区域网无功电压优化集中控制技术及其有效性评价-2023年文档

区域网无功电压优化集中掌握技术及其有效性评价刘楠1982-，男，北京人，国网北京顺义供电公司，工程师。北京 101300无功电压作为衡量电网运行水平的重要指标，其不仅关系着电网的电能质量，更关系着电网的安全稳定水平。近年来，无功电压自动掌握技术已经引起了电网运行人员和电力科研工作者 的广泛重视。目前学术界普遍认为电力系统电压无功优化问题属于最优潮流Optimal Power Flow，OPF范畴，其主体思想是以电网网损最小作为目标，以系统可以人为转变和调整的物理量发电机端电压、无功补偿设备和可调变压器分接头作为掌握变量，以节点电压幅值和相角等物理量作为状态变量，以系统的功率供需平衡作为等式约束，以系统对电能质量的要求、安全指标以及稳定水平作为不等式约束的最优化问题。在无功电压优化掌握技术的理论探究外，国内外电网企业已经间续进展了无功电压优化掌握实践，并取了一些运行阅历。在过去的几年中，德国、美国、法国等电力兴旺国家已经着力进展在线全局无功最优掌握实践，并取得了较好的效果。1我国也越来越意识到无功电压优化掌握对改善电网的运行掌握的重要 性，国家电网公司要求电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷顶峰和负荷低谷运行方式下，分电压层和分供电区的无功平衡。目前，华北电网、华东电网、东北电网等区域电网以及诸多省级电网公司间续进展了无功电压优化建设。2-6虽然无功电压优化掌握技术已经取得了长远进步并进展了大量的工程实践，然而目前学术界对于电力系统无功电压优化掌握的有效性评价还鲜有争论。本文针对电力系统无功电压优化掌握技术的有效性评价问题，开展了相关争论工作。一、无功电压优化掌握的技术指标体系无功优化是实现电网经济调度的重要手段之一，实际上在进展无功电压优化掌握时往往要考虑多种因素，并力争使各种因素协调起来。在进展电力系统无功优化过程中，掌握的目标通常考虑电网网损、电压质量、系统的功率因数等几个方面。1. 系统的网损无功功率的传输与电力系统的网损关系亲热，因此合理安排无功功率补偿设备，减小电力系统网损是无功电压优化掌握的主要目标之一。以下以输电线路为例介绍无功优化对系统网损的影响。如图 1 所示，当的功率流过输电线路时，其在输电线路上产生的电能损耗如式1所示：1式中，P、Q 为流过线路的有功、无功功率，R 为线路上的电阻，U 为线路的额定电压。由式1可知，输电线路的电能损耗与流过该线路的无功功率亲热相关，假设减小流过的无功功率，进展无功功率的分区分层就地补偿将会在肯定程度上减小有功损耗，基于无功就地补偿降耗可描述如下：2式中，为补偿前的损耗；为补偿后的损耗；为无功补偿容量。2. 系统的电压质量节点电压值是评价电力系统电能质量的重要指标之一，电压质量的好坏对电网的稳定运行、保证工农业生产安全、提高产品质量、降低用电损耗等都有直接影响。电网无功电压优化掌握应确保电力系统电压水平在各种运行方式下满足要求，保证电压质量，使电压偏移在规定的范围内。仍以图 1 所示输电线路为例，介绍无功传输对系统电压的影响。当输电线路上流过 P+jQ 的功率时，引起的线路电压降落幅度可计算如下：3对于输电线路而言，其电抗值远远大于电阻值，可以近似认电压损耗的大小由流过输电线路的无功功率打算。因此，可以通过减小输电线路上的无功潮流，实现提高系统的电压质量的目的，其计算表达式如下：4其中为调整后电压，为调整前电压值，为进展无功补偿后减小流经输电线路的无功功率值。3. 电网的功率因数功率因数也是评价无功电压优化掌握系统运行性能的一项重要指标，对于视在功率为 S 的电气设备，功率因数反映了有功功率占设备总容量的比值：5在电源供给负载的总功率中，由于存在着有功功率做功，无功功率不做功，在视在功率一样的状况下，假设做功越多，说明有功功率占的比重就越大，对电力设备的利用率就越高。因此， 在电力系统的运行过程中总是期望功率因数越高越好。假设通过对无功功率进展合理安排，减小无功功率的远距离传输，则能在肯定程度上提高电力设备的因数，提高设备的有效利用率。因此， 对功率因数的优化掌握也是电力系统无功电压优化的重要目标 之一。