廖宗茂

（廣東立勝電力工程有限公司廣東佛山　528200）

電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償點(diǎn)及其補(bǔ)償容量的確定

廖宗茂

（廣東立勝電力工程有限公司廣東佛山528200）

現(xiàn)階段，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，生產(chǎn)和生活對(duì)于電能的需求不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。在電力系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償是電網(wǎng)運(yùn)行中必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化，也是眾多電力工作者面臨的重要課題。關(guān)于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化問題，可以看作非線性組合優(yōu)化問題，極具復(fù)雜性。尤其是電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償點(diǎn)以及補(bǔ)償容量的確定，更是大費(fèi)周章。本文在研究簡單交流電路的電壓電流特性之后，通過對(duì)無功裕度的研究，對(duì)無功補(bǔ)償點(diǎn)進(jìn)行明確，并在混合改進(jìn)遺傳算法的基礎(chǔ)上，對(duì)無功補(bǔ)償?shù)娜萘窟M(jìn)行優(yōu)化，確保電力資源的合理配置。

電力系統(tǒng)；無功裕度；無功補(bǔ)償點(diǎn)；補(bǔ)償容量；混合改進(jìn)遺傳算法

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)所能承受的負(fù)荷與容量是有一定限度的，對(duì)于任何的電力系統(tǒng)都是這樣。隨著電網(wǎng)負(fù)荷的增加，電網(wǎng)容量的增加，電網(wǎng)的安全問題和經(jīng)濟(jì)性問題也會(huì)越來越突出。為了有效降低電網(wǎng)的無功損耗，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，提高供電質(zhì)量，電力部門做出了大量的嘗試和努力。為此，無功優(yōu)化問題也成為了電力工作者廣泛關(guān)注的問題，作為保證供電質(zhì)量的不可或缺的手段，必然要不斷精確無功補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償容量，確定正確的補(bǔ)償方法。

1　電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容和原則

在電力系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，就必須對(duì)其中的無功功率進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)償。為了保證無功補(bǔ)償?shù)男Ч?，必須確保無功補(bǔ)償點(diǎn)的合理性。通過合理選擇無功補(bǔ)償點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電源的合理配置，維持電力系統(tǒng)的電力水平，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。通過對(duì)無功補(bǔ)償點(diǎn)的合理選擇和優(yōu)化，電力系統(tǒng)能夠有效避免無功功率的長距離傳輸，從而使得有功電網(wǎng)損耗和無功損耗得到有效控制，促進(jìn)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，保證電網(wǎng)運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)效益。

提及電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化規(guī)劃，主要涉及兩大內(nèi)容：①對(duì)無功補(bǔ)償點(diǎn)的確定；②對(duì)無功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償容量的確定[1]。無功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的選擇，與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及穩(wěn)定性都有著密切聯(lián)系。

為了有效實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化，補(bǔ)償點(diǎn)確定的科學(xué)性是最基本的立足點(diǎn)。在傳統(tǒng)的做法中，無功補(bǔ)償點(diǎn)的確定必然遵守固定的原則：①需要根據(jù)電網(wǎng)自身的特點(diǎn)，總結(jié)電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇中樞點(diǎn)，以方便對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的控制，將電網(wǎng)電壓控制在合理的范圍內(nèi)。②無功補(bǔ)償點(diǎn)的選擇，應(yīng)該采取就地平衡原則，同時(shí)選擇承受過大無功負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)作為補(bǔ)償點(diǎn)。③在無功補(bǔ)償點(diǎn)的選擇中，應(yīng)該遵守分層平衡的原則，在具有不同電壓等級(jí)的線路中，通過分層平衡，能夠有效避免不同電壓等級(jí)的無功功率流動(dòng)，降低電網(wǎng)的無功損耗，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。④在電力系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)應(yīng)該維持在0.7以上[2]。

2　無功補(bǔ)償點(diǎn)的確定

2.1電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下的約束條件

設(shè)潮流功率方向?yàn)镾（送端）→R（受端），將電路簡化后，其交流支路圖1[3]所示。

圖1　簡單交流電路

以靜態(tài)電壓穩(wěn)定為前提，兩個(gè)功率圓的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

