区域电网无功优化方案的规划与研究

刘永胜，李题印，包拯民，黄 河，姚海燕

（余杭供电局，杭州 311100）

区域电网无功优化方案的规划与研究

刘永胜，李题印，包拯民，黄 河，姚海燕

（余杭供电局，杭州 311100）

通过对某区域电网春节期间存在的电压无功问题的分析，提出了加装电抗器无功补偿装置的方案，并对电抗器的规划方案进行了研究。结果表明，通过电抗器无功补偿装置的优化配置，能大幅提高春节期间该区域电网关口功率因数合格率，有效改善电网运行质量。

区域电网；无功补偿；功率因数；电抗器

某区域电网共有5个220 kV变电站、27个110 kV变电站、9个35 kV变电站，10 kV线路424条，线路总长度4 174.494 km，其中电缆线路1 113.13 km，配变11 550台，总容量为327.208 5万kVA。

按照无功补偿就地平衡原则，目前该区域电网各电压等级变电站安装的电容器为220 kV无功容量13.92万kvar、110 kV无功容量27.18万kvar、35 kV无功容量4.92万kvar。由该区域电网2009年度网供关口功率因数合格率统计表及各变电所10 kV母线电压合格率可以看出，5个220 kV变供区（以下依次称A-E变）容性无功补偿总容量充足，完全满足无功负荷对无功电源的需求及关口功率因数对无功电源进线的要求。

由于人们往往过分重视无功电源的建设和容性无功功率的补偿，忽视了无功平衡的重要性，使得电网在极端低谷负荷时期（例如春节期间）会出现因线路极度轻载而导致关口功率因数合格率考核不达标、220 kV主网电压偏高等问题。本文主要介绍该区域电网春节期间存在的电压无功问题，提出了通过加装电抗器来解决上述问题的方法，并对电抗器的规划方法进行了深入研究。

1 春节期间的电压无功现状分析

春节期间，该地区全社会用电需求骤减，变压器负载率也大幅度下降。但随着220 kV变电站关口功率因数考核要求的日渐提高，特别是按照调度下发的2009年春节运行方式的要求，不仅所有电容器在2009年1月20日前要全部切除，而且要求5个220 kV变电站的关口功率因数不得高于0.97。但是参照《二○○九年度运行方式》中的统计数据，由2009年1月春节期间关口功率因数合格率统计表（表1）可见，2009年春节期间该区域电网的关口功率因数考核合格率达不到要求，尤其是A变、D变和E变功率因数合格率几乎为零。

表1 2009年1月春节期间关口功率因数合格率%

春节期间系统主网的电容器已全部切除，导致关口功率因数不达标的主要因素有：

（1）A变负荷被E变分割，负荷较轻；另有新电厂并网，向系统倒送无功，导致A变和E变消耗无功的能力下降。

（2）C变和D变地处该地区东部，靠近城区，110 kV电缆和10 kV电缆较多，系统充电功率大，消耗无功能力差；另有燃机并网于D变，向系统倒送无功。由此可见，该区域电网存在的主要问题是由于春节期间电网极度轻载，系统感性无功不足，造成关口功率因数不达标。分析认为加装电抗器可以改善系统无功消耗能力。

2 区域电网电抗器规划方法

电抗器规划研究的目的是：保证规划地区的无功平衡，提高区域电网电压的质量，使区域电网无功、电压优化运行；提高功率因数，改善区域电网的电能质量和提高电力企业的经济效益；

合理确定无功补偿的方式、容量和安装地点，使补偿效果最佳。针对区域电网春节期间关口功率因数合格率不达标的问题，提出并制订了相应的电抗器补偿规划方案，以期提高关口功率因数合格率和供电可靠性。

