配电网中无功补偿节能技术研究

张文超（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

随着国家工业的迅速发展以及电力需求种类的增多，在电力系统中，存在着有功功率和无功功率，伴随着电动机等无功电气设备的增多，电网中的无功功率也在逐渐增大，结合配电网覆盖范围更广、负荷增长更快、电压等级更高、负荷特性更复杂等特点，找到满足配电网中节能降耗的技术尤为重要。国内已经有很多学者提出了多种补偿技术并对其进行了验证。高三策[1]建立了静止无功发生器的模型，利用RBF神经网络技术对其进行控制，根据模型进行了模拟仿真分析，仿真结果证明了该装置的有效性；苏克[2]提出了动态分相无功补偿方法，利用实验平台和仿真软件对改方法进行了研究，结果表明该方法应用在无功补偿装置的可靠性，降低了配电变压器损耗；陈冰斌，赵健[3]建立了配电网无功补偿优化的模型，提出了形状系数的电量损耗折算法和等值电阻法对其进行优化，验证了该方法的合理性；殷培峰，马莉[4]研究了在智能电网无功动态补偿技术中晶闸管的应用，降低了电磁干扰，提高了无功补偿器的补偿能力。将无功补偿装置合理的安装在合适的位置同时设计合理的容量，这样可以降低线路损耗同时也可以提高功率因数，在实际应用中，常常以分散无功补偿为主，需要根据具体的实际情况设计无功补偿装置来满足不同地区的要求[5]。因此，研究配电网中无功补偿技术对节约电能、降低损耗等具有重要的意义。

1 配电网无功补偿技术

随着配电网中无功补偿技术逐渐被重视，各种无功补偿装置在实际应用中多了起来[6]。在电网实际运行中，感性负载居多，在运行过程中需要消耗无功功率，因此在线路中增加一些无功电源，用无功电源给感性负载提供无功功率，可以降低线路损耗；同时也可以设置容性负荷，让感性负荷和容性负荷在一条电路上，使两种负荷随意切换能够满足电力要求[7]。采用无功补偿技术可以大范围内优化电网电压，降低无功功率的流动性，节约了电网运行的能量消耗，同时提高了电网运行的稳定性和可靠性，同时它也是保证电网高质量运行的重要手段，无功补偿技术受到越来越多的关注。

其中，变电站集中补偿一般对变压器进行电压调节和无功补偿，采用补偿装置来达到输电网络间的无功功率的平衡，其优点是操作简单且维护和管理方面更加容易；低压集中补偿通常是在低压配电变压器侧并联电容器柜来进行无功补偿，可以通过智能技术来控制并联电容器柜实现电容器的自动补偿，进而满足用户负载大小，优点是能够实现自动补偿无功功率，提高了用户需要的功率，保障了电压水平稳定，缺点是可能会导致线路电压的波动进而使得电力系统线路电压不稳定，同时会产生无功功率补偿不足或者无功电容补偿过多的问题；用户终端分散补偿优点是能够降低小路损耗，改善线路电压质量，其缺点是在安装无功补偿装置时需要确定部分变压器功率，且在变压器低压侧进行负载波动时，限制电容器轻载运行而降低无功补偿装置的利用效率[8]。高压配电线路无功补偿由于其公共变压器数量增多通常并联电容器来改变功率因数，降低功率损耗，但是在补偿过程中应该减少补偿点的数量，其控制方式应该更加简单而避免补偿过量。而补偿装置也是多种多样的大概有同步调相机、并联电容器、静止式无功补偿装置等等，目前采用较多的是静止式无功补偿装置，其优点是提高功率因数、节约电能、改善电网电压质量、维护方便等等，能够保证并实现电网稳定运行[9]。

配电网无功补偿优化其核心是算法，其中有以简化梯度法、牛顿法为代表的非线性规划法，优点是算法比较简单，缺点是收敛性不好，计算时间比较长；线性规划法泰勒公式将非线性规划问题变为线性规划问题；现代人工智能方法有遗传算法、人工神经网络、模糊集理论等等，随着智能算法的发展逐渐替代了以前的无功补偿优化方法。分析无功补偿优化技术是个多约束的、多变量、非线性规划等等特点，在对现有的配电网中的无功补偿技术进行优化时也需要考虑负荷预测等问题，但是随着无功补偿技术的发展，在对其进行优化、智能化的过程中，同时也会存在一些谐波、电压调节方式等等问题，所以在使用过程中要综合考虑无功补偿装置的优缺点，才能保证配电网中无功补偿技术对节约电能、降低损耗的意义。

2 配电网无功补偿优化模型

针对配电网中无功补偿优化模型，利用节点负荷电压稳定裕度确定最优补偿位置，利用遗传算法来确定无功补偿的容量。最后建立10 kV的配电网无功补偿优化模型，对无功补偿优化前后的一些参数进行对比分析，结果表明配电网中无功补偿技术可以保证电网安全稳定运行。

