配网低电压治理技术新颖版.docx

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配网低电压治理技术新颖版

第6章配网低电压治理技术

6.1配网低电压产生原因

6.1.1低电压特征分类

依据低电压发生和持续的时间特点,大致可分为3类：

长期性、季节性和短时性。

①长期性低电压指用户低电压情况持续3个月或日负荷高峰低电压持续6个月以上的低电压现象；②季节性低电压是指度夏度冬、春灌秋收、逢年过节、烤茶制烟等时段出现的具有周期规律的低电压现象；③短时性低电压主要是指由农村居民临时性挂接负荷或建筑用电负荷引起的不具有长期性和季节性特点的阶段性不规律低电压现象。

6.1.2低电压发生时段分布

1）农村集中排灌期间。

每年1～3月份、6～9月份和11～12月份，农业排灌负荷较为集中，用电量较大，部分带有排灌负荷的公用配电变压器短时间出现满载、过载现象，造成处于低压线路末端负荷的供电电压较低。

2）日用电高峰时段。

由于农村经济发展迅速，农户生活水平逐步提高，家用电器保有量快速增加，农村配电台区用电负荷快速增长，农村日用电高峰时段相对集中，具体情况见表1

。

表1　日用电高峰时段

Tab.1　Dailypeakloadtime

季节月份时段备注

夏季7，8中午：

11:

00～15:

00

晚上：

19:

00～22:

00地方特色经济作物加

工季节，如南方春季

采茶期等

冬季12，1晚上：

19:

00～22:

00

6.1.3低电压产生的管理层面原因

1）供配电设施运维管理粗放。

中低压供电设备台账不健全或更新不及时，网架和设备的基础性资料不完善。

营销、配电、调度数据资源信息不能充分共享，变电站、线路、配电变压器（简称配变）和低压用户之间没有建立有效的联调管理机制，未依照季节性负荷情况和用电峰谷状况及时调整配变分接头位置和投切无功补偿设备，设备管理人员对设备运行状态和补偿效果不清楚、不了解、不掌握，对损坏或缺陷设备发现、处理、更换不及时。

2）部分地区营销管理不精细。

个别地区农村用户

报装接电管理较为松散，存在较大集中负荷接于公用配变用电或农村居民用户生产负荷报小用大的现象，造成配变过负荷低电压情况；配电台区管理人员对台区单相用户未均衡分配接入A、B、C相，大量农村用电负荷集中在农忙时节，如春耕秋收和排灌期间，用电负荷分布不均，造成配变低压侧用电负荷三相严重不平衡，导致重载相中后段用户低电压。

3）中低压配电网电压监测不全面。

按照电压监测点一般配置要求，农村电网每百台配变设置1个电压监测点配置，城市电网每百台配变设置2个电压监测点进行配置。

农村居民用户点多面广，客户端电压监测不全面；个别电压监测点代表性不强，依据监测数据难以准确掌握农村电压质量真实情况；配电台区监测、用户用电信息采集的运行和状态数据质量参差不齐、可用率低，通过系统性关联分析定位低电压问题原因难度大。

4）低压需求侧管理工作不到位。

对用户用电性质

掌握不全面，对台区负荷发展的预见性不够，高峰负荷时造成台区配变过负荷运行，未得到有效监测和及时处理；对用户用电知识宣传不够，部分用户的户内线未根据实际用电负荷增长情况同步进行增容改造，超年限超负荷使用，线路老化严重，电压过低致使家用电器无法正常使用；对类似农产品加工的季节性负荷缺乏有效的调峰措施；对大负荷用户错峰用电宣传和引导不力，负荷过于集中，未能及时转移负荷，造成用户低电压问题。

6.1.4低电压产生的技术层面原因

1）农村配电网供电能力不足。

农村用电负荷相对城市负荷密度小，部分农村特别是丘陵、山区等地居民居住比较分散，变电站布点不足，缺乏合理规划，配变布点和线径配置凭经验，缺少必要的电压降落校验；个别新上或改造的配电台区设计时超合理负荷距供电，配变容量配置不足，低压线路供电半径大。

