配电网无功补偿与管理系统研究及XX地区无功优化实践

1、配电网无功补偿与管理系统研究及XX地区无功优化实践摘 要关键词：AbstractKeywords:第1章 绪 论1.1 研究背景及其意义电力系统的运行管理不仅要重视安全可靠性，同时也要考虑其运行经济性，以及对企业效益和社会效益的影响。随着市场经济的进一步发展，能源意识的增强，电力系统的运行经济性问题愈发重要，如何实现科学管理，在保证安全可靠的同时科学利用和优化配置系统资源，降低运行损耗，提高供电电能质量，最终提高企业效益和社会效益，越来越受到人们的关注和重视。多年来，我国高压输电网络的管理很受重视，有了较多的研究成果，在实践当中得以广泛应用并且效果明显，而配电网的研究由于历史原因一直没有得到应

2、有的重视，尤其是城镇和农村配电网重视程度更低。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，尽管国家实施两网改造工程以来众多配电网自动化系统设备、装置应运而生，但都仅限于提高供电可靠性方面，对其经济运行却研究相对较少。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从运行实际还是从研究现状来看都表现出很强的迫切性，而配电网的自动化运行与管理便是解决这一问题的重要手

3、段之一。近年来，我国配电网运行的自动化水平已得到很大的提高，调度自动化系统SCADA/EMS(Supervisory Control And Data Acquisition/Energy Manage System)也已得到普及，在现场运行中具有较高的可靠性和稳定性，SCADA的“四遥”功能日趋完善。计算机技术迅速发展，使电力系统管理维护人员对配电网的优化管理提出了更新、更高的要求。如何利用计算机强大的数据存储和分析计算功能，实现无功资源的优化配置？如何借助已有调度自动化系统的基础条件，通过软件实现电网的无功优化实时闭环控制等等这些问题是当前地区电网电压无功优化控制问题的研究热点。本课题所研

4、究的配电网无功优化与管理系统就是建立在已有SCADA系统的基础之上，实现城镇或农村配电网内无功优化实时闭环控制。本课题的研究，具有以下几方面重要的意义：一是本课题对于配电网无功补偿及其管理系统的研究，能够作为国内对该领域相关研究成果的进一步完善和补充，具有一定的理论意义；二是本课题的研究，对于城镇或农村配电网，利用优化的方式，实现科学有效的降低损耗，满足配电网运行的各种安全性要求及经济性目标，具有较高的现实意义；三是本文通过对无功潮流的计算，以及相关数学模型的优化，最终实现配电网补偿量的最优化，这对于保护配电网运行安全，提升相关人员的调度水平，以及实现电网的无功规划都具有重要的借鉴价值。1.2

5、 国内外研究综述无功优化补偿作为一种提升无功优化过程效率的方式，长期以来在国内外的电网管理中都给予了足够的重视，相应地该领域的许多专家学者也对无功优化补偿进行了多方面的研究，出现了一系列有价值的理论成果。这些理论成果主要集中在配电网无功优化的两大核心潮流计算与无功优化计算方面，为配电网的无功优化补偿奠定了坚实的基础。1.2.1 国外研究文献综述无功优化补偿在国外的研究起步较早，从20世纪60年代的大规模无功补偿研究开始，出现了一系列在该方面的不同方法，包括非线性规划、线性规划、混合式证书规划、动态规划、基于人工神经网络的规划、遗传算法、模糊算法等。这些方法有的属于运筹学理论，有的基于数学理论，

6、各有特点。20世纪60年代末期，学者多摩和提恩尼首先对无功电源展开了分析，并成功运用数学中的梯度法进行计算，他首先使用拉格朗日乘数法对目标函数进行构造，然后按照逗留点对梯度进行计算，以此对控制量进行矫正。由于梯度法较为简单，但收敛性较差，而且收敛性有被破坏的可能，因此在该方法提出之后，有不少学者对这种方式进行了改善。1984年，学者Sun使用牛顿法求解了最优潮流，该学者在海森矩阵与雅克比矩阵基础上，合理利用了两矩阵的稀疏性，虽然实现了计算量的降低，但却无法对不等式约束进行处理，使得电网在高负荷运行时，优化过程会比较长。在该学者研究的基础上，美国学者托马斯进一步以电网损耗及运行投资为目标函数，针

