張術(shù)

（加州州立大學(xué)北嶺分校 電氣與計算機學(xué)院，美國 加州北嶺 91330）

電能質(zhì)量對供電企業(yè)和電力用戶是極其重要的。它關(guān)系到二者能否安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行、輸變配電設(shè)備與用電設(shè)備的壽命和用戶產(chǎn)品質(zhì)量的高低。電能質(zhì)量的高低對供電企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益會產(chǎn)生重大影響。

無功功率的傳輸不但沿傳輸途徑產(chǎn)生電壓降落，而且產(chǎn)生輸變配電損耗。由于全社會消耗電能基數(shù)巨大，即使百分比率很低的輸變配電損耗效益也非?？捎^。

地區(qū)電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師在保證地區(qū)電網(wǎng)電壓合格率、降低輸變電電能損耗和延長無功補償設(shè)備壽命方面發(fā)揮著重要作用。本文討論了傳統(tǒng)、當(dāng)下和智能電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師的工作要點。

1 定義

傳統(tǒng)電網(wǎng)：電網(wǎng)框架基本以輻射狀網(wǎng)絡(luò)為主，具有一定數(shù)量的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；尚未建設(shè)調(diào)度自動化系統(tǒng)或只建設(shè)了調(diào)度自動化系統(tǒng)SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)；時間上劃分在20世紀(jì)90年代初葉以前。

當(dāng)下電網(wǎng)：電網(wǎng)框架為輻射狀網(wǎng)絡(luò)與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合；建設(shè)了完備的調(diào)度自動化系統(tǒng)EMS（Energy Management System能量管理系統(tǒng)）；時間上劃分在20世紀(jì)90年代中葉到統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)初步建設(shè)完畢，即21世紀(jì)10年代中期。

智能電網(wǎng)：一次電網(wǎng)的可靠性達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)；電網(wǎng)的信息化、互動化和自動化達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)；智能電網(wǎng)建設(shè)是一個一次電網(wǎng)建設(shè)與信息技術(shù)在電網(wǎng)中高度應(yīng)用有機結(jié)合的過程，按照現(xiàn)在的規(guī)劃到21世紀(jì)10年代中期統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)初步建設(shè)完畢。

2 傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點

符合本文定義的傳統(tǒng)電網(wǎng)已經(jīng)很少見了。然而由于傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作的基本功是當(dāng)下電網(wǎng)乃至于智能電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作的基礎(chǔ)，因此對傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點進(jìn)行詳細(xì)討論是十分必要的[1]。

2.1 清晰掌握本地區(qū)電力網(wǎng)無功電壓工作現(xiàn)狀和特點

1）定期統(tǒng)計地區(qū)電網(wǎng)自然無功負(fù)荷、負(fù)荷率和峰谷比。地區(qū)電網(wǎng)自然無功負(fù)荷應(yīng)是發(fā)電廠無功出力、一次變電站主變壓器高壓側(cè)無功功率、調(diào)相機無功出力和投入運行的并補無功容量之和，二次變電站自然無功負(fù)荷則為主變壓器低壓側(cè)開關(guān)無功負(fù)荷與投入運行的并補電容器容量相加。用于計算負(fù)荷率和峰谷比的最大負(fù)荷與最小負(fù)荷應(yīng)具有代表性。

2）定期統(tǒng)計地區(qū)電網(wǎng)無功補償裝置配置情況和無功補償缺額。地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)無功補償裝置配置情況：發(fā)電廠無功出力、調(diào)相機無功出力和并聯(lián)補償電容器。明確補償情況相對較好和無功補償缺口的具體情況。

3）每日掌握地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)補償電容器和調(diào)相機具備運行條件的臺數(shù)和容量。根據(jù)具備運行條件的地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)補償電容器和調(diào)相機的臺數(shù)、容量，制定AVC或人工調(diào)整具體方案。

4）定期統(tǒng)計地區(qū)電網(wǎng)二次變電站10 kV/6 kV母線電壓波動值。統(tǒng)計出各二次變10 kV母線電壓最大波動范圍,有利于對運行方式安排和對電網(wǎng)改造提出具體建議。統(tǒng)計應(yīng)注明是否已把電容器變主變分接開關(guān)的調(diào)節(jié)作用和鄰近電網(wǎng)發(fā)電機、調(diào)相機的調(diào)整包含在內(nèi)。

2.2 提出電網(wǎng)無功電壓工作的方針目標(biāo)并組織實施

1）在現(xiàn)有電網(wǎng)供電能力下充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的潛力，使電壓合格率、功率因數(shù)和安全經(jīng)濟運行水平達(dá)到最佳程度。

