配电网电压质量定量评估方法研究

白先红1，韦任佳2，张勇军3，唐慧珍1

（1．广西电网公司计划发展部，广西南宁市 530023；

2．广州市奔流电力科技有限公司，广东省广州市 5100；

3. 华南理工大学电力学院，广东省广州市 5100）

摘要：提出了配电网电压质量改善评估的总体思路，通过对典型线路进行分项电压质量改善潜力评估，然后按照各种负荷特性线路在整个区域电网中所占的比重，进而分析整个区域配电网的电压质量改善潜力。所提出的评估方法既能够宏观掌握配电网电压质量的总体改善空间，又能直观评估各项措施在具体线路中的电压改善和节能效果。

关键词：配电网；电压质量；改善潜力；评估体系

Abstract：A general idea of voltage quality improvement evaluation of the distribution network is propose in this paper. By doing all kinds of voltage quality improving potential evaluation to the typical lines, and considering the proportion of lines of load characteristics in the regional power grid, we finally analysed the voltage quality improving potential of the regional power grid. This evaluation method is not only able to understand the potential space of improving voltage quality of the distribution network, but also able to evaluate the voltage quality improvement and energy saving effects for several measures applied to the lines.

Key words：distribution network；voltage quality；improve potential；evaluation method

1 引言

电压是电力系统电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电损耗和人民生活用电都有直接影响。由于功率传输必然在电网中产生电压损耗，受多种因素的影响，如网架薄弱、供电半径长、负载重等，我国城乡配电网的电压质量还有很大的改善空间，提高电压质量已经成为当前电网公司的一个重要任务。通常，改善配电网电压质量的手段主要有：(1)对AVC系统进行升级改造[1]；(2)增加电源点，缩小供电半径[2]；(3)对线路进行合理的无功补偿[3-4]；(4)变电站采用逆调压方式调压[5-6]；(5)在主干线路上安装调压器进行调压[7]；(6)更换导线或者进行电缆化改造[8-9]；(7)负荷侧增加分布式电源[10]；(8)进行20kV升压改造[11]。每一种措施都可以在配电网中起到不同程度的调压效果，如何量化评估各种以及多种调压措施的预期电压改善效果对配电网的规划和运行具有重要的指导作用。

可靠率、线损率和电压合格率是电网运行的主要考核指标，但目前对配电网的评估主要集中在可靠性评估[12-13]和节能降损评估[14]两个方面。可靠性评估旨在评价（或预测）元件或系统过去的（或未来的）可靠性水平，找出配电网中可靠性薄弱环节，寻求提高系统可靠性的途径，以指导电网的规划、设计、运行和维修。另一方面，准确评估其节能潜力是科学地开展配电网节能改造工作的前提，也是指导配电网节能规划、运行的理论基础和根本依据。文献[15]建立了配电网节能潜力评估的系统框架，并开发了配电网节能潜力评估计算软件PSAS，通过从微观到宏观的系统方法定量评估配电网各种手段的节能降耗空间，能直观评估各项节能措施在具体线路中的节能效果。

当前，配电网电压质量改善潜力评估的研究尚未见到报导，还缺乏评价指标和系统的定量评估方法。本文提出的配电网电压质量评估的指标和方法，可为制定整个区域配电网的电压质量改善规划和改造方案提供理论依据。

2 评估方法

2.1 电压质量现状调研

针对某地区的配电网，首先需要通过调研分类选取典型线路，并了解各类典型线路存在的电压质量问题。比如代表城区负荷中心特性的线路，问题表现为供电半径较短、线路负载率较高、电压合格率较高但在轻载时段可能存在电压越上限问题等；代表工业区重载特性的城镇线路，问题表现为供电半径较短、线路长期重载运行、因负荷重致使电压偏低等；代表农村负荷特性的线路，问题主要表现为供电半径较长、支路较多、线路末端电压长期偏低且尤以春节期间更为严重等；代表含小水电的山区负荷特性的线路，问题主要表现为丰水期间电压越上限而枯水季节电压越下限等。在分析典型线路的电压质量情况的基础上，制定可行的改善措施。调研的参数主要包括中压线路型号/长度、配变型号/数量、无功补偿比例、以及年最大、最小负荷时母线电压、负荷电流、功率因数等。

2.2 配电网电压质量改善潜力评估方法

定义：10kV配电网电压质量改善率VI%—是以主干线末端电压作为比较对象，以某项技术措施（或多种措施）实施后对主干线末端电压提升量与初始状态电压值之比的百分数。

电压质量改善率即为该线路的电压质量改善潜力。

对于接有小水电或其他分布式电源且主干线末端电压越上限的馈线：

        (1)

其中是初始状态的馈线主干线末端电压，是实行各分项改善措施之后的馈线末端电压。作为有改善的空间，应满足≥10.7kV且应满足≥10.0kV。不满足上述条件均视作电压质量无改善。

对于无小水电或其他分布式电源接入的馈线：

       (2)

作为有改善的空间，应满足≤10.0kV且应满足≤10.7kV。不满足上述条件均视作电压质量无改善。

定义一个地区配电网电压质量改善率，表征该地区配电网的电压质量改善潜力。假定各类典型线路在某地区电网中所占的比例分别是λ1、λ2、λ3…λN，则该地区配电网电压质量改善率如下所示：

 (3)

