配電網電壓偏差綜合優化案例分析

羅家健

（廣州供電局有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

為用電用戶提供優質電能是電力企業的職責，也是社會評價電力行業的一個主要指標。通常的電能質量包括電壓幅值、頻率、諧波含量三個指標，對于處于穩態運行的配電網來說，最受關注的是電壓幅值偏離額定電壓值幅度的問題，即所謂電壓偏差問題[1]。

國標規定：35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%；220 V單相供電電壓偏差為標稱電壓的+7%，-10%[2]。電壓過高或過低都會使連入系統中的用電設備運行不正常，效率低下，甚至造成異步電動機堵轉，嚴重時更可能損壞設備[3]。當電壓偏離額定值過多時，甚至會影響到整個電力系統的穩定運行[4]。因此，改善供電質量，降低電壓偏差幅度，是電力企業需要面對的重要問題。

對于配電網來說，最常見的是電壓偏低的問題，造成的原因主要有設備陳舊，供電半徑過長，網架結構有缺陷，負荷過重，負荷在網絡中的分布不合理等。一方面造成電壓偏低的原因眾多，另一方面各因素間也存在著復雜的因果關系，使得對不同配電網提出通用的電壓質量改善方案極其困難，通常都需要結合各配電網的實際情況來制定特定的方案。

當然，對配電網進行電能質量的優化也是有規律可循的。通?？刹捎玫拇胧┌ǎ簾o功補償，配電網重構，調整變壓器分接頭，改變輸電設備阻抗等。本文對這些措施做概要闡述，隨后以實際配電網的電壓質量為例研究不同措施對電壓質量的改善效果，并得出具有通用性的結論。

1 改善配電網電壓偏差的常用措施

1.1 無功補償優化

配電網的無功優化是指針對已給定拓撲結構參數和負荷量等參數的配電網絡，應用優化算法，在滿足系統穩定運行的各種約束條件下，通過對控制變量（無功補償設備的投入位置和容量等）的優化，使得其中某一項或者多項性能指標（系統最大電壓偏移量最小、整體電壓偏移量最小或有功網損最小等）取得最優值的一種方法。它在保證電力系統安全、經濟運行，降低網損、穩定系統電壓等方面是一種重要的調節手段。

配電網中最常用的并聯無功補償裝置是并聯電容器組。通過分組投切并聯補償電容器組數，調節所補償的無功功率數量，起到調整電壓和降低網損的目的。然而由于其只能分組投切改變補償容量，不能連續調節，在進行并聯補償電容器配置時，需要按照“就地平衡、分級補償”的原則，在進行無功優化時，既要考慮到整個系統中的無功功率平衡，也要考慮局部地區的無功功率平衡，盡量減少無功功率在系統線路中的流動，否則就易造成在全局無功平衡的情況下，局部地區的無功過剩，抬高局部電壓。而其他地區的無功功率缺額，需要有線路傳送大量的無功功率，造成局部電壓過低，增加系統網損，因此需要充分利用集中補償和分散補償相結合的方式。

1.2 配電網重構

為了保護整定和故障定位的方便，配電系統具有閉環設計、開環運行的特點。配電系統中包含大量的常合分段開關及少量的常開聯絡開關。配電網重構的基本原理就是在滿足系統約束條件下通過網絡中分段開關和聯絡開關的分合，來改變網絡中的功率流動，以尋求一種符合某特定運行要求（如使網損最小或電壓偏移量最?。┑耐負浣Y構。

最優配電網絡重構技術既可作為一種網絡規劃工具，也可作為一種實時控制的工具。在正常的情況下，配電調度員根據運行情況進行開關操作以調整網絡結構。通過配電網重構，一方面可降低網損，提高系統的經濟性；另一方面可平衡負荷，消除過載，改善電壓分布，提高供電電壓質量，提高系統的可靠性。在故障情況下可進行恢復重構，以盡快多恢復供電面積。由此可見，配電網重構是提高配電系統安全性和經濟性的重要手段。

1.3 調整變壓器分接頭

電力系統中的變壓器常在其高壓側裝有分接頭，通過改變分接頭的位置可以改變變壓器的變比，從而達到調整系統中各點電壓的效果。

配電網中的變壓器包括兩種，一種為由更高電壓等級（如220 kV或110 kV）降壓到中壓（常為10 kV）的降壓變壓器，對其進行調整將影響到整條中壓饋線的電壓水平，故常在全線電壓偏高或偏低時進行調整來達到改善電壓質量的效果。另一種為中壓降壓到低壓（常為380 V）的降壓變壓器的變比，對其進行調整常只影響本臺區及有限的相鄰區域的電壓水平，從優化數學模型的角度來說更適于用來進行局部電壓質量的優化。

