（电力系统及其自动化专业论文）城市中压配电网无功规划.pdf

a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e i o p m e n to fc h i n a sp o w e rn e t w o r kc o n s t m c t i o n ，s c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l ep o w e rs y s t e mp l a n n i n gh a sb e c o m e 粕u 唱e n tt a s k p o w e rn e “，0 f k p l a n n i n gi n c i u d e ss e v e l a ls t 印ss u c ha sl o a df o r e c a s t i n g ，s u b s t a t i o nl o c a t i n ga n d s i z i n g ，d i s t r i b u t i o nn e 觚o r kp l a 衄i n ga n dr e a c t i v es o u r c e so p t i m a lp l a n n i n g ，加d r e a c t i v es o u r c e so p t i l l l a ip 1 a n n i n gi sac o m p l e x 锄di i n p o n a n ts t e p b a s e do nt h e r e s u l to fl o a df o r e c a s t i n ga n d 鲥ds 仇l c t u r eo fp o w e rn e t 、) l ，o r k ，r e a c t i v es o u r c e s o p t i m a lp l a n n i n gs o l v e st h el o c a t i o n 锄dc a p a c 时o fr e a c t i v es o u r c e ，w h o s er e s u l th a s ad i r e c ti i n p a c t0 nv o l t a g eq u a l 时趾d 叩e r a t i o ne c o n o m yo fp o w e rs y s t e mi nt h e 矗l t u r e a m i df o rd i s t r i b u t i o np o w e rn e t 、) l r o r k ，s o l u t i o no fd i s 仃i b u t i o nr e a c t i v es o l l r c e 叩t i m a lp l a 衄i n gr e f c r s t 0h 吼d r e d so fv a r i a b l e s ，衄e v l o a dd i s t r i b u t i o n 髓d s c a t t e r e dl o c a t i o n so fr e a c t i v ec o n l p e n s a t i o ne q u i p m e n t s ，w i t ha l lv a r i a b l e sh a v i n gt h e i m p a c ta n dc o n s 仃a i n to ne a c ho t h e r s a g a i n s tw i t ht h ed i 伍c u l t i e s ，m i sp 印e rp r e s e n t s an o v e ls 0 1 u t i o no ft y l ) i c a l r e g i o n 印p l i c a t i o nf o rd i s 订i b 埘o np o w e rn e 研o r k ，w h i c h i sb a s e d0 nt h et h i n k i n go f 、m o l e - p 柞w h o l e ”u n d e rt h es u b s t a t i o ni o a ds 缸u c t u r c m i xa n ds u b s t a t i o no 、w i e dl i n et y p e s ，c a t e g o r 娩ea ut h es u b s t a t i o n si nt h e 、h o l e d i s 仃i b u t i o nn e t w o r k ，锄ds e l e c t 呻i c a l 跚【b s 伽0 nh a v i n gm o s tr 印r e s e n t a t i v ef e a t u r e s w i me a c hc a t e g o r i e s 嬲锄雒a l y s i so b j e c t s b ys 0 1 v i n gt h er e a c t i v ec o n f i g u r a t i o no f 咖i c a is u b s t a t i o n ，t h es o l u t i o ne x t e n