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摘要：近年来，农村用电负荷的快速增长，使农村配电网逐渐暴露出电压偏低的问题，现有的无功优化模式已不能满足实际的需求。针对农村供电现状，提出了基于以电网实时监测为基础及以用电管理为核心的变电站、线路、配变电压无功协调控制的无功优化新模式，从而加强配电网电能质量的管理，以提高电压质量、降低运行线损，为农村“低电压”综合治理提出整体解决方案。
关键词：农村配电网；无功优化；协调控制
电压质量是衡量电品质的一项重要指标，[1]对电力设备安全运行、网络损耗等有着直接的影响。[2]随着农村经济社会的快速发展，农村用电量不断增加，农村居民对电压质量的要求也越来越高。目前，大部分农村配电网已经实现了变电站集中补偿、低压集中补偿、杆上无功补偿、用户终端分散补偿等多级无功补偿模式。[3，4]然而，现有的补偿模式只能在局部地区实现无功平衡和电压稳定，未能考虑局部与全网的协调控制。伴随着这种模式往往会出现用户端电压偏低，而用户端的调压手段已全部用完，同时线路或变电站端有调压裕度却不进行调压的情况。[5-11]因此，本文提出了农村配电网无功优化新模式，以变电站、线路、配变电压无功协调控制技术为研究思路，充分利用全网的调压手段解决“低电压”问题，然后介绍了研究内容以及拟解决的关键技术问题。
一、农村电网电压现状
目前农村电网存在的“低电压”现象有些必须通过电网升级改造才能彻底得到解决，有些可在暂时未能新增布点的条件下，通过充分挖掘现有电网调压与无功补偿设备的运行调节潜力、努力实现各级电压协调控制来得到有效改善。而现有已安装的电压无功调控设备的调控判据仅依据安装点的测量值进行“各自为政”式的独立控制，电网各级调压与补偿设备的全网协调性不够，往往出现上级电网电压处于合格区间范围、下级电网调节手段已用尽而用户电压仍超限的情况，此时需依赖上级电网充分挖掘调节能力，实施上级电网与下级电网的自动协助调整，通过全网调节使末端电网调压能力得到有力的补充与提升，由此提出实施配电网电压无功协调控制来研究与探索进一步挖掘电网运行控制潜力的手段。[12-14]
二、农网电压无功协调控制系统的构成
1.农网电压无功协调控制系统改善“低电压”的原理
电网各级电压的上下限值是个区间范围，用数学语言描述即合格的电压解属于区间解而非单一解。譬如，配变台区出口电压合格合格范围是[370，427]，低压三相用户电压合格范围是[353，407]，或者低压单相用户电压合格范围是[198，236]。正因为如此，在没实现协调控制时，配变出口电压是380V的情况下，即使低压用户电压出现越下限，配变分接头也不进行自动调整进行升压，相反若利用通信技术实现了协调控制，配变分接头可进行调整，从380V升至405V，从而改善“低电压”现象。
当然，上述仅仅以一级调整为例进行说明，协调控制的控制逻辑和策略相当复杂，需综合考虑农网各类电压无功设备的协调控制，系统性地对电网“低电压”现象进行综合治理。
2.农网电压无功协调控制系统架构的设计及实现
因为协调控制涉及到整个农网，相应的数据采集与控制命令的通讯通道、数据流涉及到多种安全区。譬如需对变电站层进行控制，而变电站层的控制需要与调度进行数据交换，调度属于一级安全区域；对10kV线路及配变的监控、低压用户电压监测的采集服务器位于三级安全区域，采集通讯方式为GPRS，而GPRS通讯涉及到外网。针对协调控制系统横跨一级安全区、三级安全区、外网的情况，从外网至三级安全区采取加密的无线通信和专线相结合的方式，三级至一级安全区通过专用防火墙，使用串口通信的方式，从而保证信息传输的安全性。
3.农网电压无功协调控制系统控制策略
