張文超（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展以及電力需求種類的增多，在電力系統(tǒng)中，存在著有功功率和無功功率，伴隨著電動(dòng)機(jī)等無功電氣設(shè)備的增多，電網(wǎng)中的無功功率也在逐漸增大，結(jié)合配電網(wǎng)覆蓋范圍更廣、負(fù)荷增長更快、電壓等級(jí)更高、負(fù)荷特性更復(fù)雜等特點(diǎn)，找到滿足配電網(wǎng)中節(jié)能降耗的技術(shù)尤為重要。國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者提出了多種補(bǔ)償技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。高三策[1]建立了靜止無功發(fā)生器的模型，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制，根據(jù)模型進(jìn)行了模擬仿真分析，仿真結(jié)果證明了該裝置的有效性；蘇克[2]提出了動(dòng)態(tài)分相無功補(bǔ)償方法，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和仿真軟件對(duì)改方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該方法應(yīng)用在無功補(bǔ)償裝置的可靠性，降低了配電變壓器損耗；陳冰斌，趙健[3]建立了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化的模型，提出了形狀系數(shù)的電量損耗折算法和等值電阻法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了該方法的合理性；殷培峰，馬莉[4]研究了在智能電網(wǎng)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)中晶閘管的應(yīng)用，降低了電磁干擾，提高了無功補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力。將無功補(bǔ)償裝置合理的安裝在合適的位置同時(shí)設(shè)計(jì)合理的容量，這樣可以降低線路損耗同時(shí)也可以提高功率因數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，常常以分散無功補(bǔ)償為主，需要根據(jù)具體的實(shí)際情況設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償裝置來滿足不同地區(qū)的要求[5]。因此，研究配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)節(jié)約電能、降低損耗等具有重要的意義。

1 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)

隨著配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償技術(shù)逐漸被重視，各種無功補(bǔ)償裝置在實(shí)際應(yīng)用中多了起來[6]。在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，感性負(fù)載居多，在運(yùn)行過程中需要消耗無功功率，因此在線路中增加一些無功電源，用無功電源給感性負(fù)載提供無功功率，可以降低線路損耗；同時(shí)也可以設(shè)置容性負(fù)荷，讓感性負(fù)荷和容性負(fù)荷在一條電路上，使兩種負(fù)荷隨意切換能夠滿足電力要求[7]。采用無功補(bǔ)償技術(shù)可以大范圍內(nèi)優(yōu)化電網(wǎng)電壓，降低無功功率的流動(dòng)性，節(jié)約了電網(wǎng)運(yùn)行的能量消耗，同時(shí)提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)它也是保證電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的重要手段，無功補(bǔ)償技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。

其中，變電站集中補(bǔ)償一般對(duì)變壓器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償，采用補(bǔ)償裝置來達(dá)到輸電網(wǎng)絡(luò)間的無功功率的平衡，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單且維護(hù)和管理方面更加容易；低壓集中補(bǔ)償通常是在低壓配電變壓器側(cè)并聯(lián)電容器柜來進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以通過智能技術(shù)來控制并聯(lián)電容器柜實(shí)現(xiàn)電容器的自動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)而滿足用戶負(fù)載大小，優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償無功功率，提高了用戶需要的功率，保障了電壓水平穩(wěn)定，缺點(diǎn)是可能會(huì)導(dǎo)致線路電壓的波動(dòng)進(jìn)而使得電力系統(tǒng)線路電壓不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生無功功率補(bǔ)償不足或者無功電容補(bǔ)償過多的問題；用戶終端分散補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)是能夠降低小路損耗，改善線路電壓質(zhì)量，其缺點(diǎn)是在安裝無功補(bǔ)償裝置時(shí)需要確定部分變壓器功率，且在變壓器低壓側(cè)進(jìn)行負(fù)載波動(dòng)時(shí)，限制電容器輕載運(yùn)行而降低無功補(bǔ)償裝置的利用效率[8]。高壓配電線路無功補(bǔ)償由于其公共變壓器數(shù)量增多通常并聯(lián)電容器來改變功率因數(shù)，降低功率損耗，但是在補(bǔ)償過程中應(yīng)該減少補(bǔ)償點(diǎn)的數(shù)量，其控制方式應(yīng)該更加簡單而避免補(bǔ)償過量。而補(bǔ)償裝置也是多種多樣的大概有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、靜止式無功補(bǔ)償裝置等等，目前采用較多的是靜止式無功補(bǔ)償裝置，其優(yōu)點(diǎn)是提高功率因數(shù)、節(jié)約電能、改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、維護(hù)方便等等，能夠保證并實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[9]。

