电网无功电压运行优化与分析系统研究与应用

石　磊，林哲敏，罗亚桥，徐　斌，计长安，洪　伟，桂国亮，郑国强，谢毓广，郭　力，李　辉，李　娟，张伏治

(1. 国网安徽省电力公司电力科学研究院电网技术中心，合肥　230601；2. 国网合肥供电公司，合肥　230061)



电网无功电压运行优化与分析系统研究与应用

石磊1，林哲敏1，罗亚桥1，徐斌1，计长安1，洪伟1，桂国亮1，郑国强1，谢毓广1，郭力1，李辉2，李娟2，张伏治2

(1. 国网安徽省电力公司电力科学研究院电网技术中心，合肥230601；2. 国网合肥供电公司，合肥230061)

摘要：电力系统的无功优化分析是电力系统研究的重要课题之一。针对无功优化问题，结合安徽省电网无功电压运行优化与分析系统的建设和运用中面临的情况，阐述了无功优化模型的建立和基于无功数据的挖掘分析及系统主要功能、关键技术。安徽省电网无功电压运行优化与分析系统已部署成省级无功综合管理平台，通过接入主网、及地市配网无功数据，建立优化模型及算法，通过提高全省电网无功的管理水平来提高电网电能质量及效益水平。

关键词：电网；电能质量；无功补偿；无功优化与分析

无功虽然不传递能量，但是却会影响电网的电压。为保持电网电压的稳定，通常会在电力系统中进行无功补偿。随着电能质量的持续建设，安徽省在电网无功电压优化的研究上不断投入，部署了电网无功优化与分析的综合系统平台，通过接入全省无功数据进行电网无功优化与分析的研究、应用。本文将以此为例，探讨通过建立一个无功数据综合管理和分析的系统平台，利用计算机技术对建立的无功优化模型使用不同的算法进行验证。从数据的不同视角进行多层面分析，发现问题、达到优化无功的目的。在保障电网安全运行的大前提下，做到进一步降低损耗，提高电能质量水平及电力系统的无功补偿与无功平衡的管理水平。

1现状与趋势

我国作为全球第二大经济体，各行业的发展速度都很快。作为经济发展动力的电力系统，也在迅速增长。为了应对电力系统在无功优化上面临的挑战，提高无功优化水平，需要不断加大对电网系统无功优化上的投入。

随着自动化技术、计算机技术、互联网技术的日益成熟，我们应该思考如何利用这些新技术来完成对电网系统的改造。同时不能局限于传统的安全监控和数据采集系统，需要综合电网无功电压数据采集、大数据分析、无功优化决策控制的综合性系统平台。在现有的自动化系统基础上进行无功数据采集、无功优化计算，无功数据分析等无功管理活动。

电网无功电压运行优化与分析系统平台以导入主网、配网中的无功数据为基础，通过建立无功优化模型、提出相应的算法，指导相应的调度人员安排运行方式，提高电力系统无功优化水平。

2无功优化模型与算法

传统意义上的无功优化都是以有功网损最小作为目标，在电网结构和负荷给定的情况下，为了达到在满足各种约束条件下，最小化电网系统的损耗的目标,常用的做法是通过调节电容器的安装位置和电容器的容量等方式来进行无功补偿，这种优化方式最大化了电网效益，但是其局限性在于只追求经济效益常常会使得系统运行在临界状态，系统长期运行在这种状态中必然对其稳定性造成影响。在日趋多元化的效益要求下，不能局限在经济性上，也要把电压质量水平作为重要因素进行考虑。

电力系统的无功优化问题不是简单的线性、等式约束的问题，而是一个高度复杂的优化问题。集中了非线性的、连续量与非连续量、等式约束与不等式约束的复杂模型。需要借鉴传统意义上的无功优化模型，同时达到最小的网损、最优电压质量的述求。并通过对大量的无功数据的统计分析，找到目标优化模型的最优解。

(1)以有功网损最小为目标

电能输送过程中以热能形式提供的功率消耗是有功网损，即电阻、电导消耗功率为有功功率。有功网损的大小可用于衡量电网建设成熟化程度和管理水平高低，从经济性角度出发，以系统的有功损耗最小为目标函数。

目标函数可表示为：

minΔW

(1)

有功网损：

(2)

式中P——有功功率；Q——无功功率；ΔW——有功网损。

可以看出，无功功率和有功损耗是成正比例的变化关系。即在电网中有功功率保持不变的条件下，当无功功率越大，有功损耗就越大。当无功功率越小，总的有功损耗就越小。

无功功率的流动使得有功损耗上升，所以为了达到降低电网中有功损耗的目的，需要尽量减少、限制无功功率在电网中的流动，就地补偿无功功率。

把电力系统有功损耗最小化是无功优化问题中最常用的目标函数，针对此目标函数，合理降低函数中的能够调节的变量值可以目标得到函数的最优解。这种设定方法是假定电网系统中电能的传输容量拥有足够可调节范围的情况下进行演算验证的，当不满足这个条件时，就应该考虑其它因素的影响。

