CN105244889A - 一种配电网无功补偿规划的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电网无功补偿规划的方法，通过对无功补偿规划目标的设定，以及条件约束、选取典型区域计算后并扩展到全网，从而获取无功补偿规划的最优补偿容量以及经济效益，利用无功补偿规划有效地降低网损，实现无功补偿容量的合理配置，保证电力***安全、经济运行。

Description

一种配电网无功补偿规划的方法

技术领域

本发明涉及一种配电网供电优化的技术领域，具体的来说，是一种配电网无功补偿规划的方法。

背景技术

配电网向电力用户输送有功功率的同时，也输送无功功率。一方面，无功功率是影响电压质量的主要因素。在电网结构和电压确定的情况下，且有功功率一定时，电压损耗主要与输送无功功率的数值有关。另一方面，配电网的规模较大，几乎所有的负荷和配电网元件都需要消耗无功功率，由于我国配电网供电面积大，供电点多，虽然多年的电网改造使电能质量有了很大的提高，但局部地区仍然存在线路末端电压低、功率损耗大的问题。传统的依据经验或方案比较为基础，比较粗略的无功补偿规划计算方法已很难满足现代配电网对电压质量的改善和降低线损的要求。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提出一种配电网无功补偿规划的方法，对于配电网，无功规划目标包括：

分层分区平衡：分层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。

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。

功率因数合格：对配电网，要求其在补偿装置投入后主变高压侧功率因数达到规定值。

电压偏差合格：在配电网的所有供电面积内，使电压幅值的允许偏差控制在规定的范围内。

理论线损值合格：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。

在进行无功规划前，选择目标年的无功设备投资和***有功网损的综合费用最省作为目标函数，即

$f^{\′}={\mathrm{BT}}_{max}{P}_{loss}^N{S}_B+\underset{i=1}{\overset{r}{\Σ}}\frac{1}{Y}\left(C_i{Q}_C{S}_B\right)$

式中：B为修正后的有功电价；T_max为全网的年最大负荷利用小时数，Y为补偿设备的使用年限；为正常状态下***总的有功损耗；r为待装无功补偿设备的数目；C_i为第i个可能补偿地点补偿设备的经过修正的单位容量的价格：Q_C为待安装的电容器容量；S_B为基准功率。

功率约束条件为

式中：P_i，Q_i为节点i的注入有功、无功；U_i，U_j为节点i,j的电压幅值；G_ij，B_ij，δ_ij分别为节点i,j之间的电导、电纳和电压相角差；H表示所有与节点i直接相连的节点集合。

控制变量约束条件为：

U_gmin≤U_gi≤U_gmax

Q_cmin≤Q_ci≤Q_cmax

T_tmin≤T_ti≤T_tmax

式中，U_gi、U_gmax、U_gmin分别为发电机机端电压及其上、下限值，Q_ci、Q_cmax、Q_cmin分别为容性无功补偿容量及其上、下限值，T_ti、T_tmax、T_tmin分别为可调变压器分接头位置及其上、下限值；

状态变量约束方程为：

Q_gmin≤Q_gi≤Q_gmax

U_cmin≤U_ci≤U_cmax

式中：Q_gi，Q_gmax，Q_gmin分别为发电机无功出力及其上、下限值；U_ci，U_cmax，U_cmin分别为节点电压幅值及其上、下限值。

在无功规划时，根据影响无功大小的负荷值以及电力网络参数对电网进行典型区域划分，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。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n类，整个配电网变电站数目为N：

变电站低压母线出口侧无功配置的推广至整个典型区域：

整个j类负荷特性曲线的典型区域变电站无功配置C_Dj为

式中，S_ij为i线路类型的j类负荷特性曲线的典型变电站低压侧无功配置，β_ij为具有i线路类型的j类负荷特性曲线特征的典型区域变电站的个数占所有j类负荷特性曲线的变电站总数的比例，α_j是所有j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。

