无功优化系统在包头电网的建设与应用

【摘 要】为了协助电力系统调度人员快速、合理地给出无功优化控制方案，保证电网电压稳定性，设计实现了基于实时数据的无功优化控制系统。实时获取数据后，通过拓扑建模、状态估计、无功优化计算，得出无功优化控制方案。系统计算结果准确可靠，具有较高的实用价值。 适当调节控制变量将损耗降到最低，后者属于优化的一种，主要是对无功补偿装置的容量或安装位置进行适当调整，以减少网损。本文分析了几种无功优化算法，并从概念和应用上对无功补偿进行了分析。

【关键词】电力系统运行；无功优化；无功补偿；应用

中图分类号：TM715文献标识码： A

0.引言

无功优化在保证电网电压稳定的前提下，有效降低网损，对电网运行的可靠性和经济性意义重大。目前关于无功优化系统的研究已经取得了一定的成果，但是大都是针对无功优化算法的研究[1～3]，研究整个无功优化系统的较少，而且在功能上有待提高。为此，本文结合工程实际，设计实现了功能完整的基于实时数据的无功优化控制系统，具有自动拓扑建模、状态估计、优化计算等功能，实用性较强。 因此，如何减少网损、提高输电效率、实现经济运行是电力企业当前重点考虑的问题。

1.无功优化和无功补偿的原则

寻找合适的补偿点是进行无功优化和补偿的前提条件，补偿点的选择往往要遵循几个原则：①结合网络结构固有的特性，选择适宜的中枢点，能够对其余节点的电压进行有效控制；②按照就地平衡原则，选择的节点应以无功负荷较大者为先；③无功分层平衡原则，因无功功率的电压等级可能不同，为实现电力系统的经济运行，应避免它们之间的相互流动；④对无功补偿度有要求，不得低于部颁标准0.7的规定。

2.无功优化

电力系统结构庞大，有很多变量、约束呈现多样化，且具有非线性，加上计算困难，对无功优化造成很大的阻碍。很多算法在计算时，都是先将非线性模型转化为线性，然后求解，如具备综合性的线性规划内点法，灵敏度较高的无功优化潮流等。其计算原理是借助泰勒级数，将非线性规划进行展开，对二阶及以上的项，通常要予以忽略，以保证建立起合适的线性化模型，最终求得优化解。因为在计算中忽略了二阶及以上的项，上述计算方法的收敛性较差。为此，有人提出利用罚函数思想和线性规划相融合，便是带惩罚项的无功优化潮流算法，虽能起到一定的作用，却仍难以彻底改变收敛性较差的情况。

因为线性算法存在着很多不足，又提出了一些运用非线性算法，混合整数规划、约束多面体法和非线性原-对偶算法等，虽然在理论上能够求得最优解，但计算量较大，甚是复杂，需要消耗大量时间和精力，且收敛性也没有良好的保障。

在计算机计技术的推动下，人工智能技术有了很大进步，以此为基础开始了许多新的算法的研究，包括遗传算法、模拟退火算法、Tabu搜索法以及人工神经网络等，其中有些算法已经应用于实际中，且效果很好。此类算法遵循寻优原则，采用的是随机搜索的方式，实现从局优收敛到问题的全优解，因为能够避过局优陷阱，最终求得全优解，此类算法的作用日益凸显，广受重视。其不足之处主要有以下几点：①无功优化属于非线性问题，其规划多收敛于局部最优解，而全局最优解的求法还需要进一步解决；②如今，电力系统多实现了自动化，并朝着智能化发展，因此，无功优化必须具备良好的实时性，而在有限时间内避免不收敛，仍需加强研究；③无功优化的目的是减少网损，求解中可能会出现母线电压接近电压上限的情况，此时如果缩小电压约束范围，很容易造成不收敛，或经过反复修正才能求出解。因此，如何在保证电压质量的前提下实现系统的经济运行，是当前要重点考虑的问题。

此外，有些问题过于复杂，若只采用一种方法，很难取得较好的效果，此时需考虑一些混合方法。在无功优化中同样如此，例如将具备全局搜索能力和局部搜索能力的算法有机结合，或许能有不一样的收获。也有人提到过分阶段进行优化，即先借助随机搜索法对性能较优的变量进行计算求解，再借助启发式算法求最优解。还有一些算法，则是根据各种算法的特点达到取长补短的效果，如模拟退火算法和遗传算法相结合。

