10kV 配电母线电压偏高的原因及应对策略分析*

2021-02-04谢湘宁王亚文赵莉萍

科技创新与应用 2021年7期

谢湘宁，王亚文，赵莉萍

（1.国网青海省电力公司西宁供电公司，青海西宁 810000；2.国网青海省电力公司，青海西宁 810000）

引言

10kV 配电母线在目前的配电系统中应用十分广泛，由于10kV 配电系统中的负荷变化较快，对配电系统的调压性能要求较高。如果不能及时对配电系统的电压进行调整，则容易出现电压偏高或偏低的情况，这些都不利于配电系统的安全稳定运行，故应对配电母线电压进行优化控制[1]。本文首先分析了10kV 配电母线电压的影响因素和调压原则，之后阐述了配电母线出现电压偏高的原因和母线电压优化控制的具体原理，最后进行了相应的算例分析，结果表明本文所述的配电母线电压优化控制方法能够解决地区电网电压偏高的实际问题。

1 10kV 配电母线的调压原则

1.1 10kV 配电母线电压的影响因素

配电母线的电压水平和配电网中的负荷水平、无功功率等具有直接的关系，同时配电系统中的电容器、电抗器投切也会对配电母线电压产生影响。为了保证10kV配电母线电压稳定，应合理配置电容器、电抗器的容量，同时采用电压优化调节系统，将变压器分接头、电容器、电抗器等调压手段纳入闭环控制系统中。

1.2 调压原则

通过对配电母线进行电压调整，可以使得配电母线的电压偏移量η 在允许的范围内，电压偏移量η 的计算公式如下式所示，一般10kV 配电母线的电压偏差应在±7%范围内。

当10kV 配电母线电压接近允许极限时，此时通过电压控制策略的预估分析计算，决定采取何种调压手段。对于配电母线的调压原则，应综合考虑配电母线的电压允许范围、系统的无功功率情况、系统网损、负荷波动情况和可采取的调压手段等，决定采取哪种方式调压，一般可以采取九区图控制方式，其控制策略如图1 所示。

图1 九区图电压控制策略

在图1 中的九区图电压控制策略中，主要的控制参数包括电压U 和无功功率Q，主要的运行状态包括电压过高、过低和合格。当系统的无功功率不足时，可以通过投入电容器设备，补充系统所需的无功。

2 10kV 配电母线电压的优化控制模型

2.1 10kV 配电母线电压偏高的原因分析

通过对某地区电网的多时空断面数据进行分析计算，并归纳总结，得出10kV 配电母线电压出现偏高的原因主要包括以下几类：一是在平常夜间等负荷较小的时段，此时配电母线电压容易出现偏高。二是在节假日的负荷低谷时期，10kV 配电母线电压偏高现象也较为严重。三是变压器的变比设置和本地区的负荷特性不合适，此时110kV、220kV 等高压侧电压合格，但10kV 低压侧电压偏高。四是地区电网内的主变负载率不高，如在经济不够发达的县级电网中，负荷增长较慢，负荷性质也大部分为居民用电负荷，导致变压器负载率长期偏低，也容易出现10kV 配电母线电压偏高的现象[2]。在这些地区电网中，电容器长期都不需要投入，在节假日等轻负荷期间，还会出现较为严重的无功功率倒送的情况。五是10kV出现电缆线路占多数的配电母线，也容易出现电压偏高的情况。此时由于电缆线路的对地电容较大，线路的充电功率也在一定程度提高了电压。六是10kV 配电母线中的部分专变用户出现了倒送无功功率的现象，导致母线电压偏高。在夜间负荷低谷时期，这些专变用户应适当调整无功补偿设备的无功输出功率，防止10kV 配电母线出现电压偏高的现象。七是变电站中的无功补偿装置故障率较高，在需要进行电压调节时无法发挥作用[3]。八是测量PT 系数设置不对或PT 装置故障，导致测量的母线电压数据不准，调度主站收到的数据显示配电母线电压偏高。本文主要针对前六种类型的10kV 配电母线出现电压偏高原因，采取具体的电压应对策略和治理措施。

