为了以简单的方法解决配电网问题，提出了利用自然适应性改善配电网性能的思想，由于不需要采取任何控制手段，这种方法实现简单、运行可靠，往往造价也经济。以4个应用场景说明了所建议方法的可行性，指出抽油机无功功率的波动范围较小，可以采用固定电容器进行低压侧无功补偿；做好分布式电源接入规划，即使不对分布式电源采取任何控制措施，配电网也有比较强的消纳能力；将架空馈线的一部分改造成三芯架空电缆，可以有效降低母线到负荷之间的阻抗，从而有效减少电压偏差和电压波动；配电网可以损耗电量最低的固定的方式运行而不必为降损而频繁进行网络重构调整运行方式。
0引言
配电网具有“点多面广”的特点，因此旨在改善配电网性能的各类项目宜追求简单化，因为越简单越可靠、越可靠才能越实用。
复杂的系统往往设施众多且相互关联，不仅造价高、维护工作量大，而且由于完成一个功能牵扯的环节较多，不够可靠也不够迅速。
上述道理虽然比较容易理解，但是在现实中，将简单的问题复杂化的现象却并不少见，根本原因之一在于对如何才能简单化缺乏足够的认识，另外盲目追求先进、赶时髦以及缺乏现场实际经验也是重要原因。
在解决配电网问题时，借助高速可靠的通信网络对一些分散的对象进行协调控制的方法属于下策，根据本地量测信息进行就地控制的方法属于中策，利用配电网或其局部的自然适应性而不进行任何控制的方法才属于上策，因为影响其正常发挥作用的环节最少，最简单也最可靠，在实际工程中应尽量争取采用利用自然适应性的方法。
本文结合实际应用，论述几个利用自然适应性的工程案例。
1油田配电网无功补偿
电能是油田生产的最主要动力，随着油田的发展、油气勘探开发的深入，用电量不断增大，同时电能在传输、使用中的损耗随之增大。对于石油生产企业，能耗过大、生产成本增加将成为制约油田生产发展的重要因素。
电能消耗在采油行业总能耗消耗中已占到48%左右，每年电费约占生产总成本的1/3。抽油机是油田配电网的主要负荷之一，其功率因数较低，导致油田配电网传输的无功功率较大，造成网损较大、电压质量较低和电网容量不能得以充分利用等问题。
因此，无功补偿的研究对于降低油田配电网的损耗和保障电压质量具有重要的意义。并联电容器是油田配电网无功补偿最重要的设备之一，由于抽油机负荷具有显著的周期波动性，装于油田配电网中的并联电容器一般被设计成根据功率因数的变化而分组投切电容器，造成电容器频繁投切，不仅容易损坏开关元件，而且也增加了无功补偿装置的复杂度和造价。
对抽油机负荷特性深入研究后不难发现，安装固定补偿电容器而不进行投切控制就能得到非常好的效果，从而使问题大大简单化。
抽油机负荷是以抽油机的冲程为周期、连续变化的周期性负荷，在一个周期内，每时每刻的负荷不同，这种负荷占油区总负荷的80%以上。
抽油机靠抽油杆的上下运动将原油抽汲到地面的管网中，抽油机的上冲程起油柱时所需的功率较大，而下冲程时无需动力可自行下落。为了使负荷均匀，一般配有某种平衡机构，如平衡块，电机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩与平衡扭矩之和。平衡扭矩是一正弦曲线，而油井负荷不规则，形成的总负载转矩曲线有些变形但是仍接近正弦曲线。与抽油机电机的输出功率相比，电机的损耗较小，所以电机的输入功率与转矩成正比，波形也接近正弦曲线。
抽油机的负荷曲线上有两个峰值，分别为抽油机上下冲程的死点。抽油机自由停车后再启动时，总是从两个死点中负载较大的死点开始启动，因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保证足够大的启动转矩，抽油机正常运行时负荷率很低，一般在20%左右。由感应电机的特性可知，抽油机的无功功率虽然与电机负载大小有一定关系，但是抽油机的负载率很低，所以抽油机上下冲程的无功功率的变化较小。
不同油井抽油机的负荷曲线不同，但是通过对抽油机负荷特性的大量测试表明，各种抽油机负荷功率变化曲线很相似。图1为一个典型的抽油机负荷功率变化曲线图。
