4,基于多种主动管理策略的配电网综合无功优化
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邢海军 1，程浩忠 1，张逸 2
（1．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市 闵行区 200240； 2．福建省电力科学研究院，福建省 福州市 350007）
Reactive Power Comprehensive Optimization in Distribution Network Based on Multiple Active Management Schemes
0 引言
配电网无功优化是在满足网络约束的前提下， 通过调节各种无功补偿设备和其他可以改变系统 无功潮流的手段，确定未来某一时刻或者某一时段 内配电网设备的运行状态，从而保证整个系统运行 的安全性、经济性及稳定性。传统配电网的无功优 化方法包括电容器无功补偿、变压器有载调压。 电容器无功补偿包括变电站和环网柜等集中 补偿、配电线路分散补偿(即杆上电容器)、用户终 端分散随机补偿。理想的电容器不消耗电能。作为 能量传递的媒介，电容器无功补偿可以避免无功在 配电系统中的大容量传输，因此合理的电容器无功 补偿可以降低电源、变压器的功率损失，提高系统 功率因数，降低线路损耗，减少系统发电费用。变 压器有载调压是通过改变变压器分接头位置来调 节变压器输出电压，其作用是调节无功在变压器一 次侧与二次侧之间的传输，并不能改变系统总的无 功容量。当系统无功功率缺额较大时，为保持受端 电压水平，有载调压变压器动作会使受端电压暂时 上升，将系统无功功率缺额全部转嫁到一次侧，使 其电压下降，甚至可能引发系统电压崩溃。所以变 压器有载调压一般应用在无功容量充足的系统中。 早期配电网无功优化研究主要集中在无功优 化算法研究方面，即研究速度快，收敛性、稳定性 高的算法。包括遗传算法[1-2]、粒子群算法[3]、免疫 算法[4]、Tabu 搜索算法[5]、差分进化算法[6-7]等。
generation，DG)和电容器投切等无功补偿策略。主 动配电网无功优化由于有智能量测仪器、先进的信 息通信、控制技术作为基础，能够实现传统配电网 无功优化无法实现的效果。 以专线接入的大用户或冲击负荷为例：当负荷 突然投入或退出时，电压会大幅波动，电压波动可 以由公式(1)表示：
1 Pcj U K ufh f Sd 2 Sd Qcj
XING Haijun1, CHENG Haozhong1, ZHANG Yi2
(1．Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion(Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007, Fujian Province, China) ABSTRACT: A comprehensive reactive power optimization model considering multiple active management strategies and priorities is proposed, which includes reactive power compensation with capacitor; tap adjusting with on-load tap changing transformer, reactive power dispatching with distributed generation and distribution network reconfiguration. The priorities of reactive power optimization strategies are included in the model, with the analysis of the negative effects to the system; the model also takes the power loss of transformers into account in order to make it more practical. Numerical simulation results on the IEEE 33 test system have showed that the model proposed which has taken multiple active management strategies and the negative effects to the system into account is effective and can obtain a more reasonable reactive power optimization scheme. Furthermore, the active power loss and the voltage quality can be greatly ameliorated. KEY WORDS: active distribution network; active 统无功优化方案有大幅改善。 关键词：主动配电网；主动管理；差分进化算法；无功优化 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.06.006
基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划) (2014AA051901)； 国家自然科学基金 (51261130473)。 Project Supported by National High Technology Research and Development Program (863 Program) (2014AA051901) and National Natural Science Foundation of China (51261130473).
邢海军等：基于多种主动管理策略的配电网综合无功优化
Vol. 39 No. 6
式中：Ploss 为网络损耗；Ui 是节点 i 的电压幅值； Ui,0 为节点 i 的理想电压幅值； ∆Ui,max 为节点 i 的最 大允许电压偏差。约束条件除了常规的功率平衡约 束、节点电压约束和支路潮流约束外，还包括： 1）电容器分组投切约束：
management; differential evolution algorithm; reactive power optimization 摘要： 建立了主动配电网综合无功优化模型， 该模型基于主 动配电网中各种主动管理措施和优化策略， 包括电容器无功 补偿、变压器有载调压、分布式电源无功调节、配电网络重 构。 通过分析无功优化策略对配电网的负面效应， 在模型中 加入了无功优化策略之间的优先次序， 同时还加入了变压器 损耗，使优化模型更具实际意义。通过改进的 IEEE 33 节点 系统仿真对模型进行了验证， 结果表明： 应用考虑各种主动 管理策略及其对配电网负面效应的综合无功优化模型可以 得到更加合理的无功优化方案， 并且网损和电压质量都较传
min f1 Ploss
U U i ,0 min f 2 i U i ,max
2
1 主动配电网无功优化
ADN 的核心是主动管理(active management， AM)，AM 措施包括：分布式能源有功/无功调度、 电容器分组无功补偿、有载调压变压器(on-load tap changer ， OLTC) 分接头调整、可控负荷 ( 需求侧响 应)、电压调节器(voltage regulator，VR)、网络重构 等。在主动配电网配电管理系统和信息通信系统等 自动化软硬件的帮助下，AM 对于配电网无功优化 将起到积极的作用
