區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方案的規(guī)劃與研究

劉永勝，李題印，包拯民，黃 河，姚海燕

（余杭供電局，杭州 311100）

區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化方案的規(guī)劃與研究

劉永勝，李題印，包拯民，黃 河，姚海燕

（余杭供電局，杭州 311100）

通過(guò)對(duì)某區(qū)域電網(wǎng)春節(jié)期間存在的電壓無(wú)功問(wèn)題的分析，提出了加裝電抗器無(wú)功補(bǔ)償裝置的方案，并對(duì)電抗器的規(guī)劃方案進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過(guò)電抗器無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化配置，能大幅提高春節(jié)期間該區(qū)域電網(wǎng)關(guān)口功率因數(shù)合格率，有效改善電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

區(qū)域電網(wǎng)；無(wú)功補(bǔ)償；功率因數(shù)；電抗器

某區(qū)域電網(wǎng)共有5個(gè)220 kV變電站、27個(gè)110 kV變電站、9個(gè)35 kV變電站，10 kV線(xiàn)路424條，線(xiàn)路總長(zhǎng)度4 174.494 km，其中電纜線(xiàn)路1 113.13 km，配變11 550臺(tái)，總?cè)萘繛?27.208 5萬(wàn)kVA。

按照無(wú)功補(bǔ)償就地平衡原則，目前該區(qū)域電網(wǎng)各電壓等級(jí)變電站安裝的電容器為220 kV無(wú)功容量13.92萬(wàn)kvar、110 kV無(wú)功容量27.18萬(wàn)kvar、35 kV無(wú)功容量4.92萬(wàn)kvar。由該區(qū)域電網(wǎng)2009年度網(wǎng)供關(guān)口功率因數(shù)合格率統(tǒng)計(jì)表及各變電所10 kV母線(xiàn)電壓合格率可以看出，5個(gè)220 kV變供區(qū)（以下依次稱(chēng)A-E變）容性無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘砍渥?，完全滿(mǎn)足無(wú)功負(fù)荷對(duì)無(wú)功電源的需求及關(guān)口功率因數(shù)對(duì)無(wú)功電源進(jìn)線(xiàn)的要求。

由于人們往往過(guò)分重視無(wú)功電源的建設(shè)和容性無(wú)功功率的補(bǔ)償，忽視了無(wú)功平衡的重要性，使得電網(wǎng)在極端低谷負(fù)荷時(shí)期（例如春節(jié)期間）會(huì)出現(xiàn)因線(xiàn)路極度輕載而導(dǎo)致關(guān)口功率因數(shù)合格率考核不達(dá)標(biāo)、220 kV主網(wǎng)電壓偏高等問(wèn)題。本文主要介紹該區(qū)域電網(wǎng)春節(jié)期間存在的電壓無(wú)功問(wèn)題，提出了通過(guò)加裝電抗器來(lái)解決上述問(wèn)題的方法，并對(duì)電抗器的規(guī)劃方法進(jìn)行了深入研究。

1 春節(jié)期間的電壓無(wú)功現(xiàn)狀分析

春節(jié)期間，該地區(qū)全社會(huì)用電需求驟減，變壓器負(fù)載率也大幅度下降。但隨著220 kV變電站關(guān)口功率因數(shù)考核要求的日漸提高，特別是按照調(diào)度下發(fā)的2009年春節(jié)運(yùn)行方式的要求，不僅所有電容器在2009年1月20日前要全部切除，而且要求5個(gè)220 kV變電站的關(guān)口功率因數(shù)不得高于0.97。但是參照《二○○九年度運(yùn)行方式》中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由2009年1月春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率統(tǒng)計(jì)表（表1）可見(jiàn)，2009年春節(jié)期間該區(qū)域電網(wǎng)的關(guān)口功率因數(shù)考核合格率達(dá)不到要求，尤其是A變、D變和E變功率因數(shù)合格率幾乎為零。

表1 2009年1月春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率%

春節(jié)期間系統(tǒng)主網(wǎng)的電容器已全部切除，導(dǎo)致關(guān)口功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的主要因素有：

（1）A變負(fù)荷被E變分割，負(fù)荷較輕；另有新電廠(chǎng)并網(wǎng)，向系統(tǒng)倒送無(wú)功，導(dǎo)致A變和E變消耗無(wú)功的能力下降。

