２０１ １年１ １月 农机化研究 第１ １期 农村电网无功补偿与无功优化的探讨 赵万明，席建中 （西南石油大学电气信息学院，成都摘６１０５００） 要：合理的无功补偿对农村电网的降损节能具有重要意义。为此，分析了农网无功负荷的特点，阐述了农 网无功补偿的前提和原则；在此基础上，系统讨论了农网中各种无功补偿方式的优缺点和适用范围，并介绍了无 功优化的数学模型及其求解方法。 关键词：农村电网；无功负荷；无功补偿；无功优化 中图分类号：ＴＭ７２７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１１）１１—０２２１—０４ ０ 引言 农村电网是指县（含县级市）及县以下的电网，其 关，而后者则与电动机的负荷有关。异步电动机是农 网中无功功率的最主要的消耗者，约占农网总无功负 荷的６０％一８０％。此外，随着电冰箱、洗衣机、空调器 中包括城镇和农村等农业区域的电网。近年来农村 等低功率因数的家用电器大量进入农村家庭，家庭用 电消耗的无功功率也呈现出快速增长的趋势。 农网中存在大量的配电变压器，这些变压器的容 经济社会快速发展，特别是随着“家电下乡”等扩大内 需、启动农村消费的一系列措施的实施，农村电力需 求快速增长，相应地对无功功率的需求也在不断增 加；另一方面，农网处于电力系统的末端，无功电源先 天不足，使得农网中无功比较缺乏。在电网中，无功 量必须按农忙季节或防汛抗旱等要求进行配备。由 于农村负荷季节性强、峰谷悬殊，因此农网配变普遍 存在“大马拉小车”现象，长时间处于轻载运行状态， 消耗大量无功功率。配变消耗的无功功率也包括不 变的空载无功损耗和可变的漏磁无功损耗。其中，空 载无功损耗远大于漏磁无功损耗。配变也是农网中 无功功率的主要消耗者，约占农网总无功负荷的１５％ 一不足将导致电压下降、损耗增加、网络传输能力下降、 发电和供电设备的容量不能充分利用。虽然自１９９８ 年以来，国家大力实施农网建设与改造工程，显著改 善了农网的供电能力和电能质量，降低了网络损耗， 但目前在农网中仍然存在不同程度的无功补偿配置 不够合理、经济的问题，农网综合电压合格率和综合 线损率等指标还需进一步改善。因此，在新一轮农网 ３５％。输配电线路也消耗一定的无功功率，并随负 由此可见，农网的无功负荷主要由两部分组成， 荷大小而变，但所占比例相对较小，低于５％。 即配变的空载无功损耗和用电设备的无功功率。配 变的空载无功损耗是农网无功负荷的基荷，用电设备 的无功功率是峰荷，农网无功负荷波动的主要原因是 用电设备的投入和退出运行。随着农网的不断改造， 大量高能耗变压器被更换为节能型变压器，配变空载 改造升级工程开始实施之际，讨论农网无功补偿与无 功优化具有重要的现实意义。 １ 农村电网无功负荷的分析 农网中的无功负荷主要有３种：用电设备、配电 变压器和输配电线路¨Ｊ。 用电设备中最主要的是异步电动机，绝大多数农 网机械和乡镇企业的动力设备都是异步电动机，它们 工作时不仅需要大量的有功功率，还要有足够的无功 功率。异步电动机消耗的无功功率包括空载无功损 耗和漏磁无功损耗，前者与电动机的负荷基本无 收稿日期：２０１１一Ｏ１—１６ 无功在总无功中所占的比例逐渐减少，而用电设备的 无功比例则逐渐增加，无功负荷的重心进一步后移。 因此，农网无功负荷的重点是在低压侧的用电设备 上，进行无功补偿的重点也应该放在低压侧或用电设 备Ｅ。 ２农村电网无功补偿的前提 在进行无功补偿前，必须先提高农网的自然功率 因数，以降低负荷对无功功率的需求。 基金项目：四川省高校重点实验室科技基金项目（ＳＺＳ２０１Ｏ０１ １） 作者简介：赵万明（１９７３一），男，四川南充人，副教授，硕士，（Ｅ—ｍａｉｌ） ｚｈａｏｗｍ＠１２６．ｃｏｒｎ。 由于农网的无功功率主要消耗在用电设备和配 ・２２１・ ２０１ １年ｌ１月 农机化研究 第１ １期 变上，因此提高农网的自然功率因数也就是要改善用 电设备和配变的自然功率因数。具体来讲，可采取下 列措施： 动机容量较小，电容器可以和电动机直接并联；如果 电动机容量较大，一般超过１０ｋＷ，可用电动机无功就 地补偿器来补偿。 