配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化其核心是算法，其中有以簡化梯度法、牛頓法為代表的非線性規(guī)劃法，優(yōu)點(diǎn)是算法比較簡單，缺點(diǎn)是收斂性不好，計(jì)算時(shí)間比較長；線性規(guī)劃法泰勒公式將非線性規(guī)劃問題變?yōu)榫€性規(guī)劃問題；現(xiàn)代人工智能方法有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論等等，隨著智能算法的發(fā)展逐漸替代了以前的無功補(bǔ)償優(yōu)化方法。分析無功補(bǔ)償優(yōu)化技術(shù)是個(gè)多約束的、多變量、非線性規(guī)劃等等特點(diǎn)，在對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)也需要考慮負(fù)荷預(yù)測(cè)等問題，但是隨著無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化、智能化的過程中，同時(shí)也會(huì)存在一些諧波、電壓調(diào)節(jié)方式等等問題，所以在使用過程中要綜合考慮無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，才能保證配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)節(jié)約電能、降低損耗的意義。

2 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化模型

針對(duì)配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償優(yōu)化模型，利用節(jié)點(diǎn)負(fù)荷電壓穩(wěn)定裕度確定最優(yōu)補(bǔ)償位置，利用遺傳算法來確定無功補(bǔ)償?shù)娜萘?。最后建?0 kV的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化模型，對(duì)無功補(bǔ)償優(yōu)化前后的一些參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償技術(shù)可以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于無功補(bǔ)償優(yōu)化模型來說，其中潮流計(jì)算是基礎(chǔ)，其常用的方法是節(jié)點(diǎn)法、支路類法等等。節(jié)點(diǎn)法中的牛拉法的有點(diǎn)是快速收斂性，但是在大型復(fù)雜配網(wǎng)中，因迭代過程中計(jì)算時(shí)間長、效率低。支路法的典型是前推回代法，其方法不需要進(jìn)行矩陣的運(yùn)算而大大提高了效率，潮流計(jì)算的方法采用前推回代法，前推回代法潮流計(jì)算步驟具體如下：設(shè)定計(jì)算所需的線路元件參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各個(gè)部分進(jìn)行分析，形成節(jié)點(diǎn)分層，初始化節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行負(fù)荷等參數(shù)賦值，利用回代算法進(jìn)行各支路功率以及功率損耗的計(jì)算，利用前推算法前推迭代出各節(jié)點(diǎn)電壓及壓降[10]。對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓差值進(jìn)行二次計(jì)算，判斷是否滿足收斂條件，滿足則輸出，否則繼續(xù)迭代。

以10 kV的配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化模型為例，由于配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較多，所以需要確定配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償點(diǎn)，采用節(jié)點(diǎn)負(fù)荷電壓穩(wěn)定裕度作為判斷方法，根據(jù)基爾霍夫定律建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓方程，用L指標(biāo)來表示，需要對(duì)線路進(jìn)行潮流計(jì)算得到其變量和參數(shù)，把L指標(biāo)和1進(jìn)行比較，L=1.0時(shí)，代表節(jié)點(diǎn)電壓臨界穩(wěn)定；當(dāng)L＞1.0時(shí)，代表節(jié)點(diǎn)電壓失穩(wěn)；L＜1.0時(shí)，代表節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。因此確定每一個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定裕度Mj，節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的可能性越小，所以根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定裕度數(shù)值的大小判斷電壓穩(wěn)定弱節(jié)點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)要求設(shè)置電壓穩(wěn)定裕度的數(shù)值，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓低于設(shè)定值時(shí)，將這些節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是電壓穩(wěn)定弱節(jié)點(diǎn)的集合，對(duì)這些的弱節(jié)點(diǎn)視為是無功補(bǔ)償點(diǎn)。所以在配電網(wǎng)中利用節(jié)點(diǎn)負(fù)荷電壓穩(wěn)定裕度來判斷需要無功補(bǔ)償點(diǎn)，確定補(bǔ)償位置。利用遺傳算法來確定無功補(bǔ)償裝置的容量，把系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)效益最好放到首位，采用凈現(xiàn)值法作為經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在建立無功補(bǔ)償優(yōu)化模型的工程中，采用罰函數(shù)作為狀態(tài)變量的約束條件建立目標(biāo)函數(shù)，將配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和遺傳算法參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)軟件，利用前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算，得到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度，確定無功補(bǔ)償裝置的安裝點(diǎn)，進(jìn)行編碼，生出初始種群，修正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，再次進(jìn)行潮流計(jì)算，計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度，選擇、交叉、變異操作，潮流計(jì)算，評(píng)價(jià)個(gè)體，判斷是否滿足進(jìn)化，最后建立配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化模型，算法流程見圖1。

