供配電系統(tǒng)的無功補償與節(jié)能分析

黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 舒 華 王 黔

電網(wǎng)中的電力負荷以感性負荷為主，在運行期間此類設(shè)備會消耗無功功率。為降低線路在運輸無功功率時產(chǎn)生的電能損耗可對其進行無功補償，將并聯(lián)電容器安裝到供配電網(wǎng)系統(tǒng)中，為配電網(wǎng)提供感性負載所消耗的無功功率，由此降低無功功率在配電網(wǎng)中的流動速率。在無功補償實施后可在源頭上變?yōu)闊o功能量，由此降低大量線損能量，促進配變利用率提升，降低視在功率。在設(shè)備運行中無功補償裝置同步運行，在設(shè)備運行結(jié)束后補償設(shè)備也停止運行，由此減少視在功率，達到節(jié)能省電的效果。

1 供配電無功補償原理與方式

1.1 裝置配置

為確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，獲得更多電網(wǎng)經(jīng)濟效益，要求各級電網(wǎng)企業(yè)與用戶嚴格遵循無功補償技術(shù)規(guī)則，合理配置補償裝置。通常情況下配電網(wǎng)無功補償主要為容性補償，在變/配電站中安裝集中補償電容器，并輔以6～20kV的高壓補償。針對變壓器中的無功補償容量，可將變壓器負載率提高75%、功率因數(shù)設(shè)置為0.85，在無功補償滿足變壓器負荷最大值后，要求高壓側(cè)功率因數(shù)超過0.95。此外還可依照變壓器額定容量，在15～40%比例內(nèi)配置無功補償。

上述配置主要依照電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗制定，但在變壓器容量范圍方面沒有明確規(guī)定，應(yīng)針對電容器組設(shè)立約束條件，要求依據(jù)無功/有功電流將其分組，對控制裝置進行自動切換。用戶應(yīng)結(jié)合配電網(wǎng)內(nèi)接載負荷的特征對電力系統(tǒng)內(nèi)無功補償裝置進行配置，使其滿足以下要求：針對超過100kVA的高壓電力電網(wǎng)用戶，當(dāng)達到用電高峰期時要求高壓側(cè)功率因數(shù)應(yīng)超過0.95；剩余用電負荷的用戶系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)超過0.90，還要對無功補償裝置分組投切，使其在不同狀態(tài)下避免無功功率進入系統(tǒng)[1]。

1.2 補償原理

在交流電路運行中，以純電阻電路為例，可將電能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?jīng)過純?nèi)菪载撦d時并不做工、無需消耗電能，即無功功率。通常情況下實際負載為混合性負載，在電能經(jīng)過負載時便有部分電能不做功，即無功功率，此時功率因數(shù)不超過1。為提高電能利用率，需對其實施無功補償。當(dāng)前工業(yè)負荷大部分為感性，全部電感負載均需補償眾多無功功率。如若由輸電系統(tǒng)供應(yīng)，則設(shè)計輸電系統(tǒng)期間應(yīng)對有功/無功兩種功率綜合分析。通過輸電系統(tǒng)傳遞無功功率可導(dǎo)致線路與變壓器損耗提升，影響經(jīng)濟效益。同時還可由并聯(lián)補償電容器提供無功功率，可有效避免輸電系統(tǒng)傳輸?shù)臒o功功率，使無功損耗降低，促進系統(tǒng)傳輸效率提升。

1.3 補償方式

無功補償是電網(wǎng)運行的基礎(chǔ)與前提，合理布局有助于實現(xiàn)無償補償，還與降低補償投資息息相關(guān)。通過無功補償?shù)膽?yīng)用可使無功功率能夠就地平衡，促進電壓質(zhì)量提升，降低線損，維護配電網(wǎng)穩(wěn)定運行。對于無功補償應(yīng)堅持分層平衡、就地平衡等原則，基本方式包括集中型、分散型與集中、分散相結(jié)合三種模式。從整體來看，應(yīng)用較為頻繁的補償方式有四種，即變電站集中補償（A模式）、桿上無功補償（B模式）、低壓集中補償（C模式）、用戶端分散補償（D模式），四種方式性能分別如下。

A模式下以滿足變電站無功需求為補償目標，降損有效范圍為主變與輸電網(wǎng)，可有效改善電壓狀態(tài)，投資量較大，設(shè)備利用率較高，后期維護檢修較為便利；B模式下以滿足配變無功需求為補償目標，降損有效范圍為配變與輸電網(wǎng)，可有效改善電壓狀態(tài)，投資量較大，設(shè)備利用率較高，后期維護檢修較為便利；C模式下以滿足中壓線路無功負荷為補償目標，降損有效范圍為中壓線路與輸電網(wǎng)，可有效改善電壓狀態(tài)，投資量較小，設(shè)備利用率較高，后期維護檢修較為便利；D模式下以滿足用戶端無功需求為補償目標，降損有效范圍為整個電網(wǎng)，可有效改善電壓狀態(tài)，投資量較大，設(shè)備利用率較低，后期維護檢修不夠便利[2]。

