低压配网智能感容性功率抑制策略研究

赵应禄，高 博，张 燕，吴 永，丁 雨，张运飞

（国网河南新野县供电公司，河南 南阳 473500）

关键字：弗兰梯效应；功率抑制；全时域监控

1 系统需求

近些年，随着城市化进程的推进，低压城区配电网系统大比例采用隐藏式地下电缆的配电方式。隐藏式地下电缆的配电方式有诸多显而易见的优点：施工安全、方便，不占用显性地面；布线隐蔽、不影响居民生活；抗雷击强度高等。但是当低压城区配电网的电缆化率达到较高的水平时，由于地下电缆线路导线间、导线对地存在更强的电容性，地下电缆线路的充电功率远大于传统架空线路，造成更多的配电台区在空载和轻载时产生较强的充电功率（容性），引起线路末端电压升高、功率损耗增加以及无功倒送情形的出现（弗兰梯效应）；同时还会造成系统对地放电，产生弧光接地过压放电现象，给低压配电网的安全运行带来了极大隐患。

本文设计提出一种低压配网智能感容性功率抑制模块化系统，可实现智能化全时域监控低压配电网中弗兰梯效应的产生情况，自动抑制感性无功输入电网，实时吸收配电网充电性容性功率，高效率减少空载和轻载时线路上的功率损耗，限制弧光接地过压放电现象的发生。

2 方案设计

2.1 理论依据

城区配电网中地埋电缆化率已达到较高水平，由于地埋电缆线路的充电功率远大于架空线路，因此在负荷低谷时期会造成配电线路末端电压偏高以及配网功率超前现象发生，表现为无功倒送情形的出现即典型弗兰梯效应。本研究设计通过专用设备监测配电网的电压、电流、有功功率、无功功率、功率超前、滞后裕度量及潮流方向等电能质量指标。抑制模组智能根据分析仪全象限功率潮流实时分析出配网电路中弗兰梯效应产生情况和其所处配网电路的实时电路特征、特点，采用合理、严谨的算法，利用ATP-EMTP 电磁暂态仿真计算程序建立模型，对合、分闸并联电抗器的暂态进行分析，自动判定投入、切除一定有效量的智能感容性功率抑制模块组单元，进而减轻甚至消除系统的弗兰梯效应。在配网系统功率超前时，并能控制调节配电系统配置的电容投入，满足功率因数达标功能。

实现安全切换、调节，自动智能实现配变台区的功率潮流调节并抑制电缆效应，实现电网智能化、动态化跟踪功率潮流调节，提供系统功率，降低损耗，提高整个低压电网的供电质量。

2.2 电缆的容性效应会造成末端电压升高原因

城区配电网中地埋电缆已达到较高水平，带电线路对大地是绝缘的，与大地间能发生静电感应，就构成了一个电容器。当线路空载或轻载时，与传统的架空线路相比表现出更强的容性特征，线路可简化为一个同时存在电源、电阻、电感和电容的闭合回路。

假设线路首端电压为US，末端电压为UC，对地容抗XC，感抗XL，电阻R。根据电压关系可得：首段电压为US等于容抗XC、感抗Xl、电阻R之上的电压向量和。

由于感抗Xl远大于电阻R，R可忽略不计；对于长距离输电线路，容抗XC大于感抗XL，电容C上的电压和电感L上的电压相位差180°。电源电压在数值上约等于电容C两端电压值减去电感L两端的电压值，即得出末端电压UC高于线路首端电压US。

这种电压升高情况会随着线路的延长而累积，如果将较长的线路从首端到末端等分成数段看待，则有每段线路的节点都比前一个段线路节点的电压要高，即第1段节点高于首端，第2段节点高于第1段节点，第3段节点高于第2段节点，于是最末端电压高于首端，表现在线路末端情况最为严重，即弗兰梯效应，在负荷低谷时期对末端电压的影响是很明显的，必须要采取措施抑制。

2.3 采用并联电抗器补偿线路容性无功

为了解决上述问题，本方案采取并联电抗器无功功率补偿装置（投入感容性功率抑制模块化）的方式补偿系统容性无功。它通过向高压长距离的电缆输电网络提供感性无功功率，补偿电网中剩余的容性充电无功功率，控制无功功率潮流，保证电网电压稳定在允许范围内。

并联电抗器可根据电网运行状况进行有级调节，能够方便有效地使系统达到无功平衡。轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡，减少无功功率不合理流动同时也减轻了线路上的功率损失，并能防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。

3 实践依据

3.1 采用PWM控制型可控电抗

基于以上理论依据，在实践中通过多种型号电抗器的对比实验后，最终选取了近几年的热门话题——可控电抗器作为抑制模块的有效组成。选用可控电抗器既能满足并联电抗器用于抑制超高压长线末端空载或轻载时的电压升高，随着负荷的增加，并联电抗器的补偿容量可以动态减少甚至切除的需求；也能在线路有扰动以致负荷跳闸时，可以立即投入的需要。做到容量可调，且能快速反应。

本抑制模块PWM 控制电抗器，是新近几年发展起来的一种基于脉宽调制（PWM）技术的可控电抗器。使用两个双向开关和一个电抗器构成整个可控电抗器。两个双向开关互补开关操作,达到调整电抗值的目的。PWM 控制电抗器是基于高频斩波的PWM 控制，因此具有响应速度快、谐波含量低、电抗量可平滑调节的优点。

3.2 采用智能测控装置建立低压配电网全功率监测机制

低压配网智能感容性功率抑制模块化系统选取32位高速处理器为核心，可实时监测低压配电网的电压、电流、有功功率、无功功率等电气参数，并监测低压配电网的功率超前、滞后裕度量及潮流方向等电能质量指标。

根据检测的数据，通过功率裕度量及潮流方向采用密度法、稳态暂估建模等算法，形成合理的无功电容投退方案，并能自动执行操作投入、切除智能感容性功率抑制模块组单元，进行控制感容性功率平衡模组调节，实现功率线性全象限平滑调整，实现低压配电网的感容性功率吸收和抑制调节，保证功率不超前运行；减小电网电压变化对配电网络的冲击，减小系统对地电容放电引起的电流过高问题，杜绝发生系统弧光接地现象；同时提高供电质量，增加电网安全运行的高可靠性。

最终实现电网的功率智能化、动态化跟踪均衡。

同时装置具有完善的测量、保护、控制、和通信功能。可将城区低压配电网的电能质量和安全运行管理工作提升一个显著层次，切实有助于实现低压电网值守无人化、智能化的管理要求，给低压电网和电器设备的安全和经济运行提供重要的保护。

4 结束语

建立低压配网智能感容性功率抑制策略

本研究设计的感容性功率平衡模组满足了GB/T 17626规定的所有电磁兼容最高等级的要求。系统可以根据低压配电网全功率监测仪的监测数据形成合理无功电容和线性、感性负载的投退方案，发出控制指令后，执行相应的调节策略。可安全、可靠、稳定地进行合、分闸并联定制感性负载，以达到优化抑制弗兰梯效应，提高配网用电效率，减少配变损耗，改善低压配电网供电质量目的。