由图1可以看出，抽油机的有功功率以冲程为周期变化较大，但是其无功功率的波动范围较小，导致功率因数以冲程为周期变化较大，若采用根据功率因数动态投切电容器组的方法，则必然造成频繁投切。
但是，无功补偿的目的并非保障高功率因数，而是旨在减少无功功率流动，因此利用抽油机的无功功率的波动范围较小的特点，可以采用固定电容器的方案进行低压侧无功补偿，电容器的容量需根据所补偿的抽油机的无功功率确定。
在资金允许的条件下，可以为每一台抽油机都安装固定电容器进行就地无功补偿，对于多台抽油机公用一台配电变压器的情形，也可以共享一台固定电容器。在资金有限的情况下，可以降损收益最大为目标函数，以允许投入的资金为约束条件，从而将固定电容器的选址定容问题转化为优化问题进行求解，最终获得最佳方案。
2分布式电源的自然消纳能力
研究分析表明，在分布式电源接入容量不是很大的情况下，做好分布式电源接入规划，尽量做到“大马拉小车”，则即使不对分布式电源采取任何控制措施，配电网也有比较强的消纳能力，这种消纳方式，称为自由消纳方式。
由于容量较小，分布式电源（尤其是逆变器并网型分布式电源）对短路电流的影响较小，而约束分布式电源接入的主要因素是电压质量。分布式电源接入配电网应同时满足3个条件：分布式电源接入后馈线上任何位置处的电压偏差不超越额定电压的上限；分布式电源退出运行后馈线上任何位置处的电压偏差不跌落到额定电压的下限；馈线上任何位置处的由分布式电源引起的电压波动不超过允许限值。
上述3条约束曲线共同围成的阴影部分区域就是不对分布式电源采取任何控制措施的条件下分布式电源的可接入容量范围，如图2所示，图中，PDG和PL分别表示馈线上分布式电源的总容量和总负荷功率。
例如，对于一条负荷功率沿馈线递增分布、分布式光伏电源容量沿馈线均匀分布的馈线，供电半径为5km，分别采用YJV-120型电缆和LGJ-120型架空线，在容载比为75%的情况下，分布式光伏电源的允许接入容量范围见图3中阴影区域所示，图中，PPV表示分布式光伏电源的容量。由图可见，即使不对分布式电源进行控制，馈线对其的消纳能力也很大。
3自然适应法解决农村配电网电压质量问题
电压质量问题是农村配电网面临的挑战之一，有的地方电压始终偏低，有的地方电压始终偏高，还有的地方有时电压高（后半夜）有时电压低（白天），有的地方电压波动和电压闪变问题比较突出。
对于电压始终偏低和电压始终偏高的供电区域，往往只需恰当调整配电变压器分接头就可以比较好地解决电压偏差问题，这也是利用自然适应性的一种情形，但是一般不能解决电压波动和电压闪变问题。
对于有时电压过高有时电压过低的供电区域，调整变压器分接头不能解决电压质量问题。
对解决农村配电网电压质量问题有效果的措施包括：网络重构、增大导线截面、调压器、并联电容器、串联电容器、利用分布式电源、利用电力电子装备、利用储能设备等。
好的储能措施可以解决电压暂降和电压闪变问题，但是往往解决电压偏差问题的能力较差，而且建设费用和运行维护费用都比较高，因此通常用在不得不用的“不寻常”场合。
恰当使用正确类型的电力电子设备几乎可以解决任何电压质量问题，但是建设费用和运行维护费用高，而且会增大损耗，因此宜尽量不在农村配电网使用。分布式电源对于电压质量有一定影响，但是它不适合于仅仅作为电压支持手段而建设，因为会引起许多复杂的运行问题。
串联补偿电容器对于导线截面大且长的线路效果好，但是需要采取10kV快速开关对电容器进行保护，以避免在馈线发生故障时导致电容器承受太高的电压而损坏，因此整套设备造价较高，宜限制在不得不用的场合使用。
并联电容器是一种较好的手段，但是如果需要动态投切则费用较高，且增加运行维护的费用及其复杂程度。
安装于母线的调压器（如有载调压变压器）往往不能兼顾有的馈线需要升压而有的馈线需要降压的情形，而对每条馈线分别安装调压器则费用很高。
