要根据现有配电网的情况，遵循“集中补偿与分散补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，调压与降损相结合”的补偿原则，因地制宜，全面考虑电网、负荷、经济条件等综合因素，在进行农网全网无功优化计算的基础上，采用科学合理的无功优化补偿模式，提供无功优化的评价手段，分析配电网无功装置的容量、安装位置、类型评价，并给出优化的无功装置配置方案，其中包括变电站集中补偿方式的选择、线路补偿方式、配变补偿方式等[4-5]。

其次，在安装好无功补偿装置后，无功优化监控系统要在线监测和分析电网数据，根据配电网无功的实时分布，给出电网无功优化的运行策略，并根据优化分析前后电压和网损的变化情况，进行优化的综合评判，给出无功优化的效果。

2 配电网无功优化规划

配电网无功优化补偿结合各区负荷情况，通过全网无功优化计算来确定系统的最佳补偿点和最佳补偿容量，并选择合理的无功补偿装置。农网全网无功优化需要综合考虑农网全网运行情况，以各节点电压合格、网络关口功率因数等为约束条件，以提高功率因数、全网网损最小、年运行费用最小和年支出费用最小为目标，进行全网无功优化计算，确定系统的最优补偿点和最佳补偿容量[6]。农网全网无功优化补偿高压网以变电站集中补偿为重点，中压网以10 kV线路补偿和配电变压器低压侧集中补偿为重点，低压网及以下以用户侧分散补偿为重点。

无功优化的基本原则是“就地平衡”，因此对于配电网无功优化的基本方法为：

1）首先考虑容量100 kV·A以上配变负荷点低压侧补偿；

2）负荷点补偿后，如果线路出口功率因数达到要求，而线路负荷不重，线路长度不长，则该线路补偿结束；

3）负荷点补偿后，如果线路出口功率因数不能达到要求，则必须加杆上集中补偿；负荷点补偿后，如果线路出口功率因数达到要求，但是该线路负荷较重，线路较长，可以考虑杆上集中补偿，因为此时杆上集中补偿的经济效果较好；

4）根据线路最大运行方式确定杆上无功补偿容量；根据最小运行方式确定杆上固定补偿容量。

2.1 负荷点补偿

传统的负荷点补偿方式都是按变压器容量的10%~30%进行补偿，这种补偿方式没有考虑到配变的实际运行情况，因此补偿结果不是很理想。最佳的补偿方式是根据每台配变1 a的有功、无功数据，计算现有的功率因数，然后根据预达到的功率因数计算补偿容量[7]。但我国现有的配电网，特别是农村电网，配电变压器缺少测量装置，无法获得配变的功率数据，只有每个月的有功电量（通常绝大多数配变也没有无功电量）。根据上述条件，采取的负荷点补偿方案如下：

1）根据配变的有功电量，计算配变的平均有功功率；

2）将配变所在10 kV线路出口数据，按照一定的算法进行无功分配，计算配变的功率因数；

3）对于功率因数不达标的配变，按照最大负荷确定无功补偿容量。

2.2 杆上集中补偿

杆上集中补偿的方法主要有2个技术难点：一是最优补偿点的选择；二是最优补偿容量的确定。

针对配电网运行的辐射型结构，补偿的计算一般采用无功精确矩来表示对网损影响大的节点特征和对电压水平有显著改善的节点特征，根据无功二次精确矩可初步选择对网损和电压影响大的节点作为候选补偿节点。另外，通过建立优化数学模型和智能优化求解的方法确定杆上补偿容量。

3 配电网无功优化控制

3.1 无功优化控制系统的组成

配电网无功优化控制系统主要包括终端设备、通信通道和主站控制系统。

一般在进行无功优化规划后，就会给出终端设备的容量、安装位置等无功装置的配置方案。终端设备主要负责对安装位置的电网无功电压数据的采集、上送和补偿容量的调节。

考虑到配电网本身具有的一些特点：供电线路长、监控范围大以及设备安装较分散等，一般通讯通道不建议采用常规通道，常规通道的建设资金投入较大，且通道建设的周期较长。综合配电网的自身特点和经济因素的考虑，宜采用无线通讯（GPRS或CDMA）的方式将各终端设备采集到的数据通过2 M光缆专线上传到主站系统。采用无线通信方式,无功布点方便，接入灵活，且扩展性强。

