配電網(wǎng)電壓偏差綜合優(yōu)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(yōu)質(zhì)電能是電力企業(yè)的職責，也是社會評價電力行業(yè)的一個主要指標。通常的電能質(zhì)量包括電壓幅值、頻率、諧波含量三個指標，對于處于穩(wěn)態(tài)運行的配電網(wǎng)來說，最受關(guān)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(guī)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(tǒng)中的用電設(shè)備運行不正常，效率低下，甚至造成異步電動機堵轉(zhuǎn)，嚴重時更可能損壞設(shè)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(tǒng)的穩(wěn)定運行[4]。因此，改善供電質(zhì)量，降低電壓偏差幅度，是電力企業(yè)需要面對的重要問題。

對于配電網(wǎng)來說，最常見的是電壓偏低的問題，造成的原因主要有設(shè)備陳舊，供電半徑過長，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有缺陷，負荷過重，負荷在網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，使得對不同配電網(wǎng)提出通用的電壓質(zhì)量改善方案極其困難，通常都需要結(jié)合各配電網(wǎng)的實際情況來制定特定的方案。

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

1 改善配電網(wǎng)電壓偏差的常用措施

1.1 無功補償優(yōu)化

配電網(wǎng)的無功優(yōu)化是指針對已給定拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)和負荷量等參數(shù)的配電網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用優(yōu)化算法，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的各種約束條件下，通過對控制變量（無功補償設(shè)備的投入位置和容量等）的優(yōu)化，使得其中某一項或者多項性能指標（系統(tǒng)最大電壓偏移量最小、整體電壓偏移量最小或有功網(wǎng)損最小等）取得最優(yōu)值的一種方法。它在保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行，降低網(wǎng)損、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓等方面是一種重要的調(diào)節(jié)手段。

配電網(wǎng)中最常用的并聯(lián)無功補償裝置是并聯(lián)電容器組。通過分組投切并聯(lián)補償電容器組數(shù)，調(diào)節(jié)所補償?shù)臒o功功率數(shù)量，起到調(diào)整電壓和降低網(wǎng)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(xù)調(diào)節(jié)，在進行并聯(lián)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(yōu)化時，既要考慮到整個系統(tǒng)中的無功功率平衡，也要考慮局部地區(qū)的無功功率平衡，盡量減少無功功率在系統(tǒng)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(qū)的無功過剩，抬高局部電壓。而其他地區(qū)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(tǒng)網(wǎng)損，因此需要充分利用集中補償和分散補償相結(jié)合的方式。

1.2 配電網(wǎng)重構(gòu)

為了保護整定和故障定位的方便，配電系統(tǒng)具有閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行的特點。配電系統(tǒng)中包含大量的常合分段開關(guān)及少量的常開聯(lián)絡(luò)開關(guān)。配電網(wǎng)重構(gòu)的基本原理就是在滿足系統(tǒng)約束條件下通過網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分合，來改變網(wǎng)絡(luò)中的功率流動，以尋求一種符合某特定運行要求（如使網(wǎng)損最小或電壓偏移量最小）的拓撲結(jié)構(gòu)。

最優(yōu)配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)既可作為一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(diào)度員根據(jù)運行情況進行開關(guān)操作以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過配電網(wǎng)重構(gòu)，一方面可降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)的經(jīng)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(zhì)量，提高系統(tǒng)的可靠性。在故障情況下可進行恢復重構(gòu)，以盡快多恢復供電面積。由此可見，配電網(wǎng)重構(gòu)是提高配電系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性的重要手段。

1.3 調(diào)整變壓器分接頭

電力系統(tǒng)中的變壓器常在其高壓側(cè)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(diào)整系統(tǒng)中各點電壓的效果。

配電網(wǎng)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(diào)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(diào)整來達到改善電壓質(zhì)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(diào)整常只影響本臺區(qū)及有限的相鄰區(qū)域的電壓水平，從優(yōu)化數(shù)學模型的角度來說更適于用來進行局部電壓質(zhì)量的優(yōu)化。

1.4 改變輸電設(shè)備阻抗

改變輸電設(shè)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(nèi)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(guī)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(guī)的一種改善電壓質(zhì)量的措施。

適用于配電網(wǎng)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(zhì)量最優(yōu)的線路型號，但應(yīng)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(jié)段線徑不能比距離電源遠的支路節(jié)段線徑小；二是在考慮電壓質(zhì)量改善的同時亦應(yīng)計及措施實施的經(jīng)濟性。

2 實際案例分析

2.1 算例系統(tǒng)

以番禺地區(qū)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(jié)構(gòu)見圖1。該線路內(nèi)有某臺區(qū)發(fā)現(xiàn)了電壓偏低的現(xiàn)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(yōu)化

對前述配電線路進行無功優(yōu)化的計算，假設(shè)每千乏無功補償需投資120 元，計算結(jié)果顯示應(yīng)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(wǎng)電壓幅值最低點電壓為209.53 V，對應(yīng)電壓偏移量為-4.76%，已在允許的范圍之內(nèi)，表明全網(wǎng)中已不存在電壓偏移量越限的節(jié)點，達到了優(yōu)化的目標。