d st h er c s u l tt 0t h ee n t hd i s t r i b 埘0 nn e t 、) i ，o r k b a s e do nc e n a i n p r i n c i p l e s e v e n t u a l l y t t l ef c a c t i v e c o i g u r a t i o no fe n t i r e d i s t r i b u t i o nn e t 、 ，o r kw i l lb ei d e n t i f i e d n e x t ，t l l ep a p e rp r e s e n t sd i n e r e n tm e t h o df o r d i f l e r e n ta s p e c t so f 咖i c a lr e g i o na p p l i c a t i o n f i 瑙t ，b a 8 e do nt h ef u z z yc m e a n s c l u s t e r i n gm e 出o df 0 rs u b s t a t i o nl o a ds 加】c t u 瞿em i x 锄di n t e f n a lc l a s s i f i c a t i o nm e 也o d 内i rs l l b s t a t i o no w n e dn l i xn 呦b e r so fca _ b l e t h ee n t i r cd i s t r i b 砸o nn e 锕o r l 【i sd i v i d e d i n t os e v e m lt y p i c a lr c g i o n s ，e v t u a l l yd e t e m l i n i n gt h et y l ) i c a ls u b s t a t i o ni nc v e d r 咖i c a lr e g i o n s e c o n d l mi nt h ep r o c e s so fs o l u t i o n so f 咖i c a l 跚b s t a t i o 璐，c o m b i n i n g h e l l r i s t i c0 p t i m i z a t i o nm e t l l o dw i t hm a t h e 眦t i c a l 叩t i m i z a t i m e m o d ，i td e t e n n i n e s 也el o c a t i o no fl i n er e a c t i v ec o n l p e n s a t i o n t h e nl l s i n gp s oa l g o r i m i n ，m a k es u r ea u t h et ) ，p i c a ls u b s t a t i o nr e a c t i v ec o n f i g u r a t i u l t i m a t e l y ，a c c o r d i n gt ov a r i o l l sr e a c t i v e s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n ，e x t e n d i n gt h er e s u l tt 0t h ee n t i r er e g i o n 锄de v e nt h ee n t i r e d i s t r i b u t i o nn e 撕o r kr e a c t i v ec o n f i g u r a t i o n s a st h ed e t a i l e de x a m p l e sa n dt h er e s u l ts h o w ：t h ec a p a c i 锣o f e a c hs u b s t a t i o n ，s r e a c t i v ec o n f i g u r a t j o nr e f 奢r sn o to n l yt ot l l ec a p a c i t ) ，o ft h es t a t i o n 、l i n e 锣p e s ，b u ta l s o t 0t h el o a dq u a l i t ya n di o a ds i z e t bs o m ee x t e n t ，i td e m o n s t m t e st h em e t l l o do f t y p i c a lr e g i o n 印p l i c a t i o nr e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i c k e yw o l m s ：r e a c t i v e p o w e rp l a 如i n g ，d i s t r i b u t i o nn e 铆o r k ，呻i c a lr e g i o n a p p l i c a t i o n ，c i u s t e r i n gm e t h o d ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，p s o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得岙鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吞司 签字日期：涧年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 秤习 洲厶 签字日期：瑚7 年6 月8 日签字日期：枷7 年 占月 占日 第章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 近年来，随着国民经济的飞速发展，电力需求日益增长，电网规模和输电容 量不断扩大，如何保证电网安全、可靠、经济和优质运行，已经成为现代社会经 济生活的迫切需求。电力系统的电压质量，作为电能质量的一个重要指标，如果 不能保证，不但会直接影响电气设备的性能，而且还将给系统稳定、安全运行带 来困难，更严重地甚至引起系统电压崩溃，造成大面积停电。因此电力系统无功 容量是否充足、无功潮流分布是否合理，将直接关系到电力系统电压质量以及运 行的经济性。 充分和合理的无功电源配置是实现电力系统无功潮流合理分布的前提条件。 若系统无功电源容量不足，运行电压将难以保证；反之，若无功电源容量配置过 剩，则增大了电网建设的投资，在我国目前电网建设和改造资金吃紧的形势下无 疑会起到消极作用。通过电力系统无功规划来确定系统的最佳补偿地点及相应容 量，避免无功电源建设的盲目性，是保证电网安全性、经济性和供电质量的一项 十分重要的基础工作。因此，无功规划已经越来越受到国内外规划工作者的关注 和重视。 配电网是把从电源或输电网获得的电能直接分配给不同电压等级的用户，与 输电网相比，它拥有极大数量的电力设备，并占整个供电系统投资的6 0 及运行 成本的2 0 【l 】，其可靠性与质量直接关系到国民经济和人们的日常生活，可见配 电网无功规划的意义重大： 1 合理的配电网无功规划，可以稳定受端电压和整个配电网的电压，提高 供电质量，还能避免系统电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性。 2 合理的配电网无功规划，可以降低设备的容量，提高系统功率因数，减 少功率损耗，从而提高电网的有功传输能力，大大减少工业负荷对电网的影响。 1 2 配电网无功规划的难点 配电网无功规划是在负荷预测和网架结构已知的基础上，以投资及运行费用 之和最小为目的，确定出目标水平年变电站低压母线出口侧并联电容器和公变低 第一章绪论 压母线侧无功补偿装置的单组容量以及组数，并且确定是否要在变压器低压母线 出口侧处加装并联电抗器，以及是否要在线路中加装杆上无功补偿装置以及各自 的补偿容量，最终确定出整个配电网的无功配置方案。可见，此问题包含两方面： 对单个变电站无功配置的确定和对整个配电网无功配置的确定。 1 变电站供电区域的无功配置确定问题在数学上可以用一个目标函数和一 组约束条件来描述，对系统无功潮流所做的各种决策应以有功损耗最小或系统运 行经济性最好为目标，并保证电压稳定性，此为运行子问题；系统中新增无功设 备而产生的费用决策形成投资子问题。 该模型在求解方面有很多困难： ( 1 ) 约束条件数量多、类型多； ( 2 ) 目标函数以及约束条件的非线性； ( 3 ) 控制变量离散性； ( 4 ) 非凸性和多极值性； ( 5 ) 目标函数难以由控制变量显式描述； ( 6 ) 解空间欠缺连通性。 由此可见单个变电站无功规划是一个较难解决的优化问题。 从配电网的特点来看，上述问题又具有一定的难度，在实际的工作中主要体 现在以下几个方面： ( 1 ) 数据量大，如负荷相关数据，配电网线路相关数据等； ( 2 ) 规模庞大，限制了所能采用的规模方法，很多适用于小规模优化问题的 优秀的数学方法在这里都不能应用； ( 3 ) 规划方案的优劣标准不统一，与电网本身的发展，规划和运行人员的经 验偏好等非量化的因素有关。 2 确定整个配电网的无功配置问题，采取的策略是利用有限个变电站的无 功配置对整个配电网做合乎情理的推断，由局部推广到总体，并保证判断和估计 具有一定的合理性。该问题也包括两方面，典型变电站的选定以及“局部一整体 的推广原则。 此问题在配电网实施方面面临了新的困难： ( 1 ) 数据量大，即使是一个中等规模的配电网的变电站也有数几十个； ( 2 ) 选定典型变电站依据因素多，并且彼此相关，联系紧密； ( 3 ) 推广原则很难标准化； 基于上述两方面可知，配电网无功规划需要在决策和方法之间达到一定的最 优配合，而配电网本身的随机性和多样性又造成了决策确定和方法求解的双重困 难。 2 第一章绪论 1 3 配电网无功规划的研究现状 在配电网无功规划时，新建无功补偿设备的位置、单组容量和总容量都是未 知的，各个变量之间相互影响、相互制约，组合的方案数目庞大，加之需要考虑 负荷水平、接线方式、主变容量和变电站的调压方式等因素对无功配置的影响， 整个问题变得十分复杂。 