考虑设备响应速度的10kV配电线路综合无功配置方法与流程

本发明涉及配电线路综合无功配置技术，具体涉及10kV配电线路根据下送无功变化率来分别确定动静态无功补偿装置容量的综合无功配置方法。

背景技术：

过去几十年里，我国电网发展更侧重于输电网络的发展，配电网络的发展则相对滞后，大多数配电网都是放射状，网架薄弱，尤其在农村地区，配电线路大多线路长，线径小，从而导致线路末端电压严重下降，电能质量差，网络损耗高。随着人们对高质量电能的需求日益提高，电网公司近年来也加大了对配电网的投入，在此形势下，10kV配电线路作为连接电网与用户的枢纽，有必要引入无功补偿装置，以保证配电线路的电能质量。

然而，目前许多地区的无功补偿配置都是依据运行人员的经验，按照配变总容量的20％～40％进行配置，这种一刀切的做法不能根据10kV配电线路的实际情况灵活配置所需的无功补偿装置，对于轻载的10kV配电线路，将造成无功补偿装置利用率低，资金浪费，而对于重载的10kV配电线路，则不能满足线路对无功补偿的需求，无功补偿效果不佳，甚至不合理的无功分布将造成线路损耗进一步增加。根据线路的具体情况选择所需的无功配置容量，是提高10kV配电线路电能质量的必然要求。

并且，由于我国10kV配电线路常用的无功补偿装置为电容器，作为一种静态无功补偿装置，电容器投切响应速度慢，分组投切的方式使电容器很难响应10kV配电线路快速无功调节的需求，另外，在无功功率快速变化的10kV配电线路里，当电容器的投切次数达到每天允许的上限时，电容器将闭锁，不再响应后续的无功调节要求，造成线路没有无功可调的困境，使线路电压状况进一步恶化。因此，引入响应速度更快更灵活的动态无功补偿装置与电容器相配合，实现10kV配电线路无功补偿也是目前的迫切要求。

DSTATCOM是动态无功补偿装置的代表，能实现容性到感性无功功率的连续平滑调节，限制谐波，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，并且其相应速度快，随着近年来DSTATCOM的成本逐步降低，在10kV配电线路中配置DSTATCOM与电容器共同应对线路的无功补偿需求，有着广阔的应用前景。但目前无功补偿的配置方式难以针对10kV配电线路的具体情况来满足线路的无功补偿需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种实现就地平衡对象线路的无功功率，具有很强的实用性与简捷性的考虑设备响应速度的10kV配电线路综合无功配置方法。

本发明考虑设备响应速度的10kV配电线路综合无功配置方法是考虑设备响应速度的10kV配电线路动静态无功配置方法，由线路的历史无功曲线计算下送无功变化率，并将无功变化率分类为快速变化与缓慢变化，根据快速变化的无功功率计算动态无功补偿装置DSTATCOM的配置容量，由缓慢变化的无功功率计算电容器的配置容量，由此获得10kV配电线路动静态无功配置方法，实现无功分层分区就地平衡。也就是说，本发明提出的一种考虑设备响应速度的10kV配电线路动静态无功配置方法，可以根据10kV配电线路对无功功率变化的快慢，判断10kV配电线路对动静态无功补偿装置的需求，从而得到10kV配电线路动静态无功配置方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

考虑设备响应速度的10kV配电线路综合无功配置方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将对象线路过去一年负荷最重的一天作为典型日，选取该典型日的线路首端下送无功功率曲线作为变电站10kV侧对象线路的历史无功曲线；

(2)在历史无功曲线上每15分钟取一个采样点i，计算每一个采样点i的无功功率变化率k_i，并由无功功率变化率k_i的大小把采样点i的无功功率变化水平归类分属为缓慢变化或快速变化；

(3)按照采样顺序，将缓慢变化的采样点无功功率变化量依次编号为[A₁，A₂，…A_i]，将快速变化采样点无功功率变化量依次编号为[B₁，B₂，…B_j]，其中i+j＝N，N为总采样数，N＝96；

