電網(wǎng)低負(fù)荷期間發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析及管理

解 兵 ，徐 珂 ，劉建坤 ，徐 賢

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.江蘇電力公司調(diào)度控制中心，江蘇南京210024)

隨著電網(wǎng)中裝機(jī)容量不斷增加，超高壓、特高壓線路以及城市高壓電纜大量建設(shè)和投入，系統(tǒng)容性無功功率不斷增長(zhǎng)，造成電網(wǎng)低負(fù)荷期間電網(wǎng)電壓偏高，嚴(yán)重影響系統(tǒng)供電質(zhì)量，并且危及輸變電和用戶設(shè)備的安全運(yùn)行[1-8]。同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行是發(fā)電機(jī)定子電流超前于機(jī)端電壓、向系統(tǒng)發(fā)出有功、吸收無功的低勵(lì)磁運(yùn)行方式，是解決電網(wǎng)低負(fù)荷運(yùn)行期間無功功率過剩、電網(wǎng)電壓過高的簡(jiǎn)便可行、經(jīng)濟(jì)性高的有效措施。從20世紀(jì)50年代開始，國(guó)內(nèi)外就有關(guān)于發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的文獻(xiàn)報(bào)道，至今已取得了一系列的成果。目前發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的文獻(xiàn)主要停留在試驗(yàn)階段，而關(guān)于解決電網(wǎng)負(fù)荷低谷期的電壓偏高問題的實(shí)際機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的案例及分析較少[9-12]。本文根據(jù)最近兩年春節(jié)期間江蘇電網(wǎng)并網(wǎng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行數(shù)據(jù)，提取具體量化指標(biāo)，開展機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行情況分析，提出機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行管理建議，以充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力。

1 機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析指標(biāo)

目前江蘇電網(wǎng)基本所有機(jī)組已完成進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)，并且在電網(wǎng)低負(fù)荷期間已經(jīng)發(fā)揮了一定的作用。但因部分電廠對(duì)于機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行管理不夠重視，導(dǎo)致電廠母線電壓長(zhǎng)期越上限運(yùn)行，而機(jī)組仍不進(jìn)相，未發(fā)揮機(jī)組應(yīng)有的調(diào)壓作用。為更好地加強(qiáng)機(jī)組進(jìn)相管理，開展發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行情況分析工作、建立機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析指標(biāo)刻不容緩。

江蘇省調(diào)EMS采集的歷史數(shù)據(jù)包含了全省并網(wǎng)機(jī)組的有功、無功、母線電壓等數(shù)據(jù)，采樣間隔為5 m in。數(shù)據(jù)分析范圍為春節(jié)期間包含頭尾共10 d，總計(jì)2880個(gè)時(shí)間斷面數(shù)據(jù)。根據(jù)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行情況及管理需要，提取了下列分析指標(biāo)。

1.1 電壓合格率

每年春節(jié)期間，華東調(diào)度會(huì)下發(fā)500 kV電廠母線電壓控制曲線，江蘇調(diào)度會(huì)下發(fā)220 kV電廠母線電壓曲線控制曲線。通過比較并網(wǎng)母線電壓和電壓曲線，假設(shè)電廠母線電壓超出調(diào)度給出的電壓曲線上、下限時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)電壓不合格。電壓合格率就是電壓合格的點(diǎn)數(shù)占總運(yùn)行點(diǎn)數(shù)的比例。

1.2 時(shí)間參數(shù)

由于省調(diào)EMS數(shù)據(jù)是每5m in采集一個(gè)點(diǎn)，時(shí)間參數(shù)為統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)數(shù)乘以5，單位為分鐘。以下均幾個(gè)參數(shù)均以點(diǎn)數(shù)描述，實(shí)際代表時(shí)間。

（1）機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)數(shù)。由于春節(jié)期間機(jī)組調(diào)停較多，部分電廠一直運(yùn)行，部分電廠部分曾調(diào)停過，為統(tǒng)一比較機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行管理情況，需考慮機(jī)組運(yùn)行相對(duì)參數(shù)。機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)數(shù)是獲得相對(duì)參數(shù)必不可少的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)出機(jī)組有功大于10MW的所有點(diǎn)數(shù)則為機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)數(shù)。

（2）機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行點(diǎn)數(shù)。對(duì)于單機(jī)組單母線的情況，直接統(tǒng)計(jì)該機(jī)組無功功率小于0的點(diǎn)數(shù)；對(duì)于連在同一母線的幾臺(tái)機(jī)組，首先計(jì)算這幾臺(tái)機(jī)組無功的平均值，只有平均值小于0，才認(rèn)為這幾臺(tái)機(jī)組進(jìn)相，如果無功功率平均值大于0，盡管可能一臺(tái)機(jī)組進(jìn)相，一臺(tái)滯相運(yùn)行，但由于對(duì)電網(wǎng)實(shí)際效果是未進(jìn)相，所以仍認(rèn)為這幾臺(tái)機(jī)組未進(jìn)相，機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行點(diǎn)數(shù)則統(tǒng)計(jì)所有無功平均值小于0的點(diǎn)數(shù)。