(2)以电压质量最好为目标

知道电力系统中无功功率和电压水平的强相关性就是要让电压保持在额定值范围内就必须使无功功率的输出能够满足要求。在系统电压较高时，此时线路两端的电压相位角差比较小，对应的cosθ近似等于1。

把电压质量最好作为目标，则目标函数应以节点的电压值在偏离期望值的平方和最小来计算。以往在只考虑电压的限制因素的条件下，往往造成电压过于接近极限值，及其容易促发不稳定的结果，因此需要避免这种情况。

目标函数可表示为：

(3)

无功数据综合管理和分析的系统通过对无功投切、电压变化等数据的采集和分析，从降低有功网损，维持合理的电压水平多个方面探讨无功优化问题。

3主要功能及分析技术

3.1无功数据导入与管理功能

通过导入E语言数据文件，分别从省公司调度系统、地市调度接入500、220、110 kV和35 kV主网和配网的变电站设备信息及相关数据信息。通过导入Excel数据文件，从PMS系统获取并导入电容电抗信息。系统通过对在无功数据进行时间上的分级，地域上的分层等方式，不仅更符合人的视角，对数据的呈现也接近实际情况，便于后期数据的查看及分析，充分挖掘数据背后的实际价值。根据设备的类型、地域、时间等条件对导入的数据进行分类保存，并提供查询、编辑等基本功能。

图1　无功数据导入数据来源

导入变电站相关、主变(变压器)相关信息、母线相关信息、线路相关信息、电容、电抗相关信息以及相关电压、电流、有功、无功等数据。

导入包含变电站站间关系、变电站内部设备关系数据的XML数据文件，用于电网架构图的生成，把数据逻辑形象化、图形化。

具体的数据来源如图1所示。导入的数据作为整体平台的数据基础，为系统提供科学分析的数据依据。

3.2形成架构图

根据从省调度系统、地市调度系统导入的500、220、110 kV和35 kV变电站设备数据信息形成主网、配网架构图。采用架构图的方式把分散的变电站、单纯的数据信息按照地域、电压等级进行划分、用图形化的方式展示变电站与变电站之间的实际关系。是数据从抽象化到形象化的还原。同时也形成变电站内部的架构图，还原变电站内部设备的连接布置、线路的连接情况、无功设备的安装情况。

通过对电网架构图形化的方式不仅更加直观，也利于使用者对全局情况的把握，形成紧密的、层级关联的电网架构关系。

3.3无功分析计算

对电力系统无功优化涉及到需要什么样的无功设备、需要多少设备、怎样合理的调节无功设备这些具体的问题上，本文主要探讨通过已有无功设备的合理调节来达到有功损耗下降、电压质量提高、稳定性增强的目标。

除了需要注意无功优化问题涉及到非线性、多变量、多约束的特点，还需考虑到时间上的分级，地域上的分层，对无功优化问题的影响。这些因素都是在电力系统无功电压的优化过程中需要考虑的。而且各因素所占的重要程度也不一定完全一致，还需要更进一步的研究。

(1)约束条件

无功优化的约束条件是包含等式约束和不等式约束，无功的优化问题就是求一个多变量有约束非线性目标函数的最优解问题。以降低电力系统的损耗、提高电压质量水平为目标，通过安装无功设备并合理调节无功设备来实现无功优化。

电网是用着有功的输送，电网上输送的有功和电力成正比例关系，二者同一个方向变化。在研究无功优化问题时，实际上是在电网有功基本确定的前提条件下进行的。对于节点电压必须满足：Umin

(2)分析计算

根据《电力系统电压和无功电力技术导则》及其它相关无功管理规定，通过接入各电压等级的变电站无功数据，及时发现无功不足的变电站，为后续无功优化及相关设备更新或新增提供数据支撑。对历史无功数据的同比、对比分析，计算系统的无功补偿及无功平衡，从而优化后续的无功补偿及无功平衡。通过功率因数曲线、变压器档位、电容器投入容量等的综合分析，从而优化分析电压合格率、功率因数合格率的关联关系，以真正分析电压不合格率的原因、分析无功补偿设备动作对电压的影响、分析无功补偿设备动作的效果、动作的及时性，为电压的运行优化提供可靠的数据支撑。

1)功率因数为总功率中有功功率所占的比例，是电力系统的一个重要的技术数据。其大小与电路的负荷性质有关。功率因数低的根本原因是电感性负载的存在导致设备的利用率降低。

功率因数的计算：

(4)

