兖矿电网无功优化探讨

庄苏惠，刘英南

(山东华聚能源股份有限公司，山东济宁  273500)

    一个耗能较大的企业会有一个或几个区域性电网经一至几条高压线路为它输送电能，再输送到分布在十几平方公里的各种用电设备上，这样就形成了企业电网。此外还有一些热电联产的自备电厂也接人了企业电网，形成了发、供、配一体的小型电力系统，兖矿电网便是这样一种电网，它有如下特点：

    (1)自备电厂为小型综合利用火力发电厂(燃烧煤泥或煤矸石)，装机容量从6MW至15MW不等，小电厂以系统电网为依托。

    (2)兖矿电网属于典型的配电网电压等级，由系统220kV变电所供电，经过110kV、35kV、6kV供给本企业的生产及生活用电。为了保证用电的安全可靠性，尤其是煤矿井下供电和其它一些一类负荷，均为双电源供电。

    (3)兖矿电网的大多数负荷均是一、二类负荷，因此对供电的安全可靠性和电能质量(电压、频率、功率因数)都有很高的要求，要求网架结构强劲有力。

    (4)兖矿电网的电源距供电负荷的距离都较短(供电半径较小)，输电线路的损耗较小，维护比较方便，但给继电保护上下级配合带来了一定的困难。

    一般来说企业电网的网损率都是比较高的，因此无功优化是增强企业供电安全经济运行的一个课题。

1   无功优化的分析基础

    无功优化的分析建立在潮流计算基础之上，电压／无功优化问题有如下特点：

    (1)离散性：通过用离散变量来表示在何处安装无功补偿设备，表示变压器分接头的位置，电容器组和电抗器组数等。

    (2)非线性：在数学模型中，为了满足功率平衡，约束条件中包含潮流计算方程，而潮流计算方程就是典型的非线性方程。

表1  罗厂区无功电力平衡表  (单位：MVar)

    (3)大规模：越是电压等级低的网络，其节点数往往越多，网络就越复杂。

    (4)收敛性依赖于初始值：电压／无功优化的数学模型中要考虑潮流方程作为等式约束，电力系统无功优化问题约束大部分为非线性的，引入离散变量后，难以保证连续可微的要求，因此其收敛性要依赖于初值。

    目前采用的一种新型算法Box优化算法，即复合型法，它是基于非线性规划中单纯形法的一种直接搜索算法，通过复合型的反射与收缩来寻求最优解。Box优化算法不要求目标函数和控制变量为显示的函数关系，也不需要复杂的灵敏度计算，并有可能搜索到全局最优解。

2   兖矿电网无功优化计算实例

    综合兖矿电网的特点，针对电网所存在的问题，以优化有功及无功电源分布；增强网架结构；提高电压水平及系统供电可靠性；降低企业电网损耗；提高兖矿电网自动化水平为目标，来进行兖矿电网无功优化的计算。

2．1  罗厂供电区模型的建立

    东滩热电厂主要向东滩煤矿、铁东变电所和西关变电所供电，同时作为碳素厂的备用电源；鲍店热电厂主要向鲍店煤矿供电；南屯热电厂主要向南屯煤矿及碳素厂供电，同时作为北宿矿的备用电源。罗厂35kV变电所是罗厂区的枢纽变电所，对罗厂区供电网来说，罗厂变电所被看作一个电压、频率恒定的无穷大电源。所建立的模型主要有：(1)母线数据；(2)交流线路数据；(3)并联电容器数据；(4)变压器数据；

(5)发电机数据；(6)负荷数据。

2．2  基于Box算法的无功优化概念

    无功优化配置数学模型的目标是，在满足电力系统无功负荷需求和电压水平要求的前提下，通过充分发挥现有的各种调压措施的作用，寻找合理的无功补偿点和最佳补偿容量，使经济总支出为最省。无功优化配置数学模型考虑了下述约束：

    (1)控制变量约束；(2)节点负荷约束，即功率平衡约束；(3)安全约束，包括发电机无功出力、负荷节点电压和支路输送功率限制；(4)其他约束，例如无功备用容量约束等。

    为了避免陷于局部最小点，每次搜索后保留该次的最优结果，再以该次的最优结果作为初始点，进行展开，去构成新的复合形，反复迭代，有可能利用顶点分布的随机性跳出局部最优点，最终找到原问题的全局最优解。

2．3  罗厂区近期无功电力平衡分析

    罗厂区35kv电网目前的主要无功电源为发电机和并联电容补偿器，从最大运行方式的潮流计算结果，以及近期无功电力平衡表来分析(表1)，罗厂区还存在较大的无功缺额，为了保证区内的电压水平，区内有功上网的同时还需要从网上吸收大量的无功。

3   结论

    对兖矿电网尤其是罗厂区现有电网结构进行了全面的潮流分析(包括有功和无功)及无功／电压优化计算，在某些运行方式下出现的一些变电所6kV母线电压越上限的情况，有些可以通过变电所内部的电容投切来解决；有些可以通过相应的变压器有载调压解决。而无功优化的目的就是从全电网角度进行无功电压优化控制，实现无功补偿设备投入合理和无功分层就地平衡与稳定电压，实现主变分接开关调节次数最少和电压合格率最高，实现输电网损耗率最小，进一步提高电网调度自动化水平。此种方式的无功电压优化控制将代表着我国今后供电网络无功／电压优化控制方式的方向，具有巨大的经济效益和社会效益。