农村配电网无功补偿优化设计方案

王圣

【摘 要】我国电网一般线路较长、配电变压器较多、用电设备多呈感性、负荷时变性较强，导致电网无功损耗极为明显，优化补偿电网无功功率对提高供电质量，降低线路损耗具有极为重要的意义。本文以无功损耗最为明显的农村中压配电网为例，就农村配电网无功补偿优化设计进行了探讨。

【关键词】农村配电网；无功补偿；优化设计成本；优化算法

0.引言

在电网中发电机输出功率包括有功功率和无功功率两种，有功功率是用电设备正常运行所消耗的功率，无功功率则是由于电源与电感和电容间所产生的能量转换造成的，而未被用电设备所消耗。但是，并非说无功功率并不重要，电动机的转动、变压器变压、交流接触器的吸合都需要无功功率。近年来，在各类用电设备广泛应用的同时，由于电网结构等方面的原因，我国电网损耗和电压质量不合格现象越来越为明显，极容易造成用户电器烧毁现象，同时网损过高还会使电能浪费，影响经济效益和社会效益。目前，网损已经成为电网经营企业的一大成本，成为影响电力企业经济效益最主要的原因。要减少网损，提升供电质量，除了采取措施提高负荷功率因数外，合理配置无功补偿装置也是一个重要途径。下面，本文针对无功损耗最为突出的农村中压配电网，就农村配电网无功补偿优化设计进行探讨。

1.无功补偿原理分析

在电网中，部分用电设备呈感性，如变压器、电动机等，这些设备是利用电磁感应原理工作的，其能量转换过程中会建立交变磁场，所吸收的功率与释放的功率相等，属于感性无功功率。而接在交流电网中的电容器，其上半周期的充电功率同下半周期的放电功率相等，属于容性无功功率。当电容器同电感并联在同一个电路中，电感吸收能量时电容器在释放能量，电感释放能量时电容器在吸收能量，能量在电容器与电感间交换。因此，电动机、变压器等感性负荷所吸收的无功功率，可以利用电容器、调相机、同步电动机等组成的无功补偿装置进行补偿，从而提高功率因数减少视在功率，相就减小供电线路截面和变压器容量，以降低供用电设备投资，降低电网和变压器的功率损耗，提高供电效率，提高供电质量。

2.常用无功补偿设备和补偿方式

2.1常用无功补偿设备

目前，在配电网中常用的无功补偿设备有同步发电机、电力电容器、同期调相机、静止无功补偿装置等。同步发电机是目前应用最为广泛的交流发电机，既可以作为电力系统中的唯一有功电源，也可以作为无功基本源。静止无功补偿装置可以平滑的调节无功功率和电压，应用于大型工业用户或超高压输电系统中能有效的增强系统稳定性，保持电力网络电压稳定。电力电容器则是应用最为广泛的无功补偿装置，能有效的减少线路损耗提高功率因数。同步调相机则主要用于供给无功功率，是一种专门产生无功功率的同步电机，能自动根据电网要求调节运行状态提高无功出力，主要应用于电网枢纽变电站中，调整和控制电网无功潮流。

2.2常用无功补偿方式

在进行无功补偿时，理论上讲最好的方式是哪里需要无功就在哪里补偿，使整个系统没有无功电流，但在实践中缺乏可操作性，目前常用的有变电站集中补偿、杆上无功补偿、低压集中补偿、用户终端分散补偿几种方式。变电站集中补偿主要用于改善整个电网的功率因素，提高变电所电压并补偿变压器无功损耗，这种方式主要对高压进行补偿，缺乏自动调节能力。低压集中补偿是在配变电器380V侧进行集中补偿，主要用于提高专用变压器用户功率因数，对保证专一用户电压水平有较好的作用。但变电站集中补偿和低压集中补偿均对配电网中存在最多的公用变压器无功功率的补偿不足，使得配电网网损依然极高，通常还需采用10KV户外并联电容器在架空线路杆塔上进行杆上无功补偿的方式，但这种方式维护工作量大、安装不易、成本较高。

用户终端分散补偿方式直接对用户终端进行无功补偿，能较好的降低电网损耗维持网络电压水平，相较于前三种方式有较多的优点，但其无功补偿设备在较轻载时闲置利用率不高。

3.无功补偿优化设计

3.1无功补偿优化主要算法

无功补偿是一个多变量、多约束混合的非线性问题，既是一个工程问题又是一个数学问题，没有准确的方法和策略，一般都要进行简化同时考虑模型的实用性与可行性，并结合实际工程情况进行合理的优化。目前常用的无功补偿优化算法有线性规划法、非线性规划法、混合整数规划法、动态规划法、人工智能法以及一些新兴算法如蚁群寻优算法、粒子群优化算法等。

3.2农村电网全网无功优化设计思路

随着农村电网规模的扩大和复杂化，传统的无功优化算法已经不再适应，虽然能在局部无功补偿中起到较好的效果，但对整个农村电网的供电质量却没有太为明显的作用。在优化农村电网无功补偿方法时，应当根据电网结构、负荷性质、运行参数等进行设计，立足于农村电网分层、分区平衡这一基础，最终提升整个电网的供电效率、供电可靠性以及经济性。针对传统的基于局部的无功补偿方案无法有效提升全网供电质量这一问题，应当着眼于整个电网重新建立优化思路和优化算法，以各节点电压、关口功率作为约束条件，利用发电机电压的调节能力和变压器分接头，设置可投切无功补偿装置，如静止补偿器和并联电容等，有效的对负荷变化进行跟踪，实行分层、分区控制的原则，从而动态调节电压和无功功率，以保证全网电压质量和无功功率。

3.3农村电网全网无功优化的实现

在进行农村电网全网无功优化设计时，采用分层、分区控制的方法先对整个电网进行分级处理，逐级优化，综合考虑上下各层级间的相互影响，最终构建一个全网无功补偿优化体系。由于农村电网节点多、接线复杂，且呈辐射状分布，如果将所有节点考虑进去优化速度将极慢，很难达到理想的无功补偿优化效果，因此可以先将农村电网分成高压网、中压网、低压网三级，高压网以变电站集中补偿的方法，中压网以每条馈线为单位进行线路补偿，低压网以每个台区为单元进行线路补偿。再将各级电网分解成若干个单元进行优化，先将下级单元优化后实现全局最优，再对上级电网进行全局无功优化，直至整个电网优化完毕。

3.4下级子网对上级主网的影响分析

在电网体系结构中，越接近配电网末端，其结构就越为复杂，处理下级电网无功优化对上级电网的影响有着关键的影响，在进行优化计算时，要将下级子网无功优化对上级主网无功流流分布的影响考虑入内，以免因下级子网无功补偿装置动作重新分布无功潮流后，造成上级子网无功优化失效。在中压电网和低压电网的无功补偿优化中，一般不必涉及发电机，仅需考虑无功补偿量、负荷节点电压、有载调压变压器分接头等参数即可，最终实现全网无功潮流最优、电压质量合格、线损最低。

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