3.无功补偿

3.1概念

在交流电的实际运行过程中，必然会有电能消耗，流经混合性负载时，不做功的那部分电能就是无功功率，其功率因数很小，电能要想得到充分利用，需进行无功功率补偿，简称无功补偿。在电力系统中，无功补偿装置占据着很重要的地位，能够提高功率因数，减少变压器等各种损耗，从而营造良好的供电环境，使供电效率有所提升。补偿装置一旦选择不当，非但起不到降低损耗、提高电网质量的作用，还有可能引起供电系统出现异常。

3.2无功补偿存在的问题

无功补偿工作有很大的难度，如大量的无功潮流需要从发电厂传至高压输电站，然后再传输给低压变电站，传输距离较远；谐波过多，虽然电容器能够抵消掉一部分，但电容寿命仍会受到影响。电容器自身具有放大作用，若不能减少谐波数量，极有可能增大谐波的强度；变电站因自身条件有限，难以通过负荷的变化调整相关的容量装置，一旦负荷较高，则功率因数会大大降低，而负荷较低时，又很容易出现过补偿的情况。

3.3无功补偿的应用

①不管是变压器还是输电线路，一旦有负荷电流经过，就会有电能耗损，产生一定的功率，当功率因数较低时，说明需要的功率较多，相应的线损程度也越严重。所以，应注重无功补偿装备的安装，应将其装在受电端，以实现降低无功功率损耗的目的。降低损耗，提高功率是最为常用的方法。一般而言，公用的变压器负荷都很大，在配变低压侧安装电容器进行无功补偿时，需对此方法进行全面的考虑。

②变电站应具备足够的对无功进行调节的能力，负荷处于高峰时，保证功率因数能够达到0.98，对容量的调节则需要具体而定。变电站产生的无功补偿应以变压器和变低侧负荷所产生的无功补偿为基础，为有效避免无功倒送情况的发生，必须科学合理地对补偿容量进行配置。加大宣传的力度，强化用户的意识，使他们意识到无功补偿的重大意义，即通过无功补偿能够减少耗损，从而节约开支费用。

③利用电容器和电抗器组成一个简单的谐滤波器，实际设计时，安装人员需掌握其实际功率，确保运行时能够真正的提高功率因素，降低负序作用。真空断路器容易操作，而且成本低，应用范围广，但在使用中也有缺点，如当工作人员合闸后，电容器上常会形成过高的电压，以至于影响到整体效果。

4无功优化的实现

基于以下假设建立无功优化数学模型：（1）系统电网网架结构不变；（2）认为在无功优化过程中，除平衡节点外，各节点的有功不变，即系统的无功优化是建立在有功优化的基础上；（3）认为无功优化的过程中，系统的频率和负荷不发生变化，即节点电压的变化对系统的频率和负荷的影响可忽略。

由于电力系统无功优化问题中，控制变量有无功补偿装置的投入组数（容量）、可调变压器的抽头档位以及发电机机端电压。其中，无功补偿装置的投入组数（容量）、可调变压器的抽头档位这两个控制变量为离散变量，而发电机机端电压为连续变量，所以在处理无功优化问题上，应该采用结合连续与离散为一体的优化方案。本系统选择收敛性好的离散粒子群算法。

5.结束语

随着电网事业的发展，电力企业面临着很大的供电压力，无功优化和补偿技术就显得尤为重要，在电力系统中发挥着积极作用，有利于减少损耗，提高运行效率，进而维护电力系统的稳定安全。该技术具有很大的潜力，在未来发展中随着高科技的进步应做进一步改善。 [科]

【参考文献】

[1]崔瑜.电力系统无功优化与无功补偿研究[J].中小企业管理与科技，2011，23（19）：213-215.

[2]郑莹.无功优化和无功补偿在配电系统上的应用[J].广东输电与变电系统，2010，217（3）：121-122.

[3]王文平，冯咏梅.浅谈电力系统的无功优化和无功补偿[J].内蒙古石油化工，2008，26（11）：190-191.

[4]崔鹏.浅谈无功补偿的重要性[J].中小企业管理与科技，2011，27（6）：219-221.