(4)分别计算缓慢及快速的无功功率累积变化量序列{a_n}及{b_n}，并求得采样时间内，缓慢变化的最大无功功率累积变化量Q_S，和快速变化的最大无功功率累积变化量Q_f；

(5)将缓慢变化的无功功率用静态无功补偿装置电容器平衡，快速变化的无功功率用动态无功补偿装置DSTATCOM平衡，则所需配置的电容器容量为Q₁+Q_s，DSTATCOM容量为Q_f；

(6)将对应容量的DSTATCOM装设在变电站内，对应容量的电容器装设在线路主干长度后2/3段的任一负荷节点处进行杆上无功补偿。

上述无功配置方法中，步骤(2)中所述在历史无功曲线上每15分钟取一个采样点，即采样间隔t₀＝15min，则可从历史无功曲线上获得96个采样点，每个采样点对应无功功率分别为Q₁，Q₂，…Q₉₆，采样点i的斜率k_i由线路下送无功功率变化率求得：

$k_i=\frac{Q(i+1)-Q\left(i\right)}{t_0},i\∈\[1,95\]$

无功功率变化水平的归类具体为：

(1)当|k_i|≤20kVar/min时，判定归类为缓慢变化的无功功率；

(2)当|k_i|＞20kVar/min时，判定归类为快速变化的无功功率。

上述无功配置方法中，步骤(3)中所述的缓慢变化的采样点无功功率变化量A_i及快速变化采样点无功功率变化量B_j，具体计算公式为：

A_i＝k_i·t₀

B_j＝k_j·t₀

其中，k_i、k_j分别为A_i、A_j对应采样点的无功功率变化率，t₀为采样间隔时间；总采样数N＝96，即i+j＝96。

进一步的，上述无功配置方法所述的缓慢及快速的无功功率累积变化量序列{a_n}及{b_n}，具体如下：

{a_n}＝{A₁,A₁+A₂,...,A₁+A₂+...A_i},n≤i

{b_n}＝{B₁,B₁+B₂,...,B₁+B₂+...B_j},n≤j

缓慢变化的最大无功功率累积变化量Q_S，和快速变化的最大无功功率累积变化量Q_f计算方式如下：

Q_s＝max{a_n}

Q_f＝max{b_n}

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明以10kV配电线路的历史无功曲线为基础确定对象线路所需的动静态无功补偿容量，能更贴合对象线路的实际情况，充分发挥无功补偿装置的作用，就地平衡对象线路的无功功率。

(2)本发明提出了动静态无功配置方法，综合考虑了10kV配电线路对静态无功补偿装置及动态无功补偿装置的需求，由对象线路的无功功率变化率有针对性地确定动静态无功配置容量。

(3)本发明提出的无功配置方法只需采集线路的历史无功数据，即可简单快捷地计算出线路所需的动静态无功配置容量，避免了复杂的建模求解过程，有很强的实用性与简捷性。

附图说明

图1为典型10kV配电线路的拓扑接线图。

图2为考虑设备响应速度的10kV配电线路动静态无功配置流程图。

图3为实施例线路的历史无功曲线。

图4为实施例线路一天96点的无功功率变化率曲线。

图5为实施例线路配置无功补偿装置前后线路节点电压变化图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1是一条典型10kV配电线路的拓扑接线图。如图1所示，10kV配电线路的有功损耗主要来自与线路损耗与变压器损耗，其中变压器损耗由铜损和铁损构成，铜损为变压器一、二次侧线圈电阻消耗的能量的综合，与电流的平方成正比，在同一电压等级下，铁损可认为是定值；线路损耗则由线路电阻消耗的能量构成，也与电流的平方成正比。线路损耗的具体表达式如下所示：

