農(nóng)村配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

王圣

【摘 要】我國電網(wǎng)一般線路較長、配電變壓器較多、用電設(shè)備多呈感性、負(fù)荷時(shí)變性較強(qiáng)，導(dǎo)致電網(wǎng)無功損耗極為明顯，優(yōu)化補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率對提高供電質(zhì)量，降低線路損耗具有極為重要的意義。本文以無功損耗最為明顯的農(nóng)村中壓配電網(wǎng)為例，就農(nóng)村配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)村配電網(wǎng)；無功補(bǔ)償；優(yōu)化設(shè)計(jì)成本；優(yōu)化算法

0.引言

在電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)輸出功率包括有功功率和無功功率兩種，有功功率是用電設(shè)備正常運(yùn)行所消耗的功率，無功功率則是由于電源與電感和電容間所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換造成的，而未被用電設(shè)備所消耗。但是，并非說無功功率并不重要，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動、變壓器變壓、交流接觸器的吸合都需要無功功率。近年來，在各類用電設(shè)備廣泛應(yīng)用的同時(shí)，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面的原因，我國電網(wǎng)損耗和電壓質(zhì)量不合格現(xiàn)象越來越為明顯，極容易造成用戶電器燒毀現(xiàn)象，同時(shí)網(wǎng)損過高還會使電能浪費(fèi)，影響經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，網(wǎng)損已經(jīng)成為電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)的一大成本，成為影響電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最主要的原因。要減少網(wǎng)損，提升供電質(zhì)量，除了采取措施提高負(fù)荷功率因數(shù)外，合理配置無功補(bǔ)償裝置也是一個(gè)重要途徑。下面，本文針對無功損耗最為突出的農(nóng)村中壓配電網(wǎng)，就農(nóng)村配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1.無功補(bǔ)償原理分析

在電網(wǎng)中，部分用電設(shè)備呈感性，如變壓器、電動機(jī)等，這些設(shè)備是利用電磁感應(yīng)原理工作的，其能量轉(zhuǎn)換過程中會建立交變磁場，所吸收的功率與釋放的功率相等，屬于感性無功功率。而接在交流電網(wǎng)中的電容器，其上半周期的充電功率同下半周期的放電功率相等，屬于容性無功功率。當(dāng)電容器同電感并聯(lián)在同一個(gè)電路中，電感吸收能量時(shí)電容器在釋放能量，電感釋放能量時(shí)電容器在吸收能量，能量在電容器與電感間交換。因此，電動機(jī)、變壓器等感性負(fù)荷所吸收的無功功率，可以利用電容器、調(diào)相機(jī)、同步電動機(jī)等組成的無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高功率因數(shù)減少視在功率，相就減小供電線路截面和變壓器容量，以降低供用電設(shè)備投資，降低電網(wǎng)和變壓器的功率損耗，提高供電效率，提高供電質(zhì)量。

2.常用無功補(bǔ)償設(shè)備和補(bǔ)償方式

2.1常用無功補(bǔ)償設(shè)備

目前，在配電網(wǎng)中常用的無功補(bǔ)償設(shè)備有同步發(fā)電機(jī)、電力電容器、同期調(diào)相機(jī)、靜止無功補(bǔ)償裝置等。同步發(fā)電機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的交流發(fā)電機(jī)，既可以作為電力系統(tǒng)中的唯一有功電源，也可以作為無功基本源。靜止無功補(bǔ)償裝置可以平滑的調(diào)節(jié)無功功率和電壓，應(yīng)用于大型工業(yè)用戶或超高壓輸電系統(tǒng)中能有效的增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，保持電力網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定。電力電容器則是應(yīng)用最為廣泛的無功補(bǔ)償裝置，能有效的減少線路損耗提高功率因數(shù)。同步調(diào)相機(jī)則主要用于供給無功功率，是一種專門產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，能自動根據(jù)電網(wǎng)要求調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)提高無功出力，主要應(yīng)用于電網(wǎng)樞紐變電站中，調(diào)整和控制電網(wǎng)無功潮流。

2.2常用無功補(bǔ)償方式

在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，理論上講最好的方式是哪里需要無功就在哪里補(bǔ)償，使整個(gè)系統(tǒng)沒有無功電流，但在實(shí)踐中缺乏可操作性，目前常用的有變電站集中補(bǔ)償、桿上無功補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、用戶終端分散補(bǔ)償幾種方式。變電站集中補(bǔ)償主要用于改善整個(gè)電網(wǎng)的功率因素，提高變電所電壓并補(bǔ)償變壓器無功損耗，這種方式主要對高壓進(jìn)行補(bǔ)償，缺乏自動調(diào)節(jié)能力。低壓集中補(bǔ)償是在配變電器380V側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償，主要用于提高專用變壓器用戶功率因數(shù)，對保證專一用戶電壓水平有較好的作用。但變電站集中補(bǔ)償和低壓集中補(bǔ)償均對配電網(wǎng)中存在最多的公用變壓器無功功率的補(bǔ)償不足，使得配電網(wǎng)網(wǎng)損依然極高，通常還需采用10KV戶外并聯(lián)電容器在架空線路桿塔上進(jìn)行桿上無功補(bǔ)償?shù)姆绞?，但這種方式維護(hù)工作量大、安裝不易、成本較高。

