CN102055196A - 一种电力系统中10kv配电网的无功补偿优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电力系统中10kv配电网的无功补偿优化方法，该方法包括如下工艺步骤：一、首先确定配电网的结构和实际负荷情况，通过对配电网的结构建模，如线路的连接方式，配变的个数，补偿前的无功补偿装置的数量、位置，得到配电网的拓扑结构；二、输入原始数据；三、无功补偿前的参数计算；四、以网损最小为目标，通过遗传算法对10kV配电网的无功功率补偿容量和位置进行优化；五、基于全寿命周期管理选择配置容量的优化计算：六、优化过程结束，输出优化结果；七、通过对优化配置前后的潮流计算，核定补偿的效果，并依此对方案进行调整。优点：能够优化供电企业在提供无功补偿时的成本，提高设备的利用率，提高供电企业经济效益。

Description

一种电力系统中10kv配电网的无功补偿优化方法

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统中10kv配电网的无功补偿优化方法，属于电力配电网技术领域。

背景技术

资产全寿命周期成本(LCC)概念起源于瑞典铁路系统，1965年美国国防部在全军实施。1996年国际电工委员会(IEC)发布了相关国际标准：IEC60300-3-3、并于2004年7月发布修订版。此外，国际大电网会议(CIGRE)也于2004年提出使用全寿命周期成本以完善设备管理工作。

资产全寿命周期成本评价的最初应用是作为一种决策中对项目/资产进行评价的经济方法，包括了以寿命周期成本为设计参数、对项目/资产方案进行系统分析的过程和活动。其使用目的是辅助决策者从各可行方案中筛选出最佳方案。

为全面支持资产全寿命周期管理工作开展，本发明借鉴国内外成熟经验和方法、结合国内企业管理实际，对全寿命周期成本评价方法用途和内涵进行了扩展。

全寿命周期成本(Life Cycle Cost，简称LCC)：全寿命周成本将固定资产相关的费用支出加以分析，构建以下模型：

LCC＝CI+CO+CM+CF+CD

式中：LCC-全寿命周期成本(life cycle cost)；

C1-投入成本，包括采购成本及建设成本(investment costs)；

CO-运行成本(operat ion costs)；

CM-维护成本(maintenance costs)；

CF-故障成本，亦称惩罚成本(outage or failure costs)；

CD-废弃成本(disposal costs)

目前确定无功补偿总容量的方法有：

1)、按网损最小，从网损最小的观点来确定补偿容量，虽算法比较简单，但没有计入投入补偿电容器所需要的费用。该算法能保证的是网损最小，但如果考虑安装补偿电容器的费用，不一定是经济的。

2)、按照年运行费用最小年运行费用由两部分组成，即加装补偿电容后网络损耗的电价，加上补偿装置的年运行、维护费用。

3)、按年支出费用最小，所谓年支出费用是指同时考虑年运行费和成本的回报。

以上三种方法基本思想非常一致，但其所涉及的因素和所获得的经济效益各不相同，所以其适用范围也因此不同。

方法3)的补偿容量和成本最小

方法2)的补偿容量和成本皆居中

方法1)的补偿容量和成本最大。

就成本而言，方法3)是最优的，但是没有考虑到因电能节省所获得的效益，如在进行方案比较时，应该用动态的观点，考虑在运行年度内电能节省的收益才是正确的。

发明内容

本发明提出的是一种电力系统中10kv配电网的无功补偿优化方法，在综合考虑成本、降损目标及调压效果，找到最优的无功补偿配置方法的同时，解决当前投入无功补偿设备时只考虑部分成本如投入成本，而忽略无功补偿中的全寿命周期成本，包括运行中的成本(如维护成本、故障成本)与废弃成本，导致的供电企业成本过大、经济效益降低的问题。

本发明的技术解决方案：其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、首先确定配电网的结构和实际负荷情况，通过对配电网的结构建模，如线路的连接方式，配变的个数，补偿前的无功补偿装置的数量、位置，得到配电网的拓扑结构，本发明按照最大负荷运行方式进行无功优化，因最大负荷运行方式下，无功最匮乏；