国内外对配电网无功规划这一问题涉足较少，虽然随着现代优化理论和计算 技术日益广泛应用，电力系统无功规划的研究趋于活跃，也有不少有价值的研究 成果相继出现，可是大多数研究成果是将着眼点放在如何改进优化算法来解决多 约束非线性规划的问题，而在规划策略上的成果尚鲜有所见。 国内外专家学者在算法研究领域多年研究的基础上，已经取得了大量成果。 总的来看，这些算法可以分为两类：一类是常规优化算法，此类算法的基本思想 是从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断改进当前解，最终收敛到最优解。这 类优化方法包含线性规划法、二次规划方法、非线性规划法及混合整数规划法等； 另一类是智能优化算法，它们从一个初始解群体开始，按照概率转移原则，采用 某种方式自适应地搜索最优解。这类算法主要包括遗传算法、模拟退火算法、禁 忌搜索( 1 a b us e a r c h ) 以及群智能算法。 文献 2 4 】将线性规划法用于求解无功规划优化问题，对非线性目标函数和 安全约束逐次线性化，计算速度比较快。但在计算精度和收敛性上有一定困难， 尤其是系统规模较大时的无功规划优化计算；文献 5 8 】是用二次规划法来求解， 通过一系列的二次规划来逼近最终的最优解。该算法较好地适应无功优化目标函 数的非线性特征，收敛性及计算速度比较理想，但在计算步长和初始点的选取、 以及遇到非线性很强的约束时，也同样会遇到类似线性规划所遇到的困难：采用 非线性规划的方法求解电力系统无功优化问题一直是一个活跃的研究领域。1 9 6 8 年由d o n 姐e l 和t i 皿e y 提出的简化梯度法( r e d u c e dg r a d i e n tm e t h o d ，简称r g 方法) 【9 1 ，他用控制变量的负梯度方向作为寻优方向，用惩罚函数处理不等式约束 的违界，优化过程仅在控制变量的子空间中进行，缩小了问题的规模，但其一维 搜索步长的选择非常困难，且收敛性受初始点的影响较大，在接近最优点时会出 现所谓的锯齿现象，收敛速度明显减慢。类似的还有以简化梯度法为基础的广义 简化梯度法( c r g 法) 也属于一阶梯度方法。文献 1 0 】提出用变尺度法( f p ) 处理无 约束优化，将所有等式及不等式约束均用罚函数处理，将所有节点电压作为状态 变量。但该方法的不足之处是数值稳定性较差。1 9 8 4 年，台湾学者d l s u n 等人 在文献 1 l 】中提出直接满足库恩一图克最优化条件( k a r 嬲h - 0 u h n t u c h e ro p t i m a l c o n d i t i o n ，简称k k - t 条件) 的牛顿法，大大加快了计算速度，从而为解算大规模 第一章绪论 电力系统的优化问题提供了一条很好的路径。牛顿法在计算速度、收敛性等方面 与前三种方法相比更具优势，但在处理不等式约束时，需要进行多次的试迭代以 确定选择有效的不等式约束集，这也是应用牛顿法进行无功优化的难点。目前， 采用互补线性规划技术取代试迭代辨识有效的不等式约束集，是不等式约束处理 方面最有吸引力的思想，具有很高的实用价值。 这些常规的优化算法都有一定的优越性和适应性，并已成功地解决了电力系 统无功优化中的许多问题，但对于多电压等级、网络结构和潮流复杂多变、控制 变量的种类和数量较多的大系统仍存在收敛性差、难以给出全局最优解和难以自 然地处理无功优化中大量的离散变量等问题。而智能计算方法，以其较好的全局 搜索能力和良好处理离散变量能力，逐渐在无功优化规划中得到了广泛的应用。 神经网络方法速度很快，只要离线训练好神经网络，就能应用于实时无功优 化。但其应用效果依赖于隶属函数的选取和神经网络训练的好坏，并且难以随运 行方式或网络结构的改变而变化。因此，实际中一般是作为常规算法的辅助和补 充发挥作用。模拟退火算法和禁忌搜索都被用于电网的无功规划计算【1 2 1 ，但未能 占据智能算法的主流。 近年来，遗传算法以其搜索不依赖于梯度信息，鲁棒性、全局收敛性、通用 性强等优点，在无功规划优化得到了极为广泛的应用，它成功的解决了传统搜索 方法难以处理复杂的非线性问题，并且很好的处理了非连续量。文献 1 3 】中将遗 传算法与梯度法、爬山法等局部搜索算法相结合；l i n 将模拟退火算法与遗传算 法结合构成遗传模拟退火算法，将遗传算法全局搜索能力和模拟退火算法局部搜 索能力融合的很好。 粒子群算法是通过个体的协作和竞争来完成复杂搜索空间中最优解的搜索， 基于粒子具有“记忆”功能这一点，不断地在解空间追随最优的粒子进行搜索， 比起进化算法具有简单容易实现并且没有许多参数需要调整的优点。 综上所述，在优化算法方面，已有许多很成熟的理论成果，即使是单个优化 算法的性能存在不足，也会在不同方法之间融合以取长补短，达到解决问题的最 优效果。但是在工程实际问题中，并不是着眼于是否收敛到全局最优解，亦不会 对收敛速度提出非常严格的要求，如何全面地考虑实际的需要，采取适合的方法 解决问题，才是配电网无功规划亟待解决的难题。 1 4 本文所做工作 针对配电网无功规划的难点，本文在结合模糊聚类分析、灵敏度分析和粒子 群算法的基础上，进行了如下几个方面的研究工作： 4 第一章绪论 1 在解决选取典型变电站的子问题时，本文给出了一种确定典型变电站的 新方法，从对无功配置影响最大的两个因素，负荷特性和线路类型两方面来考虑， 首先以变电站的负荷构成成分为特征，采用模糊c 均值聚类的方法将配电网所有 的变电站分为c 个模糊类，然后再对每个模糊类以电缆构成比例按照区间分类， 最终按照分类结果，对每类所有的变电站按照电缆构成比例求数学期望值，选择 该类中电缆构成比例最接近数学期望值的变电站为典型变电站。 