（3）進(jìn)相后電壓合格點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計(jì)電廠母線電壓在調(diào)度給定曲線上下限范圍以內(nèi)，并且無功平均值小于0的點(diǎn)數(shù)。

（4）進(jìn)相后電壓越上限點(diǎn)數(shù)。進(jìn)相后電壓越上限點(diǎn)數(shù)=機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行點(diǎn)數(shù)-進(jìn)相后電壓合格點(diǎn)數(shù)。

（5）電壓越上限未進(jìn)相點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計(jì)電廠母線電壓大于調(diào)度給定曲線上限，并且無功平均值大于0的點(diǎn)數(shù)。

1.3 進(jìn)相運(yùn)行深度參數(shù)

發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度分絕對(duì)進(jìn)相深度和相對(duì)進(jìn)相深度兩類指標(biāo)。絕對(duì)進(jìn)相深度是指無功平均值小于0的無功功率；相對(duì)進(jìn)相深度是指該機(jī)組絕對(duì)進(jìn)相深度除以該機(jī)組的進(jìn)相限額。盡管目前江蘇電網(wǎng)機(jī)組的進(jìn)相試驗(yàn)已基本完成，已獲得所有機(jī)組的進(jìn)相運(yùn)行限額。但進(jìn)相運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，一般只在50%Pn，75%Pn和100%Pn的3個(gè)有功工況進(jìn)行試驗(yàn)，并獲得對(duì)應(yīng)限額，而機(jī)組實(shí)際有功是不斷變化的。本次進(jìn)相運(yùn)行限額以當(dāng)前有功進(jìn)行插值計(jì)算獲得當(dāng)前有功下進(jìn)相限額。多臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)表明，以插值計(jì)算獲得的進(jìn)相限額數(shù)值比實(shí)際進(jìn)相限額略低，誤差在可接受范圍，因此可認(rèn)為該計(jì)算限額基本能反映機(jī)組進(jìn)相的實(shí)際情況。由于納入統(tǒng)計(jì)的機(jī)組類型各不相同，機(jī)組容量不同，機(jī)組的進(jìn)相能力不同，所以從機(jī)組進(jìn)相程度來看，相對(duì)進(jìn)相深度更合理，下列參數(shù)涉及的進(jìn)相深度均指相對(duì)進(jìn)相深度。目前進(jìn)相深度總共設(shè)定了4個(gè)指標(biāo)。

（1）最大進(jìn)相深度。對(duì)參與進(jìn)相的某臺(tái)機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)所有進(jìn)相深度取最大值；

（2）平均進(jìn)相深度。對(duì)參與進(jìn)相的某臺(tái)機(jī)組所有進(jìn)相深度取平均值；

（3）進(jìn)相后電壓合格期間平均進(jìn)相深度。對(duì)電壓合格期間，參與進(jìn)相運(yùn)行機(jī)組的進(jìn)相深度取平均值；

（4）進(jìn)相后電壓越限期間平均進(jìn)相深度。對(duì)電壓越上限期間，參與進(jìn)相運(yùn)行機(jī)組的進(jìn)相深度取平均值。

2 江蘇電網(wǎng)機(jī)組運(yùn)行情況實(shí)例分析

通過分析指標(biāo)計(jì)算方法，計(jì)算出2013年春節(jié)期間江蘇電網(wǎng)并網(wǎng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行情況數(shù)據(jù)，江蘇并入500 kV電網(wǎng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析數(shù)據(jù)如表1所示。

通過表1的江蘇電網(wǎng)并網(wǎng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行情況分析，電壓越上限主要原因?yàn)椋海?）電網(wǎng)電壓越上限時(shí)，機(jī)組未參與進(jìn)相運(yùn)行；（2）電網(wǎng)電壓越上限時(shí)，機(jī)組參與進(jìn)相運(yùn)行，但進(jìn)相運(yùn)行深度不夠；（3）電網(wǎng)越上限運(yùn)行時(shí)，機(jī)組也參與了進(jìn)相運(yùn)行，且基本達(dá)到限額。

2.1 越上限未進(jìn)相點(diǎn)數(shù)較多案例

從表1可看出N電廠越上限未進(jìn)相時(shí)間較長(zhǎng)，將電廠母線電壓、調(diào)度給定電壓上限、無功功率以及對(duì)應(yīng)有功下進(jìn)相限額畫在一個(gè)圖上，即N電廠運(yùn)行情況圖，如圖1所示。

