利用自然適應(yīng)性解決農(nóng)村配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題

1、利用自然適應(yīng)性解決農(nóng)村配電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題的優(yōu)化規(guī)劃研究*劉健1，王魁元2，張志華1（1陜西電力科學(xué)研究院，西安 710054；2西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，西安 710054）摘要：針對目前農(nóng)村配電網(wǎng)易出現(xiàn)負(fù)荷重時(shí)電壓偏低、負(fù)荷輕時(shí)電壓偏高的情況，提出一種利用配電網(wǎng)的自然適應(yīng)性而不必建設(shè)通信通道和控制電容器投切的電壓治理方案。綜合運(yùn)用增大導(dǎo)線橫截面積、改造成三芯架空電纜和安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器的手段改善農(nóng)村配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。以規(guī)劃期內(nèi)收益最大為目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮農(nóng)村配電網(wǎng)改造后節(jié)省的損耗費(fèi)用、加粗或改用架空電纜的費(fèi)用和加裝電容器的建設(shè)費(fèi)用，建立了固定電容器與線路改造相結(jié)合的優(yōu)化規(guī)劃模型。給出

2、了一個(gè)典型算例詳細(xì)進(jìn)行了說明，分析結(jié)果表明所建議的方法能夠有效改善農(nóng)村配電網(wǎng)電壓質(zhì)量。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；電壓質(zhì)量；電纜；固定電容器；無功補(bǔ)償；優(yōu)化規(guī)劃中圖分類號：TM 721 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-1390（2016）00-0000-00Optimal Planning planning of Improving improving the Voltage voltage Performance performance for Rural rural Distribution distribution Networks networks by Utilizing utilizing

3、 the Nature nature AdaptabilityadaptabilityLiu Jian1，Wang Kuiyuan2，Zhang Zhihua1(1. Shaanxi Electric Power Research Institute, Xian 710054, China. 2. School of Electrical and Control Engineering, Xian University of Science and Technology, Xian 710054, China)Abstract：To deal with the problems of low

4、voltage with heavy load while high voltage with light load in rural distribution networks, an approach of improving the voltage performance by utilizing the nature adaptability of distribution grid is proposed, in which, neither communication channel nor control capacitor is needed. The optimization

5、 planning model is set up, in which, the benefit in the planning period is introduced as the index. The benefit of loss reduction, the cost of fixed capacitor arrangement, conductor expanding and cable replacement are considered in the planning. A typical example is given in detail to illustrate the

6、 proposed approach, the results of which show its feasibility and effectiveness.*基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5226SX13044H）Key words: distribution grids, voltage quality, cables, fixed capacitors, reactive power compensation, optimal planning*基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5226SX13044H）Keywords: distribution grids, voltage qua

7、lity, cables, fixed capacitors, reactive power compensation, optimal planning0 引 言農(nóng)村配電網(wǎng)具有供電半徑長、負(fù)荷分散的特點(diǎn)，除此之外還有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是具有時(shí)段性、季節(jié)性，負(fù)荷波動較大1。長期以來，對于改善配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的研究，無功補(bǔ)償是改善電壓質(zhì)量的常用手段2-4；另外還有文獻(xiàn)5-6采用以提高電壓質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行配電網(wǎng)重構(gòu)；文獻(xiàn)7論述了并仿真驗(yàn)證了串聯(lián)電容器補(bǔ)償改善電壓質(zhì)量的方法；文獻(xiàn)8在串補(bǔ)改善電壓的基礎(chǔ)上討論了串補(bǔ)的過壓保護(hù)方案，以及預(yù)防鐵磁諧振和感應(yīng)電機(jī)自激的措施；文獻(xiàn)9介紹了一種采用直接電流控制的用于改

8、善中低壓配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的靜止無功發(fā)生器；文獻(xiàn)10探討了蓄電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)中，改善接入配電網(wǎng)公共連接點(diǎn)處電能質(zhì)量的方法；文獻(xiàn)11-12論述了通過三級聯(lián)調(diào)對農(nóng)村電網(wǎng)低電壓的治理。采用串聯(lián)電容器對改善電壓有較好的效果，但是需要加裝快速斷路器進(jìn)行保護(hù)，還要對諧振、自激等現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防；恰當(dāng)?shù)氖褂秒娏﹄娮釉O(shè)備可以很好的解決電壓質(zhì)量問題，但是運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很高；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)需要安裝配電終端和建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行維護(hù)更加復(fù)雜；儲能設(shè)備雖對電壓暫降和電壓閃變有較好的效果，但對解決電壓偏差問題的能力較差，且建設(shè)維護(hù)費(fèi)用都比較高；分布式電源可以影響電壓質(zhì)量13-14，但不適合于僅僅作為電壓支持手段而建

