配電網功率潮流優化平衡的策略與措施

丁銀偉 趙良 方銀權 張一舟 顧聲樂

（國網余姚市供電公司 浙江省余姚市 330281）

1 配網電纜對配電網功率潮流的影響分析

電纜線路在交流電壓作用下產生容性無功功率，對系統充電，進而影響系統功率潮流平衡和流動方向，進而影響電壓。交流電壓作用下該現象更加明顯。

1.1 電纜的無功充電功率

電纜的無功充電功率與其對地電容以及兩端節點電壓平方成正比。不同截面電纜(此處主要指XLPE 類電纜)各等級電壓下的充電特性如表1 示。

由此可知，電壓等級220kV 及以上XLPE 類電纜無功充電容值比較大，對電網電壓影響和線路損耗也大。電纜對地電容充電功率大造成配置電纜比例高的電網系統無功充電功率就較高，進而影響電網自身供電線路和相關節點的電壓質量，進而影響整個配網系統功率潮流方向和均衡性。

1.2 電網電纜對電網功率潮流的影響分析

電網電纜對電網功率潮流的影響是復雜和系統的，要全面分析研究。交流電下，XLPE 類電纜會電網系統充容性無功，而且電壓等級越高、截面越大、長度越長，則充電無功的功率越大。此時就會造成電網該線路兩端節點電壓升高，同時因在電網中存在的沖電無功功率流動，進而整個配電網系統功率潮流方向及平衡性都受到很大影響，線路兩端電壓質量也不穩定。

同一線路在不同負載率下，其對配電網功率潮流的平衡性影響也相差很多。負荷較低時，電網電壓較高，此時XLPE 線路的充電功率較大，功率潮流某種程度超前容性化明顯，將會顯著抬升系統電壓；嚴重時，甚至可造成電壓高于固定上限值，此時要采取必要的方法措施來抑制電纜效應的充電不利影響；電網重負荷，此時電網電壓較低，這時電纜的充電效應又可以彌補無功缺口，起到提升電壓質量的作用，就無需治理。

2 平衡策略分析

2.1 功率潮流平衡理論

電網中功率潮流平衡，主要指無功功率潮流不能超前，然后又盡可能臨近臨界點，即電網無功電源提供無功功率 ≥（本網絡系統負荷需要無功功率 + 系統自身無功功率損耗）。故配電網功率潮流平衡本文主要對無功潮流平衡優化進行分析研究。

進行配電網無功潮流平衡優化需要在系統電壓在正常范圍進行，電壓過高和過低均不得改善。否則，為無功補償優化采用某方法手段，如改大臺區互感器變比抬高電網系統某部電壓，但電網全域的無功功率仍然不足，則該電網的整個系統電壓并不能保持一個穩定的范圍，就更談不上質量良好。原因是此時電網全域的無功功率仍然不夠，這時的功率潮流平衡是無功電源因低電壓下本體的電壓調節，使電網需求無功功率的下降形成的平衡。

通常電網系統電壓與電網額定電壓是相同的,其功率Q 同電壓U 的關系如1 曲線所示，負載無功和其電壓關系如2 曲線示，兩線的交點a 決定了節點負荷的電壓Ua 。關系如圖 1 示。

如2 曲線示，負載率與電流變大時，若電網中的無功容性電源不變，此時電網無功曲線關系如1 曲線無變化，交點a＇代表新無功功率穩定平衡點，此刻負荷點電壓Ua′也因此確定，并且從圖中可知Ua′

表1：不同電壓等級下XLPE 類電纜充電特性

2.2 功率潮流平衡優化的策略

部頒版《電力系統電壓和無功電力技術導則》里有敘述：電網系統無功補償配置要遵循“總體平衡與局部平衡相結合；電力補償與用戶補償相結合；分散補償與集中補償相結合；降損與調壓相結合，以降損為主”原則。

故電網系統無功優化建設，應盡可能分層(按電壓)和分區(按地區)分散補償，就地平衡調節，以免無功電力越級和遠距離傳輸。

2.3 無功潮流優化平衡控制與策略

電網系統的無功潮流優化平衡控制與策略，一般按“9 區圖”如圖2。各區域內，用最合適電容組合和先投先切順序控制投入和退出電容、電抗等設備，用以進入“9 區”運行。

控制電壓遵循逆調壓原則，當電壓、無功功率波動任一參數超出允許偏差范圍(Ux～Us)或(Qx～Qs)時，依照整定偏移量，進行電容投入或退出、同時變壓器分接頭切換命令，實現電壓調整和無功平衡的目標。

為了實現無功功率動態、實時平衡和無功潮流的平衡分布，建議建模后取得最佳策略方案，盡量操作次數少，以損失小、全網關鍵負荷點電壓合格為目標，自動優化變壓器分接頭調節與電容器自動智能投切為控制手段。

