變電站無(wú)功補(bǔ)償配置及運(yùn)行分析

陳健強(qiáng) 李 婷

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2. 東莞市城建規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 東莞 523000）

變電站無(wú)功補(bǔ)償配置及運(yùn)行分析

陳健強(qiáng)1李 婷2

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2. 東莞市城建規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 東莞 523000）

本文首先介紹電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償平衡及基本配置，以東莞地區(qū)某500kV變電站為例重點(diǎn)介紹常見(jiàn)的并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器的參數(shù)配置和注意事項(xiàng)，然后介紹了變電站AVC系統(tǒng)架構(gòu)及相應(yīng)的電壓控制方法，最后分析了500kV變電站的無(wú)功功率補(bǔ)償實(shí)際運(yùn)行情況，為變電站無(wú)功設(shè)備控制提供參考。

無(wú)功補(bǔ)償；并聯(lián)電容器；電抗器；AVC

變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬茄a(bǔ)償主變壓器無(wú)功損耗以及輸電線路輸送容量較大時(shí)電網(wǎng)的無(wú)功缺額，適當(dāng)補(bǔ)償部分線路及間隔負(fù)荷側(cè)的無(wú)功損耗[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，500kV電網(wǎng)已逐步形成東莞電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架，東莞電網(wǎng)作為互聯(lián)電網(wǎng)受端，局部地區(qū)存在負(fù)荷過(guò)重現(xiàn)象，隨著電纜化程度和分布式能源接入量的不斷增長(zhǎng)，在電能的傳輸和分配過(guò)程中，無(wú)功不平衡導(dǎo)致無(wú)功潮流在輸電線路和變壓器上造成大量的電能損失，而長(zhǎng)線路充電功率又會(huì)導(dǎo)致末端電壓升高問(wèn)題[2]。因此，合理配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，調(diào)整系統(tǒng)電壓在合格范圍內(nèi)，科學(xué)合理配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，確保電網(wǎng)潮流分布合理，對(duì)于系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，向用戶提高可靠、優(yōu)質(zhì)的電能有著重要的意義。

由于傳統(tǒng)的電壓控制方式難以適應(yīng)日益復(fù)雜的潮流分布和運(yùn)行方式的變化，因此，電壓的調(diào)控由傳統(tǒng)的人工投切方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷簾o(wú)功自動(dòng)控制方式（AVC）。目前國(guó)內(nèi)多地電網(wǎng)投入運(yùn)行 AVC系統(tǒng)，不但提高了電壓質(zhì)量，降低了網(wǎng)損，滿足了電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，而且大大減輕了人工調(diào)整的工作量，取得了良好的應(yīng)用效果。本文首先介紹無(wú)功補(bǔ)償平衡及基本配置，以東莞地區(qū)某500kV變電站為例介紹無(wú)功補(bǔ)償配置中的注意事項(xiàng)，然后介紹了變電站AVC系統(tǒng)架構(gòu)及相應(yīng)的電壓控制方法，最后分析500kV變電站的無(wú)功功率補(bǔ)償實(shí)際運(yùn)行情況，為變電站無(wú)功設(shè)備控制和運(yùn)行提供參考。

1 無(wú)功補(bǔ)償平衡和配置

1.1 無(wú)功功率平衡

無(wú)功功率平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件，無(wú)功功率平衡要實(shí)時(shí)做到分（電壓）層、分（供電）區(qū)無(wú)功平衡[3]，包括如下：①就地平衡原則。由于輸電線路，尤其是變壓器的電抗X遠(yuǎn)大于電阻R，功率傳輸中的無(wú)功和電壓損耗很大，通過(guò)就地平衡可以減少無(wú)功的傳送，減少電壓損耗；②分層平衡。即變電站內(nèi)不同電壓等級(jí)來(lái)的過(guò)剩無(wú)功將在變電站內(nèi)通過(guò)補(bǔ)償裝置平衡，不流入相鄰電網(wǎng)；③區(qū)域平衡。在交流電網(wǎng)中，通常要求輸電線路兩側(cè)的區(qū)域分別實(shí)現(xiàn)無(wú)功平衡，包括發(fā)電廠區(qū)域和變電站區(qū)域。