9、設(shè)。并聯(lián)電容器是比較常用的手段，但是如果需要頻繁投切，則不僅增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，也會大大增加造價(jià)和維護(hù)工作量。在解決農(nóng)村配電網(wǎng)問題時(shí)，利用配電網(wǎng)或其局部的自然適應(yīng)性而不進(jìn)行任何控制的方法才屬于上策15。本文論述一種綜合采用固定電容器、線路導(dǎo)線截面增大和電纜替代等改造措施的解決方案及其優(yōu)化規(guī)劃方法，不需要進(jìn)行通信和控制，運(yùn)行維護(hù)簡單。1 減少電壓降幅值的手段一段饋線的電壓降U可用式(1)表示。 (1)式：Un為饋線的標(biāo)稱電壓，R和X分別為饋線的電阻和電抗，P和Q分別為流過饋線的有功功率和無功功率。饋線首末端電壓U1和U2的關(guān)系可表示為： (2)當(dāng)電壓降U為正時(shí)饋線末梢的電壓幅值低于首端，當(dāng)電壓降U

10、為負(fù)時(shí)饋線末梢的電壓幅值高于首端。由式(1)可見，減少R、X和 Q的幅值可以有效降低電壓降。采用固定電容進(jìn)行無功補(bǔ)償可以減少Q(mào)的幅值。增大導(dǎo)線橫截面積可以降低R，但對X影響很小。采用三芯架空電纜可以極大降低幾何均距，大幅降低X，假如采用銅芯電纜又可以有效降低R。由于農(nóng)村配電網(wǎng)負(fù)荷波動大，后半夜幾乎空載，在采用固定電容器無功補(bǔ)償時(shí)，容易造成無功過剩，此時(shí)無功功率Q表現(xiàn)為負(fù)值，有時(shí)會導(dǎo)致U為負(fù)引起饋線末端的電壓偏高。將部分導(dǎo)線改造為三芯電纜可以降低X，從而使QX減小，有助于緩解由于無功過剩造成的過電壓問題。同時(shí)，增大導(dǎo)線橫截面積、改造三芯電纜還可以減少負(fù)荷高峰時(shí)需要的無功補(bǔ)償容量Q，從而使QX減小

11、，有助于進(jìn)一步緩解無功過剩造成的過電壓問題。2固定電容器與線路改造相結(jié)合的優(yōu)化規(guī)劃考慮到農(nóng)村配電網(wǎng)負(fù)荷具有時(shí)段性、季節(jié)性、波動較大等特點(diǎn)，可把系統(tǒng)運(yùn)行模式簡化為最大負(fù)荷、一般負(fù)荷及最小負(fù)荷三種運(yùn)行方式之和。則全年的電能損耗P可表示為： (3)式中Plmax、Plm和Plmin分別為最大負(fù)荷、一般負(fù)荷和最小負(fù)荷運(yùn)行方式下電能損耗；tmax、tm和tmin分別為最大負(fù)荷、一般負(fù)荷和最小負(fù)荷年運(yùn)行時(shí)間。綜合考慮農(nóng)村配電網(wǎng)改造后節(jié)省的各項(xiàng)費(fèi)用，以規(guī)劃期內(nèi)最大收益為目標(biāo)函數(shù)，即： (4)式中S1、S2、S3分別為節(jié)省的損耗費(fèi)用、更換導(dǎo)線和加裝電容器的建設(shè)費(fèi)用；P1、P2分別為改造前后的年損耗電量；b為單

12、位電量費(fèi)用；T為規(guī)劃期年限；m為需要更換導(dǎo)線的支路數(shù)；li為需更換的第i條支路的長度；ki為第i條支路的單位長度改造費(fèi)用；n為加裝電容器的位置數(shù)；Qcg為第g處加裝的電容器的容量；ccg為電容器的單位容量費(fèi)用。在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)，都應(yīng)滿足下列條件約束： (5)式中h為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Vx為節(jié)點(diǎn)x的電壓；Vmin、Vmax分別允許電壓上下限；Qcmin、Qcmax分別為補(bǔ)償電容器容量的上下限；Ii為第i條支路流過的電流；Iimax為第i條支路的最大載流量；nmax為最大允許加裝電容器的數(shù)量。為了施工方便，可設(shè)定最多對其中m個(gè)饋線段進(jìn)行改造。由于最大負(fù)荷時(shí)的電壓降最大，通過對各條支路最大負(fù)荷時(shí)單位長度電壓降

