配电网无功优化的实现方法

配电网是电力系统的重要组成部分之一，在电力系统的各环节中，配电网处于末端直接与用户相联系。长期以来，重视有功调度而忽视无功功率的分布，导致大量无功功率在配电网中流动，既增加了配电网有功损耗，又影响了电压质量，降低了配电网运行效率。因而对于如何利用和配置无功资源进一步降低配电网损耗，提高电压合格率，提高配电网运行经济性的研究，无论是从运行实际还是从研究现状来看都表现出很强的迫切性。

配电网无功优化就是建立在已有综合自动化基础之上，在保证配电网安全可靠运行的前提下，根据不同的负荷水平，控制配电网中已有无功补偿控制设备（如同步发电机、有载调压变压器、无功补偿器等），合理调整配电网中无功功率分布，一方面使配电网满足一定安全约束，使各节点电压满足要求；另一方面使配电网的有功损耗最小，无功补偿设备的投资最小。为此，必须解决好无功补偿的配置方式和最佳补偿容量两个问题。

1.配电网无功补偿方式

配电网中最常用的无功补偿装置是并联电容器，并联电容器具有投资省、安装不受自然条件限制、运行简便、可靠性高等优点。

（1）按电容器是否投切分类的方式

进行无功补偿的并联电容器组分为不可投切电容器组和可投切电容器组，无功补偿方式也可以分为固定补偿和分时、分组、分相补偿，以及无功自动补偿。

1）采用不可投切电容器组进行固定补偿。

以前，电容器基本都采用固定补偿。此种情况下，电容器的容量和投运都是固定不变的，这就需要以系统的最小负荷方式来确定补偿点及其补偿容量，容量相对较小。采用无功电容固定补偿的方法可以提高线路的功率因数，但是如果固定的按最大无功缺额功率进行补偿，在负荷减小时就会出现过补偿；如果按最小无功缺额功率补偿，在负荷增大时就会出现欠补偿。所以这种补偿方式的最大缺点就是在后半夜电压高时电容器不能切除，形成无功过剩，向线路倒送无功，对电网的电压调整造成困难，且电容器可能与邻近变压器会发生谐振，威胁电网安全。此外，固定补偿并不能减少电压的波动范围，仅能提高运行电压水平，这对于一些电压水平已偏高的配电网将导致供电质量的变化。

固定补偿具有费用少、装置简单的特点，是我国配电网普遍采用的无功补偿方式。但是固定补偿的灵活性太低，已不太适合现在快速发展变化的农村电网。固定补偿适用于负荷变化不大的电网，可以用于进行无功基荷的补偿。

2）采用可投切电容器组进行分组投切。

现在，自动控制技术的发展，使得电容器自动投切装置已经很成熟了，能做到按电压高低和无功需求的变化分组、分时、分相投切，而且免维护，基本解决了固定补偿的缺点。不论对季节性负荷，还是日波动较大的负荷，电容器自动投切装置都可以为其提供有效的无功补偿容量。但是电容器自动投切装置的投资与固定补偿的电容器装置的投资相比一般要大几倍。

（2）按电容器安装位置分类的无功补偿方式

在配电网中主要采用并联电容器来进行电网的无功补偿。无功补偿方式主要有变电站集中补偿、低压集中补偿、线路杆上无功补偿和用户终端分散补偿，如图6-6所示。

图6-6 配电系统无功补偿方式

1）变电站集中补偿方式。

针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿（方式1），补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，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和补偿主变压器的无功损耗。这些补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但是这种方案对配电网的降损起的作用很小。由于在站内运行环境较好，控制也比较方便，再加上主变压器容量大，降损效果显著，所以安全性和经济性都较好。这种方式的不足之处在于不能补偿配电线路和配变的无功缺额。而对于配电网而言，后两者所占的无功损耗又较大，所以单单安装变电站无功补偿装置是不够的。

