歐陽森，耿紅杰，陳欣暉

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640)

考慮綜合效益的低壓配網(wǎng)臺區(qū)無功補償評估方法及其應(yīng)用

歐陽森，耿紅杰，陳欣暉

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640)

目前低壓配網(wǎng)臺區(qū)無功補償方案效益評估主要偏向經(jīng)濟效益而忽略電壓質(zhì)量問題，導(dǎo)致無功補償方案優(yōu)劣評估只考慮初始投資問題，本文提出了一種從電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益兩個方面對低壓配網(wǎng)臺區(qū)無功補償綜合效益進行評估的方法。首先，建立電壓質(zhì)量指標(biāo)體系并且對每一指標(biāo)進行描述及定義，同時對無功補償裝置在使用過程中成本費以及節(jié)省的網(wǎng)損費分別進行評估，將產(chǎn)生凈收益作為經(jīng)濟效益指標(biāo)；然后，從無功補償點和補償容量兩個維度設(shè)計不同的無功補償方案并且對不同方案的綜合效益進行比對；最后運用本文提出指標(biāo)對實例進行分析，結(jié)果驗證本文方法能夠直觀評估不同無功補償方案綜合效益優(yōu)劣。

低壓配網(wǎng)臺區(qū)；綜合效益評估；電壓質(zhì)量指標(biāo)；經(jīng)濟效益指標(biāo)

0 引 言

目前低壓配網(wǎng)臺區(qū)(簡稱“臺區(qū)”)負荷增長迅速，較多的配電變壓器已接近過負荷狀態(tài)[1]，尤其是新增電氣負荷中大量采用電動機、壓縮機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備和電力電子裝置，導(dǎo)致整個臺區(qū)無功功率需求量大[2-3]，而且部分臺區(qū)負荷呈現(xiàn)“串燈籠”接線方式，消耗的無功功率主要靠上級電網(wǎng)遠距離輸送，造成線路末端的用戶電壓明顯偏低。對此供電部門從無功補償點和補償容量兩個維度提出多種無功補償方案，但是如何對不同方案綜合效益進行評估，卻缺乏很全面的方法。

目前，臺區(qū)無功補償效益評估主要偏向經(jīng)濟效益方面，對電壓質(zhì)量問題或者是完全不涉及或者評估指標(biāo)不全面。臺區(qū)與主網(wǎng)及中壓配網(wǎng)相比，由于其線路長、負荷節(jié)點及線路分支眾多且以輻射狀供電方式為主，所以其電壓特性受沿線距離及其分支影響極大，簡單地采用節(jié)點電壓最小值作為電壓質(zhì)量衡量指標(biāo)是不能反映線路最大損失電壓以及節(jié)點電壓合格率等問題。文獻[4]是從理論上分析了無功補償具有減小線路損失電壓及節(jié)省網(wǎng)損的潛力，但是沒有量化指標(biāo)來衡量改善的大小，所以也就無法對不同無功補償方案改善電壓質(zhì)量的優(yōu)劣做出直觀判斷。文獻[5]以電壓合格裕度作為電壓質(zhì)量指標(biāo)對無功補償容量進行優(yōu)化，文獻[6]利用最大電壓偏移量指標(biāo)來衡量不同措施改善電壓質(zhì)量的效果，然而這些文獻均是對10kV及以上電壓等級網(wǎng)絡(luò)的電壓質(zhì)量評估且采用單一指標(biāo)來反映電壓質(zhì)量好壞情況。文獻[7-8]把網(wǎng)損減小量作為無功補償經(jīng)濟效益，沒有考慮無功補償成本和電壓質(zhì)量問題。無功補償經(jīng)濟效益評估工程上還常使用損失因子法或者引入無功補償經(jīng)濟當(dāng)量的概念[9-10]將成本與減小的網(wǎng)損量聯(lián)系起來，通過投資回收周期指標(biāo)說明無功補償經(jīng)濟效益的優(yōu)劣，上述方法沒有考慮資金時間價值，同時忽略無功補償裝置自身消耗的功率及實際運行過程中維護費等等，所以這些方法只是針對短期經(jīng)濟效益評估，而不適用長遠經(jīng)濟效益評估。

