基于歸一負(fù)荷矩的配電網(wǎng)低電壓補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)

鄧海平

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局）

0 引言

近幾年，配電網(wǎng)發(fā)生巨大的改變。為了能夠滿足負(fù)荷不斷增長(zhǎng)的需求，配電網(wǎng)的規(guī)模以及容量都快速擴(kuò)大，使得原有復(fù)雜配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，部分地區(qū)的配電網(wǎng)發(fā)展與負(fù)荷的增加表現(xiàn)出不同步的現(xiàn)象，進(jìn)而造成配電網(wǎng)的末端電壓逐漸降低。加之，在當(dāng)前科技水平不斷提升的背景下，配電網(wǎng)中出現(xiàn)越來(lái)越多對(duì)電壓要求極高的敏感負(fù)荷，進(jìn)一步增加配電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，極易造成潮流反向流動(dòng)，最終導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)電壓的問(wèn)題［1］。電壓是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)也是保障供電服務(wù)的基礎(chǔ)條件［2］。但由于近幾年各地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件的逐漸改善，用電設(shè)備在近幾年呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，造成低電壓?jiǎn)栴}頻頻發(fā)生，嚴(yán)重影響用電用戶的正常生活和生產(chǎn)工作。當(dāng)前，在實(shí)際開(kāi)展對(duì)低電壓的整治時(shí)，由于缺少理論指導(dǎo)，會(huì)嘗試對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行大范圍改造，以此解決低電壓?jiǎn)栴}，進(jìn)而造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)消耗大量的人力、物力［3］。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)低電壓的整治，本文在引入歸一負(fù)荷矩的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)配電網(wǎng)低電壓補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

1 基于歸一負(fù)荷矩的配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷矩計(jì)算

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中低電壓的精準(zhǔn)補(bǔ)償與調(diào)控，本本將引進(jìn)歸一負(fù)荷矩，對(duì)配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中的低電壓負(fù)荷矩進(jìn)行計(jì)算。在此過(guò)程中，應(yīng)先建立針對(duì)配電網(wǎng)的低壓電路模型，根據(jù)不同接線之間的關(guān)系，進(jìn)行線路損耗的計(jì)算［4］。計(jì)算過(guò)程中，定義配電網(wǎng)中電力線路在輸電過(guò)程中的單位阻抗表示為R＋jX，明確阻抗在電路中所攜帶的負(fù)荷值，與其線路功率因數(shù)之間存在一定的關(guān)系，定義負(fù)荷值表示為P，線路功率因數(shù)表示為cosφ，可根據(jù)不同參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)配電網(wǎng)在輸電過(guò)程中的線路損耗進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下。

式中，Δu表示配電網(wǎng)在輸電過(guò)程中的線路損耗；l表示配電網(wǎng)輸電線路長(zhǎng)度；U表示額定電壓值，計(jì)算中，U的取值一般為固定值。將等效配電網(wǎng)線路模型在運(yùn)行中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行上述計(jì)算公式的匹配，通過(guò)計(jì)算得到線路在輸電過(guò)程中的損耗。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)配電系統(tǒng)的母線電壓與供電服務(wù)端的額定電壓，參照電能服務(wù)供電偏差允許規(guī)定，設(shè)定供應(yīng)服務(wù)側(cè)的允許偏差單位為η，以此為參照，通過(guò)下述計(jì)算公式，得到配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷矩：

式中，K表示配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷矩。按照上述方式，完成基于歸一負(fù)荷矩的配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷矩計(jì)算。

2 配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷歸一化

完成上述計(jì)算后，將配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷矩計(jì)算值作為參照，進(jìn)行配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷的歸一化處理，處理過(guò)程中，忽略不同類型或不同型號(hào)線路中電氣參數(shù)對(duì)其輸電、供電的影響，定義此線路的負(fù)荷補(bǔ)償值為p′，通過(guò)不同區(qū)段導(dǎo)線數(shù)量的直接求和計(jì)算方式，進(jìn)行表征線路的混接處理計(jì)算。混接時(shí)，如果選擇截面面積較大的導(dǎo)線作為負(fù)荷基準(zhǔn)，則配電網(wǎng)輸電線路在運(yùn)行中，其線路的負(fù)荷矩便已經(jīng)超出了基準(zhǔn)值，可以通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)值的比對(duì)，評(píng)價(jià)配電網(wǎng)在運(yùn)行中是否處于低電壓狀態(tài)。