变电站集中补偿总补偿容量按主变压器容量的15％～30％考虑。采用集中补偿方式，一般需要设专门的电容器室或采用室外集中布置。另外，还需要配置较完善的保护以及控制投切电容器的一、二次设备，投资较大。此种方法不能解决下一级电网的网损。

2）低压集中补偿方式。

配电变压器380V侧进行集中补偿（方式2），作用是补偿各个配电变压器及配电线路的无功缺额，就地提供负荷的无功功率，有效地减少无功流动，减少10kV线路和配电变压器的无功损耗，保证负荷的电压合格。

目前，国内较普遍采用的配电变压器380V侧进行集中补偿方式，通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等。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。其主要目的是提高大容量综合配变和专用变压器用户的功率因数，实现无功就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用，也有助于保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。

3）线路杆上无功补偿方式。

线路杆上无功补偿方式（方式3），即在高压侧节点（10kV线路和配电变压器高压侧）加装无功补偿控制装置和电容器组，作用在于补偿线路上的无功缺额，减少10kV线路的有功无功损耗。由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，使得补偿度受到限制。由此造成很大的无功缺口，需要由变电站或发电厂来填补。大量的无功沿线传输使得配电网网损仍然居高难下，因此可以采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆），进行无功补偿，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。(www.xing528.com)

4）用户终端分散补偿方式。

目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿（方式4）可最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。

《供电系统设计规范》（GB50052—2009）指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。故对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿。

针对小区用户终端的负荷小、波动大、地点分散、无人管理等特点，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并满足以下要求：①智能型控制，免维护；②体积小，易安装；③功能完善，造价较低。

与前面三种补偿方式相比，这种补偿方式将更能体现以下优点：①线损率可减少约20％；②减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件；③释放系统能量，提高线路供电能力。其缺点是由于低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在较轻负荷时的闲置，设备利用率不高。

2.配电网无功优化模型

在配电网当中，无功优化调节一般通过调整同步发电机的无功出力、投切无功补偿电容器组和调节有载调压变压器的分接头来实现，这就要用优化方法来确定发电机的机端电压、无功补偿容量、补偿地点、变压器分接头位置及它们之间的相互配合，其数学模型包括目标函数、等式约束和不等式约束。

（1）优化目标函数

在实际工程应用中，无功补偿装置必然会产生有功损耗及运行维护费用。另外，当配电网无功资源不足时，需要增加无功补偿设备，产生额外投资。因而，系统在追求有功网损最小的同时，应综合考虑无功补偿装置总投入最小，并建立目标函数。

式中，前两项考虑无功补偿装置总投入最小，最后一项考虑有功网损最小；u=[D_QC，D_T]为控制变量；x=[U_D，θ]为状态变量；D_QC指无功补偿电容器投切组数；D_T为有载调压变压器档位调节；n为加装无功补偿装置的节点数；Q_Ci为节点i上无功补偿容量（kvar）；ΔP_C为每kvar无功补偿容量的有功损耗；C为上网电价［元／（kW·h）］；T为年运行小时数（h）；K₁为电容器年运行维护费用（元／kvar）；ΔP为系统有功损耗，可用下式表示：

（2）等式约束

等式约束即满足潮流约束方程。变压器分接头的调节、无功补偿容量的确定、发电机机端电压的调节都必须满足潮流方程。

式中，P_i、Q_i、U_i分别为节点i处的注入有功功率、无功功率和电压；G_ij、B_ij、θ_ij分别为节点i、j之间的电导、电纳和相角差；N为节点总数。

（3）不等式约束

无功优化问题中的变量约束可分为控制变量约束和状态变量约束。分接头可调变压器变比T、补偿电容量C和发电机机端电压U_g为控制变量；节点电压U和发电机注入无功Q_g为状态变量。

控制变量的不等式约束如下：

式中，T_imax、T_imin为变压器变比的上下限；C_imax、C_imin为并联补偿电容量的上下限；U_gkmax、U_gkmin为发电机机端电压的上下限。状态变量的不等式约束为U_imin＜U_i＜U_imax，U_imax、U_imin为节点电压的上下限。