配网台区低电压治理及电能质量优化技术分析

侯保清，王健，李毅，王萍，路璞

（国网河南省电力公司方城县供电公司，河南 方城 473200）

在配电网中特别是农村配电网，由于供电半径相对较长，容易发生末端电压偏低的情况，需要对低电压问题加以治理，以保证给电力用户提供安全可靠合格的电力。同时由于在配电网中，大多数电力用户都是使用单相电，少数用户会使用三相电，这也容易使得配电台区内三相出口处的电流值大小不一，存在较为严重的三相不平衡现象。并且在现代配电网中，电力负荷中也包括了大量智能化设备，这些设备在使用过程中会给配电网带来较大的电网谐波。随着电力用户对电能质量要求的提高，需要对这些电能质量问题加以整体优化，以便提高电力用户的用电满意度，为此本文详细分析了配网台区低电压治理及电能质量优化技术。

1 配网台区低电压产生的原因及治理技术

1.1 配电网台区低电压产生的原因

配电网台区发生低电压的原因较多，包括因负荷较重导致无功功率不足、供电半径过长，同时还和负荷性质有关。如果配电网台区中包含较高比例的感性等需要消耗无功的负载，则也容易导致配电台区出现低电压的问题。如果配电网台区内包含较多的非线性负载，也会带来较大的电压污染问题，这些都是在目前配电网台区内需要解决的重点问题。低电压对电力用户的影响很大，如果该配电网台区内接带了较多的工业负荷，特别是生产精细仪器的工业企业，则如果供电电压水平不合格，将会导致生产电机发热，情况严重时还会烧损电机。并且也会使得企业生产出来的产品大多为残次品，对生产企业带来较大的经济损失。

1.2 配电网台区低电压的治理技术

在传统的配电网台区低电压治理技术体系中，一般是装设无功补偿装置，包括电容器、静止无功补偿器、无功发生器等。虽然能够起到提升电压合格水平的效果，但配电网台区内存在的其他电能质量问题依然没有得到有效的改善，有必要对配网台区电能质量进行综合优化。在电能质量综合优化技术中，将低电压治理和其他电能质量问题治理相互结合起来，通过补偿电流来实现，但电压优化又可以单独进行优化，在实际中也取得了很好的应用效果。

2 配网台区电能质量的优化技术

由于在配电网台区内不只是会发生低电压问题，还会发生如谐波含量高、三相负荷不平衡、波形畸变率高等其他电能质量问题，故在对配电网台区电能质量的优化治理中，应从全局优化的角度统筹考虑各类电能质量问题，达到综合协调优化的目的，以下介绍配电网台区电能质量的综合优化技术。

2.1 配电网台区电能质量的综合优化装置

配电网台区电能质量的综合优化装置是电力电子技术在配电网中应用的典型代表，其中调节配电网运行状态的重要作用。利用电力电子开关器件构成换相拓扑电路，将其并联在配电网中，通过SPWM调制技术，可以控制配网侧的电流，实现对多种电能质量问题的综合优化治理，图1为配电网低电压治理及电能质量优化装置原理图。

图1 配电网低电压治理及电能质量优化装置原理图

在图1配电网低电压治理及电能质量优化装置原理图中，该装置的主电路拓扑结构设计中可以采用三电平技术，通过多个电平的合成来输出合格的电压波形。和二电平技术相比，可以降低谐波含量，改善电压波形，同时也使得电能质量优化装置的运行稳定性得到提高。

2.2 配电网台区电能质量优化的控制策略

在配电网台区电能质量优化中，可以采用解耦优化的控制策略，将电压越限问题、无功补偿问题、谐波治理问题以及三相不平衡治理等问题先相互之间解耦，分别计算出各自的补偿电流值。之后再将这三者电流相互叠加，以实现对地区配网台区的电压和无功、三相不平衡及谐波等电能质量综合优化治理，达到电压经济运行、三相负载平衡、全无功补偿和谐波含量达标等多个电能质量治理目标。

