某区域电网智能无功优化系统设计

李纪辉，张 帆

(1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011;2.湖南大学，湖南 长沙 410082)

某区域电网智能无功优化系统设计

李纪辉1，张 帆2

(1.华北水利水电学院，河南 郑州 450011;2.湖南大学，湖南 长沙 410082)

某区域电网负荷逐年快速增长，出现主变总容量不足、无功补偿设备技术落后、补偿效果不好等问题，这些问题集中表现在电压质量降低上，故对此区域电网进行智能无功优化系统设计.通过合理配置底层无功补偿设备，并建立无功补偿设备的上位优化控制系统，实现了对该区域电网的智能无功优化控制.

无功优化;补偿节点;补偿容量;无功补偿经济当量;电压无功控制装置

电压质量直接关系电力客户的正常用电，是保障供电服务的基本条件.随着居民消费水平的提高，用电量快速增长，低压用户在用电高峰时段电压偏低(简称“低电压”)的现象在个别地区非常突出，已不能满足用户正常用电需要.

据调查，该区域电网35 kV，110 kV变电站，昼夜负荷变化2～5倍，有时会更大.而多数地区农村电网沿用老式的固定补偿方式，补偿装置不能跟随负荷变化自动跟踪调节，经常出现负荷高时欠补、负荷低时过补现象.大量的无功功率需要从输电网流向农电网以及末端，造成较大的电压降低，出现农电网“低电压”现象.部分10 kV线路功率因数在0.6～0.8，电压降低率20% ～25%.400 V线路功率因数更低，电压降低更为严重，负荷高峰时有的用户可能低于130 V.笔者基于此区域电网现状，提出了区域电网智能无功优化系统设计.

1 该区域电网现状

电网规模:该区现有220 kV变电站1座，主变2台，容量120 MVar+150 MVar;110 kV变电站2座，主变容量40 MVar+31.5 MVar;到目前为止，该区在建35 kV变电站12座，主变21台，容量210.25 MVar;在建35 kV变电站1座，主变1台，容量10 MVar.

该区110 kV变电站无功补偿容量10.2 MVar，占主变总容量的11.1%;35 kV变电站无功补偿容量为18.151 MVar，占主变总容量的 14.53%，低于15%的要求，且变电站目前10 kV并联电容器没有采用电压无功控制(VQC)自动补偿装置［1］，电容器投退不平滑，导致电压波动.100 kVar以上公用变80%装设了低压电容器，但由于运行年限过久，大部分低压无功补偿装置都已经损坏不能使用，再加上变压器的增容，补偿容量明显不足，且自动化程度低.

2 智能无功优化控制系统方案设计

2.1 工作原理

基于该区域电网的现状，在对该区域电网进行无功优化时，按照“分层、分区”原则，先对整个电网进行分级处理，然后再分别对各级逐个优化，同时考虑上下级之间的相互影响.下面介绍具体的实施方案，工作原理如图1所示.

1)根据电压等级和网络拓扑，分层、分区保障无功平衡［2］.正常情况下，各补偿节点的无功补偿设备，依据节点参数自动运行，保证节点的无功平衡、电压合格，上级系统监视其运行.特殊情况下，上级系统按区域优化策略发出指令，就近调度其他补偿节点无功储备，支撑区域无功平衡，保证供电区域的电压合格.

2)以配变低压侧0.4 kV作为配变补偿节点，以10 kV线路作为线路补偿节点，35 kV/110 kV变电站作为站级补偿节点［3］，各节点独立闭环工作［4］，实现节点电压无功的优化控制;子站依据站属区域无功潮流，优先调度各补偿节点无功储备，达到各配电线路至站属区域内部无功平衡的优化目的.

3)以无功优化控制中心为系统主站，协同、控制子站，实现区域电网智能无功优化控制［5］.

