新形勢(shì)下城市大用戶無功管理考核方法探究

曹 娜，康繼光，沈彬彬，徐偉棟

(1. 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)

上海作為國(guó)際大都市，電網(wǎng)呈現(xiàn)了典型城市電網(wǎng)的特征：負(fù)荷密度大、峰谷差大，城市電纜化率程度高。在春秋季、春節(jié)國(guó)慶等節(jié)假日負(fù)荷低谷時(shí)段，線路上大量容性無功無法就地平衡，電網(wǎng)無功功率層層倒送，引起系統(tǒng)整體電壓升高，電網(wǎng)運(yùn)行安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

上海電網(wǎng)面臨的問題由以前的容性無功短缺變成容性無功過剩。從無功就地平衡的角度，如果大用戶電纜進(jìn)線較長(zhǎng)，也需要采取措施補(bǔ)償線路無功冗余，配合電網(wǎng)一起解決低谷時(shí)段容性無功過剩問題。

目前關(guān)于用戶無功主流的研究主要關(guān)注于激勵(lì)用戶投運(yùn)電容降低網(wǎng)損，以及細(xì)化功率因數(shù)考核時(shí)段減小用戶無功波動(dòng)，尚未涉及到用戶補(bǔ)償進(jìn)線容性無功的問題。如文獻(xiàn)[1] 指出現(xiàn)行功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法對(duì)用戶考核標(biāo)準(zhǔn)較低，提出用戶電費(fèi)按照視在功率收取，激勵(lì)用戶盡量平衡自身無功功率。文獻(xiàn)[2]歸納了國(guó)內(nèi)外用戶無功管理政策，分析國(guó)內(nèi)現(xiàn)行無功考核政策的弊端，提出提高用戶考核標(biāo)準(zhǔn)、縮短用戶無功計(jì)費(fèi)周期的辦法，以減少用戶無功需求并平抑無功波動(dòng)。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[6]分析了用戶功率因數(shù)考核辦法的弊端及對(duì)用戶和電網(wǎng)的影響，并根據(jù)用戶負(fù)荷特性，提出將用戶進(jìn)行分類，對(duì)不同類型的用戶采用不同的分時(shí)段功率因數(shù)考核辦法，促進(jìn)用戶提高功率因數(shù)水平。本文針對(duì)電網(wǎng)發(fā)展的新形勢(shì)，對(duì)大用戶無功補(bǔ)償及管理考核辦法進(jìn)行探討。

1 國(guó)內(nèi)外主要城市大用戶無功管理

1.1 國(guó)外主要城市大用戶無功補(bǔ)償管理

表1 無功補(bǔ)償容量配置原則

由于難以準(zhǔn)確獲得需求側(cè)無功定價(jià)相關(guān)固定成本(包括無功補(bǔ)償設(shè)備投資和相應(yīng)輸變電投資)和網(wǎng)損成本等信息，世界各國(guó)采用的需求側(cè)無功定價(jià)方法千差萬別，沒有哪一種方法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。總體來說，國(guó)外現(xiàn)行需求側(cè)無功電價(jià)政策可分為如下3類：

(1)強(qiáng)制性功率因數(shù)要求。即要求用戶功率因數(shù)在規(guī)定范圍以內(nèi)才允許并網(wǎng)。代表國(guó)家為澳大利亞[4]，將用戶根據(jù)電壓等級(jí)分為4類，各類用戶有各自的功率因數(shù)范圍。

(2)根據(jù)實(shí)際功率因數(shù)調(diào)整電量或電費(fèi)。即用戶平均功率因數(shù)在規(guī)定的功率因數(shù)范圍以內(nèi)，無需額外繳費(fèi)，在規(guī)定范圍之外，需按照有功電量繳納調(diào)整電量或電費(fèi)，主要以美國(guó)部分地區(qū)、中國(guó)和以色列為代表。

(3)根據(jù)無功電量收取無功電費(fèi)。即有以無功電量為單位收取無功電費(fèi)，主要代表國(guó)家法國(guó)；或當(dāng)無功電量超過規(guī)定限額時(shí)，要對(duì)超額部分繳納無功電費(fèi)。主要代表包括英國(guó)、新西蘭北方電力集團(tuán)[5]。

1.2 大用戶無功配置需求

目前關(guān)于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t，主要為《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、《電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)導(dǎo)則》、《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》、《上海電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》等電力行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總結(jié)見表 1。

由表1可見，各規(guī)程規(guī)范對(duì)電業(yè)變電站容性無功補(bǔ)償均做了量化規(guī)定，對(duì)感性無功補(bǔ)償均未做量化規(guī)定?！峨娏ο到y(tǒng)無功補(bǔ)償配置技術(shù)導(dǎo)則》要求用戶應(yīng)達(dá)到功率因數(shù)考核要求，并在任何情況下不應(yīng)向電網(wǎng)倒送無功。