由式（1）~（3）即构成配电网电压质量改善潜力评估的方法。通过该评估方法，可定量分析电压质量改善的潜力，为电力部门做决策提供参考。

3 配电网电压质量改善潜力评估的措施

根据配电网电压质量改善率的定义，分别按照以下的分项措施对各个典型线路进行分项电压改善潜力分析，本文使用配电网节能降耗分析软件PSAS来进行计算分析。

3.1 缩小供电半径

对于主干线末端电压比较低的而且供电半径远超设计规程的馈线，假定在负荷的中心点新增一个电源，即新建一个变电站，此时馈线被分为两段来供电，用PSAS软件分别对前后两段线路进行仿真计算，根据得出的潮流结果计算电压质量改善率。供电半径缩小之后，线路末端电压得到提高，同时线路的有功损耗也大为减少，由潮流结果可以计算出节省的有功功率。根据南方电网各类用户的年最大负荷利用小时数的统计值，假定该10kV线路年最大负荷损耗小时数为3500，就可以估算出运行一年节省的网损费。按照广东某市市“十二五”配电网规划的造价表，可知新建一个110kV变电站（按1台50MVA主变考虑），造价大概是4100万元，假定该变电站有10回出线，则可以估算出投资回收期。实施流程图如图1所示：

图1 缩小供电半径的具体实施流程图

3.2 无功补偿

首先对无功补偿前的馈线进行初始潮流计算，就是用现有负荷等参数来计算；假设无功补偿后，容量为100kVA及以上的配变的无功补偿全部就地平衡，使其功率因数达到1.0，即各100kVA及以上的配变的低压侧无功负荷降为0，来重新进行潮流计算。对比补偿前后的电压质量与网损情况，对馈线电压质量改善率进行评价。如果低压动态无功补偿后电压质量改善仍不理想，可以考虑在主干线后半段（距馈线首端2/3处）增加一台容量大致等于大方式下剩余无功缺乏（即总供电无功）的10kV杆上无功补偿，然后再重新计算补偿后的潮流，再次对馈线电压质量改善率进行评价。假设自然功率因数是0.85，也就是假设原先无功补偿都没有的情况，与提高到1.0相比差别的无功功率，加上杆上补偿量，即是新增的无功补偿量，按照广东某市市“十二五”配电网规划的造价表，无功补偿装置单价450元/kvar，以及进行杆上无功补偿要另外增加2万元/点，可以计算出新增的投资额，然后计算实施无功补偿的节能降损的投资回收期。实施流程如图2所示：

图2 进行无功补偿的具体实施流程图

3.3 更换导线截面

对于负载水平超过导线经济负载水平的馈线，在初始状况下对馈线进行节能规划计算。考虑到负荷的增长速度和水平以及规划线路的导线截面的状况，在软件内设定架空线最大可换导线截面积等于需要更换的导线的截面积的两倍左右，然后根据计算结果，更换导线，再次进行潮流计算，根据得出的潮流结果计算电压质量改善率。实施流程如图3所示：

图3 更换导线截面的具体实施流程图

3.4 采用逆调压方式

在大方式下，线路负荷较重，此时如果馈线首端电压较低，就会导致线路末端电压很低，因此就要在变电站采用逆调压方式，把首端电压调到10.5~10.7kV；同理，在线路负荷很轻的时候，也可以采用逆调压方式，使得馈线首端电压保持在10.0~10.2kV左右。计算馈线调整前后的潮流，然后对馈线电压质量改善率进行评价。实施流程如图4所示：

图4 采用逆调压方式的具体实施流程图

3.5 配电网电压质量改善潜力综合评估方法

由于缩小线路供电半径这个措施投资回收期太大，且关系到全网的规划，因此撇开这个条件，把进行无功补偿、更换导线界面以及在馈线首端采用逆调压方式等措施拟合到线路中去，运用PSAS软件重新对线路进行仿真计算，即可得出各回典型线路的综合电压质量改善潜力。

按照线路的分类情况，分别把每种负荷类型线路的电压质量改善潜力平均值计算出来，然后根据公式（3）就可以计算出整个区域配电网的电压质量改善潜力。

4 算例分析

4.1 典型线路分类

根据对某地区10kV线路调研得到的数据，把该地区的线路分为四类，具体分类方法如表1所示：

表1 典型线路分类表

某10kV线路概况如表2--表4所示。

表2 主干线概况表

某10kV线路仿真计算的潮流情况如表5所示：

表5 某10kV线路计算结果

可知，采用各个分项电压质量改善措施是可以有效的改善电压的质量的，考虑到缩小供电半径和更换导线的投资回收期比较长，因此建议在该10kV线路上采用增加无功补偿和在变电站采用逆调压方式两种措施来改善馈线末端的电压水平。

4.4 地区配电网的电压改善潜力

依上述方法分别计算其他的线路，结果取平均值，得出该地区配电网的电压质量改善潜力评估结果如表6所示：

表6 某地区电网电压质量改善潜力评估结果

4.5 各项措施的成本效益分析

根据该线路仿真计算的潮流情况可以计算实行各项改善措施下能节省的网损费以及投资回收期。具体结果如下表7所示：

表7 某10kV线路的成本效益分析表

5 结语

本文提出了配电网的电压质量改善潜力评估方法，本评估方法以抽样选取和系统归纳为架构，达到理论与实际相结合，能普遍运用于南方多个地区的配电网。本评估方法可以灵活的选择单项或者多项措施进行电压质量改善潜力评估，可以得到各配电线路实施不同措施的电压质量改善潜力和该地区配电网的总体改善潜力。基于评估结果，可以为各地区配电网制定无功补偿、导线更换和逆调压等方案提供理论依据，推动配电网的发展。

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