電纜線路對(duì)城市配網(wǎng)變電站無功影響研究

楊繼超，李文升，韓 穎，趙 穎

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電纜線路對(duì)城市配網(wǎng)變電站無功影響研究

楊繼超，李文升，韓 穎，趙 穎

(國網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266000)

如今大中型城市電纜線路使用率逐漸升高，但由于電纜線路對(duì)地電容大，其廣泛使用可能導(dǎo)致負(fù)荷低谷時(shí)出現(xiàn)容性無功倒送，甚至末端電壓升高。為應(yīng)對(duì)該問題，以電纜線路對(duì)城市配網(wǎng)變電站無功功率可能造成的影響為研究對(duì)象進(jìn)行了分析。采用青島電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)用前推后推法首先對(duì)不同負(fù)荷下單條電纜出線的電路模型進(jìn)行了分析。然后在此基礎(chǔ)上應(yīng)用疊加原理對(duì)具備多條電纜出線的變電站進(jìn)行分析。最后得出結(jié)論，現(xiàn)有青島配網(wǎng)運(yùn)行情況下，電纜線路的增多很難造成無功倒送或者線路末端電壓升高的情況，亦無需配置感性無功補(bǔ)償設(shè)備，為城市配電網(wǎng)工程建設(shè)提供參考。

電纜；前推回推法；無功過剩；無功補(bǔ)償；感性無功補(bǔ)償設(shè)備

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電纜線路由于其受環(huán)境影響小、安全性好、供電可靠性高等優(yōu)勢被大量運(yùn)用于城市配電網(wǎng)中。但由于電纜線路對(duì)地電容是架空線路的幾十倍。故電纜線路的大規(guī)模應(yīng)用可能導(dǎo)致了容性無功過剩，從而使低谷負(fù)荷時(shí)配網(wǎng)可能出現(xiàn)無功倒送，線路末端電壓升高等問題。針對(duì)優(yōu)化電網(wǎng)無功，降低線路損耗，提高電壓合格率，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[1]提出了一種多DSTATCOM快速動(dòng)態(tài)靜止型無功補(bǔ)償與TSC無功補(bǔ)償相結(jié)合的方法。文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]分別采用粒子群和免疫遺傳算法對(duì)電網(wǎng)無功優(yōu)化進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]綜合改進(jìn)遺傳算法和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)配電網(wǎng)無功進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[5]則提出一種基于極限線損率和極限降損率指標(biāo)的配電網(wǎng)降損措施。文獻(xiàn)[6]則提供了一種“線路調(diào)整法”來降低配電網(wǎng)不平衡負(fù)載造成的線損。上述研究成果多基于PSCAD、Matlab等研究電力網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仿真工具對(duì)電網(wǎng)無功分布情況進(jìn)行分析[7-9]。但目前普通工程設(shè)計(jì)人員由于理論深度和軟件應(yīng)用能力等方面的限制難以對(duì)以上成果進(jìn)行熟練的應(yīng)用。

目前，山東省內(nèi)青島、濟(jì)南等地城區(qū)配網(wǎng)變電站出線電纜化率均已達(dá)到較高水平。因此在負(fù)荷低谷時(shí)期可能造成無功倒送，極端條件下還可能引起電纜線路末端電壓升高。針對(duì)該實(shí)際問題，山東省電力調(diào)度中心曾多次要求青島、濟(jì)南等地對(duì)配電網(wǎng)中電纜線路對(duì)變電站無功可能帶來的影響進(jìn)行分析，并論證是否需要在電纜出線較多的配網(wǎng)變電站中增加感性無功補(bǔ)償設(shè)備。故構(gòu)建計(jì)算模型供變電設(shè)計(jì)人員對(duì)各類出線與負(fù)荷條件下變電站的末端電壓及無功潮流情況進(jìn)行分析。并根據(jù)分析結(jié)果配置感性無功補(bǔ)償設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的順利實(shí)施具有重要意義，也能有效防止電纜末端電壓升高和無功倒送等問題[10]。