图1 区域电网智能无功优化系统控制原理示意图

2.2 体系架构

主要由系统主站、子站、变电站补偿节点设备、线路补偿节点设备和配变补偿节点设备构成.其中，各节点设备负责就地无功平衡［6］，子站负责管辖站属区域无功平衡，系统主站负责协调整个电网无功平衡.物理体系架构如图2所示.

图2 物理体系架构

2.2.1 各节点设备

各节点设备指变电站补偿节点设备、线路节点设备和配变节点设备，其中变电站补偿节点设备配置在35 kV/110 kV变电站;线路节点设备配置在10 kV线路上;配变节点设备配置在配变低压(0.4 kV)侧.各补偿节点的无功补偿设备作为第一级控制，依据节点参数自动运行，独立闭环工作，保证节点的无功平衡、电压合格以实现节点电压无功的优化控制.

2.2.2 系统子站

系统子站作为第二级控制，按区域优化策略发出指令，就近调度其他补偿节点无功储备，支撑区域无功平衡.以无功就地平衡、电压最优为依据，综合利用现代通信技术、自动控制技术、短期与超短期负荷预测等手段，完成对变电站无功补偿设备、线路无功补偿设备、配变低压侧无功补偿设备的优化协调控制，实现变电站、线路、配变无功电压的三级联调，增强电压调控能力，改善供电质量.

2.2.3 系统主站

系统主站作为第三级控制，为无功优化控制中心.以安全和经济协调的全局优化为主要目的，在线给出最优运行点，保证电网始终运行在最优运行点周围，偏离不大.对负荷潮流和电压水平进行预测，对二级控制进行触发控制，保证操作次数满足约束要求，实现2个控制级之间的协调.

2.3 网络通讯架构

通讯网络由专用和无线专用通讯网络组成.专用通讯网络负责系统主站与子站之间、子站与站级补偿节点之间的通讯联络.3G，GPRS，CDMA等借助无线专用通讯网络数据传输技术，通过通讯服务器，实现线路节点和配变节点实时数据传输，便于子站对其站属区域无功潮流的协调控制，如图3所示.

图3 网络通讯架构

2.4 软件架构

控制系统软件体系由基础平台层、集成平台层和应用层3部分组成.基础平台层由计算机、操作系统、数据库及中间件4部分组成.集成平台层包括集成设施(通讯中间件、服务监控管理)，集成工具(图库建模、数据维护、模型编辑、安全配置)，集成服务(模型服务、实时数据服务、历史数据服务、事项服务及电子报表服务)，集成框架(图形框架、图标框架)及二次开发包.应用层由数据采集与监控、无功优化控制、人机会话及报表打印、WEB信息发布、辅助决策及模拟仿真训练6大功能模块构成.

3 实际效果

3.1 预期目标

该项目旨在改善该区域电网的整体供、用电环境，提高电网传输能力，提升管理水平，有力保证电网安全、合理运行.达到的实际效果如下:提高功率因数;变电站功率因数提高到0.95以上;线路功率因数提高到0.95以上;配变低压侧负载功率因数提高到0.95以上;降低线路损耗，本项目实施后，将大幅减少无功电流的传输，线路损耗能够比原来降低30%以上;提升电压水平，将部分存在“低电压”现象的配电台区，低压侧电压提升10%左右.

3.2 效益分析

3.2.1 计算依据

1)采用无功补偿经济当量法［7］，也就是将无功电流折算成有功电流，无功电流造成的损耗可以通过有功电流来计算.

2)无功补偿经济当量取值参照国家标准GB/T13462《变压器经济运行导则》、GB12497《三相异步电动机经济运行》的规定，并依据低值选取.

3)假定设备利用率75%，每度电价按0.56元计算;110 kV变电站无功补偿经济当量C110=0.03，年满负荷用电时间T=4 600 h;35 kV变电站无功补偿经济当量C35=0.05，年满负荷用电时间T=3 800 h;10 kV线路无功补偿经济当量C10=0.08，年满负荷用电时间T=3 200 h;0.4 kV配变无功补偿经济当量 C0.4=0.10，年满负荷用电时间 T=2 600 h.

