配电网无功电压的优化控制

 引言

电压是衡量电能质量指标之一，电网运行电压质量的优劣，是配网结构、无功电源配置、无功实时控制以及运行管理技术水平的综合反映，也是发、供、用三方对无功控制协调能力的体现。在配电网运行中，无功对电压质量影响极大，无功与电压存在着较强的耦合关系，无功功率在潜移默化地影响电压质量。无功功率的不足或过剩都将引起配电网运行电压的下降或升高，在极端情况下还可能导致运行电压大幅度下降而出现“电压崩溃”现象。

在确保配电网安全运行的前提下，从全网角度实施无功电压的优化可能控制，可实现无功补偿电容器的合理投切，以及减少主变分接开关调节次数，来实现无功分层就地平衡，确保配网运行电压的合格。为此，探索无功电压的优化控制方式并使之日臻完善，逐步规范形成一整套行之有效的管理体系，才能按配网无功负荷的需求，实时发出补偿无功电容器的投切指令，确保无功分层就地平衡，维持配网运行电压的合格，实现配网安全经济运行。

一、传统无功管理存在的弊端

无功是一种资源，是建立磁场和维持电磁能转换的必备条件。无功和有功一样是交流电能重要组成部分，形影相随缺一不可，时刻陪伴和呵护着电气设备的正常运行。为电力系统正常运行提供支撑，为电网有功功率的输送保驾护航。

在配电网运行中，无功与电压存在着较强的耦合关系，无功电流变化比有功电流变化对负载电压影响大得多，而运行电压又随线路输送的有功与无功的比例而变化。为确保配电网运行电压的合格，则需对无功电压进行监控与管理。然而传统的无功电压管理，仅依据运行电压变化情况而通过采用人工投切补偿电容器(或与变压器分接开关配合调节)来改善电压质量。

传统的人工调节管理无功电压，存在着诸多弊端：一是电力调度仅依据电网运行采集参数，经统计分析后下达补偿电容器投切指令，这容易出现补偿调节的之后，而使电压波动时有发生;二是补偿电容器仅凭电压波动进行投切，不仅无功补偿量不准确，而且还会产生频繁交错的投切操作;三是补偿电容器的人工投切，不仅繁琐费时，而且还增加调度与操作人员工作量。

随着科技进步，不少变电站实行无人或少人值守，若无功电压仍采用人工调节管理，操作人员要在接到调度指令后才去操作调节，然后调节操作后电网无功负荷又发生变化，则需要再次进行调节操作。这不仅会产生交错频繁操作，而且繁琐费时调压效果欠佳，另外，无功电压管理采用人工操作，不能及时跟踪电网无功负荷变化，无法达到实时的无功分层就地平衡，难以有效地改善运行电压质量。

二、电压质量与电能损耗

电能从电源(发电厂)输送到用户，需经输电、变电、配电等环节，而配电处于电力系统的末端。在配电网运行中，由于供电网络存在阻抗，电流通过线路、电器设备时，必然要产生热量而造成电能损耗。配电网运行中产生电能损耗，是与电压等级、网络结构、导线截面、负荷性质、设备性能等有关，特别是运行电压偏移对电能损耗影响最大。若是运行电压降低15%，则电能损耗要增加30%。

配网运行电压偏移对各类用电设备的影响是不同的。对异步电动机而言，其对运行电压偏移十分敏感。当电动和输出功率一定时，它的定子电流、功率因数、效率等均随供电电压的偏移而变化的。异步电动机的最大转矩与输入电压的平方成正比，当供电电压降低时，电动机的转矩将明显变小，并造成转差率、定子电流增大，温升升高，运行效率较低，电能损耗增加。反之，若供电电压升高，对有铁心之类的感性设备，其铁心磁通密度增大，只是铁心磁饱和，造成激磁电流增大，铁心损耗增加，电设备发热，运行效率下降。总之，配网运行电压质量优劣，对电气设备运行中产生的电能损耗影响极大，则需通过采取有效措施来改善运行电压质量。

三、无功平衡与电压质量

配电网内运行着各类的感性设备，其所需无功功率的多少与运行电压质量有关。表征不同运行电压与感性设备所需无功功率之间关系，称之为用电设备的无功——电压静特性。

配电网通过多回10KV馈线向用户供电，每回馈线上均接有众多用电设备，而它们的无功——电压静特性各异。配电网内无功电源与感性负载往往不会装置在同一地点，馈线上感性负载所需无功，则需通过线路将无功从无功电源送往无功需要处。当馈线在某电压下运行，无功电源送往感性负载的无功功率必须等于，在该电压下馈线上所有感性负载所需无功功率的总和。即任何时刻馈线运行电压的合格，完全取决于无功功率的就地平衡。

为实现无功功率的实时就地平衡，必须发挥电力调度功能，实时掌握馈线运行中的电压波动情况以及无功负荷需求量。在加大对馈线无功负荷检测的同时，按馈线需求的无功量，下达补偿电容器投切指令，确保无功满足馈线上感性负载所需，维持无功就地平衡，以减少无功潮流。只有准确地运用调度手段，实时维持馈线上无功功率的就地平衡，才能实现馈线运行电压的合格，从而提高供电质量。

