CN111049149A - 电网末端低电压治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电网末端低电压治理方法，属于电能治理领域。针对目前农村电网由于供电半径长、线径细、以及负荷波动导致的线路末端低电压问题，提出用于电压末端用户电压提升的串联补偿控制方法；提出串联电压补偿解决低电压治理的总体方案；提出电压补偿控制装置安装位置的选取方法，以补偿后电压提升效果、系统运行的经济性为目标，建立补偿装置的安装位置和容量优化配置模型；计及负荷的电压静态特性、补偿装置接入后对接入点前段线路潮流分布的影响，设计加入补偿装置的线路潮流模型及求解计算方法。优点在于：通过串联电压补偿的方式，提升配电网末端的电压，便于在实际电力系统中应用。具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电能治理领域，特别涉及一种电网末端低电压治理方法。
背景技术
配电网一直是我国电网建设的薄弱环节，全国配电网均存在着不同程度的“低电压”现象。经过两期的农村电网改造、县城电网改造、中西部农村电网完善及新一轮农村电网改造升级等国家层面的配电网建设与改造工程的实施，我国配电网基础得到一定程度改善，配电网供电能力和供电质量都得到了大幅提升。但是仍面临着如低电压问题数量多、分布广，区域差异大，冲击性问题突出等诸多问题。且随着生产和居民生活水平不断提升，对电力需求持续增长，部分地区将更难以满足新形势下对用电质量的要求，特别是地处中西部山地、丘陵、负荷密度较低、供电半径普遍过长的农村地区，低电压问题仍十分严重。
减少低电压问题的发生，可有效提高电压质量，为电力用户提供可靠优质的电力供应，保障居民的高质量生活、工业企业的正常生产。同时电能损耗需要增加发电量来抵消，高效的农村电网可有效降低配电网线路和设备损耗，释放农村电网的输变电容量，节省大量的电厂投资，节约用煤和净水，减少粉尘、二氧化碳、二氧化硫，以及氮氧化物等有害气体的排放，降低对大气的污染，有利于保护环境。低电压问题的治理将有效降低网络损耗，促进电网经济运行，对人民生活水平的提高及社会经济的发展都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于串联电压补偿控制的电网末端低电压治理方法，解决现有技术存在的低压变台区末端电压质量问题。本发明通过串联电压补偿的方式，提升配电网末端的电压，用以解决农村配电网等负荷较为分散、供电线路过长地区的配电网低电压问题。科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
电网末端低电压治理方法，包括如下步骤：
步骤1：针对农村电网线路末端低电压问题，采用串联补偿控制方法，用于电压末端用户的电压提升；
步骤2：采用串联电压补偿解决低电压治理；提出电压补偿控制装置安装位置的选取方法，以补偿后电压提升效果、系统运行的经济性为目标，建立补偿装置的安装位置和容量优化配置模型；
步骤3：计及负荷的电压静态特性、补偿装置接入后对接入点前段线路潮流分布的影响，设计加入补偿装置的线路潮流模型及求解计算方法。
所述的步骤1中，用于电压末端用户电压提升的串联补偿控制方法具体是：在配电线路串联自动调压器，实现电网分散调整电压，即串联在供电线路中，自动进行整条线路的电压调整，使线路的电压满足负荷需求，保证了用户用电设备的安全及供电质量。
所述的步骤2中，提出串联电压补偿解决低电压治理的总体方案，具体是：将设计的配电网串联电压补偿装置串联安装于配电线路的合适位置，通过对接入点电压、电流的采样分析，计算出线路末端电压跌落数值，通过串联于一次回路的绕组提供补偿电压，改善辐射状配电线路沿线电压分布，提升供电线路末端的电压水平，具有负荷“自适应”电压调节和实时响应的特点。
串联电压补偿装置档位设计及其在配电线路安装位置的合理选择和容量适当配置是关系到补偿效果的灵敏性和设备投资经济性的规划问题，是一个反复迭代的寻优过程；其目标函数和约束条件建立的正确性以及算法使用的合理性是关乎补偿装置调压效果的重要因素；优化配置计算的基本流程为，首先根据线路低电压情况，在补偿档位约束区间内，按照设计的模型算法求得此时的补偿档位、安装位置及配置容量，然后再通过进一步计算获得完整的补偿档位设计方案。
所述的获得完整的补偿档位设计方案，用补偿装置安装围置、容量配置计算，具体步骤如下：