2.2 优化控制基本原则

电压优化控制需要综合考虑系统的整体运行情况，保证调节本母线电压的同时，不应对其他区域电压造成影响。一般而言，当配电母线电压越限时，应生成投切无功设备的电压控制策略，以消除母线电压越限的情况。如果判断当投切无功设备后，电压恢复正常，同时也没有出现较大的无功倒送等情况，则可以直接投切无功设备[4]。如果当投切无功设备后，某条配电母线电压出现了越限的情况，则应细化电压控制策略，如先使变压器的分接头动作，再投切无功设备，确保母线不出现电压越限的情况。

电压优化控制系统在运行的过程中，需要在满足各个约束条件的前提下，优化系统的无功分布和调压设备的控制策略[4]，只有经过预估当采用所生成的电压控制策略后，不会对其他母线电压造成影响，才可以将电压控制策略下发，完成电压调节过程。在实际的控制过程中，以变压器的控制为例，如果高压侧无功已经合理，则优先调节分头，如分头不可调，则投切无功设备。如果高压侧无功不合理[5]，并且无功的调节方向与中低压侧电压一致，则优先投切无功设备，如果无功设备不可投切，则调节分头。这些在电压控制的过程中，也应考虑到电压控制模型中，保证电压控制策略的合理。

2.3 电压优化控制模型

对于配电母线的电压优化模型，可以以电压偏移量最小、调压设备动作次数最少、无功网损最小作为多目标函数，如式（2）所示。

式（2）中 NR、NX和 NB分别为电容器、电抗器和有载变压器分接头的调压动作次数。对于电压优化模型中的约束条件，主要包括等式和不等式约束，等式约束主要是功率平衡约束，如式（3）。

不等式约束主要包括无功上下限约束、节点电压上下限约束和支路潮流约束等，分别如式（4）～（6）所示。

优化控制模型建立之后，可以采用人工智能算法对所建立的优化控制模型进行求解。模型求解之后，可以得出相应的配电母线电压控制策略。

3 仿真分析及电压应对策略

3.1 计算结果

根据某地区电网的多时空断面数据和网架拓扑结构，构建出配电母线电压控制模型，并通过对电压控制模型进行求解，得出相应的电压控制策略。10kV 配电母线分布在各个电压等级的变电站中，由于220kV 变电站的系统容量较大，电压稳定较高，故调压设备的动作次数较少，110kV 变电站和35kV 变电站的动作次数较多。以110kV 变电站为例，通过在该变电站10kV 侧加装10MVar 的电抗器，10kV 母线电压降至 10.3～10.4kV。当加装 15MVar 的电抗器，10kV 母线电压降至 10.0 ～10.2kV，降压效果较为明显。此外从全年的时间尺度来看，每个月的调压设备动作次数也不同，通过选取每个月的典型负荷曲线和发电曲线，计算得出的该变电站每个月份的调压设备动作次数如图2 所示。

图2 某110kV 变电站调压设备的动作折线图

从上图2 可知，在母线电压的调节过程中，电容器和电抗器的动作次数比变压器分接头调节次数偏多，因为系统的无功功率分布调节主要需要依靠电容器和电抗器的投切才能完成，调整变压器分接头的位置只能在较小范围内调节电压。

3.2 电压应对策略及治理措施

根据上述10kV 配电母线电压偏高问题的分析，具体的电压优化策略及治理措施如下所述：首先在10kV配电母线经常出现电压偏高的变电站，根据负荷容量和主变容量加装一定容量的电抗器。其次，应加强对10kV配电系统的无功管理，特别是专变用户的夜间无功管理，防止出现无功倒送的情况。再次，强化对无功补偿设备的运维，保证设备能够正常可靠动作。在具有光伏等新能源上网的配电线路，应保证光伏电站内的SVG 等无功调压设备处于开机运行状态，降低光伏并网对配电系统电压的影响，并提供相应的电压支撑。最后，应提高自动调压控制系统（AVC）闭环运行的覆盖率，全面改善地区配电网的电压质量。通过在配电系统中采用自动调压系统，能够有效解决配电母线电压过高或过低的问题，有效管控配电母线电压指标。随着配电母线调压技术的发展，母线电压的稳定性也会得到提高，保证配电系统的安全运行。