但在上述內(nèi)容中，如果直接采用較為保守的配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷矩計(jì)算方法，進(jìn)行電壓負(fù)荷的歸一化計(jì)算，會(huì)造成線路的漏判與錯(cuò)判問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)中低電壓線路的精準(zhǔn)判定與識(shí)別［5］。反之，如果選擇截面面積較小的導(dǎo)線作為負(fù)荷基準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算中線路末端低電壓現(xiàn)象不顯著的現(xiàn)象。因此，可以根據(jù)配電網(wǎng)中線路幾何間距與末端傳輸極限功率，進(jìn)行配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷的歸一化處理。處理前，先選定一個(gè)歸一化系數(shù)作為處理參照值，按照計(jì)算式（2）對(duì)輸電線路的低電壓負(fù)荷矩進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)初步計(jì)算，掌握不同直徑下線路混搭工況下的低電壓負(fù)荷矩具體值。再按照下述公式計(jì)算線路上的電壓損耗量：

式中，Δu0%為電壓損耗量；R0為單位電阻；X0為電抗；φ為功率因數(shù)；Un為額定電壓。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同線路進(jìn)行絞線歸算，得到在不同基準(zhǔn)線條件下輸電線路之間的歸一化關(guān)系。同時(shí)，在完成對(duì)電壓損耗量的計(jì)算后，式（2）需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)兩者的關(guān)系與配電網(wǎng)的臺(tái)區(qū)拓?fù)洌x擇線路中的輸電主干線作為歸一參照線路，確定處理過(guò)程中的基準(zhǔn)化線型。參照歸一化系數(shù)基準(zhǔn)表，確定歸一處理系數(shù)，按照下述計(jì)算公式，進(jìn)行配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷的歸一化處理：

式中，F(xiàn)表示配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷的歸一化處理；β表示負(fù)荷矩標(biāo)準(zhǔn)值；n表示輸電線路中的節(jié)點(diǎn)信息；i表示承重比值。通過(guò)上述公式，完成對(duì)配電網(wǎng)低電壓負(fù)荷的歸一化處理計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中，考慮到輸電線路的運(yùn)行可能會(huì)受到外界環(huán)境等因素的干擾出現(xiàn)異常，因此，有必要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，在計(jì)算中導(dǎo)入隨機(jī)干擾系數(shù)，根據(jù)系數(shù)的實(shí)際權(quán)重，進(jìn)行線路的標(biāo)號(hào)，通過(guò)此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)末端電壓的實(shí)時(shí)感知，保證歸一化處理的規(guī)范性。

3 最小能量補(bǔ)償調(diào)控與完全電壓補(bǔ)償調(diào)控

在完成上述操作后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)低電壓的有效補(bǔ)償和調(diào)控，根據(jù)配電網(wǎng)低電壓相位偏移補(bǔ)償程度的不同，分兩種補(bǔ)償調(diào)控策略，其中一種為最小能量補(bǔ)償，另一種為完全電壓補(bǔ)償。第一種補(bǔ)償調(diào)控策略是在配電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，在保證電壓幅值大小恒定不變的情況下，將控制補(bǔ)償裝置輸出的有功能量控制到最低限值。在具體實(shí)施中，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)的電壓，使對(duì)應(yīng)位置上的電壓與負(fù)載電流之間逐漸趨于垂直，以此確保裝置輸出的有功能量為最小值。下圖為這一補(bǔ)償調(diào)控方式的原理圖。

圖 最小能量補(bǔ)償調(diào)控原理圖

圖中IR表示配電網(wǎng)電壓在沒(méi)有出現(xiàn)低電壓?jiǎn)栴}時(shí)的負(fù)載側(cè)電流；UR表示為出現(xiàn)低電壓時(shí)負(fù)載側(cè)電壓；UG表示未出現(xiàn)低電壓時(shí)電網(wǎng)側(cè)電壓。U′R表示補(bǔ)償調(diào)控后的負(fù)載側(cè)電流；U′G表示補(bǔ)償調(diào)控后的負(fù)載側(cè)電壓；UAC表示補(bǔ)償調(diào)控時(shí)提供的補(bǔ)償電壓。在補(bǔ)償調(diào)控過(guò)程中，UAC可表示為：

