10kV 配電母線電壓偏高的原因及應(yīng)對策略分析*

謝湘寧，王亞文，趙莉萍

（1.國網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司，青海 西寧 810000；2.國網(wǎng)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(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，由于10kV 配電系統(tǒng)中的負荷變化較快，對配電系統(tǒng)的調(diào)壓性能要求較高。如果不能及時對配電系統(tǒng)的電壓進行調(diào)整，則容易出現(xiàn)電壓偏高或偏低的情況，這些都不利于配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，故應(yīng)對配電母線電壓進行優(yōu)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(diào)壓原則，之后闡述了配電母線出現(xiàn)電壓偏高的原因和母線電壓優(yōu)化控制的具體原理，最后進行了相應(yīng)的算例分析，結(jié)果表明本文所述的配電母線電壓優(yōu)化控制方法能夠解決地區(qū)電網(wǎng)電壓偏高的實際問題。

1 10kV 配電母線的調(diào)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(wǎng)中的負荷水平、無功功率等具有直接的關(guān)系，同時配電系統(tǒng)中的電容器、電抗器投切也會對配電母線電壓產(chǎn)生影響。為了保證10kV配電母線電壓穩(wěn)定，應(yīng)合理配置電容器、電抗器的容量，同時采用電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將變壓器分接頭、電容器、電抗器等調(diào)壓手段納入閉環(huán)控制系統(tǒng)中。

1.2 調(diào)壓原則

通過對配電母線進行電壓調(diào)整，可以使得配電母線的電壓偏移量η 在允許的范圍內(nèi)，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(yīng)在±7%范圍內(nèi)。

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(yù)估分析計算，決定采取何種調(diào)壓手段。對于配電母線的調(diào)壓原則，應(yīng)綜合考慮配電母線的電壓允許范圍、系統(tǒng)的無功功率情況、系統(tǒng)網(wǎng)損、負荷波動情況和可采取的調(diào)壓手段等，決定采取哪種方式調(diào)壓，一般可以采取九區(qū)圖控制方式，其控制策略如圖1 所示。

圖1 九區(qū)圖電壓控制策略

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

2 10kV 配電母線電壓的優(yōu)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(qū)電網(wǎng)的多時空斷面數(shù)據(jù)進行分析計算，并歸納總結(jié)，得出10kV 配電母線電壓出現(xiàn)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(xiàn)偏高。二是在節(jié)假日的負荷低谷時期，10kV 配電母線電壓偏高現(xiàn)象也較為嚴重。三是變壓器的變比設(shè)置和本地區(qū)的負荷特性不合適，此時110kV、220kV 等高壓側(cè)電壓合格，但10kV 低壓側(cè)電壓偏高。四是地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)的主變負載率不高，如在經(jīng)濟不夠發(fā)達的縣級電網(wǎng)中，負荷增長較慢，負荷性質(zhì)也大部分為居民用電負荷，導(dǎo)致變壓器負載率長期偏低，也容易出現(xiàn)10kV 配電母線電壓偏高的現(xiàn)象[2]。在這些地區(qū)電網(wǎng)中，電容器長期都不需要投入，在節(jié)假日等輕負荷期間，還會出現(xiàn)較為嚴重的無功功率倒送的情況。五是10kV出現(xiàn)電纜線路占多數(shù)的配電母線，也容易出現(xiàn)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(xiàn)了倒送無功功率的現(xiàn)象，導(dǎo)致母線電壓偏高。在夜間負荷低谷時期，這些專變用戶應(yīng)適當調(diào)整無功補償設(shè)備的無功輸出功率，防止10kV 配電母線出現(xiàn)電壓偏高的現(xiàn)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(diào)節(jié)時無法發(fā)揮作用[3]。八是測量PT 系數(shù)設(shè)置不對或PT 裝置故障，導(dǎo)致測量的母線電壓數(shù)據(jù)不準，調(diào)度主站收到的數(shù)據(jù)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(xiàn)電壓偏高原因，采取具體的電壓應(yīng)對策略和治理措施。

2.2 優(yōu)化控制基本原則

電壓優(yōu)化控制需要綜合考慮系統(tǒng)的整體運行情況，保證調(diào)節(jié)本母線電壓的同時，不應(yīng)對其他區(qū)域電壓造成影響。一般而言，當配電母線電壓越限時，應(yīng)生成投切無功設(shè)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(shè)備后，電壓恢復(fù)正常，同時也沒有出現(xiàn)較大的無功倒送等情況，則可以直接投切無功設(shè)備[4]。如果當投切無功設(shè)備后，某條配電母線電壓出現(xiàn)了越限的情況，則應(yīng)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(shè)備，確保母線不出現(xiàn)電壓越限的情況。

