萍鄉(xiāng)電網(wǎng)無功電壓研究

肖海毅　彭麗芳

摘要：電網(wǎng)復(fù)雜程度的增加使電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題更加突出，除可能發(fā)生功角穩(wěn)定外，電網(wǎng)如果缺乏足夠的電壓支撐，容易引發(fā)電壓失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)電壓崩潰，造成大面積電網(wǎng)瓦解。文章對照電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則，對萍鄉(xiāng)電網(wǎng)無功電壓現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出了電網(wǎng)中存在的無功電壓安全隱患等問題。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)安全；無功電壓；無功補(bǔ)償；安全隱患；電壓失穩(wěn)；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM711 文章編號：1009-2374（2016）28-0124-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.062

最近幾十年來，國外包括紐約、東京、巴黎等大都市在內(nèi)的受端電網(wǎng)由于發(fā)生連鎖反應(yīng)故障等原因造成數(shù)十次大停電事故，造成巨大損失，如2003年發(fā)生的美加“8·14”大停電事故損失負(fù)荷6180萬kW，2005年5月莫斯科因一座變電站全停也損失負(fù)荷200多萬kW。這些大停電事故除了造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。影響人民的正常生活外，還危及到公共安全，造成嚴(yán)重的社會影響。因此有必要在電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)行中充分考慮受端電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)電壓支撐問題，采取必要的措施，將系統(tǒng)安全隱患降低到最小程度。

電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償與無功平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件。有效的電壓控制和合理的無功補(bǔ)償不僅能保證電壓質(zhì)量，而且提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。電力系統(tǒng)的無功電源與無功負(fù)荷在高峰或低谷時(shí)都應(yīng)采用分層分區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置，并應(yīng)具有靈活的無功電力調(diào)節(jié)能力與檢修備用容量。目前萍鄉(xiāng)電網(wǎng)以220kV電網(wǎng)構(gòu)成主網(wǎng)架，已經(jīng)形成220kV雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但是依然存在較多問題，安源電廠分廠運(yùn)行時(shí)，外送線路僅靠同桿架設(shè)的雙回線路，發(fā)生N-1故障，電網(wǎng)將失去一臺大機(jī)組支撐，必將對電壓無功特性造成較大影響，可能引發(fā)電壓越限問題。本文主要研究萍鄉(xiāng)電網(wǎng)的電壓無功存在的問題。

1 萍鄉(xiāng)電網(wǎng)電壓無功現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 電壓無功現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷主要來自異步電動(dòng)機(jī)。無功損耗主要來自變壓器和輸電線路。無功電源主要包括發(fā)電無功、線路充電功率和無功補(bǔ)償裝置輸出的無功功率。目前萍鄉(xiāng)電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組多為小水電和企業(yè)自備小火電，缺乏功率因數(shù)和電壓調(diào)整能力，且未開展機(jī)組進(jìn)相能力試驗(yàn)，除安源電廠外其他機(jī)組均不具備進(jìn)相運(yùn)行能力，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置均為電容器組，總?cè)萘?94.2MVar。

1.2 電壓無功問題

從萍鄉(xiāng)電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀來看，存在的電壓無功問題主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.2.1 220kV網(wǎng)架易發(fā)生潮流大范圍轉(zhuǎn)移。目前萍鄉(xiāng)電網(wǎng)以220kV電網(wǎng)構(gòu)成主網(wǎng)架，基本形成220kV雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但是環(huán)網(wǎng)內(nèi)線路多為同桿并架，在發(fā)生某些220kV同桿線路同跳故障，潮流大范圍轉(zhuǎn)移可能引起電壓穩(wěn)定問題。安源電廠分廠運(yùn)行情況下，其外送同桿雙回線路同跳將造成發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)解網(wǎng)，可能會引起電壓越限問題。

1.2.2 萍鄉(xiāng)電網(wǎng)無感性無功補(bǔ)償裝置，高電壓情況下缺乏感性無功支撐。萍鄉(xiāng)電網(wǎng)地處江西電網(wǎng)西部，屬于末端供電地區(qū)，原網(wǎng)內(nèi)最高電壓為220kV，大功率送電時(shí)無功損耗較大，且無區(qū)域性大電廠支撐，電壓無功支撐能力不足，故需配置大量的無功補(bǔ)償裝置。隨著500kV安源變的投運(yùn)，網(wǎng)內(nèi)電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了極大的變化，同時(shí)由于大量220kV線路投入運(yùn)行，線路充電功率過高，而萍鄉(xiāng)電網(wǎng)未配置感性無功裝置，因此造成低谷時(shí)段時(shí)萍鄉(xiāng)電網(wǎng)220kV電壓過高且缺乏調(diào)整電壓的能力。

