低電壓綜合治理軟件系統(tǒng)開發(fā)及應用

譚愛斌，尹軍

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司張家界供電分公司，湖南張家界 427000)

0 引言

治理低電壓是一個長期、艱巨的攻堅戰(zhàn)，由于缺乏較強的理論指導和深入分析，往往現(xiàn)場憑經(jīng)驗制定改造方案，缺乏改造成效的專業(yè)分析和預測判斷。一方面因為工程方案的不合理，導致原有低電壓問題無法得到徹底解決；另一方面現(xiàn)有用戶的擴容或某一新增負荷的接入無法判斷是否滋生新的低電壓問題，判斷用戶是否能夠接入電網(wǎng)難度增加。目前國內(nèi)對低電壓的研究[1-5]比較多，主要研究領(lǐng)域為農(nóng)村低電壓的產(chǎn)生原因和治理，文獻[6]基于無功補償就地分散補償和線路集中補償相結(jié)合原則，介紹了一種配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)。文獻[7]采用負荷矩計算電壓損失時所涉及的計算系數(shù)C值作了補充，并介紹按負荷矩、電壓損失等相關(guān)已知條件反算導線截面的方法。以上文獻研究主要是側(cè)重于導線線徑的選取或通過整體負荷矩來確定低電壓產(chǎn)生或低電壓治理產(chǎn)生原因及相關(guān)治理措施[8-15]，而對于低電壓逐點計算、低電壓到何種程度、低電壓產(chǎn)生的范圍以及低電壓預警領(lǐng)域則未見具體研究。

本文通過對低電壓三個環(huán)節(jié)進行分析，結(jié)合低電壓逐點計算理論，編制一套科學實用、易于使用的軟件系統(tǒng)來計算配電網(wǎng)低電壓，對配電網(wǎng)低電壓進行科學分析，準確定位，找出薄弱環(huán)節(jié)，為配電網(wǎng)規(guī)劃建設提供理論依據(jù)，可以有效解決配電網(wǎng)低電壓問題，同時也能及時對可能出現(xiàn)增量低電壓問題進行預警，提升配電網(wǎng)精準立項水平。

1 線路“π型”等值電路的理論

線路“π型”等值電路如圖1所示，首末端電壓為U1、U2，R和X分別為線路的等值電阻和等值電抗，首末端功率S1=P1+jQ1、S2=P2+jQ2。

圖1 線路“π型”等值電路

由線路功率約束關(guān)系可以得到式(1):

再令:

其中δ為首末端電壓的相角差，簡稱功率角，式(1)可以簡化為下式:

電壓降落相量圖如圖2所示:

圖2 電壓降落相量圖

根據(jù)向量圖又可得:

將式(5)按二項式定理展開，取其前兩項，得:

又由于低壓配電線路中U2+ΔU?δU，將上式(6)可以簡化為:

或者表示為:

10 kV電壓估算工程上常采用“負荷矩法”，負荷矩[15]是指線路有功負荷P與負荷距出線端距離l間的乘積，即M=P·l。在線路型號、長度已知的情況下，由負荷矩求得分段線路壓降為:

式中，ΔU0為線型對應的固定電壓系數(shù)；l為分段線路長度；P為線路有功功率。

根據(jù)公式(9)可以計算出同一線型的線路壓降，但實際工程中配電線路由不同線型組成，需要精準地掌握不同線型的線路參數(shù)R和X。從PMS系統(tǒng)中可以查詢配電線路參數(shù)，并利用現(xiàn)用的監(jiān)測系統(tǒng)對線路參數(shù)進行校驗。

2 低壓環(huán)節(jié)量化分析

根據(jù)低壓臺區(qū)可能誘發(fā)的低電壓問題環(huán)節(jié)具體按層級展開計算。

2.1 中壓配電線路環(huán)節(jié)

考察高壓變電站10 kV母線至線路裝接配電變壓器(以下簡稱“配變”)高壓側(cè)的電壓降。由于配電變壓器大都以三相方式接入系統(tǒng)，以單相變方式接入系統(tǒng)的配變并不多，因此可以以變電站出口線電壓作為始端電壓，進行三相分析。

2.2 配變環(huán)節(jié)

考察配變高壓側(cè)至低壓側(cè)的電壓降，根據(jù)長期工作經(jīng)驗表明配變的壓降從一側(cè)來看存在壓降，且壓降占比達到一定程度:各參數(shù)取平均值(典型參數(shù))時，取10 kV導線截面為120 mm2，導線長度為5 km，導線平均負荷為3 000 kW，變壓器容量為160 kVA，配變負載率50%；400 V導線截面為70 mm2，400 V負荷為80 kW，導線長度為400 m，功率因數(shù)為0.9，經(jīng)計算此時線路末端電壓降為0.686 kV，中壓線路、配電變壓器、低壓配電線路各環(huán)節(jié)對電壓降的貢獻率分別為89.84%、9.23%、0.93%。