與10kV以上電網(wǎng)相比，臺區(qū)參數(shù)眾多、類型復(fù)雜，沿線電壓波動性大(首末端電壓偏差往往可達30%左右)、節(jié)點電壓曲線呈現(xiàn)急速下降或轉(zhuǎn)折特性，本文擬以當(dāng)前比較關(guān)注、也是電壓質(zhì)量較差且最難治理的臺區(qū)作為研究對象。本文首先建立電壓質(zhì)量指標(biāo)包括節(jié)點電壓合格率、節(jié)點電壓最大值、節(jié)點電壓峰谷值、節(jié)點電壓最大偏移量指標(biāo)；其次在考慮資金的時間價值條件下對無功補償?shù)某杀炯肮?jié)省的網(wǎng)損分別進行評估，包括初始投資、運行費、維護費等等；最后改變無功補償點和補償容量形成不同的無功補償方案，通過潮流等手段獲取不同補償方案下的電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益指標(biāo)值，為實際臺區(qū)無功補償方案優(yōu)選提供依據(jù)。

1 無功補償綜合效益指標(biāo)

無功補償能夠產(chǎn)生提高電壓質(zhì)量和降低網(wǎng)損雙重效益，所以本文提出的無功補償綜合效益指標(biāo)主要涵蓋兩方面：電壓質(zhì)量指標(biāo)和經(jīng)濟效益指標(biāo)。

1.1 電壓質(zhì)量指標(biāo)

臺區(qū)目前面臨的電壓質(zhì)量問題主要是節(jié)點電壓合格率低、線路首端電壓越上限、線路損失電壓大、最小節(jié)點電壓偏離額定電壓幅度大，所以本文主要從以下幾個方面建立電壓質(zhì)量指標(biāo)：①能夠反映臺區(qū)電壓合格的情況；②無功補償過程中是否出現(xiàn)首端電壓越上限;③反映臺區(qū)線路損失電壓大?。虎芘_區(qū)最差的節(jié)點電壓與額定電壓之間偏差大小。如下是本文建立的電壓質(zhì)量指標(biāo)：

1.1.1 節(jié)點電壓合格率β

節(jié)點電壓合格率是指電壓合格的節(jié)點數(shù)占臺區(qū)總節(jié)點數(shù)比例，提高節(jié)點電壓合格率是無功補償最主要目的，所以該指標(biāo)能夠最直觀反映無功補償前后臺區(qū)整體電壓水平。根據(jù)我國相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則規(guī)定低壓配網(wǎng)電壓允許偏差值為額定電壓的-10%～+7%，如果某一負荷節(jié)點電壓不在該范圍內(nèi)，則認為該節(jié)點電壓不合格的，計算公式如下：

(1)

式中：n2表示臺區(qū)所有節(jié)點數(shù)；n1表示n2個節(jié)點中電壓合格的節(jié)點數(shù)。

1.1.2 節(jié)點電壓最大值Umax

Umax={U1，U2，U3…Ui…Un2}

(2)

式中：Ui表示臺區(qū)第i個節(jié)點電壓值；Umax<0.7UN表示臺區(qū)所有節(jié)點電壓均越下限，無功補償完全不足；0.7UN≤Umax≤1.1UN表示節(jié)點電壓最大值在合格范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)值越大，說明其他節(jié)點電壓越下限可能性越??；Umax>1.1UN表示最大節(jié)點電壓越上限，出現(xiàn)過補償?shù)那闆r；UN表示臺區(qū)額定電壓。

1.1.3 節(jié)點電壓峰谷值UP-P

線路損失電壓是造成臺區(qū)電壓偏低的重要原因，線路損失電壓越大，電壓不合格的節(jié)點就會越多，本文采用配變低壓側(cè)電壓即臺區(qū)首端電壓與節(jié)點中最小電壓的差值作為節(jié)點電壓峰谷值，該指標(biāo)反映臺區(qū)某一主干線路或者是分支線路的最大損失電壓，計算公式如下：