7、对收敛性的问题，采取了二次罚函数去处理安全约束，并对多种函数的不等式约束进行处理，从而提高收敛性。1994年，英国学者威尔以Fletcher二次规划法为基础，提出了有关潮流计算的新方法，他主要使用了逐次逼近求解的方法，用线性处理的过程来对约束条件进行处理。1995年，学者诺布斯瓦对无功优化补偿的梯度法展开了深入研究，提出了一种投影梯度法，并就该方法的理论模型与优化算法进行了分析，主要使用一种正交变换方法，对梯度向量实现正交投影，从而有效解决了传统矩阵运算产生的不稳定问题。2003年，学者赛科在线性规划法的基础上实现了改进，提出了一种无需对雅克比矩阵求逆的线性规划法，不但能够极大地节省计算空间与

8、时间，而且能够把原本目标函数与约束条件在雅克比矩阵的基础上实现转换，成为节点电压的线性灵敏度的问题。2005年，学者布莱沃提出了基于分解法的无功长期优化方法，他将无功长期优化问题转变为三大模型，分别为投资模型、有功模型及无功模型，而且使得任何一个模型的变量维度都比原本小了许多，从而降低了计算的复杂度。2007年，美国学者莱恩对基于遗传算法的无功优化进行了研究，他指出简单遗传算法作为一种能哦古模拟自然生物遗传过程的优化算法，其实质是一种持续进化的算法，属于效率较高的全局搜索算法，简单遗传算法由随机产生的原始群体作为起始点，瘦脸是能够获得最优解。不过，研究也指出了该算法的缺陷，那便是在具有相当规模

9、的电力系统中，遗传算法就显得收敛速度较慢而且计算时间较长。1.2.2 国内研究文献综述与国外相比，国内对于配电网无功补偿方面的研究起步较晚，同时国内学者的研究大多是在国外成熟理论的基础上进行扩展或改进，一些学者的研究更多地结合我国电网的实际状况展开，具有较高的实用价值。近年来，基于配电网无功补偿中潮流计算和无功优化补偿算法研究成果也比较丰富，比较有代表性的如下：2001年，学者孙朝洪以重庆高压电网实际系统的无功优化为研究对象，并借鉴了先进的进化规划算法辅助研究。文中首先对重庆高压电网的特点以及具体调压要求进行了分析，然后为其建立了一种无功优化模型，该模型不但符合重庆高压电网实际，而且还能够实现

10、合理的简化，减少了模型的优化变量，在一定成都上提高了优化计算的效率；然后对进化规划算法的特点以及该算法在求解无功优化问题时存在的状态变量越限问题进行了研究，并结合无功平衡原理提出了一套有效的变异量修正措施，避免了进化规划的不可行问题，从而促进了进化规划算法在求解无功优化问题时更加快速有效。 2002年，学者刘雅静针对配电网三相潮流计算进行了研究及软件实现。作者首先对数据库的原始信息关系模式进行了定义，同时对网络拓扑信息的矩阵模型进行了建立，并在网络拓扑信息矩阵形成的过程中完成了对网络节点与支路的自动编码；然后进一步对配电网潮流计算的前推回代法相结合的三相潮流计算方法展开研究，在此基础上，对配变

11、低压侧的功率到高压侧的电流的转换模型实现了建立；最后在基于支路电流的三相配电网状态估计的基础上提出了以负荷电流为状态变量的配电网的三相状态估计方法，并结合配电网的网络拓扑分析，编制了配电网的三相潮流计算软件以及三相状态估计软件，使其能够更好地应用于实际工程当中。2003年，学者车仁飞对配电网潮流计算、大规模配电网络重构以及配电网的动态重构等问题进行了深入研究。作者在对国内外有关配电网潮流计算和重构算法及其理论的基础上，建立起了配电网络各种元件的三相数学模型，以此作为三相潮流计算的基础；然后进一步对配电网络的三相潮流计算问题进行研究，重点对辐射状配电网络的三相潮流计算深入探讨并扩展，并提出了一种