13、的計(jì)算，選取單位長度電壓最大的m個(gè)饋線段作為候選改造饋線段。第i條支路的單位長度電壓降Ki可表示為： (6)式中Ui為第i條支路的電壓降，Li第i條支路的線路長度。求解上述優(yōu)化問題就可以得到固定電容器與線路改造相結(jié)合解決農(nóng)村配電網(wǎng)電壓問題的優(yōu)化規(guī)劃方案，不再贅述。3算例分析本節(jié)以如圖1所示的典型10 kV饋線系統(tǒng)為例說明本文建議的固定電容器與線路改造相結(jié)合的農(nóng)村配電網(wǎng)電壓問題解決方案。圖中，節(jié)點(diǎn)1為10 kV母線節(jié)點(diǎn)，各支路導(dǎo)線型號和長度如表1所示，3種運(yùn)行方式下的負(fù)荷如表2所示，導(dǎo)線參數(shù)采用文獻(xiàn)16。圖1 典型10 kV饋線Fig.1 A typical 10 kV feeder表1支路導(dǎo)線

14、的型號和參數(shù)Tab.1 Sizes and parameters of the branches conductor支路長度/(km)導(dǎo)線型號支路長度/(km)導(dǎo)線型號1-21.53LGJ-15013-181.45LGJ-502-31.45LGJ-15018-191.54LGJ-503-41.4LGJ-12019-201.13LGJ-503-51.57LGJ-12020-210.61LGJ-505-61.37LGJ-5020-220.91LGJ-506-71.22LGJ-5022-230.61LGJ-507-81.2LGJ-5023-240.87LGJ-506-91.3LGJ-5022-251

15、.14LGJ-509-101.38LGJ-5025-260.62LGJ-5010-111.87LGJ-5026-270.89LGJ-5010-120.89LGJ-5019-281.22LGJ-505-131.53LGJ-5028-290.71LGJ-5013-141.86LGJ-5028-300.95LGJ-5014-151.22LGJ-5030-311.23LGJ-5015-160.81LGJ-5030-320.66LGJ-5015-171.2LGJ-5032-330.91LGJ-50表2 各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷Tab.2 Loads distributed in each from the nod

16、es節(jié)點(diǎn)最大負(fù)荷（MVA）一般負(fù)荷（MVA）最小負(fù)荷（MVA）100020.052 8+j0.039 60.019 536+j0.014 6520.000 528+j0.000 39630.033 6+j0.025 20.012 432+j0.009 3240.000 336+j0.000 25240.061 6+j0.046 20.022 792+j0.017 0940.000 616+j0.000 46250.184+j0.1380.152 72+j0.114 540.036 984+j0.027 73860.037 6+j0.028 20.013 912+j0.010 4340.000

17、376+j0.000 28270.044+j0.0330.016 28+j0.012 210.000 44+j0.000 3380.048 8+j0.036 60.018 056+j0.013 5420.000 488+j0.000 36690.192+j0.1440.159 36+j0.119 520.038 592+j0.028 944100.053 6+j0.040 20.019 832+j0.014 8740.000 536+j0.000 402110.264+j0.1980.203 28+j0.152 460.001 056+j0.000 792120.056 8+j0.042 60

18、.021 016+j0.015 7620.000 568+j0.000 426130.184+j0.1380.152 72+j0.114 540.000 736+j0.000 552140.058 4+j0.043 80.021 608+j0.016 2060.000 584+j0.000 438150.055 2+j0.041 40.020 424+j0.015 3180.000 552+j0.000 414160.052 8+j0.039 60.019 536+j0.014 6520.000 528+j0.000 396170.061 6+j0.046 20.022 792+j0.017

19、0940.000 616+j0.000 462180.176+j0.1320.146 08+j0.109 560.000 704+j0.000 528190.052+j0.0390.019 24+j0.014 430.000 52+j0.000 39200.192+j0.1440.159 36+j0.119 520.000 768+j0.000 576210.060 8+j0.045 60.022 496+j0.016 8720.000 608+j0.000 456220.061 6+j0.046 20.022 792+j0.017 0940.000 616+j0.000 462230.104

