低壓配電網(wǎng)的無功優(yōu)化補償

摘要：由于目前我國在配網(wǎng)中普遍采用的變電所低壓母線集中補償和配電變壓器低壓側(cè)集中補償?shù)确绞剑�不能補償?shù)蛪弘娋W(wǎng)中大量的無功損耗。該文針對低壓網(wǎng)的特點，從工程實際出發(fā)，提出了低壓線路無功補償方式及靈敏度分析法與無功分量直接分析法兩種計算方法，以確定補償電容的最佳安裝位置和容量，并討論了實際應(yīng)用中電容器的在線動態(tài)控制。計算表明，在低壓線上投入無功補償后，大大降低了線損，經(jīng)濟效益顯著，可以推廣采用。

　　1前言

　　無功補償作為保持電力系統(tǒng)無功功率平衡、降低網(wǎng)損、提高供電質(zhì)量的一種重要措施，已被廣泛應(yīng)用于各電壓等級電網(wǎng)中。合理選擇無功補償，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，提高電壓穩(wěn)定性，避免大量無功的遠距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費用，提高設(shè)備利用率，無功補償?shù)暮侠響?yīng)用是電力企業(yè)提高經(jīng)濟和社會效益的一項重要課題。然而，作為無功補償?shù)囊粋�重要組成部分，低壓網(wǎng)的無功補償研究，至今仍處在初級階段，很少有關(guān)這方面的文獻，在實際應(yīng)用中更是少之又少。實踐表明，廣州的配電網(wǎng)線損中，低壓網(wǎng)的線損占了近70％，是10kV線路線損及配變變損總和的兩倍多。本論文結(jié)合工程實際，提出了針對樹狀低壓網(wǎng)的無功補償優(yōu)化算法，用C++編制了開式網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)無功補償可視化實用程序，并提出了低壓無功優(yōu)化補償?shù)脑诰�動態(tài)控制方法。研究成果已經(jīng)在廣州低壓配電網(wǎng)上開始應(yīng)用，取得良好效果。

　　2無功優(yōu)化模型及算法

　　2．1實際工程中確定最佳補償容量和位置的簡易計算方法

　　假設(shè)無功負荷是沿線路均勻分布的，有關(guān)文獻介紹了一種簡易實用的近似計算方法，即2／3法則。(1)考慮單點補償，通過計算求得(略去計算過程)：即對單點補償而言，補償?shù)攸c應(yīng)裝設(shè)在距線路首端為全線的2／3處，補償容量為全線所需無功容量的2／3。

　　此時，補償度為：KB=Q/Q0=66.7%

　　線損下降率為△P/△P0=88.9%

　　(2)考慮n個補償點：

　　最佳安裝位置。不同的電容器最佳安裝位置計算式為：

　　需要說明的是，上述方法針對的是梳狀網(wǎng)而非樹狀網(wǎng)，而且實際電網(wǎng)線路中無功負荷根本不可能均勻分布，因此采用此近似計算前必須將實際網(wǎng)絡(luò)的樹狀網(wǎng)簡化成梳狀網(wǎng)。

　　2．2靈敏度分析法

　　靈敏度分析法是一個選擇與節(jié)點無功有關(guān)的，對系統(tǒng)有功損耗影響最大的位置的系統(tǒng)過程。最優(yōu)補償電容問題為受約束的尋優(yōu)問題，其中目標(biāo)函數(shù)是求年節(jié)省的最大值，以潮流方程約束為等式約束，以節(jié)點電壓、補償電容運行限量為不等式約束。數(shù)學(xué)上可以表達為如下：

　　不等式約束為：KP.KE.KR和分別是減少功率，減少能量和減少容量的折算常數(shù)；△PL.△EL.△S分別是功率損耗減少，能量損耗減少和容量減少值；CQ表示電容的成本，它取決于補償電容組的容量，包括相關(guān)部件和安裝的費用。

　　靈敏系數(shù)是用來確定補償電容后對減少有功和能量損耗影響最大的節(jié)點，即總網(wǎng)損PL對第i個節(jié)點的無功Qi導(dǎo)數(shù)，表達為：

　　計算過程如下：

　　計算每個節(jié)點靈敏系數(shù)，根據(jù)它們各自的靈敏度系數(shù)按降序排列；在優(yōu)先級別排列最前的節(jié)點暫時補償一個單位的電容；檢驗是否滿足約束條件，如果可行，計算年節(jié)省費用；接著在優(yōu)先級表的下一個節(jié)點補償一個單位的電容；與前面的方案進行比較；保留年節(jié)省費用大的方案，重復(fù)迭代，直到年節(jié)省費用不再減少為止。根據(jù)實際允許情況，選擇優(yōu)先級最高的一個節(jié)點，或幾個節(jié)點永久投入電容，形成若干候選方案。

　　2．3無功分量直接分析法

　　支路電流可以分為兩個部分：有功電流和無功電流。由支路電流的有功和無功電流引起的的功率損耗可以寫為：

　　對于固定的單電源輻射狀配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由支路電流有功部分引起的損耗PLa不能再減少，但是支路電流的無功部分引起的損耗PLr可以通過就地補償部分無功來使傳輸?shù)臒o功減少，進而使網(wǎng)損達到最小值，計算方法與靈敏系數(shù)法類似，計算過程如下：通過潮流計算，求得各支路電流；求出所有節(jié)點得到最大節(jié)省損耗時對應(yīng)的電容容量；電容值升序排列，找出對損耗節(jié)省影響最大的節(jié)點投入電容；重復(fù)計算，直到損耗節(jié)省值不再增大為止。