12、基于叠加原理的少环配电网的三相潮流计算方法；在此基础上对大规模配电网络的重构问题进行研究，创新提出了基于最小树和开关交换方法的重构算法；并就配电网络的动态重构问题指出新的规划措施。2006年，学者张文对粒子群优化算法在无功优化中的应用进行了研究，作者首先指出高质量的电力供应已经成为现代社会经济生活的迫切需求，电压质量是电能质量的重要指标之一，无功潮流分布是否合理，直接决定了电压质量的好坏，直接影响电网自身运行的安全性和经济性。电力系统无功优化属于非线性优化范畴，具有多目标、多控制变量、多约束条件、连续和整型变量混杂以及不确定性等特点。常规的数学规划方法在处理此类问题时有较大的局限性。因此，作者

13、基于进化计算理论、模糊集理论等技术，提出了自适应粒子群优化算法和模糊自适应粒子群优化算法，将所提出的改进粒子群优化算法应用于无功优化，并提出了考虑安全性和经济性的多目标无功优化模型；在此基础上，基于协同进化理论，探索了大规模系统的无功优化模型及其解算方法，对粒子群优化算法的寻优机理及算法的控制参数进行了深入的研究和探讨，提出了自适应粒子群优化(APSO)和模糊自适应粒子群优化(FAPSO)两种改进算法，最后针对针对无功优化问题，在粒子的构造、等式约束与不等式约束的处理以及适应度函数的选取等方面进行了深入探讨。 2009年，学者郭学凤对分布式电源的弱环配电网三相潮流计算进行了研究，他指出分布式发

14、电技术是一种新型的发电和能源综合利用方式，具有不错的发展前景，基于这种发电技术的发展，为传统的电力系统注入活力的同时，也给电力系统提出了新的挑战，包括各种损耗、潮流、电压等，潮流计算作为分布式发电对电力系统影响进行量化分析的重要基础，对其研究是非常重要。作者进一步指出，因为分布式电力系统中电源、负荷及线路参数的不对称性，使得以往对称的配电网潮流算法已无法适应这类网络，因此研究配电网的不对称三相潮流计算是发展的趋势。文章在进一步对风力发电机组、光伏发电系统、燃料电池、蓄电池、高频微型燃气轮机及工频热电联产机组的运行和控制性能详细分析的基础上,建立了各种分布式电源潮流计算模型，并基于配电网的前推回

15、代算法提出了适用于含多种分布式电源的弱环配电网的前推回代三相潮流算法。1.3 论文主要内容与组织结构1.3.1 论文主要内容为了全面掌握配电网的无功补偿模型及管理系统，本文将对配电网无功补偿模型进行深入研究，力求对配电网无功资源优化配置，使配电网的有功损耗最小，无功补偿设备的投资最小，主要包括以下研究内容：一是深入研究配电网的特点，建立配电网潮流计算的模型，确定配电网潮流计算的方法，并对配电网潮流计算的方法进行比较；建立配电网无功优化的数学模型二是通过研究遗传算法的基本原理，以及基本特点，将改进的遗传算法应用于无功优化中，并研究遗传算法在无功优化潮流算法中的应用。三是进行无功优化管理系统方案的

16、设计，并将A地区的无功优化管理系统作为算例进行验证方案的可行性，详细分析A地区城镇配电网的无功优化实践。1.3.2 论文组织结构本文针对上述主要研究内容，按照如下组织结构进行研究：第一章 绪论。首先对课题研究的背景及意义进行了研究，然后就国内外有关无功优化补偿方面的研究文献进行综述，最后指出论文研究的主要内容及组织结构。第二章 配电网无功补偿基础理论。本章重点对配电网的基础概念及特点，无功补偿的方式等基础理论进行研究，并提出配电网无功补偿方案选择的原则，为后文配电网无功优化补偿奠定基础。第三章 配电网潮流计算比较分析。通过对几种常用的配电网潮流计算方法进行阐述与分析，重点针对前推回代法与牛顿法