2 供配電生產(chǎn)中常用的節(jié)能技術(shù)

在企業(yè)生產(chǎn)期間，供配電系統(tǒng)可分為兩項內(nèi)容，即用電設(shè)備與供配電網(wǎng)。結(jié)合系統(tǒng)構(gòu)成特點可從兩個角度著手進行驗證：一是普及先進節(jié)能設(shè)備，提高設(shè)備能源利用效率，以電機類節(jié)能應(yīng)用為代表；二是將節(jié)能技術(shù)引入企業(yè)生產(chǎn)中使能源損耗降低。從整體來看，供配電生產(chǎn)中應(yīng)用較為普遍的節(jié)能技術(shù)如下。

2.1 電力變壓器節(jié)能

在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，變壓器作為關(guān)鍵電力設(shè)備之一，要想實現(xiàn)節(jié)能目標應(yīng)合理選擇配電變壓器容量。對于單臺配電變壓器來說，先要對負荷大小進行選擇，使其超過多臺備選變壓器，再對變壓器對應(yīng)負荷率進行計算，得到不同配電變壓器的運行效率，對比不同待選變壓器運行效率，選出效率最佳的變壓器。例如，某企業(yè)計算負荷有功功率設(shè)定為240kW，功率因數(shù)為0.75。根據(jù)經(jīng)濟運行原則合理選擇變壓器容量對負荷進行計算，公式為：S＝240/cosφ=240/0.75＝320kW。

備選變壓器分別為400kVA、630kVA、800kVA、1250kVA。結(jié)合變壓器中的技術(shù)參數(shù)、功率因數(shù)等，對不同變壓器內(nèi)負荷率、運行率進行計算，其負荷率（β）、運行效率（η）分別為0.8/0.9754、0.508/0.9842、0.40/0.9541、0.265/0.9541，由此發(fā)現(xiàn)630kVA變壓器的運行效率最高，故選擇該型號設(shè)備。在多臺變壓器運行容量選擇中，可使負載損耗與空載損耗處于相同狀態(tài)。待負載增加后可令n臺變壓器負載損耗處于（n+1）臺空載損耗內(nèi)，再投入一臺變壓器便可實現(xiàn)經(jīng)濟持續(xù)運行[3]。

2.2 降低線損程度

供電半徑對線損具有較大影響，要求對配電網(wǎng)合理布局，盡可能將配電變壓器安裝在工廠負荷中心點，由此縮短電源與用電負荷間的距離。隨著線路長度、電流的變化線損也會隨之改變。針對負荷集中線路可利用分流方式、增加線路出線方式降低線路內(nèi)的負荷電流，由此達到降低線損的目的。導(dǎo)線截面大小同樣會影響線損，一般采用截面較大的導(dǎo)線降低線損。導(dǎo)線截面增加可使線損降低，但若增加到一定程度線損降低程度便不再明顯。線損不但與電阻相關(guān)，還受線路長短、阻抗等因素影響，但阻抗與截面基本沒有關(guān)聯(lián)，因此不可過分增加截面達到降低線損的目標，而是要對發(fā)熱、阻抗、電阻及電流密度等因素綜合分析。

隨著變頻設(shè)備內(nèi)鎮(zhèn)流器的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)高次諧波增加、三相電流失去平衡，此時中性線電流增加，應(yīng)減少傳統(tǒng)線路配置模式，增加中性線導(dǎo)線截面以降低線損。在車間運行中，以電動機為代表的感性負載得到普及應(yīng)用，使功率因數(shù)降低，如若無功功率在車間內(nèi)部無法得到有效補償便會進入到線路中，導(dǎo)致線損增加，同時還會使供電質(zhì)量下降。對此，應(yīng)利用并聯(lián)電容器等促進功率因數(shù)提升，使線損得到有效控制。此外還可通過更新導(dǎo)線連接方式，在導(dǎo)線聯(lián)結(jié)期間應(yīng)盡量采用線夾連接手段，禁止纏繞連接，不可將銅鋁連接起來，盡量利用鋁銅過度夾。在正式裝配之前還應(yīng)妥善處理導(dǎo)線或線夾，避免造成銹蝕，還要確保穩(wěn)定安裝。

