配電網(wǎng)低壓電能質量問題的評估與應對策略

劉 飛 趙海玲 劉冬季

（國網(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)管部門對供電服務指數(shù)及相關指標的考核力度愈演愈大，而供電公司將承受巨大的供電服務壓力，電能質量問題再次引發(fā)廣泛關注[1-3]。穩(wěn)定及安全的電力供應是城市用戶正常用電以及安全用電的根本保障。在我國城鎮(zhèn)實際的電力供應過程中，普遍存在低電壓現(xiàn)象。而電壓降低會產(chǎn)生一定的危害：一是在電能計量方面，電壓降低會導致電能表的讀數(shù)不準，從而影響計量結果；二是在線損方面，電壓降低會使得供電線路電流增大、功率因數(shù)下降，從而導致線路損耗的增加，增加供電企業(yè)的經(jīng)濟負擔[4]，因此研究如何進一步抑制電壓降低不僅可以提高供電服務質量，還能更大地節(jié)省電力能源。

1 低電壓產(chǎn)生的機理及影響

1.1 低電壓產(chǎn)生的機理

從嚴格意義上講，影響電能質量的因素主要包括電壓、頻率、波形。從普遍的角度上來談電能質量主要包括電壓質量、電流質量、供電質量，而站在用戶用電用能的角度上談電能質量就可以理解為，導致用戶用電設備不能正常工作或者運轉的電壓、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、瞬時過電壓等現(xiàn)象[5]。其中低電壓的現(xiàn)象較為明顯，關于低電壓的形成原因可以用圖1來進一步分析。由圖1可知臺區(qū)電壓降落可以表示為U2=U1－△U=U1－I（R＋JX）=U1－（I有RI無R），進而可以得出，影響臺區(qū)電壓降落的因素主要由以下幾個方面組成：一是配電線路距離較遠導致阻抗（R和J）較大。二是由于配電臺區(qū)中的大用電負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，用電負荷增加。四是由于I無增大，無功功率增加，功率因數(shù)降低。

圖1 配電線路簡易圖

1.2 臺區(qū)低電壓對電能計量的影響機理

低電壓對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，其影響過程較為復雜。當供電線路的電壓進一步降低時，此時線路電流增大，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能元件，當供電線路電壓降低時，儲能元件釋放電能的速度會進一步發(fā)生變化，從而導致電能表機械指示位置會發(fā)生變化，從而影響計量精度[4-5]。目前的電能表計分為機械式、智能式和電子式電能表，通過低電壓對電能表的影響機理分析可以得知，機械式電能表受電壓波動最為明顯，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械結構不同而產(chǎn)生的[4]。

1.3 臺區(qū)低電壓對電力系統(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進一步受到影響，因而降低了電力系統(tǒng)有功出力的穩(wěn)定特性，若電壓進一步降低，會產(chǎn)生電壓崩潰[6]。而電力系統(tǒng)的無功補償若得不到有效彌補，則會進一步加劇系統(tǒng)電壓降低，導致電壓降低的趨勢更加惡化[6]，而系統(tǒng)無功補償主要依賴于電壓無功補償控制來得以實現(xiàn)。目前，低壓配網(wǎng)側電壓無功控制主要存在以下問題：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，功率因數(shù)低，線路損耗大，末端電壓質量差；②地區(qū)內農村灌溉使用大量水泵，負荷較重，且持續(xù)時間較長，導致線路低電壓頻繁；③電壓無功調節(jié)設備不全面，有載調壓變等設備還未裝備，普遍為無載配變；④地區(qū)現(xiàn)有自動控制系統(tǒng)是對電壓和無功進行孤立的調節(jié)，沒有把電壓與無功的調節(jié)有機地結合起來，應用功能單一，實用性不強。而且電壓無功調節(jié)設備都只是單點分布（自動投切），無法實現(xiàn)系統(tǒng)級的無功電壓協(xié)調控制，動作次數(shù)過于頻繁，嚴重影響了供電質量和穩(wěn)定性；⑤配電網(wǎng)中的通訊因網(wǎng)絡信息安全法，禁止無線通訊模式的遙控和遙調，無法實現(xiàn)對下屬調節(jié)設備的投切控制。

