劉 濤

（烏蘭察布電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

0 引 言

烏蘭察布地區(qū)電網(wǎng)位于內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)的東端。隨著烏蘭察布地區(qū)電網(wǎng)用電負(fù)荷的逐年攀升，它的負(fù)荷中心的動(dòng)態(tài)無功功率已嚴(yán)重不足。再加上豐泉高載能集中區(qū)同時(shí)也是蒙西電網(wǎng)外送華北網(wǎng)的東送通道，峰谷負(fù)荷差逐漸增大，單回線路輸電容量不斷攀升。大功率線路的投切和大負(fù)荷用戶的啟停，均嚴(yán)重影響無功功率的變化，故烏蘭察布地區(qū)電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓無功的調(diào)節(jié)和控制能力的要求越來越高。

烏蘭察布地區(qū)電網(wǎng)2017年度最大負(fù)荷高達(dá)4 572.9 MW，比2016年的4 004.7 MW增長14.19%。近年來，內(nèi)蒙古電力公司各級(jí)電壓無功專業(yè)管理人員高度重視電壓無功管理工作，注重技術(shù)人員的培訓(xùn)，要求深入、系統(tǒng)地分析各級(jí)無功平衡工作，收集和比較理論仿真和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，確保地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。烏蘭察布電網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜，網(wǎng)內(nèi)火力發(fā)電的電源點(diǎn)偏少，風(fēng)電、光伏等新能源負(fù)荷接入較多。外加呼豐斷面的影響，各地區(qū)負(fù)荷差距較大，電網(wǎng)間無功資源分布不均，系統(tǒng)內(nèi)存在大量無功的遠(yuǎn)距離傳輸，無功分層分區(qū)就地平衡矛盾突出。本文通過分析烏蘭察布地區(qū)電網(wǎng)2017年電壓無功平衡、無功設(shè)備及電壓運(yùn)行狀況和現(xiàn)有地區(qū)電網(wǎng)AVC系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題，提出了一系列的平衡措施[1]。

1 地區(qū)主網(wǎng)無功分層平衡情況分析

烏蘭察布電網(wǎng)中的220 kV變電站容性無功補(bǔ)償設(shè)備配置比例為13.32%，110 kV變電站容性無功補(bǔ)償設(shè)備配置比例為13.17%，35 kV變電站容性無功補(bǔ)償設(shè)備配置比例為17.45%。從無功補(bǔ)償配置情況看，220 kV、110 kV層容性無功補(bǔ)償設(shè)備配置比例較低。雖未達(dá)到本單位最低15%的最低要求，但滿足《電力系統(tǒng)電壓和無功技術(shù)導(dǎo)則(試行)》（SD325—89）中關(guān)于220 kV及以下電壓等級(jí)變電站的無功補(bǔ)償設(shè)備容量可按主變壓器容量的10%～30%配置的要求。500 kV變電站送無功、220 kV電廠發(fā)無功、220 kV變電站無功補(bǔ)償、220 kV線路充電功率、220 kV變電站中低壓側(cè)總無功負(fù)荷、送入外網(wǎng)的無功、220 kV電網(wǎng)內(nèi)部損耗所產(chǎn)生的無功盈余，基本能達(dá)到就地平衡。220 kV黃旗海變、潤字變、新城灣變、豐地變構(gòu)成的豐泉高載能匯集區(qū)，由于地區(qū)負(fù)荷增長較快，負(fù)荷主要為高載能負(fù)荷，無功需求較大，地區(qū)無功平衡困難[2]。2017年3月，220 kV高海線退役，對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電壓支撐的影響較大。烏蘭察布地區(qū)黃旗海、潤字、新城灣、豐地、海城總負(fù)荷控制在1 500 MW以下，烏蘭察布地區(qū)日限電在200 MW左右，地區(qū)220 kV電壓普遍偏低，最低電壓低于213 kV。直至9月19日高鹽線啟動(dòng)后，電壓水平才有所提高。在站用電容器全部投入的情況下，潤字、黃旗海220 kV變電站的無功需求仍達(dá)到400～500 MVar，需豐泉變500 kV電網(wǎng)下送支撐，造成地區(qū)及豐泉500k V母線在負(fù)荷高峰時(shí)段電壓偏低。而錫西德勝新能源匯集區(qū)、興廣旗臺(tái)新能源匯集區(qū)由于地區(qū)風(fēng)電資源豐富且地區(qū)負(fù)荷相對(duì)較少，導(dǎo)致部分電力送出地區(qū)的無功功率過剩，如德勝變、鹽海變、興廣變、旗臺(tái)變等變電站電壓偏高。由于地區(qū)電網(wǎng)電壓調(diào)整能力有限，導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)主網(wǎng)電壓整體偏高。