二、输入原始数据，主要包括：

1)潮流计算数据：包括支路数据，节点数据，最大负荷运行方式；

2)约束条件：在计算适应度函数时，采用约束条件以满足优化目标，比如电压合格区间0.9-1.1(标幺值)，功率因数合格区间0.85-0.90；

3)补偿前的无功补偿设备的容量、位置和分组方式。另有无功补偿设备投入时的各时期成本：投入成本，包括采购成本及建设成本、运行成本、维护成本、故障成本、废弃成本；

4)优化编码时所需基本参数；

5)考虑到经济效益的参数，如工程预计总造价、配变补偿设备控制装置单价、电容器每千乏平均价格、线路补偿设备控制装置单价，电能量每千瓦时平均价格，年最大负荷利用小时数；

三、无功补偿前的参数计算，通过输入的初始数据来计算无功补偿前的全电网潮流和全网损耗Ploss-ori，并得到电网无功功率的总容量，判断此电网是否需要无功补偿；

四、以网损最小为目标，通过遗传算法对10kV配电网的无功功率补偿容量和位置进行优化，实际情况下，无功补偿装置的大小值是一个离散的变量，即上面问题的目标函数是一个不可微的函数，而遗传算法既可用于连续变量的优化问题，也可用于离散变量的优化问题；

所述的遗传算法包括：

1)随机产生初始种群，以及个体数目一定、每个个体表示为染色体的基因编码；种群中的个体取为各线路末节点的无功功率与各个配变上的无功功率，采用二进制编码，线路末节点的无功功率和各个配变上的无功功率都表示为8位的二进制码；如一个配变上的无功功率可编码为10110101，首位为1表示此线路或此配变需要无功补偿，否则不需要无功补偿；

2).确定个体的适应度，并判断是否符合优化准则；计算个体适应度的步骤如下：

(1)对随机生成的一个种群的个体进行解码，得到无功功率的数值；

(2)对整个电网进行潮流计算，将得到的结果保留，用来判断个体适应度是否满足要求；

(3)其适应度函数可以表示为：

F＝K1(Ploss-ori-Ploss-new)-K2*V-K3*Cos

式中，Ploss-ori为补偿无功前的有功损耗值，Ploss-new为补偿无功后的有功损耗值，V是电压惩罚项，Cos是功率因数惩罚项；对补偿后的电网进行潮流计算，如果线路上或配变上的电压不合格或功率因数不合格，则在适应度函数中相应地增加惩罚项；K1，K2，K3是权重系数；

3)依据适应度选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度低的个体可能被淘汰；

4)按照一定的交叉概率和交叉方法，生成新的个体；

5)按照一定的变异概率和变异方法，生成新的个体；

6)由交叉和变异产生新一代的种群；

7)判断无功优化的终止条件是否满足，若优化终止条件满足，则补偿容量、位置的优化过程结束，输出最好值作为最终结果，否则，返回继续优化，优化终止条件可取为一定的进化代数；

五、基于全寿命周期管理选择配置容量的优化计算步骤如下：

步骤1.首先计算每个配变所需要配置的无功容量，

步骤2.根据全寿命周期算法，选择在全寿命周期目标函数下，成本最小的电容器，全寿命周期成本目标函数表达式如下：

全寿命周期成本＝投入成本+运行成本+维护成本+故障成本+废弃成本，

步骤3.根据所选择的电容器，以及不同的分组情况，优化分组，

经过上述遗传算法优化，可得到需要无功补偿的各条线路或各个配变的补偿容量，然而通过全寿命周期管理的规划，可确定并优化每个补偿点配备的电容器类型，即在考虑各种电容器的各时期的成本的前提下，规划各补偿点配备的电容器的型号；

六、优化过程结束，输出优化结果，

输出结果包括1)电网无功规划方案：包括投入的补偿装置的总容量、总组数和总投资，回收年数，使用的电容器的类型；2)电网无功运行方案：

各个配变和线路上的投资金额、配备容量和分组方式；3)无功补偿前后的潮流计算结果：功率因数、电压值、无功功率、有功功率以及有功损耗率；

七、通过对优化配置前后的潮流计算，核定补偿的效果，并依此对方案进行调整，1)收入：将生成的无功补偿方案代入最大负荷水平的运行断面，通过网损计算，可以获得此运行断面下的降损功率大小，年减损收益＝电费单价×减损功率×负荷水平下年平均运行时间，可根据客户电费的征收实际情况，还可考虑计算无功减损电量的成本；2)支出：无功补偿的配置支出由五个部分组成，分组电容器成本、自动控制装置成本、安装人工成本、故障成本、使用寿命内维护成本，年平均成本＝(电容器成本+控制装置成本+安装成本+维护成本)÷使用寿命，可以根据投资回收年数直观的反映补偿方案的经济效益。