　　3低壓無功優(yōu)化補償?shù)脑诰�動態(tài)控制

　　通過前面的計算，已經(jīng)確定了電網(wǎng)中無功補償裝置的安裝容量和位置。由于低壓網(wǎng)負荷分布的分散性和隨機性，在實際應(yīng)用中還要解決的問題是如何實時控制電容器的投切，即投切的判據(jù)是什么、投(切)多少、什么時候投(切)。

　　3．1電容器投切判據(jù)的計算

　　目前的智能無功自動補償裝置，較多采用的投切判據(jù)是：以無功負荷的需求作基本判據(jù)，以電壓上、下限約束作輔助判據(jù)。按照2／3法則，以單點補償為例，計算方法如下(見圖1)：

　　(1)如電網(wǎng)數(shù)據(jù)由變壓器低壓出口側(cè)集中采集，則按全線路所需無功總負荷的2／3投入補償電容。

　　(2)如電網(wǎng)數(shù)據(jù)由補償點就地采集，則按補償點(后)線路所需無功負荷的兩倍投入補償電容。由于低壓負荷波動大，沒有規(guī)律，這兩種方法都可能造成由電源或由補償電容器提供的無功傳輸距離過遠，導(dǎo)致線損增大，甚至造成電容器閑置或過補償。

　　(3)對此，結(jié)合兩種數(shù)據(jù)采集方式，筆者提出一種新的補償判據(jù)計算方法：

　　即補償點以后線路所需無功，全部由補償電容提供，補償點以前線路所需無功，一半由電源提供，另一半由電容器提供。這樣，就可以最大限度地減少無功傳輸?shù)木嚯x，從而實現(xiàn)無功優(yōu)化的在線動態(tài)控制。這種方法，同樣適用于兩點或多點補償。

　　3．2實際應(yīng)用中電容器投切的控制方法

　　上述計算方法只是理論計算的數(shù)學(xué)模型，式中0。、Q1是投入電容前線路的無功功率，假設(shè)投入電容補償后在變壓器出口側(cè)和補償點(后)就地實際測得的無功功率分別為Qf、Qh，顯然有：Qf≤Q。，Qh=Q1。對應(yīng)上述3種計算模型，實際控制投切的判據(jù)分別是：

　　(1)對應(yīng)變壓器出口側(cè)集中采集：Qc=2Qf

　　(2)對應(yīng)補償點就地采集：Qc二2Qh

　　(3)對應(yīng)兩種數(shù)據(jù)采集方式相結(jié)合：Qc=Qf+Qh

　　隨著補償電容器的逐級投入(切除)，Qh保持不變，而Qf逐步變小(變大)，直到符合控制投切的判據(jù)，即取得無功平衡，電容器停止投切。

　　4工程應(yīng)用實例

　　以廣州西區(qū)某臺630kVA農(nóng)網(wǎng)變壓器低壓側(cè)的左、右兩側(cè)的380V電網(wǎng)為算例，運用程序進行計算。低壓網(wǎng)分別由185mm2、95mm2、50mm2、25mm2、16mm2等5種規(guī)格的銅導(dǎo)線構(gòu)成，平均負荷率80％，平均功率因數(shù)0．7，經(jīng)簡化后，左側(cè)線路節(jié)點個數(shù)33個，主干線和最長的支線長度共680m；右側(cè)線路節(jié)點個數(shù)41個，主干線和最長的支線長度共710m(見圖2、圖3)。計算結(jié)果顯示：左側(cè)線路最佳補償位置為距電源節(jié)點430m處，最佳補償容量為120kvar；右側(cè)線路最佳補償位置為距電源節(jié)點420m處，最佳補償容量為100kvar。無功補償前后電網(wǎng)的參數(shù)對比見表1。

　　根據(jù)計算結(jié)果在低壓線路裝設(shè)無功補償設(shè)備，采用兩種數(shù)據(jù)采集方式相結(jié)合的方法控制補償電容的投切，并用電網(wǎng)監(jiān)測儀分別采集了安裝前后電網(wǎng)的實際數(shù)據(jù)進行對比，分析驗證優(yōu)化的實際效果。結(jié)果表明，無功補償后功率因數(shù)明顯提高，電壓質(zhì)量有所改善，經(jīng)實際測量線路末端電壓值平均提高了近15V，變壓器輸出的有功、無功電能、線電流明顯減小，左側(cè)線路有功電能約減小了240kWh／天，右側(cè)線路有功電能約減小了190kWh／天。假設(shè)線路上的有功、無功日用電量基本保持不變，因測量時間相隔不遠，這種假設(shè)是基本可行的。那么，減小的輸出電能就可視為節(jié)約的線損，以每kwh電平均售價0．6元計算，每天大約可節(jié)約258元，補償設(shè)備的投資不到一年就可收回，并且能產(chǎn)生長期效益，這還不包括由于電流減小節(jié)省的變壓器損耗。如果在10kV饋電線上各臺配變的低壓線路上都進行無功補償，還可改善10kV線路的線損和電壓質(zhì)量。

　　5結(jié)束語

　　通過實例驗證表明，在低壓線路裝設(shè)無功補償設(shè)備后，電壓質(zhì)量明顯改善，設(shè)備利用率大大提高，線損明顯減小，經(jīng)濟效益顯著。雖然裝設(shè)在線路上的無功補償設(shè)備要經(jīng)受日曬雨淋，其運行的可靠性和穩(wěn)定性，是否真的做到全自動、長壽命、免維護等，??安裝在相當(dāng)程度上也要受環(huán)境條件的制約，但由于與其它補償方式相比具有顯著的優(yōu)越性，可以預(yù)見的是，低壓線路的無功補償，在電網(wǎng)中將會得到越來越廣泛的應(yīng)用，補償技術(shù)也會越來越成熟。