1.2 變電站無(wú)功設(shè)備配置

變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備包括：并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電抗器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。其中并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器應(yīng)用廣泛，本節(jié)主要結(jié)合某500kV變電站重點(diǎn)介紹。并聯(lián)電容器補(bǔ)償設(shè)備包括并聯(lián)電容器、電容器附件和串聯(lián)電抗器：

1）并聯(lián)電容器能產(chǎn)生相位超前與電網(wǎng)電壓的無(wú)功電流，提高電網(wǎng)功率因數(shù)。電容器附件包括放電線圈、避雷器和熔斷器。放電線圈在電容器退出運(yùn)行后泄放電容器的儲(chǔ)能，提供繼電保護(hù)信號(hào)。氧化鋅避雷器及過(guò)電壓保護(hù)裝置，抑制操作過(guò)電壓。單臺(tái)電容器保護(hù)熔斷器。為無(wú)內(nèi)熔絲電容器的極間短路提供快速保護(hù)。該500kV變電站并聯(lián)電容器型式類別有組架式和集合式兩種，每組電容器分相布置并采用雙星型接線，雙星型同相并接后再串聯(lián)電抗器，通過(guò)35kV斷路器并接在主變壓器變低側(cè)35kV單母線。主要用于：在無(wú)功功率需求較大導(dǎo)致站內(nèi)母線電壓下降時(shí)，根據(jù)電壓控制要求投入并聯(lián)電容器，向220kV電網(wǎng)和主變壓器集中補(bǔ)償無(wú)功功率，維持電壓水平；而電壓水平較高時(shí)則退出運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]指出，并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償容量，宜分別為主變壓器容量的30%以下，電容器分組容量可選為 30～60MVar。該 500kV變電站主變壓器總?cè)萘繛?000Mvar，配置的并聯(lián)電容器每組容量為60Mvar，共12組，總?cè)萘繛?20Mvar，電容器容量比為18%，符合規(guī)范要求。

2）電容器附件包括放電線圈、避雷器和熔斷器。放電線圈在電容器退出運(yùn)行后泄放電容器的儲(chǔ)能，提供繼電保護(hù)信號(hào)。氧化鋅避雷器及過(guò)電壓保護(hù)裝置，抑制操作過(guò)電壓。單臺(tái)電容器保護(hù)熔斷器。為無(wú)內(nèi)熔絲電容器的極間短路提供快速保護(hù)。

3）串聯(lián)電抗器。作用是抑制合閘涌流，抑制電網(wǎng)諧波，防止諧波對(duì)電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對(duì)電網(wǎng)諧波的過(guò)度放大和諧振發(fā)生[5]。值得注意的是，電抗器周?chē)仨毐ＷC無(wú)鐵磁物體及其他雜物，要避開(kāi)繼電保護(hù)和微機(jī)室，距電抗器本體外圓半徑的范圍內(nèi)不應(yīng)有粗大的金屬構(gòu)件，地下接地體不得呈金屬閉合環(huán)路狀態(tài)，電抗器周?chē)膰W(wǎng)、圍欄必須開(kāi)路，兩臺(tái)電抗器的中心距應(yīng)不小于本體外圓直徑的 1.8倍，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行和操作人員身體健康[6]。串聯(lián)電抗器的大小視電容器安裝處母線的諧波狀況而定，串聯(lián)電抗器的電抗率即每相額定感抗與額定容抗百分比（%），一般有3種選擇：①基本無(wú)諧波、僅為限制合閘涌流時(shí)百分比選0.5%～1.0%；②有5次諧波時(shí)選4.5%～6.0%；③有3次諧波時(shí)選12%～13%[7]。該500kV變電站每一組電容器配置一組串聯(lián)電抗器，第一組串聯(lián)電抗器的電抗率為12%，第二組百分比為2%，第三組百分比為2%，該電抗率的選擇綜合考慮了限制涌流、防止諧波放大和諧振發(fā)生。