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

在对线路进行无功补偿时，会引起线路的电压值发生变化，从而可以改变线路的线损值。

投切电容器前后引起的线路的压降的相对值；

式中，k_c为补偿系数，k_RX为线路阻抗比，ctgφ为负荷功率因数角的余切值，Q_C为投切的电容器的无功功率，Q_L为无功负荷。

由此可以得出，无功功率控制对线路压降的影响效果与补偿系数k_c、负荷功率因数角的余切ctgφ以及线路的阻抗比k_RX密切相关。补偿系数越大，线路压降的相对值就越大：线路的阻抗比越大，压降的相对值越小；负荷功率因数低，降低电压损耗的效果也明显。在负荷功率因数确定的情况下，通过改变可投切电容器的无功功率，达到降低线路电压损耗的目的，从而使电网电能质量有所提高。

无功补偿的最佳无功补偿容量为：

Q_C＝β_crP_maxtanφ₁

式中，β_cr为最佳补偿率，P_max为最大有功功率，tanφ₁为无功功率补偿前用户自然功率因数角的正切值；

其中，

式中，K_ec为无功功率的经济值，K_p为有功功率的经济值(可由用户侧测得)

其中，无功功率的经济值为：

式中，B为无功补偿率，S为补偿前最大视在功率，sinφ₁为自然功率因数角的正弦值，R为用户到供电电源间的有效电阻,U为供电电压。

无功补偿规划的的年收益P为节省电量所得收益扣除折旧费Z和维护费W的盈余，即：

P＝(ΔE-E_Q)·β-Z-W

式中，ΔE为降损电量；E_Q为电容器的耗电量；β为电价。

其中降损电量ΔE为：

ΔE＝ΔP_max·F·t

式中，ΔP_max为最大负荷降损功率；F为损失因子，为线损计算时段内的平均功率损失与最大负荷功率损失之比；t为电容器投运时间。

电容器的耗电量为：

E_Q＝Q_C·T·σ

式中，Q_C为无功补偿容量；T为电容器投运时间；σ为无功补偿设备损耗功率占补偿容量的比例。

无功规划的具体过程为：

第一步：收集实际配电网数据。其中包括：配电网每条支路的阻抗、每个节点负荷的历史数据和节点电压；

第二步：分析无功负荷点的历史数据，求出网络最大无功缺额和各节点最大综合负荷；

第三步：建立以网损和无功设备投资最小化为目标的无功配置优化模型，用潮流方程作为约束条件，且对状态变量和控制变量做出限定；

第四步：设各无功负荷点的最大综合负荷作为初始补偿容量，求出最佳补偿点。

第五步：将补偿点最大综合负荷相加，并求出各点的最大综合负荷在其中所占比例，将网络最大无功缺额按此比例分给补偿点，作为该点最高级补偿容量，而各点最大综合负荷为次高级补偿容量。

第六步：根据所确定的补偿点的历史数据做出拟合负荷曲线，确定其他各级补偿容量。

规划完成后，根据电网实际运行情况进行无功补偿，具体补偿方式为：

(1)进行最小方式的潮流计算，确定初始补偿点数k。

(2)计算各节点的无功补偿值。

(3)选择无功补偿值最大的点为本次的补偿点。

(4)进行潮流计算，求出该补偿点的无功值。

(5)把该点的计算无功作为该点的补偿容量。

(6)无功补偿点数己达k，则转第(7)步，否则转第(2)步。

(7)进行最小、一般和最大方式的潮流计算，并进行电压合格率的计算。

(8)若电压合格率大于95％，则转第(9)步，否则选择电压最低点增加一组补偿，然后再转第(7)步。

(9)检查最小方式是否有无功倒送。若有，是否小于无功负荷的10％，若不满足，则减少离目标值最近的无功补偿容量直到满足为止；当倒送无功小于无功负荷的的lO％后执行下一步骤。

(10)输出计算结果，补偿点、补偿容量、各点电压、网损及其电压合格率等。

配网无功电源规划能有效地降低网损，保证电压质量，预防事故发生或防止事故扩大。避免无功建设的盲目性，进行无功优化实现无功补偿容量的合理配置，不仅是指导计划部门进行电网无功规划建设不可或缺的工具，也是保证电力***安全、经济运行和优质供电的十分重要的工作。充分利用配电网的自身特点，在规划中优化无功电源点，确定补偿容量，在运行中合理投切无功电源，对减少电能损耗、改善***的电能质量有着重要的经济效益和现实意义。

