無功規劃

電力系統無功規劃優化是在電網規劃的基礎上，確定無功補償設備的最優安裝位置及容量，通過無功補償可以實現電網電壓控制、改善電網穩定性、減少電網有功損耗及保證電網較寬運行裕度，是保證電網安全、經濟運行的有效手段。無功規劃優化不同於無功優化，它主要是針對電力系統在較長一段時間內的無功需求進行估計，以便投入足夠的無功備用，使電網安全經濟運行。優化是規劃的必經階段，兩者的結合，即通過優化以後使無功規劃方案的各種指標更好、投資成本更低[f}l。因此，含分佈式電源的電網無功規劃優化研究有着重要意義 ^[2]  。

電力系統無功規劃優化是多變量、多約束的混合非線性規劃問題。通過調節變量，在滿足電力系統各種約束條件的情況下，使系統的一個或多個性能指標達到最優，求解方法主要有數學規劃法和各種智能算法。它是確定無功補償設備的最優安裝位置和容量，保持電力系統電壓穩定、提高電壓質量、降低網損的重要措施。

電力系統無功規劃優化具有以下幾個特點:離散性與連續性相混合、非線性、大規模、區域性、多負荷水平等。在電力系統無功規劃優化方面，國內外學者己做了大量工作，歸納起來主要有2個方面:一是使規劃中所建立的數學模型儘量反映實際情況;二是對求解大規模優化規劃問題時遇到的求解時間長、收斂性、易產生局部最優解和“維數災難”等問題進行改進，出現了一些新的優化算法。主要的一些算法包括非線性規劃法(Non-Linear Programming，簡稱NLP)、線性規劃法(LinearProgramming，簡稱LP)、混合整數規劃法(Mixed-Integer Programming，簡稱MIP)、動態規化法(dynamic programming，簡稱DP)、人工羣智能算法 ^[3]  。

無功的優化規劃就是在某規劃水平年內，根據電網的發展，合理地配醜和調整系統中的無功電像，如合理地選擇無功補償設備的安裝地點和安裝容裏，合理的調整發電機、調相機的無功出力，合理地投切電容器、電抗器組和靜止無功補償設備，合理地調整變壓器的接頭.這一方面使電網滿足一定的安全約束，保證電網中各點的電壓滿足規程的要求，另一方面使系統的技術經濟性能指標最好，使無功補償設備的安裝投資及電網的運行費用最小. ^[4] 

通過無功的優化規劃，可以給電網的運行帶來以下好處:

(1)使電網各點電壓在允許的範圍內，從而保證了電網供電的電能質址.

(2)改善了電網的安全性，防止事故的出現.

(3)減少了電網的運行損耗，節約電能，提高電網運行的經濟性.

(4)使電網的無功潮流減少併合理分佈，減輕線路、變壓器及用電設備的負荷，

(5)以從全局的角度合理安排全網的變壓器分接頭位置，併合理地選擇帶負荷調壓變壓器分接頭的調節範圈.

(6)合理地安排無功補償的地點及容盆，使無功電想建設的投資最小.

(7)確定各補償點固定補償設備與可投切補償設備的合理比例.

電網規劃是在分析能源佈局和電力流向的基礎上解決送電方向、送電規模、輸電方式、電壓等級、變電結構和電網結構等問題，具有一定的前瞻性 ^[5]  。無功規劃長期以來一直是電網規劃的重要內容，無功規劃的基木要求是在分析電網穩態和動態運行條件的無功特性，合理配置無功補償設備和電壓調節手段，以改善、控制和優化無功功率在全網中的分配和流動，以達到提高系統運行穩定性、抑制線路電壓升高，滿足正常運行和大事故擾動情況卜電網安全運行和電壓調控的需求。

目前我國的電壓運行標準可參照《電力系統電壓和無功電力技術導則》中的要求。在正常運行方式卜，系統各點電壓能保持在一定水平值範圍之內，並保證在不同送電功率和負荷水平，網損較小，電網中不出現大的無功環流。