（2）C變和D變地處該地區(qū)東部，靠近城區(qū)，110 kV電纜和10 kV電纜較多，系統(tǒng)充電功率大，消耗無(wú)功能力差；另有燃機(jī)并網(wǎng)于D變，向系統(tǒng)倒送無(wú)功。由此可見(jiàn)，該區(qū)域電網(wǎng)存在的主要問(wèn)題是由于春節(jié)期間電網(wǎng)極度輕載，系統(tǒng)感性無(wú)功不足，造成關(guān)口功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)。分析認(rèn)為加裝電抗器可以改善系統(tǒng)無(wú)功消耗能力。

2 區(qū)域電網(wǎng)電抗器規(guī)劃方法

電抗器規(guī)劃研究的目的是：保證規(guī)劃地區(qū)的無(wú)功平衡，提高區(qū)域電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，使區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功、電壓優(yōu)化運(yùn)行；提高功率因數(shù)，改善區(qū)域電網(wǎng)的電能質(zhì)量和提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；

合理確定無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞健⑷萘亢桶惭b地點(diǎn)，使補(bǔ)償效果最佳。針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，提出并制訂了相應(yīng)的電抗器補(bǔ)償規(guī)劃方案，以期提高關(guān)口功率因數(shù)合格率和供電可靠性。

2.1 模型介紹

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了多目標(biāo)規(guī)劃模型，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Pφ為春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率；Qv為春節(jié)期間的電壓質(zhì)量合格率；ΔP為網(wǎng)絡(luò)有功損耗；C為電抗器補(bǔ)償設(shè)備的投資；Kr為單位容量電抗器補(bǔ)償設(shè)備投資；Qri為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝的電抗器補(bǔ)償設(shè)備的容量；nr為安裝了電抗器的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.1.2 約束條件

將約束條件分為等式約束和不等式約束兩部分，等式約束條件即為潮流方程約束，不等式約束條件如下：

（1）關(guān)口功率因數(shù)約束：cosφimin≤cosφi≤cosφimax。

（2）電壓上下限約束：Vimin≤Vi≤Vimax。

（3）電容器、電抗器和有載變抽頭動(dòng)作次數(shù)約束：Aimin≤Ai≤Aimax。

（4）電容器、電抗器的出力約束：Qrimin≤Qri≤Qri ma x。

（5）有載變比約束：Kijmin≤Kij≤Kijmax。

2.2 算法選擇

針對(duì)上述規(guī)劃模型，采用分層求解的方式，即將目標(biāo)按其重要性進(jìn)行排序，每次都在前一目標(biāo)的最優(yōu)解集內(nèi)求取下一個(gè)目標(biāo)最優(yōu)解，直到求出所有目標(biāo)共同的最優(yōu)解。這里將各個(gè)目標(biāo)按重要程度依次劃分為4個(gè)優(yōu)先級(jí)，“關(guān)口功率因數(shù)合格率”為第一優(yōu)先層，“電壓質(zhì)量合格率”為第二優(yōu)先層，“網(wǎng)絡(luò)損耗”為第三優(yōu)先層，“無(wú)功補(bǔ)償裝置的投資”為第四優(yōu)先層。

基于實(shí)測(cè)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）數(shù)據(jù)、并且通過(guò)對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)2009年1月25日的運(yùn)行情況進(jìn)行潮流模擬及無(wú)功能力評(píng)估得到的各供區(qū)感性無(wú)功缺額見(jiàn)表2，而對(duì)于5個(gè)供區(qū)的所有110 kV變電站，因其春節(jié)期間的感性無(wú)功缺額都太小，平均不足1 Mvar，不適宜安裝電抗器（由于缺少220 kV A變、B變的數(shù)據(jù)，所以無(wú)法對(duì)這兩個(gè)供區(qū)的感性無(wú)功缺額進(jìn)行統(tǒng)計(jì)）。

鑒于C變、D變、E變的平均感性無(wú)功缺額分別為4.146 Mvar、4.962 Mvar、0.96 Mvar，感性無(wú)功缺額均不足5 Mvar。因此，根據(jù)《6 kV～35 kV級(jí)干式并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)和要求》得出本項(xiàng)目各個(gè)供區(qū)實(shí)際可行的電抗器最大規(guī)劃容量為5 Mvar、規(guī)劃方案數(shù)在6個(gè)以下，因此具體求解過(guò)程采用枚舉法。

