謝湘寧,王亞文,趙莉萍
(1.國網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司,青海 西寧 810000;2.國網(wǎng)青海省電力公司,青海 西寧 810000)
10kV 配電母線在目前的配電系統(tǒng)中應用十分廣泛,由于10kV 配電系統(tǒng)中的負荷變化較快,對配電系統(tǒng)的調壓性能要求較高。如果不能及時對配電系統(tǒng)的電壓進行調整,則容易出現(xiàn)電壓偏高或偏低的情況,這些都不利于配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,故應對配電母線電壓進行優(yōu)化控制[1]。本文首先分析了10kV 配電母線電壓的影響因素和調壓原則,之后闡述了配電母線出現(xiàn)電壓偏高的原因和母線電壓優(yōu)化控制的具體原理,最后進行了相應的算例分析,結果表明本文所述的配電母線電壓優(yōu)化控制方法能夠解決地區(qū)電網(wǎng)電壓偏高的實際問題。
配電母線的電壓水平和配電網(wǎng)中的負荷水平、無功功率等具有直接的關系,同時配電系統(tǒng)中的電容器、電抗器投切也會對配電母線電壓產生影響。為了保證10kV配電母線電壓穩(wěn)定,應合理配置電容器、電抗器的容量,同時采用電壓優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng),將變壓器分接頭、電容器、電抗器等調壓手段納入閉環(huán)控制系統(tǒng)中。
通過對配電母線進行電壓調整,可以使得配電母線的電壓偏移量η 在允許的范圍內,電壓偏移量η 的計算公式如下式所示,一般10kV 配電母線的電壓偏差應在±7%范圍內。
當10kV 配電母線電壓接近允許極限時,此時通過電壓控制策略的預估分析計算,決定采取何種調壓手段。對于配電母線的調壓原則,應綜合考慮配電母線的電壓允許范圍、系統(tǒng)的無功功率情況、系統(tǒng)網(wǎng)損、負荷波動情況和可采取的調壓手段等,決定采取哪種方式調壓,一般可以采取九區(qū)圖控制方式,其控制策略如圖1 所示。
圖1 九區(qū)圖電壓控制策略
在圖1 中的九區(qū)圖電壓控制策略中,主要的控制參數(shù)包括電壓U 和無功功率Q,主要的運行狀態(tài)包括電壓過高、過低和合格。當系統(tǒng)的無功功率不足時,可以通過投入電容器設備,補充系統(tǒng)所需的無功。
通過對某地區(qū)電網(wǎng)的多時空斷面數(shù)據(jù)進行分析計算,并歸納總結,得出10kV 配電母線電壓出現(xiàn)偏高的原因主要包括以下幾類:一是在平常夜間等負荷較小的時段,此時配電母線電壓容易出現(xiàn)偏高。二是在節(jié)假日的負荷低谷時期,10kV 配電母線電壓偏高現(xiàn)象也較為嚴重。三是變壓器的變比設置和本地區(qū)的負荷特性不合適,此時110kV、220kV 等高壓側電壓合格,但10kV 低壓側電壓偏高。四是地區(qū)電網(wǎng)內的主變負載率不高,如在經濟不夠發(fā)達的縣級電網(wǎng)中,負荷增長較慢,負荷性質也大部分為居民用電負荷,導致變壓器負載率長期偏低,也容易出現(xiàn)10kV 配電母線電壓偏高的現(xiàn)象[2]。在這些地區(qū)電網(wǎng)中,電容器長期都不需要投入,在節(jié)假日等輕負荷期間,還會出現(xiàn)較為嚴重的無功功率倒送的情況。五是10kV出現(xiàn)電纜線路占多數(shù)的配電母線,也容易出現(xiàn)電壓偏高的情況。此時由于電纜線路的對地電容較大,線路的充電功率也在一定程度提高了電壓。六是10kV 配電母線中的部分專變用戶出現(xiàn)了倒送無功功率的現(xiàn)象,導致母線電壓偏高。在夜間負荷低谷時期,這些專變用戶應適當調整無功補償設備的無功輸出功率,防止10kV 配電母線出現(xiàn)電壓偏高的現(xiàn)象。七是變電站中的無功補償裝置故障率較高,在需要進行電壓調節(jié)時無法發(fā)揮作用[3]。八是測量PT 系數(shù)設置不對或PT 裝置故障,導致測量的母線電壓數(shù)據(jù)不準,調度主站收到的數(shù)據(jù)顯示配電母線電壓偏高。本文主要針對前六種類型的10kV 配電母線出現(xiàn)電壓偏高原因,采取具體的電壓應對策略和治理措施。
