区域电网系统用户电压质量优化补偿研究

任小航，易春磊，王世友，柴良明

(云南电网有限责任公司瑞丽供电局，云南，瑞丽 678600)

0 引言

配网电压质量直接关系到电力系统的安全与经济运行及电气设备的使用寿命，电压过低可能会引发电压崩溃，造成大面积停电[1]，还会降低设备的运行能力，增加设备运行能耗，烧毁用户电动机，引起电灯功率下降[2]。因此，配网的电压质量控制是供电企业迫切需要解决的难题[3]。

国外现状针对电压质量优化补偿的研究起步较早，国内研究起步较晚，最早在2000年容量为20MVA的首台SVG由清华大学与河南电力工业局合作开发并成功运行。吴丽珍等[4]提出了网络化分层协同优化控制方法，采用动态一致性算法获取全局平均值，调节电压和无功功率的偏差，以实现电压无静差控制和功率的精确分配，但是耗能较大；王坤等[5]在引入核密度估计分析方法的基础上运用R语言开发了基于核密度估计的电网电压质量分析系统，建立模型参数对电网电压质量进行分析，但是未对电压质量进行有效补偿。针对上述问题，本文提出区域电网系统用户电压质量优化补偿方法。

1 区域电网系统用户电压质量优化补偿研究

1.1 构建区域电网潮流计算方式

区域性电网系统用户分布较为均匀，以发电站的母线节点为基础[6-7]，在构建区域电网潮流计算方式时，以径向配电网基本单元为处理对象，选定的馈线支路结构如图1所示。

在图1所示的单元结构下，计算图1所示单元结构中节点的负荷的导纳电流总和，计算公式可表示为

(1)

其中，S表示节点各项符合功率，I表示节点各项流出电流，U表示节点各项电压，k表示迭代次数。根据上述的数量关系，计算基本单元中各个支路电流数值大小，计算公式可表示为

图1 电网系统基础单元结

(2)

其中，L表示各相电流，m表示一个支路，M表示一个集合。当电网中产生回代过程时，各个阶段的电压就可表示为

(3)

式中，U表示节点的各项电压。将上述的处理过程作为实际的潮流计算过程，以上述得到的电压数值为控制对象，将区域电网中的基础单元结构转化为整体性区域电网系统拓扑结构[8-9]，如图2所示。

图2 整体性区域电网拓扑结构

在构建整体性区域电网的潮流计算时，依次获取图2中代表不同拓扑层次的序号数据后，根据这些数据探寻各个节点电压的数量变化关系，根据该数量变化关系，优化控制电压质量。

1.2 优化控制电压质量

在优化控制电压质量时，以拓扑结构中各个点作为电压质量评估点[10]，根据配电网的运行方式构建电压偏差目标函数，目标函数可表示为

(4)

其中，Fi表示拓扑结构中第i个电压质量评估点的满意度，n为评估点的个数。在上述目标函数控制下，不同用户对电压质量的不同需求，筛选上述n个电压质量评估指标后，确定得到电压质量优化控制的主要目标是降低损耗。假设理想状态下的网损为PL，控制该网损值为最小，在上述计算式(4)满意度的控制下，网损最优评估函数就可表示为图3。

图3 满意度随网损的变化

由图3可知，在满意度数值的控制下[11]，区域电网产生的损耗可表示为

(5)

其中，gk表示各个电网支路上的电导数值，k表示区域电网支路的数量，vi、vj表示电荷水平，其余参数含义不变。在上述损耗数值的控制下，采用前述构建的潮流计算方式，设定一个变量控制约束产生的网损[12-13]，变量约束参数可表示为

(6)

其中，Qmin表示最小的无功功率，Qmax表示最大的无功功率，N表示节点数量。在上述约束参量的控制下，最终形成优化控制过程，可表示为

(7)

其中，Tg表示预设的最大网损数值，A表示控制参数，g表示控制代数，其余参数含义不变，优化控制电压质量后，针对未被控制的网损建立补偿策略，最终完成优化补偿方法的构建。