2）中低压配电网电压调控能力弱。

农村未改造的部分变电站中的无载调压主变压器还占据一定比例，高峰负荷期间无法保证10kV馈线出口电压质量；对长期存在低电压问题的中低压配电线路未加装自动调压装置。

配变主要为无载调压型，调压范围基本为±2.5%或±5%，无载调压型配变因需要停电进行调压操作，一般只做季节性调整或不做调整，对于日负荷波动较大的配电台区无法满足电压调节频度技术需求。

3）无功补偿配置不足或不合理。

农村用电负荷具有季节性和时段性波动特性，高峰负荷时几近满载或过载，低谷负荷时接近空载，对农村配电网各层级的无功补偿配置、调控能力提出较高的要求。

农村电网无功电源建设严重滞后，普遍存在无功补偿容量不足或不合理等问题。

部分地区对变电站无功补偿配置较为重视，10kV线路与配变无功补偿配置不科学，一般按照标准容量配置，装置的投运率和可用率较低，电网末端无功缺乏，所需无功功率由发电厂或上级变电站远距离输送到电力终端用户，造成较高的电网损耗和较大幅度的电压降落。

4）农村配电网自动化和信息化程度低。

农村电网电压无功在线监测与可控、能控和在控设备相对较少，通信网络建设也相对滞后，自动化和信息化基础薄弱，已有的监测和可控设备多为分散型和就地型，无法及时了解和掌握低电压问题情况、发生原因，无法实现电压无功多级联调和全局性优化控制，依靠运维人员的巡视、抽测等方式查找与解决处理问题的准确性和实时性差，中低压配电网规划、建设、改造方案的形成往往缺乏电网各层级的运行数据支撑和科学决策依据。

6.2现有的治理措施介绍

6.2.1综合治理管理措施

1）提升低压用户负荷需求管理。

通过加强低压用户报装接电管理和强化营销数据分析，合理确定用户负荷装接容量，在营销业务系统中标注单相用户所接相别，统计分析分相用电量，辅之以现场测量，及时调整单相用户所接相别，控制低压配电网三相负荷不平衡度。

结合用户用电信息采集或集抄系统建设，全面收集配变和低压用户用电负荷数据，并进行负荷特性分析，为中低压配电网规划、建设、改造及运行管理提供依据。

对无法及时改造的低电压配电台区，实施用户错峰用电管理，引导和鼓励小型加工等较大负荷用户错峰用电。

2）加强中低压供配电设施运维管理。

建立健全中

低压供配电设备台账信息，严格遵照电压无功设备运行维护管理制度，及时处理电压无功设备存在缺陷，提高设备完好率和可用率；结合不同季节、不同时段负荷曲线和电压曲线，制定电压无功协调控制策略，确定配变分接位置，及时投退电压无功设备。

3）建立健全配电网低电压监测网络。

构建城乡配

电网电压质量监测网络和管理平台，在还未普及智能配电台区和用户用电信息采集系统建设的区域，增加电压监测点数量，加强电压监测仪日常维护和检查，发现运行异常的监测仪及时进行维修或更换；依据低压用户典型日电压波动规律，不定期开展“低电压”情况普查和抽查，跟踪低电压事件处理过程，及时有效解决低电压问题。

6.2.2综合治理技术措施

低电压产生原因可归结为3方面问题，即电网运维管控问题、设备配置问题和电网结构问题。

可采取的技术手段主要包括优化控制、建设模式和评估决策等，具体分析见图1。

随着大数据时代的来临，数据、信息成为电力

图1　低电压产生原因分类及综合治理技术手段

Fig.1　Classificationofcausesoflowvoltageproblemandits

comprehensivetreatmentmeasures

行业创新发展的最重要构成元素，数据将成为电网规划、设计、建设、改造、运维管理相关科学决策的重要基础。

国家电网公司企业级大数据平台建设已初见成效，依据颁布的《关于应用用电信息采集系统开展用户电压数据采集的指导意见》，正加快推进用电信息采集系统建设和配变、典型低压用户的电压数据采集，推进营配贯通和信息化建设，实现信息资源共享，为中低压配电网建设、改造、运维控制提供了基础条件［8-10］。

6.2.1优化控制技术

1）配电网电压无功优化控制。

结合变电站、中压线路、配电台区中可控设备的运行状态，综合利用现代通信技术、计算机技术、自动控制技术以及短期负荷或超短期负荷预测技术，实现同层的多项和不同层的多级电压无功协调控制。