对于无功补偿优化模型来说，其中潮流计算是基础，其常用的方法是节点法、支路类法等等。节点法中的牛拉法的有点是快速收敛性，但是在大型复杂配网中，因迭代过程中计算时间长、效率低。支路法的典型是前推回代法，其方法不需要进行矩阵的运算而大大提高了效率，潮流计算的方法采用前推回代法，前推回代法潮流计算步骤具体如下：设定计算所需的线路元件参数，对系统拓扑结构的各个部分进行分析，形成节点分层，初始化节点并进行负荷等参数赋值，利用回代算法进行各支路功率以及功率损耗的计算，利用前推算法前推迭代出各节点电压及压降[10]。对节点电压差值进行二次计算，判断是否满足收敛条件，满足则输出，否则继续迭代。

以10 kV的配电网无功补偿优化模型为例，由于配电网中节点数目比较多，所以需要确定配电网的无功补偿点，采用节点负荷电压稳定裕度作为判断方法，根据基尔霍夫定律建立一个节点电压方程，用L指标来表示，需要对线路进行潮流计算得到其变量和参数，把L指标和1进行比较，L=1.0时，代表节点电压临界稳定；当L＞1.0时，代表节点电压失稳；L＜1.0时，代表节点电压稳定。因此确定每一个负荷节点电压的稳定裕度Mj，节点电压的稳定裕度越大，系统电压失稳的可能性越小，所以根据节点电压的稳定裕度数值的大小判断电压稳定弱节点。当电网系统稳定运行时，根据电网要求设置电压稳定裕度的数值，当实际运行的负荷节点电压低于设定值时，将这些节点认为是电压稳定弱节点的集合，对这些的弱节点视为是无功补偿点。所以在配电网中利用节点负荷电压稳定裕度来判断需要无功补偿点，确定补偿位置。利用遗传算法来确定无功补偿装置的容量，把系统中经济效益最好放到首位，采用净现值法作为经济评价标准。

在建立无功补偿优化模型的工程中，采用罚函数作为状态变量的约束条件建立目标函数，将配电网中的数据和遗传算法参数输入计算机软件，利用前推回代法进行潮流计算，得到负荷节点电压稳定裕度，确定无功补偿装置的安装点，进行编码，生出初始种群，修正网络参数，再次进行潮流计算，计算个体适应度，选择、交叉、变异操作，潮流计算，评价个体，判断是否满足进化，最后建立配电网无功补偿优化模型，算法流程见图1。

图1 算法流程Fig.1 Algorithm flow chart

10 kV配电线路拓扑结构见图2，将无功补偿优化模型应用到实际中对线路进行分析和优化。根据10 kV的配电网中的潮流数据和较大负荷情况下线路的潮流分布，电能损耗和负荷成正比例，负荷大，损耗也就大；在负荷较大或较小时，功率因数不好，具有提高的余地；另外，从馈线初始到节点7消耗了大部分的能量，其中一部分原因是线路较长，损耗较大。与此同时，在配电网中变压器的损耗也很大，由于变压器的型号、容量都不相同，而且配电线路中负载率低、负荷波动大使其无法经济运行，增大配电网的损耗。

图2 线路拓扑结构Fig.2 Structure of the urban line

在不考虑线路好变压器损耗的条件下，利用潮流计算结果，找到负荷节点电压稳定裕度，评估各个负荷节点的电压稳定裕度，评估各个负荷节点的电压稳定裕度后，设置其值0.6，负荷节点的电压稳定裕度小于这个值的节点选为无功补偿点，选出的无功补偿的节点包括：34、55、57、62、65、70、72。为了方便实际操作和灵活动态补偿选择在配电网中低压侧进行动态补偿。确定补偿点后根据遗传算法确定补偿容量，进行无功补偿优化计算，遗传算法经过多次迭代后找到最大净现值点，负荷节点的无功补偿容量见表1。

表1 无功补偿容量Tab.1 Reactive compensation capacity

确定了补偿装置的位置和补偿容量之后，利用遗传算法对无功补偿技术进行优化，将经过优化之后的补偿装置应用到实际之中，无功补偿优化前后整体参数对比见表2，经过分析可知，在无功补偿优化之后，配电网中有用功和无用功的损耗都有所降低，同时线路总有功损耗也降低了，功率因数得到了明显的提高，无功补偿优化后的配电网整体数据都有转好的趋势。

表2 无功补偿优化前后整体参数对比Tab.2 Comparison of overall parameters before and after optimization of reactive compensation

3 结论

对于配电网来说，最有效节能降损的方法就是无功补偿技术。通过对配电线路低压侧进行无功补偿的研究，根据潮流计算结果，设置负荷节点的电压稳定裕度，找到需要进行无功补偿的节点，采用遗传算法将经济效益最好是目标函数，综合考虑各方面因素，对无功补偿技术进行优化，确定需要补偿节点的补偿容量。最后以某城区10 kV配电网为例，根据优化模型在配电网中设置无功补偿装置，从数据中分析可知，使用无功补偿优化模型后，提高了功率因数、降低了能量损耗，响应了国家节能减排的号召，为我国经济可持续发展做出了一点贡献。但是，目前的无功补偿装置还不够完善，很多需要改进的地方，需要尝试更多的智能算法，需要考虑更多实际生活中的因素，要为此做好备用方案。