則，兩個(gè)圓的圓心坐標(biāo)分別為：

則半徑可以表示為：

兩個(gè)圓心之間的距離，用D表示，則可以表示為：

其相交和相切情況則如圖2所示。

圖2　兩功率圓的位置關(guān)系示意圖

2.2無功裕度

根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到臨界值時(shí)，電網(wǎng)電壓幾近崩潰，必須以電壓穩(wěn)定為前提，并同時(shí)滿足rP≥0，rQ≥0，rP+ rQ≥D這三個(gè)條件。由此可得，無功裕度的定義可以概括為：在靜態(tài)電壓穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)與臨街崩潰電壓點(diǎn)之間的電氣距離，可以表示為QRPM=rP+rQ-D[4]。

電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示，根據(jù)相關(guān)理論，節(jié)點(diǎn)i的等效無功裕度可以表示為：

式中：Ni表示與節(jié)點(diǎn)i相連接的支路數(shù)，j是與節(jié)點(diǎn)i相連的節(jié)點(diǎn)。

圖3　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

2.3節(jié)點(diǎn)無功裕度值計(jì)算方法

無功裕度值與無功補(bǔ)償容量之間存在必然的聯(lián)系，無功裕度值越高，無功補(bǔ)償容量就越小。如果無功裕度值較低，則正好相反，所需的無功補(bǔ)償容量就越大。通過對(duì)無功補(bǔ)償點(diǎn)的選擇，能夠精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)無功裕度的計(jì)算，其計(jì)算方法主要可以劃分為以下幾個(gè)步驟：

（1）立足于電力系統(tǒng)本身，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和線路參數(shù)，對(duì)電網(wǎng)中的潮流進(jìn)行計(jì)算，并準(zhǔn)確得到不同節(jié)點(diǎn)的電壓和功率。

（2）根據(jù)第二章第一小節(jié)的計(jì)算公式，得出不同節(jié)點(diǎn)的rP、rQ以及D。

（3）借助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，根?jù)無功裕度概念和公式，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無功裕度值，并按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列組合。

（4）一般而言，通過計(jì)算得到的無功裕度值會(huì)按照大小順序進(jìn)行排列，從小到大，根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)合理采取無功補(bǔ)償措施。

3　無功補(bǔ)償容量的確定方法

在電力系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償規(guī)劃可以看做數(shù)學(xué)中的最優(yōu)問題，但是具體到電力系統(tǒng)中，該規(guī)劃具有明顯的不連續(xù)性和不可微性，同時(shí)涉及到多個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化，其復(fù)雜性可想而知。在確定無功補(bǔ)償容量的過程中，首先應(yīng)該通過目標(biāo)函數(shù)，將有功損耗降低，提高電壓水平，降低額外無功容量費(fèi)用，降低整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的費(fèi)用消耗。

在通常情況下，混合改進(jìn)遺傳算法是確定無功補(bǔ)償容量的重要手段。在這個(gè)算法下，又可以分為一階算法和二階算法[5]。

在充分考慮無功優(yōu)化特點(diǎn)的前提下，將改進(jìn)遺傳算法和二階傳統(tǒng)搜索技術(shù)相融合，改進(jìn)后，這樣的計(jì)算過程可以簡化為以下幾點(diǎn)：

（1）編碼：基于預(yù)解決問題的特點(diǎn)，借助浮點(diǎn)數(shù)編碼的方式進(jìn)行編碼，通過基因值變量取值范圍來表示，通過編碼長度使得變量數(shù)量得到控制。

（2）選擇：在建立合理的評(píng)價(jià)機(jī)制后，通過競爭，優(yōu)勝劣汰。

（3）交叉和變異：在遺傳算法中，交叉率和變異率是影響性能的關(guān)鍵因素，與收斂性直接相關(guān)。如果這兩個(gè)指標(biāo)適當(dāng)增加，則可以表明種群趨于一致或局部優(yōu)化。