1.3 建立补偿策略

在建立补偿策略时，结合优化控制电压质量结果，假定周期内的有功功率为Pγ，补偿前的功率因数为cosφ1，补偿后的功率因数可表示为cosφ2，所以该补偿容量可表示为

(8)

其中，t表示补偿时间。根据上述计算式的各项处理关系，不断调控两项因数的大小，此时在高功率因数下，其补偿数值Q也相应地减少，故采用线损的方式来确定实际的补偿容量[14-15]，假设补偿过程中产生的有功及无功分量为IR、IX，在一定参数作用下，此时的补偿电流可计算得到：

I1=IR-IX

(9)

其中，I1表示补偿前的电流数值。补偿前的线路损耗可表示为

(10)

其中，R表示线路中的电阻值，其余参数含义不变。补偿处理后,线损降低的百分比的数值关系可表示为

(11)

在实际运行补偿策略时，首先确定区域电网中的线损指标，得到线损的数值关系，最终得到实际损耗数值，根据线路实际的线损数值，制定补偿策略，制定的补偿策略如表1所示。

表1 补偿策略

在表1的调节策略下，以实际的降损百分比为对比量，当降损百分比数值大于0.5且小于0.7时，使用表1中的策略3；当降损百分比数值大于0.3且小于0.5时，采用补偿策略2；当降损数值大于0且小于0.2时，采用表1中的策略1。综合上述处理，最终完成对区域电网系统用户电压质量优化补偿的研究。

2 仿真实验

2.1 实验准备

随机选定一个区域性电网系统，电网线路的结构如图4所示。

图4 实验采用的电网线路结构

使用通用实时仿真器(UREP)搭建在如图4所示的电网线路结构仿真模型，采用多核并行计算技术，分配4个处理器，配置图4各个节点的电压的出力电压数值，各个电压公变节点分配的电压数值如表2所示。

在表2的电压数值控制下，调节线路调压器退出运行后，电压调整结构如图5所示。

在图5的电压调整结构下，分别使用文献[4]方法、文献[5]方法以及本文设计的电压质量优化补偿方法进行实验，比较3种优化补偿方法的性能。

表2 电网线路节点分配电压数值

图5 电压调整结构

2.2 结果及分析

基于上述实验准备，以表2的分配电压数值为实验对象，控制各个节点的电压数值，在3种优化补偿方法控制下，在不同的节点处放置电压表，测量3种优化补偿方法可控制的电压数值，最终形成的实验结果如表3所示。

由表3可知，文献[4]中的优化补偿方法在节点处可控制的电压数值最小，文献[5]方法可控的电压数值较大，但这2种优化补偿方法可控制的电压数值均小于本文设计的优化补偿方法。

保持上述实验环境不变，未被控制的电压数值就是优化补偿过程中产生的损耗。根据该数值计算各个节点产生的损耗，以线路中各个节点产生的损耗为对比指标，统计并计算接入节点产生的有功损耗，3种优化补偿方法产生的功耗结果如表4所示。

由表4可知，在相同电网线路结构下，3种优化补偿方法产生的功耗数值结果不同，文献[4]方法和文献[5]方法中的优化补偿方法产生的平均功耗数值分别为262.4 kW和172.8 kW，而本文设计的优化补偿方法最终产生的功耗数值在98.6 kW左右。综合上述实验结果可知，本文设计的优化补偿方法可控制更大数值的电压，在实际优化补偿过程中消耗的功率数值最小，更适合实际使用。

表3 3种优化补偿方法可控的电压数值

表4 3种优化补偿功耗结果

3 总结

以区域配电网电压质量优化治理为目标，开展基于区域性电网系统用户的电网数据，建立优化补偿模型，研究越限特性；根据模拟数值得到不同参数下的补偿策略，改正了传统方法产生功耗数值过大的不足，完成了区域电网系统用户电压质量优化补偿的方法设计。通过仿真实验，验证了设计方法能够控制高达795.6 kV的电压，且消耗的功率较小，在98.6 kW左右，具有较高的应用价值。