2 在求解线路无功补偿设备位置的子问题中，本文采用启发式优化方法的 思想，利用灵敏度分析法，确定出变电站无功规划总有功网损对线路各点的无功 补偿量的灵敏度，并按照降序排序，选出几个“有效”补偿点，大大减少了变电 站无功优化的解空间范围。 3 在解决变电站无功规划配置容量子问题中，采用粒子群算法，综合考虑 各种不同补偿方式，用最小负荷方式确定电容器的单组容量，再用最大负荷方式 确定最大补偿组数。 5 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 2 1 配电网无功规划的背景 在研究无功规划问题之前，应该对无功规划控制变量的特点、控制变量的位 置以及各个约束的限值有所了解，对应于实际问题来说，就是无功补偿设备本身 的特点、无功补偿方式以及配电网无功规划的原则要求。 2 1 1 无功补偿的意义 无功电源在是保证电力系统电能质量，尤其是电压质量的必备因素。功率因 数的不合格，网络中电压的降低，不仅会增加网损，降低电力系统的输电能力， 而且还会使电气设备得不到充分的利用，因此，无功补偿和功率因数的关系极其 密切【1 4 1 。 根据潮流计算的基本方程可知，如果假设全系统电压都为额定电压，那么系 统的电压损耗计算公式为： u ：丝丝( 2 一1 ) u n 式中：p ，q 为线路传输的有功和无功功率；r ，x 为此线路的有功功率和无 功功率；为系统额定电压。 线路补偿电容之后，如果假定补偿前后的电压不变的话，该线路的电压降为： 【，：丝! 垡二垒2 茎( 2 2 ) 由补偿电容所引起的电压损失的减小值口为： 口：丝 ( 2 3 ) 显而易见，当增加无功补偿量时，电压损失的减小值与补偿容量成正比。 接下来，我们考察补偿电容后对线路有功功率损耗的影响。在无功补偿前， 线路上的有功损耗为： 6 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 舻：警r u 毒 补偿电容器后，有功功率损耗变为： 凹：竺! 望：垒岛 2 同样的，因为补偿无功有功损耗的减少值筇为： ( 2 4 ) ( 2 5 ) 筇= 等等r 铷刊 系统无功经济当量是指单位补偿电容容量的有功网损的减少值，因此 g = 等= 笔铲r = 器罟) = 鲁争7 ， 6 q cq 2q 2 、 q 。q 、q 式中：鲁表示单位无功功率流经线路时的有功损耗；罟表示无功功率的相 对降低值，称为补偿度。 由上式可得，予b 偿度罟。零时，此时的无功经济当量值g = 2 鲁：当补 偿度鲁1 时，无功经济当量乞= 鲁。可见，随着无功补偿容量的增大，线路 上有功功率损耗的减少的趋势是下降的，也就是说，并不是无功补偿量越大越经 济，补偿容量到底该投多少，功率因数提高到什么程度最有利，则需经过技术经 济比较方可确定。 2 。1 2 无功补偿设备的特点 无功补偿设备即电力系统中的无功电源，它的任务是吸收或供给适度可变的 无功功率，使通过线路的无功潮流最小【1 5 】。配电网的补偿设备主要为静止无功补 偿装置，它是一种指阻抗固定、补偿容量不能实时地跟踪负荷无功功率的变化， 主要用于提供固定无功功率补偿容量的无功功率补偿装置。静止无功补偿装置的 种类很多包括多种设备，如并联电容器、并联电抗器、串联电容器和静止无功功 率补偿等。 1 并联电容器和串联电容器 并联电容器和串联电容器都属于静电电容器，并联电容器补偿容性无功，串 7 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 联电容器补偿感性无功，因其接入系统方式的不周而各异，其中并联电容器因其 接线简单，操作简单，对可靠性影响小而得到广泛的使用，只有在并联电容器的 谐波对运行起到阻塞作用时，才会启用串联电容器。但是它只能补固定的无功， 无法带电连续改变，所以采用分组投切的方法。在实际中，并联电容器的单组容 量是由最小构成单元容量来确定的，比如3 3 4 k v 缸，用户可以根据需求与厂家 联系以确定不同数值的单组容量。 2 并联电抗器 馈线分布电容的存在，会使得空载或轻载线路升高超出正常允许范围，尤其 是现在城网改造后，市区走线绝大部分为电缆，分布电容较一般架空线路超出十 倍甚至更多，此情况尤为严重，必须采取措施加以控制。并联电抗器可以产生感 性无功，平衡线路上多余的容性无功，在控制电压方面具有很强的优越性。并联 电抗器结构简单，性能可靠，价格相对便宜。 3 静止无功功率补偿器 静止无功功率补偿器的个重要特性就是它能连续调节补偿装置的无功功 率。其构成为固定电容器( f c ) 闸管控制电路控制电抗器( t s c ) ，连续调节则是依靠 调节t c r 中的晶闸管的触发延迟角得以实现的。t s c 只能分组投切，不能连续调 节无功功率，它只能和t c r 配合使用，才能整体调整无功功率的连续调节。由于 具有连续调节的性能且响应迅速，因此s v c 可以对无功功率进行动态补偿，使补 偿点电压接近维持不变。 