其中，UR可通過(guò)下述公式計(jì)算得出：

U′G可通過(guò)下述公式計(jì)算得出：

式中，θ表示電網(wǎng)電壓相位偏移角度。按照上述方式對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)控可保證負(fù)載側(cè)電壓的穩(wěn)定。完全電壓補(bǔ)償調(diào)控是在上述最小能量補(bǔ)償調(diào)控的基礎(chǔ)上，針對(duì)電壓波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的相位偏移情況，為其提供所需的電壓幅值，這一方法能夠在具備最小能量補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高調(diào)控精度。

4 實(shí)驗(yàn)

按照上述內(nèi)容，從理論方面對(duì)配電網(wǎng)低電壓補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證這一技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性以及其與串聯(lián)電壓補(bǔ)償技術(shù)相比具備的優(yōu)勢(shì)，選擇以某電力企業(yè)作為依托，針對(duì)該電力企業(yè)中的配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的低電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)控。該配電網(wǎng)中包含5條主干線路，表1為5條主干線路的基本參數(shù)記錄表。

表1 5條主干線路基本參數(shù)記錄表

針對(duì)表中5條主干線路，對(duì)其發(fā)生低電壓?jiǎn)栴}時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)控。為實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償調(diào)控效果的量化比較，選擇將補(bǔ)償調(diào)控后各個(gè)線路的節(jié)點(diǎn)電壓作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在發(fā)生低電壓?jiǎn)栴}時(shí)，各個(gè)主干線路上的節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)比表1中記錄數(shù)值低，且差值超過(guò)±10.0V。因此，通過(guò)對(duì)比兩種調(diào)控技術(shù)應(yīng)用后各個(gè)線路上的節(jié)點(diǎn)電壓與表1中對(duì)比得到的差值大小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償調(diào)控效果比較。若補(bǔ)償調(diào)控后，此時(shí)線路節(jié)點(diǎn)電壓與表1中記錄數(shù)據(jù)相比，差值在±10.0V范圍內(nèi)，則說(shuō)明低電壓?jiǎn)栴}得以解決，恢復(fù)了線路電壓穩(wěn)定運(yùn)行；反之，若補(bǔ)償調(diào)控后，此時(shí)線路節(jié)點(diǎn)電壓與表1中記錄數(shù)據(jù)相比差值超過(guò)±10.0V范圍，則說(shuō)明仍然存在低電壓?jiǎn)栴}，沒(méi)有恢復(fù)線路電壓穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)上述論述，將補(bǔ)償調(diào)控結(jié)果記錄如表2所示。

表2 兩種補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)應(yīng)用后調(diào)控效果對(duì)比

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)可以看出，利用本文提出的補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)可將5條主干線路的節(jié)點(diǎn)電壓控制在合理范圍內(nèi)，在出現(xiàn)低電壓情況時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的快速恢復(fù)，確保主干線路運(yùn)行問(wèn)題，進(jìn)而提高配電網(wǎng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性。作為對(duì)照組的串聯(lián)電壓補(bǔ)償技術(shù)在應(yīng)用后僅實(shí)現(xiàn)對(duì)編號(hào)＃3主干線路低電壓?jiǎn)栴}的治理，但其他主干線路的節(jié)點(diǎn)電壓差值仍然不符合規(guī)定要求，未解決其低電壓?jiǎn)栴}。因此，綜合上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明，本文在引入歸一負(fù)荷矩后提出的補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)低電壓的有效治理，恢復(fù)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文上述論述，提出一種基于歸一負(fù)荷矩的補(bǔ)償調(diào)控技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)其應(yīng)用可行性及優(yōu)勢(shì)的檢驗(yàn)。但在研究過(guò)程中，并未考慮到調(diào)控補(bǔ)償時(shí)效性問(wèn)題，而調(diào)控補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間也會(huì)在極大程度上影響配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。因此，針對(duì)這一問(wèn)題。在后續(xù)的研究中還將進(jìn)行更深入探索。