用戶終端分散補(bǔ)償方式直接對用戶終端進(jìn)行無功補(bǔ)償，能較好的降低電網(wǎng)損耗維持網(wǎng)絡(luò)電壓水平，相較于前三種方式有較多的優(yōu)點(diǎn)，但其無功補(bǔ)償設(shè)備在較輕載時(shí)閑置利用率不高。

3.無功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1無功補(bǔ)償優(yōu)化主要算法

無功補(bǔ)償是一個(gè)多變量、多約束混合的非線性問題，既是一個(gè)工程問題又是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，沒有準(zhǔn)確的方法和策略，一般都要進(jìn)行簡化同時(shí)考慮模型的實(shí)用性與可行性，并結(jié)合實(shí)際工程情況進(jìn)行合理的優(yōu)化。目前常用的無功補(bǔ)償優(yōu)化算法有線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、混合整數(shù)規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、人工智能法以及一些新興算法如蟻群尋優(yōu)算法、粒子群優(yōu)化算法等。

3.2農(nóng)村電網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

隨著農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的無功優(yōu)化算法已經(jīng)不再適應(yīng)，雖然能在局部無功補(bǔ)償中起到較好的效果，但對整個(gè)農(nóng)村電網(wǎng)的供電質(zhì)量卻沒有太為明顯的作用。在優(yōu)化農(nóng)村電網(wǎng)無功補(bǔ)償方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷性質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，立足于農(nóng)村電網(wǎng)分層、分區(qū)平衡這一基礎(chǔ)，最終提升整個(gè)電網(wǎng)的供電效率、供電可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。針對傳統(tǒng)的基于局部的無功補(bǔ)償方案無法有效提升全網(wǎng)供電質(zhì)量這一問題，應(yīng)當(dāng)著眼于整個(gè)電網(wǎng)重新建立優(yōu)化思路和優(yōu)化算法，以各節(jié)點(diǎn)電壓、關(guān)口功率作為約束條件，利用發(fā)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)能力和變壓器分接頭，設(shè)置可投切無功補(bǔ)償裝置，如靜止補(bǔ)償器和并聯(lián)電容等，有效的對負(fù)荷變化進(jìn)行跟蹤，實(shí)行分層、分區(qū)控制的原則，從而動態(tài)調(diào)節(jié)電壓和無功功率，以保證全網(wǎng)電壓質(zhì)量和無功功率。

3.3農(nóng)村電網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行農(nóng)村電網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用分層、分區(qū)控制的方法先對整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行分級處理，逐級優(yōu)化，綜合考慮上下各層級間的相互影響，最終構(gòu)建一個(gè)全網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化體系。由于農(nóng)村電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多、接線復(fù)雜，且呈輻射狀分布，如果將所有節(jié)點(diǎn)考慮進(jìn)去優(yōu)化速度將極慢，很難達(dá)到理想的無功補(bǔ)償優(yōu)化效果，因此可以先將農(nóng)村電網(wǎng)分成高壓網(wǎng)、中壓網(wǎng)、低壓網(wǎng)三級，高壓網(wǎng)以變電站集中補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ袎壕W(wǎng)以每條饋線為單位進(jìn)行線路補(bǔ)償，低壓網(wǎng)以每個(gè)臺區(qū)為單元進(jìn)行線路補(bǔ)償。再將各級電網(wǎng)分解成若干個(gè)單元進(jìn)行優(yōu)化，先將下級單元優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，再對上級電網(wǎng)進(jìn)行全局無功優(yōu)化，直至整個(gè)電網(wǎng)優(yōu)化完畢。

3.4下級子網(wǎng)對上級主網(wǎng)的影響分析

在電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，越接近配電網(wǎng)末端，其結(jié)構(gòu)就越為復(fù)雜，處理下級電網(wǎng)無功優(yōu)化對上級電網(wǎng)的影響有著關(guān)鍵的影響，在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，要將下級子網(wǎng)無功優(yōu)化對上級主網(wǎng)無功流流分布的影響考慮入內(nèi)，以免因下級子網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置動作重新分布無功潮流后，造成上級子網(wǎng)無功優(yōu)化失效。在中壓電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)的無功補(bǔ)償優(yōu)化中，一般不必涉及發(fā)電機(jī)，僅需考慮無功補(bǔ)償量、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓、有載調(diào)壓變壓器分接頭等參數(shù)即可，最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無功潮流最優(yōu)、電壓質(zhì)量合格、線損最低。

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