高壓配電網(wǎng)無功運行狀態(tài)評估指標(biāo)體系研究

高壓配電網(wǎng)無功運行狀態(tài)評估指標(biāo)體系研究

0城市配電網(wǎng)電壓無功現(xiàn)狀評估體系的構(gòu)建電力網(wǎng)絡(luò)直接面向用戶的電力網(wǎng)絡(luò)。其主要目標(biāo)是滿足地區(qū)用戶的能源消耗，并尋求供電公司自身利益的最大化。高壓配電網(wǎng)是連接輸電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)的紐帶,直接關(guān)系著供電質(zhì)量和供電效益,在其實際運行過程中,需要精確掌握電網(wǎng)運行狀態(tài),分析運行中存在的薄弱環(huán)節(jié),為電網(wǎng)的進一步規(guī)劃指明方向。合理的無功補償容量配置及有效的電壓無功控制措施,不僅能保證高壓配電網(wǎng)電壓質(zhì)量,提高電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性,而且能降低電網(wǎng)電能損耗,提高設(shè)備輸電能力,充分發(fā)揮高壓配電網(wǎng)運行經(jīng)濟效益。目前,現(xiàn)有文獻[5,6,7,8,9,10,11,12]主要針對電網(wǎng)無功優(yōu)化及規(guī)劃方法進行研究,未深入研究電網(wǎng)無功運行狀態(tài)評估方法。為此,有必要從無功補償容量配置和電壓無功控制能力2方面建立高壓配電網(wǎng)評估體系,以精細化評估高壓配電網(wǎng)無功運行狀態(tài)?，F(xiàn)有電壓無功運行導(dǎo)則和規(guī)定明確了無功補償設(shè)備的配置原則、各級電壓質(zhì)量的合格范圍及功率因數(shù)的合理運行水平,是指導(dǎo)我國電網(wǎng)電壓無功運行、規(guī)劃和管理的重要考核依據(jù),但還無法完全滿足精細評估電網(wǎng)無功運行狀態(tài)的要求,因而有必要提出全面精細化的評估指標(biāo)體系。文獻提出以“發(fā)電廠平均功率因數(shù)”為指標(biāo),評價220kV及以下電網(wǎng)的感性無功充裕情況,以確定合理的感性無功補償容量,但未涉及容性無功補償容量配置和電壓無功控制能力的評估問題,因此無法全面評估電網(wǎng)無功運行狀態(tài)。文獻從配置水平、維護水平和運行水平3方面建立了一套較完備的城市配電網(wǎng)電壓無功現(xiàn)狀評估指標(biāo)體系,能夠較全面地評估全網(wǎng)的電壓無功現(xiàn)狀,但該指標(biāo)體系針對的是全網(wǎng)評估,無法精細到變電站和主變的無功運行狀態(tài),因而無法確定電壓無功問題出現(xiàn)的原因。另外,現(xiàn)有導(dǎo)則和規(guī)定一般根據(jù)負荷的輕重載水平分別給出電壓無功的考核要求和運行期望,因此有必要以全網(wǎng)、變電站和主變?yōu)閷ο?評估功率因數(shù)、電壓和中樞點調(diào)壓與負荷輕重載水平的匹配情況。本文結(jié)合電網(wǎng)實際運行特點,依據(jù)各相關(guān)導(dǎo)則和規(guī)定的考核標(biāo)準和運行期望,將分別從無功補償容量配置及電壓無功控制能力2方面提出高壓配電網(wǎng)無功運行狀態(tài)評估指標(biāo)體系,以追蹤存在的電壓無功問題及導(dǎo)致該類問題的根源,以期為高壓配電網(wǎng)電壓無功運行的精細化管理提供參考。1評價高壓供電網(wǎng)絡(luò)獨立運行的性能指標(biāo)1.1評估指標(biāo)體系和目無功運行狀態(tài)評估指標(biāo)體系是進行高壓配電網(wǎng)無功運行狀態(tài)評估的基礎(chǔ),指標(biāo)體系的優(yōu)劣直接影響評估結(jié)果的好壞。由于高壓配電網(wǎng)無功補償裝置和電壓無功控制裝置一般集中在變電站內(nèi),因此本文提出的評估指標(biāo)體系主要針對變電站內(nèi)主變和整個高壓配電網(wǎng),以實現(xiàn)由點到面地評估。該評估指標(biāo)體系主要由無功補償容量配置和電壓無功控制能力2類一級指標(biāo)構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2容/感性無功總?cè)萘科ヅ涠葻o功補償容量配置評估指標(biāo)主要用于評估主變和高壓配電網(wǎng)無功補償?shù)目側(cè)萘?