淺談電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償

時(shí)間：2024-09-26 04:24:22 電子信息工程畢業(yè)論文我要投稿

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　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用電量的增加，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行日益受到重視，以下是小編搜集整理的一篇電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償探究的論文范文，供大家閱讀了解。

　　摘要： 電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償是提高系統(tǒng)運(yùn)行電壓，減小網(wǎng)損，提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平的有效手段。本文對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)目前無(wú)功補(bǔ)償和優(yōu)化存在的問(wèn)題進(jìn)行了一定的探討和研究。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)功優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償非線性網(wǎng)損電壓質(zhì)量?

　　1 前言?

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用電量的增加，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行日益受到重視。降低網(wǎng)損，提高電力系統(tǒng)輸電效率和電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是電力系統(tǒng)運(yùn)行部門(mén)面臨的實(shí)際問(wèn)題，也是電力系統(tǒng)研究的主要方向之一。特別是隨著電力市場(chǎng)的實(shí)行，輸電公司(電網(wǎng)公司)通過(guò)有效的手段，降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可給輸電公司帶來(lái)更高的效益和利潤(rùn)。電力系統(tǒng)無(wú)功功率優(yōu)化和無(wú)功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功電源的合理配置和對(duì)無(wú)功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償,不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性, 而且可以降低有功網(wǎng)損和無(wú)功網(wǎng)損,使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。?

　　無(wú)功優(yōu)化計(jì)算是在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)負(fù)荷給定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)控制變量(發(fā)電機(jī)的無(wú)功出力和機(jī)端電壓水平、電容器組的安裝及投切和變壓器分接頭的調(diào)節(jié))使系統(tǒng)在滿(mǎn)足各種約束條件下網(wǎng)損達(dá)到最小。通過(guò)無(wú)功優(yōu)化不僅使全網(wǎng)電壓在額定值附近運(yùn)行，而且能取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使電能質(zhì)量、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性完美的結(jié)合在一起，因而無(wú)功優(yōu)化的前景十分廣闊。無(wú)功補(bǔ)償可看作是無(wú)功優(yōu)化的一個(gè)子部分，即它通過(guò)調(diào)節(jié)電容器的安裝位置和電容器的容量，使系統(tǒng)在滿(mǎn)足各種約束條件下網(wǎng)損達(dá)到最小。

　　2 無(wú)功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)脑瓌t和類(lèi)型?

　　2.1 無(wú)功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)脑瓌t?

　　在無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償中，首先要確定合適的補(bǔ)償點(diǎn)。無(wú)功負(fù)荷補(bǔ)償點(diǎn)一般按以下原則進(jìn)行確定：?

　　1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇幾個(gè)中樞點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)電壓的控制;?

　　2)根據(jù)無(wú)功就地平衡原則，選擇無(wú)功負(fù)荷較大的節(jié)點(diǎn)。?

　　3)無(wú)功分層平衡，即避免不同電壓等級(jí)的無(wú)功相互流動(dòng)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。?

　　4)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功補(bǔ)償度不應(yīng)低于部頒標(biāo)準(zhǔn)0.7的規(guī)定。?

　　2.2 無(wú)功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)念?lèi)型?

　　電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償不僅包括容性無(wú)功功率的補(bǔ)償而且包括感性無(wú)功功率的補(bǔ)償。在超高壓輸電線路中(500kV及以上)，由于線路的容性充電功率很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)在500kV每公里的容性充電功率達(dá)1.2Mvar/km。這樣就必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行感性無(wú)功功率補(bǔ)償以抵消線路的容性功率。如實(shí)際上，電網(wǎng)在500kV的變電所都進(jìn)行了感性無(wú)功補(bǔ)償，并聯(lián)了高壓電抗和低壓電抗，使無(wú)功在500kV電網(wǎng)平衡。?

　　3 輸配電網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功優(yōu)化(閉式網(wǎng))?

