農(nóng)村電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究

摘要：近年來，農(nóng)村用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，使農(nóng)村配電網(wǎng)逐漸暴露出電壓偏低的問題，現(xiàn)有的無功優(yōu)化模式已不能滿足實(shí)際的需求。針對(duì)農(nóng)村供電現(xiàn)狀，提出了基于以電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)及以用電管理為核心的變電站、線路、配變電壓無功協(xié)調(diào)控制的無功優(yōu)化新模式，從而加強(qiáng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的管理，以提高電壓質(zhì)量、降低運(yùn)行線損，為農(nóng)村“低電壓”綜合治理提出整體解決方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村配電網(wǎng)；無功優(yōu)化；協(xié)調(diào)控制

電壓質(zhì)量是衡量電品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，[1]對(duì)電力設(shè)備安全運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)損耗等有著直接的影響。[2]隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，農(nóng)村用電量不斷增加，農(nóng)村居民對(duì)電壓質(zhì)量的要求也越來越高。目前，大部分農(nóng)村配電網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了變電站集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、桿上無功補(bǔ)償、用戶終端分散補(bǔ)償?shù)榷嗉?jí)無功補(bǔ)償模式。[3，4]然而，現(xiàn)有的補(bǔ)償模式只能在局部地區(qū)實(shí)現(xiàn)無功平衡和電壓穩(wěn)定，未能考慮局部與全網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。伴隨著這種模式往往會(huì)出現(xiàn)用戶端電壓偏低，而用戶端的調(diào)壓手段已全部用完，同時(shí)線路或變電站端有調(diào)壓裕度卻不進(jìn)行調(diào)壓的情況。[5-11]因此，本文提出了農(nóng)村配電網(wǎng)無功優(yōu)化新模式，以變電站、線路、配變電壓無功協(xié)調(diào)控制技術(shù)為研究思路，充分利用全網(wǎng)的調(diào)壓手段解決“低電壓”問題，然后介紹了研究?jī)?nèi)容以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

一、農(nóng)村電網(wǎng)電壓現(xiàn)狀

目前農(nóng)村電網(wǎng)存在的“低電壓”現(xiàn)象有些必須通過電網(wǎng)升級(jí)改造才能徹底得到解決，有些可在暫時(shí)未能新增布點(diǎn)的條件下，通過充分挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)壓與無功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行調(diào)節(jié)潛力、努力實(shí)現(xiàn)各級(jí)電壓協(xié)調(diào)控制來得到有效改善。而現(xiàn)有已安裝的電壓無功調(diào)控設(shè)備的調(diào)控判據(jù)僅依據(jù)安裝點(diǎn)的測(cè)量值進(jìn)行“各自為政”式的獨(dú)立控制，電網(wǎng)各級(jí)調(diào)壓與補(bǔ)償設(shè)備的全網(wǎng)協(xié)調(diào)性不夠，往往出現(xiàn)上級(jí)電網(wǎng)電壓處于合格區(qū)間范圍、下級(jí)電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段已用盡而用戶電壓仍超限的情況，此時(shí)需依賴上級(jí)電網(wǎng)充分挖掘調(diào)節(jié)能力，實(shí)施上級(jí)電網(wǎng)與下級(jí)電網(wǎng)的自動(dòng)協(xié)助調(diào)整，通過全網(wǎng)調(diào)節(jié)使末端電網(wǎng)調(diào)壓能力得到有力的補(bǔ)充與提升，由此提出實(shí)施配電網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制來研究與探索進(jìn)一步挖掘電網(wǎng)運(yùn)行控制潛力的手段。[12-14]

二、農(nóng)網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

1.農(nóng)網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)改善“低電壓”的原理

電網(wǎng)各級(jí)電壓的上下限值是個(gè)區(qū)間范圍，用數(shù)學(xué)語言描述即合格的電壓解屬于區(qū)間解而非單一解。譬如，配變臺(tái)區(qū)出口電壓合格合格范圍是[370，427]，低壓三相用戶電壓合格范圍是[353，407]，或者低壓?jiǎn)蜗嘤脩綦妷汉细穹秶荹198，236]。正因?yàn)槿绱耍跊]實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制時(shí)，配變出口電壓是380V的情況下，即使低壓用戶電壓出現(xiàn)越下限，配變分接頭也不進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整進(jìn)行升壓，相反若利用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制，配變分接頭可進(jìn)行調(diào)整，從380V升至405V，從而改善“低電壓”現(xiàn)象。