17、进行了多方面的算法比较，并针对负荷数据的采集进行了分析。第四章 改进的遗传算法在配电网无功优化补偿中的应用。本章是在对传统遗传算法进行分析的基础上，建立配电网无功优化补偿的数学模型，并对遗传算法进行改进后应用于配电网无功优化补偿中。第五章 配电网无功补偿管理系统的方案设计。对基于计算机的配电网无功补偿管理系统进行了结构分析、数据建模等；并在该方案设计的基础上，以该系统在A地区的应用为例进行可行性分析。第六章 结论与展望。对全文进行总结，指出其中的不足，并对未来的研究进行展望。1.4 研究方法为完成本课题的研究，采取了以下几种研究方法：一是文献研究法，通过对国内外电网无功补偿方面的文献进行深入阅

18、读和研究，更加明确了无功补偿的理论和所使用的多种方法，便于在后文的分析中运用。二是案例分析法，文章针对A地区的实际情况进行了配电网无功补偿管理系统的应用，有效地避免了单纯的理论研究缺乏具体性的弱点，使得无功补偿管理系统基于实际，更加真实。三是比较分析法，在研究过程中，通过对各种不同潮流计算方法的比较研究，对课题所研究的问题进行归纳总结，有利于在配电网无功优化补偿方案的的选择中更具有针对性。第二章 配电网无功补偿基础理论2.1 配电网基础2.1.1 配电网的概念配电网主要是指电网中专门进行电能分配的网络，在一般电网中常常是二次降压变压器低压侧直接或降压后向用户供电的网络。配电网主要由电缆配电线路

19、、配电开关设备、配电所、住上变压器、配电箱以及其它附属设施构成。配电网在电网中的位置如下图2-1所示：发电厂输电线高压变电站配电网用户图2-1 配电网在电网中的位置根据配电网电压等级的不同，可将配电网划分为高压配电网(35-110kV)、中压配电网(6-10kV)以及低压配电网(220-380V)三个等级；而按照供电区域的不同，可将配电网划分为城市配电网、农村配电网和工厂配电网。2.1.2 配电网的特点配电网是作为电网中占有举足轻重地位的组成部分。在很多地方电网中的投资比例超过40%，它对整个电力系统所带来的影响是非常巨大的，一般来讲，配电网具有以下几方面主要特点：一是覆盖范围广，敷设线路长。

20、由于配电网中的设备种类及数量都很多，如主要包含的变压器、配电室、分接箱、环网柜、线路、开关以及一些计量装置等众多设备，这也造成了配电网中的线路敷设较长，覆盖范围较广的特点，这一特点与输电网相比，配电网是非常明显的。如在一些农村配电网中，由于负荷比较分散，使得供电半径较大，敷设线路长，一些10kV线路都达到几十公里。二是当前我国配电网运行投资多元化。自从本世纪初期国家取消供电工程贴费之后，在配电网建设过程中缺乏一定的资金已经成为重要的问题之一，因此在这个过程中，除了供电部门自有的投资之外，还需要依靠国家拨款和社会投资等资金来源渠道。这使得如何保证配电网运行的经济性成为配电网的重要工作。三是配电网

21、直接面对用户，与用户密切相关。由前文配电网在电力系统中的位置可知，配电网与终端用户直接相连，因此一旦由于配电网发生问题而导致停电等事故，便会直接影响用户的使用。这使得配电网的故障和异常处理是配电网运行的首要工作。2.2 无功功率概述2.2.1 无功功率的定义在电网系统中，大部分电力设备是基于电磁的原理进行工作的，也就是说，电力设备能够在能量交换的过程中产生交变磁场，且在同一个周期内，释放的功率与吸纳的功率是完全相等的。但是，电源在通过纯电容或者是纯电感时并不减少任何能量，而只是在与用电负荷实现交换，这种交换的过程不对外做功，便成为无功功率。从根本上讲，无功功率表现了内外部往返交换的能量状况，这