配电网电压无功优化控制对降低网络综合损耗、提高电压合格率、提升经济运行水平以及为用户提供优质电能的意义重大。

2）自适应负荷有载调压。

配电网有载调压包括变

电站层级的有载调压主变压器、中压馈线层级的线路自动调压器、配电台区层级的有载调压配变以及低电压补偿装置等，可通过智能控制部分判断输出电压值与基准电压值的偏差，如大于允许范围并延续一定时间后，控制有载分接开关调节输出电压；低电压补偿装置可直接串联在低压线路中，通过自动跟踪电网电压调节升压幅度，保障低压用户电压质量。

3）低压负荷在线换相。

在配电台区合理配置适量

的低压负荷在线自动换相装置，通过综合控制终端实时监测配变低压侧三相电流不平衡情况，进行分析、判断、优化计算，发出最优换相控制指令，按照设定的换相流程执行换相操作，实现带载情况下用电负荷的相序调整，A、B、C三相负荷平衡分配，解决三相负荷严重

不平衡造成的重载相低电压问题。

6.2.2建设模式应用技术

1）单三相混合供电模式。

针对不同用电性质、负荷大小、用户/区块分布情况，在一个供电区域内采用单相配变与三相变压器混合进行供电的配电方式，使中压线路深入负荷中心减少低压线路的综合损耗。

2）35kV配电模式。

包括35kV线路轻型化和35～0.4kV变配电集成化设计2部分。

按照10kV电压等级线路的标准优化设计35kV线路，降低线路造价，提高远距离供电能力；按照10/0.4kV配电台区模式集成化设计35/10/0.4kV配电变电站、35/0.4kV直配台区，大幅度降

低变配电环节造价，保障用户供电可靠性和供电质量。

3）智能配电台区建设模式。

从配变到用户的供电区域，应用智能配变终端、智能电能表等设备，以及通信、信息等技术手段，实现供用电的综合监控、管理与双向互动功能，并具有“信息化、自动化、互动化”的智能化特征。

6.2.3评估决策技术

1）配电网优化规划技术。

在配电网网架参数和运行数据分析及负荷增长预测的基础上，以满足未来用户容量和电能质量要求为目标，寻求一个最优或次优的设备选型、容量配置、接线模式、馈线回路数量方案作为规划、建设与改造方案，使建设投资、运行维护、综合损耗及可靠性损失费用之和最小。

2）供电能力在线评估技术。

针对中低压配电网设

备拓扑关系和运行数据进行潮流分析，分析当前电网供电的健康程度和供电能力水平，修改相应设备属性、调节相应负荷，仿真分析在不同负荷特性下的供电能力变化情况，仿真评估电网运行指标情况。

3）低电压在线治理仿真和辅助决策支持技术。

依据各监测点的电能质量指标进行判断与决策，其顺序为：

用户层监测点电压—配电台区低压侧监测点电压—中压线路监测点电压—变电站母线监测点电压，针对低电压改变电网设备参数实施仿真治理并给出效果分析对比，为实际低电压治理工作提供决策支持。

