罗家健

（广州供电局有限公司，广东广州 511400）

0 引言

为用电用户提供优质电能是电力企业的职责，也是社会评价电力行业的一个主要指标。通常的电能质量包括电压幅值、频率、谐波含量三个指标，对于处于稳态运行的配电网来说，最受关注的是电压幅值偏离额定电压值幅度的问题，即所谓电压偏差问题[1]。

国标规定：35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%；220 V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%[2]。电压过高或过低都会使连入系统中的用电设备运行不正常，效率低下，甚至造成异步电动机堵转，严重时更可能损坏设备[3]。当电压偏离额定值过多时，甚至会影响到整个电力系统的稳定运行[4]。因此，改善供电质量，降低电压偏差幅度，是电力企业需要面对的重要问题。

对于配电网来说，最常见的是电压偏低的问题，造成的原因主要有设备陈旧，供电半径过长，网架结构有缺陷，负荷过重，负荷在网络中的分布不合理等。一方面造成电压偏低的原因众多，另一方面各因素间也存在着复杂的因果关系，使得对不同配电网提出通用的电压质量改善方案极其困难，通常都需要结合各配电网的实际情况来制定特定的方案。

当然，对配电网进行电能质量的优化也是有规律可循的。通常可采用的措施包括：无功补偿，配电网重构，调整变压器分接头，改变输电设备阻抗等。本文对这些措施做概要阐述，随后以实际配电网的电压质量为例研究不同措施对电压质量的改善效果，并得出具有通用性的结论。

1 改善配电网电压偏差的常用措施

1.1 无功补偿优化

配电网的无功优化是指针对已给定拓扑结构参数和负荷量等参数的配电网络，应用优化算法，在满足系统稳定运行的各种约束条件下，通过对控制变量（无功补偿设备的投入位置和容量等）的优化，使得其中某一项或者多项性能指标（系统最大电压偏移量最小、整体电压偏移量最小或有功网损最小等）取得最优值的一种方法。它在保证电力系统安全、经济运行，降低网损、稳定系统电压等方面是一种重要的调节手段。

配电网中最常用的并联无功补偿装置是并联电容器组。通过分组投切并联补偿电容器组数，调节所补偿的无功功率数量，起到调整电压和降低网损的目的。然而由于其只能分组投切改变补偿容量，不能连续调节，在进行并联补偿电容器配置时，需要按照“就地平衡、分级补偿”的原则，在进行无功优化时，既要考虑到整个系统中的无功功率平衡，也要考虑局部地区的无功功率平衡，尽量减少无功功率在系统线路中的流动，否则就易造成在全局无功平衡的情况下，局部地区的无功过剩，抬高局部电压。而其他地区的无功功率缺额，需要有线路传送大量的无功功率，造成局部电压过低，增加系统网损，因此需要充分利用集中补偿和分散补偿相结合的方式。

1.2 配电网重构

为了保护整定和故障定位的方便，配电系统具有闭环设计、开环运行的特点。配电系统中包含大量的常合分段开关及少量的常开联络开关。配电网重构的基本原理就是在满足系统约束条件下通过网络中分段开关和联络开关的分合，来改变网络中的功率流动，以寻求一种符合某特定运行要求（如使网损最小或电压偏移量最小）的拓扑结构。

最优配电网络重构技术既可作为一种网络规划工具，也可作为一种实时控制的工具。在正常的情况下，配电调度员根据运行情况进行开关操作以调整网络结构。通过配电网重构，一方面可降低网损，提高系统的经济性；另一方面可平衡负荷，消除过载，改善电压分布，提高供电电压质量，提高系统的可靠性。在故障情况下可进行恢复重构，以尽快多恢复供电面积。由此可见，配电网重构是提高配电系统安全性和经济性的重要手段。

1.3 调整变压器分接头

电力系统中的变压器常在其高压侧装有分接头，通过改变分接头的位置可以改变变压器的变比，从而达到调整系统中各点电压的效果。

配电网中的变压器包括两种，一种为由更高电压等级（如220 kV或110 kV）降压到中压（常为10 kV）的降压变压器，对其进行调整将影响到整条中压馈线的电压水平，故常在全线电压偏高或偏低时进行调整来达到改善电压质量的效果。另一种为中压降压到低压（常为380 V）的降压变压器的变比，对其进行调整常只影响本台区及有限的相邻区域的电压水平，从优化数学模型的角度来说更适于用来进行局部电压质量的优化。

