劉 飛 趙海玲 劉冬季

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司）

0 引言

隨著分布式新能源的快速發(fā)展及大量并網(wǎng)，電力監(jiān)管部門對(duì)供電服務(wù)指數(shù)及相關(guān)指標(biāo)的考核力度愈演愈大，而供電公司將承受巨大的供電服務(wù)壓力，電能質(zhì)量問(wèn)題再次引發(fā)廣泛關(guān)注[1-3]。穩(wěn)定及安全的電力供應(yīng)是城市用戶正常用電以及安全用電的根本保障。在我國(guó)城鎮(zhèn)實(shí)際的電力供應(yīng)過(guò)程中，普遍存在低電壓現(xiàn)象。而電壓降低會(huì)產(chǎn)生一定的危害：一是在電能計(jì)量方面，電壓降低會(huì)導(dǎo)致電能表的讀數(shù)不準(zhǔn)，從而影響計(jì)量結(jié)果；二是在線損方面，電壓降低會(huì)使得供電線路電流增大、功率因數(shù)下降，從而導(dǎo)致線路損耗的增加，增加供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]，因此研究如何進(jìn)一步抑制電壓降低不僅可以提高供電服務(wù)質(zhì)量，還能更大地節(jié)省電力能源。

1 低電壓產(chǎn)生的機(jī)理及影響

1.1 低電壓產(chǎn)生的機(jī)理

從嚴(yán)格意義上講，影響電能質(zhì)量的因素主要包括電壓、頻率、波形。從普遍的角度上來(lái)談電能質(zhì)量主要包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量，而站在用戶用電用能的角度上談電能質(zhì)量就可以理解為，導(dǎo)致用戶用電設(shè)備不能正常工作或者運(yùn)轉(zhuǎn)的電壓、電流或者頻率的偏移，其中就包括電壓偏移、頻率偏移、電流偏移、三相不平衡、電壓波動(dòng)、瞬時(shí)過(guò)電壓等現(xiàn)象[5]。其中低電壓的現(xiàn)象較為明顯，關(guān)于低電壓的形成原因可以用圖1來(lái)進(jìn)一步分析。由圖1可知臺(tái)區(qū)電壓降落可以表示為U2=U1－△U=U1－I（R＋JX）=U1－（I有RI無(wú)R），進(jìn)而可以得出，影響臺(tái)區(qū)電壓降落的因素主要由以下幾個(gè)方面組成：一是配電線路距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致阻抗（R和J）較大。二是由于配電臺(tái)區(qū)中的大用電負(fù)荷用戶位于配電線路末端；三是由于I有增大，即有功功率增大，用電負(fù)荷增加。四是由于I無(wú)增大，無(wú)功功率增加，功率因數(shù)降低。

圖1 配電線路簡(jiǎn)易圖

1.2 臺(tái)區(qū)低電壓對(duì)電能計(jì)量的影響機(jī)理

低電壓對(duì)電能采集的影響主要表現(xiàn)在供電線路上電流、電壓、頻率及波形的變化引起電能表參數(shù)的變化，其影響過(guò)程較為復(fù)雜。當(dāng)供電線路的電壓進(jìn)一步降低時(shí)，此時(shí)線路電流增大，阻抗變小，由于供電線路中始終包含電感和電容元件，而電感和電容元件作為電能的儲(chǔ)能元件，當(dāng)供電線路電壓降低時(shí)，儲(chǔ)能元件釋放電能的速度會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電能表機(jī)械指示位置會(huì)發(fā)生變化，從而影響計(jì)量精度[4-5]。目前的電能表計(jì)分為機(jī)械式、智能式和電子式電能表，通過(guò)低電壓對(duì)電能表的影響機(jī)理分析可以得知，機(jī)械式電能表受電壓波動(dòng)最為明顯，電子式次之，而智能式電能表受電壓降低影響最小，這主要是受電能表機(jī)械結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生的[4]。

