鄧渝生，龔守書

(國網(wǎng)重慶市電力公司南川供電分公司，重慶市 408400)

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富含小水電的10 kV公用線路電壓質(zhì)量問題分析及研究

鄧渝生，龔守書

(國網(wǎng)重慶市電力公司南川供電分公司，重慶市 408400)

以南川小河片區(qū)小水電為實例，對富含小水電的典型饋線電壓質(zhì)量、潮流等情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，經(jīng)定性與定量比較后，提出采用水電站低壓側(cè)配置并聯(lián)電抗器的方式來解決饋線電壓偏高的問題。此外，在單點補(bǔ)償方式下對部分典型饋線進(jìn)行計算仿真，深入分析水電出力、饋線負(fù)荷和節(jié)點電壓等相關(guān)數(shù)值間的變化規(guī)律；然后基于數(shù)值統(tǒng)計方法，初步給出并聯(lián)電抗器容量配置區(qū)間，旨在為其他類似片區(qū)的無功配置提供量化參考。圖13幅，表3個。

小水電站；配電網(wǎng)；無功電壓；發(fā)荷比；補(bǔ)發(fā)比；數(shù)值分析；補(bǔ)償區(qū)間

0 引 言

在水力資源豐富的地區(qū)，小水電得到大力開發(fā)，不僅解決了當(dāng)?shù)仉娏?yīng)不足的問題，在豐水期剩余的電量外送還帶動了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。對于富含小水電的農(nóng)村、山區(qū)配電網(wǎng)，由于自身網(wǎng)架存在線路供電半徑偏長、線徑偏小、設(shè)備陳舊和無功電壓調(diào)節(jié)手段缺乏等薄弱環(huán)節(jié)，使得此類饋線電壓呈季節(jié)性明顯波動；普遍存在著供電質(zhì)量差、供電可靠性較差、線路損失較大等問題[2_5]。

為了解決上述問題，越來越多的電力工作者開展了相關(guān)研究，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H提出相應(yīng)的無功電壓調(diào)節(jié)方案[6_13]。本文結(jié)合重慶南川小河片區(qū)實例，根據(jù)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和電網(wǎng)運行要求，研究并提出解決饋線電壓質(zhì)量問題的技術(shù)方案。在單點補(bǔ)償方式下對4條典型饋線進(jìn)行仿真，通過結(jié)果數(shù)值分析，分析了不同負(fù)荷水平、相同發(fā)電出力的條件下，水電出力、饋線負(fù)荷、節(jié)點電壓、補(bǔ)償量之間的關(guān)系。

1 小河片區(qū)配電網(wǎng)

重慶市南川小河片區(qū)屬于D類供電分區(qū)，負(fù)荷以農(nóng)村居民生活負(fù)荷為主。本文主要涉及10 kV凰頭線、凰街線和金渡線，其基本信息及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下所示(見圖1、表1)。

表1 小河片區(qū)4條10 kV線路基本信息

圖1 小河片區(qū)典型饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 小水電發(fā)電特性及并網(wǎng)影響

2.1 發(fā)電特性

統(tǒng)計10 kV凰頭線*、凰獅線和凰街線并網(wǎng)水電站2015年12個月有功曲線，如下所示(見圖2)。

圖2 2015年10 kV饋線并網(wǎng)水電站月有功曲線

由圖1可知，并網(wǎng)水電站有功出力大小呈季節(jié)性變化，5～7月、9～10月處于豐水期，并網(wǎng)電站有功出力較多；1～3月、11～12月處于枯水期，電站有功出力較少。

2.2 水電站并網(wǎng)對饋線電壓的影響分析

2.2.1 典型饋線全年電壓特性分析

10 kV凰頭線首端功率與所屬I母線電壓及其曲線如下所示(見圖3)。

圖3 2015年10 kV凰頭線出線側(cè)電壓曲線

由圖3分析10 kV凰頭線首端功率、電壓變化情況以及兩者之間的關(guān)聯(lián)性：

(1)1～3月、12月降雨量和次數(shù)相對較小，且用電負(fù)荷較輕且變化平穩(wěn)，加之有效的主變分接頭調(diào)節(jié)和并聯(lián)電容器投切等手段，線路電壓滿足規(guī)定要求。

(2)4～11月，受降雨及其隨機(jī)性、用戶負(fù)荷夏季出現(xiàn)峰值的影響，饋線首端功率呈現(xiàn)較大波動性，有功和無功數(shù)值均呈現(xiàn)正負(fù)交替特征。功率倒送嚴(yán)重時，由于缺乏電壓調(diào)節(jié)手段，電壓長期處于高位。

(3)7月中旬～8月末，降雨相對偏少，加之用戶負(fù)荷較高，線路首端功率為正值且較大，施以主變分接頭和并聯(lián)電容器投切等手段，母線電壓維持在10.3～10.4 kV之間。

