新形勢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. 上海電力設計院有限公司，上海 200025；2. 國網上海市電力公司，上海 200122)

上海作為國際大都市，電網呈現了典型城市電網的特征：負荷密度大、峰谷差大，城市電纜化率程度高。在春秋季、春節國慶等節假日負荷低谷時段，線路上大量容性無功無法就地平衡，電網無功功率層層倒送，引起系統整體電壓升高，電網運行安全受到嚴峻挑戰。

上海電網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，如果大用戶電纜進線較長，也需要采取措施補償線路無功冗余，配合電網一起解決低谷時段容性無功過剩問題。

目前關于用戶無功主流的研究主要關注于激勵用戶投運電容降低網損，以及細化功率因數考核時段減小用戶無功波動，尚未涉及到用戶補償進線容性無功的問題。如文獻[1] 指出現行功率因數調整電費辦法對用戶考核標準較低，提出用戶電費按照視在功率收取，激勵用戶盡量平衡自身無功功率。文獻[2]歸納了國內外用戶無功管理政策，分析國內現行無功考核政策的弊端，提出提高用戶考核標準、縮短用戶無功計費周期的辦法，以減少用戶無功需求并平抑無功波動。文獻[3]、文獻[6]分析了用戶功率因數考核辦法的弊端及對用戶和電網的影響，并根據用戶負荷特性，提出將用戶進行分類，對不同類型的用戶采用不同的分時段功率因數考核辦法，促進用戶提高功率因數水平。本文針對電網發展的新形勢，對大用戶無功補償及管理考核辦法進行探討。

1 國內外主要城市大用戶無功管理

1.1 國外主要城市大用戶無功補償管理

表1 無功補償容量配置原則

由于難以準確獲得需求側無功定價相關固定成本(包括無功補償設備投資和相應輸變電投資)和網損成本等信息，世界各國采用的需求側無功定價方法千差萬別，沒有哪一種方法具有嚴格的理論基礎。總體來說，國外現行需求側無功電價政策可分為如下3類：

(1)強制性功率因數要求。即要求用戶功率因數在規定范圍以內才允許并網。代表國家為澳大利亞[4]，將用戶根據電壓等級分為4類，各類用戶有各自的功率因數范圍。

(2)根據實際功率因數調整電量或電費。即用戶平均功率因數在規定的功率因數范圍以內，無需額外繳費，在規定范圍之外，需按照有功電量繳納調整電量或電費，主要以美國部分地區、中國和以色列為代表。

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

1.2 大用戶無功配置需求

目前關于電力系統無功補償的原則，主要為《城市電力網規劃設計導則》、《電力系統無功補償配置技術導則》、《配電網規劃設計技術導則》、《上海電網規劃設計技術導則(試行)》等電力行業或企業標準，各標準規定總結見表 1。

由表1可見，各規程規范對電業變電站容性無功補償均做了量化規定，對感性無功補償均未做量化規定。《電力系統無功補償配置技術導則》要求用戶應達到功率因數考核要求，并在任何情況下不應向電網倒送無功。

在實際運行中，電力公司對用戶無功的考核遵循水利電力部和國家物價局文件(83)水電財字第215號《功率因數調整電費辦法》的規定，即在用戶入戶點考核其功率因數，按照用戶裝接規模功率因數考核標準分為0.9、0.85、0.8三擋[6]。電力公司按照規定的電價計算出用戶當月電費后，再根據當月平均功率因數根據“功率因數調整電費表”增減電費，即未達到功率因數考核標準時繳納懲罰電費，達到考核標準以上時減少電費。

由于用戶進線側功率因數考核有明確的獎懲激勵，大用戶改善自身功率因數意愿積極，基本都能達到功率因數考核要求。上海市部分大用戶月均功率因數達到0.98～1，基本不增加電網無功負擔。

然而，隨著城市電網電纜化率的不斷提高，電網無功電壓由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，在春秋季及節假日低谷時段尤為突出。