电压无功协调控制系统不同于现有的VQC（电压无功控制）、AVC（自动电压控制）系统，相比较而言其控制策略更复杂。主要涉及到对有载调压主变调压控制、站内无功补偿设备控制、10kV线路调压器控制、10kV无功设备控制、有载调压配变调压控制、配变无功补偿设备控制、低压用户电压监测等同层的多项、不同层的多级协调控制。在具体实现时，为了方便控制可以根据电压等级、所处区域等条件将整个农村配网控制设备分为三个层次：节点级控制设备、区域级控制设备以及整个农村配网级控制设备。节点级控制设备负责对节点处的低压用户电压监测（用户计量装置、电压检测仪等）进行监视和数据采集。区域级控制设备负责与所辖区域内的节点级控制设备进行信息交换，并对本区域处的有载调压配变、无功补偿装置进行控制，从而达到使整个区域无功电压合理的目的。配网级控制设备则负责与整个所辖配网内的多个区域级控制设备进行通信，对配网层的站内无功补偿设备、有载调压主变进行控制，实现整个配网的无功电压调节。
在对上一层进行控制时应能够及时接收其下一层以及相邻层的信息，并在做决策时充分考虑其对下面所有层的电压无功影响；在每层都需要控制时就应合理考虑是通过其相邻上层还是其越级上层进行调控，这样确定动作顺序的目的主要是准确定位低电压源头，从最初源头解决问题。
在实施具体控制策略时，应遵循以下原则：
（1）以电压调整为主，降损为辅。传统无功优化往往主要考虑如何减少网损，但降损的前提是电网安全稳定运行及保证用户需求，否则降损无从谈起。因为用户最关心的是供给他们的电能质量，即电压是否合格，并不关心网损的大小。在具体实施过程中，一个周期的控制命令可能既包括分接头调整又包括补偿装置动作。如果分接头及补偿装置同属一个设备，则先调整分接头，下一个周期再动作补偿装置。
（2）电压自下而上判断，自上而下调整。配电网低压用户端只有计量装置或电压检测仪，无法实施本地电压控制，只能向区域级调压装置，如有载调压配变或调压器等申请调压。且目前多数地区电网虽然电压检测仪数量较多，但10/0.4kV有载调压配变和10kV及0.4kV线路调压器数量不多，调压动作主要依靠主变分接头及相关联的无功补偿装置。即10kV线路中多数电压不合格点的调整都需要逐级向上申请。因此，电压是否调整应自下而上逐级判断。另外，变压器调档次数应尽量少，过度频繁调节有载分接开关会引起变压器有载分接头开关故障，进而导致变压器故障。这一要求需要两种措施来保证：一是通过短期、超短期负荷预测，合理分配开关在各时段的动作次数；二是如果低电压现象在一个区域内比较普遍，则优先调整该区域上级即配网级调压设备。因此，电压控制命令应自上而下逐级执行。 （3）无功自上而下判断，自下而上调整。无功功率不宜远距离输送，对无功功率的分配首先应按照就地平衡、分散补偿的原则进行，尽量降低从上级电网吸收的无功功率，减少无功在线路中的流动，同时也不宜向上级电网倒送过多的无功功率。因此，无功应自上而下判断。如果上级电网有无功补偿的需求，应首先向下级电网申请补偿，在下级电网无法满足补偿要求的情况下再形成本地补偿的控制命令。而控制命令的执行应自下而上逐级进行。如此，既能满足本地无功需求又能减少无功在电网中的流动，最大限度降低网损。
三、效益分析
从宏观层面上分析，电压无功协调控制系统平台技术研究及实施有如下的效益：实现了配网电压无功设备的实时监控；提高了配网各节点的电压合格率和功率因数；合理投运无功设备，显著降低配网的损耗；实现整个农网电压无功“优化协调，分层控制，效益最大化”；农网站内电压无功设备、10kV 线路及配变压无功补偿装置广泛应用，通过协调控制系统将其进行协调优化，可以在更大程度上发挥设备作用，尽可能提高电网电压合格率、更深入地挖掘农网的降损潜力；电压无功协调控制系统的应用可大力推进配电网自动化技术、监视技术和无功优化控制技术的应用，是智能电网的一个重要课题；电压无功协调控制系统率先在国内实现农网高压、中压、低压全覆盖的电压无功自动控制，具有里程碑的意义，有力推动了农网电压无功实用化控制技术的发展和进步。
四、结论
电压无功协调控制技术通过对现有电网调压及无功补偿设备的合理控制，在不大量增加额外设备的前提下，能够使得电网的电压和无功调节能力达到应用最大化。同时电压无功协调控制技术的推广将大力推进配电网自动化技术、监视技术和无功优化控制技术的应用，并可作为智能电网的一个重要课题。
参考文献：
[1]辉向芸.浅谈如何提高农村电网电压质量[J].科技资讯，2009，（30）：104.
