傳統(tǒng)、當下和智能電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點

張術

（加州州立大學北嶺分校 電氣與計算機學院，美國 加州北嶺 91330）

電能質量對供電企業(yè)和電力用戶是極其重要的。它關系到二者能否安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行、輸變配電設備與用電設備的壽命和用戶產(chǎn)品質量的高低。電能質量的高低對供電企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益會產(chǎn)生重大影響。

無功功率的傳輸不但沿傳輸途徑產(chǎn)生電壓降落，而且產(chǎn)生輸變配電損耗。由于全社會消耗電能基數(shù)巨大，即使百分比率很低的輸變配電損耗效益也非?？捎^。

地區(qū)電網(wǎng)無功電壓專責工程師在保證地區(qū)電網(wǎng)電壓合格率、降低輸變電電能損耗和延長無功補償設備壽命方面發(fā)揮著重要作用。本文討論了傳統(tǒng)、當下和智能電網(wǎng)無功電壓專責工程師的工作要點。

1 定義

傳統(tǒng)電網(wǎng)：電網(wǎng)框架基本以輻射狀網(wǎng)絡為主，具有一定數(shù)量的環(huán)形網(wǎng)絡；尚未建設調度自動化系統(tǒng)或只建設了調度自動化系統(tǒng)SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)；時間上劃分在20世紀90年代初葉以前。

當下電網(wǎng)：電網(wǎng)框架為輻射狀網(wǎng)絡與環(huán)形網(wǎng)絡相結合；建設了完備的調度自動化系統(tǒng)EMS（Energy Management System能量管理系統(tǒng)）；時間上劃分在20世紀90年代中葉到統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)初步建設完畢，即21世紀10年代中期。

智能電網(wǎng)：一次電網(wǎng)的可靠性達到相當高的水準；電網(wǎng)的信息化、互動化和自動化達到相當高的水準；智能電網(wǎng)建設是一個一次電網(wǎng)建設與信息技術在電網(wǎng)中高度應用有機結合的過程，按照現(xiàn)在的規(guī)劃到21世紀10年代中期統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)初步建設完畢。

2 傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點

符合本文定義的傳統(tǒng)電網(wǎng)已經(jīng)很少見了。然而由于傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作的基本功是當下電網(wǎng)乃至于智能電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作的基礎，因此對傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點進行詳細討論是十分必要的[1]。

2.1 清晰掌握本地區(qū)電力網(wǎng)無功電壓工作現(xiàn)狀和特點

1）定期統(tǒng)計地區(qū)電網(wǎng)自然無功負荷、負荷率和峰谷比。地區(qū)電網(wǎng)自然無功負荷應是發(fā)電廠無功出力、一次變電站主變壓器高壓側無功功率、調相機無功出力和投入運行的并補無功容量之和，二次變電站自然無功負荷則為主變壓器低壓側開關無功負荷與投入運行的并補電容器容量相加。用于計算負荷率和峰谷比的最大負荷與最小負荷應具有代表性。

2）定期統(tǒng)計地區(qū)電網(wǎng)無功補償裝置配置情況和無功補償缺額。地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)無功補償裝置配置情況：發(fā)電廠無功出力、調相機無功出力和并聯(lián)補償電容器。明確補償情況相對較好和無功補償缺口的具體情況。

3）每日掌握地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)補償電容器和調相機具備運行條件的臺數(shù)和容量。根據(jù)具備運行條件的地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)補償電容器和調相機的臺數(shù)、容量，制定AVC或人工調整具體方案。

4）定期統(tǒng)計地區(qū)電網(wǎng)二次變電站10 kV/6 kV母線電壓波動值。統(tǒng)計出各二次變10 kV母線電壓最大波動范圍,有利于對運行方式安排和對電網(wǎng)改造提出具體建議。統(tǒng)計應注明是否已把電容器變主變分接開關的調節(jié)作用和鄰近電網(wǎng)發(fā)電機、調相機的調整包含在內。

2.2 提出電網(wǎng)無功電壓工作的方針目標并組織實施

1）在現(xiàn)有電網(wǎng)供電能力下充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的潛力，使電壓合格率、功率因數(shù)和安全經(jīng)濟運行水平達到最佳程度。