　　電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償從優(yōu)化方面可從兩個(gè)方面說(shuō)起，即輸配電網(wǎng)絡(luò)(閉式網(wǎng))和配電線路及用戶(hù)的無(wú)功優(yōu)化和補(bǔ)償(開(kāi)式網(wǎng))。

　　3.1 無(wú)功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)?

　　參考文獻(xiàn)[3]中著名的等網(wǎng)損微增率定律指出，當(dāng)全網(wǎng)網(wǎng)損微增率相等時(shí)，此時(shí)的網(wǎng)損最小。

　　無(wú)功的補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在網(wǎng)損微增率較小的點(diǎn)(網(wǎng)損微增率通常為負(fù)值時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償)，這樣通過(guò)與最優(yōu)網(wǎng)損微增率相結(jié)合進(jìn)行反復(fù)迭代求解得到優(yōu)化的最佳點(diǎn)。一方面，該方法沒(méi)有計(jì)及其它控制變量的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中也不可能通過(guò)反復(fù)迭代使全網(wǎng)網(wǎng)損微增率相等，這樣做的計(jì)算量太大且費(fèi)時(shí)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)功優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，提出了大量的無(wú)功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化算法。無(wú)功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型主要有兩種，其一為不計(jì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為主要目的。即優(yōu)化狀態(tài)時(shí)無(wú)功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可用下式表達(dá)：

　　其二，以系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，它計(jì)及了系統(tǒng)由于補(bǔ)償后減小的網(wǎng)損費(fèi)用和添加補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用，可用下式表達(dá)：

　　?式中，β為每度電價(jià)，τmax為年最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，α、γ分別表示為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備年度折舊維護(hù)率和投資回收率，KC為單位無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的價(jià)格，QC∑為無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘俊?

　　模型二考慮了投資問(wèn)題，可認(rèn)為是一種比較理想的模型。特別是隨著電力市場(chǎng)的實(shí)行，各部門(mén)都追求經(jīng)濟(jì)效益，顯然考慮了無(wú)功投資問(wèn)題更合理一些。?

　　3.2 優(yōu)化算法?

　　由于電力系統(tǒng)的非線性、約束的多樣性、連續(xù)變量和離散變量混合性和計(jì)算規(guī)模較大使電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化存在著一定的難度。將非線性無(wú)功優(yōu)化模型線性化求解，是一些算法的出發(fā)點(diǎn)，如基于靈敏度分析的無(wú)功優(yōu)化潮流、無(wú)功綜合優(yōu)化的線性規(guī)劃內(nèi)點(diǎn)法、帶懲罰項(xiàng)的無(wú)功優(yōu)化潮流和內(nèi)點(diǎn)法等等，以上均是通過(guò)將非線性規(guī)劃運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),忽略二階及以上的項(xiàng),建立線性化模型求得優(yōu)化解。這些方法由于在線性化的過(guò)程中，忽略了二階及以上的項(xiàng)，其計(jì)算的收斂性得不到保證。為了提高優(yōu)化計(jì)算的收斂性，又提出了將罰函數(shù)的思想引入線性規(guī)劃,提出了帶懲罰項(xiàng)的無(wú)功優(yōu)化潮流模型與算法，使依從變量的越限消除或減小到最低限度。但它不能從根本上結(jié)局線性化后的不收斂問(wèn)題。?

　　針對(duì)線性算法方法的不足，又提出了一些運(yùn)用非線性算法，混合整數(shù)規(guī)劃、約束多面體法和非線性原-對(duì)偶算法等等。盡管這些方法能在理論上找到最優(yōu)解，但由于無(wú)功優(yōu)化本身的特性，使計(jì)算復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，且不能保證可靠收斂。

　　為了提高收斂性和非線性的對(duì)于無(wú)功優(yōu)化中的離散變量(變壓器分接頭的調(diào)節(jié)，電容器組的投切)的處理，基于人工智能的新方法，相繼提出了遺傳算法，?Tabu?搜索法，啟發(fā)式算法，改進(jìn)的遺傳算法，分布計(jì)算的遺傳算法和摸似退火算法等等，這些算法在一定的程度上提高了無(wú)功優(yōu)化的收斂性和計(jì)算速度，并且有些方法已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用并取得了較好的效果。?

