电力系统无功功率优化

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【摘 要】随着我国各种产业的迅速发展，现代电力系统日益扩大，对电网的运行的可靠性要求也越来越高。为了有效提高电力系统输电效率，降低有功网损和减少发电费用，我们需要加强对电力系统运行的经济性研究，合理选择无功补偿方案和补偿容量，通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，这样不仅能够改善电能的运行环境，给输电公司带来更高的效益和利润，还能提高功率因数，保证电网的电压质量，维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性，最终保证了电网的安全、优质、经济运行。我国配电网的规模巨大，因此要想优化电力系统的无功补偿，需要电力部门和用户高度重视，密切配合，分析无功补偿应用技术，选择合适的优化方案。本文先是介绍了无功优化的重要性，接着分析了无功优化的基本思路，无功优化的一般模型和目标函数，阐述了无功功率的动态补偿。

【关键词】电力系统；无功优化；一般模型；目标函数；动态补偿

引言

电压和无功功率的分布有着非常紧密的联系，一般情况下，无功功率是造成电网线路出现有功损耗的主要原因，同时也严重影响着电力系统电压的正确分布。由此可见，根据电网的实际情况，利用现有的无功调节手段，合理的调动无功，在满足安全运行约束的前提下，加强对无功优化的研究，对于提高电压质量、降低系统网损具有重要的意义。无功优化是实现电力系统安全和经济运行的重要手段。

1 无功优化的重要性

随着电力市场改革的不断深化，降低电网损耗，直接决定着电力电网公司的经济效益和供电效率，变得非常重要。降低网损，其主要途径就是要降低电网的无功潮流流动，通过无功优化，可以降低电网有功损耗和电压损耗，优化电网的无功潮流分布，改善电压质量，使用电设备安全可靠地运行。在保证现代电力系统的安全性和经济性方面，无功优化的重要性已经得到全球的关注。因此，电力系统中无功优化的重要性越来越为突出。

2 无功优化的基本思路

无功优化可分为无功运行优化和规划设计优化。其中无功运行优化是利用现有无功补偿装置，通过降低网损的方式，合理调节变压器分接头和发电机端电压，正确分析离线运行方式，实现无功实时或短期控制。而规划设计优化涉及的问题很多，也很复杂，不仅包括多时段，还要充分考虑多运行方式，确定补偿装置的地点、容量和投切时间，扣除补偿投资后的净收益，使得损耗电能减少的收益最大，而年运行费用与投资等年值之和最小。总之，电力系统的无功优化的基本思路，就是在满足电力系统无功负荷的需求下，根据电力系统的有功负荷、有功电源，科学分析有功潮流分布，明确控制变量，如发电机端电压幅值、无功补偿电源容量，合理设置可调变压器的分接头位置，应用优化技术和人工智能技术，状态变量要以发电机无功出力、负荷节点电压幅值和支路输送功率为主，获得无功补偿点和最佳补偿容量，使电力系统安全、经济地向用户供电。

电力系统无功功率优化的作用主要有以下几点：

[1] 提高系统的功率因数，提高设备利用率，降低设备所需要容量，减少线路及设备损耗，节约电能。

（2）提高并稳定受电端及电网的电压，提高电能质量。在长距离线路中安装合适的装置，可以改变输电线路的稳定性，提高输电能力。

（3）三相负载不平衡的场所，通过适当的无功功率补偿，可以对三相负载起到平衡作用。

（4）增加变压器、发电机、供电线路等的备用量。

（5）减少配电变压器的安装容量、减少基本电费、节约电费。

3 优化配变电无功补偿的策略

3.1 无功优化的一般模型

无功优化作为一个最优潮流的子问题，可以表示为一个同时具有连续变量和离散变量以及等式和不等式约束的非线性规划问题，其一般模型由如下部分组成：

3.2 无功优化目标函数

从数学角度而言，无功优化要寻找控制变量的一组设定值，使电力系统在依存变量不越限的前提下达到目标函数最优的运行状态。常见的无功优化模型的目标函数主要有：

（1）系统网损最小

电力系统网损最小是电力系统无功优化最常见的目标函数之一，如下式：

式中，n为支路数，Gk （i，j）是以节点i和节点j为首末端节点的第k条支路的电导。

（2）储备最大化

基于安全性方面的考虑，无功优化的目标函数也可以是最大化发电机的无功储备，即最小化发电机的无功出力，从而为电力系统在紧急情况下提供足够的无功出力，保证系统的安全稳定运行。如下式所示：

（3）小化各约束的总越限量

即越限约束的总数最小化，如下式所示，一般此类模型用于无功电压的修正控制。式中， Q为第 k 台发电机的无功出力nv为额定无功容量， hK为越限约束，WK为hk的权重，用于考虑不同约束的重要性差异。

（4）最优化无功电压运行质量

用以对应于电网电压质量目标要求较高的无功优化环境。文献中将最小化各重要节点的电压或线路的无功潮流与相应设定值的偏差作为目标函数，如下式所示。式中 为重要节点（或线路）的数目 、 和 分别为节点 k 的电压（或线路 k 的无功潮流）的实际值、设定值和最大允许偏差。

（5）最优化控制设备动作量

对于实际电力系统环境，有时对设备操作数以及操作成本有一定的要求，此时对应于最优化设备动作的数学模型应运而生。主要包括最小化控制设备动作量的某种求和，如将最小化控制设备动作量的加权平方和作为目标函数，如下式所示。式中 为控制设备的数目； 为第 k 个控制设备的动作量；权系数 可以用来区分设备的动作优先级， 越大，优先级越低。

（6）多目标无功优化

多目标的引入使无功优化模型更加复杂，不同种类的目标函数往往相互冲突，为优化算法带来很大的困难。近年来无功优化领域研究的重点，是利用整体亲和力顺序，基于进化算法的方法，寻找帕累托最优解，从而达到无功优化的目的。

4 无功功率的动态补偿

以改善电压调整的基本功能为例，简要介绍无功功率的动态补偿。下图为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。

其中，U为系统电压，R和X为系统电阻和电抗。假定负载变化很小，故有 ，则假定R《X，反映系统电压与无功规律变化的特性曲线如下图中的实线所示：

系统的特性曲线可近似用下式表示

式中： —无功功率为零时的系统电压； —系统短路容量。由上式可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化。投入补偿器后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即

因此，当负载无功功率 变化时，如果补偿器的无功功率总 能弥补的 变化，从而使Q维持不变，即 ，则 也将为0，供电电压保持恒定。这就是对无功功率进行动态补偿的原理。

5 结语

综上所述，随着科技的快速发展，为了适应新形势下的要求，电力企业要改进传统的低压补偿技术，全面的治理与监控用户电网，确保配电网的运行电压和无功功率具有正常水平，使其更好地满足用户的用电需求，满足正常电压水平下的无功需求，实现无功功率的就地平衡，从而改善电压质量，减少电网损耗，确保了电网运行的稳定性与安全。

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