并聯(lián)電抗器包括高壓并聯(lián)電抗器和低于并聯(lián)電抗器。500kV及以上高壓并聯(lián)電抗器主要作用是限制工頻過(guò)電壓和降低潛功供電流、恢復(fù)電壓以及平衡超高壓輸電線路的剩余充電功率[8]；主變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電抗器的作用主要是補(bǔ)償超高壓輸電線路的剩余充電功率。該500kV變電站干式并聯(lián)電抗器品字型布置，與串聯(lián)電抗器一樣，周?chē)O(shè)施也必須滿足的防電磁感應(yīng)的空間距離。每組電抗器分相布置采用星型接線，通過(guò) 35kV斷路器并接在主變壓器變低側(cè) 35kV單母線。主要用于：在無(wú)功功率低谷導(dǎo)致站內(nèi)母線電壓上升時(shí)，根據(jù)電壓控制要求投入并聯(lián)電抗器，吸收多余的無(wú)功功率，維持電壓水平；而電壓水平較低時(shí)則退出運(yùn)行。該500kV變電站配置的并聯(lián)電抗器每組容量為60Mvar，共8組，總?cè)萘繛?80Mvar，電抗器容量比為12%，符合規(guī)范要求。

圖1為東莞地區(qū)某500kV變電站#1號(hào)主變壓器低壓側(cè)母線接線圖，每一段母線分別接3組電容器（包括串聯(lián)電抗器組）和2組電抗器組，該站所有電容器組和電抗器組分別接在#1號(hào)主變壓器、#2號(hào)主變壓器、#3號(hào)主變壓器、#4號(hào)主變壓器的35kV低壓側(cè)母線，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的無(wú)功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)，無(wú)功設(shè)備配置見(jiàn)表1。

圖1 #1號(hào)主變壓器低壓側(cè)母線接線圖

表1 某500kV變電站無(wú)功設(shè)備配置

2 500kV變電站調(diào)壓方式

無(wú)功功率平衡與否（過(guò)剩或不足）是針對(duì)各層次電網(wǎng)所規(guī)定的電壓水平而言的，無(wú)功功率與電壓，無(wú)法全網(wǎng)調(diào)度，層次性、地域性較強(qiáng)，只能實(shí)行各層次和地域的平衡。無(wú)功功率不平衡引起電壓偏移，根據(jù)無(wú)功負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性，當(dāng)一個(gè)地區(qū)無(wú)功過(guò)剩時(shí)，電壓升高，無(wú)功不足時(shí)電壓降低，電壓升高和降低的數(shù)值由代表該地區(qū)的綜合無(wú)功負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性來(lái)確定。

2.1 傳統(tǒng)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償方式

某500kV變電站傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償方式，運(yùn)行人員根據(jù)以下電容器和電抗器投退策略進(jìn)行投退，一方面保證500kV和220kV母線電壓在控制范圍；另一方面根據(jù)主變壓器無(wú)功功率狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡。

1）電抗器投切要求保證母線電壓合格：當(dāng)220kV母線電壓達(dá)到或超過(guò) 231.0kV時(shí)，或者當(dāng)500kV母線電壓達(dá)到或超過(guò)531.0kV時(shí)應(yīng)投入并聯(lián)電抗器組。無(wú)功實(shí)現(xiàn)就地平衡：當(dāng)主變壓器無(wú)功功率 Q＞0.2P（P為主變壓器有功功率）時(shí)，應(yīng)退出并聯(lián)電抗器組；當(dāng)主變壓器無(wú)功功率 Q≤0時(shí)，應(yīng)投入并聯(lián)電抗器組。并聯(lián)電抗器組作用是系統(tǒng)無(wú)功多余時(shí)吸收無(wú)功，而電容器組作用是系統(tǒng)無(wú)功缺額時(shí)發(fā)出無(wú)功，兩者作用是相反的，因此并聯(lián)電抗器組與電容器組不能同時(shí)投入運(yùn)行。

