试论低压配电网无功补偿分散配置的优化方法

2019-03-07张雪磊

中国设备工程 2019年4期

张雪磊

(国网山东省电力公司莘县供电公司,山东聊城 252400)

低压配电网是电力网络中重要组成部分，能起到配置电能的作用，进一步影响电能供应质量。这种情况下，有必要做好配电网的无功补偿，从而控制电能消耗，在配电网功能正常发挥下，可实现电力安全运行。当前低压配电网进行无功补偿分散配置过程中，还面临一些问题，不能保证电力资源充分利用。为了解决这一问题，需要借助相应的分散配置优化方式，在这些措施有效落实下，促进电力行业良好发展。

1 低压配电网无功补偿分散配置分析

要想发挥配电网分配电能的功能，在配电网运行中要为其配备相应的无功补偿装置，以便达到降低电能损耗、提高电网运行质量的目的。实际进行配电网无功补偿分散配置时，要以无功功率平衡就地平衡为主，减少无功功率传输过程中造成的电能损失。无功补偿装置安装要充分考虑安装成本、电网网损和负荷点电压补偿容量等因素，本文主要针对低压配电网的无功补偿装置设计进行分析，在保证各个负荷节点的补偿容量设置满足电力系统安全运行的条件下，将负荷点作为候选补偿位置来建立优化模型，再次考虑投资费用和装置性能等要求，结合配电网运行特点选出重要补偿节点，得到最佳分散无功补偿配置计划。

2 无功补偿分散配置优化模型

构建无功补偿分散配置优化模型时，以减少配电网网损为目标可得到以下优化模型。

上述式子中，目标函数f(x)设置配电网总的有功损耗；h(x)为不同负荷节点的无功平衡方程；x为电力系统状态变量，包括不同负荷节点电压幅值和相角。不等式g(x)是对各个负荷节点的电压幅值及无功补偿容量进行约束。现在假设配电网中包含n个负荷节点，设定第n个负荷节点电压相角始终为0，将其作为参考节点。目标函数为配电网配变高压侧输入的有功功率减去全部负荷节点对应的有功功率，从而计算得到各负荷点的补偿容量大小。

3 模型求解

本文建立的低压配电网分散无功补偿配置优化模型，是非线性规划模型，为了发挥模型作用，关键在于有效处理离散决策变量，可利用正曲率二次函数来进行离散变量的处理。在优化过程中，当离散变量值处于需要优化范围内，则将其向区域中心靠拢，二次函数中的罚因子在模型完善构建过程中是处于动态变化状态的，这时需要根据计算值求出需要响应的离散取值，再次获得变量因子。通过将各个离散变量代入二次函数中，同时将其引入目标函数中，从而保证离散变量能在配置优化流程中作连续变量来处理，简化了模型分析步骤。这时分散无功补偿配置模型转变成非线性规划模型，利用二次函数求解负荷点补偿容量。

4 无功补偿分散配置存在的问题

随着电力行业不断发展，无功补偿分散配置方法有一定改进，但是实际运行过程中，还存在以下问题：一是电力需求明显增加，这就使得系统内电力变压器数量随之增加，为无功补偿配置工作带来一定难度，导致配电网运行中电压和电能的损耗量有所增加，不利于电力运行安全性。二是配电网无功补偿配置运行中，大多地区还采用集中补偿的方法，将带来一定的电能损耗，并且容易引发电力运行故障。

5 低压配电网无功补偿分散配置优化方式

在进行分散配置模型分析的基础上，能得到相应的低压配电网无功补偿分散配置优化方式，下面将具体阐述优化方法。

（1）优化分散配置步骤。在配电网分散配置优化运行过程中，如果选择系统中的负荷点作为无功补偿点，能得到可行性较高的分散配置方案，在无功补偿分散配置合理化的基础上，能提升电力资源利用率，保证电力运行效益的实现。而上述分散配置计划的实施，要求设置较多安装点，实施难度和成本较高，因此，要结合电网运行实际选用合理的分散配置方法，实现分散配置效果的提升。在分散配置步骤设计方面，需要将系统中负荷点看作是候选补偿点，为了确保分散配置有效性，可结合配电网无功补偿分散配置运行特点，将二次函数模型应用到分散配置优化中，以便准确评估无功补偿量。例如在配电网无功补偿分散配置优化过程中，采用对偶内点法来得到优化配置求解模式，保证分散配置方案实施效果。