6.3含储能装置的低电压治理方法

（1）电池模型

电池储能系统主要由电池组和变流器两部分组成，首先介绍电池模型的研究

现状。

电池模型是用来描述电池工作时的电压特性与电池工作电流、荷电状态等

参数间的数学关系，为电池内部状态与外部特性之间架起一座桥梁。

目前国内外

的学者已经建立了多种单体电池模型，并逐步开展对串并联电池组模型的研究。

比较常见的电池动态模型有电气模型、电化学模型和神经网络模型【21。

1）电气模型

电气模型（即等效电路模型）是指电池的等效电路由电气元件组成，包括电

容、电感、电阻、电压源和电流源等。

电气模型使用了电气元件，可以结合电路

进行仿真分析，模拟电池的动态工作特性，计算结果也可以通过数学关系式来表

示，因此多用于电池特性的仿真与分析。

此外，电气模型还可以根据模型的精确

度要求选择电气模型的复杂程度。

2）电化学模型

电化学模型是根据电池内部的电化学反应机理，采用数学方法描述这一复杂

过程，可以较全面的反应电池的动态工况。

该模型多用于电池结构的优化，最经

典的模型是Peukert方程，反应电池的可用电量与放电电流的关系。

不过这类模型

往往结构复杂，并且模型参数与电池的材料、重量、形状等关联，不易计算，在

电池储能系统模型中很少见到。

Peukert方程如公式（1．1）所示：

Ip×t=constant

理单元相互连接而形成复杂的网络系统，在系统辨别、模式辨别和智能控制领域

应用较多。

由于电池工作过程中的物理和化学变化难以准确描述，一些学者提出

了用于研究电池动态性能的神经网络方法。

文献【3】建立的电池神经网络模型，利

用神经元代替状态变量，从而可以更好的估算电池的放电终止状态，具有较高的

精度。

文献【4】利用电池神经网络模型来预测电池在充放电过程中的表面温度变化，

并通过设定的算法进行训练，最终实现对锂电池表面温度的预测。

神经网络模型

的不足是模型准确性与样本电池的训练数据与训练方法密切相关，选择不当会造

成很大的误差，因此适用范围比较窄，很少应用于电池储能系统模型之中。

（2）整流器模型

由于电池组的电压等级经常与配电网交流电压等级不匹配，因此需要变流器

来连接电池组与电网侧，进行电压匹配、充放电功率控制以及电压隔离。

根据当

下储能技术的发展现状和要求，电池储能的变流器需要实现功率的双向流动、低

谐波污染和高功率因数，并且可以控制电池组的充放电。

本文进行的是仿真实验

研究，忽略了变流器实际工作中对配电网电能质量的影响，选择电池组与PWM整

流器配合组成电池储能系统，目的是简化变流器模型，提高仿真速度。

1．2．2电池储能系统对配电网电压的影响

配电网系统的主要职能是进行电能输送时的分配工作，主要由架空线与电缆、

配电变压器、隔离开关以及接入用户的设备组成，一般根据电压等缘分为高压／中

压／f氐压配电网三种。

配电网按照接线方式进行分类的话，主要有树干式／放射式和

环网式三种，根据对供电可靠性的不同要求选择不同的接线方式。

在储能系统接入配电网的仿真研究中，常见的低压配电网模型有以下3种

图1．1所示配电网结构比较简洁，馈线上的节点也比较少，系统的具体参数容

易得到，因此适合用于不太复杂的电力系统研究与仿真。

图1—2所示配电网共有33个节点，配电网结构较为复杂，在储能系统优化配

置研究领域经常选择该配电网进行仿真研究，本文在最优化模型的仿真环节采用

的便是IEEE33节点的配电网结构图。

图1．3所示为欧洲标准低压配电网模型（Abenchmarklowvoltagemicrogrid

network），该模型最大的优点是适用于分布式配电网的仿真分析和研究，因为配电

网络包含实际工程的主要技术特征，并合理的省掉了其中繁琐的部分，可以保证

配电网的建模与仿真过程顺利和有效进行。

电池储能系统接入配电网后改变了配电网的潮流分布，对配电网的电压分布

带来重大影响，国内外的学者对该方面的研究有很多，例如：

文献【5】以双母线模型为例，讨论了储能系统接入配电网后对电压分布的影响，

不过由于没有进行含多个节点的放射状配电网电压分布表达式研究，文章讨论内

容仅适用于只含单个储能系统的配电网。

文献[6】从电网的短路比和刚性率两方面入手，分析了储能系统对配电网电压

质量的影响，同时提出了在短路容量大、用户负荷集中的城市应该重点考虑逆变

型的储能系统和分布式电源。

文献[7]研究了储能系统不同的接入位置和接入容量对配电网系统电压和线路

损耗的不同影响，同时采用前推回代的潮流计算方法展开配电网电压和网损的计