但是從實際工作中看，往往一次側(cè)電壓在合格范圍內(nèi)，低壓出口側(cè)電壓質(zhì)量均較好，且由于公用配變往往具有(1±2×2.5%)UN的電壓調(diào)節(jié)能力(UN為額定電壓)，因此并沒有證據(jù)表明配變的出口側(cè)電壓(即配網(wǎng)低壓線路的始端電壓)與10kV變壓器的電壓降有必然的直接聯(lián)系，也就是說變壓器本身產(chǎn)生的電壓降并不會直接反應到配變低壓側(cè)。

另外，文獻[16]提出工程中變壓器低壓側(cè)(二次繞組)額定電壓U2N是指變壓器在空載時，高壓側(cè)加上額定電壓后，二次繞組兩端的電壓值。變壓器接上負載后，二次繞組的輸出電壓U2將隨負載電流的增加而下降，為保證在額定負載時能輸出380V的電壓，變壓器設計時往往會考慮到變壓器內(nèi)部阻抗的影響(考慮到電壓調(diào)整率為5%)，故該變壓器空載時二次繞組的額定電壓U2N為400 V。且二次側(cè)負荷的性質(zhì)、大小、無功功率情況等都直接影響著二次側(cè)出口電壓，負載較輕或空載時，副邊電壓將升高。因此從上述分析看，決定配變二次側(cè)出口電壓的限制因素比較多，且比較復雜，由于現(xiàn)在公用配變均實現(xiàn)了集中器的用電信息采集系統(tǒng)全覆蓋，能實現(xiàn)臺區(qū)出口電壓的自動遙測和召測，因此本項目將中、低壓線路的電壓降分開，采用實測值、召測值或者典型值作為始端電壓，并不考慮配變電壓降的影響。

2.3 低壓配電線路環(huán)節(jié)

考察配變低壓側(cè)至380/220 V用戶處的電壓降。由于低壓用戶接入系統(tǒng)是按照單相、三相的形式接入的，造成了同一節(jié)點的三相電壓往往是不同的，因此就要考慮低壓線路電壓的單相計算方式，而不能采取三相籠統(tǒng)計算的方式?？紤]到一般三相負荷往往三相是基本均衡的，因此將三相用戶拆成三個單相用戶接入到系統(tǒng)中，則對于配變某一路出線就形成了3個單相回路，因此只需要對這3個單相回路進行獨立計算就能獲得單相的電壓分布了。

由于用電信息系統(tǒng)的上線，公用配變和專用配變的功率及功率因數(shù)是可以獲取的，但是到每個低電壓用戶，目前仍無法獲取其功率信息，因此必須考慮在無法獲取有功功率、無功功率信息情況下的解決方案。對此采取均攤的方式，將臺區(qū)的有功功率、無功功率平均分攤到每戶，主要考慮到以下幾個方面:

1)低壓用戶本身由于用電習慣和用電需求的不同，其隨機性很大，負荷波動具有隨機性，不具有規(guī)律性，無法獲取經(jīng)驗性典型參數(shù)。

2)只要接入系統(tǒng)的低壓用戶，都有用電需求的可能，有隨時接入系統(tǒng)用電的需求，只要這需求產(chǎn)生則必然形成電壓降，采用臺區(qū)的平均值去表征這種需求，更具有代表性。

3)從平均負荷代入系統(tǒng)進行理論計算的結(jié)果看，其計算出的電壓分布與實際結(jié)果差別不大，尤其是對于末端低電壓范圍、大小差別不大。

以高壓變電站的10 kV母線為起點，依次分析中壓配電線路、配變、低壓配電線路三個環(huán)節(jié)，按照各級電網(wǎng)運行允許出現(xiàn)的電壓偏差，利用等值電路理論計算結(jié)果，分別提出判斷低電壓的技術(shù)要素和具體范圍。

3 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 10k V線路分析

如圖3所示，現(xiàn)實工程中10 kV線路可以看成單線圖顯示，則在圖中負荷接入的位置均可以看成1個電壓節(jié)點，則該線路有4個電壓節(jié)點，即節(jié)點0-3。