1.4 改變輸電設備阻抗

改變輸電設備阻抗包括改變變壓器型號和改變輸電線路型號兩部分內容。

改變變壓器的型號通常即為淘汰落后變壓器，將其更換成新型變壓器。這常屬于規劃層面的問題，需要的投資較大，改造的工作量也較大。而更換輸電線路的線徑相對來說容易一些，可以作為常規的一種改善電壓質量的措施。

適用于配電網不同電壓等級的輸電線路型號畢竟有限，故亦可采用窮舉法選擇對改善電壓質量最優的線路型號，但應注意一些約束條件，主要有如下兩點：一是距離電源近的支路節段線徑不能比距離電源遠的支路節段線徑??；二是在考慮電壓質量改善的同時亦應計及措施實施的經濟性。

2 實際案例分析

2.1 算例系統

以番禺地區某實際配電線路為例研究各種電壓偏差改善措施的效果，該配電線路10 kV 部分的拓撲結構見圖1。該線路內有某臺區發現了電壓偏低的現象，電壓偏差達到-8.5%，已超出了±7%的允許范圍，其地理接線圖見圖2。

2.2 無功補償優化

對前述配電線路進行無功優化的計算，假設每千乏無功補償需投資120 元，計算結果顯示應在表1 中所列各點加裝指定容量的無功補償裝置，總投資為19 200元。

各補償點在圖中的位置可見圖3，此時全網電壓幅值最低點電壓為209.53 V，對應電壓偏移量為-4.76%，已在允許的范圍之內，表明全網中已不存在電壓偏移量越限的節點，達到了優化的目標。

圖1 某10kV配電網拓撲結構

表1 無功補償地點及容量

2.3 配電網重構

被研究的配電線路通過聯絡開關與另一條配電線路相連，與之相連的配電線路的10 kV 拓撲結構見圖4。

對兩條配電線路合并后的電網絡進行配網重構計算，可知在將圖1 中部分臺區切換到圖4 中后，電網中最大電壓偏移量為-5%，不存在電壓越限的節點。配電網重構的方案見圖5。

2.4 調整變壓器分接頭

考慮改變電壓越限臺區配電變壓器分接頭位置對電壓質量的影響，所研究配電變壓器分接頭位置與最大電壓偏移量間的關系如圖6所示。

從圖6 中可見，本算例中優化前最大電壓偏移量達到-8.5%的原因是起初分接頭的位置在10 kV 處，將其下調至9.75 kV 檔位，則可將最大電壓偏移量降到-5.86%，若能繼續將分接頭下調至9.5 kV 檔位，則可將最大電壓偏移量降至-3.09%，已屬比較優質的供電。

當然，在10 kV 配電網中有些配電變壓器只有三個分接頭檔位，即只能在9.75 kV、10 kV、10.25 kV 中選擇，則通過調整變壓器分接頭只能將最大電壓偏移量降至-5.86%，亦可滿足要求。

2.5 改變輸電線路型號

圖3 無功補償地點

仔細分析圖2中的380 V電網可知，該電網電源點（配電變壓器降壓變壓器出口）電壓偏移為-3.11%，而三個終端負荷節點（葉子節點）電壓分別為-6.77%、-8.22%和-8.5%，均已超過或接近±7%的允許值。這是一種典型的電壓偏移“首低末低”的情況，通常在電源點進行無功補償可取得比較好的改善效果（詳見前文）。但由于電源點到各終端負荷節點中電壓也降落了4%～5%，考慮更換相關導線的型號也會取得一定的改善，其效果可見圖7 和圖8。還有一條導線線徑本來就已為120 mm2，不宜再更換為截面更大的導線，此處不再討論。

圖4 相關聯的另一條配電線路的10kV拓撲結構

圖5 配電網重構方案

圖6 配電變壓器變比與電壓偏移量的關系

從圖7 可見，將該段導線更換為截面更大的導線后，可以使末端負荷點電壓偏移回落到±7%以內，但即使導線截面積已達到50 mm2，此電壓偏移仍為-6%左右，效果并不顯著。從圖8 更可看出，無論如何更換導線型號，均無法將末端負荷點電壓偏移量降至符合要求的±7%。從上述兩圖均可看出隨著導線截面的增大，其對電壓質量的改善效果有放緩趨勢，即到一定程度后導線截面繼續增大不會對電壓質量的改善有明顯的效果，這是由低壓臺區“首低末低”的特點所決定的。