確定單組容量配置是否充裕、是否滿足負荷輕重載水平下的電壓無功考核要求,并追蹤存在的無功配置問題,確定引起問題的原因,該指標(biāo)包括以下4種二級指標(biāo):1)容/感性無功總?cè)萘垦a償度。容/感性無功總?cè)萘垦a償度主要用來評估變電站內(nèi)主變及高壓配電網(wǎng)容/感性無功補償總?cè)萘颗渲檬欠駶M足相關(guān)導(dǎo)則及規(guī)定要求。設(shè)高壓配電網(wǎng)有m座變電站,變電站i(i=1,2,…,m)的主變臺數(shù)為ni,變電站i的第j(j=1,2,…,ni)臺主變的額定容量、容/感性無功補償配置的總?cè)萘糠謩e為Sij、Cij、Rij,則第j臺主變的容性無功總?cè)萘垦a償度為整個高壓配電網(wǎng)的容性無功總?cè)萘垦a償度為若將式(1)(2)中的Cij換為Rij可定義為主變和高壓配電網(wǎng)的感性無功總?cè)萘垦a償度CRMTj、CCHDN。按照相關(guān)規(guī)定,220、110kV變電站主變的容性無功總?cè)萘垦a償度合理范圍分別為10%~25%和10%~30%。2)容/感性無功總?cè)萘控摵善ヅ涠?。?感性無功總?cè)萘控摵善ヅ涠戎饕脕碓u估主變和高壓配電網(wǎng)的容/感性無功補償總?cè)萘磕芊駶M足功率因數(shù)考核要求。設(shè)在典型日內(nèi)共有N個數(shù)據(jù)采集時刻,時刻k(k=1,2,…,N)時,變電站i的第j臺主變的有功負荷、無功負荷分別為Pij-k、Qij-k,功率因數(shù)考核上下限分別為cosuf06amax-k、cosuf06amin-k,全網(wǎng)的有功負荷、無功負荷及無功損耗分別為Pk、Qk、Lk,則式中:LMDOC、LMDOR分別為單臺主變及整個高壓配電網(wǎng)的容/感性無功總?cè)萘控摵善ヅ涠?TLC、TLR分別為典型日內(nèi)容/感性無功總?cè)萘繚M足功率因數(shù)考核要求的時刻數(shù)量。對于單臺主變,若(Cij+Pij-ktanψmin-k≥Qij-k或(-Rij+Pij-ktanψmax-k≤Qij-k,則k為滿足功率因數(shù)考核要求的時刻。對于高壓配電網(wǎng),若則k為滿足率因數(shù)考核要求的時刻。若LMDOC、LMDOR均為100%,則容/感性無功補償總?cè)萘客耆珴M足該典型日的功率因數(shù)考核要求。LMDOC/LMDOR越小,則容/感性無功補償總?cè)萘繉ω摵傻钠ヅ涑潭仍降?即現(xiàn)有容/感性無功補償總?cè)萘颗渲貌怀浞?需要考慮增加無功補償配置。3)容/感性無功總?cè)萘咳鳖~。對于容/感性無功總?cè)萘坎粷M足功率因數(shù)考核要求的時刻,為達到功率因數(shù)考核要求需要增加的容/感性無功總?cè)萘康木禐槿?感性無功總?cè)萘咳鳖~(CRTCS、RRTCS)。CRTCS、RRTCS是對容/感性無功總?cè)萘控摵善ヅ涠鹊倪M一步補充,可定量評估主變和高壓配電網(wǎng)容/感性無功補償總?cè)萘康娜鳖~。4)容/感性無功補償設(shè)備單組容量配置不當(dāng)率。容/感性無功補償設(shè)備單組容量配置不當(dāng)率用于評估主變?nèi)?感性無功補償設(shè)備單組容量配置能否滿足功率因數(shù)考核要求。設(shè)變電站i的第j臺主變的容/感性無功補償設(shè)備單組容量分別為CS-ij、RS-ij,高壓側(cè)流過的有功功率、無功功率分別為Pij.H-k、Qij.H-k,則式中:IROSC、IROSR為容/感性無功補償設(shè)備單組容量配置不當(dāng)率;TIC和TIR分別為典型日內(nèi)容/感性無功補償設(shè)備單組容量無論投切都不能滿足功率因數(shù)要求的時刻數(shù)量。對于單臺主變,則k為容性(QS-ij=CS-ij時)或感性(QS-ij=RS-ij時)無功補償設(shè)備單組容量無論投切都不能滿足功率因數(shù)要求的時刻。若IROSC、IROSR均為0%,則表明配置的容/感性無功補償設(shè)備單組容量能完全滿足該典型日的功率因數(shù)考核要求。IROSC、IROSR越大,則配置的單組容量對負荷的匹配程度越低,即現(xiàn)有容/感性無功補償單組容量配置不當(dāng),需要考慮重新配置該主變的無功補償設(shè)備單組容量。