CN104201693B - 基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，要解决的技术问题是实现无功优化控制。本发明的方法，包括以下步骤：收集配电线路的数据和元件的参数，获得各无功补偿设备投入的补偿容量，主站获取配电线路各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿点的补偿容量，主站计算出各无功补偿点的最佳功率因数值，以最佳功率因数值为中点，分别加减拓宽值，形成功率因数控制区间，各无功补偿点的智能电容器将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，动态调整功率因数控制区间的宽度。本发明与现有技术相比，可以动态调整功率因数控制区间的宽度，并以此作为投切判据来触发各无功补偿设备的投切控制，实现无功优化控制。

Description

基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的优化控制方法，特别是一种配电网的无功优化控制方法。

背景技术

在配电网的运行和调度中，无功优化是十分重要的一个控制手段。随着配电网的节能潜力被进一步挖掘，如何使得配电网中的潮流更加合理，如何降低线损和稳定电压也越来越得到人们的重视。

现有技术的无功优化都是采用离线的方式进行的，优化计算的对象和数据是电网运行中的某个时间断面，计算结果是在该时间断面下的优化调度方式，很少有实现在线的无功优化计算。而电网中的负荷具有波动性和不可预测性，一天之中的负荷曲线可以相差很大，某个时间断面下的优化结果往往不适用于另外一个时间段。目前也有人提出，利用日负荷曲线来模拟每天的负荷变动，以此来制定对应的无功优化策略，但这种方法往往是多维的，算法十分复杂，而且跟随负荷的能力也比较弱，没有太多的实用性。因此，离线的无功优化计算方式具有一定的局限性，没有充分发挥无功优化在电网调度中的价值和作用。

与离线的方式相对，还有一种在线无功优化方式，它是依托配电网自动化设备进行的可以适应电网数据变化的持续计算方式。在线无功优化是借助变电站中的主站系统和通信方式，建立与实际的配电网结构相对应的模型，输入结构参数，采集计算配电网各处必需的实时数据，在主站系统中进行的优化计算。在线无功优化一般每过一个固定的时间间隔就采集一次数据，并进行优化计算，因此可以适应电网中潮流的变化，从而实现在各种负荷水平和各种运行方式下都得到合适的解。

然而，现有技术的配电网无功优化计算后的返回值一般是无功补偿设备的投切组数或容量，因此无功补偿设备的投切是无功优化结果的最主要体现方式。在配电网中，由于线路的无功损耗严重，而低压线路的充电功率非常小，因此一般都处在无功损耗的状态，主要是利用电容器设备来进行无功补偿。由于配电网中负荷的波动性较大，而在线的无功优化计算结果也直接体现了这种波动性，由于现有技术的优化计算结果一般是直接对电容器发出投或切的动作指令，因此往往会出现某个负荷点的电容器在几次相邻的优化计算结果之间，需要频繁动作甚至反复投切。电容器设备具有一定的使用寿命，如果在短期内动作次数较多其使用寿命会显著缩短，导致容易被损坏，因此目前大多数的电容器设备都设置有闭锁保护，在一定的时间内如果动作次数超过一个阈值，则电容器设备会自动闭锁不再进行操作。而对于无功优化调度来说，无论是电容器设备闭锁还是被损坏，都意味着减少了配电网中的无功可控量和无功裕度，不利于控制运行。如果为了保护电容器设备而减少甚至不让其动作，那无功优化的结果就难以落实。

而目前的在线无功优化往往是下发操作指令直接控制无功补偿设备的投切，因此难以避免由于负荷波动而造成的频繁投切的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，要解决的技术问题是实现无功优化控制。

