淺析小電源電網無功平衡優化

云南電網有限責任公司玉溪供電局 劉璐 顏紅得

1 引言

隨著電力交易市場競爭機制的實行，供電公司必須提供更優質、更穩定的電力供應，而其中一個重要的衡量指標就是電壓和無功。電壓的穩定性影響著整個電網的安全穩定運行、生活生產的穩定安全[1]。在電力系統中，電壓的波動與無功功率的變化密切相關，無功可以幫助變壓器、電動機等設備建立磁場，維持電網電壓水平，同時傳輸有功功率。無功功率的大小直接影響到系統電壓水平，為保證系統電壓的穩定和正常水平必須具有充足的無功功率。無功功率從電源端經過線路和變壓器向負荷輸送，輸送過程中在線路和變壓器上產生電壓損耗，無功功率潮流的變化也會引起電壓損耗的改變。隨著各種清潔能源和可再生能源的研究和應用，大量的以小型發電機組為系統的小電源積極并網，小電源在提高對各類用電用戶供電可靠性的同時也存在著對電網潮流和節點電壓的影響。在接有小電源電網中無功不平衡容易因高壓解列導致小電源失壓，造成大量負荷損失。因此需要調度根據系統特征調整好系統運行狀態，以改善節點電壓、提高供電可靠性，對于給用戶提供更優質、可靠的電力供應有十分重要的意義。

2 事故概況及現場裝置動作情況分析

2.1 事故概況

QL變電站故障發生前運行方式如圖1所示。

圖1 QL變電站故障發生前運行方式

6月29日，110kV QL 變電站連接上級電站的110kV FQ 線發生B 相瞬時接地故障，其中B 相故障電流達到11.188A，達到分相差動動作定值3A，分相差動保護動作出口，同時220kV上級變電站側110kV 該故障線斷路器差動出口跳閘。110kV QL變電站通過110kV FQ 線與上級變電站相連，輸送有功和無功功率，110kV母線上有一個110kV小電源并網，該站中壓側35kV母線上接有兩個35kV小電源并網。

故障跳開FQ線斷路器后，經由110kVFQ線路輸出的無功功率無法供向下一級，導致系統中無功功率供大于求，110kVⅠ段母線、35kVⅠ段母線電壓升高，35kVⅠ母二次線電壓達到高壓解列定值114V，經整定時間0.5s 后，35kV 兩條小電源線高壓解列動作跳閘，110kV母線失壓。隨后220kV變電站側110kV FQ 線重合閘成功，該110kV變電站側110kV FQ 線進線側帶電，重合閘動作成功，110kV FQ 線供110kV QL 變110kVⅠ母段負荷，供電恢復正常。QL變電站故障經保護動作后運行方式如圖2所示，其中35kV小電源解列，造成重要負荷損失。

圖2 QL變電站故障經保護動作后運行方式

2.2 現場保護動作情況分析

110kV故障線路保護裝置錄波圖如圖3所示。

圖3 110kV故障線路保護裝置錄波圖

圖3中動作時間在881ms 時，110kV 故障線路B相二次電壓開始由59V逐漸下降，時間至900ms，降低至12.259V，保護啟動，此時Ib=5.156A，3I0=11.118A，分相差動定值為3A，零序差動定值為1.88A，0.15s。保護啟動至912ms，Ib=11.188A，分相差動保護動作出口。時間至918ms，對側差動出口，110kV FQ線對側斷路器跳閘。

FQ 線跳閘后，110kV Ⅰ母負荷由另一條110kV 線路與35kV 小電源線供給，由于系統有功功率不足，無功功率過高，導致110kVⅠ母電壓、35kVⅠ母電壓升高，線電壓達到高壓解列電壓定值114V，經過整定時間0.5s 后，35kV 小電源線高壓解列動作跳閘。35kV小電源線保護裝置錄波如圖4所示。

圖4 35kV小電源線保護裝置錄波圖

由于110kV小電源線出力較小，無法供110kVⅠ母部分負荷，110kV、35kVⅠ母電壓下降并達到無壓定值。110kVFQ 線保護裝置CSC-163T 裝置在重合閘檢線有壓母無壓的條件不滿足時會自動轉檢同期，但此時的壓差條件不滿足。200ms 后對側110kVFQ 線重合閘動作，110kVQL 變側FQ 線進線電壓恢復，同時母線無壓條件滿足，重合閘開始計時1.2s（該裝置重合閘開放時間固定為12s），達到時間后重合閘動作合上110kVFQ 線斷路器，110kVⅠ母恢復供電，全站供電恢復正常。

