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摘要：无功功率平衡及合理分布、系统电压的稳定是影响到电网安全、经济运行的至关因素。合理的无功补偿容量的分布，是实现电压控制和无功控制的必要前提，它不仅能够降低网损、提高电压质量，而且有利于提高系统的稳定性。我国电网的电压低质量、高网损的现状决定了运用优化的方法以实现电力系统的无功优化补偿已势在必行，这对于节约电能，改善电压质量，提高电网的运行稳定性，具有重要的现实意义和显著的经济效益。电力规划中进行配电网的无功补偿优化是保证配电网安全、经济运行的一项有效手段，是降低网损、提高电压质量的重要措施。因此，电力规划中配电网无功优化问题的研究，既具有理论意义，又具有工程实际应用价值。
关键词：电网规划;无功补偿;无功功率;电压质量
1 前言
电力系统是由大量的发电、输电、变电、配电线路和设备以及用电户共同组成的复杂系统。随着我国国民经济快速发展，人们对电力的需求越来越大，同事对供电的可靠性和质量提出了更高的要求。近几年来，电力建设投资跟不上经济发展，供需关系矛盾更为突出，据最新资料统计，2004年广东省有20多个地级市出现拉闸限电.至3月15日止，由省电力调度中心直接指令强制错峰限电线路8969条次;累计限电负荷2074.2万千瓦、日最高限电负荷184万千瓦.累计限电量1.06亿千瓦时。用电负荷和用户的不断增加.使得电能生产每年都要大幅度增加，这既改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成了系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足，电压水平普遍较低的情况。由于配电网是系统的一个重要组成部分，承担着电力生产和电力用户两方面的纽带作用.是输电网和电能用户的中间环节，它的电压等级比输电网低，特别是低压网，网络结构一般为辐射状结构，线路中电阻值较大，损耗也大。系统中的设备和用电户，除了要消耗有功功率外，还要消耗无功功率。所谓无功，就是为了维持电源与用电设备的电感、电容之间磁场和电场振荡所需要的能量，在电力系统中，这种能量是不可缺少的。据统计表明，我国电能在传输过程的损失为15%，1995年全国城网1 10kV以下配网线损占总线损的60%，电力系统的无功功率损耗最多可达总发电容量的20%-30%，也就是说大约1/4的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗，这不仅增加了发电机和变电所的设备容量，同时也是对极其宝贵的电力资源的巨大浪费.影响到电能成本，进而影响到整个国民经济。因此，如何针对配电网自身的特点。合理地选择补偿点，确定最优补偿电容容量，适当地对系统进行无功补偿，无功补偿对系统运行有很大的影响。
2 无功补偿原理
电网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能量是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一周内吸收的功率和释放的功率相等。
这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一周内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种冲放电功率叫容性无功功率。
将电容器和电感并联接在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器在释放能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷（电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可由电容器输出的无功功率中得到补偿。
3 无功补偿的作用、提高电网功率因素的意义
虽然无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却会引起有功功率损耗和电压损耗。合理地配置无功功率补偿容量，改善电力网的无功潮流分布，提高功率因数
，就能够减少电网中的有功损耗和电压损耗，还可以提高设备的利用率和电网的传输能力。
3.1 降低线路的有功损耗
当线路流过电流I时。在线路电阻上产生的有功功率损耗为：
（1） 式中：V——线路线电压（kV）
R——线路线电阻（Q）
I——线路线电流（A）
——线路有功功率损耗（kW）
可见，在电网结构和电路参数不变的情况下，传输有功功率一定时，线路的有功损耗与
成反比，
越高，△P越小，减少了有功损耗。
3.2 减少线路的电压损失
电力网电压损失可由下列公式求出：
（2） 如果并联电容器Q 来补偿：
（3）
注：P.Q，V应取同一端的功率或电压值
式中：P——线路传送有功功率损耗（kW）
Q——线路传送无功功率损耗（kVar）
R——线路线电阻（）
X——线路电抗（）
QC——无功补偿容量（kVar）