圖1 某10kV配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

表1 無功補償?shù)攸c及容量

2.3 配電網(wǎng)重構(gòu)

被研究的配電線路通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)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(jié)構(gòu)見圖4。

對兩條配電線路合并后的電網(wǎng)絡(luò)進行配網(wǎng)重構(gòu)計算，可知在將圖1 中部分臺區(qū)切換到圖4 中后，電網(wǎng)中最大電壓偏移量為-5%，不存在電壓越限的節(jié)點。配電網(wǎng)重構(gòu)的方案見圖5。

2.4 調(diào)整變壓器分接頭

考慮改變電壓越限臺區(qū)配電變壓器分接頭位置對電壓質(zhì)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(guān)系如圖6所示。

從圖6 中可見，本算例中優(yōu)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(diào)至9.75 kV 檔位，則可將最大電壓偏移量降到-5.86%，若能繼續(xù)將分接頭下調(diào)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(yōu)質(zhì)的供電。

當然，在10 kV 配電網(wǎng)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(diào)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?shù)攸c

仔細分析圖2中的380 V電網(wǎng)可知，該電網(wǎng)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(jié)點（葉子節(jié)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(jié)點中電壓也降落了4%～5%，考慮更換相關(guān)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(guān)聯(lián)的另一條配電線路的10kV拓撲結(jié)構(gòu)

圖5 配電網(wǎng)重構(gòu)方案

圖6 配電變壓器變比與電壓偏移量的關(guān)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(nèi)，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(zhì)量的改善效果有放緩趨勢，即到一定程度后導線截面繼續(xù)增大不會對電壓質(zhì)量的改善有明顯的效果，這是由低壓臺區(qū)“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(jié)點電壓偏移的影響

2.6 各種優(yōu)化方案的評估

2.6.1 單一優(yōu)化措施的評價

從分析結(jié)果可見，就本算例而言，通過調(diào)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(shè)備，實施的成本較低。當然，通過調(diào)整變壓器分接頭位置來改善電壓質(zhì)量僅在電網(wǎng)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(diào)節(jié)范圍（分接頭檔位數(shù)），否則也無法充分發(fā)揮其效果。

圖8 更換E3-1與E3-2間線徑對末端電壓節(jié)點電壓偏移的影響

本例所做無功補償是在全網(wǎng)范圍內(nèi)進行的，其中在所研究臺區(qū)電源點所做的無功補償對電壓質(zhì)量的改善起直接的作用。無功補償?shù)男Ч潜容^顯著的，但需要加裝新的設(shè)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(yōu)越的。

在本算例中發(fā)生電壓越限的配電線路通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與相關(guān)聯(lián)配電線路配電網(wǎng)重構(gòu)，也可取得令人滿意的電壓質(zhì)量效果。進行配電網(wǎng)重構(gòu)只需利用已建設(shè)好的相關(guān)饋線的網(wǎng)架，不需新增一次設(shè)備，實施的成本較低。然而，配電網(wǎng)重構(gòu)往往需要進行較復雜的倒閘操作，發(fā)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(wǎng)重構(gòu)的方案，需結(jié)合實際的情況綜合評估。

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

2.6.2 多措施綜合優(yōu)化

由于采用調(diào)整變壓器分接頭檔位的單一優(yōu)化措施效果最好，此處以此為基礎(chǔ)開展進一步的綜合優(yōu)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(yōu)化措施的優(yōu)化效果。

（1）調(diào)整分接頭+無功補償

表2 給出了此時無功優(yōu)化的位置和容量，此時全網(wǎng)最大電壓偏移量僅為-2.77%。從表中可見，當調(diào)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(yōu)的優(yōu)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(diào)整分接頭+配電網(wǎng)重構(gòu)

計算表明在變壓器分接頭已調(diào)節(jié)的前提下進行配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化，得到的結(jié)果（包括重構(gòu)的最終結(jié)果及電壓改善效果）與調(diào)整分接頭前的結(jié)果基本相同，故不作為綜合優(yōu)化的方案。

（3）調(diào)整分接頭+更換線徑

圖9給出了相應(yīng)變壓器分接頭調(diào)整至9.75 kV位置后更換E2-1 與E2-2 間線徑對末端電壓節(jié)點電壓偏移的影響。與圖7 相對照可以發(fā)現(xiàn)，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(qū)內(nèi)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(zhì)量的方案。

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

2.6.3 綜合評價

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

圖10 電壓質(zhì)量綜合優(yōu)化框架

3 結(jié)論

本文對一個實際配電網(wǎng)中存在的電壓偏低的問題開展了多種改善措施，分析結(jié)果表明各種措施均能將配網(wǎng)內(nèi)最大電壓偏移量降至±7%的范圍之內(nèi)。綜合來說，調(diào)整變壓器分接頭和配網(wǎng)重構(gòu)只需利用現(xiàn)有設(shè)備，不需新增投資，尤其是調(diào)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(wǎng)損率等。

改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量是一個極其復雜的問題，需要結(jié)合具體配電網(wǎng)的實際情況才能得出最優(yōu)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(qū)的配電網(wǎng)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(tǒng)分析：下［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［2］GB/T 12325-2008.電能質(zhì)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.