1 ?單條線路無功分析

本文通過調(diào)研得到青島配電網(wǎng)中電纜線路的參數(shù)情況如表1所示。其中電纜長度分別取青島電網(wǎng)電纜出線的一般長度2 km和現(xiàn)有最大長度4 km為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行分析。

1.1 邊界條件

根據(jù)調(diào)研，青島配電網(wǎng)中電纜線路的參數(shù)情況如表1所示。

表1 青島10 kV電纜參數(shù)

1.2 潮流計(jì)算模型

單條電纜線路的潮流計(jì)算模型如圖1所示，本文近似將線路所供負(fù)荷分為兩個(gè)部分，分別置于線路末端和線路中央，負(fù)荷的大小相等，以表達(dá)線路負(fù)荷沿線均勻分布的情況。

圖?1 單條電纜線路潮流計(jì)算模型

由表1數(shù)據(jù)可計(jì)算線路不同負(fù)載率情況下每段的有功功率和無功功率。

(2)

潮流計(jì)算方法主要采用配電網(wǎng)的前推回推法[11]，該方法收斂性很強(qiáng)，計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性高。

1.3 2?km線路潮流計(jì)算結(jié)果

由表1可知線路參數(shù)，對(duì)應(yīng)線路負(fù)載率分別為5%、10%、20%、40%、60%、80%的6種情況，利用圖1所示模型進(jìn)行潮流計(jì)算。對(duì)應(yīng)線路長度為2 km時(shí)，得到潮流分布結(jié)果如表2所示。

表2 10 kV電纜潮流分布(長度為2 km)

表2 續(xù) 10 kV電纜潮流分布(2 km)

(4)

通過表2的數(shù)據(jù)可知，單條10 kV電纜線路的充電功率約80.26 kvar在負(fù)載率為5%~60%時(shí)均大于電纜電纜的無功損耗，故其作為無功電源存在。在負(fù)載率80%時(shí)電纜的無功損耗大于充電功率，其作為無功負(fù)荷存在。

不同負(fù)載率時(shí)值如表3所示。

表3 充電功率占無功總負(fù)荷比例(2 km)

從的值可以看出，與負(fù)載率成反比，且均小于1，由此可知雖然在負(fù)荷率低情況下電纜會(huì)充當(dāng)無功電源向負(fù)荷輸送無功負(fù)荷，但并未構(gòu)成無功倒送。

從電壓角度來看，相對(duì)于線路首端的電壓10.5 kV而言，電纜的充電功率未引起末端電壓的升高，相反由于線路上的功率損耗，引起了末端電壓的下降，并且隨著負(fù)荷的增加，線路末端電壓下降也隨之增大，但是均滿足規(guī)范中電壓偏移不超過額定電壓7%的規(guī)定[12]。

因此根據(jù)無功潮流計(jì)算結(jié)果，當(dāng)電纜出線為2 km時(shí)，無需增加感性無功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)無功負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4 4?km線路潮流計(jì)算結(jié)果

針對(duì)線路長度為4 km的情況仍采用圖1所示的計(jì)算模型及表2中的6種負(fù)載率進(jìn)行分析。相比線路長度為2 km時(shí)，由于線路末端負(fù)荷未變且電纜線路有功損耗相比負(fù)荷較小，故電纜長度增加為4 km后及均未發(fā)生明顯變化，而、則變?yōu)? km線路時(shí)的兩倍，此處不再贅述。、、三個(gè)參數(shù)的變化如表4所示。

表4 10 kV電纜潮流分布(4 km)

由上述計(jì)算結(jié)果可知單條電纜線路的充電功率在負(fù)載率為5%~60%時(shí)均大于電纜的無功損耗，故其作為無功電源存在。在負(fù)載率80%時(shí)電纜的無功損耗大于充電功率，其作為無功負(fù)荷存在。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算出充電功率與無功總負(fù)荷的比值如表5所示。

表5 充電功率占無功總負(fù)荷比例(4 km)