2 1 3 配电网的无功补偿方式 无功补偿主要是通过电容器或者电抗器来完成的，但是接入电网的方式不 同，产生效果也将不同，配电网的无功补偿方式主要有以下几种： 1 变电站集中补偿：接于汇流母线上的无功补偿方式，它是根据母线上的 无功负荷而直接控制电容器的投切。集中补偿一般将补偿装置装于地区变电站或 者高压供电电力用户降压变电站的一次或二次母线上，通过低压开关接在配电变 压器低压侧母线上。集中补偿只能整组调节，并不能做到平滑的调节。 2 低压集中补偿：也称分组补偿，根据各用户地各个负荷中心，把补偿装 置分成几组安装在功率因数较低地村镇终端变、配电所高压、低压母线上、车间 配电室或者变电所分路出线上。分组补偿最常见的方式就是安装在公用配电变压 器的低压侧或电力用户各车间的配电母线上。 3 线路无功补偿：是在配电线路上的某一架杆上安装补偿设备的方式，对 于长距离馈线并且线路末端没有其他就地补偿装置时，可以选择此类补偿方式。 因其远离变电站，故很难满足自动投切的要求，所以补偿方式为常开或常闭。 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 4 用户终端分散补偿：又称个别补偿或随机补偿，它是根据个别用电设备 对无功功率的需要量将单台或多台电容器分散得与用电设备并接，并通过控制， 保护装置与电机同时投切，既能提高线路的功率因数，又能改善用电设备地电能 质量。用电设备运行时，补偿设备投入；停运时，补偿设备退出。因此，它具有 不会倒送无功，投资少，安装容量，配置方便灵活，维护简单，事故率低等优点。 这种补偿方式一般用于专有的配电变压器中的工业负荷用户。 另外，还有一种无功电压控制调节方式可以在大负荷方式下提高变电站低压 侧母线的电压值，也可以在小负荷方式下降低母线电压值，来防止高峰负荷和低 谷负荷所造成的电压越限。 以上配电网无功补偿的各种方式，用图2 1 表示如下： 图2 1 配电网无功补偿方式 2 1 4 配电网无功规划的原则 无功规划总体原则为全面规划，合理布局，分层分区，就地平衡。实施策略 为：总体平衡与局部平衡相结合；集中补偿与分散补偿相结合；高压补偿与低压 补偿相结合；降损和调压相结合。 对于中低压配电网，无功规划遵循以下原则： 1 分层分区平衡：分层原则是要求在满足功率因数合理的情况下，在各电 压等级的无功电源要与本层内总体消耗的无功功率合理平衡，减少无功功率在不 同电压等级之间的流动。分区原则是要求将不同区域之间的无功功率控制在合理 的水平，避免无功电源的交叉传输和使用。 2 无功不倒送：对中压配电网应该避免小负荷状态下向高压配电网反向输 送无功功率，如果有必要，可以增加部分并联电抗平衡部分过剩容性无功功率； 低压配电网的公有变压器应能合理的调整无功出力，防止向中压配电网倒送无功 功率。 3 功率因数满足要求：对中压配电网，要求其在补偿装置投入后主变高压 9 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 侧功率因数到达o 9 5 1 区间内；对低压配电网的公有变压器，其配变高压侧功 率因数必须到达o 9 5 l 才能接入配电网，而低压配电网的专有变压器，配变高 压侧功率因数满足o 9 5 才能接入网络。 4 电压偏差满足要求：在中压配电网l o k v 的所有供电面积内，使电压幅值 的允许偏差控制在一7 7 内；低压配电网3 8 0 v 的用户，使电压幅值允许偏差为 一7 5 ，2 2 0 v 用户电压幅值允许偏差为一9 5 。 5 理论线损值适当降低：加入无功补偿设备后应将整个中低压配电网的网 损合理的降低。 2 2 配电网无功规划的内容 配电网无功规划是在该网的网架结构已知的基础上，根据目标水平年的负荷 预测结果，考虑变压器有载分接头调节的影响，确定出该配电网内所有变电站的 无功配置，以保证未来负荷发展对各个电能质量指标的影响仍在规定范围内，同 时使整体的投资和运行费用最小。 其中变电站的无功配置包括变电站低压母线出口侧补偿电容器和公有配电 变压器的低压侧电容器的单组容量和最大组数、是否要投入线路无功补偿设备及 其所投容量，以及是否要在变电站低压出口母线侧投入并联电抗器及其所投容 量。 2 3 典型区域法的应用 配电网变电站数量庞大，随机性很强，为了取得全网的无功配置方案，理论 上讲，逐一计算法可以取得最精确的解，但从工程实际角度分析，逐一计算法的 计算量太大，可行性不高。考虑到无功规划问题本身对数据的精确性要求不高， 因此我们采用典型区域法进行分析，它的基本思想是：将整个配电网按照变电站 所处供电区域的性质、变电站负荷水平、主变电压等级、主要接线模式以及线路 类型等因素进行分类，性质相近或者相似的归为一个典型区域，通过对该类中典 型变电站进行详细电气计算，最终利用典型变电站的无功配置结果计算整体配电 网的无功配置。 2 3 1 典型区域的划分原则 对于无功规划而言，典型区域的划分原则应将着眼点放在对无功潮流影响大。 l o 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 的因素中，我们根据配电网的特点，主要考虑了以下方面的因素： 1 供电区域性质： 供电区域是指以1 0 l ( v 变电所为中心的供电面积，城网的供电区域负荷特性 以商业和居民为主，结构紧凑，负荷点多，线路类型多以电缆为主；而郊区农网 的供电区域负荷特性具有农业负荷的特点，结构稀疏，负荷点相比城网很少，线 路类型多以架空为主，不同供电区域内无功配置情况差别很大。 