附图说明

图1是本发明的配电网无功补偿规划的方法的补偿过程。

具体实施方式

一种配电网无功补偿规划的方法，对于配电网，无功规划目标包括：

分层分区平衡：分层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。

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。

功率因数合格：对配电网，要求其在补偿装置投入后主变高压侧功率因数达到规定值。

电压偏差合格：在配电网的所有供电面积内，使电压幅值的允许偏差控制在规定的范围内。

理论线损值合格：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。

在进行无功规划前，选择目标年的无功设备投资和***有功网损的综合费用最省作为目标函数，即

$f^{\′}={\mathrm{BT}}_{max}{P}_{loss}^N{S}_B+\underset{i=1}{\overset{r}{\Σ}}\frac{1}{Y}\left(C_i{Q}_C{S}_B\right)$

式中：B为修正后的有功电价；T_max为全网的年最大负荷利用小时数，Y为补偿设备的使用年限；为正常状态下***总的有功损耗；r为待装无功补偿设备的数目；C_i为第i个可能补偿地点补偿设备的经过修正的单位容量的价格：Q_C为待安装的电容器容量；S_B为基准功率。

功率约束条件为

式中：P_i，Q_i为节点i的注入有功、无功；U_i，U_j为节点i,j的电压幅值；G_ij，B_ij，δ_ij分别为节点i,j之间的电导、电纳和电压相角差；H表示所有与节点i直接相连的节点集合。

控制变量约束条件为：

U_gmin≤U_gi≤U_gmax

Q_cmin≤Q_ci≤Q_cmax

T_tmin≤T_ti≤T_tmax

式中，U_gi、U_gmax、U_gmin分别为发电机机端电压及其上、下限值，Q_ci，Q_cmax，Q_cmin分别为容性无功补偿容量及其上、下限值，T_ti、T_tmax、T_tmin分别为可调变压器分接头位置及其上、下限值；

状态变量约束方程为：

Q_gmin≤Q_gi≤Q_gmax

U_cmin≤U_ci≤U_cmax

式中：Q_gi，Q_gmax，Q_gmin分别为发电机无功出力及其上、下限值；U_ci，U_cmax，U_cmin分别为节点电压幅值及其上、下限值。

在无功规划时，根据影响无功大小的负荷值以及电力网络参数对电网进行典型区域划分，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。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n类，整个配电网变电站数目为N：

变电站低压母线出口侧无功配置的推广至整个典型区域：

整个j类负荷特性曲线的典型区域变电站无功配置C_Dj为

式中，S_ij为i线路类型的j类负荷特性曲线的典型变电站低压侧无功配置，β_ij为具有i线路类型的j类负荷特性曲线特征的典型区域变电站的个数占所有j类负荷特性曲线的变电站总数的比例，α_j是所有j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。

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；

在对线路进行无功补偿时，会引起线路的电压值发生变化，从而可以改变线路的线损值。

投切电容器前后引起的线路的压降的相对值

式中，k_c为补偿系数，k_RX为线路阻抗比，ctgφ为负荷功率因数角的余切值，Q_C为投切的电容器的无功功率，Q_L为无功负荷。

由此可以得出，无功功率控制对线路压降的影响效果与补偿系数k_c、负荷功率因数角的余切ctgφ以及线路的阻抗比k_RX密切相关。补偿系数越大，线路压降的相对值就越大：线路的阻抗比越大，压降的相对值越小；负荷功率因数低，降低电压损耗的效果也明显。在负荷功率因数确定的情况下，通过改变可投切电容器的无功功率，达到降低线路电压损耗的目的，从而使电网电能质量有所提高。

无功补偿的最佳无功补偿容量为

Q_C＝β_crP_maxtanφ₁

式中，β_cr为最佳补偿率，P_max为最大有功功率，tanφ₁为无功功率补偿前用户自然功率因数角的正切值；

其中，

式中，K_ec为无功功率的经济值，K_p为有功功率的经济值(可由用户侧测得)