表2 1月25日該區(qū)域電網(wǎng)各區(qū)感性無(wú)功缺額Mvar

3 方案對(duì)比

3.1 方案闡述

基于枚舉法，通過(guò)上節(jié)對(duì)2009年春節(jié)期間典型日（1月25日）的潮流模擬分析，得出該區(qū)域電網(wǎng)具有春節(jié)期間全網(wǎng)感性無(wú)功不足的特點(diǎn)，并考慮到該區(qū)域220 kV變電站每臺(tái)變壓器限制裝1組電抗器無(wú)功補(bǔ)償裝置。在查閱相關(guān)電抗器技術(shù)資料后，采用在220 kV變電站的兩臺(tái)主變壓器低壓側(cè)對(duì)稱(chēng)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償電抗器的方式，并根據(jù)各區(qū)感性無(wú)功缺額制定出以下初選方案進(jìn)行研究，詳見(jiàn)表3，其中由于缺少220 kV A變、B變的數(shù)據(jù)，所以無(wú)法對(duì)這兩個(gè)供區(qū)的220 kV變電站進(jìn)行電抗器無(wú)功補(bǔ)償規(guī)劃研究?？紤]到正常運(yùn)行方式下各供區(qū)之間沒(méi)有功率聯(lián)系，因而各供區(qū)的規(guī)劃方案相互獨(dú)立。

表3 電抗器無(wú)功補(bǔ)償初選方案Mvar

為了模擬不同電抗器接入方案對(duì)電網(wǎng)的影響，需要制定該區(qū)域電網(wǎng)3個(gè)低壓側(cè)為35 kV電壓等級(jí)的220 kV關(guān)口無(wú)功補(bǔ)償電抗器動(dòng)作策略。參照《杭州市電力局變電站無(wú)功設(shè)備投切控制規(guī)定（試行）》中“220 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)控制原則”的相關(guān)規(guī)定，具體規(guī)劃如下：

（1）對(duì)于低壓側(cè)為35 kV出線(xiàn)的變電站，無(wú)功電壓調(diào)節(jié)應(yīng)采取功率因數(shù)優(yōu)先的方式。

高壓側(cè)功率因數(shù)超上限或高壓側(cè)產(chǎn)生無(wú)功倒送時(shí)，先切除電容器，如果功率因數(shù)仍不滿(mǎn)足考核要求，再投入電抗器。如果投切無(wú)功設(shè)備造成了電壓越下限，應(yīng)及時(shí)上調(diào)有載分接頭。

高壓側(cè)功率因數(shù)超下限時(shí)，先切除電抗器，如果功率因數(shù)仍不滿(mǎn)足考核要求，再投入本站電容器。如果投切無(wú)功設(shè)備造成了電壓越上限，應(yīng)及時(shí)下調(diào)有載分接頭。

高壓側(cè)功率因數(shù)在合格范圍內(nèi)時(shí)，如果無(wú)功設(shè)備投切既有利于調(diào)整電壓，又不會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)越限，則優(yōu)先投切無(wú)功設(shè)備，否則優(yōu)先調(diào)整主變有載分接頭。

投切本站無(wú)功設(shè)備原則上應(yīng)保證低壓母線(xiàn)電壓在33.95～37.45 kV，特殊情況應(yīng)保證在33.25～38.5 kV，否則不投切本站無(wú)功設(shè)備。

（2）對(duì)于低壓側(cè)無(wú)出線(xiàn)的變電站，無(wú)功電壓調(diào)節(jié)應(yīng)采取功率因數(shù)優(yōu)先的方式。

高壓側(cè)功率因數(shù)超上限或高壓側(cè)產(chǎn)生無(wú)功倒送時(shí)，先切除電容器，如果功率因數(shù)仍不滿(mǎn)足考核要求，再投入電抗器。

高壓側(cè)功率因數(shù)超下限時(shí)，先切除電抗器，如果功率因數(shù)仍不滿(mǎn)足考核要求，再投入本站電容器。

投切本站無(wú)功設(shè)備造成低壓母線(xiàn)電壓越限時(shí)，有載主變應(yīng)通過(guò)調(diào)整分接頭來(lái)保證低壓側(cè)母線(xiàn)電壓。