1.3 臺(tái)區(qū)低電壓對(duì)電力系統(tǒng)的影響

由于輸電線路電壓降低后，輸電線路的輸電容量會(huì)進(jìn)一步受到影響，因而降低了電力系統(tǒng)有功出力的穩(wěn)定特性，若電壓進(jìn)一步降低，會(huì)產(chǎn)生電壓崩潰[6]。而電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償若得不到有效彌補(bǔ)，則會(huì)進(jìn)一步加劇系統(tǒng)電壓降低，導(dǎo)致電壓降低的趨勢(shì)更加惡化[6]，而系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償主要依賴于電壓無(wú)功補(bǔ)償控制來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。目前，低壓配網(wǎng)側(cè)電壓無(wú)功控制主要存在以下問(wèn)題：①配電網(wǎng)采用樹形、多分支的單向輻射型供電方式。部分單向輻射線路供電半徑長(zhǎng)，功率因數(shù)低，線路損耗大，末端電壓質(zhì)量差；②地區(qū)內(nèi)農(nóng)村灌溉使用大量水泵，負(fù)荷較重，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致線路低電壓頻繁；③電壓無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備不全面，有載調(diào)壓變等設(shè)備還未裝備，普遍為無(wú)載配變；④地區(qū)現(xiàn)有自動(dòng)控制系統(tǒng)是對(duì)電壓和無(wú)功進(jìn)行孤立的調(diào)節(jié)，沒(méi)有把電壓與無(wú)功的調(diào)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用功能單一，實(shí)用性不強(qiáng)。而且電壓無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備都只是單點(diǎn)分布（自動(dòng)投切），無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的無(wú)功電壓協(xié)調(diào)控制，動(dòng)作次數(shù)過(guò)于頻繁，嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量和穩(wěn)定性；⑤配電網(wǎng)中的通訊因網(wǎng)絡(luò)信息安全法，禁止無(wú)線通訊模式的遙控和遙調(diào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)下屬調(diào)節(jié)設(shè)備的投切控制。

2 無(wú)功補(bǔ)償對(duì)臺(tái)區(qū)低電壓的有效措施

在交流電力系統(tǒng)當(dāng)中，電磁感應(yīng)是電能轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)幕?，無(wú)論是電能的轉(zhuǎn)換設(shè)備還是電能的傳輸設(shè)備均是如此，在電能時(shí)刻的傳輸變換過(guò)程當(dāng)中，時(shí)刻伴隨著電磁場(chǎng)的不斷交替，保持著電能守恒這一基本規(guī)定。而在電力系統(tǒng)能量交互時(shí)主要依靠電感電容元件，以無(wú)功功率的形式體現(xiàn)在電網(wǎng)當(dāng)中，但是無(wú)功增大后會(huì)使得輸電線路電流進(jìn)一步增加，當(dāng)電流流過(guò)輸電線路后會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功損耗，從而進(jìn)一步降低線路電壓[7]。因此，在既不增大線路無(wú)功又能滿足系統(tǒng)感性元件對(duì)無(wú)功的消耗的情況下，達(dá)到提高臺(tái)區(qū)輸電線路電壓的目的，但是在實(shí)際的配電網(wǎng)線路當(dāng)中，由于對(duì)無(wú)功的控制得不到合理化，從而出現(xiàn)控制區(qū)域無(wú)功供不應(yīng)求的現(xiàn)象，導(dǎo)致供電負(fù)荷從其他地方獲取無(wú)功，使得無(wú)功遠(yuǎn)距離開始傳輸，導(dǎo)致供電線路電壓開始下降和線路損耗劇增[8]。

由于配電網(wǎng)線路設(shè)置較為復(fù)雜及輸電距離較長(zhǎng)，在電網(wǎng)用電負(fù)荷高峰期會(huì)出現(xiàn)電壓幅值急劇下降，為解決配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}，需要進(jìn)一步對(duì)配電網(wǎng)線路模型進(jìn)行研究，以達(dá)到在高峰用電負(fù)荷時(shí)期，對(duì)各區(qū)域無(wú)功進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)和控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)線路電壓的控制。而現(xiàn)有的分區(qū)方法如自由分區(qū)法、均一網(wǎng)格法等負(fù)荷分區(qū)法均沒(méi)有充分考慮分區(qū)內(nèi)無(wú)功平衡的約束[9]，從而導(dǎo)致電壓得不到有效抑制，在本文中先對(duì)配電區(qū)域進(jìn)行有效的分區(qū)，原則為：由于配網(wǎng)線路各鏈接節(jié)點(diǎn)處電壓和無(wú)功存在著一定的約束關(guān)系，可以將其定義為一個(gè)無(wú)功電源點(diǎn)，再根據(jù)各節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離確定區(qū)域的合成，從而確定無(wú)功約束條件和電氣距離約束函數(shù)。本文中的電氣距離指的是配網(wǎng)線路中某一節(jié)點(diǎn)處的電壓變化量對(duì)另一節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率變化量的比值K。即K=△U/△Q，假定配電線路網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，某一節(jié)點(diǎn)N處的有功為P，無(wú)功為Q，其表達(dá)式為[9]：