1.2.3 部分大用戶無功波動(dòng)幅度過大且存在無功倒送的問題。萍鄉(xiāng)電網(wǎng)用戶以工業(yè)用戶為主，其中用電負(fù)荷最高的萍鄉(xiāng)鋼鐵廠存在無功波動(dòng)幅度過大的問題，其無功隨著生產(chǎn)用電負(fù)荷的快速波動(dòng)，能在幾分鐘內(nèi)由吸收大量無功轉(zhuǎn)變?yōu)榈顾痛罅繜o功，對系統(tǒng)的無功電壓調(diào)整造成了很大的影響，造成五陂下、跑馬坪等變電站無功快速無序波動(dòng)，并造成網(wǎng)內(nèi)電容器在自動(dòng)裝置的控制下頻繁動(dòng)作，難以調(diào)控。

2 電壓無功平衡分析

無功平衡的總原則為分層分區(qū)，就地平衡且避免長距離傳輸無功，保證電壓質(zhì)量，降低線損。首先應(yīng)有充足的無功電源，其總?cè)萘繎?yīng)滿足系統(tǒng)在大負(fù)荷方式下的無功功率總需求；其次應(yīng)有充足的感性無功補(bǔ)償，保證系統(tǒng)在小負(fù)荷方式下不產(chǎn)生無功功率過剩。因此，以下主要計(jì)算校驗(yàn)大負(fù)荷情況下容性無功補(bǔ)償裝置以及小負(fù)荷情況下感性無功補(bǔ)償裝置是否充足性。

2.1 大負(fù)荷方式下電網(wǎng)容性無功平衡分析

2015年大負(fù)荷方式，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)計(jì)算有功發(fā)電出力1320MW，計(jì)算有功負(fù)荷875MW，計(jì)算無功負(fù)荷305MVar。萍鄉(xiāng)電網(wǎng)根據(jù)220kV變電站供區(qū)可分為8個(gè)供電分區(qū)：跑馬坪分區(qū)；五陂下分區(qū)；湘東片分區(qū)；泉田片分區(qū)；柳江片分區(qū)；南嶺片分區(qū)；關(guān)下片分區(qū)；大倉前片分區(qū)。2015年受安源電廠投運(yùn)影響，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)無功補(bǔ)償容量增加818MVar，同時(shí)網(wǎng)內(nèi)有電容器容量594.2MVar，220kV線路充電功率也達(dá)97.3MVar，按照2015年度萍鄉(xiāng)電網(wǎng)最大負(fù)荷875MW計(jì)算，已經(jīng)完全滿足了萍鄉(xiāng)電網(wǎng)的無功負(fù)荷需求。2015年萍鄉(xiāng)電網(wǎng)無功補(bǔ)償情況統(tǒng)計(jì)情況如下：發(fā)電機(jī)有功1320MW、MVar，發(fā)電機(jī)無功818MW、MVar，電力電容器594.2MW、MVar，用戶電容量72.5，充電功率97.3，110kV有功負(fù)荷166.4MW、MVar，35kV有功負(fù)荷141.7，10kV有功負(fù)荷552MW、MVar，無功負(fù)荷821.5MW、MVar，無功缺額-637MW、MVar。

注：（1）最大自然無功負(fù)荷根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功技術(shù)導(dǎo)則》確定；（2）無功缺額=1.15×最大自然無功負(fù)荷-發(fā)電機(jī)無功-電力電容器-用戶電容器-充電功率；（3）以上計(jì)算負(fù)荷未考慮500kV安源變電站電容器及500kV線路充電功率因素。

2.1.1 電壓無功平衡分析。2015年大方式下，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)220kV系統(tǒng)電壓運(yùn)行在226～232kV，110kV系統(tǒng)運(yùn)行電壓可控制在110～117kV，按照母線電壓控制范圍要求，2015年大方式下，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)220kV、110kV母線電壓基本滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求。

2.1.2 靜態(tài)N-1校核。對220kV線路、變壓器N-1開斷后萍鄉(xiāng)電網(wǎng)電壓無功變化情況進(jìn)行了分析，可以看出：（1）220kV線路N-1開斷，潮流發(fā)生轉(zhuǎn)移，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)220/110kV母線電壓降低約1～2kV，均可保持在合理范圍內(nèi)；（2）安泉雙回220kV線路開斷，將形成長距離鏈狀供電線路，沿途變電站母線電壓均有不同程度降低，其中泉田變電壓下降1.6kV，但仍可保持在226kV以上；（3）安源電廠單機(jī)發(fā)電時(shí)，如機(jī)端功率因數(shù)保持在0.98以上，此時(shí)開斷安源電廠機(jī)組，會造成萍鄉(xiāng)電網(wǎng)電壓普遍下降，220kV母線電壓最多降低6kV，故應(yīng)盡可能地提高安源電廠的功率因數(shù)運(yùn)行。