從的值可以看出，與負(fù)載率基本成反比關(guān)系，當(dāng)負(fù)載率處于10%~80%時(shí)，小于1。但當(dāng)負(fù)載率低至5%時(shí)，值達(dá)到1.41，對(duì)應(yīng)表4中線路首端無功功率為-46.76 kvar，這表明此時(shí)電容產(chǎn)生的無功功率大于線路和負(fù)荷所需提供的無功總和，電纜線路向電源倒送無功。

從電壓角度來看，相對(duì)于線路首端的電壓10.5 kV而言，線路末端電壓也并未因電容充電功率過大而造成出線電壓升高，線路上的功率損耗仍使末端電壓產(chǎn)生了隨負(fù)荷增加而增大的小幅電壓下降，且末端電壓最大偏移也未超過標(biāo)稱電壓的7%。

因此根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，當(dāng)電纜出線為4 km，負(fù)載率為5%時(shí)，會(huì)產(chǎn)生無功倒送，從而可能引起供電線路、用電設(shè)備發(fā)熱程度加重，用電設(shè)備的實(shí)際輸出功率降低等一系列問題[13]，需要采用感性無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，其他情況均無需配置感性無功補(bǔ)償設(shè)備。

1.5 單條線路潮流分析結(jié)果

綜上所述，從單條電纜線路的角度來看，對(duì)于2 km長的電纜線路而言，電纜的充電功率對(duì)線路無功和電壓影響均在有限范圍內(nèi)，不必裝設(shè)感性無功補(bǔ)償設(shè)備。而對(duì)于4 km長的電纜線路而言，充電功率對(duì)線路電壓影響雖然大于2 km線路，但是也處于允許范圍內(nèi)；僅在負(fù)載率低至5%時(shí)，4 km線路將會(huì)出現(xiàn)無功倒送，需通過感性無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行無功調(diào)節(jié)。

2 ?變電站無功分析

2.1 變電站參數(shù)及計(jì)算模型

針對(duì)變電站出線情況，設(shè)置線路的不同負(fù)載率組合，以期作為變電站無功需求分析的基礎(chǔ)。變電站電路模型如圖2所示。不同情況下的負(fù)荷參數(shù)分布表如表6所示。

表6 變電站負(fù)荷分布情況表

2.2 變電站無功功率分布研究

根據(jù)圖2中的計(jì)算模型可知，該模型中所有電氣元件均為線性元件，故可使用疊加定理。根據(jù)表6中負(fù)載率分布的不同情況，對(duì)表2及表4中2 km和4?km單條線路的潮流分布計(jì)算結(jié)果應(yīng)用疊加定理，即可得變電站所有出線電纜長度均為2 km和4 km時(shí)表7、表8所示變壓器端潮流分布情況。其中：為電纜線路末端的最高電壓；為電纜線路末端的最低電壓；為末端的最大電壓偏差率。當(dāng)變電站所有線路長度增加為4 km后，與單條線路情況一樣，及均未發(fā)生明顯變化，而、則變?yōu)榫€路均為2 km時(shí)變電站的兩倍，故此處不再贅述。、、、三個(gè)參數(shù)的變化如表8所示。

在此基礎(chǔ)上，類比于單條線路的值分析，對(duì)變電站內(nèi)所有電纜線路的充電功率占變電站無功負(fù)荷之比進(jìn)行研究，具體結(jié)果如表9所示。

由表9中的數(shù)據(jù)可知，針對(duì)表6中的變電站負(fù)載率情況，僅在變電站出線電纜長度均為4 km，且所有線路負(fù)載率均低至5%時(shí)，變電站才可能出現(xiàn)無功倒送情況。而同一變電站內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)多條如此低負(fù)載率的線路，在青島電網(wǎng)很難出現(xiàn)。故從該角度分析無需在變電站內(nèi)加裝感性無功補(bǔ)償設(shè)備。