（4）算法終止。通過最大遺傳代數(shù)和最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)值相結(jié)合的原則，在最大遺傳代數(shù)N的范圍內(nèi)，保留滿足條件的最優(yōu)個(gè)體，輸出最優(yōu)值。

在一階算法終止后，能夠運(yùn)用二階算法對(duì)搜索領(lǐng)域逐漸縮小。為了有效提高結(jié)果的精確度，應(yīng)該以一階算法終止后獲得的最優(yōu)值為二階算法的初始值，進(jìn)行直接的優(yōu)化搜索。與一階算法相比，二階算法的優(yōu)越性，明顯體現(xiàn)在局部搜索能力方面，二階算法具有更強(qiáng)的局部搜素能力，從而更容易獲取全局的最優(yōu)值。

4　電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)姆椒ê驮O(shè)備分析

在電力系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償具對(duì)于維系電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的作用，需要對(duì)無功補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。要想順利實(shí)施，就必須采取合適的方法，借助特定的設(shè)備，為電網(wǎng)運(yùn)行提供可靠的技術(shù)支持。

按照補(bǔ)償位置和接線方法，無功補(bǔ)償可以分為三種不同的形式，分別是集中、分組和就地補(bǔ)償三種。在實(shí)際應(yīng)用中，行之有效的補(bǔ)償設(shè)備主要包括同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和電抗器、靜止無功補(bǔ)償器等。

其中，所謂的同步調(diào)相機(jī)，其實(shí)質(zhì)就是同步電動(dòng)機(jī)的一種，只不過沒有了機(jī)械負(fù)載。作為最早使用的無功補(bǔ)償設(shè)備，隨著并聯(lián)電容器使用量的增加，它在無功補(bǔ)償界的地位也不斷下降。現(xiàn)階段，使用最為廣泛的當(dāng)屬并聯(lián)電容器，占據(jù)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備的90%。在實(shí)際使用過程中，并聯(lián)電抗器能夠起到吸收剩余無功功率的作用，從而有效避免了電網(wǎng)的電壓過載危險(xiǎn)[6]。

現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，電網(wǎng)技術(shù)的完善，靜止補(bǔ)償器逐漸應(yīng)用到電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際，從而實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)無功補(bǔ)償?shù)睦硐霠顟B(tài)，對(duì)于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性有著不可推卸的責(zé)任。隨著靜止補(bǔ)償器的應(yīng)用，電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和安全效益都得到了有效保證。

在這些設(shè)備的應(yīng)用中過程中，不論是電容器、電抗器還是調(diào)相機(jī)，其對(duì)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償均是靜態(tài)的，而靜止補(bǔ)償器則實(shí)現(xiàn)了無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。這得益于其本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管，對(duì)電容器和電抗器的接通和斷開直接控制，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

5　結(jié)語

現(xiàn)階段，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)日趨復(fù)雜性，電網(wǎng)的無功補(bǔ)償問題也日漸復(fù)雜。但是，為了有效保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，就必須不斷深入研究，找到合理的無功補(bǔ)償點(diǎn)，并科學(xué)確定補(bǔ)償容量，提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證供電的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]田芳.大型風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量研究[D].華北水利水電大學(xué)，2013.

[2]張志強(qiáng)，苗友忠，李笑蓉，等.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償點(diǎn)的確定及其容量優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，27（3）：92～97.

[3]楊克難，吳浩，鄭寧浪，等.一種基于潮流追蹤的電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（8）：45～51.

[4]胡羽川.含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償配置研究[D].華中科技大學(xué)，2014.

[5]王佺，白鑫博.無功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].企業(yè)文化（中旬刊），2014（12）：243.

[6]王一杰，趙舫，丁穎，等.基于最優(yōu)覆蓋法的變電站無功補(bǔ)償容量優(yōu)化配置研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（15）：38～42.

TM714.3

A

1673-0038（2015）48-0236-02

2015-11-16

廖宗茂（1987-），男，本科，主要從事電力工程，節(jié)能工程工作。