基于负荷曲线分段的配电网无功优化策略

国网三门县供电公司 郑建宏

配电网是电力系统中直接向用户供电的重要环节，但是其结构和运行特性决定了系统节点电压质量和线路损耗问题突出，特别是在考虑到负荷波动的影响下，往往难以达到系统运行的优质性和经济性要求[1]。所以有必要寻求有效无功优化补偿策略，以改善配网系统电压质量和提升运行经济性[2]。在电力系统中配电网担负着为广大用户输送电力的任务，其具体结构及实际特征构成了在整个系统中节点的电压运行质量同线路运行损耗问题，再加上负荷运行波动所带来的影响，通常无法实现系统运行需达到的经济性目标和优质性要求。因此需找到有效的无功功率优化解决方案，以保障配网供电系统电压运行质量，实现电网经济增收[3]。

关于电网存在波动性的负荷问题，采用无功功率分时、分段进行补偿的办法予以解决，不但可以有效改善电压运行的稳定性，还具有较好的经济效益。通过研究分析验证了此算法不仅可以实现电能的有效节约，还具有控制方法简单，实施策略具有一定的安全性和有效性的特点。

1 无功补偿方式及无功补偿电容器安装运行过程中的安全问题

无功功率补偿的原理是在电磁元件电路中按比例安装电容器，因此两个电流相互补偿，电流矢量和电压矢量之间的夹角减小，从而提高电的工作能力，目前一般有三种补偿方式。

中央补偿。补偿电容器组装在变电站的母线上，可手动或成组自动补偿。结合电网的实际情况，选择功率因数、电压、无功等不同的补偿方式，电压和无功综合控制或电压控制和电压和无功综合滤波器；动态无功补偿。晶闸管控制电容器的转换，该控制方式的反应速度一般为20kg，切换时无充电电流和过电流。然而由于晶闸管的物理传导电压特性，电容器的转换将产生谐波；供电线路无功自动补偿分组。一般用于厂矿企业低压部分和配电变压器的就地补偿。在考虑无功补偿方法的选择时，为充分发挥发电和供电设备的潜力，并尽量减少发电机的无功能量生产，变电站应首先补偿用户所需的无功功率和电网中的无功功率损失，从而提高供电网络各部件允许温升和允许压降的输送能力，减少网络电能损耗。

安装接线必须符合技术要求。对于带中央补偿的电容器组，将建造一个单独的电容器室，该电容器室应通风良好并防止阳光照射。电容器组通过断路器和电缆连接到母线。对于中型点式间接接地系统，当电容器采用星形接线时，为避免系统单相接地电压升高其外壳将与地面绝缘，绝缘程度将与电网的额定电压一致。

环境温度的影响。电容器的工作温度是操作人员的重要监测元件。温度不超过允许范围是确保电容器安全运行和达到预定使用寿命的重要前提。工作温度过高导致介质击穿力降低或介质损耗迅速增加。如温度继续升高将破坏热平衡并导致热中断。在低温下电容器内部会有负压，自由电压会下降。所以不同地区的能源元件将根据当地气候条件和电容器技术法规的要求选择相应的型号，以确保安全行动的细节。

电容器过载风险。该法规规定电容器可以在1.1倍额定电压下长时间运行，但在许多情况下，夜间钻孔的工作电压通常高于规定的允许电压，工作过电流会影响电容器的寿命。发现电容器的寿命与电压的7～8次方成反比。如果电压增加15%，在额定电压下运行时其使用寿命可降低到32.7%～37.6%。为避免实际运行中的过电流，设备选型时应优先选用额定电压最高的电容器，容量差小的电容器应在同一相位串联，三相差不应太大。应正确选择电容器组专用断路器组，一般为真空断路器等。此外应尽可能减少电容器组的开关次数，以避免操作过电压的频繁影响。

2 电网运行的无功功率优化补偿模型

2.1 负荷运行曲线不同分段特点分析

通常根据负荷运行曲线的具体条件，通过负荷运行水平以及曲线的不同趋势和调压补偿设备动作的次数要求，首先把分段数定下来，然后再对负荷运行曲线加以分段。由于需要利用无功调节功率的电网运行实现对有功的损耗减少目的，因此要采用无功曲线变化的方法完成分段。通常情况下，电网有功与无功的运行变化大体相同，故而两者能够兼顾，实际分段较容易[4]。在达到无功分段控制装置限定次数条件下，实际分段数由负荷运行曲线状况决定，分段越细其有功的损耗就会越小。其中负荷运行曲线的实际分段同负荷的实际水平、曲线运行变化、调压设备次数限制等因素密切相关，通过调节无功运行功率的实际损耗比有功的实际损耗小，因此在进行实际调节时要首先查对无功运行负荷的曲线分段。

通常有功和无功运行的曲线不会存在很大变化，对有功的实际功率进行调节时可参照无功分段的实际情况进行调节。把无功补偿装置运作的次数确定下来，具体分段数则要看曲线实际运行变化的情况而定，这时电网有功功率消耗的越少其运行效率就会越高。

2.2 目标设定函数与制约条件

当分段和负荷点得到确定后，再选择科学的方法计算得出各个时段下所耗电能的实际情况，同时根据计算得出的结果提出控制今后电能消耗的具体策略，如采用具有代表性负荷点加入研发设计，其两点间所用的电量须同分段时间存在必然联系，在做好电量的函数目标值确定工作后要制定出相关的制约标准。比如各个时段需达到的电压、电容需补偿的具体容量、变压变电器的调节与操作等都要达到设计标准，尤其是调节补偿设备，只有将各个设备之间不同的用电需求处理好，才可真正达到对电网进行无功功率优化升级的目标。