2.3 合理選擇電氣設(shè)備

變壓器作為主要節(jié)能設(shè)備可分為銅損與鐵損兩種類型。在空載期間有功損耗一般與鐵損相似，固定不發(fā)生改變，在負載期間有功損耗與銅損相似，與負荷存在正相關(guān)關(guān)系。對此，先應(yīng)根據(jù)企業(yè)負荷將變壓器容量控制在經(jīng)濟運行期間，以免出現(xiàn)“大材小用”情況，降低電能損耗。部分企業(yè)始終延用線損較大的老式變壓器，此類設(shè)備不但線損較高，還存在較大的安全隱患，與節(jié)能要求不相符合，此應(yīng)選擇合理高效的電氣設(shè)備。

例如，將以往電熱管加熱變?yōu)殡姶鸥袘?yīng)加熱可有效提高熱效率，節(jié)約電能；還可在企業(yè)內(nèi)部普及應(yīng)用變頻控制技術(shù)等，提高節(jié)能效率。當(dāng)前部分企業(yè)普遍應(yīng)用變頻、鎮(zhèn)流設(shè)備等，很容易導(dǎo)致有功損耗產(chǎn)生，需對此加強重視；企業(yè)也可采用抑制高次諧波的聯(lián)結(jié)組別變壓器，使諧波得到有效控制[4]。

2.4 普及節(jié)能照明系統(tǒng)

據(jù)調(diào)查國內(nèi)照明用量占比較大，企業(yè)應(yīng)注重照明方面的節(jié)能控制，利用節(jié)能燈具替代傳統(tǒng)白熾燈，達到節(jié)能目標。例如，可在車間廠房、企業(yè)內(nèi)普及高光效的LED燈具，此類燈具不易受損且光效良好，節(jié)能型強。同時在照明線路方面還應(yīng)采用單獨布設(shè)的方式，利用三相四線供電，將燈具均勻布設(shè)為三相可增加零線的截面直徑。當(dāng)前智能技術(shù)飛速發(fā)展，企業(yè)應(yīng)結(jié)合實際需求創(chuàng)建照明智能控制系統(tǒng)，與廠區(qū)工作時間、照度等因素結(jié)合，對照度進行實時監(jiān)測與調(diào)節(jié)，由此實現(xiàn)節(jié)能目標。

3 遺傳算法在配電無功補償中的應(yīng)用

3.1 算法原理

遺傳操作的目標是結(jié)合個體適應(yīng)度對生物基因進行模擬操作，由此實現(xiàn)優(yōu)勝劣汰的優(yōu)化過程。該算法的主要原理是先要確定染色體，采用輪盤賭的方式解決問題。結(jié)合遺傳規(guī)則，優(yōu)秀父代有更大幾率產(chǎn)生優(yōu)秀子代，因此應(yīng)盡量選擇優(yōu)秀染色體為父代。為符合染色體基因多樣性，在實際選擇中一些較差的染色體也可能被選中。

以某染色體為例，選擇比率可用公式表示為Pi式中Pi代表的是第i個染色體相應(yīng)的概率值；Fi代表的是第i個染色體適應(yīng)度；當(dāng)Pi值越大時染色體中選概率便會更大。在染色體選擇完畢后，應(yīng)按照特定交叉概率隨機選擇部分個體，將其兩兩配對，且交叉點也應(yīng)隨機選擇。在交叉操作時，群體雖然會繼承父代基因但不會與父代完全相同，很可能成為更加優(yōu)秀的個體，使其更加靠近最優(yōu)解。在交叉期間可能出現(xiàn)0～1個隨機數(shù)，如若該數(shù)字與交叉概率相比較小，此時交叉才會順利實施。

變異是以較小的概率對群體中某個體的數(shù)值進行改變[5]?；玖鞒虨椋横槍徊嬷挟a(chǎn)生個體內(nèi)的各個基因，在[0,1]區(qū)間偽隨機數(shù)r，如若r值不超過Pm則實施變異操作。在二進制編碼中變異算子可取隨機值的相反值，如“0”變?yōu)椤?”。從本質(zhì)上看，變異自身為隨機搜索，可與交叉算子相結(jié)合，避免在交叉計算中造成部分信息丟失，使算法更加有效，還可具備群體多樣性，以免未成熟收斂情況發(fā)生。

3.2 模型創(chuàng)建

在無功優(yōu)化問題處理中可結(jié)合配電網(wǎng)現(xiàn)實情況創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，并從多角度出發(fā)進行模型優(yōu)化。在無功優(yōu)化方面功率約束可創(chuàng)建潮流方程如下：式中，PGi代表的是節(jié)點i注入有功/無功功率；PDi代表的是第i負荷有功/無功功率；Gij代表的是節(jié)點矩陣中節(jié)點i與j元素；代表的是節(jié)點i與j之間的相角差，k取值為1時代表最大，k值為2時代表一般，k值為3時代表最小負荷運行方式。