四、无功补偿与无功潮流

电力系统中输配电线路上输送的无功功率，称之为无功潮流。配电网运行中若无功潮流越大，则网损也随之增大。配网馈线上无功电源与感性负载往往不装设在同一地点，感性负载所需的无功功率，则需通过线路从无功电源送往感性负载处。在无功功率输送过程中，必然会产生线路送端与受端的电压差，若线路输送无功功率愈多，则电压差也愈大。为实现无功就地平衡，则需运行电力调度功能，实时根据配网运行电压变化以及无功潮流情况，科学合理地调配无功负荷，使配网在给定运行方式下，确保馈线的无功就地平衡。为此，电力调度应根据配电网运行现状及馈线上感性负载所需的无功量，实时下达补偿电容器投切和主变分接开关调节指令，使之达到无功就地平衡，减少无功潮流，改善运行电压质量。

另外，为更好实现无功就地平衡，也可在无功不足处实施无功补偿，这也是实现无功就地平衡改善电压质量的有效措施。优化无功补偿，必须坚持“全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡”的原则，科学合理配置无功补偿设备，这不仅可减少上一级电网无功补偿的压力，而且也可避免无功功率输送而增加网损。

优化无功补偿，还要坚持分散就地补偿和变电站集中补偿相结合，以分散补偿为主;电网补偿与用户补偿相结合，以用户补偿为主;高压补偿与低压补偿相结合，以降损补偿为主。对用户低压电动机或感性设备，以实施随机随器补偿为主，促其自觉装设无功补偿电容器，通过对无功负荷监管，促其实时投运以提高功率因数，改善电压质量。与此同时，在配电网运行中还要对网内所有无功补偿设备进行监控、检测，以避免产生无功过偿，若用户无功补偿过量，则将适得其反。无功补偿过量会造成功率因数过高，无功倒送电网，也会造成电网运行电压升高而增加电能损耗。

随着配网内非线性设备投运的不断增加，其产生谐波对运行电压质量，也会造成不利影响。尤其对容量315KVA及以上变压器的用户，除了强化无功补偿制度化管理外，还要对谐波源进行实时监控与治理，以提高电压质量。

五、分接开关与电压调节

变压器运行中，通过改变分接开关的档位，即改变变压器一次和二次电压变化，可起到调节输出电压的作用。运行变压器分接开关进行调压，不会改变系统中无功功率的大小，仅改变无功功率的分布。若采用分接开关进行电压调节，只能在系统无功比较充裕或与基本平衡的前提下，方可取得良好的调压效果。若是系统无功不足而采用切换分接开关进行调压，会使所需无功随之增加，造成无功更大缺额，反而导致运行电压下降，这表明在系统无功不足时，采取切换分接开关是难以改善电压质量的效果。

从全网考虑，线路运行电压的合格，完全取决于线路上无功的就地平衡。若是在系统无功欠缺情况下，运用分接开关进行调压，当电压偏低时，首先投入补偿电容器，使线路达到无功基本平衡。若线路电压仍然低于允许偏移值下限，此时再运用主变分接开关进行调节，使运行电压达到合格。为此，只有在线路无功基本平衡工况下，运用分接开关进行调压，方能取得良好的调压效果，维持线路运行电压的合格。

六、无功电压的优化控制

配电网供电结构复杂，用电负荷变化大而且分散，若要对每个用户负载电压偏移进行检测与控制，是不大容易实现的。但以全网运行视角考虑，只有实时无功电压的优化控制，即能将受电端电压控制在允许偏移范围内，实现配网电能损耗的最小。

无功电压的优化控制方式有：分散控制和集中控制。

分散控制即在变电站10千伏母线装设无功补偿电容器，仅依据母线运行电压的高低，来决定补偿点容器投切数量，以维持线路运行电压的合格。对装设有有载调压变压器和集中无功补偿电容器的联合配合调节，方可取得良好的调压效果。这种分散的控制方式，仅靠检测母线电压的高低进行补偿电容器的投切和改变分接开关档位，来维持线路运行电压的合格。但这种控制方式是无法自动跟踪电网无功负荷的变化，更无法实现全网无功电压的最优。

随着电力电子技术发展与应用，运用无功电压优化控制软件，即可自动跟踪电网无功负荷变化，而对无功电压进行优化控制，实现无功电压闭环控制和对全网无功潮流的实时动态管理。这种集中控制方式，不仅可减轻电力调度和运行人员的工作强度，而且还能实时对无功补偿电容量与主变分接开关进行合理调节，避免无功补偿的之后，维持馈线运行电压的实时合格，实现配电网安全稳定运行。

配电网采用无功电压集中控制方式，是运用优化的集中控制软件，可自动跟踪电网无功负荷变化，实时对无功补偿装置和调压设备进行动态管理。运用计算机多项编程功能，自动进行各种参数，经计算分析后发出补偿电容器投切和分接开关最佳档位的指令，由终端装置自动执行，使之维持馈线运行电压的合格。这种集中控制方式，不仅避免人工调节无功的之后而引起电压的波动，而且还能实现补偿电容器投切和分接开关调节次数最少，及时达到无功就地平衡，减少无功潮流，改善电压质量，实现全网无功电压的最优，为配网安全运行提供动态无功支撑。

七、结语

配电网运行中，无功功率在潜移默化地影响着电压质量，无功补偿是改善电压质量的基础，而无功就地平衡则是实现运行电压合格的条件。在配网运行管理中，必须强化无功管理，创新无功电压的控制方式。依靠科技进步，运用无功电压自动控制软件，可最大限度减少补偿电容器投切和分接开关调节次数，使之达到无功就地平衡，为配网运行提供动态无功支撑，实现电网经济运行。