當(dāng)然，上述僅僅以一級(jí)調(diào)整為例進(jìn)行說明，協(xié)調(diào)控制的控制邏輯和策略相當(dāng)復(fù)雜，需綜合考慮農(nóng)網(wǎng)各類電壓無功設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)性地對(duì)電網(wǎng)“低電壓”現(xiàn)象進(jìn)行綜合治理。

2.農(nóng)網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

因?yàn)閰f(xié)調(diào)控制涉及到整個(gè)農(nóng)網(wǎng)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與控制命令的通訊通道、數(shù)據(jù)流涉及到多種安全區(qū)。譬如需對(duì)變電站層進(jìn)行控制，而變電站層的控制需要與調(diào)度進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，調(diào)度屬于一級(jí)安全區(qū)域；對(duì)10kV線路及配變的監(jiān)控、低壓用戶電壓監(jiān)測(cè)的采集服務(wù)器位于三級(jí)安全區(qū)域，采集通訊方式為GPRS，而GPRS通訊涉及到外網(wǎng)。針對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)橫跨一級(jí)安全區(qū)、三級(jí)安全區(qū)、外網(wǎng)的情況，從外網(wǎng)至三級(jí)安全區(qū)采取加密的無線通信和專線相結(jié)合的方式，三級(jí)至一級(jí)安全區(qū)通過專用防火墻，使用串口通信的方式，從而保證信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.農(nóng)網(wǎng)電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略

電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的VQC（電壓無功控制）、AVC（自動(dòng)電壓控制）系統(tǒng)，相比較而言其控制策略更復(fù)雜。主要涉及到對(duì)有載調(diào)壓主變調(diào)壓控制、站內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備控制、10kV線路調(diào)壓器控制、10kV無功設(shè)備控制、有載調(diào)壓配變調(diào)壓控制、配變無功補(bǔ)償設(shè)備控制、低壓用戶電壓監(jiān)測(cè)等同層的多項(xiàng)、不同層的多級(jí)協(xié)調(diào)控制。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了方便控制可以根據(jù)電壓等級(jí)、所處區(qū)域等條件將整個(gè)農(nóng)村配網(wǎng)控制設(shè)備分為三個(gè)層次：節(jié)點(diǎn)級(jí)控制設(shè)備、區(qū)域級(jí)控制設(shè)備以及整個(gè)農(nóng)村配網(wǎng)級(jí)控制設(shè)備。節(jié)點(diǎn)級(jí)控制設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)節(jié)點(diǎn)處的低壓用戶電壓監(jiān)測(cè)（用戶計(jì)量裝置、電壓檢測(cè)儀等）進(jìn)行監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集。區(qū)域級(jí)控制設(shè)備負(fù)責(zé)與所轄區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)級(jí)控制設(shè)備進(jìn)行信息交換，并對(duì)本區(qū)域處的有載調(diào)壓配變、無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行控制，從而達(dá)到使整個(gè)區(qū)域無功電壓合理的目的。配網(wǎng)級(jí)控制設(shè)備則負(fù)責(zé)與整個(gè)所轄配網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)區(qū)域級(jí)控制設(shè)備進(jìn)行通信，對(duì)配網(wǎng)層的站內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備、有載調(diào)壓主變進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)配網(wǎng)的無功電壓調(diào)節(jié)。

在對(duì)上一層進(jìn)行控制時(shí)應(yīng)能夠及時(shí)接收其下一層以及相鄰層的信息，并在做決策時(shí)充分考慮其對(duì)下面所有層的電壓無功影響；在每層都需要控制時(shí)就應(yīng)合理考慮是通過其相鄰上層還是其越級(jí)上層進(jìn)行調(diào)控，這樣確定動(dòng)作順序的目的主要是準(zhǔn)確定位低電壓源頭，從最初源頭解決問題。

在實(shí)施具體控制策略時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

（1）以電壓調(diào)整為主，降損為輔。傳統(tǒng)無功優(yōu)化往往主要考慮如何減少網(wǎng)損，但降損的前提是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及保證用戶需求，否則降損無從談起。因?yàn)橛脩糇铌P(guān)心的是供給他們的電能質(zhì)量，即電壓是否合格，并不關(guān)心網(wǎng)損的大小。在具體實(shí)施過程中，一個(gè)周期的控制命令可能既包括分接頭調(diào)整又包括補(bǔ)償裝置動(dòng)作。如果分接頭及補(bǔ)償裝置同屬一個(gè)設(shè)備，則先調(diào)整分接頭，下一個(gè)周期再動(dòng)作補(bǔ)償裝置。