22、与有功功率不同，并非表示单位时间内产生的平均功率，在电网中，无功功率通常用符号Q来表示，常用单位为乏（var）、千乏（Kvar）与兆乏（Mvar）。2.2.2 无功功率的本质意义正如前文所述，无功功率反映的只是能量交换的情况，并不产生功率消耗。下图2-2所示的单相电路中，负载是滞后性的负载，即感性负载，电阻对有用功进行消耗，电感在每个周期内会将来自电源的能量进行存储，又在同一周期不同时间将已经存储的能量进行释放，整个过程看起来没有任何能量的消耗。对于电源与负载的能量交换幅度可以使用无功功率来表示，无功功率的产生是负载的需要，它同时对电源会产生一定的影响。URL有功无功图2-2 无功功率示意图再

23、如下图2-3所示的一个三相电路中，规定参数U、R以及都与图2-1中的相同，则该电路为对称三相电路，电路中的无功功率大小依旧是反映电源与负载电感产生能量交换的幅度大小，所产生的无功能量会在电源与负载之间往复流动，在对称三相电路中可以发现，在任何时刻，各项的无功功率分量瞬时值之和都是零，也就是说，无功能量在整个三相电路中也进行流动。URL无功能量图2-3 三相电路无功功率示意图实际上，很多的实验已经证明，无论三相电路是否对称，也不论三相电路中有无谐波存在，电路中各无功分量的瞬时值都是零，完全可以认为无功能量能够在三相之间流动。2.2.3 无功功率对电网的影响一般来讲，无功功率作为电源与负载之间的能

24、量度量，属于储能元件与电源的能量交换，不过，随着电网技术的不断发展，很多非储能元件也能够对无功进行吸收，这是由于元件的非线性产生的。电网中的无功消耗一般出自两种原因，一种是由于线路消耗的无功，另一种是负载所消耗的无功。由于电力设备在进行电能输送时会进行无功的吸收，所以为提升电网系统稳定性和输送容量，通常会采取对无功进行补偿的方式；同时，由于大量的非线性负荷消耗无功，例如在工业与日常中的各类变流设备、电气设备等，特别是一些负荷的容量较大，无论是启动过程还是使用过程都会对无功进行吸收，这可能会引起电网的畸变。归纳起来，无功功率消耗对电网的影响主要有以下几个方面：一是能够降低发电机组的输电能力及输变

25、电设备的输电能力，从而使各种电气设备的使用效率大幅度降低，不利于发电和输变电成本的降低，对整个电网的经济性发展造成很大影响。二是能够增加输电损耗，使得电能在输送过程中被持续降低与损耗，一定程度上浪费了电力能源，对国家电力经济造成影响。三是增加了电网中的电压损耗，容易引起电压的波动和闪变。强烈的闪烁会造成发电机等转动不稳定，电子装置发生误动作甚至被损坏，同时使电网供电用户的实际功率减少。2.3 无功补偿理论2.3.1 无功补偿的作用分析从当前的电网发展状况来看，范围日益广泛，系统不断扩大，各种电力设备和用户终端对于电网运行的稳定性提出了越来越高的要求，而前文所述的无功功率广泛存在于各种电网中，实

26、际上，只有少部分设备消耗有用功，大多数属于感性负载的电力设备都需要吸收无功。有关的统计表明，电网中的无功大约是有用功的1.3倍，如果电网系统中的无功比较缺乏时，甚至会让电力系统崩溃。很明显，这些所需的无功如果全部由发电源头提供的话，都需要经过远距离的输送，显然是不合理的，因此，可以通过在需要消耗无功功率的合理位置进行无功功率补偿。从根本上讲，无功补偿是通过提高功率因数来达到节能降损目的的一种方式。总体来讲，无功补偿主要作用包括以下几个方面：一是直接提高电力系统的功率因数，从而提升设备使用率，设备所需要的容量也会因此降低，同时还能够降低设备与线路的损耗，达到节约电力能源的目的。二是稳定用电终端端