[2]于晓牧，李立鹏.农村“低电压”问题分析与解决办法[J].陕西电力，2011，（4）：46-49.
[3]陈敬佳，李晓明.电力变压器有载调压技术的新进展[J].华北电力技术，2001，（10）：52-53.
[4]Wei W， Xu L.Technology Research and Techno-economic Analysis on Single-phase Power Supply Mode in Distribution Network[J].CICED，2010：1-5.
[5]郑新才.10 kV 配电网络无功补偿配置[J].电力系统及其自动化学报，2008，20（6）：121-123.
[6]汪宏武.农村中低压配电网无功补偿的优化研究[D].西安：西安理工大学，2007：8-11.
[7]王岩.农村配电网能量管理系统[D].保定：河北农业大学，2004：11-20.
[8]杨仪松，王宽.一种配电网潮流计算的新方法[J].继电器，2006，34（13）：47-48.
[9]吴晓军，薛惠锋.GA-PSO 混合规划算法[J].西北大学学报（自然科学版），2005，35（1）：40-41.
[10]王亚利.基于混合的 GA- PSO 神经网络算法[J].计算机工程与应用，2007，43（2）：39-40.
[11]张国庆.配电网线损计算[D].南京：南京理工大学，2010：21-25.
[12]刘健.配电网理论及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：115-116.
[13]熊信银.遗传算法及其在电力系统中的应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2004：178-188.
[14]张斌.基于粒子群算法的配电网无功补偿优化规划[J].电力系统及其自动化学报，2010，22（2）：158-160.
（责任编辑：刘辉）
关键词：农村配电网；无功优化；协调控制
电压质量是衡量电品质的一项重要指标，[1]对电力设备安全运行、网络损耗等有着直接的影响。[2]随着农村经济社会的快速发展，农村用电量不断增加，农村居民对电压质量的要求也越来越高。目前，大部分农村配电网已经实现了变电站集中补偿、低压集中补偿、杆上无功补偿、用户终端分散补偿等多级无功补偿模式。[3，4]然而，现有的补偿模式只能在局部地区实现无功平衡和电压稳定，未能考虑局部与全网的协调控制。伴随着这种模式往往会出现用户端电压偏低，而用户端的调压手段已全部用完，同时线路或变电站端有调压裕度却不进行调压的情况。[5-11]因此，本文提出了农村配电网无功优化新模式，以变电站、线路、配变电压无功协调控制技术为研究思路，充分利用全网的调压手段解决“低电压”问题，然后介绍了研究内容以及拟解决的关键技术问题。
一、农村电网电压现状
目前农村电网存在的“低电压”现象有些必须通过电网升级改造才能彻底得到解决，有些可在暂时未能新增布点的条件下，通过充分挖掘现有电网调压与无功补偿设备的运行调节潜力、努力实现各级电压协调控制来得到有效改善。而现有已安装的电压无功调控设备的调控判据仅依据安装点的测量值进行“各自为政”式的独立控制，电网各级调压与补偿设备的全网协调性不够，往往出现上级电网电压处于合格区间范围、下级电网调节手段已用尽而用户电压仍超限的情况，此时需依赖上级电网充分挖掘调节能力，实施上级电网与下级电网的自动协助调整，通过全网调节使末端电网调压能力得到有力的补充与提升，由此提出实施配电网电压无功协调控制来研究与探索进一步挖掘电网运行控制潜力的手段。[12-14]
二、农网电压无功协调控制系统的构成
1.农网电压无功协调控制系统改善“低电压”的原理