2）采用一次變電站和二次變電站兩級有載調壓變壓器及分組式并聯(lián)補償電容器。

3）根據(jù)無功和調壓設備性能，制定既滿足電能質量要求又保證設備長壽命周期運行和運行維護費用最低的兼顧策略。

2.3 制訂地區(qū)電網(wǎng)無功電壓運行管理規(guī)定

無功設備運行規(guī)定應包括管轄范圍內發(fā)電機、調相機和并聯(lián)電容器等設備的運行規(guī)定。發(fā)電機和調相機進相/遲相、無功出力的額度和改變運行方式的時間，均應在規(guī)定范圍之內；而電容器的運行規(guī)定應包含變電站母線電壓上限與下限值、通過主變壓器的無功功率、操作時間和執(zhí)行操作的種類等內容。

調壓裝置運行規(guī)定主要是針對變壓器有載調壓分接開關。規(guī)定應明確分接開關調整的電壓閾值、待調整主變壓器允許操作的負荷限值、并列運行主變壓器有載調壓分接開關調整的順序、新投入運行主變壓器檔位設定和最小試驗調整幅度。

在無功補償缺額的電網(wǎng)中，應盡量保持并聯(lián)無功補償裝置的投入運行，以主變壓器有載調壓分接開關的調整作為主要電壓調整手段。

無功充足電網(wǎng)要在更臨近無功負荷高峰時投入并聯(lián)無功補償裝置，無功缺額較大的電網(wǎng)要在無功負荷呈現(xiàn)一致性增長的適當時機盡早投入并聯(lián)無功補償裝置。

2.4 適時下達電網(wǎng)無功電壓調整方案

1）適應經(jīng)濟運行、電網(wǎng)檢修、異常和事故所造成電網(wǎng)運行方式變化后的調整方案，重點考慮由于電網(wǎng)拓撲結構和通過輸變電設備的潮流量值發(fā)生變化。特別是要給出電網(wǎng)在N-1和N-2方式下的無功電壓調整方案。

2）適應季節(jié)負荷變化的調整方案，重點考慮由于空調、供暖和灌溉等季節(jié)變化而產(chǎn)生的通過輸變電設備的潮流量值的增減變化。

3）適應重大節(jié)假日的調整方案，重點考慮由于春節(jié)和國慶黃金周部分企事業(yè)單位放假而產(chǎn)生的通過輸變電設備的潮流量值的增減變化。

4）新投入運行變電站主變壓器有載調壓分接開關檔位設置和并聯(lián)無功補償裝置運行方案。

以上各種方案均應考慮變電站備用電壓自投動作改變運行方式后電壓的合理性。

2.5 對電網(wǎng)運行人員進行地區(qū)電網(wǎng)無功電壓運行管理規(guī)定和無功電壓調整方案的培訓

1）使運行人員明確監(jiān)測點母線電壓允許偏差范圍和功率因數(shù)的要求。二次變電站10 kV母線電壓允許偏差范圍為10.0耀10.7 kV；35耀220 kV變電站在主變壓器最大負荷時高壓側功率因數(shù)不低于0.95，在低谷負荷時功率因數(shù)不高于0.95。

2）使運行人員明確電容器的投切和主變壓器有載調壓開關調整的原則。電容器的投切和主變壓器有載調壓開關的調整應考慮4個方面的問題：電容器所在變電站的母線電壓、通過該變電站主變變壓器的無功功率、并聯(lián)無功補償裝置的容量和所供給負荷變化的概率統(tǒng)計規(guī)律。

3）使運行人員明確無功補償裝置故障后和新投入運行前應履行的報告程序。無功補償裝置故障后和新投入運行前，運行單位除要報告檢修單位外，還要及時報告無功電壓專責工程師等專業(yè)管理人員。

2.6 為電網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)

1）根據(jù)自然無功負荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照無功負荷分層分區(qū)、就地平衡的原則配置補償設備。

2）立足當前，兼顧長遠，考慮一定的冗余備用和故障備用。

3）綜合考慮電網(wǎng)地域季節(jié)無功負荷量值的差異，在不同季節(jié)無功負荷的情況下仍能有比較理想的補償效果。

3 當下電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點

傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點是當下電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點的重要組成部分。然而由于電網(wǎng)框架為輻射狀網(wǎng)絡與環(huán)形網(wǎng)絡相結合，建設了完備的調度自動化系統(tǒng)EMS，當下電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作又有新的內容。