圖3 配電線路單線圖

節(jié)點0:變電站母線——整線負荷接入點。

節(jié)點1:負荷P1、P2支線接入點。

節(jié)點2:負荷P3、P4支線接入點。

節(jié)點3:負荷P5的接入點。

由于變電站母線的始端電壓U0是基本確定的，其電壓基本維持在10.5 kV，則可以以這個電壓作為已知條件，且線路基本參數(shù)也是明確的，另外各接入負荷P1—P5可以通過用電信息采集系統(tǒng)采集，因此可以通過前述的等值電路的簡化公式(3)—(13)采用遞推的方式求取未知的節(jié)點電壓U1、U2、U3。

對于U1，由于該節(jié)點1的接入負荷以及其后的接入負荷均要通過節(jié)點0流至節(jié)點1，則對照公式(9)可知:

通過公式(9)即可方便計算出節(jié)點1的電壓U1。

再在計算出的電壓U1的基礎上，采用上述相同的分析，即可獲得通過節(jié)點1的負荷值:

通過公式(9)即可方便計算出節(jié)點2的電壓U2；如此的循環(huán)迭代計算，便可逐層計算出干線上的節(jié)點電壓。

對于支線的逐點電壓也可以通過上述方式進行計算。

因此通過等值電路的方式，就可以對全線的節(jié)點進行全面計算，實際計算時將每根桿塔作為1個節(jié)點，則可以對每根桿塔、每個用戶接入點進行全線的系統(tǒng)電壓分布進行計算——其中程序所需要做的就是查找該節(jié)點及其后所接入的負荷總量。

3.2 0.4 kV線路分析

圖4為系統(tǒng)中單相、三相用戶接入系統(tǒng)的單線圖，圖中省去了中性線。

圖4 低壓線單線圖

根據(jù)上述低壓配電線路環(huán)節(jié)的分析，將該圖拆解成3個單相，即A、B、C三相的用戶接入圖，如圖5—7所示。拆解后，其計算方式就可以與10 kV的計算方式相同了，其邏輯選擇也一致。

圖5 拆解低壓線路單線圖(A相)

圖6 拆解低壓線路單線圖(B相)

圖7 拆解低壓線路單線圖(C相)

10 kV配變高壓側(cè)按高壓用戶處理，電壓偏差取±7%，即9.3～10.7 kV。對于400 V線路來說:用戶側(cè)電壓不應低于-10%，即220×0.9=198 V。該標準應結(jié)合上述標準綜合判斷。

需要指出的是，在編程的時候，由于計算機處理邏輯判斷的時間比較長，因此優(yōu)化了相關(guān)算法，將每一個節(jié)點都當成有三個單相用戶接入，如果只是接入相為A，則該節(jié)點接入的三個用戶分別是A-1、B-0、C-0；三相用戶則分解成A-1、B-1、C-1，如圖8所示。經(jīng)過算法改進后，程序計算的速度相對快很多。

圖8 低壓逐點計算改進

3.3 程序邏輯圖簡介

根據(jù)上述分析，搜索本節(jié)點前的節(jié)點電壓、本節(jié)點前線段的參數(shù)、本節(jié)點后的負荷參數(shù)，就能實現(xiàn)10 kV和單相低壓進行逐點的電壓計算，便能判斷單點電壓的電壓大小、低電壓程度、低電壓出線的范圍以及0.4 kV的三相電壓不平衡程度，程序?qū)崿F(xiàn)的邏輯如圖9所示。

圖9 程序邏輯流程

基于低壓逐點計算分析方法，研發(fā)低電壓綜合治理軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備的基本功能包括:①數(shù)據(jù)的輸入輸出、編輯修改；②報表的導入導出、圖形的導出；③低壓到戶的電壓計算，負荷增長的電壓估算，并判斷低電壓存在的位置及戶數(shù)；④用戶權(quán)限管理，能實現(xiàn)用戶查看、統(tǒng)計、修改等權(quán)限分配，對系統(tǒng)實施人員管理功能；⑤中壓線路、臺區(qū)管理，方便設備主人中低壓設備的查詢統(tǒng)計與維護；⑥輸出低電壓預警圖，輸出低壓范圍、程度與電壓分布情況；⑦輸出低壓臺區(qū)低電壓診斷報告，實現(xiàn)低電壓預警，提供低電壓治理措施。

4 結(jié)論

該研究為配電網(wǎng)的低電壓分析及預警工作提供了科學、易于使用的軟件系統(tǒng)，可準確分析預測配電網(wǎng)的低電壓問題，有效輔助指導配電網(wǎng)規(guī)劃、建設和改造工作的開展。為低電壓解決項目進行全面考察分析和項目改造的方案提供良好的決策建議，避免工程投資浪費。