可见在线路上补偿无功功率后，电压损失△V减小，改善了电压质量。
3.3 改善设备的利用率
功率因数可以表示成下述形式：
式中：S为电源设备的容量
可见在一定电压和电流下，
越高，则输出的有功功率P越大，提高了设备的利用率。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。
3.4 提高电网的有功转输能力
电网的视在功率与有功功率的关系表达式：
P=S·
可见在电网视在功率s不变的前提下。
越高，线路传送有功功率P的能力越强。 3.5 降低功率损耗与电能损耗
由于装设了无功补偿设备，就可以提高线路和变配电设备的功率因数.从而有效地减少了功率损耗和电能损耗。线损的降低可以直接用功率因数的变化来表示。其计算式为：
（4）
式中：
—降低或减少的线损率。
，
—补偿前、后的功率因数。
补偿后功率因数值的计算如下：
（5） 其中：
降低的功率损耗计算式为：
或
式中：
——降低的有功功率损耗（kW）。
——降低的线路有功功率损耗（kW）。
——降低的变压器铜损（kW）。
——无功功率节约当量（kW/kvar）。
——电容器的介质损失角的正切值。
降低的电能损耗计算公式为：
或
（6） 4 补偿容量的确定
配电网负荷节点多，而且负荷多为感应电动机，因此出口功率因数较低。设系统A给一配电网B供电.己知有功负荷为P，无功负荷为Q，配电网的功率因数为
（7）
4.1 按提高功率因素确定补偿容量
为了提高功率因素，使其达到给定值
，则需对配电网进行无功补偿。设最大负荷日的平均有功功率为P（kW），平均功率因素为
，要求补偿后的功率因素为
，则补偿容量为
;
（8）
当需要功率因素提高到大于
，小于
时，则补偿容量应满足下述不等式：
（9）
实践表明，补偿前的功率因数越低，补偿效益越显著，当补偿的功率因数达到一定值时，补偿效益不明显，增加了开关仪表屏等设备，加大了投资和占地面积，取得的补偿经济效果且不是很好。理论和实践证明，用户的功率因数补偿至0.95-0.97最为有利。
4.2 按降低网损确定补偿容量
补偿后线损降低的百分值：
（10） 而补偿容量由前面求得。
4.3 按提高运行电压确定补偿容量
补偿容量可用下述公式计算：
（11）
式中：
——需要达到的电压值（kV）。
——需要提高的电压值（kV）。 X——线路阻抗）。
需要说明的是，如果上式采用相电压值，求出的是单相补偿容量，如果采用线电压值，求出的是三相补偿容量。
4.4 按补偿当量确定补偿容量
无功补偿当量的意义是线路投人单位补偿容量时.有功损耗的减小值。补偿容量可用下述公式计算：
（12）
式中：
——第i段线路的有功损耗。
为了衡量补偿的合理性，引用“经济当量”概念。它等于电网中减少输送1kVar无功功率时所减少的有功功率损耗值。
5 结束语
本文探讨了电网规划中无功补偿优化问题的研究。介绍了无功补偿优化的原理、方法以及研究现状，并且介绍了配电网中最优补偿电容容量的确定方法。
关键词：电网规划;无功补偿;无功功率;电压质量
1 前言
电力系统是由大量的发电、输电、变电、配电线路和设备以及用电户共同组成的复杂系统。随着我国国民经济快速发展，人们对电力的需求越来越大，同事对供电的可靠性和质量提出了更高的要求。近几年来，电力建设投资跟不上经济发展，供需关系矛盾更为突出，据最新资料统计，2004年广东省有20多个地级市出现拉闸限电.至3月15日止，由省电力调度中心直接指令强制错峰限电线路8969条次;累计限电负荷2074.2万千瓦、日最高限电负荷184万千瓦.累计限电量1.06亿千瓦时。用电负荷和用户的不断增加.使得电能生产每年都要大幅度增加，这既改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成了系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足，电压水平普遍较低的情况。由于配电网是系统的一个重要组成部分，承担着电力生产和电力用户两方面的纽带作用.是输电网和电能用户的中间环节，它的电压等级比输电网低，特别是低压网，网络结构一般为辐射状结构，线路中电阻值较大，损耗也大。系统中的设备和用电户，除了要消耗有功功率外，还要消耗无功功率。所谓无功，就是为了维持电源与用电设备的电感、电容之间磁场和电场振荡所需要的能量，在电力系统中，这种能量是不可缺少的。据统计表明，我国电能在传输过程的损失为15%，1995年全国城网1 10kV以下配网线损占总线损的60%，电力系统的无功功率损耗最多可达总发电容量的20%-30%，也就是说大约1/4的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗，这不仅增加了发电机和变电所的设备容量，同时也是对极其宝贵的电力资源的巨大浪费.影响到电能成本，进而影响到整个国民经济。因此，如何针对配电网自身的特点。合理地选择补偿点，确定最优补偿电容容量，适当地对系统进行无功补偿，无功补偿对系统运行有很大的影响。
2 无功补偿原理