算，从而评估储能系统的使用效果。

通过文献的查阅可以得出，电池储能系统接入配电网会对配电网的电压分布造成

较大影响。

接入容量和接入位置合适时，改善了配电网的电压分布；接入不

合适时，会引起某些节点的电压越限，对系统的安全稳定运行造成影响。

因此在

讨论储能系统优化配置时，应该重点考虑配电网电压分布的变化，因此本文将电

压偏移作为优化配置研究的目标之一。

6.3.4储能系统接入对配电网的影响

配电网作为电力系统的末端直接与用户相连，对系统供电的可靠性、电能的

质量和成本有很大影响，因此保证配电环节的安全稳定运行是重中之重。

我国的

传统配电网都是指向负荷的单向潮流模式，但随着对分布式发电技术的深入研究，

越来越多的电池储能系统接入到配电网之中，传统配电网逐渐升级为主动配电网，渐升级为主动配电网，馈线中电流的流动方向和节点的电压分布都会随之发生变化。

但是如果电池储能的接入位置不合理，或者配置的电池容量过大，可能会引

起逆向潮流，功率发生逆向传输，造成配电网中个别节点的电压抬升效果过大而

引起电压越限现象，对配电网的安全稳定运行造成影响。

因此，为了保证配电网

系统电压质量的可靠性，需要研究电池储能系统对配电网电压分布的影响。

本章

首先罗列电池储能系统对配电网的主要影响，然后选择电池储能对配电网电压分

布的影响为研究内容，理论理论计算电池储能系统对的影响，然后选择具体的配

电网模型进行仿真分析，并得到电池储能系统接入位置的选择方法

（1）储能系统对配电网的主要影响

储能系统即可以作为各种分布式发电单元的储能模块，也可以作为电源直接

接入配电网之中。

随着储能技术的提高，各种类型储能的成本均开始不断降低，

同时主动配电网的研究也逐渐成熟，电力市场的公平竞争也慢慢得到完善，因此将有越来越多的储能系统接入到配电网。

储能系统可以降低配电端用户的负载峰

值，改善电网的电压水平，减少电路损耗等，但储能系统的接入同时也改变了电

网中的潮流分布，这会对传统配电网结构带来冲击。

这里介绍一下储能系统带给

配电网的主要影响【23】：

1）电压分布

配电网中的潮流会在线路上引起电压损耗，传统的树状配电网中潮流由母线

向负载流动，节点上的电压也是依次降低。

电池储能系统接到配电网之后，影响

了电网中原来的潮流方向与大小，馈线上各节点的电压也因此发生了变化。

储能

系统接入配电网的位置和容量对电压分布的影响是不同的，具体的分析在小节4．3

中详细讨论。

2）电网损耗

低压配电网的电压等级比较低，馈线中的电流比较大，因此会产生比较大的

电网损耗。

储能系统接入配电网之后，影响了电网的潮流分布，必然也会对电网损耗带来影响，储能系统不同的接入位置和接入容量带来的网损变化是不同的。

一般来说，在配电网中接入小容量的储能系统（配电网可以完全的“吸收’’），可

以减小配电网的网络损耗，带来一定的经济效益；但接入的储能容量过大时，有

可能增大配电网的网络损耗。

3）继电保护模块

储能系统接入配电网之前，继电保护模块都是根据传统的单源辐射状结构设

计的，采用的是比较简单的速断和过流方法。

接入储能之后，配电网的结构不再

是单电源的辐射结构，对原有的继电保护造成巨大的影响：

如果电池组接入在电网故障点与继电保护之间，故障电流在电池组的作用下减小，引起保护拒动；如

果与电池组相邻的支路发生故障，电池组会产生反向的电流，若该电流大于故障

支路的保护动作电流，就会引起继电保护的误动。

因此接入储能系统的配电网，

一定要对继电保护进行重新设定。

4）电能质量

储能系统接入配电网后，可以一定程度的改善配电网的电能质量，例如抬高

配电网馈线上的节点电压，使它们接近了额定的电压值，同时降低了电网损耗，提高了配电网系统中用电设备的寿命和效率。

同时在系统负荷快速增大的时候，

可以通过接入电池仓储能系统来降低系统故障的概率，提高了配电网的稳定性。

不过由于储能系统需要与变流器连接后接入电网，电力电子器件会带给配电网大

量的高次谐波，从而污染了电网系统。

5）电网系统可靠性

储能系统接入配电网后有可能提高系统的可靠性，也有可能降低电网的可靠

性。

储能系统为接入点附近的负荷提供电能，降低输配电线路的负荷压力，增加

系统的输电裕度，提高电网供电的可靠性；当电网系统电源发生故障时储能系统可以继续为客户提供电能，提高电网系统的稳定性。

不过储能系统接入配电网后

对原来的继电保护带来影响，如果二者配合不当可能造成电闸的误动或者拒动，

降低电网系统的可靠性.