主站设备负责接收各终端设备送上来的无功采集数据，根据网络的拓扑结构、电网运行状况和电压无功的变化趋势给出电压无功调节的策略，并向终端装置下发遥控命令，调节装置的无功输出容量。

3.2 无功优化控制

电力系统各电压等级电网是一个相互影响的整体，因此，在进行无功优化时，不能单纯以10 kV及以下电压等级为对象，而是要同时兼顾其他电压等级，把各电压等级的配电网无功优化至于同一系统平台上，进而将各级的无功优化管理有机结合起来。

一般县级电网和区域电网的监控范围是110 kV及其以下的电力网络，属于高中压配电网络范畴。高压配电网络的网络结构特点是：环网结构，开环、弱环网或辐射状运行，呈树状结构。一般网络结构是以110 kV变电站的高压母线为根的树型网络，在这样的网络结构中，设备调节只会对本树枝上的节点电压和无功分布产生显著的影响，而对其他树枝的影响是微乎其微的[8]。

高压网的无功优化是先将整个电网根据其拓扑关系划分为树根与树枝，并在每个树枝内，确定变压器之间的父子、兄弟关系。根据无功就地平衡原则，对由第一步所形成的树枝，从其末端站开始，按照由下游站到上游站的顺序，对每个变电站逐步采用精细划分的九域图原理得到调控策略，如果给出的调控策略是投切本站的电容器，则作为待执行的调控策略。由于一条树枝上的电容器投切，会影响其上游站所有变电站的电压和无功，所以其上游站全部要闭锁，需等待下一个调节周期。但其兄弟站不闭锁，可以允许产生投切电容器的策略。

如果下游站给出的调节策略是变压器调档，则需要综合其所有兄弟站的调节策略，如果大部分兄弟站给出的都是相同的调节策略，即都是本站的升档或者降档，则调节其上游站的变压器档位，否则调节本站的变压器档位。

一般中压网无功优化的调节可根据中压线路的装置分布，一台无功补偿装置形成一个调控单元，在此调控单元中根据设定的电压限值、补偿装置的容量和系统当前运行的电压水平以及无功流量大小，决定系统在改进的九域图原理上运行的位置，然后根据运行的位置，决定无功容量的投切。另外，也可将中压的无功优化做成一个相对独立的系统，和高压变电站中的无功优化系统的交互只是通过10 kV出线开关上的无功量测来进行[9]。变电站的无功补偿根据变压器高端的无功和10 kV母线的电压进行，而中压线路上的无功优化则是根据中压量测装置的电压和无功量测来进行；在优化的过程中，可根据设定是否允许10 kV线路向变电站倒送无功容量，如果不允许倒送无功容量，则在10 kV的中压线路上可以选择性地切除电容器。

4 结语

无功优化规划与控制系统的建设模式已经在陕西地区得以应用，做好无功优化的规划和控制系统的建设，必将成为维持电力系统的无功稳定、提高功率因数、减少电能损失、改善地区电网的电能质量和提高电力企业的经济效益的重要技术措施。

[1] 王薇,苏煜.改进遗传算法在电力系统无功优化中的应用[J].电网与清洁能源,2008,24(4):75-80.

[2] 段金长.改进遗传算法在电力系统无功优化中的应用[J].电网与清洁能源,2008,24(6):15-20.

[3]丘文千.含有离散变量的无功优化问题的混合优化方法[J].南方电网技术，2010(1):87-90.

[4] 孙宏斌，吴文传，张伯明.安全约束下的全局无功最优控制的仿真研究[J].电力系自动化，1999，23（5）：4-8.

[5] 孙宏斌.电力系统全局无功优化控制的研究[D].清华大学硕士学位论文，北京：清华大学，1996.

[6] 郭庆来，吴越，张伯明，等.地区电网无功优化实时控制系统的研究和开发[J].电力系统自动化，2005，26（13）：66-69.

[7] 潘哲龙，张伯明，孙宏斌.分布计算的遗传算法在无功优化中的应用[J].电力系统自动化，2001，25（12）：37－41.

[8] 程亮，苏义荣，谢敏.高中压配电网全局无功电压优化的研究和开发[J].江苏电机工程，2005，24（1）:38-40.

[9] 吴福保，侯保永，李贵民，等.ON2000一体化配网综合调度自动化系统[J].电力系统自动化，2002,26(22):70-73.