(1)根据已知的线路参数和各节点负荷数据，利用计及负荷静态电压特性的前推回代法进行线路的原始潮流计算；
(2)根据原始潮流信息，确定补偿档位的约束区间，198<(补偿档位×末端电压)<235，在区间内取整数补偿档位；
(3)以补偿装置接入点为分界点，将线路分为补偿点前段和后段两部分；
(4)将补偿装置接入后，补偿点的电压值赋给后段线路的首端节点，其他参数不变，进行补偿点后段的潮流计算；
(5)计及补偿装置接入后，进行前段线路的潮流计算；并与后段潮流数据合并，得到补偿装置接入后线路的完整潮流数据；
(6)每一节点，都需进行补偿变压器档位数K次计算，总的计算次数＝档位数×负荷节点数；也将得到相应组数的完整潮流计算数据；
(7)根据约束条件，若该组数据出现节点电压或补偿变压器容量越限的情况，则筛选掉该组数据；
(8)按照目标函数，计算所有符合约束条件的数据组的目标函数最小值；并输出其中的最小值，同时给出补偿装置所处档位及安装位置的节点号；
(9)计算此时补偿变压器二次侧的实际出力，在此基础上预留20％的余量，即为补偿变压器的优化容量配置大小。
本发明的有益效果在于：通过串联电压补偿的方式，提升配电网末端的电压，解决了农村配电网等负荷较为分散、供电线路过长地区的配电网低电压问题。便于在实际电力系统中应用。具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的电力网络元件等值电路图；
图2为本发明的电压降落向量图；
图3为本发明的低压线路支路等效电路图；
图4为本发明的单相电路串联补偿原理示意图；
图5为本发明的串联电压补偿控制系统结构图；
图6为本发明的IGBT构成的分接开关结构示意图；
图7为本发明的优化算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7，本发明的基于串联电压补偿控制的电网末端低电压治理方法，解决了低压变台区末端电压质量问题，便于在实际电力系统中应用。具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的优点。针对目前农村电网由于供电半径长、线径细、以及负荷波动导致的线路末端低电压问题，研究用于电压末端用户电压提升的串联补偿控制新方法及装置。提出串联电压补偿解决低电压治理的总体方案；提出电压补偿控制装置安装位置的选取方法，以补偿后电压提升效果、系统运行的经济性为目标，建立补偿装置的安装位置和容量优化配置模型。计及负荷的电压静态特性、补偿装置接入后对接入点前段线路潮流分布的影响，设计加入补偿装置的线路潮流模型及求解计算方法。本发明包括如下步骤：
步骤1：针对目前农村电网由于供电半径长、线径细、以及负荷波动导致的线路末端低电压问题进行分析，提出一种用于电压末端用户电压提升的串联补偿控制方法；
步骤2：提出串联电压补偿解决低电压治理的总体方案；提出电压补偿控制装置安装位置的选取方法，以补偿后电压提升效果、系统运行的经济性为目标，建立补偿装置的安装位置和容量优化配置模型；
步骤3：计及负荷的电压静态特性、补偿装置接入后对接入点前段线路潮流分布的影响，设计加入补偿装置的线路潮流模型及求解计算方法。
所述的步骤1中，用于电压末端用户电压提升的串联补偿控制方法具体是：造成低电压问题的原因主要是农村配电网用户分散，传输距离较长，线路线径细，阻抗大等因素，在用电负荷高峰时容易出现低电压现象。针对该现象可以在配电线路串联自动调压器，实现电网分散调整电压，即串联在供电线路中，自动进行整条线路的电压调整，使线路的电压满足负荷需求，保证了用户用电设备的安全及供电质量。
所述的步骤2中，提出串联电压补偿解决低电压治理的总体方案，具体是：将设计的配电网串联电压补偿装置串联安装于配电线路的合适位置，通过对接入点电压、电流的采样分析，计算出线路末端电压跌落数值，通过串联于一次回路的绕组提供补偿电压，改善辐射状配电线路沿线电压分布，提升供电线路末端的电压水平，具有负荷“自适应”电压调节和实时响应的特点。
串联电压补偿装置档位设计及其在配电线路安装位置的合理选择和容量适当配置是关系到补偿效果的灵敏性和设备投资经济性的规划问题，是一个反复迭代的寻优过程；其目标函数和约束条件建立的正确性以及算法使用的合理性是关乎补偿装置调压效果的重要因素；优化配置计算的基本流程为，首先根据线路低电压情况，在补偿档位约束区间内，按照设计的模型算法求得此时的补偿档位、安装位置及配置容量，然后再通过进一步计算获得完整的补偿档位设计方案。