1.4 改变输电设备阻抗

改变输电设备阻抗包括改变变压器型号和改变输电线路型号两部分内容。

改变变压器的型号通常即为淘汰落后变压器，将其更换成新型变压器。这常属于规划层面的问题，需要的投资较大，改造的工作量也较大。而更换输电线路的线径相对来说容易一些，可以作为常规的一种改善电压质量的措施。

适用于配电网不同电压等级的输电线路型号毕竟有限，故亦可采用穷举法选择对改善电压质量最优的线路型号，但应注意一些约束条件，主要有如下两点：一是距离电源近的支路节段线径不能比距离电源远的支路节段线径小；二是在考虑电压质量改善的同时亦应计及措施实施的经济性。

2 实际案例分析

2.1 算例系统

以番禺地区某实际配电线路为例研究各种电压偏差改善措施的效果，该配电线路10 kV 部分的拓扑结构见图1。该线路内有某台区发现了电压偏低的现象，电压偏差达到-8.5%，已超出了±7%的允许范围，其地理接线图见图2。

2.2 无功补偿优化

对前述配电线路进行无功优化的计算，假设每千乏无功补偿需投资120 元，计算结果显示应在表1 中所列各点加装指定容量的无功补偿装置，总投资为19 200元。

各补偿点在图中的位置可见图3，此时全网电压幅值最低点电压为209.53 V，对应电压偏移量为-4.76%，已在允许的范围之内，表明全网中已不存在电压偏移量越限的节点，达到了优化的目标。

图1 某10kV配电网拓扑结构

表1 无功补偿地点及容量

2.3 配电网重构

被研究的配电线路通过联络开关与另一条配电线路相连，与之相连的配电线路的10 kV 拓扑结构见图4。

对两条配电线路合并后的电网络进行配网重构计算，可知在将图1 中部分台区切换到图4 中后，电网中最大电压偏移量为-5%，不存在电压越限的节点。配电网重构的方案见图5。

2.4 调整变压器分接头

考虑改变电压越限台区配电变压器分接头位置对电压质量的影响，所研究配电变压器分接头位置与最大电压偏移量间的关系如图6所示。

从图6 中可见，本算例中优化前最大电压偏移量达到-8.5%的原因是起初分接头的位置在10 kV 处，将其下调至9.75 kV 档位，则可将最大电压偏移量降到-5.86%，若能继续将分接头下调至9.5 kV 档位，则可将最大电压偏移量降至-3.09%，已属比较优质的供电。

当然，在10 kV 配电网中有些配电变压器只有三个分接头档位，即只能在9.75 kV、10 kV、10.25 kV 中选择，则通过调整变压器分接头只能将最大电压偏移量降至-5.86%，亦可满足要求。

2.5 改变输电线路型号

图3 无功补偿地点

仔细分析图2中的380 V电网可知，该电网电源点（配电变压器降压变压器出口）电压偏移为-3.11%，而三个终端负荷节点（叶子节点）电压分别为-6.77%、-8.22%和-8.5%，均已超过或接近±7%的允许值。这是一种典型的电压偏移“首低末低”的情况，通常在电源点进行无功补偿可取得比较好的改善效果（详见前文）。但由于电源点到各终端负荷节点中电压也降落了4%～5%，考虑更换相关导线的型号也会取得一定的改善，其效果可见图7 和图8。还有一条导线线径本来就已为120 mm2，不宜再更换为截面更大的导线，此处不再讨论。

图4 相关联的另一条配电线路的10kV拓扑结构

图5 配电网重构方案

图6 配电变压器变比与电压偏移量的关系

从图7 可见，将该段导线更换为截面更大的导线后，可以使末端负荷点电压偏移回落到±7%以内，但即使导线截面积已达到50 mm2，此电压偏移仍为-6%左右，效果并不显著。从图8 更可看出，无论如何更换导线型号，均无法将末端负荷点电压偏移量降至符合要求的±7%。从上述两图均可看出随着导线截面的增大，其对电压质量的改善效果有放缓趋势，即到一定程度后导线截面继续增大不会对电压质量的改善有明显的效果，这是由低压台区“首低末低”的特点所决定的。