2.2.2 典型日典型饋線功率與電壓特性分析

2015年7月5日10 kV凰頭線并網(wǎng)水電站出力、配變負(fù)荷與I母電壓曲線如下所示(見圖4、圖5)。

圖4 10 kV凰頭線有功數(shù)值與I母線電壓曲線

圖5 10 kV凰頭線無功數(shù)值及所屬I母線電壓關(guān)系曲線

由圖4和圖5可知：

(1)因饋線長度較長，且水電無功出力較大、配變無功負(fù)荷相對較小，導(dǎo)致水電無功功率長距離倒送至10 kV母線，饋線電壓偏高。

(2)0～7 h、19～23 h兩個時間段，配變無功負(fù)荷偏小，饋線首端無功倒送嚴(yán)重，I母電壓超過10.7 kV；7～18 h，配變無功負(fù)荷增加，無功長距離傳輸容量相對減??；通過調(diào)整變電站主變分接頭使I母電壓恢復(fù)至合格范圍。

2.2.3 典型饋線節(jié)點電壓分布特征

10 kV凰頭線仿真結(jié)果如下所示(見圖6)。

圖6 10 kV凰頭線“豐小”方式仿真計算潮流分布

如圖6所示，“豐小”方式并網(wǎng)水電站有功、無功較大，配變負(fù)荷較小，無法消納水電站發(fā)電，功率向變電站側(cè)倒送；水電站附近區(qū)域主干節(jié)點電壓最高。

3 治理方案與結(jié)果分析

3.1 方案比較

結(jié)合南川小河片區(qū)實際調(diào)研情況，列出可能的幾種調(diào)壓方案，作定性比較。

(1)調(diào)節(jié)水電站功率因數(shù)。經(jīng)實際走訪調(diào)研，電站功率因數(shù)多在0.95左右運行，若進(jìn)相運行深度需做實驗確定，且較為復(fù)雜?？紤]到效果改善情況和發(fā)電安全，此方案欠佳。

(2)調(diào)節(jié)水電站配變分接頭檔位。多數(shù)水電站高壓側(cè)配變分接頭在中檔或高檔位運行；調(diào)低檔位可能會導(dǎo)致水電站并網(wǎng)電壓不夠，無法有效送出電力。

(3)水電站配變低壓側(cè)補(bǔ)償。補(bǔ)償位置最佳，安全性較高，且單臺電抗器價格較低。

(4)桿上高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償。高壓并聯(lián)電抗器單價較高，且易被盜竊。

(5) 多臺公用配變低壓側(cè)補(bǔ)償。單臺價格較低，但補(bǔ)償位置欠佳可能需要多點補(bǔ)償，總體投資可能高于水電站低壓側(cè)補(bǔ)償；缺乏長期看護(hù)而易被盜。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H，主要選取并聯(lián)電抗器補(bǔ)償方式來解決豐水期饋線電壓偏高的問題。

3.2 基于并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)方案

“豐小”方式10 kV凰頭線無功電壓調(diào)節(jié)方案如下所示(見表2)。

表2 “豐水期小負(fù)荷”方式10 kV凰頭線、調(diào)節(jié)方案

兩種方案10 kV節(jié)點電壓數(shù)值如下所示(見圖7)。

圖7 兩種方案10 kV節(jié)點(主干)電壓曲線

由圖7可知，由于越限節(jié)點主要集中在小水電站附近，故選擇小水電站附近為補(bǔ)償點；且安裝在有人值班的小水電站附近，能有效避免設(shè)備被盜，減少經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 不同發(fā)荷比、節(jié)點電壓與補(bǔ)償容量之間的關(guān)聯(lián)性分析

對10 kV凰頭線*、10 kV凰街線、10 kV金隆線*和10 kV金隆線**仿真單點補(bǔ)償方式下并聯(lián)電抗器配置容量、配變負(fù)荷、水電發(fā)電相關(guān)數(shù)值，探討不同負(fù)荷水平、相同發(fā)電出力的條件下，水電有功與配變有功比值、補(bǔ)償前節(jié)點電壓、補(bǔ)償量三者之間的關(guān)系。

3.3.1 相關(guān)定義及仿真信息

(1)相關(guān)定義

①PP發(fā)荷比為水電站有功出力PG與配變有功負(fù)荷Pload的比值，QQ發(fā)荷比為水電站無功出力QG與配變無功負(fù)荷Qload的比值。

②QP補(bǔ)發(fā)比為并聯(lián)電抗器補(bǔ)償容量QL與水電站有功出力PG的比值，QQ補(bǔ)發(fā)比為并聯(lián)電抗器補(bǔ)償容量QL與水電站無功出力QG的比值。

(2)仿真信息

各饋線無功補(bǔ)償與水電分布如下所示(見表3)。

(3)仿真步驟

①保持并網(wǎng)水電站發(fā)電功率不變，逐步減少上述4條饋線的配變負(fù)荷，模擬PP發(fā)荷比、QQ發(fā)荷比的增加。

②分別進(jìn)行相應(yīng)發(fā)荷比場景下并聯(lián)電抗補(bǔ)償前后的潮流計算。

③記錄PP發(fā)荷比、QQ發(fā)荷比、并聯(lián)電抗器配置容量QL和補(bǔ)償前后節(jié)點電壓，并計算QP補(bǔ)發(fā)比、QQ補(bǔ)發(fā)比。