参见图1及图2所示，电力网络元件等值电路图和电压降落向量图，图1中R为一相的等值电路，X为一相的等值电抗。节点1、2＝之间电压的相量差定义为电压降落。由等值电路可知，电压降落表达式为
取相量
为参考相量，如果
和
已知，可作如图2所示的向量图，图中AB即为电压降落相量
将该相量分解为平行与垂直的两个分量AD与DB，记两个分量的大小为△U＝AD和δU＝DB。即：
其中，
为电压降落的纵分量；
为电压降落的横分量。
由于在对电力系统运行的分析中，常常采用功率进行运算。与电压
和电流
对应的一相功率为
将电流用功率替代，即
在电力网络等效图1中，将节点1与节点2的电压绝对值之差定义为电压损耗，用△U 表示。上述分析可知式(7)成立，即
通常情况，在电力系统实际运行的过程中，两点间的电压相角差δ不大，因此可以近似忽略电压降落的横分量，通常认为电压损耗即为电压降落的纵分量。当以
作为参考轴时，则有式(8)成立，即
由上式可以看出，对于低压配电线路，线路的电压损耗主要取决于线路有功负荷P，线路电阻R和首端电压U的大小。有功负荷P的大小由用户的使用情况所决定，故常规低电压治理多通过线路改造以减小线路组抗，或提升配电变压器出口电压等手段来减小线路的电压损耗。
参见图3所示，低压线路支路等效电路图。低压配电线路一般为辐射状结构，一条主干线路，分支线路较多，U0为10kV高压侧电压，U1为0.4kV低压侧电压，U2为0.4kV配电线路末端电压，ΔU+jδU为线路的电压降落，Ri+jXi为支路阻抗，Si为支线负荷。
不同于高压输电线路，低压线路导线截面积、间距都相对较小，故其线路电抗较小，R/X较大，线路参数主要表现为电阻性，对于线路参数可忽略其电抗。实际运行中线路两端相角差δ较小，电压降落的横向分量可忽略不计，把电压降落的纵向分量看作线路的电压损失。
参见图4所示，单相电路串联补偿原理示意图。低压配电网为三相四线制供电方式，且用电负荷以单相负荷为主。故补偿装置设计采用单相调压的方式，并可通过三相间调压器的协调控制，改善三相负荷不平衡的问题。由电力电子技术控制的串联补偿装置的一次侧并接于接于馈线的接入点，其二次侧绕组串联于配电网接入点L线的回路中。这时整个系统可以看做一个串联的变压器，负荷侧电压的计算公式：
U'＝(k+1)U (9)
通过对控制器调整一次绕组的匝数，进而调整变比k，实现对补偿电压的的调整，完成对线路末端负荷电压的可控抬升。通过串联电压补偿解决低电压问题，最大的优势在于，装置直接补偿线路电压不足部分，而非部分传统调压器完全串联于线路中的全功率传输，从而减小了配置容量，降低了成本。且故障率低、便于维护。
参见图5所示，串联电压补偿控制系统结构图。本发明为在低电压线路的适当位置增设一台补偿变压器(为一具有多抽头的降压变压器)。将其一次绕组各抽头经开关并联于线路，其二次绕组串联于供电线路。
信号采集单元实时监测接入点电压、电流，并将信号传递给控制器，线路负荷较大导致中后端电压较低，控制器按照设定的控制策略控制各通路电力电子开关通断，使补偿变压器二次侧输出期望的电压，补偿变压器二次侧电压与电网电压叠加，实现供电线路电压的调节。另在补偿变压器二次侧设置一路旁路开关，当线路负荷较小，电压满足供电要求时，旁路开关闭合，其他支路开关断开，补偿装置自动退出，此时补偿变压器二次侧短路，实现变压器类似于电流互感器串联在线路中。
信号采集及投切模式判断控制单元采用高速数字信号处理芯片对采样的电压、电流、功率因数等参数进行综合计算，使设备实现自动运行的同时还具有过载保护功能。
参见图6所示，IGBT构成的分接开关结构示意图。补偿变压器的档位分接开关设计，由两个带反向并联二极管的IGBT反向串联构成，连接与正、负半周期，各通过一个IGBT的正向导通与另一个IGBT的反向并联二极管构成通路，二者交替工作，以实现交流开关作用。
相较传统机械开关、接触器开关等，由IGBT器件构成的分接开关结构，具有结构简单、无电弧、分断精确可靠、调压快速、可实现补偿装置调压的实时响应。样机中所选用的IGBT元件，其理论开/关速度，达到了23/250ns，对比接触器10ms以上的开断速度，优势明显，可更好的避免档位切换时，供电短时中断现象的发生。
参见图7所示，优化算法流程图。方法用补偿装置安装围置、容量配置计算，具体分为9步：
(1)根据已知的线路参数，和各节点负荷数据，利用计及负荷静态电压特性的前推回代法进行线路的原始潮流计算。