2）電容器投切要求保證母線電壓合格：當(dāng)220kV母線電壓達(dá)到或低于 220.0kV時(shí)，或者當(dāng)500kV母線電壓達(dá)到或低于500.0kV時(shí)，應(yīng)投入電容器組。無(wú)功實(shí)現(xiàn)就地平衡：當(dāng)主變壓器無(wú)功功率Q＞0.2P（P為主變壓器有功功率）時(shí)，應(yīng)投入電容器組；當(dāng)主變壓器無(wú)功功率 Q≤0時(shí)，應(yīng)退出電容器組。

2.2 AVC調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償方式

AVC系統(tǒng)是以電壓最優(yōu)、損耗最小為終極目標(biāo)[9]，以數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）采集的全網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[10]，應(yīng)用最優(yōu)潮流算法進(jìn)行在線優(yōu)化分析計(jì)算，形成控制策略并實(shí)施，控制發(fā)電廠無(wú)功出力、控制電網(wǎng)內(nèi)變電站和用戶無(wú)功補(bǔ)償裝置以及變壓器分接頭等，最終達(dá)到電網(wǎng)無(wú)功功率分布合理，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)最優(yōu)化運(yùn)行。按照分層分區(qū)的建設(shè)思路，500kV變電站接受省級(jí)調(diào)度中心AVC系統(tǒng)的直接集中控制，AVC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 AVC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 500kV變電站AVC系統(tǒng)控制示意圖

該 500kV變電站 AVC系統(tǒng)控制示意圖如圖 3所示。中調(diào)編制日前電壓計(jì)劃曲線，提前一天通過(guò)中調(diào)AVC下發(fā)至地調(diào)AVC。中調(diào)AVC負(fù)責(zé)對(duì)全網(wǎng)電壓無(wú)功進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算，將各500kV變電站主變低壓側(cè)母線注入無(wú)功控制指令下發(fā)至地調(diào)AVC。地調(diào) AVC以省調(diào)下發(fā)的電壓計(jì)劃曲線值作為電壓限值，在確保電壓和無(wú)功合格基礎(chǔ)上，以中調(diào)下發(fā)的500kV變電站主變低壓側(cè)母線注入無(wú)功控制指令作為控制目標(biāo)，同時(shí)考慮保護(hù)動(dòng)作或設(shè)備異常等安全問(wèn)題，最終形成控制策略由地調(diào)EMS向變電站下發(fā)電容電抗投退的遙控命令。

3 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行分析

500kV變電站采用的電壓控制策略以500kV母線電壓合格為主，兼顧220kV電壓[11]，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是電容器和電抗器。以東莞某500kV變電站為例，該變電站已開(kāi)始由 AVC進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償控制和電壓調(diào)節(jié)，每日分時(shí)段控制母線電壓要求見(jiàn)表2和表3。在AVC運(yùn)行期間，根據(jù)每段母線上的第一組電容器的串聯(lián)電抗器的電抗率是12%的配置，每段母線上第一組電容器是遵循“先投后退”的原則：即需要投入電容器時(shí)，必須先投入第一組電容器，才能投入其他組別電容器；需要退出電容器時(shí)，必須先退出其他組別電容器，最后退出第一組電容器。500kV變電站的無(wú)功補(bǔ)償專門(mén)由主變壓器的低壓側(cè)母線提供，沒(méi)有出線負(fù)荷，低壓側(cè)母線基本不存在諧波問(wèn)題，更多考慮合閘涌流措施。

