10kV 配電母線電壓偏高的原因及應對策略分析*

謝湘寧，王亞文，趙莉萍

（1.國網青海省電力公司西寧供電公司，青海 西寧 810000；2.國網青海省電力公司，青海 西寧 810000）

引言

10kV 配電母線在目前的配電系統中應用十分廣泛，由于10kV 配電系統中的負荷變化較快，對配電系統的調壓性能要求較高。如果不能及時對配電系統的電壓進行調整，則容易出現電壓偏高或偏低的情況，這些都不利于配電系統的安全穩定運行，故應對配電母線電壓進行優化控制[1]。本文首先分析了10kV 配電母線電壓的影響因素和調壓原則，之后闡述了配電母線出現電壓偏高的原因和母線電壓優化控制的具體原理，最后進行了相應的算例分析，結果表明本文所述的配電母線電壓優化控制方法能夠解決地區電網電壓偏高的實際問題。

1 10kV 配電母線的調壓原則

1.1 10kV 配電母線電壓的影響因素

配電母線的電壓水平和配電網中的負荷水平、無功功率等具有直接的關系，同時配電系統中的電容器、電抗器投切也會對配電母線電壓產生影響。為了保證10kV配電母線電壓穩定，應合理配置電容器、電抗器的容量，同時采用電壓優化調節系統，將變壓器分接頭、電容器、電抗器等調壓手段納入閉環控制系統中。

1.2 調壓原則

通過對配電母線進行電壓調整，可以使得配電母線的電壓偏移量η 在允許的范圍內，電壓偏移量η 的計算公式如下式所示，一般10kV 配電母線的電壓偏差應在±7%范圍內。

當10kV 配電母線電壓接近允許極限時，此時通過電壓控制策略的預估分析計算，決定采取何種調壓手段。對于配電母線的調壓原則，應綜合考慮配電母線的電壓允許范圍、系統的無功功率情況、系統網損、負荷波動情況和可采取的調壓手段等，決定采取哪種方式調壓，一般可以采取九區圖控制方式，其控制策略如圖1 所示。

圖1 九區圖電壓控制策略

在圖1 中的九區圖電壓控制策略中，主要的控制參數包括電壓U 和無功功率Q，主要的運行狀態包括電壓過高、過低和合格。當系統的無功功率不足時，可以通過投入電容器設備，補充系統所需的無功。

2 10kV 配電母線電壓的優化控制模型

2.1 10kV 配電母線電壓偏高的原因分析

通過對某地區電網的多時空斷面數據進行分析計算，并歸納總結，得出10kV 配電母線電壓出現偏高的原因主要包括以下幾類：一是在平常夜間等負荷較小的時段，此時配電母線電壓容易出現偏高。二是在節假日的負荷低谷時期，10kV 配電母線電壓偏高現象也較為嚴重。三是變壓器的變比設置和本地區的負荷特性不合適，此時110kV、220kV 等高壓側電壓合格，但10kV 低壓側電壓偏高。四是地區電網內的主變負載率不高，如在經濟不夠發達的縣級電網中，負荷增長較慢，負荷性質也大部分為居民用電負荷，導致變壓器負載率長期偏低，也容易出現10kV 配電母線電壓偏高的現象[2]。在這些地區電網中，電容器長期都不需要投入，在節假日等輕負荷期間，還會出現較為嚴重的無功功率倒送的情況。五是10kV出現電纜線路占多數的配電母線，也容易出現電壓偏高的情況。此時由于電纜線路的對地電容較大，線路的充電功率也在一定程度提高了電壓。六是10kV 配電母線中的部分專變用戶出現了倒送無功功率的現象，導致母線電壓偏高。在夜間負荷低谷時期，這些專變用戶應適當調整無功補償設備的無功輸出功率，防止10kV 配電母線出現電壓偏高的現象。七是變電站中的無功補償裝置故障率較高，在需要進行電壓調節時無法發揮作用[3]。八是測量PT 系數設置不對或PT 裝置故障，導致測量的母線電壓數據不準，調度主站收到的數據顯示配電母線電壓偏高。本文主要針對前六種類型的10kV 配電母線出現電壓偏高原因，采取具體的電壓應對策略和治理措施。

2.2 優化控制基本原則

電壓優化控制需要綜合考慮系統的整體運行情況，保證調節本母線電壓的同時，不應對其他區域電壓造成影響。一般而言，當配電母線電壓越限時，應生成投切無功設備的電壓控制策略，以消除母線電壓越限的情況。如果判斷當投切無功設備后，電壓恢復正常，同時也沒有出現較大的無功倒送等情況，則可以直接投切無功設備[4]。如果當投切無功設備后，某條配電母線電壓出現了越限的情況，則應細化電壓控制策略，如先使變壓器的分接頭動作，再投切無功設備，確保母線不出現電壓越限的情況。