在實(shí)際運(yùn)行中，電力公司對(duì)用戶無功的考核遵循水利電力部和國(guó)家物價(jià)局文件(83)水電財(cái)字第215號(hào)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》的規(guī)定，即在用戶入戶點(diǎn)考核其功率因數(shù)，按照用戶裝接規(guī)模功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)分為0.9、0.85、0.8三擋[6]。電力公司按照規(guī)定的電價(jià)計(jì)算出用戶當(dāng)月電費(fèi)后，再根據(jù)當(dāng)月平均功率因數(shù)根據(jù)“功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表”增減電費(fèi)，即未達(dá)到功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)時(shí)繳納懲罰電費(fèi)，達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)以上時(shí)減少電費(fèi)。

由于用戶進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)考核有明確的獎(jiǎng)懲激勵(lì)，大用戶改善自身功率因數(shù)意愿積極，基本都能達(dá)到功率因數(shù)考核要求。上海市部分大用戶月均功率因數(shù)達(dá)到0.98～1，基本不增加電網(wǎng)無功負(fù)擔(dān)。

然而，隨著城市電網(wǎng)電纜化率的不斷提高，電網(wǎng)無功電壓由20年前的容性無功不足電壓偏低變成無功盈余電壓偏高的問題，在春秋季及節(jié)假日低谷時(shí)段尤為突出。

2017年春節(jié)期間，低谷時(shí)段上海110 kV電網(wǎng)向220 kV電網(wǎng)倒送無功約2 484 Mvar。為解決低谷時(shí)段電網(wǎng)容性無功過剩，感性無功補(bǔ)償不足的現(xiàn)象，自2015年起，上海市電力公司開展了在具備條件的220 kV現(xiàn)狀電業(yè)變電站及規(guī)劃電業(yè)變電站每臺(tái)主變均加裝或預(yù)留一臺(tái)20 Mvar電抗器，用于補(bǔ)償110 kV電網(wǎng)的充電功率。并計(jì)劃自2019年起，試點(diǎn)在新投產(chǎn)110 kV電業(yè)變電站每臺(tái)主變加裝一組5 Mvar低抗。研究表明，在電網(wǎng)側(cè)采取上述措施后，低谷時(shí)段110 kV及以下電網(wǎng)容性無功仍有較多冗余。

因此，本著無功就地平衡的原則，若大用戶電源電纜進(jìn)線較長(zhǎng)無功盈余較大時(shí)，應(yīng)在用戶側(cè)配置感性無功設(shè)備平衡電纜容性無功，減少低谷時(shí)段向電網(wǎng)無功倒送?？紤]到35 kV電纜單位長(zhǎng)度充電功率較小(約為0.09～0.1 Mvar/km)，且35 kV用戶一般供電距離較短，對(duì)電網(wǎng)影響有限，因此35 kV用戶無需配置感性無功補(bǔ)償設(shè)備。而110 kV電纜單位長(zhǎng)度充電功率較大(約為0.8～0.83 Mvar/km)，若110 kV用戶電纜進(jìn)線較長(zhǎng)，考慮在用戶側(cè)配置感性無功補(bǔ)償。

2 新形式下上海市大用戶無功配置

2.1 無功配置形式

為平衡電纜線路容性無功，可在用戶站加裝電抗器，措施通常有：在變電站進(jìn)線側(cè)加裝高壓電抗器、在變電站低壓側(cè)加裝低壓電抗器、在變電站低壓側(cè)安裝SVG。

各無功補(bǔ)償設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)見表2。

表2 各無功補(bǔ)償設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

由上表可以看出，高壓電抗器由于其高昂的價(jià)格及占地面積一般不用單純于無功補(bǔ)償，一般是在電纜線路過長(zhǎng)需要限制過電壓時(shí)才配置低壓電抗器，有研究表明，110 kV電纜線路長(zhǎng)度低于30 km時(shí)一般不存在過電壓?jiǎn)栴}，因此高壓電抗器不作為用戶無功補(bǔ)償?shù)氖走x。

SVG動(dòng)態(tài)無功雖然運(yùn)行靈活，但設(shè)備價(jià)格較昂貴、故障率相對(duì)較高，在電業(yè)變電站鮮有使用。因此，從降低用戶投資，減小占地面積的角度考慮，110 kV及以上大用戶電纜進(jìn)線無功補(bǔ)償一般首選低壓電抗器。