系統各點允許的最高長期運行電壓主要受接入系統設備絕緣水平和變壓器飽和的限制。我國電網目前正處於快速發展階段，由於電壓調控手段較少，無功配置不盡合理，在一些重要的長距離輸電斷面或受端系統出現過不同程度電壓過高運行的局面。

系統各點的最低運行電壓，決定於電力系統穩定運行需要、變壓器帶負荷電壓分接頭的調整範圍及廠用電等方面的要求。近年來，由於電力市場化的發展和發達地區負荷的快速增長，使電力系統越來越接近極限運行，在一些重要的輸送通道，預留出的穩定裕度己經很低，在重負荷水平卜電壓運行水平較低，這也是大區互聯電網面對的普遍問題，電壓運行水平的降低會對輸送通道的送電能力有一定程度的影響。

無功補償設備在動態過程中和大的事故擾動應能快速恢復樞紐母線電壓水平，維持系統較高的穩定水平，並保持運行中的所有輸電線路都有一定的穩定裕度。國外發達國家發生的多起電網崩潰性事故表現為電壓崩潰性事故的特徵，事故原因是多方面的。但大多數的電壓崩潰性事故是在嚴重的事故擾動後發生的，伴隨着大的潮流轉移，無功損耗增加，系統動態的無功支持能力不足，加上負荷的動態恢復特性、變壓器分接頭調節、人為的不合理干預及發電機勵磁電流限制等因素，加劇了系統動態無功容量的不足，進而導致機組、線路過載跳聞、電壓崩潰、負荷大面積失去的惡性電網崩潰性事故。

動態無功備用指在事故擾動過程中，能夠快速調出的無功出力，主要指發電機、調相機或靜i1=無功補償設備(如S VC.STATCOM)等快速反應的無功電源設備中預留的無功備用。緊急的動態無功備用對預防電網的崩潰性事故至關重要，在無功規劃過程中必須考慮到正常方式或事故後方式卜，系統的動態無功備用是否能夠滿足要求，這需要建立一定的事故考核標準，如對N- 1. N- 2或多重事故方式按照不同的事故標準分別有不同的動態無功備用要求。

在無功規劃過程中，正常方式無功補償容量要滿足電壓調整，使發電機、同步調相機或靜止無功補償器SVC中預留出更多的動態無功備用，在事故方式動態無功備用能夠及時調出，提供快速的動態電壓支持。

動態無功備用與電壓穩定裕度密切相關，關鍵的無功電源設備中動態無功備用往往作為電壓穩定性強弱的一種判斷指標。在受端系統中，動態無功備用接近於零往往是電壓崩潰的危險信號之一。動態無功備用與考核區域的劃分方法和範圍大小有關，有一定的區域性，如果區域的範圍劃分較大，整個區域的動態無功備用充足不能説明局部的動態無功備用都能滿足要求，因此還要與其它的指標相結合進行綜合判斷。

需要特別強調的是動態無功備用要“合理”，並不是一味強調無功備用越多越好，特別是對長距離鍊形結構電網，補償設備投入的比例要合理，使送端發電機或中間支持電網發電機組的內電勢保持在較高水平。避免出現過多投入補償設備，但如果發電機內電勢降低，輸電通道的暫態穩定水平反而受到影響。以南方電網為例，在通道高壓側母線電壓控制水平一致的情況，不合理的動態無功備用，可使整個交流輸電通道的輸送能力卜降5%一10%左右。

直流輸電系統傳輸有功功率在換流站需要吸收無功功率。直流輸電系統所需無功功率主要由換流站的濾波電容器組和固定的電容器組提供，也可以根據系統的條件由換流站附近的發電機組提供。直流系統的輸送功率較大，在無功規劃中，還必須考慮直流輸電系統與交流系統之間的相互影響。