110kV故障錄波裝置錄波圖如圖5所示。

圖5 110kV故障錄波裝置錄波圖

根據110kV撫青矣線CSC-163T保護裝置的錄波、110kV 故障錄波裝置ZH-5 的錄波及35kV 小電源線PSL641保護裝置的錄波顯示，整個過程中一系列的保護動作正確，由于整個過程中涉及2 條35kV 電壓等級的小電源及1 條110kV 電壓等級的小電源。根據故障后調度調整運行方式，目前110kV FQ 線有功功率為-0.4MW，而無功功率為1.07Mvar，110kVⅠ母段有功功率不足，而無功功率偏高，導致保護動作后電壓升高，兩個35kV 電壓等級的小電源高壓解列，隨后110kVⅠ母失壓。QL 變電站較其他110kV 變電站特殊的地方是110kV和35kV側均帶有小電源線，一旦發生故障，將很容易造成小電源解列。經過對各線路保護裝置錄波及報文的分析，本次故障保護裝置各部分雖動作無誤，最終恢復供電，但動作過程中造成小電源解列，損失較大。造成小電源解列的原因主要是110kVⅠ母無功功率過高，導致保護動作后電壓升高而達到高壓解列動作值。

3 無功功率平衡的重要性及優化措施

3.1 無功功率平衡

“無功功率”是電網中的儲能元件（電感、電容）用來進行電磁能量轉換的一部分電能，是在電感、電容和電源之間直接來回傳遞而不被消耗的一部分電能[2]。實際電力網絡中的負載都是感性負載，所以無功功率是感性無功，而電力系統中的發電機相當于一個容性負載。當感性負載的磁場能量變為電能時，發電機就將這部分電能轉換成磁場能量。相反，當發電機的磁場能量轉化為電能時，感性負載就將這部分電能轉換成磁場能量。這就是無功功率平衡的原理。如果無功功率失去平衡，就會影響發電機的感應電勢，從而使系統電壓偏離額定值。電力系統的無功功率平衡就是根據電源發展規劃和電力網發展規劃進行無功功率平衡計算，目標是使電力系統中無功電源發出的無功功率大于或等于負荷所需的無功功率及網絡中的無功損耗。

無功功率流過電機建立磁場，從而建立起整個線路上電壓的聯系，無功功率的不足或過多不僅影響建立的電壓的質量，還會影響線路的壓降，因此電網中的無功功率大小與電網電壓大小密切相關。而電網又處于一個動態平衡當中，需要讓電網長期穩定運行需要保證任何時候發電廠、補償裝置提供的有功和無功與用電設備消耗的量相等。如果電網的無功功率不足或者過剩都將導致電網電壓發生變化，電壓偏移超過極限值將會對電力系統本身及其用電設備帶來不良影響，從而造成保護不正確動作等事故發生或使電力系統中電動機、照明設備等效率下降，經濟性變差。

3.2 無功功率平衡優化措施

無功功率的平衡問題至關重要，電力系統中為了降低電力網損耗，實現經濟運行，采用的無功功率基本平衡原則是按地區、按電壓等級對無功電源和無功負荷進行平衡，這樣即可以避免長距離輸送無功功率產生大量損耗[3]。

在考慮系統的運行方式和電網中電力系統中發電機的運行方式時，為保證系統的可靠運行，滿足無功負荷的增長需求，應在系統中配置無功備用容量。讓發電機接近于額定功率因數運行，利用這種情況下計算得出的發出的無功功率量間接得到發電機應保持的無功備用容量。

在系統中無功電源不足的情況下，為了保持較高的系統運行電壓水平，應采取其他的補償措施維持系統的無功功率平衡。在變電所或直接在電能用戶變電所裝設無功功率電源，可以就地改變無功功率的大小，這種方法產生的網絡損耗很小[4]。通常這種就地補償方法裝設的是靜止無功補償裝置，這種靜止補償裝置可以分為多種，最常用的是晶閘管控制電抗器同固定的電容器組的組合結構，它可以平滑連續地調節無功補償量。

與靜止無功補償相對應的是動態無功補償，如同步調相機，其是一類旋轉電機，主要用于調相、調壓，為換流站提供短路容量，可以提高電力系統的穩定性能。

4 結語

本次變電站線路故障導致的小電源非預期高壓解列動作暴露出維持電網無功功率平衡的重要問題，在本次故障中，當110kV故障線路跳閘后，經由該線路輸出的無功功率無法供給下一級，導致系統中無功功率供大于求.系統電壓上升建立一個更高的磁場吸收過剩的無功功率，從而求得平衡。通過AVC策略調整，可以在35kV小電源高壓解列前（0.5s以內），檢測到母線電壓超出設定值后，迅速切除10kVⅠ母上所有的電容器組，調節過剩的無功功率，避免后續35kV小電源保護的動作。

電力系統愈加龐大與復雜，要考慮的問題也越來越多，而無功功率平衡仍是其中不可忽視的一個重要問題，其將直接影響到電網的穩定運行與供電的電能質量。因此，變電站及電網各個部分的維護檢修人員，應當認真考慮無功功率平衡與電壓穩定問題，不斷學習與改進無功平衡優化措施，結合電網實際情況，制定符合要求的功率穩定措施，防止因電網電壓出現波動而造成的事故事件的發生，保護電網設備的安全，維持電網高效穩定運行。