2.2 無功配置容量

考慮用戶站低谷時(shí)段主變負(fù)載率一般在10%～30%，計(jì)算得不同電壓等級(jí)主變無功損耗如表3所示。主變無功負(fù)荷對(duì)應(yīng)的低壓側(cè)功率因數(shù)0.97。

表3 主變無功損耗

由表3可見，一般110 kV電壓等級(jí)用戶，考慮主變?cè)谪?fù)荷低谷時(shí)段負(fù)載率在10%～30%時(shí)，平均可吸收約2～3 Mvar無功(約等于3～4 km電纜線路充電功率)，建議當(dāng)供電電纜線路較短時(shí)，不加裝電抗器。在用戶電源進(jìn)線大于3 km且容性無功無法消納時(shí)，可以考慮安裝電抗器，由于電抗器投切引起的電壓波動(dòng)不應(yīng)超過2.5%，建議單臺(tái)主變電抗器配置容量不超過6 Mvar。

3 低壓電抗器對(duì)用戶側(cè)考核的影響

目前上海電力公司專線供電的用戶，線路資產(chǎn)屬于電力公司，因此計(jì)量考核點(diǎn)在用戶側(cè)進(jìn)線間隔。以典型110 kV電壓等級(jí)的用戶為例，主變的容量為2×40 MVA，主變阻抗百分比為10.5%，其中一回電源進(jìn)線為長(zhǎng)度8 km電纜，電纜截面800 mm2，對(duì)應(yīng)主變低壓側(cè)配置6 Mvar低壓電抗器，接線見圖1。

圖1 典型大用戶接線

若電力公司對(duì)用戶功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)為0.9，考慮用戶處于以下運(yùn)行方式。

(1)大負(fù)荷方式1：用戶站負(fù)載率50%，低壓側(cè)功率因數(shù)0.95；

(2)大負(fù)荷方式2：用戶站負(fù)載率40%，低壓側(cè)功率因數(shù)0.95；

(3)小負(fù)荷方式：用戶站負(fù)載率20%，低壓側(cè)功率因數(shù)0.95。

在各運(yùn)行方式下，用戶站投運(yùn)低壓電抗器前后功率因數(shù)變化情況見表4。

表4 各運(yùn)行方式低抗投運(yùn)前后功率因數(shù)

由表1可見，不投低抗時(shí)，各方式下用戶高壓側(cè)功率因數(shù)都在0.9以上，達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)。大方式下電壓側(cè)功率因數(shù)接近1，即線路充電功率基本被消耗；小方式下，電業(yè)側(cè)無功倒送5.85 Mvar，功率因數(shù)僅為0.545。投低抗后，電業(yè)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，然而用戶側(cè)功率因數(shù)均不達(dá)標(biāo)，小方式下用戶側(cè)功率因數(shù)僅為0.47。

由此可見，在現(xiàn)行功率因數(shù)考核辦法下，用戶側(cè)加裝低壓電抗器后，電抗器投運(yùn)會(huì)導(dǎo)致用戶側(cè)功率因數(shù)降低，若被考核的功率因數(shù)低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致罰款，這將對(duì)于在用戶側(cè)開展安裝和投運(yùn)電抗器工作帶來矛盾。

4 無功管理考核方法調(diào)整探討

為解決新形勢(shì)下用戶安裝電抗器與現(xiàn)行功率因數(shù)考核辦法的矛盾，對(duì)目前現(xiàn)有用戶的電費(fèi)計(jì)量和功率因數(shù)考核辦法提出調(diào)整建議。

4.1 功率因數(shù)考核點(diǎn)在用戶側(cè)

用戶安裝電抗器為平衡長(zhǎng)電纜電源進(jìn)線冗余的容性無功功率，因此需要用戶安裝電抗器時(shí)，一般不需要用戶安裝容性無功補(bǔ)償設(shè)備，即用戶低壓側(cè)僅有電抗器。

如圖2所示，在現(xiàn)有考核機(jī)制下，電力公司采集用戶進(jìn)線側(cè)功率P1、Q1，計(jì)算用戶有功、無功電量及功率因數(shù)，用戶低壓側(cè)安裝電抗器后，在電抗器支路加裝無功電能表，并將無功電量上傳至用電信息采集系統(tǒng)。

圖2 用戶站無功信息采集示意圖

原有功率因數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中 ∑Ql為正向無功電量和反向無功電量絕對(duì)值之和。

用戶側(cè)安裝電抗器后，其投運(yùn)狀態(tài)可分為以下3種。

(1)全時(shí)段投運(yùn)。低壓電抗器隨外線投運(yùn)，除外線故障外，低壓電抗器保持投運(yùn)狀態(tài)。為避免電抗器投運(yùn)后導(dǎo)致用戶功率因數(shù)低于考核標(biāo)準(zhǔn)值造成罰款，考慮將進(jìn)線側(cè)月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計(jì)算月度平均功率因數(shù)，調(diào)整后的功率因數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