随机补偿方式接线简单，便于维护管理。农网无 功负荷的波动，主要是由于电动机的投入和退出运行 １）用节能型变压器代替高能耗变压器，可使配变 的自然功率因数得以提高。配变应选用Ｓ９及其以上 系列变压器，有条件的地区也可选用节能效果更好的 非晶合金变压器。 ２）配变大多数时间在轻载情况下运行，这也造成 引起的，采用随机补偿可以从根本上消除或减少农网 无功负荷的波动，降损效益最高，并可以简化上级补 偿方式。但是，当电动机年运行小时数较少时，补偿 电容器的利用率较低。一般地，电动机的年运行小时 数大于１ ０００ｈ，宜选用随机补偿。 为防止电动机退出运行时产生自激过电压，随机 补偿容量一般不应大于电动机的空载无功损耗，通常 推荐 Ｑ ＝（０．９５—０．９８）√３ ，０ （１） 自然功率因数低，调整变压器与用电设备的容量比， 也能提高配变的自然功率因数。但是，农村负荷季节 性强、峰谷悬殊，普通配变往往难以避免轻载运行，因 此有条件的地区可选用有载自动调容变压器。有载 自动调容变压器是一种具有大小两种额定容量、且两 种额定容量运行方式可以自动转换的配电变压器，它 可以自动检测及判断用户负荷大小，并通过有载调容 开关，可在变压器不断电的状态下，对上述两种容量 进行自动切换，特别适合用于农网。 其中，Ｑ 为补偿电容器容量；ｕ 为额定电压；／ｏ为 电动机空载电流。 ４．２随器补偿 ３）合理选择电动机的容量，使其在尽量接近最佳 负荷率下运行；在条件许可的情况下，可在某些设备 上用同步电动机代替异步电动机；在某些使用绕线型 异步电动机的场合，可将异步电动机同步化，即在转 子绕组中通以直流励磁，将其改为同步电动机运行。 随器补偿是将补偿电容器通过低压熔断器并联 在配电变压器二次侧，以补偿配变的空载无功损耗， 适用于综合用户配电变压器。 农网配电变压器，尤其是综合用户配电变压器， 普遍存在轻载现象，在负荷低谷时接近空载。配变在 轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载无功 损耗。采用随器补偿可以有效补偿配变的空载无功 损耗，使该部分无功就地平衡，从而提高配变容量的 利用率，限制农网无功基荷，降低无功网损。 ４）采用技术措施降低轻载设备的外加电压（如将 三角形接线的电动机改为星形接线），切断空载设备 电源。 ３农村电网无功补偿的原则 在尽量提高农网自然功率因数的基础上，再进行 无功补偿。根据农网中无功负荷的特点，无功补偿应 由于随器补偿属于固定补偿，因此只能补偿配变 的空载无功损耗Ｑ。，如果补偿容量Ｑ。大于Ｑ。，则在配 变接近空载时形成过补偿，而且在此条件下，当配变 非全相运行时，容易发生铁磁谐振，损坏电容器和变 压器。通常推荐 Ｑ ＝（ｏ．９５～ｏ．９８）Ｑ。 （２） 遵循的总原则是：“全面规划，合理布局，分级补偿，就 地平衡”。具体来讲，要满足以下几点要求：总体平衡 与局部平衡相结合，既要满足整个县级电网的无功功 率平衡，又要同时满足各个分站、分线的无功功率平 ４．３低压集中补偿 衡；电力部门补偿与用户补偿相结合，以用户端补偿 为主；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主； 高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压 与降损相结合，以降损为主。 低压集中补偿是将补偿电容器并联在大用户的 ｏ．４ｋＶ母线上，适用于１００ｋＶＡ及以上专用配电变压 器用户，其主要目的是提高专用配变用户的功率因 数，实现无功就地平衡。 低压集中补偿用电容器可分为固定连接组和可 投切连接组：前者起到相当于随器补偿的作用，补偿 用户自身的无功基荷；后者用于补偿无功峰荷。可投 切连接组的投切方式分为手动和自动，采用自动投切 ４农村电网无功补偿的方式 根据农网中无功负荷的特点和无功补偿的原则， 农网无功补偿主要采用以下几种方式－２Ｉ４ Ｊ。 ４．１ 随机补偿 方式，可根据用户负荷水平的波动自动投入相应数量 的电容器进行跟踪补偿，因此低压集中补偿又称为跟 踪补偿。 