2 無功分區(qū)平衡及電壓情況分析

通過調(diào)查2017年烏蘭察布地區(qū)20座220 kV變電站無功電壓運(yùn)行情況，分析各區(qū)域電網(wǎng)無功功率平衡及電壓情況。

2.1 錫西德勝新能源匯集區(qū)

錫西德勝新能源匯集區(qū)為新能源風(fēng)電、光伏集中接入?yún)^(qū)，區(qū)域內(nèi)風(fēng)電接入容量1 250 MW，光伏接入容量225 MW，500 kV察右中變的220 kV網(wǎng)架上無功盈余及由察錫Ⅰ、Ⅱ回長距離輸電穿越來的無功較多。但是，系統(tǒng)用電負(fù)荷在110 MW左右，電壓水平相對(duì)略低，調(diào)壓水平受限，主網(wǎng)電壓相對(duì)偏高，動(dòng)態(tài)無功功率支撐不足。

2.2 烏蘭察布地區(qū)主網(wǎng)

烏蘭察布地區(qū)主網(wǎng)是由高順變、杭寧變、前進(jìn)變、玉嶺變、集寧變、寧西變、平地泉變和團(tuán)結(jié)變組成的電磁環(huán)網(wǎng)。該地區(qū)內(nèi)負(fù)荷較平穩(wěn)且輕，火電裝機(jī)2 500 MW，裝機(jī)容量充足，地區(qū)最大有功負(fù)荷達(dá)1 332.54 MW，最大無功負(fù)荷達(dá)727.2 MVar，無功補(bǔ)償裝置容量為467 MVar，能夠達(dá)到無功平衡，且電壓在運(yùn)行曲線可控范圍內(nèi)運(yùn)行。

2.3 興廣旗臺(tái)新能源匯集區(qū)

由興廣變、康德變、旗臺(tái)變組成的新能源匯集區(qū)，地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量較大，總?cè)萘窟_(dá)到1 395.6 MW，地區(qū)最大有功負(fù)荷為674.247 MW，最大無功負(fù)荷為261.583 MVar，同時(shí)也是高載能用戶集中區(qū)，電網(wǎng)峰谷差較大。負(fù)荷高峰時(shí)，500 kV汗海變下送該地區(qū)無功負(fù)荷77.3 MVar，地區(qū)無功能夠平衡；負(fù)荷低谷時(shí)，地區(qū)受接入大量風(fēng)電的影響，電壓水平偏高，平衡效果較差。

2.4 豐泉高載能集中區(qū)

受呼豐斷面和220 kV高海線破口接入卓資東牽引站影響，烏蘭察布電網(wǎng)無功電源被切斷一條，500 kV豐泉變無功傳輸不足[3]。受東送潮流和豐泉高載能集中區(qū)大負(fù)荷的影響，地區(qū)黃旗海變、海城變、新城灣變、豐地變、潤字變最大負(fù)荷達(dá)2 164.18 MW，最大無功達(dá)1 006.71 MVar。由于受地區(qū)電壓點(diǎn)較少的影響，高峰負(fù)荷時(shí)的無功不足，影響東送華北網(wǎng)電壓質(zhì)量，電壓偏低，最大無功缺額在400～500 MVar，地區(qū)無功平衡問題嚴(yán)重。需要加強(qiáng)用戶側(cè)管理，高峰負(fù)荷時(shí)用戶側(cè)電容器需盡量全部投入，減少500 kV層面的無功下放。

整體來說，烏蘭察布電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但受地區(qū)負(fù)荷分布不均的影響，存在局部無功功率需求偏大的問題。

3 容性無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行情況

3.1 容性無功補(bǔ)償設(shè)備可用率

烏蘭察布電業(yè)局2017年強(qiáng)化設(shè)備基礎(chǔ)管理工作，建立無功設(shè)備周期性檢修閉環(huán)管理制度。截止年底，烏蘭察布35 kV及以上變電站并聯(lián)電容器組可用率的年累計(jì)值為99.57%，高于內(nèi)蒙古電力公司無功補(bǔ)償設(shè)備可用率95%的要求。