2 变电站负荷水平： 变电站的负荷大小特别是无功对于馈线的电压影响很大，在研究不同负荷水 平时，我们将负荷分为高负荷、中等负荷和低负荷三种。 3 主变电压等级： 主变的电压等级与容量密切相关，而主变的容量又直接决定了所带负荷的大 小，所以主变容量为1 1 0 k v 和3 5 k v 的无功配置是有区别的。 4 配电网线路类型： 一般说来，城市配电网络由架空线和电缆线混合组成，电缆线路的充电功率 大概是同等截面架空线路的十倍甚至更多，根据线路类型选择典型区域分析既全 面又不失一般性。 以上各种原则，有很大的耦合性，比如供电区域为城区的变电站，线路类型 几乎为电缆，负荷高且密集，而供电区域为郊区的变电站，线路类型大多数为架 空线，负荷低且分散，因此划分问题变得十分复杂。 2 3 2 典型区域的分类 上节中所给原则在数学分析上很难量化，为了便于用数学方法分析，应该将 问题回归到无功潮流本身，找出影响无功配置最关键的因素。潮流计算中，影响 无功潮流的因素主要体现在两方面，一方面是负荷的大小和分布；另一方面就是 网络的参数。基于这两点我们将典型区域的划分原则概括如下： 1 变电站综合负荷特性：变电站综合负荷是从变电站低压母线出口侧看进 去的等值负荷。显而易见，两个综合负荷特性相同的变电站，那么它们在变电站 低压母线出口侧的电容器配置相同。 2 变电站所属线路的电缆构成比例：该比例为每个变电站出线中电缆线路 占全部出线数目的比例。对于是否要投入线路补偿和电抗器及其所投容量，电缆 线路比架空线路的影响要大。 确定了关键的划分原则，就要根据以上两种原则对配电网所有的变电站进行 分类。划分的方法为：首先对所有变电站按照综合负荷特性分类；然后再对每一 类负荷特性按照电缆构成比例分类。综合负荷特性影响因素繁多，很难用一个确 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 定的标准划分，因此我们采用模糊数学上的聚类分析法对其进行分类；而对于一 个已知的变电站，电缆构成比例是确定的，我们采用硬化分的方法，直接对其进 行分类。 由此可见，典型区域的分类是从负荷和线路两方面来考虑，将特征相似的变 电站分为一类，分类的结果是每一种典型区域是具有一种典型的负荷特点和一定 比例的电缆构成的变电站的集合。 2 3 3 典型变电站的选取 典型区域划分之后，亟待解决的就是选出能表征该典型区域特点的一个变电 站。 从上述分类的原则和结果来看，每种典型区域的负荷特性和所属线路类型大 致相同，因此采用最简单的平均值法，对每一个典型区域中的变电站按照电缆线 路比求数学期望值，最终选取电缆构成比例最接近该值的那个变电站为典型变电 站。 2 3 4 典型变电站的无功规划 典型变电站的无功规划是采用数学优化方法，确定能使该站无功投资最小的 无功配置，这部分内容将在第四章中重点介绍。 2 3 5 全网无功配置求解 全网无功配置求解是在典型变电站的无功配置容量已经求出的基础上，通过 一定的方法估计出整个配电网的无功配置。 假设典型区域划分时，根据综合负荷特性将配电网分成c 类，根据电缆构 成比例再将其分成万类，整个中低压配电网变电站数目为n ，那么： 1 变电站低压母线出口侧无功配置的推广： ( 1 ) 推广至整个典型区域 假设剃；路类型的，类负荷特性曲线的典形变电站低压侧无功配置为蜀，则 整个，类负荷特性曲线的典型区域变电站无功配置c 二为 c 岛= 吩岛岛 j = l ( 2 8 ) 其中：岛是具有脚i 路类型的_ 类负荷特性曲线特征的典型区域变电站的个 数占所有，类负荷特性曲线的变电站总数的比例；吩是所有类负荷特性曲线特 征的典型区域变电站的个数占整体配电网变电站总数的比例。 1 2 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 ( 2 ) 推广至整个配电网 整个配电网的变压器低压母线出口侧的无功配置 c d = c 岛= 吩- 岛岛 j l l，= l f = l ( 2 9 ) 2 变电站所属线路无功配置的推广： ( 1 ) 推广至整个典型区域 由于每类中变电站出线数目不定，引入出线数弓，如果设f 区间的歹类负荷 特性曲线的典形变电站线路无功配置为乃，则整个类负荷特性曲线的线路无功 配置为： c 名= 口，弓岛乃 扛1 ( 2 1 0 ) 其中是具有f 线路类型的，类负荷特性曲线特征的典型区域变电站的出线 条数；孱，是具有f 线路类型的，类负荷特性曲线特征的典型区域变电站的个数占 所有_ ，类负荷特性曲线的变电站总数的比例；口，是所有，类负荷特性曲线特征的 典型区域变电站的个数与整体配电网变电站总数的比例。 ( 2 ) 推广至整个配电网 整个配电网的变压器低压母线出口侧的无功配置c r 为： cc矗 。 g = = 哆弓岛弓 - l户i j ；l 2 3 6 典型区域法的流程图 ( 2 1 1 ) 在前几节对典型区域的分步骤分析的基础上，本节给基于典型区域法的 配电网无功规划问题的计算流程图，如图2 2 所示。 