從圖1可看出，在500 kV母線電壓越526 kV上限值時(shí)，圖中1，2，3，4標(biāo)識(shí)中，機(jī)組大部分時(shí)間未進(jìn)相運(yùn)行，甚至發(fā)出無功，其余幾處盡管進(jìn)相運(yùn)行，但離進(jìn)相限額有較遠(yuǎn)距離，可見該機(jī)組未充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相能力，電壓合格率通過有效管理，安排機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行有進(jìn)一步改善空間。

2.2 進(jìn)相深度不夠案例

從表1可看出，R電廠越上限期間盡管大部分時(shí)間安排機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行，但越上限期間平均進(jìn)相深度僅為32%，離進(jìn)相限額有較遠(yuǎn)距離。從R電廠運(yùn)行情況圖中可看出，在500 kV母線電壓越523 kV上限值時(shí)，圖中多處位置機(jī)組無功盡管進(jìn)相運(yùn)行，但進(jìn)相無功深度普遍較淺，無功曲線離進(jìn)相限額曲線有較遠(yuǎn)距離，導(dǎo)致電壓合格率較低，由此可見，通過機(jī)組進(jìn)相管理，通過安排機(jī)組進(jìn)相，電壓合格率必然會(huì)大幅改善。R電廠運(yùn)行情況如圖2所示。

2.3 越上限時(shí)達(dá)到進(jìn)相運(yùn)行限額案例

從表1看出，P電廠盡管電壓合格率不高，但該機(jī)組所有電壓越上限期間，均安排機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行，電壓越上限期間平均進(jìn)相深度達(dá)到了87%。從P電廠運(yùn)行情況圖上可看出畫圈部分均為母線電壓高于電壓上限曲線部分，此時(shí)無功曲線與進(jìn)相限額曲線幾乎重合，可見機(jī)組電壓越上限時(shí)，機(jī)組基本發(fā)揮其應(yīng)有的進(jìn)相能力。只有通過加裝500 kV高壓電抗器及改善電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等方面提高電壓合格率。P電廠運(yùn)行情況如圖3所示。

表1 江蘇電網(wǎng)部分發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行分析數(shù)據(jù)

圖1 N電廠運(yùn)行情況

圖2 R電廠運(yùn)行情況

圖3 P電廠運(yùn)行情況

3 電網(wǎng)低負(fù)荷期間進(jìn)相運(yùn)行管理

通過江蘇電網(wǎng)機(jī)組運(yùn)行情況實(shí)例分析，可見加強(qiáng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行管理，對(duì)合理安排機(jī)組進(jìn)相，充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相能力，提升電網(wǎng)電壓水平，具有極其重要的意義。江蘇電網(wǎng)目前也采用了獎(jiǎng)懲措施，對(duì)于電壓越上限運(yùn)行，機(jī)組未安排進(jìn)相或者進(jìn)相深度不夠的電廠進(jìn)行考核并罰款。但由于電廠對(duì)機(jī)組進(jìn)相管理的好壞、對(duì)電網(wǎng)電壓貢獻(xiàn)的大小目前尚未量化，對(duì)于被考核電廠說服力不夠。本文根據(jù)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析指標(biāo)，對(duì)機(jī)組進(jìn)相管理好壞情況、對(duì)電網(wǎng)貢獻(xiàn)大小等進(jìn)行量化，提出獎(jiǎng)勵(lì)因子M、懲罰因子N以供探討。

通過江蘇電網(wǎng)機(jī)組進(jìn)相情況分析，電網(wǎng)低負(fù)荷期間，運(yùn)行機(jī)組主要有以下4種情況：進(jìn)相后電壓合格、未進(jìn)相電壓合格、進(jìn)相后電壓不合格、未進(jìn)相電壓不合格。

進(jìn)相后電壓合格情況是主要需要獎(jiǎng)勵(lì)的部分，但有的機(jī)組進(jìn)相較淺，有的機(jī)組進(jìn)相很深，這2種情況對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)當(dāng)然不同，所以獎(jiǎng)勵(lì)因子應(yīng)考慮進(jìn)相深度情況。針對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)因子的計(jì)算，提出2種計(jì)算方法，即：

式（1—3）中：Mi為某個(gè)電廠第i個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)因子；a為獎(jiǎng)勵(lì)因子中的權(quán)重系數(shù)，需要根據(jù)所有電廠獎(jiǎng)勵(lì)因子之和和懲罰因子之和綜合考慮，確保最終獎(jiǎng)勵(lì)因子與懲罰因子總數(shù)相等；k為不同進(jìn)相深度的貢獻(xiàn)因子，可以根據(jù)式（3）進(jìn)行設(shè)置，k1建議在 0～0.25 取值，k2在0.25～0.5，k3 在 0.5～0.75，k4 在 0.75～1.0。