(2)定時(shí)投運(yùn)。根據(jù)電網(wǎng)需求，與電力公司約定電抗器投運(yùn)時(shí)段。為避免電抗器投運(yùn)后導(dǎo)致用戶功率因數(shù)低于考核標(biāo)準(zhǔn)值造成罰款，考慮將進(jìn)線側(cè)月度無功電量扣除電抗器投運(yùn)時(shí)段無功電量后，再計(jì)算月度平均功率因數(shù)，計(jì)算公式同公式(2)。

(3)不定時(shí)投運(yùn)。將用戶側(cè)電抗器接入電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，由電力公司統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行，由于此時(shí)電抗器主要為電網(wǎng)提供無功調(diào)壓服務(wù)，因此建議這種方式下不考核用戶功率因數(shù)。

綜上，在功率因數(shù)考核點(diǎn)仍放在用戶側(cè)情況下，若電抗器全時(shí)段投運(yùn)或按與電力公司約定的時(shí)段投運(yùn)，則用戶功率因數(shù)考核辦法可考慮在原公式基礎(chǔ)上將進(jìn)線側(cè)月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計(jì)算月度平均功率因數(shù)；若用戶側(cè)電抗器接入電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，由電力公司統(tǒng)一調(diào)度，則建議對(duì)用戶側(cè)功率因數(shù)不予考核。

4.2 功率因數(shù)考核點(diǎn)在電業(yè)側(cè)

用戶側(cè)安裝電抗器主要為了平衡電纜進(jìn)線無功功率，從激勵(lì)用戶投運(yùn)電抗器的積極性來看，可以考慮將戶功率因數(shù)考核點(diǎn)放在電業(yè)側(cè)，即供電企業(yè)變電所客戶專線間隔上。對(duì)用戶考核要求為月功率因數(shù)控制在0.9～1.0之間。然而，考核點(diǎn)放在電業(yè)側(cè)有以下問題：

(1)對(duì)于電力用戶而言，高壓供電客戶的計(jì)量點(diǎn)是在高壓電源資產(chǎn)分界點(diǎn)處，若考核點(diǎn)設(shè)在電業(yè)側(cè)，存在產(chǎn)權(quán)方面的矛盾。若電力公司未來對(duì)該線路改接利用，考核點(diǎn)將會(huì)隨之變動(dòng)，進(jìn)一步增加了管理難度，因此需要厘清用戶電源進(jìn)線的資產(chǎn)關(guān)系。

(2)要將電業(yè)變電站客戶專線間隔的計(jì)量數(shù)據(jù)反傳至用戶側(cè)，用戶需要根據(jù)電業(yè)側(cè)情況調(diào)整電抗器狀態(tài)，增加了用戶運(yùn)行調(diào)度的難度。

(3)由于電抗器標(biāo)準(zhǔn)容量的限制下，用戶電源進(jìn)線容性無功可能不能達(dá)到100%補(bǔ)償，在用戶有功功率較小的情況下，電業(yè)側(cè)功率因數(shù)可能無法達(dá)到0.9～1。

綜上，若將用戶功率因數(shù)考核點(diǎn)放在電業(yè)側(cè)，與上海目前用戶專線資產(chǎn)屬于電力公司有產(chǎn)權(quán)上的矛盾，需要進(jìn)一步厘清用戶專線產(chǎn)權(quán)關(guān)系，因此將功率因數(shù)考核點(diǎn)放在電業(yè)側(cè)目前尚不具備實(shí)施條件。

5 結(jié)語

(1)高壓電抗器價(jià)格昂貴、占地大，主要用于限制長(zhǎng)電纜線路過電壓。一般情況下，高壓電抗器不作為用戶感性無功補(bǔ)償?shù)氖紫取?/p>

(2)110 kV用戶在電源電纜進(jìn)線長(zhǎng)度超過3 km時(shí)，可以考慮配置電抗器，建議單臺(tái)主變電抗器配置容量不超過6 Mvar。

(3)對(duì)現(xiàn)有用戶功率因數(shù)考核機(jī)制進(jìn)行調(diào)整：功率因數(shù)考核點(diǎn)仍在用戶側(cè)，若電抗器全時(shí)段投運(yùn)或按與電力公司約定的時(shí)段投運(yùn)，則用戶功率因數(shù)考核辦法可考慮在原公式基礎(chǔ)上將進(jìn)線側(cè)月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計(jì)算月度平均功率因數(shù)；若用戶側(cè)電抗器接入電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，由電力公司統(tǒng)一調(diào)度，則建議對(duì)用戶側(cè)功率因數(shù)不予考核。