电网各级电压的上下限值是个区间范围，用数学语言描述即合格的电压解属于区间解而非单一解。譬如，配变台区出口电压合格合格范围是[370，427]，低压三相用户电压合格范围是[353，407]，或者低压单相用户电压合格范围是[198，236]。正因为如此，在没实现协调控制时，配变出口电压是380V的情况下，即使低压用户电压出现越下限，配变分接头也不进行自动调整进行升压，相反若利用通信技术实现了协调控制，配变分接头可进行调整，从380V升至405V，从而改善“低电压”现象。
当然，上述仅仅以一级调整为例进行说明，协调控制的控制逻辑和策略相当复杂，需综合考虑农网各类电压无功设备的协调控制，系统性地对电网“低电压”现象进行综合治理。
2.农网电压无功协调控制系统架构的设计及实现
因为协调控制涉及到整个农网，相应的数据采集与控制命令的通讯通道、数据流涉及到多种安全区。譬如需对变电站层进行控制，而变电站层的控制需要与调度进行数据交换，调度属于一级安全区域；对10kV线路及配变的监控、低压用户电压监测的采集服务器位于三级安全区域，采集通讯方式为GPRS，而GPRS通讯涉及到外网。针对协调控制系统横跨一级安全区、三级安全区、外网的情况，从外网至三级安全区采取加密的无线通信和专线相结合的方式，三级至一级安全区通过专用防火墙，使用串口通信的方式，从而保证信息传输的安全性。
3.农网电压无功协调控制系统控制策略
电压无功协调控制系统不同于现有的VQC（电压无功控制）、AVC（自动电压控制）系统，相比较而言其控制策略更复杂。主要涉及到对有载调压主变调压控制、站内无功补偿设备控制、10kV线路调压器控制、10kV无功设备控制、有载调压配变调压控制、配变无功补偿设备控制、低压用户电压监测等同层的多项、不同层的多级协调控制。在具体实现时，为了方便控制可以根据电压等级、所处区域等条件将整个农村配网控制设备分为三个层次：节点级控制设备、区域级控制设备以及整个农村配网级控制设备。节点级控制设备负责对节点处的低压用户电压监测（用户计量装置、电压检测仪等）进行监视和数据采集。区域级控制设备负责与所辖区域内的节点级控制设备进行信息交换，并对本区域处的有载调压配变、无功补偿装置进行控制，从而达到使整个区域无功电压合理的目的。配网级控制设备则负责与整个所辖配网内的多个区域级控制设备进行通信，对配网层的站内无功补偿设备、有载调压主变进行控制，实现整个配网的无功电压调节。
在对上一层进行控制时应能够及时接收其下一层以及相邻层的信息，并在做决策时充分考虑其对下面所有层的电压无功影响；在每层都需要控制时就应合理考虑是通过其相邻上层还是其越级上层进行调控，这样确定动作顺序的目的主要是准确定位低电压源头，从最初源头解决问题。
在实施具体控制策略时，应遵循以下原则：
（1）以电压调整为主，降损为辅。传统无功优化往往主要考虑如何减少网损，但降损的前提是电网安全稳定运行及保证用户需求，否则降损无从谈起。因为用户最关心的是供给他们的电能质量，即电压是否合格，并不关心网损的大小。在具体实施过程中，一个周期的控制命令可能既包括分接头调整又包括补偿装置动作。如果分接头及补偿装置同属一个设备，则先调整分接头，下一个周期再动作补偿装置。
（2）电压自下而上判断，自上而下调整。配电网低压用户端只有计量装置或电压检测仪，无法实施本地电压控制，只能向区域级调压装置，如有载调压配变或调压器等申请调压。且目前多数地区电网虽然电压检测仪数量较多，但10/0.4kV有载调压配变和10kV及0.4kV线路调压器数量不多，调压动作主要依靠主变分接头及相关联的无功补偿装置。即10kV线路中多数电压不合格点的调整都需要逐级向上申请。因此，电压是否调整应自下而上逐级判断。另外，变压器调档次数应尽量少，过度频繁调节有载分接开关会引起变压器有载分接头开关故障，进而导致变压器故障。这一要求需要两种措施来保证：一是通过短期、超短期负荷预测，合理分配开关在各时段的动作次数；二是如果低电压现象在一个区域内比较普遍，则优先调整该区域上级即配网级调压设备。