2.1 模型介绍

2.1.1 目标函数

针对区域电网安全稳定的运行特点，建立了多目标规划模型，目标函数为：

式中：Pφ为春节期间关口功率因数合格率；Qv为春节期间的电压质量合格率；ΔP为网络有功损耗；C为电抗器补偿设备的投资；Kr为单位容量电抗器补偿设备投资；Qri为第i个节点安装的电抗器补偿设备的容量；nr为安装了电抗器的总节点数。

2.1.2 约束条件

将约束条件分为等式约束和不等式约束两部分，等式约束条件即为潮流方程约束，不等式约束条件如下：

（1）关口功率因数约束：cosφimin≤cosφi≤cosφimax。

（2）电压上下限约束：Vimin≤Vi≤Vimax。

（3）电容器、电抗器和有载变抽头动作次数约束：Aimin≤Ai≤Aimax。

（4）电容器、电抗器的出力约束：Qrimin≤Qri≤Qri ma x。

（5）有载变比约束：Kijmin≤Kij≤Kijmax。

2.2 算法选择

针对上述规划模型，采用分层求解的方式，即将目标按其重要性进行排序，每次都在前一目标的最优解集内求取下一个目标最优解，直到求出所有目标共同的最优解。这里将各个目标按重要程度依次划分为4个优先级，“关口功率因数合格率”为第一优先层，“电压质量合格率”为第二优先层，“网络损耗”为第三优先层，“无功补偿装置的投资”为第四优先层。

基于实测SCADA（数据采集与监控系统）数据、并且通过对该区域电网2009年1月25日的运行情况进行潮流模拟及无功能力评估得到的各供区感性无功缺额见表2，而对于5个供区的所有110 kV变电站，因其春节期间的感性无功缺额都太小，平均不足1 Mvar，不适宜安装电抗器（由于缺少220 kV A变、B变的数据，所以无法对这两个供区的感性无功缺额进行统计）。

鉴于C变、D变、E变的平均感性无功缺额分别为4.146 Mvar、4.962 Mvar、0.96 Mvar，感性无功缺额均不足5 Mvar。因此，根据《6 kV～35 kV级干式并联电抗器技术参数和要求》得出本项目各个供区实际可行的电抗器最大规划容量为5 Mvar、规划方案数在6个以下，因此具体求解过程采用枚举法。

表2 1月25日该区域电网各区感性无功缺额Mvar

3 方案对比

3.1 方案阐述

基于枚举法，通过上节对2009年春节期间典型日（1月25日）的潮流模拟分析，得出该区域电网具有春节期间全网感性无功不足的特点，并考虑到该区域220 kV变电站每台变压器限制装1组电抗器无功补偿装置。在查阅相关电抗器技术资料后，采用在220 kV变电站的两台主变压器低压侧对称装设无功补偿电抗器的方式，并根据各区感性无功缺额制定出以下初选方案进行研究，详见表3，其中由于缺少220 kV A变、B变的数据，所以无法对这两个供区的220 kV变电站进行电抗器无功补偿规划研究。考虑到正常运行方式下各供区之间没有功率联系，因而各供区的规划方案相互独立。

表3 电抗器无功补偿初选方案Mvar

为了模拟不同电抗器接入方案对电网的影响，需要制定该区域电网3个低压侧为35 kV电压等级的220 kV关口无功补偿电抗器动作策略。参照《杭州市电力局变电站无功设备投切控制规定（试行）》中“220 kV变电站现场控制原则”的相关规定，具体规划如下：