电网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能量是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一周内吸收的功率和释放的功率相等。
这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一周内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种冲放电功率叫容性无功功率。
将电容器和电感并联接在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器在释放能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷（电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可由电容器输出的无功功率中得到补偿。
3 无功补偿的作用、提高电网功率因素的意义
虽然无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却会引起有功功率损耗和电压损耗。合理地配置无功功率补偿容量，改善电力网的无功潮流分布，提高功率因数
，就能够减少电网中的有功损耗和电压损耗，还可以提高设备的利用率和电网的传输能力。
3.1 降低线路的有功损耗
当线路流过电流I时。在线路电阻上产生的有功功率损耗为：
（1） 式中：V——线路线电压（kV）
R——线路线电阻（Q）
I——线路线电流（A）
——线路有功功率损耗（kW）
可见，在电网结构和电路参数不变的情况下，传输有功功率一定时，线路的有功损耗与
成反比，
越高，△P越小，减少了有功损耗。
3.2 减少线路的电压损失
电力网电压损失可由下列公式求出：
（2） 如果并联电容器Q 来补偿：
（3）
注：P.Q，V应取同一端的功率或电压值
式中：P——线路传送有功功率损耗（kW）
Q——线路传送无功功率损耗（kVar）
R——线路线电阻（）
X——线路电抗（）
QC——无功补偿容量（kVar）
可见在线路上补偿无功功率后，电压损失△V减小，改善了电压质量。
3.3 改善设备的利用率
功率因数可以表示成下述形式：
式中：S为电源设备的容量
可见在一定电压和电流下，
越高，则输出的有功功率P越大，提高了设备的利用率。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。
3.4 提高电网的有功转输能力
电网的视在功率与有功功率的关系表达式：
P=S·
可见在电网视在功率s不变的前提下。
越高，线路传送有功功率P的能力越强。 3.5 降低功率损耗与电能损耗
由于装设了无功补偿设备，就可以提高线路和变配电设备的功率因数.从而有效地减少了功率损耗和电能损耗。线损的降低可以直接用功率因数的变化来表示。其计算式为：
（4）
式中：
—降低或减少的线损率。
，
—补偿前、后的功率因数。
补偿后功率因数值的计算如下：
（5） 其中：
降低的功率损耗计算式为：
或
式中：
——降低的有功功率损耗（kW）。
——降低的线路有功功率损耗（kW）。
——降低的变压器铜损（kW）。
——无功功率节约当量（kW/kvar）。
——电容器的介质损失角的正切值。
降低的电能损耗计算公式为：
或
（6） 4 补偿容量的确定
配电网负荷节点多，而且负荷多为感应电动机，因此出口功率因数较低。设系统A给一配电网B供电.己知有功负荷为P，无功负荷为Q，配电网的功率因数为
（7）
4.1 按提高功率因素确定补偿容量
为了提高功率因素，使其达到给定值
，则需对配电网进行无功补偿。设最大负荷日的平均有功功率为P（kW），平均功率因素为
，要求补偿后的功率因素为
，则补偿容量为
;
（8）
当需要功率因素提高到大于
，小于
时，则补偿容量应满足下述不等式：
（9）
实践表明，补偿前的功率因数越低，补偿效益越显著，当补偿的功率因数达到一定值时，补偿效益不明显，增加了开关仪表屏等设备，加大了投资和占地面积，取得的补偿经济效果且不是很好。理论和实践证明，用户的功率因数补偿至0.95-0.97最为有利。
4.2 按降低网损确定补偿容量
补偿后线损降低的百分值：
（10） 而补偿容量由前面求得。
4.3 按提高运行电压确定补偿容量
补偿容量可用下述公式计算：
（11）
式中：
——需要达到的电压值（kV）。
——需要提高的电压值（kV）。 X——线路阻抗）。
需要说明的是，如果上式采用相电压值，求出的是单相补偿容量，如果采用线电压值，求出的是三相补偿容量。
4.4 按补偿当量确定补偿容量
无功补偿当量的意义是线路投人单位补偿容量时.有功损耗的减小值。补偿容量可用下述公式计算：
（12）
式中：
——第i段线路的有功损耗。
为了衡量补偿的合理性，引用“经济当量”概念。它等于电网中减少输送1kVar无功功率时所减少的有功功率损耗值。
5 结束语
本文探讨了电网规划中无功补偿优化问题的研究。介绍了无功补偿优化的原理、方法以及研究现状，并且介绍了配电网中最优补偿电容容量的确定方法。