Up-p=U配低-U最小

(3)

式中：U配低表示變比為10/0.4的變壓器低壓側(cè)的電壓值即臺區(qū)首端電壓；U最小表示臺區(qū)節(jié)點電壓最小值，節(jié)點電壓峰谷值越小表示線路損耗電壓越小，整個臺區(qū)電壓質(zhì)量也就越好。

1.1.4 節(jié)點電壓最大偏移量ΔUmax

節(jié)點電壓最大偏移量反映臺區(qū)電壓最差的節(jié)點與額定電壓之間偏移量大小，該指標(biāo)越大說明最差的節(jié)點電壓偏離額定電壓越大，計算公式如下：

(4)

式中：U額定表示臺區(qū)額定電壓，節(jié)點電壓最大偏移量越小說明臺區(qū)中電壓質(zhì)量最差的節(jié)點越靠近額定電壓380V。

1.2 無功補償經(jīng)濟效益指標(biāo)

臺區(qū)無功補償能夠節(jié)省網(wǎng)損，但是補償設(shè)備初始投資也很大，而且無功補償在使用過程中運行費、維護費、節(jié)省的網(wǎng)損費是較長時間連續(xù)發(fā)生的費用，所以無功補償經(jīng)濟效益需要考慮資金的時間價值，文中無功補償裝置成本費的計算借鑒了文獻[11]的計算模型，如下是具體評估過程：

1.2.1 無功補償裝置成本費LCC

無功補償裝置成本包括初始成本以及運行過程中運行費、維護費、故障費等等，其中初始成本是指建設(shè)階段的設(shè)備采購成本以及施工安裝成本，設(shè)無功補償裝置的使用壽命為T年，則從無功補償裝置使用過程中總的投資費用為LCC，計算如下：

(5)

(6)

(7)

C0=Qc×ζ×τ×OC

(8)

式中：T為無功補償裝置的使用壽命；Ck是初始成本，包括兩部分，一部分是購買無功補償裝置以及相應(yīng)安裝盒的費用，第二部分為施工安裝成本費；C0是無功補償運行成本費，主要包括電容器等無功補償裝置自身消耗電能造成的經(jīng)濟損失費用；Qc是臺區(qū)某種無功補償方案下總的無功補償容量；ζ表示的是無功補償設(shè)備損耗功率占補償容量的比例,文獻[12]中指出對于電容器補償ζ取0.5%；τ是無功補償裝置年投運小時數(shù)；OC是電價；Cm是維護成本；Cf是故障成本，包括故障檢修費用和故障損失費用;Cd是廢棄成本費;r表示的通貨膨脹率;R社會貼現(xiàn)率。國家發(fā)改委《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)(第 3版)》規(guī)定將社會折現(xiàn)率取為R=8%，通貨膨脹率可取r=4%。

1.2.2 無功補償節(jié)省網(wǎng)損費W網(wǎng)損

臺區(qū)網(wǎng)損包括線路以及變壓器損耗，無功補償設(shè)備在使用過程節(jié)省的總網(wǎng)損費，計算如下：

(9)

式中：ΔP網(wǎng)損表示無功補償后與無功補償前相比節(jié)省的有功功率。

1.2.3 無功補償凈收益ΔLCF

無功補償設(shè)備在使用過程中凈收益為節(jié)省網(wǎng)損費與總成本費之差，計算如下：

ΔLCF=W網(wǎng)損-LCC

(10)

2 本文算法流程

不同無功補償點和補償容量對改善電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損效果不同，本文從補償點和補償容量兩個維度設(shè)計多種無功補償方案；然后通過潮流等手段計算不同補償方案電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益指標(biāo)值；最后通過指標(biāo)值的直觀對比反映不同無功補償方案綜合效益優(yōu)劣，其具體的流程如圖1所示。

