智能电网框架下的配电网无功补偿问题研究

(1.国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司 ，河北 石家庄 050000 ；2.国网河北省电力有限公司辛集供电分公司，河北 石家庄 052300)

1 概述

配电网的功率随经济的不断发展而显著增加，无功功率和无功电流也随之增大，特别是近几年，大量电力电子设备不断并入电网，低压电缆开始在城市电网中大规模应用，配电网无功分布及流动特点呈现了新的特点。无功电流在配电网中流动，产生的无功损耗问题变得不容忽视。一方面，农村电网因其输电线路长，负荷随昼夜、季节波动大，无功和损耗问题比较突出。另一方面，随社会的不断发展，用电设备的不断革新，电力用户的用电需求与传统的用电需求也有差别。最新型空调、洗衣机、电动车及电脑和数据处理中心等均采用变频设备供电并且功率较大。如电动自行车通常采用相控式充电，其功率因数约为0.8，需要吸收较多的无功功率。

大量无功在系统内传输，不但增加了电网损耗，同时也占用了大量系统容量，使供电公司不得不采用更大容量的变压器，更大截面积的导线来传输系统所需的无功。配电网作为无功的主要来源，如不进行补偿，其无功功率将穿越整个输电网由发电机提供，此过程产生显著的电能损耗，输电线损显著增加。

我国电网一直处在成长期，长期以来，对电网经济性运行的论述和应用主要集中在输电网，配网管理不受重视，对配电网无功研究和无功补偿不够,配网无功功率因数长期偏低，特别是农村地区无功损耗问题较为严重。随电网精益化管理的不断深入，电网智能化水平越来越高，配网无功补偿研究和应用即将进入快速发展时期。

配网的无功补偿问题因其显著的经济效益越来越受到重视，研究配电网无功补偿对电网经济运行具有重要的意义，而智能电网的发展让配网无功优化及统筹管理变得简单直观。

2 当前电网补偿方式

目前，电网无功补偿的方式主要是电容器并联补偿，110kV及以上变电站内电容器采用分组投切方式，由自动电压控制系统(AVC)按照一定的控制策略调节，根据电网无功需求，自动投切合适数量的电容器分组，以平衡电网中的无功需求。表1为110kV以上电网AVC的分时段控制策略。由表1可以看出，因为增加了电容器分组投切，110kV变电站的功率因数在高峰负荷时基本能维持在0.95以上。

表1 为110kV以上电网AVC的分时段控制策略

变电站集中补偿主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端变电所的电压，补偿主变压器的无功损耗。补偿装置一般连接在变电站的 10kV 母线上，易于管理、维护方便，但对10kV母线以下配电网无降损作用。

为了解决配网无功补偿“最后一公里”问题，配网无功补偿开始受到重视。配网无功补偿也有多种方式，目前配电网传统的补偿方式为以下三种。

(1)杆上无功补偿方式

把10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上来进行无功补偿，以达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，所以容易出现保护不易配置，控制成本高，维护工作量大，受安装环境限制等工程问题。杆上补偿多为固定电容补偿，在轻载时，需要防止配电线路出现过电压和过补偿现象。

(2)低压集中补偿方式

在配电变压器低压侧进行补偿，是在国内较普遍采用的一种无功补偿方式。这种方式下，补偿装置根据用户负荷水平的波动，投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。能实现无功功率的就地平衡。该补偿方式更接近负荷，补偿效果比杆上补偿效果更好，但无电容器分组投切，也会出现无功功率补偿过多或不足的情况。

(3)用户终端分散补偿方式

直接对用户末端进行无功补偿，将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平，补偿效果最好。这种补偿方式的缺点是补偿地点分散，无人管理，维护率低，故障率高，易造成大量电容器在较轻载时闲置，设备利用率不高。

3 补偿度的选择与补偿容量的确定

配电网的无功配置情况相对复杂 ,主要受电网位置、负荷密度、负荷功率因数、输电距离、电压状况、主变压器容量、电缆的数量、配电装置型式、设备维护水平等条件限制，在工作中要结合实际情况具体分析选择合适的补偿方式和补偿度，最大限度的保证电网无功需求并且投资收益率最高。

