考虑距离指标的配电网无功电压就地控制方法

王 飞，张诗建

（1.海南电网有限责任公司琼中供电局，海南琼中 572900；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510640）

0 引言

许多专家学者开展了配电网无功电压本地控制技术的研究。文献[6]考虑了不同负荷状态下对无功补偿需求的差异性，提出一种负荷相关的电容器自动控制方法，针对负荷轻载、常载和重载分别设定了3组功率因数区间进行电容器的自动投切。为避免投切无序混乱，提升区域电容器投切的协同性，文献[7]提出了基于修正功率因数评估的配电网低压电容器协同控制，以馈线首端的修正功率因数到平衡区间距离数值最小化为控制目标，以配电负载率确定电容器投切的优先级，协同馈线全线的电容器进行投切，但仍需依赖小范围通信。文献[8]介绍了一种电容器组实时投切的模糊控制器，根据电容器组的节点电压和功率因数角正弦值，通过模糊规则库和模糊推理来实现电容器的就地自动控制。现有研究多从功率因数控制出发，通过复杂模型或逻辑进行电容器控制，以实现节能降损，但控制目标单一，未能全面兼顾本地控制条件与馈线全区域的资源协调利用，方法控制的实用性与效益存在进一步挖掘的空间。

本文基于配电网无功电压特性分析，提出了一种考虑距离指标的配电网无功电压就地控制方法，以距离指标为判据，构建功率因数和电压选择控制模型。采用南方电网某实际线路模型验证所提方法的有效性。

1 配电网无功电压特性分析

目前，配电网电压调控以电容器无功补偿设备为主要手段，典型配电网架构如图1所示。

图1 典型配电网示意图

根据电力系统电压分布原理，可知线路电压降落为：

式中：P为馈线潮流有功值；Q为馈线潮流无功值；U为电压值；R为线路电阻；X为线路电抗。

由上式可知，在10 kV馈线电压分布与线路参数、传输功率大小、功率传输距离密切相关。负荷越靠近线路末端，功率传输电气距离越远，即R、X越大，电压降越大；负荷越靠近线路首端，功率传输的电气距离越近，电压降越小，因此，线路电压偏低甚至低电压情况往往发生在电气距离较远的线路末端。

多年来的退田还湖是值得肯定的。尽管如此，武昌湖周边圩区仍然是主要农耕区，提高圩区防洪能力是治水主要措施。为什么不能继续退田还湖？既然洪涝威胁性大，不如退地求湖，改变利用方式，以退为进。

进一步对配电网运行的损耗进行分析，忽略配变铁耗，则配电网有功损耗的表达式为：

式中：ΔP为有功损耗；I为配电线路电流；P为馈线潮流有功值；U为电压值；cosφ为功率因数。

由上式可知，在负荷和线路参数不变的情况下，配电网运行的有功损耗与运行电压水平和负荷功率因数成负相关关系，即在配电网运行电压约束下，配电网整体的运行电压水平越高，无功区域平衡性越好，负荷功率因数越高，线路运行损耗越低。

电容器控制策略主要是按照运行导则要求，与电容器安装点的配电变压器首端功率因数为控制参考对象，补偿功率因数在0.90～0.95。而配电网由于投资因素，并未对所有配电变压器进行电容器建设，依据导则规定，只有在100 kVA以上的配电变压器，才有可能进行电容器的配置考虑。在电容器稀疏布置的背景下，这种控制策略对于分布于馈线中末端的配电网变压器而言，忽略了邻近台区的无功补偿需求，可能出现补偿台区电容器闲置，而馈线首端大量下送无功功率的情况，电压调节效果不足，不利于电容器资源的有效利用和配电网的节能降损。

综上所述，目前的电压控制策略较为保守，电容器等无功补偿资源利用率不足，电压控制和节能降损效果有待提升。考虑到线路电压分布与电气距离相关，若根据电气距离差异，设置差异化的配电网控制目标，可以更好地提升电容器利用效率，提高配电网运行电压质量。

2 考虑距离指标的就地控制方法

针对当前配电网电压控制问题，本文提出一种考虑距离指标的就地控制方法，在考虑目前配电网远程集中控制的系统和通信条件不足的情况下，基于本地监测信息，通过距离指标判定设置不同的控制目标，实现电容器的就地自动投切，以提高配电网无功电压调节资源利用率、电压水平和运行经济性，以下从该方法的距离指标、控制模型和实现流程等方面进行阐述。

