低电压综合治理软件系统开发及应用

2022-05-08谭爱斌尹军

湖南电力 2022年2期

谭爱斌，尹军

(国网湖南省电力有限公司张家界供电分公司，湖南张家界 427000)

0 引言

治理低电压是一个长期、艰巨的攻坚战，由于缺乏较强的理论指导和深入分析，往往现场凭经验制定改造方案，缺乏改造成效的专业分析和预测判断。一方面因为工程方案的不合理，导致原有低电压问题无法得到彻底解决；另一方面现有用户的扩容或某一新增负荷的接入无法判断是否滋生新的低电压问题，判断用户是否能够接入电网难度增加。目前国内对低电压的研究[1-5]比较多，主要研究领域为农村低电压的产生原因和治理，文献[6]基于无功补偿就地分散补偿和线路集中补偿相结合原则，介绍了一种配电网电能质量综合治理系统。文献[7]采用负荷矩计算电压损失时所涉及的计算系数C值作了补充，并介绍按负荷矩、电压损失等相关已知条件反算导线截面的方法。以上文献研究主要是侧重于导线线径的选取或通过整体负荷矩来确定低电压产生或低电压治理产生原因及相关治理措施[8-15]，而对于低电压逐点计算、低电压到何种程度、低电压产生的范围以及低电压预警领域则未见具体研究。

本文通过对低电压三个环节进行分析，结合低电压逐点计算理论，编制一套科学实用、易于使用的软件系统来计算配电网低电压，对配电网低电压进行科学分析，准确定位，找出薄弱环节，为配电网规划建设提供理论依据，可以有效解决配电网低电压问题，同时也能及时对可能出现增量低电压问题进行预警，提升配电网精准立项水平。

1 线路“π型”等值电路的理论

线路“π型”等值电路如图1所示，首末端电压为U1、U2，R和X分别为线路的等值电阻和等值电抗，首末端功率S1=P1+jQ1、S2=P2+jQ2。

图1 线路“π型”等值电路

由线路功率约束关系可以得到式(1):

再令:

其中δ为首末端电压的相角差，简称功率角，式(1)可以简化为下式:

电压降落相量图如图2所示:

图2 电压降落相量图

根据向量图又可得:

将式(5)按二项式定理展开，取其前两项，得:

又由于低压配电线路中U2+ΔU≫δU，将上式(6)可以简化为:

或者表示为:

10 kV电压估算工程上常采用“负荷矩法”，负荷矩[15]是指线路有功负荷P与负荷距出线端距离l间的乘积，即M=P·l。在线路型号、长度已知的情况下，由负荷矩求得分段线路压降为:

式中，ΔU0为线型对应的固定电压系数；l为分段线路长度；P为线路有功功率。

根据公式(9)可以计算出同一线型的线路压降，但实际工程中配电线路由不同线型组成，需要精准地掌握不同线型的线路参数R和X。从PMS系统中可以查询配电线路参数，并利用现用的监测系统对线路参数进行校验。

2 低压环节量化分析

根据低压台区可能诱发的低电压问题环节具体按层级展开计算。

2.1 中压配电线路环节

考察高压变电站10 kV母线至线路装接配电变压器(以下简称“配变”)高压侧的电压降。由于配电变压器大都以三相方式接入系统，以单相变方式接入系统的配变并不多，因此可以以变电站出口线电压作为始端电压，进行三相分析。

2.2 配变环节

考察配变高压侧至低压侧的电压降，根据长期工作经验表明配变的压降从一侧来看存在压降，且压降占比达到一定程度:各参数取平均值(典型参数)时，取10 kV导线截面为120 mm2，导线长度为5 km，导线平均负荷为3 000 kW，变压器容量为160 kVA，配变负载率50%；400 V导线截面为70 mm2，400 V负荷为80 kW，导线长度为400 m，功率因数为0.9，经计算此时线路末端电压降为0.686 kV，中压线路、配电变压器、低压配电线路各环节对电压降的贡献率分别为89.84%、9.23%、0.93%。

但是从实际工作中看，往往一次侧电压在合格范围内，低压出口侧电压质量均较好，且由于公用配变往往具有(1±2×2.5%)UN的电压调节能力(UN为额定电压)，因此并没有证据表明配变的出口侧电压(即配网低压线路的始端电压)与10kV变压器的电压降有必然的直接联系，也就是说变压器本身产生的电压降并不会直接反应到配变低压侧。

另外，文献[16]提出工程中变压器低压侧(二次绕组)额定电压U2N是指变压器在空载时，高压侧加上额定电压后，二次绕组两端的电压值。变压器接上负载后，二次绕组的输出电压U2将随负载电流的增加而下降，为保证在额定负载时能输出380V的电压，变压器设计时往往会考虑到变压器内部阻抗的影响(考虑到电压调整率为5%)，故该变压器空载时二次绕组的额定电压U2N为400 V。且二次侧负荷的性质、大小、无功功率情况等都直接影响着二次侧出口电压，负载较轻或空载时，副边电压将升高。因此从上述分析看，决定配变二次侧出口电压的限制因素比较多，且比较复杂，由于现在公用配变均实现了集中器的用电信息采集系统全覆盖，能实现台区出口电压的自动遥测和召测，因此本项目将中、低压线路的电压降分开，采用实测值、召测值或者典型值作为始端电压，并不考虑配变电压降的影响。