3.1 運用EMS中電網(wǎng)分析軟件進行運行方式優(yōu)化

網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)估計、調度員潮流、無功優(yōu)化和負荷預測是地區(qū)電網(wǎng)自動化系統(tǒng)基本功能軟件。應用這些電網(wǎng)高級分析軟件，可以對電網(wǎng)運行方式進行優(yōu)化分析。在現(xiàn)行電網(wǎng)結構和無功補償容量的前提下，滿足電網(wǎng)各節(jié)點運行電壓要求的同時使輸送電能網(wǎng)絡損耗最低。

合理選擇潮流斷面對電網(wǎng)優(yōu)化計算十分重要，決定了計算結果對電網(wǎng)運行是否有指導意義。高峰、低谷和腰荷潮流是必不可少的，然而根據(jù)電網(wǎng)負荷特點選擇出現(xiàn)頻率較高的負荷斷面同樣具有代表性。

優(yōu)化計算結果的可信度除與電網(wǎng)結構參數(shù)和電網(wǎng)潮流數(shù)值相關外，還與電網(wǎng)邊界等值情況密切相關。應用在線外網(wǎng)等值，使得運行方式和負荷量值變化時電網(wǎng)邊界潮流的變化更加接近實際電網(wǎng)情況，計算結果的精度和可信度會更加提高。

3.2 制定AVC調整策略

AVC調整策主要涉及以下幾個方面：

1）充分了解所控制電網(wǎng)的負荷特性變化規(guī)律。負荷變化規(guī)律不同，并聯(lián)無功補償裝置和主變壓器分接開關調整策略不同。

2）確定并聯(lián)無功補償裝置投入運行電壓下限值和退出運行的電壓上限值，確定主變壓器分接開關向上和向下調整的電壓下限值和電壓上限值。上述限值的確定主要取決于母線所供給負荷對電壓質量的要求程度。

3）確定并聯(lián)無功補償裝置和主變壓器分接開關每天允許操作的次數(shù)和操作時間間隔。綜合考慮并聯(lián)無功補償裝置和主變壓器分接開關性能指標、健康水平以及電壓質量的要求，制定統(tǒng)籌兼顧的調整方案。

4）確定允許倒送通過主變壓器無功功率的數(shù)值。主變壓器容量不同，無功損耗也不盡相同。允許倒送通過主變壓器無功功率的數(shù)值一般在主變壓器額定不變損耗與2轅3伊可變損耗之和或稍大為宜，這樣能在更多的時間實現(xiàn)無功功率就地平衡的原則。

3.3 適時檢查AVC運行狀態(tài)和調整策略的正確性

AVC軟件運行是否正常，直接關系到電網(wǎng)無功電壓控制的效果，即直接關系到電能質量和運行經(jīng)濟性。根據(jù)變電站母線電壓、通過主變壓器的無功潮流和負荷變化趨勢，對照AVC動作邏輯條件能夠分析判斷出AVC軟件運行是否正常和調整策略的正確性。

責任心與對電網(wǎng)和自動化系統(tǒng)了解相結合，更能使AVC系統(tǒng)發(fā)揮作用。

3.4 管控電能質量的5個指標

傳統(tǒng)的電能質量理念關注電壓偏差相對較多，隨著現(xiàn)代社會對電能質量要求的不斷提高，頻率、電壓偏差、諧波、電壓波動與閃變和三相不平衡度[2-5]逐步列入管控范圍。采用便攜式電能質量測試儀或安裝在線式電能質量測試儀對變電站母線電壓進行電能質量全面測試和分析統(tǒng)計，對超出國家標準的指標提出治理方案并實施。

4 智能電網(wǎng)無功電壓專責工程師工作要點

4.1 研究風力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源對電網(wǎng)的沖擊和影響

風力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源對電網(wǎng)安全穩(wěn)定優(yōu)化運行會產(chǎn)生諸多影響。最主要的是風力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源發(fā)電出力的不確定性和變化過程的多樣性，這些影響在大規(guī)模儲能或能量轉換技術成熟以前都是存在的[6-7]。