本发明采用以下技术方案：一种基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，包括以下步骤：

一、收集配电线路的数据和元件的参数：

(1)10kV配电线路的单线图，

(2)10kV配电线路上各开关的实时开、闭状态，

(3)10kV配电线路各段的导线型号、长度和阻抗值，

(4)各配电变压器的型号、容量、空载损耗和短路阻抗，

(5)10kV配电线路首端所在变电站的10kV母线电压，

(6)各配电变压器低压侧的有功负荷和无功负荷，

(7)各配电变压器负荷点安装的无功补偿设备的容量和已投容量；

二、按每隔15分钟一次，配电线路各个配电变压器负荷点负荷侧的互感器采集各配电变压器的实时负荷数据，获得各无功补偿设备投入的补偿容量；变电站的主站通过无线通信方式获取配电线路各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿点的补偿容量；

三、主站根据获得的各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿点的补偿容量，计算得到各无功补偿点的计算有功功率和计算无功功率，再计算出各无功补偿点的最佳功率因数值；

四、以最佳功率因数值为中点，分别加减拓宽值0.03，形成功率因数控制区间，以此区间作为各个无功补偿点补偿容量的投切判据，主站将功率因数控制区间下发到各个无功补偿点的智能电容器；

五、各无功补偿点的智能电容器测得无功补偿点的实时功率因数值，将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，实时功率因数值落在包括两个端值在内的功率因数控制区间内，在00:00时刻，统计本配电线路各无功补偿点的日动作次数，若投切次数大于250，拓宽值增加0.004，但不大于0.05；若投切次数小于150，拓宽值减小0.004，但不小于0.01；然后智能电容器将日动作次数置零，返回步骤二。

本发明的步骤五将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，实时功率因数值小于功率因数控制区间的下限值，智能电容器指令投入一组电容器，刚投入的电容器将闭锁不少于30分钟，闭锁时间内不响应退出操作，把日动作次数累加一次。

本发明的步骤五将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，实时功率因数值大于功率因数控制区间的上限值，智能电容器指令退出一组电容器，刚退出的电容器将闭锁不少于30分钟，闭锁时间内不响应投入操作，把日动作次数累加一次。

本发明的日动作次数累加一次后，无功补偿点的智能电容器再将无功补偿点的实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较、重复判断，逐组投入或退出电容器，直到实时功率因数位于功率因数控制区间内。

本发明的步骤五实时功率因数值落在包括两个端值在内的功率因数控制区间内，00：00时之前或之后，则15分钟后返回步骤三。

本发明的00：00时为其前后30s以内。

本发明的步骤五功率因数控制区间拓宽值在0.05以上，则智能电容器直接把日动作次数置零，返回步骤二。

本发明的步骤五功率因数控制区间拓宽值在0.01以下，智能电容器直接把日动作次数置零，返回步骤二。

本发明的步骤五日动作次数不大于日动作次数上限值，日动作次数不小于日动作次数下限值，智能电容器将日动作次数置零，返回步骤二。

本发明的步骤三计算得到各无功补偿点的计算有功功率和计算无功功率，采用潮流计算和无功优化计算。

本发明与现有技术相比，通过对配电线路和配电变压器建模，对计算返回的优化后各个无功补偿点的最佳功率因数值分别加减一个拓宽值后形成功率因数控制区间，定期采集实时负荷数据、获得无功补偿设备的投入情况和补偿数据，进行实时的无功优化计算得到各无功补偿设备可以动态调整功率因数控制区间的宽度，并以此作为投切判据来触发各无功补偿设备的投切控制，实现无功优化控制。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明实施例的10kV配电线路的单线示意图。

图3为不同负载率下10kV配电线路的有功损耗曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，针对10kV配电线路，本发明的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，包括以下步骤：

一、收集建立配电线路(线路)的数据和元件的参数：

(1)10kV配电线路的单线图。如图2所示，由于本实施例中线路负荷节点(节点，负荷点)较多，在图2中没有把线路中的所有节点画出，仅为线路结构的示意图。在图2所示的配电线路中，1代表开关，2代表配电线路，3代表配电变压器，4代表10kV母线，5代表配电变压器负荷侧，6代表无功补偿设备。