表2 500kV母線電壓控制要求

表3 220kV母線電壓控制要求

除了第一組電容器外，其他組別的電容器和電抗器的投入還存在一定的隨機(jī)性，運(yùn)行人員多次發(fā)現(xiàn)220kV母線電壓達(dá)到234.8kV時(shí)（滿足220kV電壓控制要求AVC應(yīng)該動(dòng)作），主變低壓側(cè)35kV 1M母線上的第一組、第二組電容器仍然在投入狀態(tài)。聯(lián)系調(diào)度并得到許可后，運(yùn)行人員人工退出了第二組電容器，退出了第二組電容器后第一組電容器就正常自動(dòng)退出，其他組別的電抗器也能自動(dòng)相繼投入。通過(guò)調(diào)度監(jiān)控分析，發(fā)現(xiàn)投退無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的隨機(jī)性和第一組電容器的“先投后退”策略發(fā)生沖突，導(dǎo)致在無(wú)功過(guò)多時(shí)無(wú)法退出電容器組，后續(xù)已完成策略的升級(jí)整改，運(yùn)行正常。

圖4和圖5分別為該500kV變電站AVC運(yùn)行后某日的 500kV Ⅰ母和 220kV Ⅰ母電壓曲線，可以看出500kV Ⅰ母和220kV I母電壓在負(fù)荷高峰期（10∶00、16∶00、20∶00）電壓水平將出現(xiàn)下降，而AVC在負(fù)荷高峰按照電壓控制要求提供了無(wú)功功率，500kV Ⅰ母電壓在下限定值（08∶15—12∶14對(duì)應(yīng)528kV，14∶45—21∶59對(duì)應(yīng)527kV）上下微量波動(dòng)調(diào)節(jié)屬于正常，其余時(shí)間都能維持控制水平；而 220kV Ⅰ母電壓全天時(shí)間都能維持控制水平，AVC控制策略的能滿足電壓控制要求，電壓調(diào)節(jié)效果較為明顯。

圖4 500kV I母某日電壓曲線

圖5 220kV I母某日電壓曲線

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，35kV母線上電容器組或電抗器投入越多，低壓側(cè)母線的電壓不平衡度越大，當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不投入時(shí)零序電壓接近 0；當(dāng)某段低壓側(cè)母線投入3組電容器后，零序電壓可達(dá)10V。因此，AVC有必要根據(jù)無(wú)功功率情況合理的控制本站的無(wú)功設(shè)備的平均投切，避免低壓側(cè)母線上無(wú)功設(shè)備過(guò)多。

另外，AVC控制策略需要考慮電容器和電抗器斷路器的動(dòng)作次數(shù)，避免某一臺(tái)電容器斷路器或電抗器斷路器投退較多超過(guò)斷路器動(dòng)作次數(shù)，盡量使斷路器分合閘次數(shù)均勻。

4 結(jié)論

本文首先介紹了變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕靖拍睿Y(jié)合東莞地區(qū)某500kV變電站為例介紹了常見(jiàn)的并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器的參數(shù)配置和注意事項(xiàng)。然后介紹了500kV變電站調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償控制方式，包括傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方式和當(dāng)今 AVC無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)架構(gòu)及控制方式。接著結(jié)合500kV變電站母線電壓控制要求研究 AVC實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)對(duì)某日的500kV和220kV母線電壓值與控制策略進(jìn)行分析比較，不同控制時(shí)間段母線電壓都能滿足控制要求，驗(yàn)證了AVC控制策略的有效性，最后根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)提出了AVC控制策略的補(bǔ)充意見(jiàn)。

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Analysis and Research of Reactive Power Configuration of Substation

Chen Jianqiang1Li Ting2
(1. Dongguan Power Supply Bureau of Guandong Power Grid Corp., Dongguan, Guangdong 523000;2. Dongguan Urban Planning and Design Institude, Dongguan, Guangdong 523000)

This paper introduces reactive power balance and configuration of powe grid. Shunt capacitor, current-limiting reactor and shunt reactor with comments are introduced of one 500kV substation. Then, the framework and control mode of auto voltage control (AVC) is taken into account.At last, According to the operation of the reactive power device, suggestion for operation is proposed,which enrich professional experience for substation operation.

reactive power; shunt capacitor; reactor; auto voltage control (AVC)

陳健強(qiáng)（1985-），男，廣東省東莞市人，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樽冸娺\(yùn)行技術(shù)。