　　但在無(wú)功優(yōu)化仍有以下一些問(wèn)題需要?解決：??

　　1)由于無(wú)功優(yōu)化是非線性問(wèn)題，而非線性規(guī)劃常常收斂在局部最優(yōu)解，如何求出其全局最優(yōu)解仍需進(jìn)一步研究和探討。?

　　2)由于以網(wǎng)損為最小的目標(biāo)函數(shù)，它本身是電壓平方的函數(shù)，在求解無(wú)功優(yōu)化時(shí)，最終求得的解可能有不少母線電壓接近于電壓的上限，而在實(shí)際運(yùn)行部門(mén)又不希望電壓接近于上限運(yùn)行。如果將電壓約束范圍變小，可能造成無(wú)功優(yōu)化的不收斂或者要經(jīng)過(guò)反復(fù)修正、迭代才能求出解(需人為的改變局部約束條件)。如何將電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)相統(tǒng)一仍需進(jìn)一步研究。?

　　3)無(wú)功優(yōu)化的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。伴隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，對(duì)無(wú)功優(yōu)化的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求，如何在很短的時(shí)間內(nèi)避免不收斂，求出最優(yōu)解仍需進(jìn)一步研究

　　4 配電線路上的無(wú)功補(bǔ)償及用戶(hù)的無(wú)功補(bǔ)償

　　4.1 配電線路上的無(wú)功補(bǔ)償?

　　由于35kV、10kV及一些低壓配電線路的電阻相對(duì)較大，無(wú)功潮流在線路上流動(dòng)時(shí)引起的功率損耗較大且電壓損耗較大，故其無(wú)功補(bǔ)償理論建立在其上。經(jīng)典的線路補(bǔ)償理論認(rèn)為電容器安裝的位置可見(jiàn)下表。

　　其原理可簡(jiǎn)述如下：?

　　當(dāng)線路輸送的無(wú)功功率Q，線路長(zhǎng)度L，每組補(bǔ)償距離為x時(shí)，每組補(bǔ)償容量為Qx?

　　Qx=Qx/L?

　　當(dāng)認(rèn)為電容器安裝在補(bǔ)償區(qū)間中心時(shí)，降低的線損最大。無(wú)功潮流圖可見(jiàn)圖1所示：

　　當(dāng)?shù)趇組電容器安裝地點(diǎn)離末端的距離為：

　　對(duì)任一組電容器安裝位置離末端的位置為：?

　　xi=L(2i-1)/(2n 1)?

　　其最佳補(bǔ)償容量為：?

　　nQx=2nQ/(2n 1)?

　　這樣即可求得表1的數(shù)據(jù)。?

　　對(duì)于配電線路的無(wú)功補(bǔ)償可有效降低網(wǎng)損，但它的效果不如在低壓側(cè)補(bǔ)償。這個(gè)結(jié)論是假定無(wú)功潮流是均勻分布的，如果線路上的無(wú)功潮流為非均勻分布的，得出的結(jié)論將不同;同時(shí)在線路上安裝電容器組時(shí)，其維護(hù)、操作比較不便，且也沒(méi)有考慮補(bǔ)償設(shè)備的投資問(wèn)題。因此，建議采用下述方式。?

　　4.2 用戶(hù)的無(wú)功補(bǔ)償?

