潘國(guó)能

（舟山中際化工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展背景下，智能電網(wǎng)建設(shè)也更加完善，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了不菲的成效。但在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于電網(wǎng)負(fù)荷性能、承載容量有限，不同地區(qū)電網(wǎng)承載性、容量也有差異。一般情況下，電網(wǎng)承受的負(fù)荷越大，電網(wǎng)的容量就越高，同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性提出了更高要求。因此，為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低電網(wǎng)運(yùn)行的無(wú)功損耗，提高電力供給質(zhì)量，必須做好電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償容量的確定工作，發(fā)揮電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的整體效益。

1 無(wú)功補(bǔ)償

無(wú)功補(bǔ)償稱為無(wú)功功率補(bǔ)償，在電力系統(tǒng)中可以提升電網(wǎng)運(yùn)行功率、改善供電環(huán)境，同時(shí)還可以降低輸電線路損耗和變壓器損耗。無(wú)功補(bǔ)償作為電力系統(tǒng)不可或缺的裝置，需要對(duì)無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償容量進(jìn)行分析，保證電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。如果無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)、補(bǔ)償容量計(jì)量不當(dāng)，很可能造成電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)、諧波增大等情況。

隨著智能電網(wǎng)在電力系統(tǒng)應(yīng)用得愈加廣泛，提高了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的普及率。但任何一項(xiàng)技術(shù)都存在弊端，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也是如此。如單相電力牽引負(fù)荷變化、負(fù)序增加、無(wú)功功率增加等，都會(huì)給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)一定負(fù)面影響，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。而無(wú)功、負(fù)序、諧波等問(wèn)題也是當(dāng)今電網(wǎng)建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

2 無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的確定

無(wú)功補(bǔ)償是電網(wǎng)建設(shè)和改造的重要組成部分，它是保持網(wǎng)絡(luò)無(wú)功平衡，提高電壓質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗的有效措施，是降損措施中投資少、回報(bào)高的方案。通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償降低網(wǎng)損和提高電壓是一種投資少回報(bào)高的方案。而無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的確定是實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)那疤釛l件，掌握好無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的無(wú)功補(bǔ)償。

2.1 無(wú)功裕度

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特性，需要先了解電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，在電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到一定限度后，電網(wǎng)局部就會(huì)產(chǎn)生電壓的點(diǎn)崩潰情況，因此要在確保電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還要滿足無(wú)功裕度大于0的條件。計(jì)算各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)局部電壓指標(biāo)，從而確定每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度。其中，穩(wěn)定裕度值直接影響負(fù)荷點(diǎn)電壓的穩(wěn)定度，穩(wěn)定裕度越低，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)可能性越高，所以穩(wěn)定裕度可以找出電壓穩(wěn)定弱節(jié)點(diǎn)。對(duì)于給定的系統(tǒng)狀態(tài)，可以設(shè)定一個(gè)最大的電壓穩(wěn)定裕度門檻，根據(jù)裕度大小排列，即可構(gòu)建電壓穩(wěn)定裕度小于最大與裕度值的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)即可作為無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)。

2.2 節(jié)點(diǎn)無(wú)功裕度值的確定

無(wú)功裕度值和無(wú)功補(bǔ)償容量之間有著直接聯(lián)系，通常情況下二者之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，也就是無(wú)功裕度越高，無(wú)功補(bǔ)償容量要求就越?。环粗疅o(wú)功裕度越小，則無(wú)功補(bǔ)償容量需求就越大。采用科學(xué)的方法確定無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)，精準(zhǔn)的計(jì)算無(wú)功裕度。無(wú)功裕度計(jì)算通常要注意3 個(gè)方面。

（1）結(jié)合電力系統(tǒng)自身特性，結(jié)合線路參數(shù)、結(jié)構(gòu)點(diǎn)，即可計(jì)算電網(wǎng)潮流，獲取不同節(jié)點(diǎn)功率、電壓。

（2）結(jié)合無(wú)功裕度定義，可以計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)功裕度，并無(wú)功裕度排列組合。

（3）根據(jù)計(jì)算出的無(wú)功裕度值，由大到小的順序排列，這些數(shù)值作為后續(xù)無(wú)功補(bǔ)償容量確定的重要依據(jù)。

合理的選擇無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)、無(wú)功補(bǔ)償措施、補(bǔ)償裝置，可以有效維護(hù)系統(tǒng)電壓水平，提升系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生大量的無(wú)功遠(yuǎn)距離傳輸，降低有功損耗和發(fā)電成本。