圖7 更換E2-1與E2-2間線徑對末端電壓節點電壓偏移的影響

2.6 各種優化方案的評估

2.6.1 單一優化措施的評價

從分析結果可見，就本算例而言，通過調整變壓器分接頭檔位獲得的效果最好，且沒有新增新的一次設備，實施的成本較低。當然，通過調整變壓器分接頭位置來改善電壓質量僅在電網無功較充足、且電壓偏移量本身相對較小時效果才比較好，同時又要求變壓器自身有足夠的調節范圍（分接頭檔位數），否則也無法充分發揮其效果。

圖8 更換E3-1與E3-2間線徑對末端電壓節點電壓偏移的影響

本例所做無功補償是在全網范圍內進行的，其中在所研究臺區電源點所做的無功補償對電壓質量的改善起直接的作用。無功補償的效果是比較顯著的，但需要加裝新的設備，通過本算例的測算，需要投資2 萬元左右，性能價格比還是比較優越的。

在本算例中發生電壓越限的配電線路通過聯絡開關與相關聯配電線路配電網重構，也可取得令人滿意的電壓質量效果。進行配電網重構只需利用已建設好的相關饋線的網架，不需新增一次設備，實施的成本較低。然而，配電網重構往往需要進行較復雜的倒閘操作，發生錯誤的概率增大，且有可能造成短時停電，影響供電可靠性。具體如何實施配電網重構的方案，需結合實際的情況綜合評估。

本算例中更換低壓臺區相關導線的型號也能起到一定的改善電壓質量的效果。但由于該臺區電源點處電壓已經低于額定電壓3%，屬于典型的“首低末低”型電壓質量問題，僅靠改善低壓臺區內部的380 V 電網無法取得本質性的改進，算例的計算結果也驗證了這一點。

2.6.2 多措施綜合優化

由于采用調整變壓器分接頭檔位的單一優化措施效果最好，此處以此為基礎開展進一步的綜合優化，即分析在前文所提配電變壓器分接頭檔位處于9.75 kV的情況下，采用其他優化措施的優化效果。

（1）調整分接頭+無功補償

表2 給出了此時無功優化的位置和容量，此時全網最大電壓偏移量僅為-2.77%。從表中可見，當調整了分接頭位置后，與表1 相比，僅需投入不足原來1/3的無功補償容量，即可達到更優的優化效果。

表2 改變配電變壓器分接頭位置后的無功補償位置和容量

（2）調整分接頭+配電網重構

計算表明在變壓器分接頭已調節的前提下進行配電網重構優化，得到的結果（包括重構的最終結果及電壓改善效果）與調整分接頭前的結果基本相同，故不作為綜合優化的方案。

（3）調整分接頭+更換線徑

圖9給出了相應變壓器分接頭調整至9.75 kV位置后更換E2-1 與E2-2 間線徑對末端電壓節點電壓偏移的影響。與圖7 相對照可以發現，此時更換導線線徑對減少末端電壓降落的效果更加不明顯，說明低壓臺區內部的導線線徑問題不是造成電壓降落的主要原因。故不推薦此種改善電壓質量的方案。

圖9 調整了分接頭后更換E2-1與E2-2間線徑對末端電壓節點電壓偏移的影響

2.6.3 綜合評價

前文提出的電壓質量綜合優化步驟可總結成圖10所示的框架。將其應用到對本文算例中可得出的電壓質量優化結果為：推薦采用調整配電變壓器分接頭的方式來改善電壓質量。在資金等條件許可的情況下，可以考慮調整分接頭與無功補償相結合的方式。

圖10 電壓質量綜合優化框架

3 結論

本文對一個實際配電網中存在的電壓偏低的問題開展了多種改善措施，分析結果表明各種措施均能將配網內最大電壓偏移量降至±7%的范圍之內。綜合來說，調整變壓器分接頭和配網重構只需利用現有設備，不需新增投資，尤其是調整變壓器分接頭的方案實施起來相對簡單，在本例中的效果也最好。投入無功補償或改變線路型號需要新增投資，但均可同時帶來新的效益，如降低網損率等。

改善配電網供電質量是一個極其復雜的問題，需要結合具體配電網的實際情況才能得出最優的方案。本文中給出的分析雖然僅針對文中算例，但其思路和分析流程具有一定的通用性，對于不同地區的配電網都是適用的，具有一定的推廣價值。

［1］何仰贊，溫增銀.電力系統分析：下［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［2］GB/T 12325-2008.電能質量：供電電壓偏差［S］.

［3］王毓東.電機學［M］.杭州：浙江大學出版社，1990.

［4］P.Kundur.Power System Stability and Control［M］.Mc-Graw-Hill Inc.，1995.