電壓優(yōu)化控制需要綜合考慮系統(tǒng)的整體運行情況,保證調節(jié)本母線電壓的同時,不應對其他區(qū)域電壓造成影響。一般而言,當配電母線電壓越限時,應生成投切無功設備的電壓控制策略,以消除母線電壓越限的情況。如果判斷當投切無功設備后,電壓恢復正常,同時也沒有出現(xiàn)較大的無功倒送等情況,則可以直接投切無功設備[4]。如果當投切無功設備后,某條配電母線電壓出現(xiàn)了越限的情況,則應細化電壓控制策略,如先使變壓器的分接頭動作,再投切無功設備,確保母線不出現(xiàn)電壓越限的情況。
電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)在運行的過程中,需要在滿足各個約束條件的前提下,優(yōu)化系統(tǒng)的無功分布和調壓設備的控制策略[4],只有經過預估當采用所生成的電壓控制策略后,不會對其他母線電壓造成影響,才可以將電壓控制策略下發(fā),完成電壓調節(jié)過程。在實際的控制過程中,以變壓器的控制為例,如果高壓側無功已經合理,則優(yōu)先調節(jié)分頭,如分頭不可調,則投切無功設備。如果高壓側無功不合理[5],并且無功的調節(jié)方向與中低壓側電壓一致,則優(yōu)先投切無功設備,如果無功設備不可投切,則調節(jié)分頭。這些在電壓控制的過程中,也應考慮到電壓控制模型中,保證電壓控制策略的合理。
對于配電母線的電壓優(yōu)化模型,可以以電壓偏移量最小、調壓設備動作次數(shù)最少、無功網(wǎng)損最小作為多目標函數(shù),如式(2)所示。
式(2)中 NR、NX和 NB分別為電容器、電抗器和有載變壓器分接頭的調壓動作次數(shù)。對于電壓優(yōu)化模型中的約束條件,主要包括等式和不等式約束,等式約束主要是功率平衡約束,如式(3)。
不等式約束主要包括無功上下限約束、節(jié)點電壓上下限約束和支路潮流約束等,分別如式(4)~(6)所示。
優(yōu)化控制模型建立之后,可以采用人工智能算法對所建立的優(yōu)化控制模型進行求解。模型求解之后,可以得出相應的配電母線電壓控制策略。
根據(jù)某地區(qū)電網(wǎng)的多時空斷面數(shù)據(jù)和網(wǎng)架拓撲結構,構建出配電母線電壓控制模型,并通過對電壓控制模型進行求解,得出相應的電壓控制策略。10kV 配電母線分布在各個電壓等級的變電站中,由于220kV 變電站的系統(tǒng)容量較大,電壓穩(wěn)定較高,故調壓設備的動作次數(shù)較少,110kV 變電站和35kV 變電站的動作次數(shù)較多。以110kV 變電站為例,通過在該變電站10kV 側加裝10MVar 的電抗器,10kV 母線電壓降至 10.3~10.4kV。當加裝 15MVar 的電抗器,10kV 母線電壓降至 10.0 ~10.2kV,降壓效果較為明顯。此外從全年的時間尺度來看,每個月的調壓設備動作次數(shù)也不同,通過選取每個月的典型負荷曲線和發(fā)電曲線,計算得出的該變電站每個月份的調壓設備動作次數(shù)如圖2 所示。
圖2 某110kV 變電站調壓設備的動作折線圖
從上圖2 可知,在母線電壓的調節(jié)過程中,電容器和電抗器的動作次數(shù)比變壓器分接頭調節(jié)次數(shù)偏多,因為系統(tǒng)的無功功率分布調節(jié)主要需要依靠電容器和電抗器的投切才能完成,調整變壓器分接頭的位置只能在較小范圍內調節(jié)電壓。
根據(jù)上述10kV 配電母線電壓偏高問題的分析,具體的電壓優(yōu)化策略及治理措施如下所述:首先在10kV配電母線經常出現(xiàn)電壓偏高的變電站,根據(jù)負荷容量和主變容量加裝一定容量的電抗器。其次,應加強對10kV配電系統(tǒng)的無功管理,特別是專變用戶的夜間無功管理,防止出現(xiàn)無功倒送的情況。再次,強化對無功補償設備的運維,保證設備能夠正??煽縿幼?。在具有光伏等新能源上網(wǎng)的配電線路,應保證光伏電站內的SVG 等無功調壓設備處于開機運行狀態(tài),降低光伏并網(wǎng)對配電系統(tǒng)電壓的影響,并提供相應的電壓支撐。最后,應提高自動調壓控制系統(tǒng)(AVC)閉環(huán)運行的覆蓋率,全面改善地區(qū)配電網(wǎng)的電壓質量。通過在配電系統(tǒng)中采用自動調壓系統(tǒng),能夠有效解決配電母線電壓過高或過低的問題,有效管控配電母線電壓指標。隨著配電母線調壓技術的發(fā)展,母線電壓的穩(wěn)定性也會得到提高,保證配電系統(tǒng)的安全運行。
10kV 配電母線電壓的影響因素較多,應針對10kV配電母線出現(xiàn)電壓偏高的原因,制定配電母線電壓的可行性治理措施,提高配電母線電壓的運行穩(wěn)定性。本文詳細分析了10kV 配電母線電壓優(yōu)化控制模型和控制原理,并提出了具體的電壓偏高應對策略,在實際地區(qū)電網(wǎng)配電母線的控制中加以應用。