2.3 低压配电线路环节

考察配变低压侧至380/220 V用户处的电压降。由于低压用户接入系统是按照单相、三相的形式接入的，造成了同一节点的三相电压往往是不同的，因此就要考虑低压线路电压的单相计算方式，而不能采取三相笼统计算的方式。考虑到一般三相负荷往往三相是基本均衡的，因此将三相用户拆成三个单相用户接入到系统中，则对于配变某一路出线就形成了3个单相回路，因此只需要对这3个单相回路进行独立计算就能获得单相的电压分布了。

由于用电信息系统的上线，公用配变和专用配变的功率及功率因数是可以获取的，但是到每个低电压用户，目前仍无法获取其功率信息，因此必须考虑在无法获取有功功率、无功功率信息情况下的解决方案。对此采取均摊的方式，将台区的有功功率、无功功率平均分摊到每户，主要考虑到以下几个方面:

1)低压用户本身由于用电习惯和用电需求的不同，其随机性很大，负荷波动具有随机性，不具有规律性，无法获取经验性典型参数。

2)只要接入系统的低压用户，都有用电需求的可能，有随时接入系统用电的需求，只要这需求产生则必然形成电压降，采用台区的平均值去表征这种需求，更具有代表性。

3)从平均负荷代入系统进行理论计算的结果看，其计算出的电压分布与实际结果差别不大，尤其是对于末端低电压范围、大小差别不大。

以高压变电站的10 kV母线为起点，依次分析中压配电线路、配变、低压配电线路三个环节，按照各级电网运行允许出现的电压偏差，利用等值电路理论计算结果，分别提出判断低电压的技术要素和具体范围。

3 系统程序实现

3.1 10k V线路分析

如图3所示，现实工程中10 kV线路可以看成单线图显示，则在图中负荷接入的位置均可以看成1个电压节点，则该线路有4个电压节点，即节点0-3。

图3 配电线路单线图

节点0:变电站母线——整线负荷接入点。

节点1:负荷P1、P2支线接入点。

节点2:负荷P3、P4支线接入点。

节点3:负荷P5的接入点。

由于变电站母线的始端电压U0是基本确定的，其电压基本维持在10.5 kV，则可以以这个电压作为已知条件，且线路基本参数也是明确的，另外各接入负荷P1—P5可以通过用电信息采集系统采集，因此可以通过前述的等值电路的简化公式(3)—(13)采用递推的方式求取未知的节点电压U1、U2、U3。

对于U1，由于该节点1的接入负荷以及其后的接入负荷均要通过节点0流至节点1，则对照公式(9)可知:

通过公式(9)即可方便计算出节点1的电压U1。

再在计算出的电压U1的基础上，采用上述相同的分析，即可获得通过节点1的负荷值:

通过公式(9)即可方便计算出节点2的电压U2；如此的循环迭代计算，便可逐层计算出干线上的节点电压。

对于支线的逐点电压也可以通过上述方式进行计算。

因此通过等值电路的方式，就可以对全线的节点进行全面计算，实际计算时将每根杆塔作为1个节点，则可以对每根杆塔、每个用户接入点进行全线的系统电压分布进行计算——其中程序所需要做的就是查找该节点及其后所接入的负荷总量。

3.2 0.4 kV线路分析

图4为系统中单相、三相用户接入系统的单线图，图中省去了中性线。

图4 低压线单线图

根据上述低压配电线路环节的分析，将该图拆解成3个单相，即A、B、C三相的用户接入图，如图5—7所示。拆解后，其计算方式就可以与10 kV的计算方式相同了，其逻辑选择也一致。

图5 拆解低压线路单线图(A相)

图6 拆解低压线路单线图(B相)

图7 拆解低压线路单线图(C相)

10 kV配变高压侧按高压用户处理，电压偏差取±7%，即9.3～10.7 kV。对于400 V线路来说:用户侧电压不应低于-10%，即220×0.9=198 V。该标准应结合上述标准综合判断。

需要指出的是，在编程的时候，由于计算机处理逻辑判断的时间比较长，因此优化了相关算法，将每一个节点都当成有三个单相用户接入，如果只是接入相为A，则该节点接入的三个用户分别是A-1、B-0、C-0；三相用户则分解成A-1、B-1、C-1，如图8所示。经过算法改进后，程序计算的速度相对快很多。

图8 低压逐点计算改进

3.3 程序逻辑图简介

根据上述分析，搜索本节点前的节点电压、本节点前线段的参数、本节点后的负荷参数，就能实现10 kV和单相低压进行逐点的电压计算，便能判断单点电压的电压大小、低电压程度、低电压出线的范围以及0.4 kV的三相电压不平衡程度，程序实现的逻辑如图9所示。

图9 程序逻辑流程

基于低压逐点计算分析方法，研发低电压综合治理软件系统。该系统具备的基本功能包括:①数据的输入输出、编辑修改；②报表的导入导出、图形的导出；③低压到户的电压计算，负荷增长的电压估算，并判断低电压存在的位置及户数；④用户权限管理，能实现用户查看、统计、修改等权限分配，对系统实施人员管理功能；⑤中压线路、台区管理，方便设备主人中低压设备的查询统计与维护；⑥输出低电压预警图，输出低压范围、程度与电压分布情况；⑦输出低压台区低电压诊断报告，实现低电压预警，提供低电压治理措施。