第二章基于典型区域法的配电网无功规划 2 4 本章小结 上 典型区域的划分 上上上 典典典 型 型型 变变变 电电电 站站站 l2n 上1 l 典型变电站的电气计算 1r 。全网无功配置求解 图2 。2 典型区域法的流程图 基于典型区域法的配电网无功规划实质上是一种简化运算，一种由局部无功 推算整体无功配置的策略。用典型区域法解决无功规划问题是在无功规划的初始 阶段，根据已有的负荷构成比例数据和出线信息，对所有的变电站进行分类，具 有相同特征变电站归为一类，称为一种典型区域，通过详细计算每一典型变电站 的无功配置，最终将变电站低压出口侧母线和线路补偿分别推算至全网。本章根 据对以上问题的详细分析，确定了用典型区域法解决无功规划问题的计算流程。 1 4 第三章基于模糊聚类的负荷特性分类 第三章基于模糊聚类的负荷特性分类 近年来，随着聚类方法的发展，很多专家不仅将聚类分析的思想引入电力系 统负荷特性分析领域，并且引入了许多优化算法来保证聚类分析的精确性，已经 取得了丰硕的成果。文献 1 6 】提出了应用k o h o n e n 神经网络解决负荷动特性聚 类的方法；文献 1 7 将粒子群优化和神经网络引入电力系统负荷特性分析，取得 了很好的分类效果：文献 1 8 】使用模糊聚类方法，不仅能够进行负荷特性的准确 分类，同时还可以确定模糊聚类中心以便直接进行特性综合。 本章就对基于模糊c 均值聚类的负荷特性分类展开详细的说明。 3 1 基础知识 3 1 1 聚类分析的概念 “物以类聚，人以群分”这是聚类分析的基本思想。聚类就是按照一定的要 求和规律对事物进行区分和分类的过程。在这个过程没有一个确定的标准，仅凭 事物间的相似性作为划分的淮则，因此属于无监督分类的范畴。聚类分析是把一 个没有类别标记的样本集按某种准则划分成若干个子集。使相似的样本尽可能归 为一类，非相似的样本尽量划分到不同的类中。 传统的聚类分析是一种硬划分，它把每类待辨识的对象严格地划分到一类 中，具有非此即彼的性质，因此这种类别划分的界限是分明的。而现实生活中， 大多数对象并没有严格的属性差异，在性态和类别方面存在着具有亦此亦被的性 质，因此适合软化分。模糊集理论的提出，开辟了聚类分析的新领域，用模糊的 方法处理聚类问题称之为模糊聚类分析。由于模糊聚类得到了样本属于各个类别 的不确定性程度，表达了样本类别的中介性，即建立起了样本对于类别的不确定 性描述，更能客观地反映现实世界，从而成为聚类分析研究的主流。 3 1 2 聚类分析的数学模型 用数学方法表述聚类分析问题，可以得到以下数学模型。设x = “，而， 是待聚类分析的对象的全体( 称为论域) ，每一个z 中的每个样本五( 七= 1 ，2 刀) 都用一组参数值来表征，每个参数值表征气的某个特征。耳就伴随着一个向量 第三章基于模糊聚类的负荷特性分类 只砌= ( k 。，：，) ，其中h ( ，= 1 ，2 ，小) 是在第个特征上的赋值，则将只。 称之为的特征向量。 聚类分析就是分析论域中的刀个样本所对应特性向量的相似性，按照各样本 间的亲属关系把五，屯，矗划分成多个不相交的子集五，墨，丘，并且按要求满 足下列条件：u 五u u 置= 彳，五n 彳，= 1 2 j 。 样本五( 1 七刀) 对子集置( 1 f c ) 的隶属关系用隶属函数来表示为： 帅m _ 墨撼 伊- ， 其中，隶属函数要求每一个样本只能隶属于某一个类，同时要求每个子集都 是非空的，这样的划分叫做硬划分。 在模糊聚类中，样本集j 被划分为c 个模糊子集五，五，置，并且隶属函 数从o ，1 二簟扩展到 o ，1 】区间，满足下列条件： c” e f = 心l 心【o ，1 】；心= 1 ，v 尼；o 心 o ，则有心 叫奢喏南) - 1 姗驴，使删= o ，则有忙三暑 步骤二：根据下式更新聚类中心矩阵p + 1 ： ( 坛6 + 1 ) ”& p ”= 旦- 一 魄m u ) ” 七= l ( 3 7 ) ( 3 8 ) 步骤三：如果l l 6 + 1 一| i 4 。压缩因 子法控制系统最终收敛的性能，且可以有效搜索不同区域，因此该方法能得到比 较优秀的解。 一 4 3 2 改进粒子群算法 粒子群算法已经被公认为是求解无功规划问题的一种行之有效的方法。在处 理无功规划问题时，每个粒子f 代表是一种无功配置容量组合，其中包含有载调 压分接头的位置、变压器低压母线出口侧电容器、公有配电变压器的低压侧电容 器和线路无功补偿的容量，前三者为离散量。 1 对于离散量的处理： 变量的离散性将导致解空间的非连续性，如何保证离散量能够在各自的解空 间自由飞行，需要在原有的粒子群算法上做一些改进： 对初始化过程的处理：变压器分接头位置和电容器容量的离散空间都是固定 3 2 第四章典型变电站的无功规划 步长的连续整数倍，因此，在初始化时，将随机量作取整处理成“随机整数”， 以此来保证粒子每次都能在自己的离散空间内选择而不至于“溢出”。 对更新速度的处理：在修正粒子的速度和位置时，对加速因子c 1 ，c 2 也进行 取整处理为“整数加速因子”，这样，更新速度后，粒子仍旧是在解空间内飞行。 2 对约束的处理： 无功规划目标函数的约束函数缩小了粒子解空间的范围，为了让粒子在所规 定范围内飞行，本文将约束引入粒子群算法，在每次粒子速度更新之后添加校验 模块，强行使其飞回解空间而避免越限，实施策略为：对