圖1 算法流程Fig.1 Algorithm flow chart

10 kV配電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2，將無功補(bǔ)償優(yōu)化模型應(yīng)用到實(shí)際中對(duì)線路進(jìn)行分析和優(yōu)化。根據(jù)10 kV的配電網(wǎng)中的潮流數(shù)據(jù)和較大負(fù)荷情況下線路的潮流分布，電能損耗和負(fù)荷成正比例，負(fù)荷大，損耗也就大；在負(fù)荷較大或較小時(shí)，功率因數(shù)不好，具有提高的余地；另外，從饋線初始到節(jié)點(diǎn)7消耗了大部分的能量，其中一部分原因是線路較長，損耗較大。與此同時(shí)，在配電網(wǎng)中變壓器的損耗也很大，由于變壓器的型號(hào)、容量都不相同，而且配電線路中負(fù)載率低、負(fù)荷波動(dòng)大使其無法經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，增大配電網(wǎng)的損耗。

圖2 線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the urban line

在不考慮線路好變壓器損耗的條件下，利用潮流計(jì)算結(jié)果，找到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度，評(píng)估各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度，評(píng)估各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度后，設(shè)置其值0.6，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度小于這個(gè)值的節(jié)點(diǎn)選為無功補(bǔ)償點(diǎn)，選出的無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)包括：34、55、57、62、65、70、72。為了方便實(shí)際操作和靈活動(dòng)態(tài)補(bǔ)償選擇在配電網(wǎng)中低壓側(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。確定補(bǔ)償點(diǎn)后根據(jù)遺傳算法確定補(bǔ)償容量，進(jìn)行無功補(bǔ)償優(yōu)化計(jì)算，遺傳算法經(jīng)過多次迭代后找到最大凈現(xiàn)值點(diǎn)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的無功補(bǔ)償容量見表1。

表1 無功補(bǔ)償容量Tab.1 Reactive compensation capacity

確定了補(bǔ)償裝置的位置和補(bǔ)償容量之后，利用遺傳算法對(duì)無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將經(jīng)過優(yōu)化之后的補(bǔ)償裝置應(yīng)用到實(shí)際之中，無功補(bǔ)償優(yōu)化前后整體參數(shù)對(duì)比見表2，經(jīng)過分析可知，在無功補(bǔ)償優(yōu)化之后，配電網(wǎng)中有用功和無用功的損耗都有所降低，同時(shí)線路總有功損耗也降低了，功率因數(shù)得到了明顯的提高，無功補(bǔ)償優(yōu)化后的配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)都有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。

表2 無功補(bǔ)償優(yōu)化前后整體參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of overall parameters before and after optimization of reactive compensation

3 結(jié)論

對(duì)于配電網(wǎng)來說，最有效節(jié)能降損的方法就是無功補(bǔ)償技術(shù)。通過對(duì)配電線路低壓側(cè)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难芯?，根?jù)潮流計(jì)算結(jié)果，設(shè)置負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度，找到需要進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)點(diǎn)，采用遺傳算法將經(jīng)濟(jì)效益最好是目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮各方面因素，對(duì)無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定需要補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償容量。最后以某城區(qū)10 kV配電網(wǎng)為例，根據(jù)優(yōu)化模型在配電網(wǎng)中設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，從數(shù)據(jù)中分析可知，使用無功補(bǔ)償優(yōu)化模型后，提高了功率因數(shù)、降低了能量損耗，響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號(hào)召，為我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出了一點(diǎn)貢獻(xiàn)。但是，目前的無功補(bǔ)償裝置還不夠完善，很多需要改進(jìn)的地方，需要嘗試更多的智能算法，需要考慮更多實(shí)際生活中的因素，要為此做好備用方案。