通過前述大方式及無功平衡分析，2015年大負(fù)荷正常運(yùn)行情況下，各等級電壓均能保持在合理范圍內(nèi)，但安源電廠機(jī)組開斷時(shí)，可能造成系統(tǒng)電壓大幅波動(dòng)，故應(yīng)考慮盡可能提高安源電廠發(fā)電出力的功率因數(shù)。

2.2 小負(fù)荷方式下電網(wǎng)感性無功平衡分析

2.2.1 潮流分析。2015年，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)建成220kV變電站8座，220kV線路28條576公里，按照運(yùn)行電壓230kV計(jì)算充電功率共計(jì)169.9MVar，未配置線路高壓電抗器。小方式下，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)計(jì)算有功負(fù)荷320MW，計(jì)算無功負(fù)荷52MVar。

2.2.2 電壓無功平衡分析。小方式下的潮流圖顯示，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)220kV系統(tǒng)電壓運(yùn)行在232kV以上，110kV系統(tǒng)電壓可控制運(yùn)行在110～117kV，在安源電廠不進(jìn)相運(yùn)行的情況下，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)的220kV電壓偏高，安源電廠發(fā)出部分無功的情況下，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)電壓還將進(jìn)一步升高，且萍鄉(xiāng)地調(diào)目前不具備高電壓情況下的電壓調(diào)整手段。萍鄉(xiāng)地區(qū)感性無功補(bǔ)償缺額統(tǒng)計(jì)如下：總有功負(fù)荷320.393MW、MVar，總無功負(fù)荷55.729MW、MVar，總功率因數(shù)0.985MW、MVar，總充電功率116.394MW、MVar，總電容無功為0MW、MVar，交流線無功損耗6.026MW、MVar，變壓器無功損耗13.211MW、MVar，感性無功缺額112MW、MVar。

從以上的情況來看，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)小負(fù)荷期間，電網(wǎng)的總功率因數(shù)為0.985，交流線無功損耗為6.026MVar，變壓器無功損耗為13.211MVar，但是網(wǎng)內(nèi)充電功率已高達(dá)116.394MVar（其中220kV線路充電功率為97.298MVar），使電網(wǎng)內(nèi)無功過剩且無法調(diào)整。此時(shí)萍鄉(xiāng)電網(wǎng)各主變的功率因數(shù)遠(yuǎn)不能滿足低谷時(shí)段0.9～0.95的要求，根據(jù)電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則要求，對220kV變電站，在切除并聯(lián)電容器后，其一次母線功率因數(shù)高于0.98時(shí)，應(yīng)裝設(shè)并聯(lián)電抗器。因此萍鄉(xiāng)電網(wǎng)因考慮在無功功率上網(wǎng)較為嚴(yán)重的五陂下變、柳江變、南嶺變以及220kV線路較為集中或線路長度較長的跑馬坪變、湘東變裝設(shè)并聯(lián)電抗器。負(fù)荷波動(dòng)較大的五陂下變建議安裝可快速調(diào)節(jié)無功出力的補(bǔ)償裝置，如SVC等。

3 結(jié)語

（1）安泉雙回220kV線路開斷，將形成長距離鏈狀供電線路，沿途變電站母線電壓均有不同程度降低，其中泉田變電壓下降1.6kV，但仍可保持在226kV以上；（2）2015年大負(fù)荷正常運(yùn)行情況下，各等級電壓均能保持在合理范圍內(nèi)，但安源電廠機(jī)組開斷時(shí)，可能造成系統(tǒng)電壓大幅波動(dòng)，故應(yīng)考慮盡可能提高安源電廠發(fā)電出力的功率因數(shù)；（3）小方式下萍鄉(xiāng)電網(wǎng)220kV系統(tǒng)電壓運(yùn)行在232kV以上，在安源電廠不進(jìn)相運(yùn)行的情況下，萍鄉(xiāng)電網(wǎng)的220kV電壓偏高，且萍鄉(xiāng)地調(diào)目前不具備高電壓情況下的電壓調(diào)整手段，假設(shè)在萍鄉(xiāng)電網(wǎng)的8個(gè)220kV變電站平均分配各投入15MVar電抗器，總計(jì)120MVar電抗器，則220kV電壓可顯著降低至230kV左右；（4）萍鄉(xiāng)電網(wǎng)小負(fù)荷期間，交流線無功損耗為6.026MVar，變壓器無功損耗為13.211MVar，但是網(wǎng)內(nèi)充電功率已高達(dá)116.394MVar（其中220kV線路充電功率97.298MVar），缺乏112MVar的感性無功補(bǔ)償裝置。

參考文獻(xiàn)

[1] 電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則（試行）（SD325-1989）[S].

作者簡介：肖海毅（1981-），男，國網(wǎng)江西省電力公司萍鄉(xiāng)供電分公司工程師，研究方向：無功電壓及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）