從近幾年我國互聯電網主要輸電通道的電壓運行情況來看，由於電力供應的緊張局面和峯谷負荷差的加大，小方式電壓過高運行和大方式電壓過低運行的情況同時並存，前者影響了設備安全及使用壽命，後者影響了電網正常輸送能力的發揮，並增加了導致大電網電壓崩潰性事故的可能性。電壓運行的情況表明，互聯電網中的電壓調控難度有增大的趨勢，同時也説明了電網中現有電壓無功調節手段的不足。因此，考慮典型方式無功補償容量滿足電壓標準要求的基礎上，要考慮靈活的電壓無功調節手段，以應付電網中可能的負荷變動和故障擾動。

電壓無功調節手段要針對不同的電壓波動範圍及影響時間，結合電網的運行特性及調整要求來設計，對於常規的緩慢的負荷調整導致的負荷波動，主要依靠固定投切無功補償設備(電容器和電抗器)及電壓調整設備(有載變壓器)來實現;對於快速反應的負荷波動及事故擾動，要依靠快速反應的無功補償設備來滿足要求，如發電機、同步調相機等。

電壓無功的調節手段要預留出一定的調節裕度，主要考慮到各種極端方式卜的電壓調整需求，可能的最大負荷方式、最小負荷方式、最大傳輸斷面潮流方式及可能的潮流倒送方式等。在滿足電壓調整要求及系統安全性的前提，電壓無功調節手段的配置要做經濟性的比較，選擇技術可行經濟上合理的無功功率補償設備及調節設備。

無功規劃除滿足正常電壓調整及一般性事故擾動動態無功備用的需求後，還需要考慮預防電網的電壓崩潰性事故的緊急電壓無功控制措施，經歷過電壓崩潰性事故的電網公司在事故後總結經驗教訓時往往把預防電壓崩潰性事故的緊急控制措施作為無功規劃的重要內容。採取緊急的電壓控制措施，可以把事故範圍縮小或完全挽回系統到正常運行狀態。這些緊急的電壓控制措施包括低壓解列措施、低壓減載措施及緊急狀態的變壓器分接頭閉鎖等。

分成3個層面

(1)第1個層面的研究工作為工頻過電壓、潛供電流計算和無功平衡分析 ^[6]  。

工頻過電壓計算的主要目的是確定新建線路的高抗配置方案，潛供電流和恢復電壓計算主要為確定高抗的中性點小電抗;無功平衡分析是整個無功規劃研究工作的基礎，依據《電力系統電壓和無功電力技術導則》，按照無功電力分層、分區平衡及滿足大事故擾動卜動態無功備用要求的原則，從提高電壓運行質量和電壓安全性的角度出發，分析和評估電網各電壓等級的無功設備配置情況，找出無功設備配置上的不足，並提出增加無功補償，改善電壓調控手段的初步建議和措施。在此基礎上，對典型檢修方式進行無功補償配置方案的合理性校核。通過第1個層面的研究工作可以確定初步的無功補償配置方案，其中包括無功補償配置地點、容量。

(2)第2層面的研究工作包括無功配置方案優化分析、電壓穩定分析和動態無功補償配置方案研究。

無功配置方案優化分析是依據無功補償配置方案，在滿足系統安全的前提，採用無功優化軟件實現無功容量的合理分配，使總的無功配置容量最小，無功補償投資最少，同時研究對降低網損，降低系統的年運行費用，提高電網經濟效益的作用。研究方式基於正常峯荷方式和低谷方式，分別研究容性無功補償配置方案和感性無功補償配置方案的優化措施。

(3)第3層面的研究工作主要是無功電壓控制措施的研究，具體為穩態電壓控制和緊急電壓控制措施的配置。 穩態電壓控制措施研究的主要目的是從分層分區角度出發，計算正常及故障條件卜發電機無功出力、有載調壓變壓器分接頭位置以及變電站無功補償設備投切情況。