式中P——有功功率；Q——无功功率；S——视在功率；cosφ——功率因数；

电力用户功率因数应达到一定要求，有必要对达不到要求的功率因数异常情况进行统计。其中高压供电用户的功率因数需要达到0.90以上；其他100 kVA及以上电力用户，功率因数需达到0.85以上；农业用电功率因数需达到0.80以上。

2)要进行合理无功补偿，需要计算无功补偿设备总容量。电网中的安装的无功总容量应大于电网最大自然无功负荷，一般可按照最大自然无功负荷的1.15倍计算。

无功补偿设备总容量：

QC=1.15QD-QG-QR-QL

(5)

式中QC——无功补偿设备总容量；QD——最大自然无功负荷；QG——发电机的无功功率；QR——电网输入的无功功率；QL——线路的充电功率。

统计变电站无功设备无功装机容量及无功补偿容量之间的比例，可以掌握无功设备的利用效率情况及对其是否发挥了实际作用进行数据追踪和效果考核。

4结语

电力系统无功优化可通过无功补偿装置的优化规划和电压无功优化控制两方面进行保障。合理的无功补偿、电压优化使得电网系统的电压保持在额定范围的条件下达到网损最小的目的。

提高电力系统效率、经济性及电能质量水平作为保障国民经济持续、高效运行的基本保障，是电力系统研究的主要方向之一，而做好电力系统无功补偿和无功平衡对电网效率及电能质量整体的提升都有着重要的意义，通过在电网系统中进行无功平衡和对无功负荷的优化补偿,让电网系统运行在一个更有效率的状态下，保障国民经济的顺利发展具有积极的意义。对于一个越来越庞大越来越重要的系统，我们对其依赖性也越来越高。因此保证其稳定、高效地运行对提升社会经济效益影响深远。

参考文献：

[1]SD325.电力系统电压和无功电力技术导则[D].

[2]熊宁，陈恳，戴伟华.基于禁忌算法的多目标无功优化[J].继电器,2006,34(24):21-25，32.

XIONG Ning, CHEN Ken, DAI Wei-hua. Multi-objective optimization based on tabu algorithm[J]. Relay, 2006,34(24):21-25,32.

[3]庄侃沁，李心源.变电站电压无功控制策略和实现方式[J].电力系统自动化,2001,25(15):47-50.

ZHUANG Kan-qin, LI Xing-yuan. Strategies and implementation modes of voltage and reactive power control for substations[J]. Automation of Electric Power Systems,2001,25(15):47-50.

[4]胡彩娥，杨仁刚.考虑电压稳定的电力系统无功优化规划[J].高压技术,2005,31(9):20-23.

HU Cai-e, YANG Ren-gang. Optimal planning for reactive power with voltage stability[J].Power System Protection and Control,2005,31(9)：20-23.

[5]宋明曙.电力系统无功优化分析[D].济南：山东大学，2008.

[6]黄安平.智能电网下电压无功优化协调控制研究[D]. 广州：华南理工大学，2011.

[7]谢天夫.基于改进小生境遗传算法的配网无功优化研究[D].沈阳：东北大学，2010.

[8]王晓磊.多目标人工免疫算法及其在无功优化中的应用[D].沈阳：东北大学，2008.

(本文编辑：杨林青)

Research and Application of Grid Reactive Voltage Operation Optimization and Analysis System

SHI Lei1, LIN Zhe-min1, LUO Ya-qiao1, XU Bin1, JI Chang-an1, HONG Wei1, GUI Guo-liang1, ZHENG Guo-qiang1, XIE Yu-guang1, GUO Li1, LI Hui2, LI Juan2, ZHANG Fu-zhi2

(1. Grid Technology Center of Electric Power Research Institute, State Grid Anhui Electric Power Company, Hefei 230601, China;2. State Grid Hefei Power Company, Anhui Provincial Electric Power Company, Hefei 230061, China)

Abstract:Power system reactive power optimization analysis is one of the important hot topics in the field of power system. For reactive power optimization problem, and in combination with the construction and operation of Anhui Power Grid reactive voltage operation optimization and analysis system, this paper describes the establishment of reactive power optimization model and the main functions and key techniques of the system based on the analysis of reactive power data mining. Anhui grid reactive voltage operation optimization and analysis system has been deployed as the provincial-level integrated management platform. Based on the main grid access and local distribution network reactive power data, optimization model and algorithm are established; the grid power quality and benefit are improved by raising the provincial grid reactive power management.

Key words:grid; power quality; reactive power compensation; reactive power optimization and analysis

DOI：10.11973/dlyny201602002

作者简介：石磊(1981)，男，工程师，主要研究方向为电能质量和电压无功在线监测。

中图分类号：TM714.3

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)02-0161-04

收稿日期：2016-01-20