1.3多負荷匹配無主變無功補償控制策略電壓無功控制能力評估指標(biāo)主要用于評估主變和高壓配電網(wǎng)在典型日負荷輕重載水平下的功率因數(shù)、電壓的考核情況及運行期望的滿足情況,以追蹤存在的電壓無功問題,確定引起問題的原因,該一級指標(biāo)包括以下2種二級指標(biāo):1)無功控制能力。無功控制能力指標(biāo)包括功率因數(shù)合格率、無功控制過/欠補償率、功率因數(shù)負荷匹配度和電容/抗器動作次數(shù)超標(biāo)率4種三級指標(biāo)。功率因數(shù)合格率各供電單位已有統(tǒng)計方法,本文不再贅述,以下將介紹其余各三級指標(biāo)。(1)無功控制過/欠補償率。無功控制過補償率用于評估典型日內(nèi)由于過度投入電容器或過度切除電抗器而導(dǎo)致考核點功率因數(shù)越過上限的情況。無功控制欠補償率用于評估典型日內(nèi)由于少投入電容器或少切除電抗器而導(dǎo)致考核點功率因數(shù)低于下限的情況。設(shè)在k時刻,變電站i的第j臺主變的實際無功補償容量和高壓側(cè)功率因數(shù)分別為QijA-k、cosuf06aij-k,則在典型日內(nèi),若ERORC、LRORC保持較高水平,則表明該主變的無功補償控制策略制定的不恰當(dāng),從而會導(dǎo)致功率因數(shù)越限,此時需要對該主變無功補償控制策略進行修正。(2)功率因數(shù)負荷匹配度。實際電網(wǎng)運行中,高峰與低谷負荷時段對功率因數(shù)的考核要求和運行期望不同,如高峰、低谷時段功率因數(shù)考核范圍分別為0.95~1、0.93~0.97pu,并且期望高峰負荷時功率因數(shù)偏向考核范圍的上限,低谷負荷時偏向考核范圍的下限。因此,除了功率因數(shù)合格率外,還有必要評估功率因數(shù)能否滿足負荷輕重載情況下的功率因數(shù)期望及其滿足程度,即功率因數(shù)負荷匹配度:式中TPF為典型日內(nèi)高峰、低谷時刻功率因數(shù)滿足負荷輕重載情況下功率因數(shù)期望的時刻數(shù)量。對于單臺主變,若高峰時段時cosψij-k>0.97,則k為功率因數(shù)滿足負荷重載下功率因數(shù)期望的時刻;若低谷時段時0.95>cosψij-k>0.93,則k為功率因數(shù)滿足負荷輕載下功率因數(shù)期望的時刻。對全網(wǎng)主變考核點的功率因數(shù)負荷匹配度取加權(quán)平均可得到全網(wǎng)的功率因數(shù)負荷匹配度。LMDOPF越高,則表明功率因數(shù)與負荷相匹配的期望程度越高。LMDOPF較低,則表明該主變的無功補償控制策略制定的不夠完善,從而導(dǎo)致功率因數(shù)與負荷相匹配的期望程度不高,此時可考慮對該主變的無功補償控制策略進行改進。(3)補償器動作次數(shù)超標(biāo)率。補償器動作次數(shù)超標(biāo)率主要用于評估電容器、電抗器是否動作頻繁以及頻繁動作的程度。設(shè)變電站i的第j臺主變在規(guī)定時段內(nèi)補償器的實際動作次數(shù)為Tij、動作次數(shù)上限為Tmax,則如果EROC不為0,則該補償器存在動作頻繁問題,EROC越大,動作頻繁程度越嚴重。2)電壓控制能力。電壓控制能力評估指標(biāo)主要包括電壓合格率、電壓過高/低率、中樞點逆調(diào)壓滿足率和主變抽頭動作次數(shù)超標(biāo)率4種三級指標(biāo)。電壓合格率各供電單位已有統(tǒng)計方法,電壓過高/低率與電壓合格率類似,本文不再贅述。主變抽頭動作次數(shù)超標(biāo)率(EROT)的定義與EROC類似,本文也不再闡述,以下將主要介紹中樞點逆調(diào)壓滿足率。中樞點逆調(diào)壓滿足率(SRORV)主要評估通過實際電壓無功控制使中樞點滿足逆調(diào)壓原則的程度。逆調(diào)壓原則為:中樞點電壓在高峰負荷時較額定電壓升高5%,在低谷負荷時下降為額定電壓。式中TRV為典型日內(nèi)中樞點滿足逆調(diào)壓原則的時刻數(shù)量。設(shè)在時刻k,中樞點i的額定電壓和實際電壓分別為UN和Ui-k,若高峰時段滿足1.07UN>Ui-k>1.03UN或低谷時段滿足1.03UN>Ui-k>UN,則k為滿足中樞點逆調(diào)壓時刻。