電壓優化控制系統在運行的過程中，需要在滿足各個約束條件的前提下，優化系統的無功分布和調壓設備的控制策略[4]，只有經過預估當采用所生成的電壓控制策略后，不會對其他母線電壓造成影響，才可以將電壓控制策略下發，完成電壓調節過程。在實際的控制過程中，以變壓器的控制為例，如果高壓側無功已經合理，則優先調節分頭，如分頭不可調，則投切無功設備。如果高壓側無功不合理[5]，并且無功的調節方向與中低壓側電壓一致，則優先投切無功設備，如果無功設備不可投切，則調節分頭。這些在電壓控制的過程中，也應考慮到電壓控制模型中，保證電壓控制策略的合理。

2.3 電壓優化控制模型

對于配電母線的電壓優化模型，可以以電壓偏移量最小、調壓設備動作次數最少、無功網損最小作為多目標函數，如式（2）所示。

式（2）中 NR、NX和 NB分別為電容器、電抗器和有載變壓器分接頭的調壓動作次數。對于電壓優化模型中的約束條件，主要包括等式和不等式約束，等式約束主要是功率平衡約束，如式（3）。

不等式約束主要包括無功上下限約束、節點電壓上下限約束和支路潮流約束等，分別如式（4）～（6）所示。

優化控制模型建立之后，可以采用人工智能算法對所建立的優化控制模型進行求解。模型求解之后，可以得出相應的配電母線電壓控制策略。

3 仿真分析及電壓應對策略

3.1 計算結果

根據某地區電網的多時空斷面數據和網架拓撲結構，構建出配電母線電壓控制模型，并通過對電壓控制模型進行求解，得出相應的電壓控制策略。10kV 配電母線分布在各個電壓等級的變電站中，由于220kV 變電站的系統容量較大，電壓穩定較高，故調壓設備的動作次數較少，110kV 變電站和35kV 變電站的動作次數較多。以110kV 變電站為例，通過在該變電站10kV 側加裝10MVar 的電抗器，10kV 母線電壓降至 10.3～10.4kV。當加裝 15MVar 的電抗器，10kV 母線電壓降至 10.0 ～10.2kV，降壓效果較為明顯。此外從全年的時間尺度來看，每個月的調壓設備動作次數也不同，通過選取每個月的典型負荷曲線和發電曲線，計算得出的該變電站每個月份的調壓設備動作次數如圖2 所示。

圖2 某110kV 變電站調壓設備的動作折線圖

從上圖2 可知，在母線電壓的調節過程中，電容器和電抗器的動作次數比變壓器分接頭調節次數偏多，因為系統的無功功率分布調節主要需要依靠電容器和電抗器的投切才能完成，調整變壓器分接頭的位置只能在較小范圍內調節電壓。

3.2 電壓應對策略及治理措施

根據上述10kV 配電母線電壓偏高問題的分析，具體的電壓優化策略及治理措施如下所述：首先在10kV配電母線經常出現電壓偏高的變電站，根據負荷容量和主變容量加裝一定容量的電抗器。其次，應加強對10kV配電系統的無功管理，特別是專變用戶的夜間無功管理，防止出現無功倒送的情況。再次，強化對無功補償設備的運維，保證設備能夠正?？煽縿幼鳌Ｔ诰哂泄夥刃履茉瓷暇W的配電線路，應保證光伏電站內的SVG 等無功調壓設備處于開機運行狀態，降低光伏并網對配電系統電壓的影響，并提供相應的電壓支撐。最后，應提高自動調壓控制系統（AVC）閉環運行的覆蓋率，全面改善地區配電網的電壓質量。通過在配電系統中采用自動調壓系統，能夠有效解決配電母線電壓過高或過低的問題，有效管控配電母線電壓指標。隨著配電母線調壓技術的發展，母線電壓的穩定性也會得到提高，保證配電系統的安全運行。

4 結束語

10kV 配電母線電壓的影響因素較多，應針對10kV配電母線出現電壓偏高的原因，制定配電母線電壓的可行性治理措施，提高配電母線電壓的運行穩定性。本文詳細分析了10kV 配電母線電壓優化控制模型和控制原理，并提出了具體的電壓偏高應對策略，在實際地區電網配電母線的控制中加以應用。