现在配网无功补偿的主要矛盾是：有限的资金与较大的无功补偿需求和补偿设备价格之间的矛盾，即在电网什么位置，安装多大容量的电容器经济性安全性最好的运筹学问题。补偿度的选择与补偿容量的确定目前有以下两种方法：

3.1 估算法

(1)容量估算法：《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》，有如下论述：配电变压器的无功补偿容量可按变压器最大负载率为75%，负荷自然功率因数0.85考虑，补偿到变压器最大负荷时高压侧功率因数不低于0.95，或按变压器容量的20%～40%进行配置。

(2)三分之二法：无功补偿装置安装地点为线路的三分之二处，最佳配置容量为总无功负荷的三分之二。

(3)等面积法：使无功补偿在负荷变化时，其过补偿的容量与时间的积分(面积)等于欠补偿的容量与时间的积分(面积)，从而达到较为优良的配置。

估算法简单方便，在配网优化中起到了积极作用。但随电网精益化管理不断深入、配网的不断增大，粗放型的估算法渐渐变得不适合配网的无功优化。目前很多地区以用先进的计算方法，求得效果更好的补偿策略。

3.2 智能算法

(1)无功补偿优化计算的模型

无功补偿模型要满足相应的潮流方程、电压要求、开关每天动作次数的限制及投资总额的限制等要求，使得以电网电能损失费用和投资/年之和最小。

目标函数:以电网电能损失费用和投资/年之和最小为目标函数。

minf=∑pi+W/n

其中：pi为配网支路i上的损耗；W/n为投资/年的值。

约束条件：

s.t.Vmin≤V≤Vmax(电压要符合要求)

f(x1,x2…xn)=0 (满足相应的潮流方程)

0≤xi≤Qi(容量小于总容量)

k≤K(动作次数小于开关每天动作限值)

W≤W0(投资小于总投资)

其中：Vmin、Vmax为电网各个节点的最小电压和最大电压限值；Qi为需安装的无功补偿总容量；K为电容器开关每天动作次数限值；W0为无功补偿总投资。

(2)遍历算法和其演化算法

该方法与枚举法相近，将所有可以补偿的位置和可能的补偿容量计算一遍，选出最优补偿方案。该方法可以得出补偿效果的最优解，但是计算量较大，适用于小电网，当电网较大时，因为计算量太大而不能在有限的时间内求解。也有学者用电网的简化模型等进行遍历搜索，同样对规模大的配网不适合。

(3)智能算法

对智能算法各高校研究较多，其中主要有结合灵敏度的遗传算法和粒子群算法两种。智能算法的通用性较强，适用于较大规模的电网，能得出较为接近最优解的可用解，其接近程度与算法参数的选取有关。

4 智能电网与无功补偿

配网无功补偿与智能电网协调发展是今后电网的发展方向，一方面，电网规模的扩大，使得以人管理为主导的电网管理模式向智能化、精益化的智能电网管理模式转变。未来配网无功补偿将出现全局管理，精益化管理的特点。

智能电网管理模型中，配电自动化对每条配电线路及其负荷特性进行采集，在智能调度系统中进行整理和分析，同时调用上述智能算法，通过大数据的计算，得出整个电网无功最优化控制策略。配电自动化系统遥控一个个远方无功补偿设备的投切，并通过控制静止无功补偿或动态无功补偿设备，调整整个电网的无功补偿容量，实现整个电网无功最优解。

5 补偿的经济性

无功补偿的经济性与电网功率因数有关，无功缺额越大，补偿的经济性越好。承德供电公司研究表明无功补偿装置两年内可以收回成本并有一定盈余。广东电网研究认为定功率因数补偿回报年限一般为三年，对与供电质量较差的边远农网，补偿回报年限则缩短至两年以内。

6 结论

配网是无功功率的主要来源，由于配网电流大，补偿不足，配网无功损耗问题较主网更加突出。研究配网配网电网结构以及与之相适应的无功补偿方式，确定配网无功补偿的地点和补偿容量，得到投资与补偿效果总体的最优方案，是解决配网无功问题的主要途径。配网无功补偿经济性好，特别是针对电能质量较差的县网和农网，补偿收益更加明显。深入研究智能电网下配电网无功补偿问题是提高电网运行效率、提高资产利用率、保障电网经济运行的有效手段。