考慮距離指標(biāo)的配電網(wǎng)無功電壓就地控制方法

王 飛，張詩建

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊中供電局，海南瓊中 572900；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

許多專家學(xué)者開展了配電網(wǎng)無功電壓本地控制技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[6]考慮了不同負(fù)荷狀態(tài)下對無功補償需求的差異性，提出一種負(fù)荷相關(guān)的電容器自動控制方法，針對負(fù)荷輕載、常載和重載分別設(shè)定了3組功率因數(shù)區(qū)間進行電容器的自動投切。為避免投切無序混亂，提升區(qū)域電容器投切的協(xié)同性，文獻(xiàn)[7]提出了基于修正功率因數(shù)評估的配電網(wǎng)低壓電容器協(xié)同控制，以饋線首端的修正功率因數(shù)到平衡區(qū)間距離數(shù)值最小化為控制目標(biāo)，以配電負(fù)載率確定電容器投切的優(yōu)先級，協(xié)同饋線全線的電容器進行投切，但仍需依賴小范圍通信。文獻(xiàn)[8]介紹了一種電容器組實時投切的模糊控制器，根據(jù)電容器組的節(jié)點電壓和功率因數(shù)角正弦值，通過模糊規(guī)則庫和模糊推理來實現(xiàn)電容器的就地自動控制?，F(xiàn)有研究多從功率因數(shù)控制出發(fā)，通過復(fù)雜模型或邏輯進行電容器控制，以實現(xiàn)節(jié)能降損，但控制目標(biāo)單一，未能全面兼顧本地控制條件與饋線全區(qū)域的資源協(xié)調(diào)利用，方法控制的實用性與效益存在進一步挖掘的空間。

本文基于配電網(wǎng)無功電壓特性分析，提出了一種考慮距離指標(biāo)的配電網(wǎng)無功電壓就地控制方法，以距離指標(biāo)為判據(jù)，構(gòu)建功率因數(shù)和電壓選擇控制模型。采用南方電網(wǎng)某實際線路模型驗證所提方法的有效性。

1 配電網(wǎng)無功電壓特性分析

目前，配電網(wǎng)電壓調(diào)控以電容器無功補償設(shè)備為主要手段，典型配電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型配電網(wǎng)示意圖

根據(jù)電力系統(tǒng)電壓分布原理，可知線路電壓降落為：

式中：P為饋線潮流有功值；Q為饋線潮流無功值；U為電壓值；R為線路電阻；X為線路電抗。

由上式可知，在10 kV饋線電壓分布與線路參數(shù)、傳輸功率大小、功率傳輸距離密切相關(guān)。負(fù)荷越靠近線路末端，功率傳輸電氣距離越遠(yuǎn)，即R、X越大，電壓降越大；負(fù)荷越靠近線路首端，功率傳輸?shù)碾姎饩嚯x越近，電壓降越小，因此，線路電壓偏低甚至低電壓情況往往發(fā)生在電氣距離較遠(yuǎn)的線路末端。

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進一步對配電網(wǎng)運行的損耗進行分析，忽略配變鐵耗，則配電網(wǎng)有功損耗的表達(dá)式為：

式中：ΔP為有功損耗；I為配電線路電流；P為饋線潮流有功值；U為電壓值；cosφ為功率因數(shù)。

由上式可知，在負(fù)荷和線路參數(shù)不變的情況下，配電網(wǎng)運行的有功損耗與運行電壓水平和負(fù)荷功率因數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在配電網(wǎng)運行電壓約束下，配電網(wǎng)整體的運行電壓水平越高，無功區(qū)域平衡性越好，負(fù)荷功率因數(shù)越高，線路運行損耗越低。

電容器控制策略主要是按照運行導(dǎo)則要求，與電容器安裝點的配電變壓器首端功率因數(shù)為控制參考對象，補償功率因數(shù)在0.90～0.95。而配電網(wǎng)由于投資因素，并未對所有配電變壓器進行電容器建設(shè)，依據(jù)導(dǎo)則規(guī)定，只有在100 kVA以上的配電變壓器，才有可能進行電容器的配置考慮。在電容器稀疏布置的背景下，這種控制策略對于分布于饋線中末端的配電網(wǎng)變壓器而言，忽略了鄰近臺區(qū)的無功補償需求，可能出現(xiàn)補償臺區(qū)電容器閑置，而饋線首端大量下送無功功率的情況，電壓調(diào)節(jié)效果不足，不利于電容器資源的有效利用和配電網(wǎng)的節(jié)能降損。

綜上所述，目前的電壓控制策略較為保守，電容器等無功補償資源利用率不足，電壓控制和節(jié)能降損效果有待提升?？紤]到線路電壓分布與電氣距離相關(guān)，若根據(jù)電氣距離差異，設(shè)置差異化的配電網(wǎng)控制目標(biāo)，可以更好地提升電容器利用效率，提高配電網(wǎng)運行電壓質(zhì)量。

2 考慮距離指標(biāo)的就地控制方法

針對當(dāng)前配電網(wǎng)電壓控制問題，本文提出一種考慮距離指標(biāo)的就地控制方法，在考慮目前配電網(wǎng)遠(yuǎn)程集中控制的系統(tǒng)和通信條件不足的情況下，基于本地監(jiān)測信息，通過距離指標(biāo)判定設(shè)置不同的控制目標(biāo)，實現(xiàn)電容器的就地自動投切，以提高配電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)資源利用率、電壓水平和運行經(jīng)濟性，以下從該方法的距離指標(biāo)、控制模型和實現(xiàn)流程等方面進行闡述。

2.1 距離指標(biāo)