2 無功補償對臺區(qū)低電壓的有效措施

在交流電力系統(tǒng)當中，電磁感應是電能轉換和傳輸?shù)幕瑹o論是電能的轉換設備還是電能的傳輸設備均是如此，在電能時刻的傳輸變換過程當中，時刻伴隨著電磁場的不斷交替，保持著電能守恒這一基本規(guī)定。而在電力系統(tǒng)能量交互時主要依靠電感電容元件，以無功功率的形式體現(xiàn)在電網(wǎng)當中，但是無功增大后會使得輸電線路電流進一步增加，當電流流過輸電線路后會產(chǎn)生大量的無功損耗，從而進一步降低線路電壓[7]。因此，在既不增大線路無功又能滿足系統(tǒng)感性元件對無功的消耗的情況下，達到提高臺區(qū)輸電線路電壓的目的，但是在實際的配電網(wǎng)線路當中，由于對無功的控制得不到合理化，從而出現(xiàn)控制區(qū)域無功供不應求的現(xiàn)象，導致供電負荷從其他地方獲取無功，使得無功遠距離開始傳輸，導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)線路設置較為復雜及輸電距離較長，在電網(wǎng)用電負荷高峰期會出現(xiàn)電壓幅值急劇下降，為解決配電網(wǎng)低電壓問題，需要進一步對配電網(wǎng)線路模型進行研究，以達到在高峰用電負荷時期，對各區(qū)域無功進行有效的調節(jié)和控制，進而達到對線路電壓的控制。而現(xiàn)有的分區(qū)方法如自由分區(qū)法、均一網(wǎng)格法等負荷分區(qū)法均沒有充分考慮分區(qū)內無功平衡的約束[9]，從而導致電壓得不到有效抑制，在本文中先對配電區(qū)域進行有效的分區(qū)，原則為：由于配網(wǎng)線路各鏈接節(jié)點處電壓和無功存在著一定的約束關系，可以將其定義為一個無功電源點，再根據(jù)各節(jié)點之間的電氣距離確定區(qū)域的合成，從而確定無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)點處的電壓變化量對另一節(jié)點無功功率變化量的比值K。即K=△U/△Q，假定配電線路網(wǎng)絡當中，某一節(jié)點N處的有功為P，無功為Q，其表達式為[9]：

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

根據(jù)亞克比方程式的推導，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功的比值K之間的關系可以進一步表示為：

本文中提出對配網(wǎng)線路進行分區(qū)，其目的是使所分的各個區(qū)域之間的無功補償?shù)玫接行У姆峙洌鲄^(qū)域之間的距離最小，對配網(wǎng)線路的電壓調節(jié)能力達到最大，約束表達式可以寫成如下方式：

約束條件滿足以下幾個條件，一是每個區(qū)域內部的總無功要大于等于調整電壓所消耗的無功；二是對分區(qū)中的節(jié)點數(shù)做出合理的規(guī)劃，節(jié)點數(shù)量太多，導致發(fā)出的無功總量太多過剩，若節(jié)點數(shù)量太少，導致無功太少，達不到平衡。圖2中配網(wǎng)線路的配網(wǎng)算例共17個節(jié)點，電壓等級為110kV，共有配變變壓器 9臺，無功補償裝置4臺，其接線圖如圖2所示。假定變壓器的基準功率為101kVA，基準電壓10kV，高壓側母線電壓為110kV，發(fā)電機至三相繞組變壓器節(jié)點1處為平衡節(jié)點，本文中計算所采用的數(shù)據(jù)均為某一時段，系統(tǒng)自動采集的數(shù)據(jù)，利用SCADA及Matlab進行仿真得出，如表1～表5所示。為進一步地簡化計算及分析，本文中對圖中所連的設備逐一進行調節(jié)。

表1 無功補償設備數(shù)據(jù)（標幺值）

表2 發(fā)電機數(shù)據(jù)

表3 10kV配網(wǎng)線路負荷電氣參數(shù)

表4 等效不可調變比雙繞組變壓器支路數(shù)據(jù)（標幺值）

表5 線路參數(shù)

圖2 110kV節(jié)點配網(wǎng)線路圖

采用無功控制分區(qū)方法，得到電壓無功控制分區(qū)，然后，再逐一進行計算各個分區(qū)的目標函數(shù)，區(qū)域一的目標函數(shù)為minf1（x）=0.00344，區(qū)域二的目標函數(shù)為minf2（x）=0.00423，區(qū)域三的目標函數(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）。可以得出節(jié)點5與節(jié)點6之間的電氣距離為0.0048，節(jié)點6與節(jié)點9之間的電氣距離為0.0053，很明顯不同區(qū)域邊界節(jié)點的電氣距離要大于同一區(qū)域內的節(jié)點電氣距離，可以看出在同一個區(qū)域內不同節(jié)點之間的電氣距離聯(lián)系比較緊密，因而分區(qū)比較合理。

3 結束語

本文中提出的配網(wǎng)輸電線路的配電網(wǎng)分區(qū)方法以無功電源節(jié)點為初始節(jié)點，以配網(wǎng)輸電線路電氣距離為分區(qū)依據(jù)，以目標函數(shù)和約束條件為分區(qū)準則，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)滿足無功平衡條件與節(jié)點電壓的調節(jié)要求，為配網(wǎng)輸電線路建立通過提升無功補償來進一步遏制配網(wǎng)線路電壓降低問題提供了電壓整治方法和基礎。