表7 出線電纜長度均為2 km變電站潮流分布

表7 續(xù)出線電纜長度均為2 km變電站潮流分布

表8 出線電纜長度均為4 km變電站潮流分布

對(duì)于末端電壓而言，由表7及表8中數(shù)據(jù)可知，主要影響因素為線路負(fù)載率。各類負(fù)載率的線路末端電壓均呈現(xiàn)下降趨勢，而未出現(xiàn)由于容性無功過剩而引起的電壓升高情況，且最大電壓下降也未達(dá)到額定參數(shù)的7%，故考慮電壓因素也無需對(duì)以上情況進(jìn)行無功補(bǔ)償。

表9 線路總充電功率占變電站無功總負(fù)荷比例

3 ?結(jié)論

本文在基準(zhǔn)電壓為10.5 kV、負(fù)荷功率因數(shù)控制在0.95、不加裝感性無功設(shè)備的情況下，針對(duì)以10 kV電纜出線(長度分別為2 km和4 km)為主的青島典型變電站(16條饋線)進(jìn)行了分析。分析結(jié)論如下：

(1)?對(duì)于不同負(fù)載率和不同線路長度的單條線路，末端電壓均低于首端電壓，且電壓偏差均小于規(guī)程規(guī)定的7%限值。

(2)?單條電纜線路在負(fù)載率處于60%以下時(shí)整體呈現(xiàn)無功電源特性，但相對(duì)于線路無功負(fù)荷而言仍舊只占較小比例，僅在線路4 km且負(fù)載率低至5%時(shí)出現(xiàn)無功倒送情況。

(3)?若變電站出線均為2 km的電纜情況，對(duì)于不同負(fù)載率線路組合的變電站而言，電纜出線對(duì)變電站整體無功功率的影響比較有限，未能構(gòu)成無功功率倒送，而且線路末端電壓偏差也較小。

(4)?若變電站出線均為4 km的電纜情況，對(duì)于不同負(fù)載率線路組合的變電站而言，雖然電纜充電功率明顯增大，但各條線路的電壓偏差均在有限范圍內(nèi)，故全站也不存在電纜線路末端電壓超過規(guī)程限制的情況。由潮流計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)16條出線負(fù)載率均低至5%時(shí)可能出現(xiàn)無功倒送，但根據(jù)青島電網(wǎng)目前負(fù)載情況，幾乎不存在變電站內(nèi)多條電纜線路同時(shí)負(fù)載率低于10%的情況。

(5)?根據(jù)以上分析結(jié)論可知：電纜線路對(duì)以青島配網(wǎng)為代表的城市配網(wǎng)無功影響并不大，未能引起電纜末端電壓升高，亦無需在變電站內(nèi)增加感性無功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)電纜的充電功率進(jìn)行補(bǔ)償。

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(編輯 葛艷娜)

Research on the effects of cable on the reactive power of urban distribution network

YANG Jichao, LI Wensheng, HAN Ying, ZHAO Ying

(State Grid Qingdao Power Supply Company, Qingdao 266000, China)

Nowadays, the cable use probability increases in major city, which may lead to lots of problems at low load such as surplus reactive power and terminal voltage increase because of its large capacitance to the earth. To solve this problem, this paper researches the effects of cable on reactive power of urban distribution network. It uses back/forward sweep method to do flow calculation based on the established model of distribution network for single cable line. On this basis, super position theorem is used to analyze the model of transformer substation with multiple cable lines. According to the results, this paper proposes the conclusion that the increasing of cable hardly cause surplus reactive power and terminal voltage increase. Meanwhile, configuring inductive reactive-load compensation equipments is also unnecessary, which provide references for projects.

cable; back/forward sweep method; reactive power surplus; reactive compensation; inductive reactive-load compensation equipment

10.7667/PSPC151475

2015-08-20；

2015-10-03

楊繼超(1985-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽冸娬驹O(shè)計(jì)及電力系統(tǒng)潮流計(jì)算工作；E-mail:?yangjichao12@ 126.com 李文升(1978-)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；韓 穎(1971-)，女，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽冸娬径蜗到y(tǒng)設(shè)計(jì)。