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，潮流方向單一，電壓由饋線首端至末端沿線下降，電氣距離較遠(yuǎn)節(jié)點的電壓一般較低，可以作為補償電容器控制目標(biāo)的調(diào)整因素之一，以提高配電網(wǎng)電壓控制水平。

而配電網(wǎng)不同饋線的參數(shù)、運行負(fù)荷存在差異，難以用定量劃線的方式進行電氣距離遠(yuǎn)近的評判。考慮到電壓與線路長度、阻抗參數(shù)、負(fù)荷相關(guān)，電氣距離又與線路長度相關(guān)，本文提出電壓和線路長度指標(biāo)綜合的距離指標(biāo)，以評判應(yīng)用差異化的無功電壓控制目標(biāo)，提升方法的普適性。

距離指標(biāo)是指，考慮饋線不同位置電壓降的電容器控制目標(biāo)切換閾值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：S為距離指標(biāo)；L為線路主干線長度；Vmax為饋線首端最高電壓；Vmin為饋線末端最低電壓；Vavg為饋線平均電壓。

2.2 就地控制模型

基于上述的距離指標(biāo)，本文提出就地控制模型如下。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮距離指標(biāo)的無功電壓就地控制，旨在利用距離指標(biāo)進行補償設(shè)備就地控制目標(biāo)的切換，以提升無功電壓控制效果，其目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：cosφi為第i個補償點的功率因數(shù)；Li為i個補償點到饋線首端的線路長度；Vi為第i個節(jié)點的電壓；Vavg為饋線平均電壓。

2.2.2 約束條件

約束條件包括節(jié)點電壓約束和電容器容量約束，具體如下。

式中：Vi為第i個節(jié)點的電壓；Vˉ為節(jié)點電壓上限，1.07p.u.；Qic為第i個節(jié)點的補償投入量；Qicmax為第i個節(jié)點的最大無功補償容量。

該控制模型的物理含義是，通過距離指標(biāo)判定，選擇功率因數(shù)或電壓為補償電容器的就地控制目標(biāo)，在配電網(wǎng)及設(shè)備運行的約束條件下，改善配電網(wǎng)無功潮流，提升配電網(wǎng)運行電壓水平。

2.3 實現(xiàn)步驟

基于上述提出的就地控制模型，本文提出考慮距離指標(biāo)的配電網(wǎng)無功電壓控制流程如下。

（1）獲取10 kV配電線路各配電變壓器的電壓幅值、無功補償容量以及功率因數(shù)等參數(shù)信息；所述的參數(shù)信息包括10 kV配電線路配變臺數(shù)n、對應(yīng)變電站到各配變的距離Ln、各配變的功率因數(shù)cosφn，各配變低壓側(cè)電壓幅值Vn；定義k=1，2，…，n并設(shè)置k的初始值為1。

（2）判斷第k臺配變與變電站的距離Lk，若滿足Lk＜S，則轉(zhuǎn)入步驟（3）；若不滿足則轉(zhuǎn)入步驟（4）。

（3）應(yīng)用就地控制模型，選擇以功率因數(shù)為控制目標(biāo)，進行無功補償設(shè)備控制。

（4）應(yīng)用就地控制模型，選擇以電壓為控制目標(biāo)，進行無功補償設(shè)備控制。

（5）當(dāng)k＜n，使k值增加1轉(zhuǎn)入步驟（2）；否則，控制方法結(jié)束。

3 算例分析

本文應(yīng)用南方電網(wǎng)某實際線路的等效模型，驗證所提控制方法的有效性。線路模型如圖2所示，全線共有38個配變負(fù)荷節(jié)點，配變總?cè)萘繛?0 685 kVA，負(fù)載率為31.8%。主干線長度為8.1 km，型號為LGJ-240，其中節(jié)點4、6、8、11、15、31為無功補償節(jié)點，補償容量分別為120 kvar、250 kvar、250 kvar、250 kvar、160 kvar、160 kvar；饋線首端最高電壓為10.4 kV，末端最低電壓為9.5 kV，饋線歷史平均電壓為10.1 kV。

圖2 仿真拓?fù)鋱D

分別進行以下3種場景的仿真：（1）無控制，即無功補償不投入；（2）傳統(tǒng)控制策略，控制補償點補償功率因數(shù)在0.90及以上；（3）采用本文提出的就地控制策略，根據(jù)距離指標(biāo)設(shè)置不同的控制目標(biāo)。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖可以看出，采用本文提出的就地控制策略，根據(jù)距離指標(biāo)選擇不同控制目標(biāo)進行電容器的補償可控制，可以較好地發(fā)揮補償電容器無功調(diào)節(jié)能力，提升饋線整體的電壓水平。而傳統(tǒng)控制策略相對于無控制運行策略，可以起到一定的電壓改善作用，但由于控制目標(biāo)單一，難以完全利用補償電容器資源，控制效果一般。

圖3 不同控制模式下補償節(jié)點電容器投入

圖4 不同控制模式下的饋線電壓分布

由表1所示，相比之下本文提出的就地控制策略能更好地改善運行電壓質(zhì)量，具有較好的配電網(wǎng)節(jié)能降損效益，與傳統(tǒng)控制相比，損耗降低了7%。

表1 3種策略下結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文立足于配電網(wǎng)無功電壓分析，提出了用以無功電壓差異化控制的距離指標(biāo)，并以此構(gòu)建了電壓控制與功率控制的自適應(yīng)控制模型，提出了無功電壓就地控制方法，以指導(dǎo)配電網(wǎng)無功電壓控制。算例表明，本文所提方法可以有效地提升電容器整體的利用率，特別對線路中末端的電容器利用率提升效果更佳，同時電壓控制效果與效益優(yōu)于傳統(tǒng)控制。該方法計算簡便、實用性強，可為配電網(wǎng)無功電壓控制提供重要的參考價值。