(2)10kV配电线路上各开关的实时开、闭状态。计算模型采用线路的结构和参数，开关的开、闭状态的变化只是其中的一个参数发生变化，与负荷变动一样，对计算模型的计算方法没有影响。

(3)10kV配电线路各段的导线型号、长度和阻抗值。

(4)各配电变压器的型号、容量、空载损耗和短路阻抗。

(5)10kV配电线路首端所在变电站的10kV母线电压。

(6)各配电变压器低压侧的有功负荷和无功负荷。

(7)各配电变压器负荷点安装的无功补偿设备的容量和已投容量。

把收集到的10kV配电线路的数据和元件的参数按照单线图的运行方式，用于建立配电线路的计算模型(潮流计算和无功优化计算)。其中，上述(1)项和(2)项由工程运用中的实际运行线路图得到，(3)项和(4)项由实际线路上的参数值得到，或由电网公司提供，(5)项由10kV变电站检测得到，单位为kV，(6)项由互感器或电力自动化测量装置实时测量得到，单位分别为kW和kvar，(7)项由低压智能电容器的测量装置实时测量得到，单位为kvar。

将收集得到的上述(2)～(7)项的线路的数据和元件的参数输入到10kV变电站的主站的计算机中，用于PQ分解法进行潮流计算(《基于Matlab的电力系统PQ分解法潮流计算研究》，作者徐劲松，宁玉琳，杨永锋，《电气传动自动化》2011年第2期第13页)，利用遗传算法进行无功优化计算(《电力系统无功优化的灾变遗传算法及MAS模型研究》，作者张勇军，华南理工大学博士学位论文，2004年5月)，用于计算无功功率和计算有功功率。

无功补偿设备为额定电压为380V的低压智能电容器，其投切方式为分组投切，单组容量为20kvar/组和30kvar/组两种规格。

计算模型中，日动作次数i记录配电线路每天的无功补偿设备的动作次数，用来衡量优化控制方法对无功补偿设备的控制精度和对无功补偿设备的保护能力。初始化设置日动作次数i＝0。负荷节点及无功补偿设备安装情况如表1。

表1负荷节点及无功补偿设备安装情况

二、按每隔15分钟一次，配电线路各个配电变压器负荷点(负荷点)负荷侧的互感器采集各配电变压器的实时负荷数据，并获得各无功补偿设备的投入情况，投入情况为投入电容器的组数和容量(补偿容量)。在00：30分测得的负荷数据如表2。

表2负荷数据

10kV变电站的主站通过无线通信方式获取线路各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿点的补偿容量，作为计算模型的实时参数。

三、主站根据获得的各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿设备的投入情况，按计算模型进行优化计算，根据计算得到的无功优化最优潮流(潮流计算)结果中各无功补偿点，即带有无功补偿设备的负荷点的计算有功功率和计算无功功率，再计算出各无功补偿点的最佳功率因数值作为计算返回值：

式(1)中，Q_i取值为某无功补偿点的计算无功功率，P_i取值为该点的计算有功功率，最佳功率因数值是将计算无功功率和计算有功功率按式(1)计算后，让各无功补偿点达到的目标功率因数值。

四、以最佳功率因数值为中点，分别在中点两侧加、减拓宽值0.01～0.05，初始拓宽值为0.03，形成功率因数控制区间(区间)，以此区间作为各无功补偿点(补偿点)补偿容量的投切判据，主站将功率因数控制区间下发到各个无功补偿点的智能电容器。

五、各无功补偿点的智能电容器测得无功补偿点的实时功率因数值，为该无功补偿点在该时点的实际运行的功率因数值，将补偿点的实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较。