本发明的有益效果：能够优化供电企业在提供无功补偿时的成本，提高设备的利用率，提高供电企业经济效益。

附图说明：

附图1是本发明的流程图。

具体实施方式

对照附图，无功补偿优化方法包括如下工艺步骤

(1)无功补偿优化过程开始。

i.(2)输入初始数据，包括：

ii.潮流计算数据：包括支路数据，节点数据，最大负荷运行方式。

iii.约束条件：在计算适应度函数时，采用约束条件以满足优化目标，比如电压合格区间0.9-1.1(标幺值)，功率因数合格区间0.85-0.90。

iv.无功补偿设备的容量、位置和分组方式。另有无功补偿设备投入时的各时期成本：投入成本，包括采购成本及建设成本、运行成本、维护成本、故障成本、废弃成本。

v.优化编码时所需基本参数。如进化代数、交叉概率、变异概率等。

vi.考虑到经济效益的参数，如工程预计总造价、配变补偿设备控制装置单价、电容器每千乏平均价格、线路补偿设备控制装置单价，电能量每千瓦时平均价格，年最大负荷利用小时数等等。

(3)对无功补偿前的电网进行潮流计算，得到电网初始的有功损耗值、节点电压值。

(4)计算全电网的无功总容量，判断是否需要无功补偿，如果需要进入下一步，否则输出结果。

(5)对线路和配变上无功功率补偿优化，由遗传算法来实现，对配变和线路上的无功功率进行编码，并随机产生初始种群i.

种群中的个体取为各线路末节点的无功功率与各个配变上的无功功率。本发明采用二进制编码，线路末节点的无功功率和各个配变上的无功功率都表示为8位的二进制码.

(6)计算个体的适应度。主要的目标函数是使有功损耗率达到最小，即降损率达到最大。其次的优化目标是节点电压合格与功率因数合格。

首先对随机生成的一个种群的个体进行解码，用来计算个体适应度，适应度函数表示为：

F＝K1(Ploss-ori-Ploss-new)-K2*V-K3*Cos

式中，Ploss-ori为补偿前的有功损耗值，Ploss-new为补偿无功后的有功损耗值。优化无功补偿的目标函数是使得10kV配电网在无功补偿后能够有最大的降损率。

V是电压惩罚项，Cos是功率因数惩罚项。对补偿后的电网进行潮流计算，如果线路上或配变上的电压不合格或功率因数不合格，则在适应度函数中相应地增加惩罚项。K1，K2，K3是权重系数。

(7)在计算适应度后判别得到的数据变量是否满足遗传算法无功优化终止条件，如果不符合，则通过遗传算法的选择、交叉、变异生成新种群i+1，再使产生的新种群i+1取代父代种群i，计算新种群中的个体适应度，判断其是否满足无功优化终止条件，以获得更好的优化结果.如果新种群的个体适应度符合条件，则对满足优化终止条件的各个变量进行解码，并实值输出.

经过上述遗传算法优化，得到需要无功补偿的各个节点的补偿容量，然而通过全寿命周期管理的规划，确定并优化每个需要无功补偿的节点配备的电容器类型，即在考虑各种电容器的各时期的成本的前提下，规划各补偿点配备的电容器的型号；

(8)将无功补偿优化的结果输出。

输出结果：

i.电网无功规划方案：包括投入的补偿装置的总容量、总组数和总投资，回收年数，使用的电容器的类型。

ii.电网无功运行方案：各个配变和线路上的投资金额、配备容量和分组方式。

iii.无功补偿前后的潮流计算结果：功率因数、电压值、无功功率、有功功率以及有功损耗率。

Claims (1)

1.一种电力系统中10kv配电网的无功补偿优化方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、首先确定配电网的结构和实际负荷情况，通过对配电网的结构建模，如线路的连接方式，配变的个数，补偿前的无功补偿装置的数量、位置，得到配电网的拓扑结构，本发明按照最大负荷运行方式进行无功优化，因最大负荷运行方式下，无功最匮乏；