式中，Qn為n節(jié)點(diǎn)輸入的無(wú)功功率；Pn為n節(jié)點(diǎn)輸入的有功功率；Un為n節(jié)點(diǎn)處的電壓幅值；Um為m節(jié)點(diǎn)處的電壓；在節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中Bnm為虛部；Gnm為實(shí)部；βnm為節(jié)點(diǎn)n和m之間角差。有功和無(wú)功變化量方程為：

根據(jù)亞克比方程式的推導(dǎo)，可以得出配電線路中的電氣距離H與配電線路中電壓和無(wú)功的比值K之間的關(guān)系可以進(jìn)一步表示為：

本文中提出對(duì)配網(wǎng)線路進(jìn)行分區(qū)，其目的是使所分的各個(gè)區(qū)域之間的無(wú)功補(bǔ)償?shù)玫接行У姆峙?，各區(qū)域之間的距離最小，對(duì)配網(wǎng)線路的電壓調(diào)節(jié)能力達(dá)到最大，約束表達(dá)式可以寫成如下方式：

約束條件滿足以下幾個(gè)條件，一是每個(gè)區(qū)域內(nèi)部的總無(wú)功要大于等于調(diào)整電壓所消耗的無(wú)功；二是對(duì)分區(qū)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)做出合理的規(guī)劃，節(jié)點(diǎn)數(shù)量太多，導(dǎo)致發(fā)出的無(wú)功總量太多過(guò)剩，若節(jié)點(diǎn)數(shù)量太少，導(dǎo)致無(wú)功太少，達(dá)不到平衡。圖2中配網(wǎng)線路的配網(wǎng)算例共17個(gè)節(jié)點(diǎn)，電壓等級(jí)為110kV，共有配變變壓器 9臺(tái)，無(wú)功補(bǔ)償裝置4臺(tái)，其接線圖如圖2所示。假定變壓器的基準(zhǔn)功率為101kVA，基準(zhǔn)電壓10kV，高壓側(cè)母線電壓為110kV，發(fā)電機(jī)至三相繞組變壓器節(jié)點(diǎn)1處為平衡節(jié)點(diǎn)，本文中計(jì)算所采用的數(shù)據(jù)均為某一時(shí)段，系統(tǒng)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，利用SCADA及Matlab進(jìn)行仿真得出，如表1～表5所示。為進(jìn)一步地簡(jiǎn)化計(jì)算及分析，本文中對(duì)圖中所連的設(shè)備逐一進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表1 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備數(shù)據(jù)（標(biāo)幺值）

表2 發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)

表3 10kV配網(wǎng)線路負(fù)荷電氣參數(shù)

表4 等效不可調(diào)變比雙繞組變壓器支路數(shù)據(jù)（標(biāo)幺值）

表5 線路參數(shù)

圖2 110kV節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)線路圖

采用無(wú)功控制分區(qū)方法，得到電壓無(wú)功控制分區(qū)，然后，再逐一進(jìn)行計(jì)算各個(gè)分區(qū)的目標(biāo)函數(shù)，區(qū)域一的目標(biāo)函數(shù)為minf1（x）=0.00344，區(qū)域二的目標(biāo)函數(shù)為minf2（x）=0.00423，區(qū)域三的目標(biāo)函數(shù)為minf3（x）=0.00471?？梢缘贸鰠^(qū)域一為（3、4、5、13、18、19、14、17、26），區(qū)域二為（10、13、12、21、22、11、6），區(qū)域三為（23、10、9、8、24、7、25）?？梢缘贸龉?jié)點(diǎn)5與節(jié)點(diǎn)6之間的電氣距離為0.0048，節(jié)點(diǎn)6與節(jié)點(diǎn)9之間的電氣距離為0.0053，很明顯不同區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)的電氣距離要大于同一區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)電氣距離，可以看出在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離聯(lián)系比較緊密，因而分區(qū)比較合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中提出的配網(wǎng)輸電線路的配電網(wǎng)分區(qū)方法以無(wú)功電源節(jié)點(diǎn)為初始節(jié)點(diǎn)，以配網(wǎng)輸電線路電氣距離為分區(qū)依據(jù)，以目標(biāo)函數(shù)和約束條件為分區(qū)準(zhǔn)則，得到了配網(wǎng)輸電線路不同輸電區(qū)域的合理分區(qū)，使得所分的各分區(qū)滿足無(wú)功平衡條件與節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)要求，為配網(wǎng)輸電線路建立通過(guò)提升無(wú)功補(bǔ)償來(lái)進(jìn)一步遏制配網(wǎng)線路電壓降低問(wèn)題提供了電壓整治方法和基礎(chǔ)。