電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)在運行的過程中，需要在滿足各個約束條件的前提下，優(yōu)化系統(tǒng)的無功分布和調(diào)壓設(shè)備的控制策略[4]，只有經(jīng)過預(yù)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(fā)，完成電壓調(diào)節(jié)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(cè)無功已經(jīng)合理，則優(yōu)先調(diào)節(jié)分頭，如分頭不可調(diào)，則投切無功設(shè)備。如果高壓側(cè)無功不合理[5]，并且無功的調(diào)節(jié)方向與中低壓側(cè)電壓一致，則優(yōu)先投切無功設(shè)備，如果無功設(shè)備不可投切，則調(diào)節(jié)分頭。這些在電壓控制的過程中，也應(yīng)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(yōu)化控制模型

對于配電母線的電壓優(yōu)化模型，可以以電壓偏移量最小、調(diào)壓設(shè)備動作次數(shù)最少、無功網(wǎng)損最小作為多目標函數(shù)，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(diào)壓動作次數(shù)。對于電壓優(yōu)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(jié)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(yōu)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(yōu)化控制模型進行求解。模型求解之后，可以得出相應(yīng)的配電母線電壓控制策略。

3 仿真分析及電壓應(yīng)對策略

3.1 計算結(jié)果

根據(jù)某地區(qū)電網(wǎng)的多時空斷面數(shù)據(jù)和網(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)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(yīng)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(tǒng)容量較大，電壓穩(wěn)定較高，故調(diào)壓設(shè)備的動作次數(shù)較少，110kV 變電站和35kV 變電站的動作次數(shù)較多。以110kV 變電站為例，通過在該變電站10kV 側(cè)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(diào)壓設(shè)備動作次數(shù)也不同，通過選取每個月的典型負荷曲線和發(fā)電曲線，計算得出的該變電站每個月份的調(diào)壓設(shè)備動作次數(shù)如圖2 所示。

圖2 某110kV 變電站調(diào)壓設(shè)備的動作折線圖

從上圖2 可知，在母線電壓的調(diào)節(jié)過程中，電容器和電抗器的動作次數(shù)比變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)偏多，因為系統(tǒng)的無功功率分布調(diào)節(jié)主要需要依靠電容器和電抗器的投切才能完成，調(diào)整變壓器分接頭的位置只能在較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓。

3.2 電壓應(yīng)對策略及治理措施

根據(jù)上述10kV 配電母線電壓偏高問題的分析，具體的電壓優(yōu)化策略及治理措施如下所述：首先在10kV配電母線經(jīng)常出現(xiàn)電壓偏高的變電站，根據(jù)負荷容量和主變?nèi)萘考友b一定容量的電抗器。其次，應(yīng)加強對10kV配電系統(tǒng)的無功管理，特別是專變用戶的夜間無功管理，防止出現(xiàn)無功倒送的情況。再次，強化對無功補償設(shè)備的運維，保證設(shè)備能夠正常可靠動作。在具有光伏等新能源上網(wǎng)的配電線路，應(yīng)保證光伏電站內(nèi)的SVG 等無功調(diào)壓設(shè)備處于開機運行狀態(tài)，降低光伏并網(wǎng)對配電系統(tǒng)電壓的影響，并提供相應(yīng)的電壓支撐。最后，應(yīng)提高自動調(diào)壓控制系統(tǒng)（AVC）閉環(huán)運行的覆蓋率，全面改善地區(qū)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。通過在配電系統(tǒng)中采用自動調(diào)壓系統(tǒng)，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(diào)壓技術(shù)的發(fā)展，母線電壓的穩(wěn)定性也會得到提高，保證配電系統(tǒng)的安全運行。

4 結(jié)束語

10kV 配電母線電壓的影響因素較多，應(yīng)針對10kV配電母線出現(xiàn)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(wěn)定性。本文詳細分析了10kV 配電母線電壓優(yōu)化控制模型和控制原理，并提出了具體的電壓偏高應(yīng)對策略，在實際地區(qū)電網(wǎng)配電母線的控制中加以應(yīng)用。