（2）電壓自下而上判斷，自上而下調(diào)整。配電網(wǎng)低壓用戶端只有計(jì)量裝置或電壓檢測(cè)儀，無法實(shí)施本地電壓控制，只能向區(qū)域級(jí)調(diào)壓裝置，如有載調(diào)壓配變或調(diào)壓器等申請(qǐng)調(diào)壓。且目前多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)雖然電壓檢測(cè)儀數(shù)量較多，但10/0.4kV有載調(diào)壓配變和10kV及0.4kV線路調(diào)壓器數(shù)量不多，調(diào)壓動(dòng)作主要依靠主變分接頭及相關(guān)聯(lián)的無功補(bǔ)償裝置。即10kV線路中多數(shù)電壓不合格點(diǎn)的調(diào)整都需要逐級(jí)向上申請(qǐng)。因此，電壓是否調(diào)整應(yīng)自下而上逐級(jí)判斷。另外，變壓器調(diào)檔次數(shù)應(yīng)盡量少，過度頻繁調(diào)節(jié)有載分接開關(guān)會(huì)引起變壓器有載分接頭開關(guān)故障，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器故障。這一要求需要兩種措施來保證：一是通過短期、超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，合理分配開關(guān)在各時(shí)段的動(dòng)作次數(shù)；二是如果低電壓現(xiàn)象在一個(gè)區(qū)域內(nèi)比較普遍，則優(yōu)先調(diào)整該區(qū)域上級(jí)即配網(wǎng)級(jí)調(diào)壓設(shè)備。因此，電壓控制命令應(yīng)自上而下逐級(jí)執(zhí)行。

（3）無功自上而下判斷，自下而上調(diào)整。無功功率不宜遠(yuǎn)距離輸送，對(duì)無功功率的分配首先應(yīng)按照就地平衡、分散補(bǔ)償?shù)脑瓌t進(jìn)行，盡量降低從上級(jí)電網(wǎng)吸收的無功功率，減少無功在線路中的流動(dòng)，同時(shí)也不宜向上級(jí)電網(wǎng)倒送過多的無功功率。因此，無功應(yīng)自上而下判斷。如果上級(jí)電網(wǎng)有無功補(bǔ)償?shù)男枨螅瑧?yīng)首先向下級(jí)電網(wǎng)申請(qǐng)補(bǔ)償，在下級(jí)電網(wǎng)無法滿足補(bǔ)償要求的情況下再形成本地補(bǔ)償?shù)目刂泼睢６刂泼畹膱?zhí)行應(yīng)自下而上逐級(jí)進(jìn)行。如此，既能滿足本地?zé)o功需求又能減少無功在電網(wǎng)中的流動(dòng)，最大限度降低網(wǎng)損。

三、效益分析

從宏觀層面上分析，電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)研究及實(shí)施有如下的效益：實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)電壓無功設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控；提高了配網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓合格率和功率因數(shù)；合理投運(yùn)無功設(shè)備，顯著降低配網(wǎng)的損耗；實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)網(wǎng)電壓無功“優(yōu)化協(xié)調(diào)，分層控制，效益最大化”；農(nóng)網(wǎng)站內(nèi)電壓無功設(shè)備、10kV 線路及配變壓無功補(bǔ)償裝置廣泛應(yīng)用，通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將其進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，可以在更大程度上發(fā)揮設(shè)備作用，盡可能提高電網(wǎng)電壓合格率、更深入地挖掘農(nóng)網(wǎng)的降損潛力；電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用可大力推進(jìn)配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)、監(jiān)視技術(shù)和無功優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用，是智能電網(wǎng)的一個(gè)重要課題；電壓無功協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)高壓、中壓、低壓全覆蓋的電壓無功自動(dòng)控制，具有里程碑的意義，有力推動(dòng)了農(nóng)網(wǎng)電壓無功實(shí)用化控制技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

四、結(jié)論

電壓無功協(xié)調(diào)控制技術(shù)通過對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)壓及無功補(bǔ)償設(shè)備的合理控制，在不大量增加額外設(shè)備的前提下，能夠使得電網(wǎng)的電壓和無功調(diào)節(jié)能力達(dá)到應(yīng)用最大化。同時(shí)電壓無功協(xié)調(diào)控制技術(shù)的推廣將大力推進(jìn)配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)、監(jiān)視技術(shù)和無功優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用，并可作為智能電網(wǎng)的一個(gè)重要課題。

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（責(zé)任編輯：劉輝）