其中，△P为线路有功损耗，I为线路流经电流，P为线路输送的有功功率大小，R为线路的电阻大小，U为线路的额定电压大小，为功率因数。

当线路配置无功补偿装置对线路流经的无功功率进行补偿后，根据电压降落的计算公式：

$\mathrm{\Δ}V=\frac{P_{1}R+Q_{1}X}{V_1}---\left(2\right)$

其中，P₁、Q₁、V₁分别为同一节点的有功值、无功值和电压值，R、X分别为两点间的电阻、电抗，ΔV为两点间的电压降落。

此时，线路节点电压计算公式如下所示：

$V=V_0-\mathrm{\Δ}V=V_0-\frac{P_{1}R+Q_{1}X}{V_1}---\left(3\right)$

由式(3)可知，当投入无功补偿装置就地平衡所需无功功率后，线路传输的无功功率减少，从而线路的电压降落也随之减少，沿线电压抬升。

线路传输有功功率与电流电压的关系如下：

当传输相同容量的有功功率时，即P不变，电压升高，线路流经的电流将随之减小，从而线路损耗、变压器损耗也将降低。因此，配置适当容量的无功补偿装置能改善10kV配电线路的电能质量，并且有良好的节能降损效果，无功补偿装置配置容量与线路无功功率越贴合，节能降损效果越好。

为补偿10kV配电线路所需的无功功率，现行方法则是按照配变总容量的20％～40％进行电容器的配置，这种配置方法虽然有一定的提升线路电压及节能降损的效果，但是还存在以下几方面的问题：

a.不同10kV配电线路的负载率不同，按照配变总容量的比例来配置无功补偿装置，将造成轻载线路无功补偿装置利用率低，投资浪费，而重载线路的无功补偿装置则投入不足，线路电压偏低，线路损耗大。

b.仅采用电容器进行无功补偿，在10kV配电线路的无功功率快速变化时，电容器投切响应速度慢，不能快速调节平衡10kV配电线路的无功功率。

c.当电容器投切次数达到上限时，电容器将闭锁，不再响应线路的无功补偿要求，此时当10kV配电线路的无功功率再次变化时，对象线路不能再通过投切电容器来平衡无功功率。

基于以上问题，有必要提出一种根据线路实际情况确定所需无功配置容量的方法，并且需要增加响应速度更快的动态无功补偿装置与电容器相配合来就地平衡10kV配电线路的无功功率，考虑到动态无功补偿装置DSTATCOM能实现容性到感性无功功率的连续平滑调节，限制谐波，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，并且其相应速度快，因此选择配置DSTATCOM和电容器来进行10kV配电线路的动静态无功补偿。

为使DSTATCOM和电容器的配置容量更贴合10kV配电线路的实际，以对象线路的历史无功曲线为基础确定所需的配置容量，其中历史无功曲线由对象线路过去一年负荷最重的一天作为典型日，将该日每十五分钟采样一次得到的96点无功负荷数据导出获得。

求得对象线路的历史无功曲线后，根据历史无功曲线计算对象线路无功功率的变化率，将无功功率变化率分类为缓慢变化与快速变化，并由缓慢变化的无功功率计算所需的静态无功补偿装置电容器的容量，由快速变化的无功功率计算所需的动态无功补偿装置DSTATCOM的容量。

实施例

以南方某地区10kV线路为实际例子，考虑设备响应速度的10kV配电线路动静态无功配置流程如图2所示。

考虑设备响应速度的10kV配电线路综合无功配置方法，包括如下步骤：

1)将对象线路(南方某地区10kV线路)过去一年负荷最重的一天作为典型日，选取该典型日的线路首端下送无功功率曲线作为变电站10kV侧对象线路的历史无功曲线(如图3所示)，由图3可见该线路在白天无功功率需求量大，所需无功功率达3000kVar以上，且波动较剧烈，夜晚所需无功功率远少于白天，所需无功功率在1000kVar以下，昼夜变化明显。

2)在历史无功曲线上每15分钟取一个采样点i，即采样间隔t₀＝15min，则可从历史无功曲线上获得96个采样点，每个采样点对应无功功率分别为Q₁，Q₂，…Q₉₆，计算每一个采样点i的无功功率变化率k_i，即采样点i的斜率；

$k_i=\frac{Q(i+1)-Q\left(i\right)}{t_0},i\∈\[1,95\]$

由k_i的大小把采样点i的无功功率变化水平归类分属为缓慢变化或快速变化。

如图4所示，将实施例线路的无功功率变化率分为快速变化与缓慢变化两类，可知图4两条虚线之间的无功变化率为缓慢变化，虚线之外的无功变化率为快速变化。无功功率变化水平的归类具体为：当|k_i|≤20kVar/min时，判定归类为缓慢变化的无功功率，电容器的响应速度足以跟踪投切；当|k_i|＞20kVar/min时，判定归类为快速变化的无功功率，需要采用动态无功补偿装置DSTATCOM跟踪无功功率的变化，实现无功分层分区平衡。