圖1 本文無功補償方案評估流程

上述流程圖中提到從補償容量及補償點兩個維度建立無功補償方案，具體實施過程如下：

① 目前臺區(qū)常用無功補償方式是配變低壓側(cè)集中補償，《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術(shù)原則》中明確規(guī)定該方式下補償容量為配變?nèi)萘康?0%～40%，但是補償容量在這個范圍內(nèi)并沒有一個細化規(guī)定，供用電雙方在選擇補償容量時往往會人為選擇一個值，本文從最小補償容量開始，以一定步長逐步增大補償容量，形成補償點不變而改變補償容量的無功補償方案。

② 用戶側(cè)分散補償，該方式補償點一般是電壓偏低的節(jié)點或者是所帶負荷較重的節(jié)點，補償容量為該節(jié)點負荷所需的無功功率。

③ 集中和分散結(jié)合補償方式，該補償方式為了減少補償點，通常選擇選出3～4個電壓明顯偏低的節(jié)點作為分散補償點，除此以外還在配變壓低壓側(cè)進行集中補償。

3 實例分析

3.1 實例模型和參數(shù)設(shè)置

本文以某供電局臺區(qū)為例分析3種無功補償方式下電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益改善效果，如圖2是某臺區(qū)結(jié)構(gòu)圖，該臺區(qū)總共有18個負荷節(jié)點，臺區(qū)節(jié)點電壓額定值為380V,從結(jié)構(gòu)圖中可以看出該臺區(qū)典型特點是負荷呈“串燈籠”接線方式，最小截面積只有10mm2，各元件的參數(shù)如下：①配電變壓器為S11-500型，容量為500kVA;②各輸電線路的型號、長度和截面積如圖2，導(dǎo)線的銅電阻率為ρ=0.017 5Ω·mm2/m，通過計算可得到各段線路電阻及電抗；③各負荷節(jié)點的功率如表1，其中有功功率由電量估算得到，并以功率因數(shù)0.85估算無功功率值。

圖2 某臺區(qū)結(jié)構(gòu)圖

表1 負荷節(jié)點有功功率和無功功率

負荷節(jié)點有功功率/kW無功功率/kvar負荷節(jié)點有功功率/kW無功功率/kvar134 50821 3861020 00012 394214 1778 7861124 39015 116324 37315 1051222 63314 027429 33518 1801320 83312 911535 67722 1111419 98012 382632 77220 3101535 25021 846713 7238 5051614 7819 161819 56712 1261716 99510 533925 56815 8461820 56912 748

經(jīng)濟效益中參數(shù)如下：①無功補償裝置使用壽命為10a，電容單價為80元/kvar,安裝盒為2 500 元/個，每一個補償點的無功補償裝置安裝費為1 000元；②前5a年維護費為無功補償裝置初期成本的10%，后5a的年維護費為初期成本的15%；③無功補償裝置年投運小時數(shù)為4 800h，電費單價為0.6元/kWh；④每臺裝置年故障成本為1 000元，無功補償裝置的回收費為10元/kvar。

3.2 實例計算結(jié)果

本算例以配變高壓側(cè)節(jié)點為平衡節(jié)點，由于配變?nèi)萘繛?00kVA，則集中補償容量范圍為100～200kvar，以20kvar為步長逐步增大補償容量，限于篇幅，本文只作出了部分不同集中補償容量下1～19節(jié)點電壓曲線圖，如圖3所示，是不同集中補償容量1～19節(jié)點電壓曲線圖。

圖3 不同集中補償容量臺區(qū)節(jié)點電壓分布

算例中為了對補償容量一定，而改變補償方式的綜合效益進行比對分析，所以從集中補償中選擇出某種容量分別作為分散補償方式及集中和分散結(jié)合補償方式的總補償容量。