6.3.5．理论分析储能系统对配电网电压分布的影响

析储能系统接入配电网后的电压分布时，需要对配电网进行一定的简化处

理。

配电网中的负载有多种类型，依次描述每个负载不容易做到，因此将它们简化为静态恒功率模型。

文献【24】提出了含储能系统的配电网的节点电压计算方法，

以馈线为基本单位进行主动配电网的潮流计算，然后单独进行储能系统作用下的压数值，最后采用叠加原理进行整理，得到配电网中接入储能系统后各节点电压的最终结果。

进行配电网各节点的电压计算，可以构建一个如图4．3所示的简单主动配电

网，为了更方便的表示配电网各节点的电压特性，将馈线中的每个集中负载作为一个节点进行编号【251，并假设馈线中有N个节点，各个节点间的线路阻抗均为

州X各个负载的功率均匀分布在线路各点，数值为￡斗jQ，接入配电网的储能系统的功率为只。

以图4—1所示简单配电网为例，在系统电源单独作用时，线路中任意-『点的电

压降为：

以图4—1所示简单配电网为例，在系统电源单独作用时，线路中任意-『点的电

压降为：

其中

指的是点J之前的等效负荷带来的电压差，

+指的是点j『之后的

等效负荷带来的电压差。

由公式（4—1）和（4．2）得到配电网传输线上的电压降为：

在储能系统电源单独作用进行计算时，可以将系统电源进行短路处理【261。

由

于配电网的线路阻抗比负载小很多，所以储能系统对配电网各节点电压的影响主

要在储能系统与系统电源之间；对接入点之后的各个节点来说，储能系统的接入可能会造成各点电压的抬高。

因此节点J的电压降落为（4—5）与（4-6），负号表示分布

式电源对节点处的电压降的作用为负。

然后根据叠加定理，计算配电网中任意J点处接入储能系统后出现的电压降

为：

从公式（4—7）和（4．8）可以看出配电网中接入储能系统后，节点7之前支路的电压

损耗均减少，但对节点，之后支路的电压损耗几乎没有影响。

不过由于储能系统接

入点处的电压被太高，这点之后的各点电压也有所提高，因此整个电网的节点电

压都会获得提升。

设该简单主动配电网的端电压为“，那么线路中任一，点的电压如公式（4．9）

和公式H—lo）所示：

由公式（4．9）和公式（4．10）可以看出，储能系统的接入点位置对配电网电压分布

存在一定的的影响。

接入电池储能的节点电压首先被抬高，其余节点距离储能接

入点的电气距离越远，线路阻抗越大，节点电压的抬升效果越弱。

由公式件9）和公式件10）还可以得到电池储能配置的容量对配电网电压分布

有很大的影响，电池储能可以抬高配电网各个节点的电压值，改善馈线的电压分

布水平。

电池储能配置的容量越大，抬升效果越明显，但如果配置的容量过大的

话，一些节点的电压可能出现越限

文献【27】指出，当储能系统接入接入位置选择不合理时，造成电流的逆向流动，

从而在某个节点（位于0．j之间）形成功率分点G。

沿着电流逆向流动的方向，由

O节点到G节点上的电压降低，由G节点到节点f的电压提升，而从f节点到配电网最后节点N，各节点电压随电流流动方向降低。

因此需要合理的选择电池储能

的接入位置。

因此必须限制储能系统的容量，优化接入位置，否则可能出现节点

电压过高的现象，对配电网的安全稳定运行造成影响。

6.3.6储能系统接入配电网的优化配置

由第4章的分析得到电池储能不同的配置容量和接入节点对配电网电压分布

的影响效果不同，为了保证电池储能的接入效果，需要进行储能系统的节点选择

和容量优化配置。

（1）储能接入节点的选择

配电网的节点电压分布情况来分布储能节点，

接入点的选择思路是将储能接入到馈线节点电压最低处，抬升系统电压的最小值，

改善电压分布质量，满足配电网