4)110 kV和35 kV变电站站级补偿装置19套，安装容量分别为13 500 kVar和25 800 kVar;10 kV线路无功自动补偿装置36套，安装容量4 170 kVar;400 V配变补偿设备1 060套，安装容量55 800 kVar.3.2.2 直接经济效益分析

1)110 kV变电站补偿节点节约电量=13 500×C110×75% ×4 600÷10 000=139.73(万 kW·h)，每年可节约资金78.3万元.

2)35 kV变电站补偿节点节约电量=25 800×C35×75% ×3 800÷10 000=367.7(万 kW·h)，每年可节约资金205.9万元.

3)10 kV线路补偿节点节约电量=4 170×C10×75% ×3 200÷10 000=80.1(万kW·h)，每年可节约资金44.84万元.

4)0.4 kV配变补偿节点节约电量=55 800×C0.4×75% ×2 600 ÷10 000=1 088.1(万 kW·h)，每年可节约资金609.4万元.

4 结语

1)“低电压”是电网无功补偿不足的具体表现，做好无功优化补偿，减小或消除无功电流，是提高和稳定电网电压的切实可行的技术措施.

2)文中设计依据是电压等级和网络拓扑，分层、分区保障无功平衡，并依据专用通讯网络和无线专用通讯网络，实现了系统主站与子站之间、子站与站级补偿节点之间的通讯联络和线路节点与配变节点的实时数据传输，构建了由基础平台层、集成平台层和应用层3部分组成的软件体系.最终建成结构合理、技术先进、安全可靠、高效实用，满足电网无功优化要求的“区域电网智能无功优化系统”.

3)该设计符合国家发改委“全面规划、合理布局、全网优化、分级补偿、就地平衡”的电网改造升级技术原则，具有很强的实用性，对解决普遍存在的区域电网无功补偿效果差的现象有针对性和借鉴性.

［1］刘志超，陈宏钟，张伟，等.基于专家系统的变电站电压无功控制装置［J］.电力系统自动化，2003，27(2):74－77.

［2］李东海，李书琦.电力系统无功优化综述［J］.电气技术，2011，30(20):46 －49.

［3］赵俊光，王主丁，张宗益，等.基于节点补偿容量动态上限的配电网无功规划优化混合算法［J］.电力系统自动化，2009，33(23):69 －73.

［4］常华，王津.无功优化的典型问题［J］.农村电气化，2005(12):43－44.

［5］牛宇干，王昱力.地区电网无功优化辅助决策管理系统研究［J］.武汉大学学报:工学版，2011，44(6):770－772.

［6］赵万明，席建中.农村电网无功补偿与无功优化的探讨［J］.农机化研究，2011(11):221 －223.

［7］狄晓渊.变电所无功补偿节能［J］.湖北水利水电职业技术学院学报，2007，3(3):47 －49.

Design on a Regional Power Grid Intelligent Reactive Optimal System

LI JI-hui1，ZHANG Fan2
(1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.Hunan University，Changsha 410082，China)

In a region，the power grid loads rapidly increase year by year，the total capacity of the main transformer lacks，and the technology of reactive power compensation equipment are backward and poor compensation effect.All these problems focus on the performance of the reduced voltage quality.Thus，intelligent reactive power optimization system design is applied to power grid of the region.Through the rational allocation of the underlying reactive power compensation equipment，and the establishment of the position optimization of reactive power compensation equipment control systems，the intelligent reactive power optimization control is realized in the power grid of the region.

reactive power optimization;compensation node;compensation capacity;reactive power to compensate for the economic equivalent;voltage and reactive power control device

1002－5634(2012)03－0055－04

2012－02－30

河南省科技攻关计划项目(102102210219).

李纪辉(1982—)，男，河南沈丘人，硕士研究生，主要从事电力系统规划与安全运行方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)