图7 更换E2-1与E2-2间线径对末端电压节点电压偏移的影响

2.6 各种优化方案的评估

2.6.1 单一优化措施的评价

从分析结果可见，就本算例而言，通过调整变压器分接头档位获得的效果最好，且没有新增新的一次设备，实施的成本较低。当然，通过调整变压器分接头位置来改善电压质量仅在电网无功较充足、且电压偏移量本身相对较小时效果才比较好，同时又要求变压器自身有足够的调节范围（分接头档位数），否则也无法充分发挥其效果。

图8 更换E3-1与E3-2间线径对末端电压节点电压偏移的影响

本例所做无功补偿是在全网范围内进行的，其中在所研究台区电源点所做的无功补偿对电压质量的改善起直接的作用。无功补偿的效果是比较显著的，但需要加装新的设备，通过本算例的测算，需要投资2 万元左右，性能价格比还是比较优越的。

在本算例中发生电压越限的配电线路通过联络开关与相关联配电线路配电网重构，也可取得令人满意的电压质量效果。进行配电网重构只需利用已建设好的相关馈线的网架，不需新增一次设备，实施的成本较低。然而，配电网重构往往需要进行较复杂的倒闸操作，发生错误的概率增大，且有可能造成短时停电，影响供电可靠性。具体如何实施配电网重构的方案，需结合实际的情况综合评估。

本算例中更换低压台区相关导线的型号也能起到一定的改善电压质量的效果。但由于该台区电源点处电压已经低于额定电压3%，属于典型的“首低末低”型电压质量问题，仅靠改善低压台区内部的380 V 电网无法取得本质性的改进，算例的计算结果也验证了这一点。

2.6.2 多措施综合优化

由于采用调整变压器分接头档位的单一优化措施效果最好，此处以此为基础开展进一步的综合优化，即分析在前文所提配电变压器分接头档位处于9.75 kV的情况下，采用其他优化措施的优化效果。

（1）调整分接头+无功补偿

表2 给出了此时无功优化的位置和容量，此时全网最大电压偏移量仅为-2.77%。从表中可见，当调整了分接头位置后，与表1 相比，仅需投入不足原来1/3的无功补偿容量，即可达到更优的优化效果。

表2 改变配电变压器分接头位置后的无功补偿位置和容量

（2）调整分接头+配电网重构

计算表明在变压器分接头已调节的前提下进行配电网重构优化，得到的结果（包括重构的最终结果及电压改善效果）与调整分接头前的结果基本相同，故不作为综合优化的方案。

（3）调整分接头+更换线径

图9给出了相应变压器分接头调整至9.75 kV位置后更换E2-1 与E2-2 间线径对末端电压节点电压偏移的影响。与图7 相对照可以发现，此时更换导线线径对减少末端电压降落的效果更加不明显，说明低压台区内部的导线线径问题不是造成电压降落的主要原因。故不推荐此种改善电压质量的方案。

图9 调整了分接头后更换E2-1与E2-2间线径对末端电压节点电压偏移的影响

2.6.3 综合评价

前文提出的电压质量综合优化步骤可总结成图10所示的框架。将其应用到对本文算例中可得出的电压质量优化结果为：推荐采用调整配电变压器分接头的方式来改善电压质量。在资金等条件许可的情况下，可以考虑调整分接头与无功补偿相结合的方式。

图10 电压质量综合优化框架

3 结论

本文对一个实际配电网中存在的电压偏低的问题开展了多种改善措施，分析结果表明各种措施均能将配网内最大电压偏移量降至±7%的范围之内。综合来说，调整变压器分接头和配网重构只需利用现有设备，不需新增投资，尤其是调整变压器分接头的方案实施起来相对简单，在本例中的效果也最好。投入无功补偿或改变线路型号需要新增投资，但均可同时带来新的效益，如降低网损率等。

改善配电网供电质量是一个极其复杂的问题，需要结合具体配电网的实际情况才能得出最优的方案。本文中给出的分析虽然仅针对文中算例，但其思路和分析流程具有一定的通用性，对于不同地区的配电网都是适用的，具有一定的推广价值。

［1］何仰赞，温增银.电力系统分析：下［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.

［2］GB/T 12325-2008.电能质量：供电电压偏差［S］.

［3］王毓东.电机学［M］.杭州：浙江大学出版社，1990.

［4］P.Kundur.Power System Stability and Control［M］.Mc-Graw-Hill Inc.，1995.