2）采用一次變電站和二次變電站兩級有載調(diào)壓變壓器及分組式并聯(lián)補償電容器。

3）根據(jù)無功和調(diào)壓設(shè)備性能，制定既滿足電能質(zhì)量要求又保證設(shè)備長壽命周期運行和運行維護(hù)費用最低的兼顧策略。

2.3 制訂地區(qū)電網(wǎng)無功電壓運行管理規(guī)定

無功設(shè)備運行規(guī)定應(yīng)包括管轄范圍內(nèi)發(fā)電機、調(diào)相機和并聯(lián)電容器等設(shè)備的運行規(guī)定。發(fā)電機和調(diào)相機進(jìn)相/遲相、無功出力的額度和改變運行方式的時間，均應(yīng)在規(guī)定范圍之內(nèi)；而電容器的運行規(guī)定應(yīng)包含變電站母線電壓上限與下限值、通過主變壓器的無功功率、操作時間和執(zhí)行操作的種類等內(nèi)容。

調(diào)壓裝置運行規(guī)定主要是針對變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)。規(guī)定應(yīng)明確分接開關(guān)調(diào)整的電壓閾值、待調(diào)整主變壓器允許操作的負(fù)荷限值、并列運行主變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)調(diào)整的順序、新投入運行主變壓器檔位設(shè)定和最小試驗調(diào)整幅度。

在無功補償缺額的電網(wǎng)中，應(yīng)盡量保持并聯(lián)無功補償裝置的投入運行，以主變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)的調(diào)整作為主要電壓調(diào)整手段。

無功充足電網(wǎng)要在更臨近無功負(fù)荷高峰時投入并聯(lián)無功補償裝置，無功缺額較大的電網(wǎng)要在無功負(fù)荷呈現(xiàn)一致性增長的適當(dāng)時機盡早投入并聯(lián)無功補償裝置。

2.4 適時下達(dá)電網(wǎng)無功電壓調(diào)整方案

1）適應(yīng)經(jīng)濟運行、電網(wǎng)檢修、異常和事故所造成電網(wǎng)運行方式變化后的調(diào)整方案，重點考慮由于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通過輸變電設(shè)備的潮流量值發(fā)生變化。特別是要給出電網(wǎng)在N-1和N-2方式下的無功電壓調(diào)整方案。

2）適應(yīng)季節(jié)負(fù)荷變化的調(diào)整方案，重點考慮由于空調(diào)、供暖和灌溉等季節(jié)變化而產(chǎn)生的通過輸變電設(shè)備的潮流量值的增減變化。

3）適應(yīng)重大節(jié)假日的調(diào)整方案，重點考慮由于春節(jié)和國慶黃金周部分企事業(yè)單位放假而產(chǎn)生的通過輸變電設(shè)備的潮流量值的增減變化。

4）新投入運行變電站主變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)檔位設(shè)置和并聯(lián)無功補償裝置運行方案。

以上各種方案均應(yīng)考慮變電站備用電壓自投動作改變運行方式后電壓的合理性。

2.5 對電網(wǎng)運行人員進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)無功電壓運行管理規(guī)定和無功電壓調(diào)整方案的培訓(xùn)

1）使運行人員明確監(jiān)測點母線電壓允許偏差范圍和功率因數(shù)的要求。二次變電站10 kV母線電壓允許偏差范圍為10.0耀10.7 kV；35耀220 kV變電站在主變壓器最大負(fù)荷時高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95，在低谷負(fù)荷時功率因數(shù)不高于0.95。

2）使運行人員明確電容器的投切和主變壓器有載調(diào)壓開關(guān)調(diào)整的原則。電容器的投切和主變壓器有載調(diào)壓開關(guān)的調(diào)整應(yīng)考慮4個方面的問題：電容器所在變電站的母線電壓、通過該變電站主變變壓器的無功功率、并聯(lián)無功補償裝置的容量和所供給負(fù)荷變化的概率統(tǒng)計規(guī)律。

3）使運行人員明確無功補償裝置故障后和新投入運行前應(yīng)履行的報告程序。無功補償裝置故障后和新投入運行前，運行單位除要報告檢修單位外，還要及時報告無功電壓專責(zé)工程師等專業(yè)管理人員。

2.6 為電網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)

1）根據(jù)自然無功負(fù)荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照無功負(fù)荷分層分區(qū)、就地平衡的原則配置補償設(shè)備。