3 無(wú)功補(bǔ)償容量的確定

某變電廠（500 kV·A 變壓器）在人工補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.85，根據(jù)功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，每月罰款為總電費(fèi)的2.5%，在人工補(bǔ)償中根據(jù)變電廠運(yùn)作情況，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定無(wú)功補(bǔ)償量，加裝電容器補(bǔ)償后，平均功率因數(shù)為0.9，每月電費(fèi)降低0.5%，功率因數(shù)提升使電費(fèi)降低了近60 萬(wàn)元。

3.1 無(wú)功規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

電力系統(tǒng)無(wú)功規(guī)劃作為一種不連續(xù)的多目標(biāo)優(yōu)化內(nèi)容。目標(biāo)函數(shù)可以降低有功損耗、提升電壓水平、最小化安裝額外無(wú)功容量費(fèi)用，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低。無(wú)功優(yōu)化模型，就是以無(wú)功能規(guī)劃內(nèi)容為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建無(wú)功補(bǔ)償模型，采用仿真技術(shù)判定模型運(yùn)行效果，并進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算方法

結(jié)合無(wú)功優(yōu)化特性，采用傳統(tǒng)搜索技術(shù)、改進(jìn)遺傳技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)遺傳算法作為一階搜索，在指定時(shí)間、范圍內(nèi)得出無(wú)功補(bǔ)償范圍，之后通過(guò)二階局部搜索方案，將無(wú)功補(bǔ)償范圍逐次減少（每次減少上一個(gè)可行域的50%），即可在較少的計(jì)算工作量基礎(chǔ)上得到最優(yōu)數(shù)值。

根據(jù)無(wú)功優(yōu)化特性，應(yīng)用浮點(diǎn)數(shù)編碼方案，即每個(gè)個(gè)體的基因值都在取值范圍內(nèi)用一個(gè)浮點(diǎn)表示，個(gè)體編碼長(zhǎng)度與控制變量個(gè)數(shù)相等。根據(jù)編碼內(nèi)容對(duì)無(wú)功補(bǔ)償范圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇，構(gòu)建可行性補(bǔ)償節(jié)電的數(shù)據(jù)庫(kù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選無(wú)功補(bǔ)償容量。理論上是負(fù)載需要多少無(wú)功功率，就補(bǔ)償多少無(wú)功功率。所以可以從負(fù)載設(shè)備的參數(shù)計(jì)算出來(lái)。在實(shí)際中，設(shè)備的負(fù)荷是波動(dòng)的，所以必須隨時(shí)調(diào)整補(bǔ)償容量，與負(fù)載相匹配，才能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)最佳，否則就會(huì)出現(xiàn)欠補(bǔ)償，或者過(guò)補(bǔ)償，都會(huì)導(dǎo)致被罰款。這就是補(bǔ)償柜都采用自動(dòng)控制的方式。剩下的，只要確定最大的補(bǔ)償需量就可以了。

最大的補(bǔ)償需量可以用設(shè)備參數(shù)計(jì)算，實(shí)際中多采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：變壓器容量的30%～40%。案例中500 kV·A 的變壓器，補(bǔ)償柜配置150～200 kVar 即可。按用戶負(fù)載特點(diǎn)、路數(shù)等，最終確定一個(gè)數(shù)值。初始設(shè)計(jì)，通常取大一些。

3.3 電氣設(shè)備補(bǔ)償量確定

單臺(tái)電機(jī)補(bǔ)償容量應(yīng)以將電機(jī)空載時(shí)的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?或接近于1 來(lái)確定。因?yàn)殡姍C(jī)空載時(shí)的功率因數(shù)為1，則滿載時(shí)的功率因數(shù)必然滯后。如果把電機(jī)滿載時(shí)的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?，則電機(jī)空載或輕載時(shí)功率因數(shù)就會(huì)變成超前，也就說(shuō)會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r。這種過(guò)補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)，在切斷電源后，由于電容器的放電，能使仍在旋轉(zhuǎn)著的電機(jī)成為感應(yīng)發(fā)電機(jī)，而使電壓超過(guò)額定電壓好多倍，對(duì)電機(jī)和電容器都有害。另外，若在電機(jī)仍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)重新合閘，將會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流沖擊和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，容易造成電機(jī)的機(jī)軸損壞。所以對(duì)單臺(tái)電機(jī)的補(bǔ)償容量，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行工況確定。

此外，對(duì)于機(jī)械負(fù)荷慣性較小的電機(jī)（如風(fēng)機(jī)等），補(bǔ)償容量≈0.9×電動(dòng)機(jī)空載無(wú)功功率；對(duì)于水泵、球磨機(jī)等機(jī)械負(fù)荷慣性較大的用電設(shè)備的電機(jī)，電源斷開后電動(dòng)轉(zhuǎn)速迅速下降，隨即補(bǔ)償并聯(lián)電容器容量稍大于電機(jī)空載勵(lì)磁功率時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生自激過(guò)電壓，為增加補(bǔ)償效果以及有利于電機(jī)啟動(dòng)，其補(bǔ)償容量可選得較大些。