1、当补偿点的实时功率因数值小于功率因数控制区间的下限值，电压不高于电压允许值的上限时，由智能电容器指令投入一组电容器。电压允许值的上限为额定电压值的1.07倍。为了避免投切振荡，刚投入的电容器将闭锁不少于30分钟，闭锁时间内不响应退出操作，在投入一组电容器时触发其闭锁指令，让该组电容器在30分钟内不再响应退出动作指令。然后把日动作次数累加一次：i＝i+1。无功补偿点的智能电容器再将测得的补偿点的实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较、重复判断，逐组投入电容器，直到实时功率因数值不低于功率因数控制区间的下限值，使实时功率因数值位于功率因数控制区间内。

2、当补偿点的实时功率因数值大于功率因数控制区间的上限值，电压不低于电压允许值的下限时，由智能电容器指令退出一组电容器。电压允许值的下限为额定电压值的0.93倍。为了避免投切振荡，刚退出的电容器将闭锁不少于30分钟，闭锁时间内不响应投入操作，在退出一组电容器时触发其闭锁指令，让该组电容器在30分钟内不再响应投入动作指令。然后把日动作次数累加一次：i＝i+1。无功补偿点的智能电容器再将测得的补偿点的实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较、重复判断，逐组退出电容器，直到实时功率因数不高于功率因数控制区间的上限值，使实时功率因数值位于功率因数控制区间内。

3、当补偿点的实时功率因数值落在包括两个端值在内的功率因数控制区间内，在配电线路运行中动态调整功率因数控制区间的拓宽值。每一天的00:00时刻统计本配电线路各无功补偿点无功补偿设备(电容器)的投切次数(日动作次数)，当投切次数大于上限值时，表明功率因数控制区间偏窄，无功补偿设备投切频繁，需要修改功率因数控制区间，每次增加拓宽值0.004，拓宽后最终的拓宽值上限不大于0.05。如果投切次数小于下限值，表明无功补偿设备利用率低或负荷平稳，则修改功率因数控制区间，每次减小拓宽值0.004，拓宽后最终的拓宽值下限不小于0.01。通过动态调整功率因数控制区间的宽度，来调节无功优化算法对无功补偿设备的控制精度，在避免频繁投切动作和优化降损之间找到平衡点，实现保护无功补偿设备和对配电线路优化降损。

本实施例中，日动作次数上限值设定为250，日动作次数下限值设定为150。

设置在10kV变电站主站的系统设定00：00时前后30s以内(00：00时)为统计调整时间，由设置在10kV变电站主站的系统判断当前时间是否为00：00时的统计调整时间。

(1)当前时间在00：00时之前或之后，则15分钟后返回步骤三，主站根据获得的实时负荷数据和投入情况，进行优化计算和下发指令。

(2)当前时间在00：00时，智能电容器判断日动作次数i是否大于设定的日动作次数上限值，分为以下两种情况：

1)日动作次数i大于日动作次数上限值

智能电容器判断该点的功率因数控制区间拓宽值小于0.05，则分别在中点两侧加、减拓宽值0.004，即在以最佳功率因数值为中点，分别在中点两侧加、减初始拓宽值0.03形成功率因数控制区间(或原有功率因数控制区间)的基础上，再分别加、减拓宽值0.004，增加功率因数控制区间的宽度，增大无功补偿设备的可处置范围，减弱其对优化的响应能力。然后智能电容器将日动作次数i置零返回步骤二，负荷点侧的互感器再次采集该配电变压器的实时负荷数据，智能电容器获得无功补偿设备投入情况，主站根据获得的实时负荷数据和投入情况，进行优化计算和下发指令。

如果功率因数控制区间拓宽值在0.05以上，则智能电容器直接把日动作次数i置零返回步骤二，负荷点侧的互感器再次采集该配电变压器的实时负荷数据，智能电容器获得无功补偿设备投入情况，主站根据获得的实时负荷数据和投入情况，进行优化计算和下发指令，重新开始一天的优化计算。

