浅析小电源电网无功平衡优化

云南电网有限责任公司玉溪供电局 刘璐 颜红得

1 引言

随着电力交易市场竞争机制的实行，供电公司必须提供更优质、更稳定的电力供应，而其中一个重要的衡量指标就是电压和无功。电压的稳定性影响着整个电网的安全稳定运行、生活生产的稳定安全[1]。在电力系统中，电压的波动与无功功率的变化密切相关，无功可以帮助变压器、电动机等设备建立磁场，维持电网电压水平，同时传输有功功率。无功功率的大小直接影响到系统电压水平，为保证系统电压的稳定和正常水平必须具有充足的无功功率。无功功率从电源端经过线路和变压器向负荷输送，输送过程中在线路和变压器上产生电压损耗，无功功率潮流的变化也会引起电压损耗的改变。随着各种清洁能源和可再生能源的研究和应用，大量的以小型发电机组为系统的小电源积极并网，小电源在提高对各类用电用户供电可靠性的同时也存在着对电网潮流和节点电压的影响。在接有小电源电网中无功不平衡容易因高压解列导致小电源失压，造成大量负荷损失。因此需要调度根据系统特征调整好系统运行状态，以改善节点电压、提高供电可靠性，对于给用户提供更优质、可靠的电力供应有十分重要的意义。

2 事故概况及现场装置动作情况分析

2.1 事故概况

QL变电站故障发生前运行方式如图1所示。

图1 QL变电站故障发生前运行方式

6月29日，110kV QL 变电站连接上级电站的110kV FQ 线发生B 相瞬时接地故障，其中B 相故障电流达到11.188A，达到分相差动动作定值3A，分相差动保护动作出口，同时220kV上级变电站侧110kV 该故障线断路器差动出口跳闸。110kV QL变电站通过110kV FQ 线与上级变电站相连，输送有功和无功功率，110kV母线上有一个110kV小电源并网，该站中压侧35kV母线上接有两个35kV小电源并网。

故障跳开FQ线断路器后，经由110kVFQ线路输出的无功功率无法供向下一级，导致系统中无功功率供大于求，110kVⅠ段母线、35kVⅠ段母线电压升高，35kVⅠ母二次线电压达到高压解列定值114V，经整定时间0.5s 后，35kV 两条小电源线高压解列动作跳闸，110kV母线失压。随后220kV变电站侧110kV FQ 线重合闸成功，该110kV变电站侧110kV FQ 线进线侧带电，重合闸动作成功，110kV FQ 线供110kV QL 变110kVⅠ母段负荷，供电恢复正常。QL变电站故障经保护动作后运行方式如图2所示，其中35kV小电源解列，造成重要负荷损失。

图2 QL变电站故障经保护动作后运行方式

2.2 现场保护动作情况分析

110kV故障线路保护装置录波图如图3所示。

图3 110kV故障线路保护装置录波图

图3中动作时间在881ms 时，110kV 故障线路B相二次电压开始由59V逐渐下降，时间至900ms，降低至12.259V，保护启动，此时Ib=5.156A，3I0=11.118A，分相差动定值为3A，零序差动定值为1.88A，0.15s。保护启动至912ms，Ib=11.188A，分相差动保护动作出口。时间至918ms，对侧差动出口，110kV FQ线对侧断路器跳闸。

FQ 线跳闸后，110kV Ⅰ母负荷由另一条110kV 线路与35kV 小电源线供给，由于系统有功功率不足，无功功率过高，导致110kVⅠ母电压、35kVⅠ母电压升高，线电压达到高压解列电压定值114V，经过整定时间0.5s 后，35kV 小电源线高压解列动作跳闸。35kV小电源线保护装置录波如图4所示。

图4 35kV小电源线保护装置录波图

由于110kV小电源线出力较小，无法供110kVⅠ母部分负荷，110kV、35kVⅠ母电压下降并达到无压定值。110kVFQ 线保护装置CSC-163T 装置在重合闸检线有压母无压的条件不满足时会自动转检同期，但此时的压差条件不满足。200ms 后对侧110kVFQ 线重合闸动作，110kVQL 变侧FQ 线进线电压恢复，同时母线无压条件满足，重合闸开始计时1.2s（该装置重合闸开放时间固定为12s），达到时间后重合闸动作合上110kVFQ 线断路器，110kVⅠ母恢复供电，全站供电恢复正常。