總之，通過(guò)計(jì)算出控制變量值變壓器就接頭數(shù)值、網(wǎng)損和補(bǔ)償量、補(bǔ)償無(wú)功總量，加入補(bǔ)償電容，對(duì)發(fā)電機(jī)電壓、變壓器變比調(diào)節(jié)，即可有效降低電力系統(tǒng)網(wǎng)損，并且采用更小的無(wú)功補(bǔ)償容量得到更優(yōu)的電力系統(tǒng)網(wǎng)損值。

4 電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 確定補(bǔ)償方案

在電力系統(tǒng)評(píng)價(jià)中，電能質(zhì)量是評(píng)價(jià)核心參數(shù)，電壓直接影響電能質(zhì)量，而造成無(wú)功功率受到功率、阻抗等影響。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)性選擇電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，如SCOTT 變壓器、晶閘管電子開關(guān)控制電容投切等。結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)可知，選擇科學(xué)的補(bǔ)償方法即使在線路跨度較長(zhǎng)的區(qū)域，也可以有效控制并降低負(fù)序量。

4.2 無(wú)功補(bǔ)償共性問(wèn)題

電力系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，還可以提升電能使用率。結(jié)合電力系統(tǒng)無(wú)功損耗等問(wèn)題，從經(jīng)濟(jì)層面考慮可以降低電網(wǎng)事故處理成本，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)算系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)利益的有序增長(zhǎng)。在電力領(lǐng)域，變電站無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。發(fā)電廠傳輸?shù)阶冸娬鹃g的無(wú)功電流，而無(wú)功電流通過(guò)線路進(jìn)入到低壓線時(shí)會(huì)增加傳輸量，提升電能損耗。因此在變電站規(guī)劃中，可以在區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)無(wú)功補(bǔ)償變電站。當(dāng)今220 kV智能變電站的調(diào)節(jié)功能更加豐富，可以靈活調(diào)節(jié)容量，甚至可以調(diào)節(jié)最大的符合功率值（0.98）。因此，在無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用中，要判定當(dāng)?shù)刈冸娬臼欠裨鲈O(shè)了無(wú)功補(bǔ)償，并調(diào)整補(bǔ)償變壓器，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償目標(biāo)。

4.3 智能補(bǔ)償選擇

在智能補(bǔ)償選擇中，要保證達(dá)到“布局合理、系統(tǒng)平衡、分級(jí)補(bǔ)償”的要求，以提升無(wú)功補(bǔ)償效益。通?？梢詮囊韵? 點(diǎn)出發(fā)：

（1）電力系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)補(bǔ)償結(jié)合。在用戶供電系統(tǒng)中加入無(wú)功功率補(bǔ)償，提升電氣設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中的功率總量，減少用戶日常用電時(shí)的無(wú)功損耗，有效降低了用戶的用電成本。據(jù)不完全調(diào)查顯示，有40%以上的無(wú)功損耗都是在配電變壓器、線路方面，剩余60%為無(wú)功損耗在用戶用電系統(tǒng)領(lǐng)域。因此要注重用戶用電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償。

（2）集中與分散補(bǔ)償結(jié)合。在變電站集中無(wú)功補(bǔ)償中，還需要注重其他方面的分散補(bǔ)償，包括電網(wǎng)線路、變壓器、電氣設(shè)備等，并且是以分散補(bǔ)償為主，這樣可以更好的降低無(wú)功損耗率。再者，無(wú)功補(bǔ)償值并非越高越好，因此分散補(bǔ)償也要合理布置、確定合理的補(bǔ)償容量值。同時(shí)還要考慮分散補(bǔ)償維護(hù)十分困難，因此要在適宜的部位設(shè)置分散補(bǔ)償。

（3）降損和調(diào)壓結(jié)合。降損是直接減少電力系統(tǒng)運(yùn)行損耗的方法，同時(shí)還要合理調(diào)壓，確保滿足用戶用電需求。如用電高峰期電壓會(huì)增高，同時(shí)也會(huì)提升電力系統(tǒng)電能損耗量，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生線損情況。此時(shí)就要在無(wú)功補(bǔ)償基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)壓，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)降損目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功損耗問(wèn)題，分析無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償容量的確定方法，應(yīng)用混合改進(jìn)遺傳算法得出每個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償容量，該方法在實(shí)際應(yīng)用要求獲取節(jié)點(diǎn)最佳補(bǔ)償，無(wú)功補(bǔ)償效益更高。在此基礎(chǔ)上，提出電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，需要結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實(shí)際表現(xiàn)情況合理進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化目標(biāo)，提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和節(jié)能性。