限于篇幅本文只選擇100kvar 作為分散補償?shù)目側(cè)萘浚沙绷饔嬎憬Y(jié)果知4、5、6、7、8、9節(jié)點的電壓偏低，所以選擇這6個點作為補償點，各個補償點的補償容量近似為該負荷節(jié)點所需的無功功率，由表1各個節(jié)點無功功率知補償容量分別為19kvar、23kvar、20kvar、9kvar、13kvar、16kvar；對于集中和分散結(jié)合補償方式，補償總?cè)萘咳匀贿x擇為100kvar，分散補償點為電壓明顯偏低的4、8、9節(jié)點，補償容量分別為19kvar、13kvar、16kvar，則配變低壓側(cè)集中補償總?cè)萘繛?2kvar，如圖4是不同補償方式臺區(qū)1～19節(jié)點電壓曲線圖。

從圖3和圖4中可以看出有多個節(jié)點的臺區(qū)其電壓分布復(fù)雜，電壓曲線呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折特性，對每個節(jié)點電壓進行分析進而得到整個臺區(qū)電壓質(zhì)量好壞難以實現(xiàn)，所以對臺區(qū)建立特征性電壓質(zhì)量指標(biāo)，將復(fù)雜問題簡單化是非常必要的。表2和表3

是本文算例集中補償、分散補償、集中與分散結(jié)合補償方式下指標(biāo)值分布情況。

圖4 不同無功補償方式臺區(qū)節(jié)點電壓分布

表2 不同集中補償容量臺區(qū)電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益指標(biāo)結(jié)果比對

方案β/%Umax/VUp-p/VΔUmax/VCk/萬元LCCΔP網(wǎng)損/kWΔLCF/萬元補償前78399 040475 233856 193400--100kvar84 2402 567874 581552 01371 154 2432 37511 5623120kvar84 2403 267874 455651 18781 414 7992 78952 019140kvar84 2403 988774 354250 36561 575 3563 18402 4265160kvar84 2404 767874 224949 45711 735 9123 55912 7874180kvar84 2405 368974 101448 73251 896 4703 91493 0990200kvar78406 267874 004547 73672 057 0264 25173 3662

表3 不同補償方式臺區(qū)電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益指標(biāo)結(jié)果對比

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 首端集中補償綜合效益分析

① 首端集中補償不能實現(xiàn)全臺區(qū)的有效補償，尤其是中段和末端電壓。

集中補償補償點只有一個，初始投資小，易于被供用電雙方采用，但是這種補償方式的無功仍然要沿線輸送到各負荷節(jié)點，使得網(wǎng)損和線路損耗電壓仍然居高難下。

② 增大首端集中補償容量，電壓質(zhì)量指標(biāo)改善效果不明顯。

隨著補償容量增加，節(jié)點電壓合格率基本沒有變化，而補償?shù)揭欢ㄈ萘繒r使離配變較近節(jié)點電壓越上限且補償容量在100～180kvar時,只考慮節(jié)點電壓合格率指標(biāo)，各方案的優(yōu)劣是無法比較的，需要結(jié)合其他指標(biāo)綜合考慮。

③ 在只考慮經(jīng)濟效益時，補償容量越大初始投資越大，但最終凈收益也越大。

3.3.2 分散補償綜合效益分析

① 分散補償能夠很好改善臺區(qū)電壓質(zhì)量

由表3中指標(biāo)可以看出，分散補償節(jié)點電壓合格率得到明顯提高，19個節(jié)點中只有2個節(jié)點電壓越下限，節(jié)點電壓最大值為402V左右，不存在節(jié)點電壓越上限的隱患。

② 分散補償實現(xiàn)了無功就地補償，避免無功大量傳輸，所以網(wǎng)損改善效果好，最終凈收益大，但是由于補償點多、維護困難等原因?qū)е鲁跏纪顿Y大。

3.3.3 集中和分散結(jié)合補償綜合效益分析

① 該方案19個節(jié)點中有3個節(jié)點電壓越下限，其他指標(biāo)均有較大改善；

② 該方式由于存在首端集中補償，無功仍然要沿線傳輸，網(wǎng)損改善效果一般。

3.3.4 3種方式效益比對分析

在總補償容量相同的情況下：

① 改善電壓質(zhì)量和網(wǎng)損效果優(yōu)劣排序；分散補償>分散和集中結(jié)合補償>集中補償;