3 配電網功率潮流優化平衡的采取常見措施

XLPE 類電纜對電網功率潮流產生影響的根源，在于XLPE 類電纜較大的對地電容，尤其在交流電壓作用下會有更加明顯的無功充電功率。為了解決因電網的大量無功充電造成的負荷節點電壓升高越限，須電網中配置適當量的感性負載補償或容性功率吸收，以平衡優化系統中的無功功率。電力系統對消除電纜線路電容電流的主要措施如下：

3.1 高壓系統安裝并聯電抗器

加裝并聯電抗器是10kV 以上高壓系統中限制電容電流最常用方法。根據線路電容電流大小，其安裝位置分為兩種：

（1）大于5A 時，建議安裝在進線斷路器出口側安裝，可以保證隔離開關可靠操作；

（2）小于5A 時，建議安裝在10kV 高壓母線上，可以預防輕載運行時，向電網反送無功。

3.2 低壓配電系統安裝靜止式無功發生器（SVG）

SVG 因其可不間斷向電網輸出容、感性電流，建議可以安裝在配網中的臺區低壓側總出線側，作為無功補償及濾波治理使用。當臺區線路的電容電流不超過5A，但輕載運行向電網反送無功時，若低壓臺區適合安裝SVG，則SVG 發生感性電流，來限制線路電容電流。但該方式造價相對較高。

3.3 低壓配電系統加裝感容性功率自動平衡模組

余姚供電公司為解決低壓配電系統中的電纜電容效應，與合作單位研究了一種經濟、有效、安全穩定的感容性功率抑制并網模塊和一種可以實時監測出配網“弗蘭梯”效應的儀表。通過對現有低壓配電網器件改造和調整，完美消除了低壓配電系統中“弗蘭梯”效應。

全象限功率監測分析儀，監測配電網的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率超前、滯后裕度量及潮流方向等電能質量指標。抑制模組智能根據分析儀全象限功率潮流分析和抑制方案，自動判定投入、切除抑制模組單元，進而消除系統的“弗蘭梯”效應。在配網系統功率超前時，并能控制調節配電系統配置的電容投入，滿足功率因數達標功能。余姚電網某區域電網圖如圖3 所示。

#6 變電站進行示范，設其于1 區運行，即10kV 母線電壓小于Ux，此時臺變高壓側的無功功率高于上限設定值，控制系統則會優先進入電容調節程序，算出要投入的電容容量，滿足10kV 側不能反送無功到35kV 側，且不能超出無功受電的整定下限。若投入全部電容后，系統無功仍有缺口，則系統執行變壓器分接頭調節指令，強行提高低壓側母線電壓，使其達到或高于Ux，但此時變電站無功負荷潮流可能不滿足整定要求，應根據負荷預測，增加電容裝設容量。

于2 區運行，即10kV 母線電壓達到或高于其Ux，同時臺變高壓側所無功功率潮流大于其上限設定值，則系統發出電容投入指令，補償無功減小變電站無功受電。電容全投入后如果無功仍然不足，因電壓在合格范圍內，則系統不進行分接頭調節，維持原運行狀態。對于電容容量不足可通過增加電容的裝設容量來滿足。

在3 區運行時，由于電壓超過Us，但無功受電也較多，超過上限，是因變壓器變比不合適引起，控制系統以此條件判斷。先發出分接頭調節指令進行降壓，若分接檔位調至下限時，電壓仍超過Us，此時應調節上一級變壓器（4）分接頭降低電壓。不切除電容是因切除后，無功受電會更大，不符合網損盡量小的原則。此外，可采取調整負荷結構，平衡無功負荷的措施，不使其過于集中。

在4 區運行時，第一步與3 區調整原則一致，第二步控制系統在保證無功合格的條件下，切除部分電容，減少其對電壓的抬升作用。

5、6、7、8 區相對應，相反的調節指令。

經過余姚電網某區域電網10kV 以下低壓配電系統加裝感容性功率自動平衡模組實施后，低壓臺區配電網完全消除了系統的電纜效應影響；同時，高壓側功率因數由0.87 提高到0.96。

4 結論

解決電纜化應用程度較高對配電網功率潮流的不良影響很有必要性，用新技術、新產品和傳統手段任何完美實現區域電網系統的功率潮流平衡優化，電網電壓質量和功率損耗、潮流平衡控制在一個穩定安全的范圍內，降低空載線路功率損耗，提高低壓配電網的電壓質量和限制弧光接地過電壓現象的發生。為電力公司、用電客戶帶來一定的經濟效益，為社會節能減排事業做出貢獻，產生巨大的社會效益。