110kV故障录波装置录波图如图5所示。

图5 110kV故障录波装置录波图

根据110kV抚青矣线CSC-163T保护装置的录波、110kV 故障录波装置ZH-5 的录波及35kV 小电源线PSL641保护装置的录波显示，整个过程中一系列的保护动作正确，由于整个过程中涉及2 条35kV 电压等级的小电源及1 条110kV 电压等级的小电源。根据故障后调度调整运行方式，目前110kV FQ 线有功功率为-0.4MW，而无功功率为1.07Mvar，110kVⅠ母段有功功率不足，而无功功率偏高，导致保护动作后电压升高，两个35kV 电压等级的小电源高压解列，随后110kVⅠ母失压。QL 变电站较其他110kV 变电站特殊的地方是110kV和35kV侧均带有小电源线，一旦发生故障，将很容易造成小电源解列。经过对各线路保护装置录波及报文的分析，本次故障保护装置各部分虽动作无误，最终恢复供电，但动作过程中造成小电源解列，损失较大。造成小电源解列的原因主要是110kVⅠ母无功功率过高，导致保护动作后电压升高而达到高压解列动作值。

3 无功功率平衡的重要性及优化措施

3.1 无功功率平衡

“无功功率”是电网中的储能元件（电感、电容）用来进行电磁能量转换的一部分电能，是在电感、电容和电源之间直接来回传递而不被消耗的一部分电能[2]。实际电力网络中的负载都是感性负载，所以无功功率是感性无功，而电力系统中的发电机相当于一个容性负载。当感性负载的磁场能量变为电能时，发电机就将这部分电能转换成磁场能量。相反，当发电机的磁场能量转化为电能时，感性负载就将这部分电能转换成磁场能量。这就是无功功率平衡的原理。如果无功功率失去平衡，就会影响发电机的感应电势，从而使系统电压偏离额定值。电力系统的无功功率平衡就是根据电源发展规划和电力网发展规划进行无功功率平衡计算，目标是使电力系统中无功电源发出的无功功率大于或等于负荷所需的无功功率及网络中的无功损耗。

无功功率流过电机建立磁场，从而建立起整个线路上电压的联系，无功功率的不足或过多不仅影响建立的电压的质量，还会影响线路的压降，因此电网中的无功功率大小与电网电压大小密切相关。而电网又处于一个动态平衡当中，需要让电网长期稳定运行需要保证任何时候发电厂、补偿装置提供的有功和无功与用电设备消耗的量相等。如果电网的无功功率不足或者过剩都将导致电网电压发生变化，电压偏移超过极限值将会对电力系统本身及其用电设备带来不良影响，从而造成保护不正确动作等事故发生或使电力系统中电动机、照明设备等效率下降，经济性变差。

3.2 无功功率平衡优化措施

无功功率的平衡问题至关重要，电力系统中为了降低电力网损耗，实现经济运行，采用的无功功率基本平衡原则是按地区、按电压等级对无功电源和无功负荷进行平衡，这样即可以避免长距离输送无功功率产生大量损耗[3]。

在考虑系统的运行方式和电网中电力系统中发电机的运行方式时，为保证系统的可靠运行，满足无功负荷的增长需求，应在系统中配置无功备用容量。让发电机接近于额定功率因数运行，利用这种情况下计算得出的发出的无功功率量间接得到发电机应保持的无功备用容量。

在系统中无功电源不足的情况下，为了保持较高的系统运行电压水平，应采取其他的补偿措施维持系统的无功功率平衡。在变电所或直接在电能用户变电所装设无功功率电源，可以就地改变无功功率的大小，这种方法产生的网络损耗很小[4]。通常这种就地补偿方法装设的是静止无功补偿装置，这种静止补偿装置可以分为多种，最常用的是晶闸管控制电抗器同固定的电容器组的组合结构，它可以平滑连续地调节无功补偿量。

与静止无功补偿相对应的是动态无功补偿，如同步调相机，其是一类旋转电机，主要用于调相、调压，为换流站提供短路容量，可以提高电力系统的稳定性能。

4 结语

本次变电站线路故障导致的小电源非预期高压解列动作暴露出维持电网无功功率平衡的重要问题，在本次故障中，当110kV故障线路跳闸后，经由该线路输出的无功功率无法供给下一级，导致系统中无功功率供大于求.系统电压上升建立一个更高的磁场吸收过剩的无功功率，从而求得平衡。通过AVC策略调整，可以在35kV小电源高压解列前（0.5s以内），检测到母线电压超出设定值后，迅速切除10kVⅠ母上所有的电容器组，调节过剩的无功功率，避免后续35kV小电源保护的动作。

电力系统愈加庞大与复杂，要考虑的问题也越来越多，而无功功率平衡仍是其中不可忽视的一个重要问题，其将直接影响到电网的稳定运行与供电的电能质量。因此，变电站及电网各个部分的维护检修人员，应当认真考虑无功功率平衡与电压稳定问题，不断学习与改进无功平衡优化措施，结合电网实际情况，制定符合要求的功率稳定措施，防止因电网电压出现波动而造成的事故事件的发生，保护电网设备的安全，维持电网高效稳定运行。