2.1 距离指标

在传统配电网中，潮流方向单一，电压由馈线首端至末端沿线下降，电气距离较远节点的电压一般较低，可以作为补偿电容器控制目标的调整因素之一，以提高配电网电压控制水平。

而配电网不同馈线的参数、运行负荷存在差异，难以用定量划线的方式进行电气距离远近的评判。考虑到电压与线路长度、阻抗参数、负荷相关，电气距离又与线路长度相关，本文提出电压和线路长度指标综合的距离指标，以评判应用差异化的无功电压控制目标，提升方法的普适性。

距离指标是指，考虑馈线不同位置电压降的电容器控制目标切换阈值，其数学表达式如下：

式中：S为距离指标；L为线路主干线长度；Vmax为馈线首端最高电压；Vmin为馈线末端最低电压；Vavg为馈线平均电压。

2.2 就地控制模型

基于上述的距离指标，本文提出就地控制模型如下。

2.2.1 目标函数

考虑距离指标的无功电压就地控制，旨在利用距离指标进行补偿设备就地控制目标的切换，以提升无功电压控制效果，其目标函数如下：

式中：cosφi为第i个补偿点的功率因数；Li为i个补偿点到馈线首端的线路长度；Vi为第i个节点的电压；Vavg为馈线平均电压。

2.2.2 约束条件

约束条件包括节点电压约束和电容器容量约束，具体如下。

式中：Vi为第i个节点的电压；Vˉ为节点电压上限，1.07p.u.；Qic为第i个节点的补偿投入量；Qicmax为第i个节点的最大无功补偿容量。

该控制模型的物理含义是，通过距离指标判定，选择功率因数或电压为补偿电容器的就地控制目标，在配电网及设备运行的约束条件下，改善配电网无功潮流，提升配电网运行电压水平。

2.3 实现步骤

基于上述提出的就地控制模型，本文提出考虑距离指标的配电网无功电压控制流程如下。

（1）获取10 kV配电线路各配电变压器的电压幅值、无功补偿容量以及功率因数等参数信息；所述的参数信息包括10 kV配电线路配变台数n、对应变电站到各配变的距离Ln、各配变的功率因数cosφn，各配变低压侧电压幅值Vn；定义k=1，2，…，n并设置k的初始值为1。

（2）判断第k台配变与变电站的距离Lk，若满足Lk＜S，则转入步骤（3）；若不满足则转入步骤（4）。

（3）应用就地控制模型，选择以功率因数为控制目标，进行无功补偿设备控制。

（4）应用就地控制模型，选择以电压为控制目标，进行无功补偿设备控制。

（5）当k＜n，使k值增加1转入步骤（2）；否则，控制方法结束。

3 算例分析

本文应用南方电网某实际线路的等效模型，验证所提控制方法的有效性。线路模型如图2所示，全线共有38个配变负荷节点，配变总容量为10 685 kVA，负载率为31.8%。主干线长度为8.1 km，型号为LGJ-240，其中节点4、6、8、11、15、31为无功补偿节点，补偿容量分别为120 kvar、250 kvar、250 kvar、250 kvar、160 kvar、160 kvar；馈线首端最高电压为10.4 kV，末端最低电压为9.5 kV，馈线历史平均电压为10.1 kV。

图2 仿真拓扑图

分别进行以下3种场景的仿真：（1）无控制，即无功补偿不投入；（2）传统控制策略，控制补偿点补偿功率因数在0.90及以上；（3）采用本文提出的就地控制策略，根据距离指标设置不同的控制目标。仿真结果如图3、图4所示。由图可以看出，采用本文提出的就地控制策略，根据距离指标选择不同控制目标进行电容器的补偿可控制，可以较好地发挥补偿电容器无功调节能力，提升馈线整体的电压水平。而传统控制策略相对于无控制运行策略，可以起到一定的电压改善作用，但由于控制目标单一，难以完全利用补偿电容器资源，控制效果一般。

图3 不同控制模式下补偿节点电容器投入

图4 不同控制模式下的馈线电压分布

由表1所示，相比之下本文提出的就地控制策略能更好地改善运行电压质量，具有较好的配电网节能降损效益，与传统控制相比，损耗降低了7%。

表1 3种策略下结果对比

4 结束语

本文立足于配电网无功电压分析，提出了用以无功电压差异化控制的距离指标，并以此构建了电压控制与功率控制的自适应控制模型，提出了无功电压就地控制方法，以指导配电网无功电压控制。算例表明，本文所提方法可以有效地提升电容器整体的利用率，特别对线路中末端的电容器利用率提升效果更佳，同时电压控制效果与效益优于传统控制。该方法计算简便、实用性强，可为配电网无功电压控制提供重要的参考价值。