對全網(wǎng)所有中樞點的逆調(diào)壓滿足率取加權(quán)平均可得到全網(wǎng)的中樞點逆調(diào)壓滿足率。SRORV越高,則表明中樞點逆調(diào)壓情況越理想,電壓水平越好。逆調(diào)壓滿足率考核也可分高峰時段和低谷時段分別考核。若SRORV較低,則表明該中樞點的電壓控制策略制定的不夠完善,從而導(dǎo)致中樞點滿足逆調(diào)壓原則的程度不高,此時可考慮對該中樞點的電壓控制策略進行改進。2計算與分析2.1典型高壓配電網(wǎng)本文選取2009年1月25日(冬季最小負荷典型日)和7月16日(夏季最大負荷典型日)的浙江余杭電網(wǎng)為對象進行無功運行狀態(tài)評估。該電網(wǎng)共有3座220kV變電站和13座110kV變電站。220、110kV變電站的總?cè)萘糠謩e為1200、1019MVA,安裝電容器的總?cè)萘糠謩e為139.2、271.8Mvar,均未安裝電抗器。典型日下,余杭電網(wǎng)可分為大陸變供區(qū)、乾元變供區(qū)和橫嶺變供區(qū)3個獨立的高壓配電網(wǎng),如圖2所示。本節(jié)將選取具有代表性的乾元變供區(qū)加以分析,其中乾元變供區(qū)的五杭、塘棲變電站內(nèi)的主變序號從左至右依次增大。2.2容性無功補償設(shè)備配置不足問題本文分別在最大和最小負荷典型日對乾元變供區(qū)高壓配電網(wǎng)及各主變進行了容/感性無功補償容量配置評估,結(jié)果如表1、2所示。由表1可知,在容性無功容量配置方面,乾元變供區(qū)全網(wǎng)容性無功補償度符合規(guī)定,且不存在容性無功補償總?cè)萘坎蛔慊騿谓M容量配置不當(dāng)?shù)膯栴}。但由五杭1號主變評估結(jié)果(CCMTj=10%、LMDOC=60%、CRTCS=3.2Mvar、IROSC=0)可知,雖然其容性無功總?cè)萘垦a償度符合規(guī)定,但容性無功補償總?cè)萘恳巡粷M足典型日的功率因數(shù)考核要求,存在3.2Mvar的容性無功缺額,需考慮加裝容性無功補償設(shè)備。塘棲變3號主變則由于未裝設(shè)電容器(CCMTj=0)導(dǎo)致無功總?cè)萘控摵善ヅ涠冗^低(LMDOC=20%),存在1.1Mvar的容性無功缺額。同理可得其余主變不存在容性無功容量配置問題。由表2可知,雖然乾元變供區(qū)從全網(wǎng)角度來看不存在容性無功容量配置問題,但從局部主變來看五杭1號主變和塘棲3號主變存在容性無功總?cè)萘颗渲貌蛔銌栴},需考慮加裝容性無功補償設(shè)備。由于余杭電網(wǎng)未裝設(shè)電抗器等感性無功補償設(shè)備,因此從全網(wǎng)到主變CRMTj均為0,且在冬季最小負荷典型日,供區(qū)和各主變的感性無功總?cè)萘控摵善ヅ涠确浅５?LMDOR=0%、8%或12%)。110kV主變的感性無功缺額反映到220kV乾元變及整個供區(qū),使感性無功缺額不斷集中(乾元1號主變RRTCS=2.4Mvar;乾元變供區(qū)RRTCS=4.1Mvar)。因此乾元變供區(qū)各主變均存在感性無功補償不足問題,需對該供區(qū)裝設(shè)電抗器無功補償裝置以改善整個網(wǎng)絡(luò)在最小負荷時的無功消耗能力。由以上分析可知,容/感性無功補償容量配置評估指標(biāo)不僅能評估乾元變供區(qū)及其主變的容/感性無功配置情況,還能夠追蹤其容/感性無功容量配置問題,確定引起問題的原因,實現(xiàn)精細化評估。2.3主變電壓無功能力評估根據(jù)余杭供電局動作次數(shù)規(guī)定,余杭電網(wǎng)1d內(nèi)主變抽頭動作限制次數(shù)為:0:00—7:00為4次,7:00—10:00為4次,10:00—22:00為8次,22:00—24:00為2次;1d內(nèi)電容器的動作次數(shù)限制根據(jù)所安裝主變電壓等級的不同分為:10次(220kV)、24次(110kV)。乾元變供區(qū)及主變電壓無功控制能力評估結(jié)果見表3。在無功控制能力方面,漁橋1、2號主變的功率因數(shù)合格率分別為87.7%、95.5%,均不太高,這是由無功過補償引起的(ERORC=12.3%、4.5%),即低谷負荷時段存在過度投入或未及時切除電容器的情況。在功率因數(shù)合格時段,無功補償控制與負荷匹配較