网络重构也有助于解决电压偏差问题，但是需要安装配电终端和建设通信网络。增大架空线导线截面有助于解决电压偏差和电压波动问题，但仅在针对截面较小的导线时效果较好。因为馈线的阻抗为R+jX，增大导线截面可以减少R但是对X的影响却比较小。当导线截面增大到一定程度后，R/X已经较小，馈线的阻抗主要取决于X，再继续增大导线截面，对电压降落的改善效果较小。
缩小架空导线相间距离可以减少X，因此可以将部分馈线段改用紧凑型结构敷设。将架空馈线的一部分改造成三芯电缆，可以极大地缩小导线相间距离并有效减少X，采用较大截面的导体（或铜导体）又能有效减少R，从而有效降低母线到负荷之间的阻抗，能够有效减少电压偏差和电压波动。换句话说，在同样的负荷条件下，在给定的电压偏差极限限值和电压波动指标下，采用三芯电缆替换一部分架空线可以有效延长供电半径。
替换一部分架空线的三芯电缆可以利用原有配电线杆架空敷设，经过核算在大部分情形下不必更换线杆。由于越接近母线的馈线段上流过的电流往往越大、产生的单位长度压降也越大，因此一般可以选择将靠近母线的馈线段更换为三芯电缆。采用三芯电缆后还可以显著改善受树木侵害区域的可靠性，因此也可以选择将容易受到树木侵害的架空馈线馈线段更换为三芯电缆。
4发挥自然适应性的运行方式
许多人认为通过配电网络重构可以有效降低配电网的线损率，这方面也有大量学术论文发表。但是，仔细研究后发现，通过网络重构改变运行方式对配电网的线损的影响并没有那么显著，主要原因在于：
1）通过网络重构改变运行方式一般只能降低10kV配电网主干馈线段的导体损耗，而不能影响到分支馈线段、配电变压器以及低压配电网的损耗。而配电网的损耗主要来自于配电变压器和低压配电网，10kV主干馈线段的导体损耗率通常都比较小，因此降损效果并不突出。
2）即使对于10kV配电网主干馈线段的线损，也只有当相互联络的馈线供出的负荷具有时间上的交错性时（如：白天A馈线负荷重，B馈线负荷轻；夜间B馈线负荷重，A馈线负荷轻），适时改变运行方式才有一定的降损效果（如：白天将A馈线的部分负荷倒至B馈线，夜间再将其倒回来），但是我国大部分馈线供出的负荷
的特性都比较接近，在时间上的交错性并不强。
3）大量文献研究的都是在某个时间断面条件下的最优运行方式问题，而实际上无论负荷还是分布式电源的出力都是变化的，仅仅根据某个时间断面数据安排运行方式，会造成运行方式频繁调整的问题，而对于部分不宜合环的情形，往往在运行方式调整过程中对部分用户带来短暂停电问题。
实际上，对于配电网的运行方式通常并不需要频繁调整，而只需要结合负荷特性固定一种在一段时期内（如一日）的总线损电量最小的运行方式即可。当然，由于随着时间的推移，负荷特性会发生一些变化，一段时间后往往需要适当移动联络开关的安装位置已适应这种变化，但是仍然没有必要为了降损的目的而频繁调整运行方式。
在绝大多数情况下，配电网可以损耗电量最低的固定的方式运行而不必为降损而频繁调整运行方式，这也是发挥自然适应性的一个例子。
5结语
1）在许多情形下，利用自然适应性能够改善配电网的性能。由于不需要采取任何控制手段，这种方法实现简单、运行可靠，往往造价也经济。
2）抽油机无功功率的波动范围较小，可以采用固定电容器进行低压侧无功补偿，而不需要根据功率因数动态调整电容器的补偿容量。
3）做好分布式电源接入规划，尽量做到“大马拉小车”，则即使不对分布式电源采取任何控制措施，配电网也有比较强的消纳能力。
4）将架空馈线的一部分改造成三芯电缆，可以有效降低母线到负荷之间的阻抗，从而有效减少电压偏差和电压波动和延长供电半径，大部分情况下，三芯架空电缆可以利用原有线杆架空敷设。
5）在大多数情况下，配电网可以损耗电量最低的固定的方式运行而不必为降损而频繁调整运行方式。
作者简介
刘健，男，总工程师，博士，教授，博士生导师，百千万人才工程国家级人选，国家电网公司科技领军人才，主要研究方向为配电网及其自动化技术。
原标题：【简单配电网】刘健：No.2 利用自然适应性改善配电网的性能