二、输入原始数据，主要包括：

1)潮流计算数据：包括支路数据，节点数据，最大负荷运行方式；

2)约束条件：在计算适应度函数时，采用约束条件以满足优化目标，比如电压合格区间0.9-1.1(标幺值)，功率因数合格区间0.85-0.90；

3)补偿前的无功补偿设备的容量、位置和分组方式。另有无功补偿设备投入时的各时期成本：投入成本，包括采购成本及建设成本、运行成本、维护成本、故障成本、废弃成本；

4)优化编码时所需基本参数；

5)考虑到经济效益的参数，如工程预计总造价、配变补偿设备控制装置单价、电容器每千乏平均价格、线路补偿设备控制装置单价，电能量每千瓦时平均价格，年最大负荷利用小时数；

三、无功补偿前的参数计算，通过输入的初始数据来计算无功补偿前的全电网潮流和全网损耗Ploss-ori，并得到电网无功功率的总容量，判断此电网是否需要无功补偿；

四、以网损最小为目标，通过遗传算法对10kV配电网的无功功率补偿容量和位置进行优化，实际情况下，无功补偿装置的大小值是一个离散的变量，即上面问题的目标函数是一个不可微的函数，而遗传算法既可用于连续变量的优化问题，也可用于离散变量的优化问题；

所述的遗传算法包括：

1)随机产生初始种群，以及个体数目一定、每个个体表示为染色体的基因编码；种群中的个体取为各线路末节点的无功功率与各个配变上的无功功率，采用二进制编码，线路末节点的无功功率和各个配变上的无功功率都表示为8位的二进制码；如一个配变上的无功功率可编码为10110101，首位为1表示此线路或此配变需要无功补偿，否则不需要无功补偿；

2).确定个体的适应度，并判断是否符合优化准则；计算个体适应度的步骤如下：

(1)对随机生成的一个种群的个体进行解码，得到无功功率的数值；

(2)对整个电网进行潮流计算，将得到的结果保留，用来判断个体适应度是否满足要求；

(3)其适应度函数可以表示为：

F＝K1(Ploss-ori-Ploss-new)-K2*V-K3*Cos

式中，Ploss-ori为补偿无功前的有功损耗值，Ploss-new为补偿无功后的有功损耗值，V是电压惩罚项，Cos是功率因数惩罚项；对补偿后的电网进行潮流计算，如果线路上或配变上的电压不合格或功率因数不合格，则在适应度函数中相应地增加惩罚项；K1，K2，K3是权重系数；

3)依据适应度选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度低的个体可能被淘汰；

4)按照一定的交叉概率和交叉方法，生成新的个体；

5)按照一定的变异概率和变异方法，生成新的个体；

6)由交叉和变异产生新一代的种群；

7)判断无功优化的终止条件是否满足，若优化终止条件满足，则补偿容量、位置的优化过程结束，输出最好值作为最终结果，否则，返回继续优化，优化终止条件可取为一定的进化代数；

五、基于全寿命周期管理选择配置容量的优化计算步骤如下：

步骤1.首先计算每个配变所需要配置的无功容量，

步骤2.根据全寿命周期算法，选择在全寿命周期目标函数下，成本最小的电容器，全寿命周期成本目标函数表达式如下：

全寿命周期成本＝投入成本+运行成本+维护成本+故障成本+废弃成本，

步骤3.根据所选择的电容器，以及不同的分组情况，优化分组，

经过上述遗传算法优化，可得到需要无功补偿的各条线路或各个配变的补偿容量，然而通过全寿命周期管理的规划，可确定并优化每个补偿点配备的电容器类型，即在考虑各种电容器的各时期的成本的前提下，规划各补偿点配备的电容器的型号；

六、优化过程结束，输出优化结果，

输出结果包括1)电网无功规划方案：包括投入的补偿装置的总容量、总组数和总投资，回收年数，使用的电容器的类型；2)电网无功运行方案：各个配变和线路上的投资金额、配备容量和分组方式；3)无功补偿前后的潮流计算结果：功率因数、电压值、无功功率、有功功率以及有功损耗率；

七、通过对优化配置前后的潮流计算，核定补偿的效果，并依此对方案进行调整，1)收入：将生成的无功补偿方案代入最大负荷水平的运行断面，通过网损计算，可以获得此运行断面下的降损功率大小，年减损收益＝电费单价×减损功率×负荷水平下年平均运行时间，可根据客户电费的征收实际情况，还可考虑计算无功减损电量的成本；2)支出：无功补偿的配置支出由五个部分组成，分组电容器成本、自动控制装置成本、安装人工成本、故障成本、使用寿命内维护成本，年平均成本＝(电容器成本+控制装置成本+安装成本+维护成本)÷使用寿命，可以根据投资回收年数直观的反映补偿方案的经济效益。

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