3.2 方案對(duì)比

根據(jù)以上方案，應(yīng)用前述模型和算法及電抗器動(dòng)作策略，對(duì)2009年1月25日的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流模擬計(jì)算。通過(guò)關(guān)口功率因數(shù)合格率、10 kV母線(xiàn)電壓合格率、網(wǎng)絡(luò)有功損耗以及投資費(fèi)用等指標(biāo)來(lái)對(duì)比各種初選方案，并最終選定最優(yōu)方案（投資費(fèi)用按照5.0萬(wàn)元/Mvar進(jìn)行計(jì)算）。各變電站1月25日的規(guī)劃方案對(duì)比見(jiàn)表4-表6。

通過(guò)對(duì)比分析可以得出：C變供區(qū)，在2、3號(hào)主變壓器低壓側(cè)各裝設(shè)2.5 Mvar的電抗器為最

表4 1月25日C變電抗器規(guī)劃方案對(duì)比

表5 1月25日D變電抗器規(guī)劃方案對(duì)比

表6 1月25日E變電抗器規(guī)劃方案對(duì)比

優(yōu)方案，春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率由零達(dá)到100%；D變供區(qū)，在1、2號(hào)主變壓器低壓側(cè)各裝設(shè)2.5 Mvar的電抗器為最優(yōu)方案，春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率由零達(dá)到100%；E變供區(qū)，在1、2號(hào)主變壓器低壓側(cè)各裝設(shè)2.5 Mvar的電抗器為最優(yōu)方案，春節(jié)期間關(guān)口功率因數(shù)合格率由零達(dá)到70.242 2%。

因此最終規(guī)劃方案為：在C變供區(qū)的2、3號(hào)主變壓器、D變供區(qū)的1號(hào)和2號(hào)主變壓器、E變供區(qū)的1號(hào)和2號(hào)主變壓器低壓側(cè)各裝設(shè)2.5 Mvar的電抗器。通過(guò)實(shí)施加裝電抗器的規(guī)劃方案，可以大幅提高該區(qū)域電網(wǎng)春節(jié)期間的220 kV關(guān)口功率因數(shù)合格率，改善電網(wǎng)的無(wú)功平衡狀態(tài)，驗(yàn)證了該區(qū)域電網(wǎng)電抗器規(guī)劃方法具有一定的可行性，同時(shí)該方法簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，適宜在區(qū)域電網(wǎng)中進(jìn)行推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某區(qū)域電網(wǎng)春節(jié)期間由于系統(tǒng)極度輕載導(dǎo)致關(guān)口功率因數(shù)考核不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，提出了電抗器的規(guī)劃方法并給出方案。通過(guò)計(jì)算、對(duì)比分析，制定出最優(yōu)方案并驗(yàn)證其有效性，證明通過(guò)實(shí)施該方法可以有效改善春節(jié)期間的無(wú)功平衡狀態(tài)，提高電網(wǎng)關(guān)口功率因數(shù)合格率。

[1]程浩忠.電力系統(tǒng)無(wú)功與電壓穩(wěn)定性[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]蔡敏.電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式的探討[J].華中電力，2004（2）: 23-26.

[3]全國(guó)變壓器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 10775-2007 6 kV-35 kV級(jí)干式并聯(lián)電抗器技術(shù)參數(shù)和要求[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]張揚(yáng).浙江省電壓無(wú)功分析及建議[J].浙江電力，2001（1）:1-3.

[5]祝春捷，李連強(qiáng)，沈?qū)毰d，等.變電所電壓無(wú)功裝置的應(yīng)用探討[J].浙江電力，2002（1）:26-28.

（本文編輯：龔 皓）

Planning and Research on Reactive Power Optimization Scheme for Regional Power Grid

LIU Yong-sheng，LI Ti-yin，BAO Zheng-ming，HUANG He，YAO Hai-yan
（Yuhang Power Supply Bureau,Hangzhou 311100,China）

Through the analysis of the voltage and reactive power problems found in a regional power grid during the Spring Festival,the installation plan of the reactor reactive power compensation equipment was proposed and research on the reactor planning was carried out.The result shows that the configuration optimization of reactor reactive power compensation device can significantly improve the eligibility of gateway power factor in the regional power grid during the Spring Festival and effectively enhance the quality of power grid operation.

regionalpower grid；reactive power compensation；power factor；reactor

TM715

A

1007-1881（2010）12-0022-03

2010-02-26

劉永勝（1966-），男，浙江余杭人，工程師，從事電力科技應(yīng)用及信息化建設(shè)工作。