随机补偿是将补偿电容器与异步电动机直接并 联，通过控制、保护装置与电动机同时投切。如果电 ・２２２・ ２０１ １年１ １月 农机化研究 第１ １期 对于较大的乡镇企业用户，考虑到多台电动机投 运的不同时性和单台电动机补偿容量的限制等因素， 采用低压集中补偿比随机、随器补偿能获得更好的补 说，任何一种单一的补偿方式都不能达到理想的效 果，只有综合采用多种补偿方式，才能最大程度地限 制无功功率在网络上的传输、交换，实现无功的就地 平衡，获得良好的补偿效果和经济效益 。 偿效果，而且不需提高补偿度，并可适当调整各组电 容器的运行时间，使其寿命相对延长。 ４．４线路补偿 ５农村电网的无功优化 农网的无功优化是指合理选择无功补偿位置和 线路补偿是将补偿电容器分散安装在ｌＯｋＶ线路 的杆塔上，适用于供电距离远、负荷重且功率因数低 的线路。其主要目的是提供线路和综合用户配变所 需的无功功率，减少无功电流在线路上的流动，提高 线路末端电压。 补偿容量，以实现技术经济性能的综合最优化。 ５．１ 无功优化的数学模型 无功优化的数学模型包括目标函数和约束方程 两个方面。 在农网中，综合用户比较多，由于没有实行功率 因数考核的综合用户大多没有进行低压补偿，所以无 功缺额比较大，需要由变电站或发电厂来提供。大量 的无功功率沿线传输使得配电网的网损较大、用户端 的电压偏低。因此，在这种情况下，采用线路补偿可 以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。 线路补偿可分为单点补偿和多点补偿、固定补偿 无功优化的目标函数可以是无功补偿容量最小、 电网有功损耗最小、电压质量最好、变压器分接开关 和电容器投切次数最少等，综合考虑上述指标，可得 目标函数表达式为 ｍｉｎ Ｆ＝∑ｗＺ（“， ） （３） 其中 为第ｉ项函数指标， 为第ｉ项函数指标的 和可投切补偿。理论分析表明，多点补偿和可投切补 偿往往具有更好的补偿效果。但是，由于线路补偿的 电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成 权值；／２，为控制变量（如发电机及无功补偿设备的无功 出力、可调变压器的变比）； 为状态变量（如除平衡节 点外，其它所有节点的电压相角；所有节点的电压幅值 等）。 无功优化的约束方程为 ｇ（ ， ）＝０ 本高、维护工作量大等问题，因此在实际应用中一般 采用单点补偿和固定补偿，不设分组投切。固定补偿 方式输出的无功功率是一定的，为避免在线路轻载时 产生过电压或过补偿的现象，所以只能补偿线路无功 负荷的基荷部分。 ４．５变电站集中补偿 变电站集中补偿是在３５～１ｌＯｋＶ变电站的低压 侧母线上并联无功补偿装置，其主要目的是减少变电 Ｑｃ ｉ ≤ＱＧ≤ＱＧ Ｑｃ ｉ ≤Ｑｃ≤Ｑｃ ｕ ｉ ≤ｕ≤ｕ ≤ ≤ （４） 其中，ｇ（“， ）为潮流等式约束；Ｑ。为发电机无功 站高压侧输电线路传输的无功功率，降低高压输电网 络的损耗并提高母线电压水平。 变电站集中补偿装置包括并联电容器和静止补 偿器等。为了实现对无功功率的快速动态补偿，可以 出力；Ｑ 为无功补偿设备出力；ｕ为母线电压幅值；Ｔ 为可调变压器变比；带下标ｍａｘ和ｍｉｎ的量分别为这 些量的上、下限。 ５．２无功优化的求解方法 采用静止补偿器，但投资较大。如果选择并联电容 器，则应采用自动投切无功补偿装置，使其能够根据 无功负荷的大小相应投切电容器组。 在下级补偿完善的情况下，变电站集中补偿仅需 补偿主变压器自身所需的无功功率，以不超过变压器 容量的１５％为宜。而在下级补偿不够完善的情况下， 变电站集中补偿还需补偿供电区域内的无功缺额，以 无功优化的求解方法主要分两大类：一类是数学 规划方法，包括线性规划、非线性规划、混合整数规 划、内点法、动态规划法等；另一类是人工智能方法， 包括人工神经网络、遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜 索算法等 。 数学规划方法是从某个初始点出发，按照一定的 轨迹不断改进当前解，最终收敛于最优解。