图2为配电网台区电能质量解耦优化技术的原理图。

图2 配电网台区电能质量解耦优化技术

在无功补偿控制中，首先需要检测出配电网中的电流是超前配网电压的状态还是滞后配网电压的状态，以此来判断电流是感性电流还是容性电流，并进一步控制电能质量优化装置发出性质相反但频率相同的无功补偿电流，与之相抵消，即当配电网负荷电流为感性电流，则无功补偿电流为容性电流，需要发出容性无功功率。当配电网中负荷电流为容性电流，则发出感性无功补偿电流，以达到互补的作用。至于无功补偿电流的大小，需要根据事先所设定的功率因数来进行计算，按照预设的目标进行无功电流补偿。

当利用电能质量综合优化装置进行配电网谐波治理时，也是通过检测出电网中的谐波电流，并控制装置发出一个极性和其相反的谐波补偿电流。当利用电能质量优化装置进行三相不平衡治理时，可以通过装置吸收负荷电流数值较大的那一相电流的一部分，而对于负荷电流较小的那相电流则加以补偿。从优化装置的整体角度而言，流入及流出装置的有功电流在数值上是相等的，故起到了电流移相的作用，达到三相负荷平衡优化的目的。但在该优化过程中，需要进行电能的短暂存储，可以通过在装置中设置直流电容器的方式加以实现。但最终合成所得到的指令电流，应对其幅值进行合理的限制，如图2中所示，在加权优先级和指令电流之间加入了一个电流限幅的环节，保证电能质量综合优化装置中的电力电子器件不会因过流而损坏。

3 现代通信技术和物联网技术在电能质量优化控制系统中的应用

根据配电网电能质量综合优化的技术原理，并结合现代通信技术和物联网技术，可以开发出电能质量综合优化控制系统，并应用在实际的配电网中。在开发电能质量综合优化控制系统时，配电网运行数据信息的采集和传输是关键技术之一，也会直接影响电能质量综合优化装置的实际应用性能。随着物联网技术和现代5G通信技术的快速发展，可以将这些技术应用在电能质量综合优化控制系统开发中，特别是应用在数据信息采集、控制指令下发和指令接收等交互环节中。物联网技术在数据信息采集上存在较大的优势，可以用来对配电网台区内的电流及电压数据进行智能感知，同时在电能质量控制指令的下发时，通过现代5G通信技术，可以快速将控制系统的指令传到现场的配电网电能质量优化终端设备上，网络的延时率将大幅降低，并且也可以使得信息数据传输的准确率得到提高。

物联网技术在构建配电网台区电能质量管理控制系统的过程中，主要可以分为感知层、传输层和应用层等，将感知层采集到的配电网台区电能质量相关数据经过网络传输系统，传递到控制系统中的应用层，并将配电网台区电能质量情况展示在运维人员面前。通过电能质量监控终端，能够下发配电网台区功率因数、谐波控制范围等技术调节指令，从而指导配电网台区电能质量综合优化装置的实际运行。为此在能质量综合优化装置的设计阶段，应配置通信功能模块，负责接收远程控制系统所下发的控制指令，并且也能够通过该通信模块，将控制的执行结果上送到控制平台中。配电网中的电压、电流、无功功率、有功功率等波形也应通过该装置上送到控制系统中，以便运维人员能够了解到配电网的实际运行状态，并根据运行状态来下发控制指令。通过采用本文所分析的配电网台区低电压质量及电能质量综合优化技术，可以有效改善地区配电网的供电质量，提高配电网的供电能力，并且也有利于提高配电网的经济运行水平，在实际应用中具有较大的工程价值和经济效益。

4 结语

由于多元化负荷接入到配电网中，使得配电网中的电能质量问题日益突出，给电力企业的优质服务带来了较大的压力。加强配电网台区内低电压等电能质量问题的综合治理和综合优化，对于保证配电网的安全运行，提高电力企业的经济效益都具有重要的作用。本文所分析的配网台区低电压治理及电能质量优化技术，可以在实际的配电网中加以应用。