2)日动作次数i不大于日动作次数上限值

智能电容器判断日动作次数i不小于日动作次数下限值，智能电容器将日动作次数i置零返回步骤二，负荷点侧的互感器再次采集该配电变压器的实时负荷数据，智能电容器获得无功补偿设备投入情况，主站根据获得的实时负荷数据和投入情况，进行优化计算和下发指令。

若日动作次数i小于日动作次数下限值，智能电容器判断该点的功率因数控制区间拓宽值大于0.01，则分别减小拓宽值0.004，即在以最佳功率因数值为中点，分别加、减初始拓宽值0.03形成功率因数控制区间(或原有功率因数控制区间)的基础上，再分别在中点的两侧减、加拓宽值0.004。然后智能电容器将日动作次数i置零返回步骤二，负荷点侧的互感器再次采集该配电变压器的实时负荷数据，智能电容器获得无功补偿设备投入情况，主站根据获得的实时负荷数据和投入情况，进行优化计算和下发指令。缩窄功率因数控制区间的宽度，减小无功补偿设备的可处置范围，加强其对优化的响应能力。

如果功率因数控制区间拓宽值在0.01以下，则智能电容器直接把日动作次数i置零返回步骤二，负荷点侧的互感器再次采集该配电变压器的实时负荷数据，智能电容器获得无功补偿设备投入情况，主站根据获得的实时负荷数据和投入情况，进行优化计算和下发指令，重新开始一天的优化计算。

现有技术的低压(380/220v电压供电的配电线路)无功补偿一般按照滞后0.90～0.95的功率因数来控制无功补偿设备投切，但是在配电线路(线路)重载，尤其是负载率[负载率＝(线路平均电流/线路安全电流限值)×100％]超过60％的时候，由于线路电流增大，线路的无功损耗随之剧增。再考虑到成本和施工的因素，并不是所有的负荷点都会安装无功补偿设备，而为了实现无功就地平衡，线路重载时，部分无功补偿点经过无功优化计算后的最佳功率因数可能会超前于1.0。因此，滞后0.90～0.95的功率因数难以满足要求。

采用本发明的方法，使功率因数控制区间着一定的弹性，但重载时功率因数要求往往会高于滞后0.95，因此与现有技术滞后0.90～0.95的控制方法相比，要投入更多的电容器。本发明的方法一方面有助于提高电容器的设备使用率，更好地实现无功就地平衡，降低配电网的有功损耗。另一方面，功率因数控制区间的弹性也可以减少无功补偿设备的频繁投切，提高无功补偿设备的使用寿命。

本实施例通过潮流计算得到在不同功率因数控制下10kV配电线路的有功损耗如表3，本发明的方法通过调整功率因数控制区间，在负荷重载时适当提高功率因数有助于节能降损。

表3不同功率因数控制下10kV配电线路的有功损耗单位：kW

如图3所示，在本实施例10kV配电线路上，通过不同负载率下的有功损耗曲线对比，上面的曲线代表滞后0.90～0.95的控制方法的效果，下面的曲线代表采用本发明的方法，适当提高功率因数的效果，可以看到，在负载率按照日负荷曲线变化时，重载情况下适当多投入电容器可以达到更明显的降损效果。

现有技术质量较好的自愈式电容器使用寿命一般为2年左右，采用本发明控制方法后，利用闭锁保护和动态整定，在同样的周期内电容器的动作次数可以减少30％～50％，无功补偿设备使用寿命可以提高80％～100％，达到三年～四年。同时10kV线路的有功损耗与现有技术相比可以降低15％以上。

本发明的方法通过日动作次数来判断优化对无功补偿设备的控制精度和设备的动作频繁程度，并且动态地调整功率因数控制区间的拓宽值来改变无功补偿设备对优化计算的响应能力，可以解决现有技术无功优化控制中的反复投切和优化效果不理想的问题，从而在避免设备频繁投切的情况下，进一步挖掘10kV线路的节能降损效果，实现无功优化控制。