式（1）以進(jìn)相深度值確定當(dāng)前點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)因子；式（2）則對(duì)進(jìn)相深度分區(qū)段，將某個(gè)區(qū)段的進(jìn)相深度設(shè)定為一個(gè)貢獻(xiàn)因子，式（2）的計(jì)算方法，避免了某個(gè)點(diǎn)進(jìn)相能力在0附近導(dǎo)致進(jìn)相深度超高的情況。對(duì)于未進(jìn)相電壓合格情況，考慮到主要是電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對(duì)于該部分機(jī)組不需要進(jìn)相運(yùn)行，電壓也能滿足電網(wǎng)要求，從機(jī)組進(jìn)相的角度來看，這類情況應(yīng)該既不獎(jiǎng)勵(lì)也不懲罰。進(jìn)相后電壓不合格情況是需要考核的部分，跟獎(jiǎng)勵(lì)情況類似，懲罰情況也需考慮機(jī)組進(jìn)相深度情況，同樣提出了2種計(jì)算方法，即：

式（4—6）中：b為懲罰因子中的權(quán)重系數(shù)，需要結(jié)合獎(jiǎng)勵(lì)因子綜合考慮，確保最終獎(jiǎng)勵(lì)因子與懲罰因子總數(shù)相等；l為不同進(jìn)相深度的貢獻(xiàn)因子，可以根據(jù)式（6）進(jìn)行設(shè)置，l1建議在 0.75～1.0 取值，l2在 0.5～0.75，l3在0.25～0.5，l4在 0～0.25。

式（4）則直接將?。?-進(jìn)相深度）的絕對(duì)值，而式（5）則按進(jìn)相深度分區(qū)段設(shè)定懲罰因子。未進(jìn)相電壓不合格情況也是主要考核部分，考核的程度比第三種情況應(yīng)更嚴(yán)厲，其懲罰因子計(jì)算為：

式（7）中權(quán)重系數(shù)l5應(yīng)該為一個(gè)大于1的數(shù)值。對(duì)比式（1）和式（2），以及式（4）和式（5），前者計(jì)算起來更簡(jiǎn)單方便，但對(duì)于部分進(jìn)相能力接近于0的時(shí)候出現(xiàn)進(jìn)相深度超大的情況會(huì)使得整個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)因子和懲罰因子的計(jì)算有所失真，推薦采用第二種方法計(jì)算。

由于每個(gè)電廠上述4種情況均同時(shí)存在，通過上述方法，可分別計(jì)算出每個(gè)電廠的懲罰因子和獎(jiǎng)勵(lì)因子數(shù)值，由此獲得第j個(gè)電廠被考核的金額Xj和獎(jiǎng)勵(lì)的金額 Yj，即：

式（8，9）中：e為單位懲罰因子數(shù)值被考核的金額，該值應(yīng)根據(jù)各省實(shí)際情況以及計(jì)算出來懲罰因子數(shù)值等因素確定。

對(duì)于一個(gè)電廠，如果計(jì)算出來Xi大于，則該電廠實(shí)際被考核金額為反之該電廠被獎(jiǎng)勵(lì)金額為（

4 結(jié)束語

（1）為加強(qiáng)電網(wǎng)低負(fù)荷期間機(jī)組進(jìn)相分析，本文建立了合格率、進(jìn)相時(shí)間參數(shù)、進(jìn)相深度參數(shù)等進(jìn)相分析指標(biāo)，通過建立的指標(biāo)，能真實(shí)、客觀地反映機(jī)組進(jìn)相情況。

（2）以建立的進(jìn)相運(yùn)行分析指標(biāo)，對(duì)江蘇電網(wǎng)2013年春節(jié)期間開展機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行分析，得出江蘇電網(wǎng)機(jī)組電壓越上限運(yùn)行有3種原因。其一為電網(wǎng)電壓越上限時(shí)，機(jī)組未參與進(jìn)相運(yùn)行；其二為電網(wǎng)電壓越上限時(shí)，機(jī)組參與進(jìn)相運(yùn)行，但進(jìn)相運(yùn)行深度不夠；最后是電網(wǎng)越上限運(yùn)行時(shí)，機(jī)組也參與了進(jìn)相運(yùn)行，且基本達(dá)到限額。前2種情況可通過加強(qiáng)機(jī)組進(jìn)相管理，提高電壓合格率，最后一種情況可通過改變電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或加裝高壓電抗器等措施提高電壓合格率。

（3）為加強(qiáng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行管理，本文提出了懲罰因子和獎(jiǎng)勵(lì)因子概念，對(duì)機(jī)組在電網(wǎng)低負(fù)荷期間進(jìn)相管理工作量化，便于調(diào)度部門合理采取各種獎(jiǎng)懲措施，公平、公正對(duì)全省機(jī)組開展進(jìn)相管理，充分發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相能力，提高電網(wǎng)供電電壓水平。

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