在無功優(yōu)化方面，可將變量劃分為控制型與狀態(tài)型兩種，其中Qc代表的是補償容量，T代表帶負荷調(diào)壓變壓器變比，V代表的是節(jié)點電壓。針對控制變量不等式約束為：Timin≤Tik≤Timax，i取值為1到nt；Qcimin≤Qcik≤Qcimax，i取值為1到nc；式中，nt代表的是有載調(diào)壓變壓器數(shù)量；Ti代表的是變壓器變比；Timax代表的是變壓器變比上限；Timin代表的是變壓器變比下限；nc代表的是補償節(jié)點數(shù)量；Qci代表的是補償容量；Qcmin代表的是補償容量最小值；Qcmax代表的是補償容量最大值。在狀態(tài)變量不等式方面，可約束條件可表示為：Vimin≤Vik≤Vimax，i取值為1到nt；式中，Vimin代表的是節(jié)點電壓上限；Vimax代表的是節(jié)點電壓下限。

3.3 無功優(yōu)化

3.3.1 定制初始種群

在變壓器應(yīng)用中，如若將檔位調(diào)整到17檔，可每次生成0～16個隨機數(shù)，將其當(dāng)作變壓器的譯碼，電容器也是同樣的道理。每次生成一個染色體后可將各編碼從范圍內(nèi)去掉，待全部刪除后可重新生成，直到擁有最多檔位設(shè)備被全部搜索過一遍，便可形成n個不同個體，重復(fù)上述操作共計可形成m×n個個體，要求m×n個不超過N的種群，最終利用標準遺傳算法生成初始種群，隨機生成N-m×n個個體。通過上述方式可使種群能夠遍布整個空間，可為后續(xù)遺傳操作提供更多便利，為全局最優(yōu)解尋找提供更多可能。

3.3.2 適應(yīng)度優(yōu)化

在對電網(wǎng)模型進行分析時可利用配電無功優(yōu)化函數(shù)，將其作為適應(yīng)度函數(shù)進行配電無功計算，一般以遺傳算法做到指導(dǎo)方向。本文利用輪盤賭的選擇方式朝著適應(yīng)度增加之處尋找，但無功優(yōu)化的本質(zhì)為最小值優(yōu)化，需要進行目標函數(shù)轉(zhuǎn)換，公式為：fitniss=1/F，式中F代表的是目標函數(shù)，其變量含義與目標函數(shù)相同。首先對適應(yīng)值總數(shù)與各個體所占比重進行計算，當(dāng)比重越大時可參與繁殖概率便越高，由此確定母體內(nèi)繁殖個體的數(shù)量。

例如，假設(shè)適應(yīng)值函數(shù)為fi，種群規(guī)模用N表示，則fi為0.5，N為20。在個體繁殖庫內(nèi)的數(shù)量計算公式為Ni＝INT（20×0.5/3）＝3個。式中INT代表的是取整函數(shù)，待繁殖庫形成完畢后邊可雜交、變異。

3.3.3 無功優(yōu)化流程

在開始后將配電網(wǎng)原始數(shù)據(jù)錄入其中，如總節(jié)點數(shù)、總支路數(shù)與節(jié)點負荷參數(shù)等，然后實施靈敏度分析，挑選幾條支路靈敏度最高的點將其當(dāng)作無功補償控制點；對種群進行初始化操作，結(jié)合編碼原則將其變?yōu)閮?nèi)含50余個體的初始種群，再將其生成多個控制變量，重新修正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；結(jié)合不同負荷水平對配電網(wǎng)潮流進行計算、交叉與變異等，在繁殖庫內(nèi)完成個體雜交、變異等操作，最終生成新個體；針對不同新個體逐一解碼，將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整完畢后實施潮流計算；獲得不同個體適應(yīng)值進行計算并評價個體、并排序；最后判斷收斂條件，待其滿足最優(yōu)個體保留數(shù)量時停止迭代，將最優(yōu)解輸出，盡管未能達到最佳個體保留數(shù)量，但若達到最大遺傳迭代次數(shù)時也會停止迭代，將次優(yōu)解輸出，否則將會繼續(xù)迭代，直到輸出最優(yōu)結(jié)果，完成程序運行目標[6]。

綜上，當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，電力消耗不斷增加，在能源需求上存在較大矛盾，不利于工業(yè)持續(xù)發(fā)展。對此，在供配電運行中可通過電力變壓器節(jié)能、降低線損程度、合理選擇電氣設(shè)備以及普及節(jié)能照明系統(tǒng)等方式使系統(tǒng)得到無功補償，達到節(jié)能降耗目標，減輕電力部門整體壓力，改善電能資源的生產(chǎn)現(xiàn)狀，推動當(dāng)?shù)毓I(yè)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。