(2)根据原始潮流信息，确定补偿档位的约束区间，198<(补偿档位×末端电压)<235，在区间内取整数补偿档位。
(3)以补偿装置接入点为分界点，将线路分为补偿点前段和后段两部分。
(4)将补偿装置接入后，补偿点的电压值赋给后段线路的首端节点，其他参数不变，进行补偿点后段的潮流计算。
(5)计及补偿装置接入后，对前段线路的影响，如前文所述，进行前段线路的潮流计算。并与后段潮流数据合并，得到补偿装置接入后线路的完整潮流数据。
(6)每一节点，都需进行补偿变压器档位数K次计算，总的计算次数＝档位数×负荷节点数。也将得到相应组数的完整潮流计算数据。
(7)根据约束条件，若该组数据出现节点电压或补偿变压器容量越限的情况，则筛选掉该组数据。
(8)按照目标函数，计算所有符合约束条件的数据组的目标函数最小值。并输出其中的最小值，同时给出补偿装置所处档位及安装位置的节点号。
(9)计算此时补偿变压器二次侧的实际出力，在此基础上预留20％的余量，即为补偿变压器的优化容量配置大小。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电网末端低电压治理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：针对农村电网线路末端低电压问题，采用串联补偿控制方法，用于电压末端用户的电压提升；
步骤2：采用串联电压补偿解决低电压治理；提出电压补偿控制装置安装位置的选取方法，以补偿后电压提升效果、系统运行的经济性为目标，建立补偿装置的安装位置和容量优化配置模型；
步骤3：计及负荷的电压静态特性、补偿装置接入后对接入点前段线路潮流分布的影响，设计加入补偿装置的线路潮流模型及求解计算方法。
2.根据权利要求1所述的电网末端低电压治理方法，其特征在于：所述的步骤1中，用于电压末端用户电压提升的串联补偿控制方法具体是：在配电线路串联自动调压器，实现电网分散调整电压，即串联在供电线路中，自动进行整条线路的电压调整，使线路的电压满足负荷需求，保证了用户用电设备的安全及供电质量。
3.根据权利要求1所述的电网末端低电压治理方法，其特征在于：所述的步骤2中，提出串联电压补偿解决低电压治理的总体方案，具体是：将设计的配电网串联电压补偿装置串联安装于配电线路的合适位置，通过对接入点电压、电流的采样分析，计算出线路末端电压跌落数值，通过串联于一次回路的绕组提供补偿电压，改善辐射状配电线路沿线电压分布，提升供电线路末端的电压水平，具有负荷“自适应”电压调节和实时响应的特点。
4.根据权利要求1所述的电网末端低电压治理方法，其特征在于：串联电压补偿装置档位设计及其在配电线路安装位置的合理选择和容量适当配置是关系到补偿效果的灵敏性和设备投资经济性的规划问题，是一个反复迭代的寻优过程；其目标函数和约束条件建立的正确性以及算法使用的合理性是关乎补偿装置调压效果的重要因素；优化配置计算的基本流程为，首先根据线路低电压情况，在补偿档位约束区间内，按照设计的模型算法求得此时的补偿档位、安装位置及配置容量，然后再通过进一步计算获得完整的补偿档位设计方案。
5.根据权利要求4所述的电网末端低电压治理方法，其特征在于：所述的获得完整的补偿档位设计方案，用补偿装置安装围置、容量配置计算，具体步骤如下：
（1）根据已知的线路参数和各节点负荷数据，利用计及负荷静态电压特性的前推回代法进行线路的原始潮流计算；
（2）根据原始潮流信息，确定补偿档位的约束区间，
，在区间内取整数补偿档位；
（3）以补偿装置接入点为分界点，将线路分为补偿点前段和后段两部分；
（4）将补偿装置接入后，补偿点的电压值赋给后段线路的首端节点，其他参数不变，进行补偿点后段的潮流计算；
（5）计及补偿装置接入后，进行前段线路的潮流计算；并与后段潮流数据合并，得到补偿装置接入后线路的完整潮流数据；
（6）每一节点，都需进行补偿变压器档位数K次计算，总的计算次数=档位数×负荷节点数；也将得到相应组数的完整潮流计算数据；
（7）根据约束条件，若该组数据出现节点电压或补偿变压器容量越限的情况，则筛选掉该组数据；
（8）按照目标函数，计算所有符合约束条件的数据组的目标函数最小值；并输出其中的最小值，同时给出补偿装置所处档位及安装位置的节点号；
（9）计算此时补偿变压器二次侧的实际出力，在此基础上预留20%的余量，即为补偿变压器的优化容量配置大小。
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