3.2 無功補(bǔ)償設(shè)備故障率

2017年，35 kV及以上變電站共安裝并聯(lián)電容器131組，合計(jì)容量1 431.2 MVar，發(fā)生各類故障10臺(tái)次，故障率7.6%；10 kV變電站安裝并聯(lián)電容器共268組，合計(jì)容量827.56 MVar，發(fā)生各類故障2臺(tái)次，故障率0.75%。故障電容器中，主絕緣不良占39.1%、滲漏油占27.5%、鼓肚占17.4%、極間絕緣損壞占5.8%；334 kVar及以下電容器組損壞12臺(tái)，損壞率0.42%，低于公司1.4%的平均水平。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，故障主要為電容器主絕緣不良、漏油和鼓肚[4]。

3.3 無功補(bǔ)償設(shè)備缺陷及故障分析

3.3.1 設(shè)備老化、年久失修

2002年投運(yùn)的高順220 kV變電站357集合式電容器運(yùn)行年久，其B相油枕硅膠吸濕罐下部的油盅破裂無油，電容器B相頂蓋一角夾縫處滲油嚴(yán)重，無法運(yùn)行，需更換。

3.3.2 外界影響造成電容器損壞

烏蘭察布電業(yè)局負(fù)荷多為高載能負(fù)荷，波動(dòng)較大，易引起電壓突變，一定程度上影響電容器的使用壽命。與其他設(shè)備相比，投入運(yùn)行6～8年的電抗器絕緣較為薄弱，匝間短路時(shí)間多為不合格，易在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，特別在豐鎮(zhèn)、前旗、興和等高載能重負(fù)荷集中區(qū)。因負(fù)荷性質(zhì)多為電弧爐，諧波含量較高，電容器投切頻繁，時(shí)常出現(xiàn)接頭發(fā)熱、差壓保護(hù)動(dòng)作、漏油及鼓肚的缺陷，導(dǎo)致設(shè)備可用率降低。缺陷原因大多仍判斷為運(yùn)行時(shí)間較長[5]，絕緣薄弱。另外，部分廠家設(shè)備年代久遠(yuǎn)，工藝落后，存在產(chǎn)品質(zhì)量問題。

4 變電站電壓無功功率控制現(xiàn)狀

4.1 AVC系統(tǒng)應(yīng)用情況及效果分析

烏蘭察布電業(yè)局電壓無功自動(dòng)控制系統(tǒng)（Voltage Quality Control，VQC）為中國電科院系統(tǒng)所早期的產(chǎn)品，應(yīng)用效果較差。截至2017年底，烏蘭察布電業(yè)局僅有3座220 kV變電站和1座110 kV接入AVC系統(tǒng)運(yùn)行，6座110 kV變電站配置的電壓無功功率綜合自動(dòng)裝置運(yùn)行年限達(dá)10年以上且均退出運(yùn)行。用戶風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的控制只能下發(fā)目標(biāo)值，使得調(diào)壓工作時(shí)效性弱，不利于提升電壓合格率。

4.2 地區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制建設(shè)

地區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制（Area Voltage Control，AVC）技術(shù)以安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)為系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。在保證電壓合格、設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，以網(wǎng)損最小、節(jié)點(diǎn)電壓滿足合格率要求為約束的最優(yōu)潮流計(jì)算，通過調(diào)整變壓器有載分接開關(guān)、投切無功補(bǔ)償設(shè)備等措施，提升了電壓合格率，降低了系統(tǒng)網(wǎng)損，滿足了無功優(yōu)化系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓合格率最高且全網(wǎng)網(wǎng)損最小的要求，消除了電壓波動(dòng)，提高了供電質(zhì)量。

烏蘭察布電業(yè)局按照公司要求，加強(qiáng)AVC系統(tǒng)的建設(shè)，不斷推進(jìn)新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)廠站AVC閉環(huán)投運(yùn)工作。目前，所有新能源場(chǎng)站已實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，電網(wǎng)側(cè)正積極推動(dòng)，已完成3座220 kV變電站和1座110 kV變電站的試點(diǎn)建設(shè)任務(wù)。規(guī)劃建設(shè)的D5000系統(tǒng)引進(jìn)了清華高科的基于全局無功優(yōu)化的地區(qū)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制技術(shù)路線，提升了區(qū)域電壓自動(dòng)控制水平。