2）立足當(dāng)前，兼顧長遠(yuǎn)，考慮一定的冗余備用和故障備用。

3）綜合考慮電網(wǎng)地域季節(jié)無功負(fù)荷量值的差異，在不同季節(jié)無功負(fù)荷的情況下仍能有比較理想的補償效果。

3 當(dāng)下電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點

傳統(tǒng)電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點是當(dāng)下電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點的重要組成部分。然而由于電網(wǎng)框架為輻射狀網(wǎng)絡(luò)與環(huán)形網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建設(shè)了完備的調(diào)度自動化系統(tǒng)EMS，當(dāng)下電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作又有新的內(nèi)容。

3.1 運用EMS中電網(wǎng)分析軟件進(jìn)行運行方式優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹顟B(tài)估計、調(diào)度員潮流、無功優(yōu)化和負(fù)荷預(yù)測是地區(qū)電網(wǎng)自動化系統(tǒng)基本功能軟件。應(yīng)用這些電網(wǎng)高級分析軟件，可以對電網(wǎng)運行方式進(jìn)行優(yōu)化分析。在現(xiàn)行電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和無功補償容量的前提下，滿足電網(wǎng)各節(jié)點運行電壓要求的同時使輸送電能網(wǎng)絡(luò)損耗最低。

合理選擇潮流斷面對電網(wǎng)優(yōu)化計算十分重要，決定了計算結(jié)果對電網(wǎng)運行是否有指導(dǎo)意義。高峰、低谷和腰荷潮流是必不可少的，然而根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷特點選擇出現(xiàn)頻率較高的負(fù)荷斷面同樣具有代表性。

優(yōu)化計算結(jié)果的可信度除與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和電網(wǎng)潮流數(shù)值相關(guān)外，還與電網(wǎng)邊界等值情況密切相關(guān)。應(yīng)用在線外網(wǎng)等值，使得運行方式和負(fù)荷量值變化時電網(wǎng)邊界潮流的變化更加接近實際電網(wǎng)情況，計算結(jié)果的精度和可信度會更加提高。

3.2 制定AVC調(diào)整策略

AVC調(diào)整策主要涉及以下幾個方面：

1）充分了解所控制電網(wǎng)的負(fù)荷特性變化規(guī)律。負(fù)荷變化規(guī)律不同，并聯(lián)無功補償裝置和主變壓器分接開關(guān)調(diào)整策略不同。

2）確定并聯(lián)無功補償裝置投入運行電壓下限值和退出運行的電壓上限值，確定主變壓器分接開關(guān)向上和向下調(diào)整的電壓下限值和電壓上限值。上述限值的確定主要取決于母線所供給負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求程度。

3）確定并聯(lián)無功補償裝置和主變壓器分接開關(guān)每天允許操作的次數(shù)和操作時間間隔。綜合考慮并聯(lián)無功補償裝置和主變壓器分接開關(guān)性能指標(biāo)、健康水平以及電壓質(zhì)量的要求，制定統(tǒng)籌兼顧的調(diào)整方案。

4）確定允許倒送通過主變壓器無功功率的數(shù)值。主變壓器容量不同，無功損耗也不盡相同。允許倒送通過主變壓器無功功率的數(shù)值一般在主變壓器額定不變損耗與2轅3伊可變損耗之和或稍大為宜，這樣能在更多的時間實現(xiàn)無功功率就地平衡的原則。

3.3 適時檢查AVC運行狀態(tài)和調(diào)整策略的正確性

AVC軟件運行是否正常，直接關(guān)系到電網(wǎng)無功電壓控制的效果，即直接關(guān)系到電能質(zhì)量和運行經(jīng)濟性。根據(jù)變電站母線電壓、通過主變壓器的無功潮流和負(fù)荷變化趨勢，對照AVC動作邏輯條件能夠分析判斷出AVC軟件運行是否正常和調(diào)整策略的正確性。

責(zé)任心與對電網(wǎng)和自動化系統(tǒng)了解相結(jié)合，更能使AVC系統(tǒng)發(fā)揮作用。

3.4 管控電能質(zhì)量的5個指標(biāo)

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量理念關(guān)注電壓偏差相對較多，隨著現(xiàn)代社會對電能質(zhì)量要求的不斷提高，頻率、電壓偏差、諧波、電壓波動與閃變和三相不平衡度[2-5]逐步列入管控范圍。采用便攜式電能質(zhì)量測試儀或安裝在線式電能質(zhì)量測試儀對變電站母線電壓進(jìn)行電能質(zhì)量全面測試和分析統(tǒng)計，對超出國家標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)提出治理方案并實施。

4 智能電網(wǎng)無功電壓專責(zé)工程師工作要點

4.1 研究風(fēng)力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源對電網(wǎng)的沖擊和影響