其中，无功功率的经济值为

式中，B为无功补偿率，S为补偿前最大视在功率，sinφ₁为自然功率因数角的正弦值，R为用户到供电电源间的有效电阻,U为供电电压。

无功补偿规划的的年收益P为节省电量所得收益扣除折旧费Z和维护费W的盈余，即：

P＝(ΔE-E_Q)·β-Z-W

式中，ΔE为降损电量；E_Q为电容器的耗电量；β为电价。

其中降损电量ΔE为

ΔE＝ΔP_max·F·t

式中，ΔP_max为最大负荷降损功率；F为损失因子，为线损计算时段内的平均功率损失与最大负荷功率损失之比；t为电容器投运时间。

电容器的耗电量为：

E_Q＝Q_C·T·σ

式中，Q_C为无功补偿容量；T为电容器投运时间；σ为无功补偿设备损耗功率占补偿容量的比例。

无功规划的具体过程为

第一步：收集实际配电网数据。其中包括：配电网每条支路的阻抗、每个节点负荷的历史数据和节点电压；

第二步：分析无功负荷点的历史数据，求出网络最大无功缺额和各节点最大综合负荷；

第三步：建立以网损和无功设备投资最小化为目标的无功配置优化模型，用潮流方

程作为约束条件，且对状态变量和控制变量做出限定；

第四步：设各无功负荷点的最大综合负荷作为初始补偿容量，求出最佳补偿点。

第五步：将补偿点最大综合负荷相加，并求出各点的最大综合负荷在其中所占比例，将网络最大无功缺额按此比例分给补偿点，作为该点最高级补偿容量，而各点最大综合负荷为次高级补偿容量。

第六步：根据所确定的补偿点的历史数据做出拟合负荷曲线，确定其他各级补偿容量。

规划完成后，根据电网实际运行情况进行无功补偿，具体补偿方式为：

(1)进行最小方式的潮流计算，确定初始补偿点数k。

(2)计算各节点的无功补偿值。

(3)选择无功补偿值最大的点为本次的补偿点。

(4)进行潮流计算，求出该补偿点的无功值。

(5)把该点的计算无功作为该点的补偿容量。

(6)无功补偿点数己达k，则转第(7)步，否则转第(2)步。

(7)进行最小、一般和最大方式的潮流计算，并进行电压合格率的计算。

(8)若电压合格率大于95％，则转第(9)步，否则选择电压最低点增加一组补偿，

然后再转第(7)步。

(9)检查最小方式是否有无功倒送。若有，是否小于无功负荷的10％，若不满足，则减少离目标值最近的无功补偿容量直到满足为止；当倒送无功小于无功负荷的的lO％后执行下一步骤。

(10)输出计算结果，补偿点、补偿容量、各点电压、网损及其电压合格率等。

配网无功电源规划能有效地降低网损，保证电压质量，预防事故发生或防止事故扩大。避免无功建设的盲目性，进行无功优化实现无功补偿容量的合理配置，不仅是指导计划部门进行电网无功规划建设不可或缺的工具，也是保证电力***安全、经济运行和优质供电的十分重要的工作。充分利用配电网的自身特点，在规划中优化无功电源点，确定补偿容量，在运行中合理投切无功电源，对减少电能损耗、改善***的电能质量有着重要的经济效益和现实意义。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种配电网无功补偿规划的方法，其特征在于，无功规划目标包括：分层分区平衡、无功不倒送、功率因数合格、电压偏差合格、理论线损值合格。

2.如权利要求1中的配电网无功补偿规划的方法，其特征在于，在进行无功规划前，选择目标年的无功设备投资和***有功网损的综合费用最省作为目标函数，即

式中：B为修正后的有功电价；T_max为全网的年最大负荷利用小时数，Y为补偿设备的使用年限；为正常状态下***总的有功损耗；r为待装无功补偿设备的数目；C_i为第i个可能补偿地点补偿设备的经过修正的单位容量的价格：Q_C为待安装的电容器容量；S_B为基准功率。

3.如权利要求2中的配电网无功补偿规划的方法，其特征在于，功率约束条件为:

式中：P_i，Q_i为节点i的注入有功、无功；U_i，U_j为节点i,j的电压幅值；G_ij，B_ij，δ_ij分别为节点i,j之间的电导、电纳和电压相角差；H表示所有与节点i直接相连的节点集合；

控制变量约束条件为：

U_gmin≤U_gi≤U_gmax

Q_cmin≤Q_ci≤Q_cmax

T_tmin≤T_ti≤T_tmax

式中，U_gi、U_gmax、U_gmin分别为发电机机端电压及其上、下限值，Q_ci、Q_cmax、Q_cmin分别为容性无功补偿容量及其上、下限值，T_ti、T_tmax、T_tmin分别为可调变压器分接头位置及其上、下限值；