本发明的方法在改善无功优化效果和减少设备操作次数之间寻求平衡的无功优化控制方法。根据运行和控制的需要，通过动态调整功率因数控制区间的宽度，来改变优化结果对无功补偿设备的控制精度，在避免设备频繁动作而闭锁或损坏的前提下，寻找可实现的最佳优化控制效果，动态调整无功补偿设备投切的响应程度，进而在避免设备频繁或反复投切的前提下，实现10kV配电线路的在线无功优化控制。

Claims (10)

1.一种基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，包括以下步骤：

一、收集配电线路的数据和元件的参数：

(1)10kV配电线路的单线图，

(2)10kV配电线路上各开关的实时开、闭状态，

(3)10kV配电线路各段的导线型号、长度和阻抗值，

(4)各配电变压器的型号、容量、空载损耗和短路阻抗，

(5)10kV配电线路首端所在变电站的10kV母线电压，

(6)各配电变压器低压侧的有功负荷和无功负荷，

(7)各配电变压器负荷点安装的无功补偿设备的容量和已投容量；

二、按每隔15分钟一次，配电线路各个配电变压器负荷点负荷侧的互感器采集各配电变压器的实时负荷数据，获得各无功补偿设备投入的补偿容量；变电站的主站通过无线通信方式获取配电线路各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿点的补偿容量；

三、主站根据获得的各配电变压器的实时负荷数据和各无功补偿点的补偿容量，计算得到各无功补偿点的计算有功功率和计算无功功率，再计算出各无功补偿点的最佳功率因数值；

四、以最佳功率因数值为中点，分别加减拓宽值0.03，形成功率因数控制区间，以此区间作为各个无功补偿点补偿容量的投切判据，主站将功率因数控制区间下发到各个无功补偿点的智能电容器；

五、各无功补偿点的智能电容器测得无功补偿点的实时功率因数值，将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，实时功率因数值落在包括两个端值在内的功率因数控制区间内，在00:00时刻，统计本配电线路各无功补偿点的日动作次数，若投切次数大于250，拓宽值增加0.004，但不大于0.05；若投切次数小于150，拓宽值减小0.004，但不小于0.01；然后智能电容器将日动作次数置零，返回步骤二。

2.根据权利要求1所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤五将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，实时功率因数值小于功率因数控制区间的下限值，智能电容器指令投入一组电容器，刚投入的电容器将闭锁不少于30分钟，闭锁时间内不响应退出操作，把日动作次数累加一次。

3.根据权利要求1所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤五将实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较，实时功率因数值大于功率因数控制区间的上限值，智能电容器指令退出一组电容器，刚退出的电容器将闭锁不少于30分钟，闭锁时间内不响应投入操作，把日动作次数累加一次。

4.根据权利要求2或3所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述日动作次数累加一次后，无功补偿点的智能电容器再将无功补偿点的实时功率因数值与功率因数控制区间进行比较、重复判断，逐组投入或退出电容器，直到实时功率因数位于功率因数控制区间内。

5.根据权利要求4所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤五实时功率因数值落在包括两个端值在内的功率因数控制区间内，00：00时之前或之后，则15分钟后返回步骤三。

6.根据权利要求5所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述00：00时为其前后30s以内。

7.根据权利要求6所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤五功率因数控制区间拓宽值在0.05以上，则智能电容器直接把日动作次数置零，返回步骤二。

8.根据权利要求7所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤五功率因数控制区间拓宽值在0.01以下，智能电容器直接把日动作次数置零，返回步骤二。

9.根据权利要求8所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤五日动作次数不大于日动作次数上限值，日动作次数不小于日动作次数下限值，智能电容器将日动作次数置零，返回步骤二。

10.根据权利要求1所述的基于功率因数区间动态整定的配电线路无功优化控制方法，其特征在于：所述步骤三计算得到各无功补偿点的计算有功功率和计算无功功率，采用潮流计算和无功优化计算。