第 39 卷 第 6 期 2015 年 6 月 文章编号：1000-3673（2015）06-1504-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 39 No. 6 Jun. 2015 学科代码：470·4051
基于多种主动管理策略的配电网综合无功优化
[11-14]
。
目前，针对主动配电网无功优化问题的研究较 少， 文献[15-16]涉及到配电网的综合优化： 文献[15] 的综合无功优化中以网损最小为目标，研究了配电 网重构及电容器投切对无功优化的影响；文献[16] 以控制电压为目标，研究了分布式电源(distributed
(2) (3)
1506
2
(1)
式中：Qcj 为冲击负荷或专线接入的大用户无功负 荷；Pcj 为冲击负荷或专线接入的大用户有功负荷； Sd 为冲击负荷或专线接入的大用户母线短路容量； Kufh 为负荷电压的频率效应系数；∆f 为冲击负荷或 专线接入的大用户突然投入时引起的频率降低。 当冲击负荷或专线接入的大用户突然投入时， 为有效抑制电压波动，需使用能够快速响应的动态 无功补偿设备，如静止无功补偿器。若采用本文提 出的综合无功优化模型，不仅可以节省大用户侧的 无功设备投资费用，而且能够实现快速补偿。 一些负荷变动比较大的配电系统中，在传统无 功补偿情况下，系统轻载或空载时希望并联电容器 退出，满载或重载时希望并联电容器投入。这必将 导致并联电容器的频繁动作，影响并联电容器的寿 命，严重时将对并联电容器的绝缘造成损害。而主 动配电网无功优化可以权衡各种优化策略，从而避 免电容器的频繁投切。 负荷变动比较大的配电系统同样可能造成变 压器分接头的过度调节，引起一、二次系统之间无 功的不合理交换，在一次系统没有足够的无功容量 支撑的情况下，造成一次系统电压过低，严重时导 致系统电压崩溃。主动配电网无功优化由于实时性 高，能够检测系统无功缺额从而合理地使用有载调 压变压器进行无功优化，同时权衡各种优化策略， 防止变压器分接头的过度调节和一、二次系统之间 的不合理无功交换。 1.1 传统配电网无功优化模型 传统配电网无功优化是在满足网络约束的前 提下，通过无功补偿设备、变压器分接头调节来实 现系统有功网损最小、系统电压质量最优或系统总 的运行费用最省等目标。以网损最小和电压质量最 优为目标的优化函数如下[17]：
（1．电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市 闵行区 200240； 2．福建省电力科学研究院，福建省 福州市 350007）
Reactive Power Comprehensive Optimization in Distribution Network Based on Multiple Active Management Schemes
0 引言
配电网无功优化是在满足网络约束的前提下， 通过调节各种无功补偿设备和其他可以改变系统 无功潮流的手段，确定未来某一时刻或者某一时段 内配电网设备的运行状态，从而保证整个系统运行 的安全性、经济性及稳定性。传统配电网的无功优 化方法包括电容器无功补偿、变压器有载调压。 电容器无功补偿包括变电站和环网柜等集中 补偿、配电线路分散补偿(即杆上电容器)、用户终 端分散随机补偿。理想的电容器不消耗电能。作为 能量传递的媒介，电容器无功补偿可以避免无功在 配电系统中的大容量传输，因此合理的电容器无功 补偿可以降低电源、变压器的功率损失，提高系统 功率因数，降低线路损耗，减少系统发电费用。变 压器有载调压是通过改变变压器分接头位置来调 节变压器输出电压，其作用是调节无功在变压器一 次侧与二次侧之间的传输，并不能改变系统总的无 功容量。当系统无功功率缺额较大时，为保持受端 电压水平，有载调压变压器动作会使受端电压暂时 上升，将系统无功功率缺额全部转嫁到一次侧，使 其电压下降，甚至可能引发系统电压崩溃。所以变 压器有载调压一般应用在无功容量充足的系统中。 早期配电网无功优化研究主要集中在无功优 化算法研究方面，即研究速度快，收敛性、稳定性 高的算法。包括遗传算法[1-2]、粒子群算法[3]、免疫 算法[4]、Tabu 搜索算法[5]、差分进化算法[6-7]等。
generation，DG)和电容器投切等无功补偿策略。主 动配电网无功优化由于有智能量测仪器、先进的信 息通信、控制技术作为基础，能够实现传统配电网 无功优化无法实现的效果。 以专线接入的大用户或冲击负荷为例：当负荷 突然投入或退出时，电压会大幅波动，电压波动可 以由公式(1)表示：
1 Pcj U K ufh f Sd 2 Sd Qcj
XING Haijun1, CHENG Haozhong1, ZHANG Yi2
(1．Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion(Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007, Fujian Province, China) ABSTRACT: A comprehensive reactive power optimization model considering multiple active management strategies and priorities is proposed, which includes reactive power compensation with capacitor; tap adjusting with on-load tap changing transformer, reactive power dispatching with distributed generation and distribution network reconfiguration. The priorities of reactive power optimization strategies are included in the model, with the analysis of the negative effects to the system; the model also takes the power loss of transformers into account in order to make it more practical. Numerical simulation results on the IEEE 33 test system have showed that the model proposed which has taken multiple active management strategies and the negative effects to the system into account is effective and can obtain a more reasonable reactive power optimization scheme. Furthermore, the active power loss and the voltage quality can be greatly ameliorated. KEY WORDS: active distribution network; active 统无功优化方案有大幅改善。 关键词：主动配电网；主动管理；差分进化算法；无功优化 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.06.006
基金项目：国家高技术研究发展计划(863 计划) (2014AA051901)； 国家自然科学基金 (51261130473)。 Project Supported by National High Technology Research and Development Program (863 Program) (2014AA051901) and National Natural Science Foundation of China (51261130473).