从无功补偿分散配置实际来看，需要的无功补偿容量较大，安装和后期运行过程中容易出现较多问题，无法保证配电网正常运行。因此，从分散配置整体效果来看，应针对重要的负荷点位置，配备对应的补偿点，在明确分散配置优化设计关键点的基础上，确保分散配置优化取得理想效果。另外，在确定重要位置时，要综合考虑负荷功率大的位置，从而科学选择补偿容量节点。通过在电力系统关键位置选择对应的补偿点，可保证电力系统在配电网无功补偿分散配置合理化的情况下，达到性能的提升。

（2）配置范围的优化。在制定无功补偿分散配置方案时，要注重对系统电流和电压的有效调节，从而保证系统内各个功能模块功能的实现。为了实现上述优化目的，可从以下方面着手进行优化设计：首先，在单相电容方面。低压配电网无功补偿配置组成部分相对复杂，其中单相电容是重要的结构组成之一，能借助电动机设施进行电压转换。分散配置组成结构中的单线电容应和电源连接起来，从而发挥其电压控制功能，根据配电网运行实际进行相应的转换，可保障电流和电压处于安全运行状态。因此，在优化配置范围过程中，要注重单相电容在电压、电流稳定运行上的重要作用。其次，还应从电压范围角度出发实现无功补偿分散配置范围的优化设置，实际优化过程中，将电压范围控制在20%Ue，Ue为额定电压。通过有效控制电压范围，能进一步降低电力故障发生可能性，当输出电压不超过197V时，装置处于工作补偿状态，为终端设备运行提供足够的电能。

6 算例分析

为了验证上述配电网无功补偿配置优化方法是否可行，主要针对某地区多个低压配电网进行计算，在以上分散配置方案实施一段时间后，对比分析配电网电能损耗情况。下面重点论述某村10#低压配电网的功率补偿分散配置的优化运行情况。这一配电网主要为农业灌溉分配需要的电能，其内部元件参数如下：变压器型号为S9-200，这类变压器短路电能损耗为2.5kW，电压百分数为4，容量是200kVA，通过以上参数能分析得到变压器漏磁阻抗；各个输电线路长度、型号、截面积如下图1所示。其中BVV型号输电线路为铜线，其电阻率为0.0175，利用电阻计算公式，将线路长度与截面积等数值带入公式中，可计算得到不同线路段的电阻值，最终得到各个线路对应的阻抗；各个负荷节点对应的无功功率和有功功率可按照相应的计算方法得到，其中有功功率可由电量分析得到，并根据功率因数估算出无功功率数值。线路中的潮流计算以标幺值为主，配电网基准电压容量设定为100kVA，并且配电侧的电压标准值分别是380kV和10kV。选择负荷点11作为平衡节点，确定其电压幅值和电压相角。

图1 低压配电网输电线路示意图

根据配电网结构图可看出，负荷节点5-9距离配变有一段距离，这些节点对应的电压偏移可根据电网运行设计得出。实践表明，由于上述负荷节点出现电压偏移，可能造成电压偏低或者负荷设施启动电动机转矩过小不能正常工作等。除了上述电力运行故障外，还会导致系统电能损耗较大，不利于电力系统运行效益的实现。通过在负荷节点10位置上配备集中补偿装置，将补偿容量设置成100kvar，可观察到这一措施实施后的不同负荷节点电压值有所增加，进而减少配电网运行时的电能损耗。另外，还需要对各个节点电压进行约束，其中负荷节点为0.9～1.07p.u，配变低压侧为1～1.1p.u，配变高压侧为1～1.05p.u。以负荷点11为参考基准，尽可能缩小节点电压偏移。利用上述分散配置优化方法，可观察到各个节点在补偿装置作用下，其电压偏移都在规定范围内，可保证系统供电质量。同时补偿装置安装下电网网损有明显下降，说明这一优化分散配置方案能很好应用在低压配电网运行中，进而保证电力系统的运行稳定性。