3)按照采样顺序，将缓慢变化的采样点无功功率变化量按时间顺序编号为[A₁，A₂，…A_i]，将快速变化采样点无功功率变化量按时间顺序编号为[B₁，B₂，…B_j]，其中i+j＝N，N为总采样数；

缓慢变化的采样点无功功率变化量A_i及快速变化采样点无功功率变化量B_j，具体计算公式为：

A_i＝k_i·t₀

B_j＝k_j·t₀

其中，k_i、k_j分别为A_i、A_j对应采样点的无功功率变化率，t₀为采样间隔时间，取15分钟；总采样数N＝96，即i+j＝96。

4)分别计算缓慢变化的无功功率累积变化量序列{a_n}及快速变化的无功功率累积变化量序列{b_n}，并求得采样时间内，缓慢变化的最大无功功率累积变化量Q_S，和快速变化的最大无功功率累积变化量Q_f；

其中，

{a_n}＝{A₁,A₁+A₂,...,A₁+A₂+...A_i},n≤i

{b_n}＝{B₁,B₁+B₂,...,B₁+B₂+...B_j},n≤j

Q_s＝max{a_n}

Q_f＝max{b_n}

由缓慢变化的无功变化率计算对应的无功变化量，按时间顺序排列，可得：

A₁＝85.23，则a₁＝85.23；

A₂＝-15.152，则a₂＝A1+A2＝85.23+(-15.152)＝70.078；

……

A₆₈＝-134.475，则a₆₈＝A₁+A₂+…+A₆₈＝85.23+(-15.152)+…+(-134.475)＝-70.078。

从而实例线路的缓慢变化的无功变化量累积序列为：

{a₆₈}＝{85.23,70.078,41.668...,-70.078} (5)

同理，由快速变化的无功变化率计算对应的无功变化量，按时间顺序排列，可得实例线路的快速变化的无功变化量累积序列为：

{b₂₇}＝{1003.82,530.32,884.498...,251.902} (6)

5)缓慢变化的无功功率用静态无功补偿装置电容器平衡，快速变化的无功功率用动态无功补偿装置DSTATCOM平衡，本例中，Q₁＝223kVar，Q_s＝max{a_n}＝888kVar，Q_f＝max{b_n}＝3546kVar，则所需配置的电容器容量为第一个采样点对应的无功功率Q₁与缓慢变化的最大无功功率累积变化量Q_s之和，即Q₁+Q_s＝223+888≈1110kVar，动态无功补偿装置DSTATCOM容量为Q_f＝3546≈3550kVar；

6)考虑到防盗和便于维护的需求，将对应容量的DSTATCOM装设在变电站内，由于靠近线路末端的补偿效果更好，因此将对应容量的电容器装设在线路主干长度后2/3段的负荷节点处进行杆上无功补偿，本实施例将电容器安装在主干线第九个负荷节点处。

因为实例线路快速变化的尖峰负荷较多，因此需要装设较大容量的DSTATCOM来平衡实例线路的无功功率。

将对应容量的电容器及DSTATCOM装设到实例线路中，在潮流仿真软件进行仿真分析，分别计算无功补偿装置配置前和配置后的实例线路潮流，可得实例线路配置无功补偿装置前后线路节点电压变化如图5所示，有功损耗及网损费变化如表1所示。

表1装设无功补偿装置前后实例线路损耗变化

由图5及表1的结果可见，当对象线路未配置无功补偿装置时，线路电压偏低，有功损耗大，网损费高；采用本发明提出的动静态无功配置方法后，线路电压有了明显的抬升，DSTATCOM与电容器相配合能很好地平衡对象线路快速及缓慢变化的无功功率，实现无功功率分层分区就地平衡，并且有功损耗及网损费明显的下降，节能降损效果明显。