5 無功補(bǔ)償存在的問題和平衡措施

通過分析烏蘭察布地區(qū)主網(wǎng)20座220 kV變電站及4個(gè)主要區(qū)域電網(wǎng)的的無功平衡情況，發(fā)現(xiàn)無功平衡存在的問題并提出平衡措施。

第一，豐鎮(zhèn)、前旗地區(qū)高載能負(fù)荷較重，用戶側(cè)容性無功功率補(bǔ)償配置不足；負(fù)荷高峰期潤字、黃旗海220 kV變電站在站用電容器全部投入情況下，無功需求仍達(dá)到400～500 MVar；500 kV豐泉變?nèi)杂写罅繜o功功率下送，無功功率不能就地平衡，電壓偏低。按照無功就地分層分區(qū)平衡的原則，建議加大用戶管理力度，向負(fù)荷集中地區(qū)且負(fù)荷較大的用戶宣傳無功補(bǔ)償?shù)暮锰?，督?10 kV及以大用戶安裝高壓側(cè)無功功率補(bǔ)償裝置，同時(shí)加快和林電廠2×660兩臺(tái)機(jī)組的接入工作，屆時(shí)將滿足地區(qū)無功分層分區(qū)平衡。

第二，在負(fù)荷低谷期，錫西德勝新能源匯集區(qū)電網(wǎng)500 kV和220 kV變電站母線電壓偏高，建議加裝并聯(lián)電抗器。

第三，地區(qū)AVC系統(tǒng)電容器和有載分接開關(guān)閉環(huán)使用較少，運(yùn)行問題較多，需加快AVC系統(tǒng)升級(jí)改造力度。按照公司重點(diǎn)工作的要求，繼續(xù)推進(jìn)變電站AVC技術(shù)應(yīng)用工作，開展AVC高級(jí)應(yīng)用功能實(shí)用化，重點(diǎn)研究和開展AVC閉環(huán)控制，總結(jié)500 kV變電站AVC直控成效，實(shí)現(xiàn)各級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)AVC高級(jí)應(yīng)用功能及220 kV變電站AVC直控，加大AVC系統(tǒng)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，逐步提高電網(wǎng)電壓無功自動(dòng)控制技術(shù)水平。

第四，加強(qiáng)需求側(cè)管理，減小電壓波動(dòng)。隨著烏蘭察布地區(qū)負(fù)荷的迅速攀升，系統(tǒng)最大負(fù)荷大幅攀升，峰谷差大，用戶單臺(tái)爐變?nèi)萘吭龃螅?fù)荷上升、下降速度快，負(fù)荷峰谷期無功電壓調(diào)節(jié)難度大。監(jiān)督和指導(dǎo)用戶加強(qiáng)無功管理工作，加大用戶技術(shù)人員培訓(xùn)力度，合理投退無功補(bǔ)償設(shè)備，鼓勵(lì)用戶應(yīng)用新技術(shù)，加大無功設(shè)備投資和改造力度，減小電壓波動(dòng)，以減少無功功率在電網(wǎng)的流動(dòng)，降低網(wǎng)損。

第五，無功補(bǔ)償裝置配置單一，無感性無功補(bǔ)償裝置和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。目前，烏蘭察布電網(wǎng)主網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償裝置主要為靜態(tài)電容器，無動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，且負(fù)荷峰谷期缺乏有效的電壓調(diào)節(jié)手段。建議通過增設(shè)調(diào)壓變調(diào)容改造現(xiàn)有的大容量無功補(bǔ)償裝置，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。在經(jīng)濟(jì)性較好的變電站適當(dāng)加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，迅速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)AVC系統(tǒng)。

6 結(jié) 論

電壓和無功是交流電力系統(tǒng)的兩個(gè)重要運(yùn)行指標(biāo)，電壓是有功功率輸送的保證，無功是有功輸送的基礎(chǔ)。以市級(jí)電網(wǎng)典型主網(wǎng)架為例分析電壓無功運(yùn)行現(xiàn)狀，全力做好電壓無功管理這項(xiàng)長期、復(fù)雜的系統(tǒng)工作，發(fā)揮無功對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)檢管理的指導(dǎo)作用，降低網(wǎng)損，確保電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。