② 初始投資及成本優(yōu)劣排序：集中補償>分散和集中補償>分散補償；

③ 最終凈收益優(yōu)劣排序：分散補償>分散和集中結(jié)合補償>集中補償;

通過以上指標(biāo)對比可以看出：① 采用分散補償綜合效益最好且首端集中補償最差；② 集中和分散結(jié)合補償改善電壓質(zhì)量、網(wǎng)損的效果及最終的凈收益大小與分散補償相差不大，但是分散補償?shù)某跏纪顿Y、運行費、維護費等過大，所以實際應(yīng)用中考慮到成本問題，首選集中和分散結(jié)合補償也是可行的。

4 結(jié)束語

① 本文提出從電壓質(zhì)量及經(jīng)濟效益兩個方面對無功補償方案綜合效益進行評估的方法，首先結(jié)合臺區(qū)特點從3個方面著手提出4個電壓指標(biāo)；其次對無功補償裝置的初始投資、網(wǎng)損費等分別進行評估，將最終產(chǎn)生的凈收益作為經(jīng)濟效益指標(biāo)。

② 臺區(qū)首端集中補償成本小，但是不能實現(xiàn)全臺區(qū)有效補償；分散補償改善電壓質(zhì)量及網(wǎng)損效果好，最終凈收益大但由于補償點多且維護困難，所以初始投資、維護費等大；集中和分散結(jié)合補償方式匯聚了集中補償和分散補償?shù)牟糠謨?yōu)點，但是仍然存在不能很好改善臺區(qū)中端及末端電壓質(zhì)量問題；所以在不考慮初始投資及后續(xù)維護費等問題時對于本文所研究的臺區(qū)首先推薦分散無功補償方式，但是如果實際應(yīng)用中考慮初始投資及后續(xù)維護費大等問題，采用集中和分散補償相結(jié)合的方式也是可行的。

③ 從實例結(jié)果可以看出采用本文的指標(biāo)很容易直觀地評估無功補償方案綜合效益的優(yōu)劣，同時說明如果只考慮初始投資其評估結(jié)果過于片面，需要結(jié)合電壓質(zhì)量、初始投資、最終凈收益等指標(biāo)才能做出合理的評估。

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(責(zé)任編輯：林海文)

Reactive Compensation Evaluation Method for Low Voltage Distribution NetworkArea by Considering the Comprehensive Benefit and Its Application

OUYANG Sen, GENG Hongjie ,CHEN Xinhui

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640,China)

The benefit evaluation for low voltage distribution network area mainly considers economic benefit and ignores the voltage quality problems, which results in the problem that the initial investment is only considered in reactive power compensation schemes. So in this paper, a comprehensive benefit method of reactive compensation for low voltage distribution network area is presented from two aspects of voltage quality and economic benefit. Firstly, index system for voltage quality is established and each index is described and defined. At the same time，the operation cost of reactive power compensation device and the saved network-loss cost are evaluated separately, which take net income as economic benefit index. Then, different compensation schemes are designed from two aspects of the reactive power compensation capacity and compensation site, and their comprehensive benefit are compared. In the end, examples are analyzed by using proposed indexes, and the results show the method can directly evaluate the advantages and disadvantages of comprehensive benefits for reactive compensation schemes.

low voltage distribution network area; comprehensive benefit evaluation; voltage quality index; economic benefit index

1007-2322(2015)04-0062-06

A

TM15

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(50937001)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2012ZM0018)

2014-09-25

歐陽森(1974—)，男，副研究員，工學(xué)博士，主要從事電能質(zhì)量、節(jié)能技術(shù)與智能電器研究,E-mail: ouyangs@scut.edu.cn；

耿紅杰(1988—)，女，通信作者，碩士研究生，主要從事電能質(zhì)量分析與控制方面的研究,E-mail:1052156466@qq.com;

陳欣暉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事電能質(zhì)量分析方面的研究,E-mail:147752597@qq.com。