風(fēng)力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源對電網(wǎng)安全穩(wěn)定優(yōu)化運行會產(chǎn)生諸多影響。最主要的是風(fēng)力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源發(fā)電出力的不確定性和變化過程的多樣性，這些影響在大規(guī)模儲能或能量轉(zhuǎn)換技術(shù)成熟以前都是存在的[6-7]。

合理規(guī)劃風(fēng)力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源電站的地點、規(guī)模和接入電網(wǎng)方式，是目前能夠采用的基本方法[8]。而在風(fēng)力和光伏發(fā)電等分布式清潔能源集中接入電網(wǎng)點恰當(dāng)?shù)匕惭b動態(tài)無功補償裝置是應(yīng)對電網(wǎng)電壓波動的另外一個有效措施。

4.2 研究用戶與電網(wǎng)互動后電網(wǎng)運行調(diào)整的辦法

智能電網(wǎng)重要特征就是用戶參與電網(wǎng)運行，電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)能在提前一定時間段內(nèi)知曉用戶的購電計劃，這對提高電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測和母線短期負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性都是有利的，依據(jù)電網(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測和母線短期負(fù)荷預(yù)測而開展的電網(wǎng)優(yōu)化運行分析具有更高的可信度，而優(yōu)化結(jié)果包括輸變電網(wǎng)絡(luò)運行方式、無功補償裝置的運行方案、分布清潔能源發(fā)電的運行和主力電站的起停和出力調(diào)整范圍。

4.3 制訂自愈電網(wǎng)在故障前、故障動態(tài)過程中和自愈后的無功電壓調(diào)整方案

智能電網(wǎng)是自愈的電網(wǎng)，具有故障定位、隔離故障區(qū)段和恢復(fù)其他非故障區(qū)段供電的能力。然而由于故障造成電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和供給負(fù)荷的變化[9-10]，電網(wǎng)的電壓在故障恢復(fù)后需要進(jìn)行及時調(diào)整，在線給出或制訂離線的電壓調(diào)整方案是十分必要的。在線的調(diào)整主要是依賴于自動化系統(tǒng)，可以是閉環(huán)操作或給出調(diào)整建議；而離線的電壓調(diào)整方案則是無功電壓專責(zé)工程師制訂的調(diào)整預(yù)案，作為運行人員進(jìn)行事故處理的依據(jù)。

4.4 滿足21世紀(jì)用戶需求電能質(zhì)量的要求

21世紀(jì)用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，用戶會提出對頻率、電壓偏差、諧波、電壓波動與閃變和三相不平衡度全面定量的指標(biāo)要求，并將這些要求寫入供用電協(xié)議書當(dāng)中，供電企業(yè)應(yīng)全面滿足用戶對電能質(zhì)量的要求。高電能質(zhì)量供電區(qū)域的規(guī)劃與實施、抑制及隔離措施的采用、充足而又具有動態(tài)調(diào)節(jié)特性的無功補償裝置的建設(shè)和網(wǎng)格式電網(wǎng)運行方式的靈活調(diào)整是可能采取的應(yīng)對21世紀(jì)用戶需求電能質(zhì)量要求的重要方法。

4.5 充分理解新時期負(fù)荷特性和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點

與智能電網(wǎng)建設(shè)相伴的城市化進(jìn)程和新農(nóng)村建設(shè)而產(chǎn)生的中小城市是未來電網(wǎng)供電的主要負(fù)荷對象之一。與過去大城市和分散的農(nóng)村2個極端特性負(fù)荷相比，電網(wǎng)的電氣距離、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷量值和負(fù)荷特性均有很大不同。

4.6 掌握新一代智能調(diào)度自動化技術(shù)支持系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用于智能電網(wǎng)中的可視化、決策支持、用戶決策和調(diào)度員培訓(xùn)等技術(shù)支持系統(tǒng)，與現(xiàn)行電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的理念、功能和應(yīng)用范圍均有所不同，無功電壓專責(zé)工程師應(yīng)能掌握新一代智能調(diào)度自動化技術(shù)支持系統(tǒng)的應(yīng)用，為無功電壓調(diào)整提供便捷的技術(shù)支持。

5 結(jié)語

無功電壓專責(zé)工程師的工作質(zhì)量對電網(wǎng)安全穩(wěn)定優(yōu)化運行至關(guān)重要。電網(wǎng)建設(shè)的跳躍式發(fā)展，對無功電壓專責(zé)工程師提出了更高的遞進(jìn)要求。傳承歷史，立足當(dāng)前，超前謀劃，就能應(yīng)對新技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)崗位角色的無縫過渡。

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[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB12326-2000電能質(zhì)量 電壓允許波動和閃變[S].北京：中國電力出版社，2000.

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