状态变量约束方程为：

Q_gmin≤Q_gi≤Q_gmax

U_cmin≤U_ci≤U_cmax

式中：Q_gi，Q_gmax，Q_gmin分别为发电机无功出力及其上、下限值；U_ci，U_cmax，U_cmin分别为节点电压幅值及其上、下限值。

4.如权利要求3中的配电网无功补偿规划的方法，其特征在于，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n类，整个配电网变电站数目为N：

变电站低压母线出口侧无功配置的推广至整个典型区域：

整个j类负荷特性曲线的典型区域变电站无功配置C_Dj为

式中，S_ij为i线路类型的j类负荷特性曲线的典型变电站低压侧无功配置，β_ij为具有i线路类型的j类负荷特性曲线特征的典型区域变电站的个数占所有j类负荷特性曲线的变电站总数的比例，a_j是所有j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；

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

投切电容器前后引起的线路的压降的相对值

式中，k_c为补偿系数，k_RX为线路阻抗比，ctgφ为负荷功率因数角的余切值，Q_C为投切的电容器的无功功率，Q_L为无功负荷。

5.如权利要求4中的配电网无功补偿规划的方法，其特征在于，无功补偿的最佳无功补偿容量为

式中，β_cr为最佳补偿率，P_max为最大有功功率，tanφ₁为无功功率补偿前用户自然功率因数角的正切值

其中，

式中，k_ec为无功功率的经济值，k_p为有功功率的经济值

其中，无功功率的经济值为

式中，B为无功补偿率，S为补偿前最大视在功率，sinφ₁为自然功率因数角的正弦值，R为用户到供电电源间的有效电阻,U为供电电压，

无功补偿规划的的年收益P为节省电量所得收益扣除折旧费Z和维护费W的盈余，即：

P＝(ΔE-E_Q)·β-Z-W

式中，ΔE为降损电量；E_Q为电容器的耗电量；β为电价，

其中降损电量ΔE为

ΔE＝ΔP_max·F·t

式中，ΔP_max为最大负荷降损功率；F为损失因子，是线损计算时段内的平均功率损失与最大负荷功率损失之比；t为电容器投运时间，

电容器的耗电量为：

E_Q＝Q_C·T·σ

式中，Q_C为无功补偿容量；T为电容器投运时间；σ为无功补偿设备损耗功率占补偿容量的比例。

6.如权利要求5中的配电网无功补偿规划的方法，其特征在于，无功补偿规划的具体过程为：

一、收集实际配电网数据，包括配电网每条支路的阻抗、每个节点负荷的历史数据和节点电压；

二、分析无功负荷点的历史数据，求出网络最大无功缺额和各节点最大综合负荷；

三、建立以网损和无功设备投资最小化为目标的无功配置优化模型，用潮流方程作为约束条件，且对状态变量和控制变量做出限定；

四、将各无功负荷点的最大综合负荷作为初始补偿容量，求出最佳补偿点，

五、将补偿点最大综合负荷相加，并求出各点的最大综合负荷在其中所占比例，将网络最大无功缺额按此比例分给补偿点，作为该点最高级补偿容量，而各点最大综合负荷为次高级补偿容量，

六、根据所确定的补偿点的历史数据做出拟合负荷曲线，确定其他各级补偿容量，

规划完成后，根据电网实际运行情况进行无功补偿，具体补偿方式为：

1)进行最小方式的潮流计算，确定初始补偿点数k，

2)计算各节点的无功补偿值，

3)选择无功补偿值最大的点为本次的补偿点，

4)进行潮流计算，求出该补偿点的无功值，

5)把该点的计算无功作为该点的补偿容量，

6)无功补偿点数己达k，则转第7步，否则转第2步，

7)进行最小、一般和最大方式的潮流计算，并进行电压合格率的计算，

8)若电压合格率大于95％，则转第9步，否则选择电压最低点增加一组补偿，然后再转第7步，

9)检查最小方式是否有无功倒送，若有，判断是否小于无功负荷的10％，若不满足，则减少离目标值最近的无功补偿容量直到满足为止；当倒送无功小于无功负荷的的lO％后执行下一步骤，

10)输出计算结果，包括补偿点、补偿容量、各点电压、网损及其电压合格率。