2.3 配电网运行中无功功率优化补偿

采取最小的负荷办法确定适合无功用电功率的最佳补偿标准。如今配电网在实际运行中采取无功功率的补偿设备无法实现补偿的容量调节，为防止出现无功倒送功率问题，通常会采取负荷最小的办法计算潮流，同时把补偿点持续流出的无功量作为整点补偿的总容量，以便实现整个运行配电网补偿功率的最大化。

优化后的算法步骤。据PSO 变异模拟算子方法做步骤分解：录入初始数据，主要分为配电网各项参数和负荷信息数据及所对应的无功粒子群补偿算法标准等。在初始化过程中需设置迭代次数、即m=0，同时根据设定次数确定补偿的位置和具体点数，并对所有节点速度开始初始化的随机性作业。完成其最小的负荷量计算。采取与其相适宜的算法获取补偿点总的补偿量并完成最大的负荷量测算，由此判断需不需要新增补偿点，从而求出所对应的函数值。然后计算出粒子群中每一个粒子的速度和更新以后的所处位置，并检查更新粒子位置后它的变量是否发生越线，当通过检查粒子已发生越线就须对其进行限制，同时要进行判断变异的算子是不是已经达到启动的条件，当达到条件时要启动变异的算子排除局部的优化，另外要对历史粒子位置的优化和全部的位置优化实施更新。

3 供电网络无功功率分时分段进行控制的策略

3.1 两阶段的优化形式

两阶段进行优化的主要形式是，调度前进行相应预先的优化和实时的优化，其中预先的优化主要是利用预测供电网络负荷大小，再进行供电网络调度的周期统计与计算，随后再利用统计与计算的结果进行实时的优化，实时进行供电网络的调整，不仅可对电网无功功率进行控制与管理，同时还能防止信息的失真，最终达到供电网络无功功率优化的需求[5]。

3.2 预先进行优化的统计与计算

预先进行优化计算的实施主要是根据模型进行的，同时依据各项数据建立相应的目标参数和约束的条件。在实际的计算中无需考虑实际工作次数，且调度周期设定成24小时，同时应用遗传的算法对各个阶段无功功率的优化进行计算，并将预先进行优化出的结果当做实时进行优化最基础的数据，在进行各阶段无功功率优化计算时，还要进行设备使用的数量和调控设备次数的记录，最终通过各方因素的分析获得精准结果。在设备调控过程中，设备显示1时证明调控动作，当设备显示0时证明调控没有工作。设备工作限动的次数和电气设备实际工作的寿命及使用的寿命存在必然的联系，设备使用的限动次数的计算是和设备所使用年限以及设备运行次数相关。

通过计算获得相应结论如下：当在动作限制次数范围内工作，分段控制越多其电网供电电能的损失将会越小，可是分段控制的次数越多、会出现降低补偿设备的使用寿命。因此要依据实际控制复杂的程度及经济性确定分段控制的数量，一般在一个荷峰及一个荷谷情况下可选择两个到四个分段控制；依据供电网负荷实际变化情况，通过调压型变压器调解电压，不但可降低供电网络的损耗，同时还可减轻补偿设备中电容投入；在供电网络中须考虑可调变压器存在的铁损，从而达到优化降低供电的损失，提高供电电压的质量以及达到控制过程的简单化。

3.3 实施多目标无功功率的优化

实施多目标无功功率的优化，其具体实现要分成三部分达到：首先须进行多目标确定，为确保调控优化后的结果具有一定的精确性，在实际计算中须应用多目标进行计算，要综合使用各个目标进行函数目标的建立，然后依据函数目标实际参数确定决策；其二进行必要的计算工作，在进行多目标实时调度时，须区分出多目标中的权重问题，对比出目标存在差异的不同点，随后把各个目标存在的差异利用矩形列阵表现出来，然后再根据矩形列阵求出矩形的行列及矩形的列阵，列阵的最终结果就是权重；最后进行结果评定和设定动作的阈值。供电网络中，当供电网出现非常大的损耗时控制设备会发出损耗报警，要想能有效提高供电网络使用的效率、减轻供电网络在供电状态下的损耗，须对控制系统进行必要的优化及报警阈值的设置。

报警阈值的设定步骤由三部分组成：首先确定当前网络正常，网络是否正常和电压存在偏差、各个时段之间的负荷及系统设备网络存在直接的联系，当相关数据到达相应数值时系统会立刻利用网络对控制系统进行必要的优化。

图1 配电变低压端机电一体开关无功补偿装置接线图

其次进行报警阀值的调节，报警阈值是利用优化的结果计算进行报警阈值的确定的，当系统发出控制指令时报警阈值自动会进行相应的优化。

最后对计算的结果进行分析，在供电网络无功功率相应的数据计算低于报警阈值时表明供电网络运行非常好，这时不需对控制系统进行相应的优化，但在实际的计算过程中存在相应的误差，因此为确保计算的优化结果具有一定准确性及一定的精确性，在进行两段形式优化同时，还要实施分段控制的遗传算法的策略。

4 结语

为达到降低供电网络运行的压力、减小供电过程中对电能的损耗，本文通过研究提出了分段进行优化的控制形式。针对已经安装无功补偿设施的供电网络，提出24小时无功补偿优化策略，这种分段控制与不分段控制相比，更加容易解决受到调压补偿设备动作的次数以及节点处电压等制约，能够兼顾各阶段负荷变化情况，并能减小供电网络有功功率的损失，其控制的形式非常方便。