　　對(duì)于企業(yè)及大負(fù)荷用電單位，按照無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆N類(lèi)又分為高壓集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償。文獻(xiàn)[8]指出在補(bǔ)償容量相等的情況下，低壓就地補(bǔ)償減低的線損最大，因而經(jīng)濟(jì)效益最佳。這是可以理解的。由于低壓就地補(bǔ)償了負(fù)荷的感性部分，使流經(jīng)線路和變壓器上的無(wú)功電流大大減小，顯然此種方法所取得的經(jīng)濟(jì)效益最佳。但是上述并沒(méi)有指出最佳補(bǔ)償容量應(yīng)為多少?同時(shí)也沒(méi)有計(jì)及無(wú)功設(shè)備的投資。文獻(xiàn)[6]指出了對(duì)于開(kāi)式網(wǎng)的最佳補(bǔ)償容量，三種常見(jiàn)的開(kāi)式網(wǎng)可見(jiàn)圖2所示。?

　　4.2.1 放射式開(kāi)式網(wǎng)的最佳無(wú)功補(bǔ)償?

　　對(duì)于用戶(hù)或經(jīng)配變出線的開(kāi)式網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)開(kāi)式網(wǎng)的接線的最佳無(wú)功補(bǔ)償容量，參考文獻(xiàn)[進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。其目標(biāo)函數(shù)采用第二類(lèi)目標(biāo)函數(shù)，為了分析，下面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的推導(dǎo)：?

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)為放射式網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)年計(jì)算支出費(fèi)用與無(wú)功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系可表達(dá)為：

　　由于主要研究的是無(wú)功功率對(duì)有功網(wǎng)損的影響，因此有功功率對(duì)網(wǎng)損的影響可不考慮，(4)式可簡(jiǎn)化為下式：

　　在其余節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償QCn,op均于上式相同。??

　　4.2.2 干線式和鏈?zhǔn)介_(kāi)式網(wǎng)的最佳無(wú)功補(bǔ)償

　　對(duì)于干線式及鏈?zhǔn)浇泳€開(kāi)式網(wǎng)，在第i=1點(diǎn)設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，其QC1,op同放射式開(kāi)式網(wǎng)，若在i=1,2 設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，見(jiàn)圖2(b)、(c)所示。

　　此時(shí)年計(jì)算支出費(fèi)用可用下式表達(dá)：

　　同理，可求得QC2,op的表達(dá)式為(為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)2電壓可認(rèn)為與節(jié)點(diǎn)1電壓近似相等)：

　　式中R?∑為干線式或鏈?zhǔn)浇泳€開(kāi)式網(wǎng)線路電阻之和，此處R?∑=R?1 R?2?

　　推廣到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為i, 干線式或鏈線式開(kāi)式網(wǎng)線路段數(shù)為m, 綜合可得開(kāi)式網(wǎng)各處無(wú)功負(fù)荷最佳補(bǔ)償容量QCi,op的計(jì)算通式為：

　　上述公式簡(jiǎn)單明了，且將著名的等網(wǎng)損微增率和最優(yōu)網(wǎng)損微增率結(jié)合在一起，通過(guò)計(jì)算公式一次性能得出最佳補(bǔ)償容量，避免了計(jì)算的迭代過(guò)程，具體算例可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]例6-2，在6-2例中，求解最佳補(bǔ)償容量是通過(guò)求解5組方程，6次迭代所得，而利用上述的推導(dǎo)公式可一次性計(jì)算出。

　　5 結(jié)語(yǔ)?

　　電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償需要比較精確的負(fù)荷數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)、變壓器參數(shù)等等。同時(shí)在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，電力系統(tǒng)的狀態(tài)是連續(xù)變化的，因此無(wú)功優(yōu)化和無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用。隨著調(diào)度自動(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化和無(wú)人變電站的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，需要計(jì)算快，收斂性良好的算法，同時(shí)伴隨著電力市場(chǎng)的實(shí)行，無(wú)功定價(jià)理論的逐漸成熟，無(wú)功優(yōu)化的理論也將相應(yīng)改變并進(jìn)一步完善。

　　參考文獻(xiàn)?

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