20、+j0.0780.038 48+j0.028 860.001 04+j0.000 78240.28+j0.210.215 6+j0.161 70.001 12+j0.000 84250.272+j0.2040.209 44+j0.157 080.001 088+j0.000 816260.048+j0.0360.017 76+j0.013 320.000 48+j0.000 36270.048 8+j0.036 60.018 056+j0.013 5420.000 488+j0.000 366280.192+j0.1440.159 36+j0.119 520.000 768+j0.000 57

21、6290.272+j0.2040.209 44+j0.157 080.001 088+j0.000 816300.184+j0.1380.152 72+j0.114 540.000 736+j0.000 552310.040 8+j0.030 60.015 096+j0.011 3220.000 408+j0.000 306320.053 6+j0.040 20.019 832+j0.014 8740.000 536+j0.000 402330.192+j0.1440.159 36+j0.119 520.000 768+j0.000 576系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間取8 760小時(shí)，其中最大負(fù)荷運(yùn)行方式下

22、的運(yùn)行時(shí)間為2 190小時(shí)，一般負(fù)荷運(yùn)行方式4 380小時(shí)，最小負(fù)荷運(yùn)行方式4 380小時(shí)17。規(guī)劃期為5年。對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，0為非補(bǔ)償點(diǎn)，1為補(bǔ)償點(diǎn)，本例中設(shè)定最多允許3個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)；補(bǔ)償電容容量以100 kVar為步長、最大補(bǔ)償容量1 500 kVar進(jìn)行搜索；給輸電網(wǎng)的電壓降留下一定余量，設(shè)置配電網(wǎng)中的電壓允許范圍為標(biāo)稱電壓的5%；安裝固定電容器費(fèi)用取7萬元/MVar，單位電價(jià)取0.06萬元/MWh；各種型號導(dǎo)線參考價(jià)格如表3所示。表3導(dǎo)線和電纜的參考價(jià)格Tab.3 Reference Costs costs of various wires and cables型號價(jià)格(元/km

23、)型號價(jià)格(元/km)LGJ-705 775JKLYJ-37071 006LGJ-958 484JKLYJ-39581 241LGJ-12011 067JKLYJ-312089 557LGJ-15012 957JKLYJ-315099 745LGJ-18515 393JKLYJ-3185111 915LGJ-24019 383JKLYJ-3240128 463采用文獻(xiàn)18論述的隨機(jī)抽樣優(yōu)化方法求解優(yōu)化規(guī)劃問題，發(fā)現(xiàn)僅靠固定電容器改善電壓質(zhì)量時(shí)，無法同時(shí)滿足最大負(fù)荷運(yùn)行方式與最小負(fù)荷運(yùn)行方式的電壓要求。采用本文論述的線路改造和固定電容器相結(jié)合的電壓治理方法，計(jì)算出最大負(fù)荷下各饋線段的單位長度電壓

24、降，分別取單位長度電壓降最大的前3段、前2段和第1段進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：若僅取1個(gè)饋線段進(jìn)行改造則無解，其余兩種改造方案如表4所示，其效益如表5所示。表4 優(yōu)化后得到的2個(gè)改造方案Tab.4 Two optimized improving schemes方案改造饋線段補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償容量(MVar)方案一1-2改為JKLYJ-32402-3加粗為LGJ-2403-4加粗為LGJ-24050.9170.4301.1方案二1-2改為JKLYJ-32402-3改為JKLYJ-3 QUOTE 24051.2230.4290.9表5 改造方案的效益Tab.5 Benefits of the improvin

25、g schemes 方案有功電量降低百分?jǐn)?shù)/(%)最低電壓(p.u.)最高電壓(p.u.)收益(萬元)方案一40.610.9511.0437114.049方案二30.380.9501.04069.203由表4、表5可見，所給出的兩種線路改造和固定電容器相結(jié)合的電壓治理方案都可以有效改善電壓質(zhì)量，其中方案一降損效果更好，收益更高，因此可作為最終規(guī)劃結(jié)果。4結(jié)束語（1）增大導(dǎo)線橫截面積有助于改善電壓質(zhì)量，但只在導(dǎo)線橫截面積較小時(shí)效果明顯，在線路導(dǎo)線橫截面積本身較大時(shí)，采用三芯架空電纜可以顯著改善電壓質(zhì)量；（2）采用固定容量并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償可以改善農(nóng)村配電網(wǎng)電壓質(zhì)量，但農(nóng)村配電網(wǎng)負(fù)荷波動大后半