邢海军等：基于多种主动管理策略的配电网综合无功优化
Vol. 39 No. 6
式中：Ploss 为网络损耗；Ui 是节点 i 的电压幅值； Ui,0 为节点 i 的理想电压幅值； ∆Ui,max 为节点 i 的最 大允许电压偏差。约束条件除了常规的功率平衡约 束、节点电压约束和支路潮流约束外，还包括： 1）电容器分组投切约束：
management; differential evolution algorithm; reactive power optimization 摘要： 建立了主动配电网综合无功优化模型， 该模型基于主 动配电网中各种主动管理措施和优化策略， 包括电容器无功 补偿、变压器有载调压、分布式电源无功调节、配电网络重 构。 通过分析无功优化策略对配电网的负面效应， 在模型中 加入了无功优化策略之间的优先次序， 同时还加入了变压器 损耗，使优化模型更具实际意义。通过改进的 IEEE 33 节点 系统仿真对模型进行了验证， 结果表明： 应用考虑各种主动 管理策略及其对配电网负面效应的综合无功优化模型可以 得到更加合理的无功优化方案， 并且网损和电压质量都较传
min f1 Ploss
U U i ,0 min f 2 i U i ,max
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1 主动配电网无功优化
ADN 的核心是主动管理(active management， AM)，AM 措施包括：分布式能源有功/无功调度、 电容器分组无功补偿、有载调压变压器(on-load tap changer ， OLTC) 分接头调整、可控负荷 ( 需求侧响 应)、电压调节器(voltage regulator，VR)、网络重构 等。在主动配电网配电管理系统和信息通信系统等 自动化软硬件的帮助下，AM 对于配电网无功优化 将起到积极的作用
第 39 卷 第 6 期 2015 年 6 月 文章编号：1000-3673（2015）06-1504-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 39 No. 6 Jun. 2015 学科代码：470·4051
基于多种主动管理策略的配电网综合无功优化
[11-14]
。
目前，针对主动配电网无功优化问题的研究较 少， 文献[15-16]涉及到配电网的综合优化： 文献[15] 的综合无功优化中以网损最小为目标，研究了配电 网重构及电容器投切对无功优化的影响；文献[16] 以控制电压为目标，研究了分布式电源(distributed
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(1)
式中：Qcj 为冲击负荷或专线接入的大用户无功负 荷；Pcj 为冲击负荷或专线接入的大用户有功负荷； Sd 为冲击负荷或专线接入的大用户母线短路容量； Kufh 为负荷电压的频率效应系数；∆f 为冲击负荷或 专线接入的大用户突然投入时引起的频率降低。 当冲击负荷或专线接入的大用户突然投入时， 为有效抑制电压波动，需使用能够快速响应的动态 无功补偿设备，如静止无功补偿器。若采用本文提 出的综合无功优化模型，不仅可以节省大用户侧的 无功设备投资费用，而且能够实现快速补偿。 一些负荷变动比较大的配电系统中，在传统无 功补偿情况下，系统轻载或空载时希望并联电容器 退出，满载或重载时希望并联电容器投入。这必将 导致并联电容器的频繁动作，影响并联电容器的寿 命，严重时将对并联电容器的绝缘造成损害。而主 动配电网无功优化可以权衡各种优化策略，从而避 免电容器的频繁投切。 负荷变动比较大的配电系统同样可能造成变 压器分接头的过度调节，引起一、二次系统之间无 功的不合理交换，在一次系统没有足够的无功容量 支撑的情况下，造成一次系统电压过低，严重时导 致系统电压崩溃。主动配电网无功优化由于实时性 高，能够检测系统无功缺额从而合理地使用有载调 压变压器进行无功优化，同时权衡各种优化策略， 防止变压器分接头的过度调节和一、二次系统之间 的不合理无功交换。 1.1 传统配电网无功优化模型 传统配电网无功优化是在满足网络约束的前 提下，通过无功补偿设备、变压器分接头调节来实 现系统有功网损最小、系统电压质量最优或系统总 的运行费用最省等目标。以网损最小和电压质量最 优为目标的优化函数如下[17]：
