任小航，易春磊，王世友，柴良明

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瑞麗供電局，云南，瑞麗 678600)

0 引言

配網(wǎng)電壓質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及電氣設(shè)備的使用壽命，電壓過(guò)低可能會(huì)引發(fā)電壓崩潰，造成大面積停電[1]，還會(huì)降低設(shè)備的運(yùn)行能力，增加設(shè)備運(yùn)行能耗，燒毀用戶電動(dòng)機(jī)，引起電燈功率下降[2]。因此，配網(wǎng)的電壓質(zhì)量控制是供電企業(yè)迫切需要解決的難題[3]。

國(guó)外現(xiàn)狀針對(duì)電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償?shù)难芯科鸩捷^早，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，最早在2000年容量為20MVA的首臺(tái)SVG由清華大學(xué)與河南電力工業(yè)局合作開(kāi)發(fā)并成功運(yùn)行。吳麗珍等[4]提出了網(wǎng)絡(luò)化分層協(xié)同優(yōu)化控制方法，采用動(dòng)態(tài)一致性算法獲取全局平均值，調(diào)節(jié)電壓和無(wú)功功率的偏差，以實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)靜差控制和功率的精確分配，但是耗能較大；王坤等[5]在引入核密度估計(jì)分析方法的基礎(chǔ)上運(yùn)用R語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了基于核密度估計(jì)的電網(wǎng)電壓質(zhì)量分析系統(tǒng)，建立模型參數(shù)對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量進(jìn)行分析，但是未對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行有效補(bǔ)償。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)用戶電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償方法。

1 區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)用戶電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償研究

1.1 構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)潮流計(jì)算方式

區(qū)域性電網(wǎng)系統(tǒng)用戶分布較為均勻，以發(fā)電站的母線節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)[6-7]，在構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)潮流計(jì)算方式時(shí)，以徑向配電網(wǎng)基本單元為處理對(duì)象，選定的饋線支路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1所示的單元結(jié)構(gòu)下，計(jì)算圖1所示單元結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷的導(dǎo)納電流總和，計(jì)算公式可表示為

(1)

其中，S表示節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)符合功率，I表示節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)流出電流，U表示節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)電壓，k表示迭代次數(shù)。根據(jù)上述的數(shù)量關(guān)系，計(jì)算基本單元中各個(gè)支路電流數(shù)值大小，計(jì)算公式可表示為

圖1 電網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)單元結(jié)

(2)

其中，L表示各相電流，m表示一個(gè)支路，M表示一個(gè)集合。當(dāng)電網(wǎng)中產(chǎn)生回代過(guò)程時(shí)，各個(gè)階段的電壓就可表示為

(3)

式中，U表示節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)電壓。將上述的處理過(guò)程作為實(shí)際的潮流計(jì)算過(guò)程，以上述得到的電壓數(shù)值為控制對(duì)象，將區(qū)域電網(wǎng)中的基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為整體性區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-9]，如圖2所示。

圖2 整體性區(qū)域電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在構(gòu)建整體性區(qū)域電網(wǎng)的潮流計(jì)算時(shí)，依次獲取圖2中代表不同拓?fù)鋵哟蔚男蛱?hào)數(shù)據(jù)后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)探尋各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)量變化關(guān)系，根據(jù)該數(shù)量變化關(guān)系，優(yōu)化控制電壓質(zhì)量。

1.2 優(yōu)化控制電壓質(zhì)量

在優(yōu)化控制電壓質(zhì)量時(shí)，以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各個(gè)點(diǎn)作為電壓質(zhì)量評(píng)估點(diǎn)[10]，根據(jù)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式構(gòu)建電壓偏差目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)可表示為

(4)

其中，F(xiàn)i表示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中第i個(gè)電壓質(zhì)量評(píng)估點(diǎn)的滿意度，n為評(píng)估點(diǎn)的個(gè)數(shù)。在上述目標(biāo)函數(shù)控制下，不同用戶對(duì)電壓質(zhì)量的不同需求，篩選上述n個(gè)電壓質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)后，確定得到電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化控制的主要目標(biāo)是降低損耗。假設(shè)理想狀態(tài)下的網(wǎng)損為PL，控制該網(wǎng)損值為最小，在上述計(jì)算式(4)滿意度的控制下，網(wǎng)損最優(yōu)評(píng)估函數(shù)就可表示為圖3。

圖3 滿意度隨網(wǎng)損的變化

由圖3可知，在滿意度數(shù)值的控制下[11]，區(qū)域電網(wǎng)產(chǎn)生的損耗可表示為

(5)

其中，gk表示各個(gè)電網(wǎng)支路上的電導(dǎo)數(shù)值，k表示區(qū)域電網(wǎng)支路的數(shù)量，vi、vj表示電荷水平，其余參數(shù)含義不變。在上述損耗數(shù)值的控制下，采用前述構(gòu)建的潮流計(jì)算方式，設(shè)定一個(gè)變量控制約束產(chǎn)生的網(wǎng)損[12-13]，變量約束參數(shù)可表示為

(6)

其中，Qmin表示最小的無(wú)功功率，Qmax表示最大的無(wú)功功率，N表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在上述約束參量的控制下，最終形成優(yōu)化控制過(guò)程，可表示為

(7)

其中，Tg表示預(yù)設(shè)的最大網(wǎng)損數(shù)值，A表示控制參數(shù)，g表示控制代數(shù)，其余參數(shù)含義不變，優(yōu)化控制電壓質(zhì)量后，針對(duì)未被控制的網(wǎng)損建立補(bǔ)償策略，最終完成優(yōu)化補(bǔ)償方法的構(gòu)建。