这类方法 具有数学的严密性、确定性、精确性，计算迅速，收敛 可靠，但是存在以下问题：①要求函数连续和可微；② 要求解空间是凸的，否则结果容易陷入局部最优解； ③在处理可调变压器变比、可投切电容器组这样的离 保证总受电端功率因数达到考核标准；但这种补偿不 能减少配电网的无功损耗，因为用户需要的无功仍要 通过变电站低压侧的配电线路向负荷端输送。 上述几种补偿方式各有其侧重点，对于农网来 ２０１１年１ １月 散变量时存在困难。 农机化研究 第１ １期 农网的无功补偿是一项比较复杂的系统工程，为了达 人工智能方法是从一个初始解群体开始，按照概 率转移原则，采用某种方式自适应地搜索最优解。这 类方法的特点是随机搜索，具有很强的全局寻优能 力，并可自然地处理离散变量，在解决多变量、非线 性、不连续、多约束的问题时显示出独特的优势，弥补 到满意的效果，应当针对具体问题进行分析，综合采 用多种无功补偿方式，同时建立相应的数学模型并求 解，从而确定出最佳的补偿位置和补偿容量。 参考文献： ［１］杨勇．农村电网无功补偿分析［Ｊ］．农机化研究，２００４（３）： ９４—９７． 了数学规划方法的不足。但是，人工智能方法也有其 明显的缺陷，即解的随机性较大，搜索到最优解需要 大量的计算，收敛速度慢，容易产生早熟从而非全局 收敛等问题。 ［２］孙成宝．农村电网无功补偿方式的研究［Ｊ］．电网技术， １９９４，１８（５）：５４－５８． ［３］苑舜，韩水．配电网无功优化及无功补偿装置［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２００３． 数学规划方法和人工智能方法各有其特点，二者 并无优劣之分，合适的方法就是好方法。因此，在实 际应用中要根据问题的特点选用相应的方法进行无 功优化。 ［４］倪建立，马放瑞，毕鹏翔．农村电网节能降损与自动化实 用技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８． ［５］ 吕艳萍，童素琼．农村电网的无功补偿方式及其容量选择 ［Ｊ］．中国农村水利水电，１９９９（７）：３１—３２． ６ 结论 本文在分析农村电网无功负荷的基础上，对农网 的各种无功补偿方式及其特点进行了系统的讨论，并 ［６］耿光飞，杨仁刚．地区电网无功优化研究［Ｊ］．中国农业大 学学报，２００４，９（５）：５５—５８． ［７］严雪萍，成立，韩庆福，等．改进型遗传算法在农网无功优 化中的应用［Ｊ］．农机化研究，２００７（７）：２０４—２０７． 阐述了无功优化的数学模型和求解方法。总的来说， Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｕｒａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｚｈａｏ Ｗａｎｍｉｎｇ，Ｘｉ Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６ １ ０５００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｓａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｆｏｒ ｒｕｒａｌ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｌｏａｄｓ ｉｎ ｒｕｒａｌ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｂｏｖｅ，ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉ— ｍｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｕｒａｌ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｌｏａｄｓ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