合理規(guī)劃風力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源電站的地點、規(guī)模和接入電網(wǎng)方式，是目前能夠采用的基本方法[8]。而在風力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源集中接入電網(wǎng)點恰當?shù)匕惭b動態(tài)無功補償裝置是應對電網(wǎng)電壓波動的另外一個有效措施。

4.2 研究用戶與電網(wǎng)互動后電網(wǎng)運行調整的辦法

智能電網(wǎng)重要特征就是用戶參與電網(wǎng)運行，電網(wǎng)調度機構能在提前一定時間段內知曉用戶的購電計劃，這對提高電網(wǎng)短期負荷預測和母線短期負荷預測的準確性都是有利的，依據(jù)電網(wǎng)短期負荷預測和母線短期負荷預測而開展的電網(wǎng)優(yōu)化運行分析具有更高的可信度，而優(yōu)化結果包括輸變電網(wǎng)絡運行方式、無功補償裝置的運行方案、分布清潔能源發(fā)電的運行和主力電站的起停和出力調整范圍。

4.3 制訂自愈電網(wǎng)在故障前、故障動態(tài)過程中和自愈后的無功電壓調整方案

智能電網(wǎng)是自愈的電網(wǎng)，具有故障定位、隔離故障區(qū)段和恢復其他非故障區(qū)段供電的能力。然而由于故障造成電網(wǎng)拓撲結構和供給負荷的變化[9-10]，電網(wǎng)的電壓在故障恢復后需要進行及時調整，在線給出或制訂離線的電壓調整方案是十分必要的。在線的調整主要是依賴于自動化系統(tǒng)，可以是閉環(huán)操作或給出調整建議；而離線的電壓調整方案則是無功電壓專責工程師制訂的調整預案，作為運行人員進行事故處理的依據(jù)。

4.4 滿足21世紀用戶需求電能質量的要求

21世紀用戶對電能質量的要求越來越高，用戶會提出對頻率、電壓偏差、諧波、電壓波動與閃變和三相不平衡度全面定量的指標要求，并將這些要求寫入供用電協(xié)議書當中，供電企業(yè)應全面滿足用戶對電能質量的要求。高電能質量供電區(qū)域的規(guī)劃與實施、抑制及隔離措施的采用、充足而又具有動態(tài)調節(jié)特性的無功補償裝置的建設和網(wǎng)格式電網(wǎng)運行方式的靈活調整是可能采取的應對21世紀用戶需求電能質量要求的重要方法。

4.5 充分理解新時期負荷特性和電網(wǎng)結構特點

與智能電網(wǎng)建設相伴的城市化進程和新農村建設而產(chǎn)生的中小城市是未來電網(wǎng)供電的主要負荷對象之一。與過去大城市和分散的農村2個極端特性負荷相比，電網(wǎng)的電氣距離、網(wǎng)絡結構、負荷量值和負荷特性均有很大不同。

4.6 掌握新一代智能調度自動化技術支持系統(tǒng)的應用

應用于智能電網(wǎng)中的可視化、決策支持、用戶決策和調度員培訓等技術支持系統(tǒng)，與現(xiàn)行電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)的理念、功能和應用范圍均有所不同，無功電壓專責工程師應能掌握新一代智能調度自動化技術支持系統(tǒng)的應用，為無功電壓調整提供便捷的技術支持。

5 結語

無功電壓專責工程師的工作質量對電網(wǎng)安全穩(wěn)定優(yōu)化運行至關重要。電網(wǎng)建設的跳躍式發(fā)展，對無功電壓專責工程師提出了更高的遞進要求。傳承歷史，立足當前，超前謀劃，就能應對新技術革命的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)崗位角色的無縫過渡。

[1]中華人民共和國能源部.SD325-89電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則（試行）[S].北京：中國電力出版社，1989.

[2]中華人民共和國國家標準.GB/T 12325原2003電能質量供電電壓允許偏差[S].北京：中國電力出版社，2003.

[3]中華人民共和國國家標準.GB/T 14549原93電能質量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國電力出版社，1993.

[4]中華人民共和國國家標準.GB12326-2000電能質量 電壓允許波動和閃變[S].北京：中國電力出版社，2000.

[5]中華人民共和國國家標準.GB/T 15543-1995電能質量三相電壓允許不平衡度[S].北京：中國電力出版社，1995.

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