2017年春節期間，低谷時段上海110 kV電網向220 kV電網倒送無功約2 484 Mvar。為解決低谷時段電網容性無功過剩，感性無功補償不足的現象，自2015年起，上海市電力公司開展了在具備條件的220 kV現狀電業變電站及規劃電業變電站每臺主變均加裝或預留一臺20 Mvar電抗器，用于補償110 kV電網的充電功率。并計劃自2019年起，試點在新投產110 kV電業變電站每臺主變加裝一組5 Mvar低抗。研究表明，在電網側采取上述措施后，低谷時段110 kV及以下電網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線較長無功盈余較大時，應在用戶側配置感性無功設備平衡電纜容性無功，減少低谷時段向電網無功倒送。考慮到35 kV電纜單位長度充電功率較小(約為0.09～0.1 Mvar/km)，且35 kV用戶一般供電距離較短，對電網影響有限，因此35 kV用戶無需配置感性無功補償設備。而110 kV電纜單位長度充電功率較大(約為0.8～0.83 Mvar/km)，若110 kV用戶電纜進線較長，考慮在用戶側配置感性無功補償。

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：在變電站進線側加裝高壓電抗器、在變電站低壓側加裝低壓電抗器、在變電站低壓側安裝SVG。

各無功補償設備技術特點見表2。

表2 各無功補償設備技術特點

由上表可以看出，高壓電抗器由于其高昂的價格及占地面積一般不用單純于無功補償，一般是在電纜線路過長需要限制過電壓時才配置低壓電抗器，有研究表明，110 kV電纜線路長度低于30 km時一般不存在過電壓問題，因此高壓電抗器不作為用戶無功補償的首選。

SVG動態無功雖然運行靈活，但設備價格較昂貴、故障率相對較高，在電業變電站鮮有使用。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線無功補償一般首選低壓電抗器。

2.2 無功配置容量

考慮用戶站低谷時段主變負載率一般在10%～30%，計算得不同電壓等級主變無功損耗如表3所示。主變無功負荷對應的低壓側功率因數0.97。

表3 主變無功損耗

由表3可見，一般110 kV電壓等級用戶，考慮主變在負荷低谷時段負載率在10%～30%時，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)，建議當供電電纜線路較短時，不加裝電抗器。在用戶電源進線大于3 km且容性無功無法消納時，可以考慮安裝電抗器，由于電抗器投切引起的電壓波動不應超過2.5%，建議單臺主變電抗器配置容量不超過6 Mvar。

3 低壓電抗器對用戶側考核的影響

目前上海電力公司專線供電的用戶，線路資產屬于電力公司，因此計量考核點在用戶側進線間隔。以典型110 kV電壓等級的用戶為例，主變的容量為2×40 MVA，主變阻抗百分比為10.5%，其中一回電源進線為長度8 km電纜，電纜截面800 mm2，對應主變低壓側配置6 Mvar低壓電抗器，接線見圖1。

圖1 典型大用戶接線

若電力公司對用戶功率因數考核標準為0.9，考慮用戶處于以下運行方式。

(1)大負荷方式1：用戶站負載率50%，低壓側功率因數0.95；

(2)大負荷方式2：用戶站負載率40%，低壓側功率因數0.95；

(3)小負荷方式：用戶站負載率20%，低壓側功率因數0.95。

在各運行方式下，用戶站投運低壓電抗器前后功率因數變化情況見表4。

表4 各運行方式低抗投運前后功率因數

由表1可見，不投低抗時，各方式下用戶高壓側功率因數都在0.9以上，達到考核標準。大方式下電壓側功率因數接近1，即線路充電功率基本被消耗；小方式下，電業側無功倒送5.85 Mvar，功率因數僅為0.545。投低抗后，電業側功率因數達到0.95以上，然而用戶側功率因數均不達標，小方式下用戶側功率因數僅為0.47。

由此可見，在現行功率因數考核辦法下，用戶側加裝低壓電抗器后，電抗器投運會導致用戶側功率因數降低，若被考核的功率因數低于規定標準將導致罰款，這將對于在用戶側開展安裝和投運電抗器工作帶來矛盾。