27、及整个系统的电压，从而提高电能的质量，而且如果在远距离的线路中找到合理的补偿点，就能够对输电线路的稳定性以及输电能力实现提高。三是能够对一些三相负载不平衡的场合，使用无功补偿措施，会实现对三相负载的平衡作用。四是对配电变压器的安装容量实现减少，同时增加变压器、发电机等的被用量，达到减少电费的目的。实际上，在电网中使用无功补偿的目的是要实现无功平衡，也就是让整个电网中的无功功率产生量与无功负荷所消耗的无功功率量达到平衡。2.3.2 无功补偿的基本原则 从根本上讲，所有的电网系统中都会对无功功率进行吸收，尤其是在一些低压配电网中，这种吸收现象更为严重，那么，想要实现对无功功率传输损耗的降低，就必须

28、采取一定的无功补偿措施，这些措施的实施必须按照一定的原则进行。在我国颁布的电力系统安全稳定导册中特意提出了有关无功功率补偿的一些要求，包括有无功功率电源安排规划、无功补偿分层分区、电机自动调节励磁运行、受端电压的无功备用容量等。根据国家的一些要求，并结合实际工作的需求，以下归纳出无功补偿的基本原则：一是无功功率应按照分级分层补偿的基本原则。由于在电网系统中各级输电配电设备都需要进行无功功率的吸收，这种吸收在一些低压配电网络中表现的尤其明显，那么，对一般的无功功率补偿设备而言，应该按照分级别、分层次的原则实现合理的布局。二是无功功率应遵循兼顾分散与集中补偿，以分散补偿为主的原则。一般而言，分散补

29、偿面对的是电网中相对分散的负荷区域，包括一些配电线路、用户端的耗电设备等；而集中补偿则主要面对的是变电所内一些较为集中的设备，只需要安装补偿电容器就可以。此外，集中补偿是针对主变本身的无功损耗，实现降低输电线路的无功损耗。所以在进行无功功率补偿时，要重点针对用户所需要的无功功率进行补偿，也就是在无功功率发生的地方实行补偿。三是无功功率补偿应该留有一定的无功余量。对电网进行无功功率补偿的目的是保持最终的电能质量，而在电网运行过程中，可能会发生一些突发事件影响无功功率补偿的效果，那么就应该有一定的无功余量，从而实现对电网负荷的变化跟踪并处理突发事件。四是无功功率补偿应强调协调性与经济性。无功功率补

30、偿的目的为提升电能质量，从而实现电力经济效益的提升，也就是说，无功功率补偿在很大程度上是以经济最大化为指导的。因此在无功功率补偿过程中，应该采取适当的集中协调以及优化，如针对不同的变电站采取不同的优化补偿方式，或者针对不同的用户设备设定具体的补偿设备。五是无功功率补偿应遵循电网电压稳定的原则。尽管无功功率补偿能够提升节点电压的稳定性，但无功功率补偿如果仅仅从局部的电压稳定为基础开展的话，在一定程度上可能会对全局电网电压造成不好的影响，这就要求在进行无功功率补偿时应该从整个电网的电压稳定需求出发进行。六是无功功率补偿应兼具普通状态与紧急状态功能。本原则是从无功功率补偿的不同状态来讲的，也就是要求

31、无功功率补偿不但能够在普通正常状态时对受控区域的无功功率调整到最佳状态，同时也能够在一些特殊紧急状态时也能够进行有效的控制电压的正常范围，这些紧急状态可能是负荷的突然变化，电网发生故障等。七是无功功率补偿应遵循动作的最小化调节原则。对一些无功功率补偿调节设备而言，其使用次数与寿命有着直接的关系，也就是说他们进行调节的次数是有限的，那么在系统进行无功功率补偿时，就应该对这些设备的调节动作次数进行合理的规划，不但要让调节满足电网的需求，而且能够让设备的使用次数在可用范围内，从而实现补偿设备的稳定运行。八是无功功率补偿应能够满足不同的调压方式。调压方式主要包括有逆调压、顺调压、长调压等，要求在实现无功功率补偿时，能够根据不同时段为母线设置不同的电压限值约束，从而达到用户对调压方式的