二、无功电压优化掌握目标及其约束条件无功优化问题属于电力系统最优潮流范畴，具体来说就是在系统运行方式和掌握变量确定的状况下，通过选取适宜的掌握变量以使系统在满足约束条件下尽可能到达某些目标的最优，其数学模型一般可以用式6表示：761. 无功电压优化的掌握目标函数目标函数用于反映电网运行人员对系统无功电压的质量要 求，用于反映某一种或多种指标最优，因此通常有多种选择。从经济性角度而言其目的是以尽可能少的无功设备投入提高系统 电压质量、降低网损等；从电能质量的要求来说，则是使电网内各个节点的电压偏离额定值的偏差尽可能小，其目标函数的数学描述可分别如式7、8所示：78式中，n 表示电力系统内的总节点数目；Ui、Uj 分别表示节点i、j 的电压值，Gij 表示节点i、j 间的导纳值，表示节点i、j 间相角差；表示节点 i 的额定电压水平。2. 无功电压优化的掌握的约束条件受限于电力系统功率供需平衡及各个电气设备的安全稳定运行极限，因此在保障无功电压优化掌握目标的同时需要满足一些等式约束条件和不等式约束条件，相应约束条件如下：节点电压约束：9式中，Vi 为节点 i 的母线电压，Vmin 指节点电压的最小值，Vmax 指节点电压的最大值。功率因数约束：10为节点i 的功率因数，、分别表示节点 i 的允许的功率因数下限及上限值。有载调压分接头档数调整省束：11式中，Ti 表示第i 台变压器的分接头档位；、分别表示变压器分接头档位的上下限。设备动作次数约束：主要用于限定电容器、电抗器、有载调压分接头动作上限，确保设备的运行寿命，其数学表达式如下：12式中，Ni 表示第 i 台可调整设备的动作次数，Nimax 表示设备的动作上限值。三、无功电压优化掌握系统实施效果评价为了评价无功电压优化掌握系统的实施效果，本文以北京顺义地区的AVC 系统的运行实践为例评价AVC 系统对改善电网运行性能的有效性。1. AVC 系统概述及其技术路线顺义地区电网电压无功优化闭环掌握系统于 2023 年 6 月在顺义供电公司调度自动化系统内正式投入使用。目前，北京顺义地区的AVC 系统共接入变电站 29 座，包括 110kV 变电站 18 座， 35kV 变电站 11 座，电容器 70 组，变压器 58 台。其中 16 座 110kV 变电站及 8 座 35kV 变电站投入闭环运行。北京顺义地区的 AVC 系统承受三层掌握构造，其在全网电压无功优化运行掌握的根底上，通过调度自动化 SCADA 系统采集全网各节点运行电压、无功功率、有功功率等实时数据，并依据全网历史资料，进展超短期负荷推测计算，以地区电网电能损耗最少为目标，以各节点电压合格、设备动作次数最少为约束条件，进展综合优化处理后，形成有载调压变压器分接开关调整、无功补偿设备投切掌握指令，借助调度自动化系统的“四遥”功能， 通过调度掌握中心自动执行，从而实现地区电网电压无功优化运行。图 2 给出了相应的掌握流程图。2. AVC 系统的有效性评价通过 5 年多的运行，AVC 系统对电网的安全、优质、经济运行都起到了乐观的作用，归纳起来有以下几点：10kV 系统电压合格率明显上升，且波幅减小；网损率明显下降；电网初步具备了逆调压功能；众多主变分接开关动作次数大大削减；系统无功调整响应快捷，动态性能好，提高了电网的电压稳定性。表 1 给出了相应的电压波动数值状况。由表 1 可知，AVC 系统投运之后电力系统的电压水平得到了较大的改善，其主要集中在 10.15kV 至 10.55kV 之间。相反，在AVC 系统投运之前，系统的电压波动范围较大10.05kV10.75kV，其在一周之内消灭了 3 次电压越限的状况，其母线电压合格率已经提升至 99.7%以上。表 1 AVC 系统投入前后电力系统电压水平比照电压水平kV AVC 投运前 AVC 投运后点数 百分比 点数 百分比10.7 3 0.45% 0 0%10.6，10.7 7 1.04% 0 0%10.55，10.6 19 2.83% 9 1.34%10.45，10.55159 23.66% 145 21.58%10.25，10.45419 62.35% 501 74.55%10.15，10.2557 8.48% 17 2.53%