4 無功管理考核方法調整探討

為解決新形勢下用戶安裝電抗器與現行功率因數考核辦法的矛盾，對目前現有用戶的電費計量和功率因數考核辦法提出調整建議。

4.1 功率因數考核點在用戶側

用戶安裝電抗器為平衡長電纜電源進線冗余的容性無功功率，因此需要用戶安裝電抗器時，一般不需要用戶安裝容性無功補償設備，即用戶低壓側僅有電抗器。

如圖2所示，在現有考核機制下，電力公司采集用戶進線側功率P1、Q1，計算用戶有功、無功電量及功率因數，用戶低壓側安裝電抗器后，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。

圖2 用戶站無功信息采集示意圖

原有功率因數計算公式：

(1)

式中 ∑Ql為正向無功電量和反向無功電量絕對值之和。

用戶側安裝電抗器后，其投運狀態可分為以下3種。

(1)全時段投運。低壓電抗器隨外線投運，除外線故障外，低壓電抗器保持投運狀態。為避免電抗器投運后導致用戶功率因數低于考核標準值造成罰款，考慮將進線側月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計算月度平均功率因數，調整后的功率因數計算公式為：

(2)

(2)定時投運。根據電網需求，與電力公司約定電抗器投運時段。為避免電抗器投運后導致用戶功率因數低于考核標準值造成罰款，考慮將進線側月度無功電量扣除電抗器投運時段無功電量后，再計算月度平均功率因數，計算公式同公式(2)。

(3)不定時投運。將用戶側電抗器接入電網AVC系統，由電力公司統一調度運行，由于此時電抗器主要為電網提供無功調壓服務，因此建議這種方式下不考核用戶功率因數。

綜上，在功率因數考核點仍放在用戶側情況下，若電抗器全時段投運或按與電力公司約定的時段投運，則用戶功率因數考核辦法可考慮在原公式基礎上將進線側月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計算月度平均功率因數；若用戶側電抗器接入電網AVC系統，由電力公司統一調度，則建議對用戶側功率因數不予考核。

4.2 功率因數考核點在電業側

用戶側安裝電抗器主要為了平衡電纜進線無功功率，從激勵用戶投運電抗器的積極性來看，可以考慮將戶功率因數考核點放在電業側，即供電企業變電所客戶專線間隔上。對用戶考核要求為月功率因數控制在0.9～1.0之間。然而，考核點放在電業側有以下問題：

(1)對于電力用戶而言，高壓供電客戶的計量點是在高壓電源資產分界點處，若考核點設在電業側，存在產權方面的矛盾。若電力公司未來對該線路改接利用，考核點將會隨之變動，進一步增加了管理難度，因此需要厘清用戶電源進線的資產關系。

(2)要將電業變電站客戶專線間隔的計量數據反傳至用戶側，用戶需要根據電業側情況調整電抗器狀態，增加了用戶運行調度的難度。

(3)由于電抗器標準容量的限制下，用戶電源進線容性無功可能不能達到100%補償，在用戶有功功率較小的情況下，電業側功率因數可能無法達到0.9～1。

綜上，若將用戶功率因數考核點放在電業側，與上海目前用戶專線資產屬于電力公司有產權上的矛盾，需要進一步厘清用戶專線產權關系，因此將功率因數考核點放在電業側目前尚不具備實施條件。

5 結語

(1)高壓電抗器價格昂貴、占地大，主要用于限制長電纜線路過電壓。一般情況下，高壓電抗器不作為用戶感性無功補償的首先。

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

(3)對現有用戶功率因數考核機制進行調整：功率因數考核點仍在用戶側，若電抗器全時段投運或按與電力公司約定的時段投運，則用戶功率因數考核辦法可考慮在原公式基礎上將進線側月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計算月度平均功率因數；若用戶側電抗器接入電網AVC系統，由電力公司統一調度，則建議對用戶側功率因數不予考核。