因此，电压控制命令应自上而下逐级执行。 （3）无功自上而下判断，自下而上调整。无功功率不宜远距离输送，对无功功率的分配首先应按照就地平衡、分散补偿的原则进行，尽量降低从上级电网吸收的无功功率，减少无功在线路中的流动，同时也不宜向上级电网倒送过多的无功功率。因此，无功应自上而下判断。如果上级电网有无功补偿的需求，应首先向下级电网申请补偿，在下级电网无法满足补偿要求的情况下再形成本地补偿的控制命令。而控制命令的执行应自下而上逐级进行。如此，既能满足本地无功需求又能减少无功在电网中的流动，最大限度降低网损。
三、效益分析
从宏观层面上分析，电压无功协调控制系统平台技术研究及实施有如下的效益：实现了配网电压无功设备的实时监控；提高了配网各节点的电压合格率和功率因数；合理投运无功设备，显著降低配网的损耗；实现整个农网电压无功“优化协调，分层控制，效益最大化”；农网站内电压无功设备、10kV 线路及配变压无功补偿装置广泛应用，通过协调控制系统将其进行协调优化，可以在更大程度上发挥设备作用，尽可能提高电网电压合格率、更深入地挖掘农网的降损潜力；电压无功协调控制系统的应用可大力推进配电网自动化技术、监视技术和无功优化控制技术的应用，是智能电网的一个重要课题；电压无功协调控制系统率先在国内实现农网高压、中压、低压全覆盖的电压无功自动控制，具有里程碑的意义，有力推动了农网电压无功实用化控制技术的发展和进步。
四、结论
电压无功协调控制技术通过对现有电网调压及无功补偿设备的合理控制，在不大量增加额外设备的前提下，能够使得电网的电压和无功调节能力达到应用最大化。同时电压无功协调控制技术的推广将大力推进配电网自动化技术、监视技术和无功优化控制技术的应用，并可作为智能电网的一个重要课题。
参考文献：
[1]辉向芸.浅谈如何提高农村电网电压质量[J].科技资讯，2009，（30）：104.
[2]于晓牧，李立鹏.农村“低电压”问题分析与解决办法[J].陕西电力，2011，（4）：46-49.
[3]陈敬佳，李晓明.电力变压器有载调压技术的新进展[J].华北电力技术，2001，（10）：52-53.
[4]Wei W， Xu L.Technology Research and Techno-economic Analysis on Single-phase Power Supply Mode in Distribution Network[J].CICED，2010：1-5.
[5]郑新才.10 kV 配电网络无功补偿配置[J].电力系统及其自动化学报，2008，20（6）：121-123.
[6]汪宏武.农村中低压配电网无功补偿的优化研究[D].西安：西安理工大学，2007：8-11.
[7]王岩.农村配电网能量管理系统[D].保定：河北农业大学，2004：11-20.
[8]杨仪松，王宽.一种配电网潮流计算的新方法[J].继电器，2006，34（13）：47-48.
[9]吴晓军，薛惠锋.GA-PSO 混合规划算法[J].西北大学学报（自然科学版），2005，35（1）：40-41.
[10]王亚利.基于混合的 GA- PSO 神经网络算法[J].计算机工程与应用，2007，43（2）：39-40.
[11]张国庆.配电网线损计算[D].南京：南京理工大学，2010：21-25.
[12]刘健.配电网理论及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：115-116.
[13]熊信银.遗传算法及其在电力系统中的应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2004：178-188.
[14]张斌.基于粒子群算法的配电网无功补偿优化规划[J].电力系统及其自动化学报，2010，22（2）：158-160.
（责任编辑：刘辉）