（1）对于低压侧为35 kV出线的变电站，无功电压调节应采取功率因数优先的方式。

高压侧功率因数超上限或高压侧产生无功倒送时，先切除电容器，如果功率因数仍不满足考核要求，再投入电抗器。如果投切无功设备造成了电压越下限，应及时上调有载分接头。

高压侧功率因数超下限时，先切除电抗器，如果功率因数仍不满足考核要求，再投入本站电容器。如果投切无功设备造成了电压越上限，应及时下调有载分接头。

高压侧功率因数在合格范围内时，如果无功设备投切既有利于调整电压，又不会导致功率因数越限，则优先投切无功设备，否则优先调整主变有载分接头。

投切本站无功设备原则上应保证低压母线电压在33.95～37.45 kV，特殊情况应保证在33.25～38.5 kV，否则不投切本站无功设备。

（2）对于低压侧无出线的变电站，无功电压调节应采取功率因数优先的方式。

高压侧功率因数超上限或高压侧产生无功倒送时，先切除电容器，如果功率因数仍不满足考核要求，再投入电抗器。

高压侧功率因数超下限时，先切除电抗器，如果功率因数仍不满足考核要求，再投入本站电容器。

投切本站无功设备造成低压母线电压越限时，有载主变应通过调整分接头来保证低压侧母线电压。

3.2 方案对比

根据以上方案，应用前述模型和算法及电抗器动作策略，对2009年1月25日的负荷数据进行潮流模拟计算。通过关口功率因数合格率、10 kV母线电压合格率、网络有功损耗以及投资费用等指标来对比各种初选方案，并最终选定最优方案（投资费用按照5.0万元/Mvar进行计算）。各变电站1月25日的规划方案对比见表4-表6。

通过对比分析可以得出：C变供区，在2、3号主变压器低压侧各装设2.5 Mvar的电抗器为最

表4 1月25日C变电抗器规划方案对比

表5 1月25日D变电抗器规划方案对比

表6 1月25日E变电抗器规划方案对比

优方案，春节期间关口功率因数合格率由零达到100%；D变供区，在1、2号主变压器低压侧各装设2.5 Mvar的电抗器为最优方案，春节期间关口功率因数合格率由零达到100%；E变供区，在1、2号主变压器低压侧各装设2.5 Mvar的电抗器为最优方案，春节期间关口功率因数合格率由零达到70.242 2%。

因此最终规划方案为：在C变供区的2、3号主变压器、D变供区的1号和2号主变压器、E变供区的1号和2号主变压器低压侧各装设2.5 Mvar的电抗器。通过实施加装电抗器的规划方案，可以大幅提高该区域电网春节期间的220 kV关口功率因数合格率，改善电网的无功平衡状态，验证了该区域电网电抗器规划方法具有一定的可行性，同时该方法简单，可操作性强，适宜在区域电网中进行推广。

4 结语

针对某区域电网春节期间由于系统极度轻载导致关口功率因数考核不达标的问题，提出了电抗器的规划方法并给出方案。通过计算、对比分析，制定出最优方案并验证其有效性，证明通过实施该方法可以有效改善春节期间的无功平衡状态，提高电网关口功率因数合格率。

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[3]全国变压器标准化技术委员会.JB/T 10775-2007 6 kV-35 kV级干式并联电抗器技术参数和要求[S].北京：机械工业出版社，2007.

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[5]祝春捷，李连强，沈宝兴，等.变电所电压无功装置的应用探讨[J].浙江电力，2002（1）:26-28.

（本文编辑：龚 皓）

Planning and Research on Reactive Power Optimization Scheme for Regional Power Grid

LIU Yong-sheng，LI Ti-yin，BAO Zheng-ming，HUANG He，YAO Hai-yan
（Yuhang Power Supply Bureau,Hangzhou 311100,China）

Through the analysis of the voltage and reactive power problems found in a regional power grid during the Spring Festival,the installation plan of the reactor reactive power compensation equipment was proposed and research on the reactor planning was carried out.The result shows that the configuration optimization of reactor reactive power compensation device can significantly improve the eligibility of gateway power factor in the regional power grid during the Spring Festival and effectively enhance the quality of power grid operation.

regionalpower grid；reactive power compensation；power factor；reactor

TM715

A

1007-1881（2010）12-0022-03

2010-02-26

刘永胜（1966-），男，浙江余杭人，工程师，从事电力科技应用及信息化建设工作。