1.3 建立補(bǔ)償策略

在建立補(bǔ)償策略時(shí)，結(jié)合優(yōu)化控制電壓質(zhì)量結(jié)果，假定周期內(nèi)的有功功率為Pγ，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cosφ1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)可表示為cosφ2，所以該補(bǔ)償容量可表示為

(8)

其中，t表示補(bǔ)償時(shí)間。根據(jù)上述計(jì)算式的各項(xiàng)處理關(guān)系，不斷調(diào)控兩項(xiàng)因數(shù)的大小，此時(shí)在高功率因數(shù)下，其補(bǔ)償數(shù)值Q也相應(yīng)地減少，故采用線損的方式來(lái)確定實(shí)際的補(bǔ)償容量[14-15]，假設(shè)補(bǔ)償過(guò)程中產(chǎn)生的有功及無(wú)功分量為IR、IX，在一定參數(shù)作用下，此時(shí)的補(bǔ)償電流可計(jì)算得到：

I1=IR-IX

(9)

其中，I1表示補(bǔ)償前的電流數(shù)值。補(bǔ)償前的線路損耗可表示為

(10)

其中，R表示線路中的電阻值，其余參數(shù)含義不變。補(bǔ)償處理后,線損降低的百分比的數(shù)值關(guān)系可表示為

(11)

在實(shí)際運(yùn)行補(bǔ)償策略時(shí)，首先確定區(qū)域電網(wǎng)中的線損指標(biāo)，得到線損的數(shù)值關(guān)系，最終得到實(shí)際損耗數(shù)值，根據(jù)線路實(shí)際的線損數(shù)值，制定補(bǔ)償策略，制定的補(bǔ)償策略如表1所示。

表1 補(bǔ)償策略

在表1的調(diào)節(jié)策略下，以實(shí)際的降損百分比為對(duì)比量，當(dāng)降損百分比數(shù)值大于0.5且小于0.7時(shí)，使用表1中的策略3；當(dāng)降損百分比數(shù)值大于0.3且小于0.5時(shí)，采用補(bǔ)償策略2；當(dāng)降損數(shù)值大于0且小于0.2時(shí)，采用表1中的策略1。綜合上述處理，最終完成對(duì)區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)用戶電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償?shù)难芯俊?/p>

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

隨機(jī)選定一個(gè)區(qū)域性電網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)線路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)采用的電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)

使用通用實(shí)時(shí)仿真器(UREP)搭建在如圖4所示的電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)仿真模型，采用多核并行計(jì)算技術(shù)，分配4個(gè)處理器，配置圖4各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓的出力電壓數(shù)值，各個(gè)電壓公變節(jié)點(diǎn)分配的電壓數(shù)值如表2所示。

在表2的電壓數(shù)值控制下，調(diào)節(jié)線路調(diào)壓器退出運(yùn)行后，電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在圖5的電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)下，分別使用文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法以及本文設(shè)計(jì)的電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較3種優(yōu)化補(bǔ)償方法的性能。

表2 電網(wǎng)線路節(jié)點(diǎn)分配電壓數(shù)值

圖5 電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以表2的分配電壓數(shù)值為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓數(shù)值，在3種優(yōu)化補(bǔ)償方法控制下，在不同的節(jié)點(diǎn)處放置電壓表，測(cè)量3種優(yōu)化補(bǔ)償方法可控制的電壓數(shù)值，最終形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，文獻(xiàn)[4]中的優(yōu)化補(bǔ)償方法在節(jié)點(diǎn)處可控制的電壓數(shù)值最小，文獻(xiàn)[5]方法可控的電壓數(shù)值較大，但這2種優(yōu)化補(bǔ)償方法可控制的電壓數(shù)值均小于本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化補(bǔ)償方法。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，未被控制的電壓數(shù)值就是優(yōu)化補(bǔ)償過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。根據(jù)該數(shù)值計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的損耗，以線路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的損耗為對(duì)比指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算接入節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的有功損耗，3種優(yōu)化補(bǔ)償方法產(chǎn)生的功耗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在相同電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)下，3種優(yōu)化補(bǔ)償方法產(chǎn)生的功耗數(shù)值結(jié)果不同，文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法中的優(yōu)化補(bǔ)償方法產(chǎn)生的平均功耗數(shù)值分別為262.4 kW和172.8 kW，而本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化補(bǔ)償方法最終產(chǎn)生的功耗數(shù)值在98.6 kW左右。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化補(bǔ)償方法可控制更大數(shù)值的電壓，在實(shí)際優(yōu)化補(bǔ)償過(guò)程中消耗的功率數(shù)值最小，更適合實(shí)際使用。

表3 3種優(yōu)化補(bǔ)償方法可控的電壓數(shù)值

表4 3種優(yōu)化補(bǔ)償功耗結(jié)果

3 總結(jié)

以區(qū)域配電網(wǎng)電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化治理為目標(biāo)，開(kāi)展基于區(qū)域性電網(wǎng)系統(tǒng)用戶的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化補(bǔ)償模型，研究越限特性；根據(jù)模擬數(shù)值得到不同參數(shù)下的補(bǔ)償策略，改正了傳統(tǒng)方法產(chǎn)生功耗數(shù)值過(guò)大的不足，完成了區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)用戶電壓質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法能夠控制高達(dá)795.6 kV的電壓，且消耗的功率較小，在98.6 kW左右，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。