26、夜負(fù)載較輕，容易出現(xiàn)容性無功過剩導(dǎo)致的過電壓現(xiàn)象；（3）線路改造與固定電容器相結(jié)合的電壓治理方案能夠有效解決農(nóng)村配電網(wǎng)電壓偏差的問題，并具有簡單可靠、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)。參 考 文 獻(xiàn)1 樸在林, 譚東明, 郭丹. 10 kV配電線路無功優(yōu)化智能系統(tǒng)的研究與實(shí)施J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(12): 206-210.Piao Zailin, Tan Dongming, Guo Dan. Research and implementation on reactive power optimization intelligent system for 10 kV distribution l

27、ineJ. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(12: 206-210.2 田以霖. 農(nóng)村配電網(wǎng)常用無功補(bǔ)償方式J. 供用電, 2006, 23(5): 52-54. Tian Yilin. Practical reactive power compensating methods for rural distribution networksJ. Distribution & Utilization, 2006, 23(5): 52-54.3 張先泰, 蔡金錠, 丁智華, 等. 電容

28、補(bǔ)償在配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)中的應(yīng)用J. 電力自動化設(shè)備, 2011, 31(2): 116-118, 128.Zhang Xiantai, Cai Jinding, Ding Zhihua, et al. Application of capacitance compensation in voltage adjustment of distribution power systemJElectric Power Automation Equipment, 2011, 31(2): 116-118, 128.4 王成山, 張義. 基于Benders分解和內(nèi)點(diǎn)法的無功優(yōu)化規(guī)劃J. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)

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31、configuration of distributed networkJ. Power System Technology, 2002, 26(2): 41-43.7 戴小龐, 海曉濤, 柏峰. 可控串聯(lián)電容補(bǔ)償在配電網(wǎng)電壓優(yōu)化中的應(yīng)用J. 陜西電力, 2011, 39(10): 69-72.Dai Xiaopang, Hai Xiaotao, Bai Feng. Application of Thyristor Controlled Series Compensation in Voltage Optimization for Distribution Power SystemJ. Sha

32、anxi Electric Power, 2011, 39(10): 69-72.8 卓谷穎, 江道灼, 梁一橋, 等. 改善配網(wǎng)電壓質(zhì)量的固定串補(bǔ)技術(shù)研究J. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013(8): 61-67.Zhou Guying, Jiang Daozhuo, Liang Yiqiao, et al. A research of D-FSC for improving voltage quality in distribution networksJ. Power System Protection and Control, 2013(8): 61-67.9 唐杰, 羅安, 榮飛, 等

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34、研究J. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 27(1): 1-5.Chen Yi, Zhang Buhan, Mao Chenxiong, et al. Applying the Hybrid Energy Storage System to Improve the Power Quality of Distribution NetworkJ. Journal of Hubei University of Technology, 2012, 27(1): 1-5.11陳一鳴, 周雄剛, 丁曉群. 農(nóng)村電網(wǎng)低電壓的三級聯(lián)調(diào)治理技術(shù)研究J. 電氣自動化, 2013, 35(3): 71-73, 92

35、.Chen Yiming, Zhou Xionggang, Ding Xiaoqun. Research on Three Order Regulation Treatment Technology of Rural Power Grid Low-VoltageJ. Electrical Automation, 2013, 35(3): 71-73, 92.12劉家軍, 劉棟, 姚李孝, 等. 農(nóng)網(wǎng)低電壓治理的三級聯(lián)調(diào)方式研究J. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 27(4): 423-429.Liu Jiajun, Liu Dong, Yao Lixiao, et al. Research o

36、n Three Order Voltage Regulation of Rural Power Grid Low-Voltage ControllingJ. Journal of Xian University of Technology, 2011, 27(4): 423-429.13徐俊俊, 黃永紅, 王琪, 等. 基于自然選擇粒子群算法的含DG接入的配電網(wǎng)無功優(yōu)化J. 電測與儀表, 2014, 51(10): 33-38, 50.Xu Junjun, Huang Yonghong, Wang Qi, et al. Reactive Power Optimization in Distribution Network with DG Basedon N