表3 4條饋線仿真信息

3.3.2 數(shù)值變化特征分析

不同PP發(fā)荷比條件下10 kV凰頭線*、凰街線、金隆線*和金隆**線相關(guān)數(shù)值變化曲線分別如下所示(見圖8～圖11)。

圖8 10 kV凰頭線*相關(guān)數(shù)值變化曲線

結(jié)合圖8～圖11，對4條饋線數(shù)值變化作如下分析：

(1)PP發(fā)荷比在1左右時，水電發(fā)電功率基本被饋線負(fù)荷消納，饋線電壓最高節(jié)點電壓約10.7 kV，饋線全線電壓基本合格，無需并聯(lián)電抗補(bǔ)償。

圖9 10 kV凰街線相關(guān)數(shù)值變化曲線

圖10 10 kV金隆線*相關(guān)數(shù)值變化曲線

圖11 10 kV金隆**線相關(guān)數(shù)值變化曲線

(2)隨著PP發(fā)荷比增加，4條饋線的補(bǔ)償前節(jié)點電壓在前期增長較快，后期趨緩，PP發(fā)荷比超過30之后電壓幾乎不變。如10 kV凰頭線*，1.2≤PP發(fā)荷比≤8，金洋11#節(jié)點補(bǔ)償前電壓對PP發(fā)荷比變化敏感，電壓快速增加，其配置并聯(lián)電抗器QP補(bǔ)發(fā)比亦從0.2迅速增加至0.98；PP發(fā)荷比≥8，金洋11#節(jié)點補(bǔ)償前電壓變化趨緩，電壓數(shù)值在11.8～11.9 kV之間，配置并聯(lián)電抗器QP補(bǔ)發(fā)比在1～1.2之間。

3.3.3 基于數(shù)值特征的補(bǔ)償容量估算

整理4條饋線的仿真數(shù)據(jù)，繪制QP補(bǔ)發(fā)比散點圖，描述不同PP發(fā)荷比、節(jié)點補(bǔ)償前電壓與QP補(bǔ)發(fā)比的關(guān)系特征(見圖12)。

圖12 補(bǔ)償前節(jié)點電壓與補(bǔ)發(fā)比的變化特征曲線

由圖12可知：

(1)一定的節(jié)點電壓范圍內(nèi)，饋線QP補(bǔ)發(fā)比與補(bǔ)償前節(jié)點電壓變化呈一定規(guī)律特征。

(2)饋線QP補(bǔ)發(fā)比與節(jié)點補(bǔ)償前電壓變化關(guān)系的線性、多項式擬合曲線，擬合度R2在0.99以上。10 kV凰頭線、10 kV金隆線**曲線類似，這是因為：兩饋線線徑LGJ—70，并網(wǎng)水電站距線路首端距離較遠(yuǎn)，多余發(fā)電功率遠(yuǎn)距離輸送至35 kV鳳凰山電站，導(dǎo)致沿線電壓損耗較大。隨著PP發(fā)荷比增加，節(jié)點電壓最高可達(dá)到12 kV及以上，在該點并聯(lián)電抗器QP補(bǔ)發(fā)比達(dá)到1.3左右。

(3)由于10 kV凰街線3座水電站距線路首端長度相對較短，發(fā)電功率最大的小河電站在饋線3.3 km處，末端水電站龍洞塘在8 km處；相對較少的多余發(fā)電功率短距離(相較于10 kV凰頭線和10 kV金隆線**)傳輸至35 kV鳳凰寺變電站，沿線電壓損耗相對偏?。浑S著PP發(fā)荷比增加，龍洞塘站并網(wǎng)節(jié)點電壓最高維持在10.9 kV左右。

因此，初步給出并聯(lián)電抗器配置容量范圍，如下所示(見圖13)。

圖13 并聯(lián)電抗器配置容量區(qū)間

由圖13可知，在全線電壓最高的節(jié)點采用單點補(bǔ)償方式時：

補(bǔ)償前節(jié)點電壓在10.75～11 kV之間時，QP補(bǔ)發(fā)比可選取為0.2～0.5，即高壓并聯(lián)電抗器容量可按0.2～0.5倍的水電有功進(jìn)行配置；PP發(fā)荷比較高的饋線可選取較高的QP補(bǔ)發(fā)比進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償前節(jié)點電壓在11～11.5 kV之間時，QP補(bǔ)發(fā)比可選取為0.5～1.3，即高壓并聯(lián)電抗器容量可按0.5～1.3倍的水電有功進(jìn)行配置；PP發(fā)荷比較高的饋線可選取較高的QP補(bǔ)發(fā)比進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償前節(jié)點電壓達(dá)到11.6 kV及以上后，QP補(bǔ)發(fā)比可選取為0.9～1.3，即高壓并聯(lián)電抗器容量可按0.9～1.3倍的水電有功進(jìn)行配置。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合南川小河片區(qū)實例，研究并提出了解決饋線電壓偏高問題的技術(shù)方案。在單點補(bǔ)償方式下探討了不同負(fù)荷水平、相同發(fā)電出力的條件下，水電有功與配變有功比值、補(bǔ)償前節(jié)點電壓、補(bǔ)償量三者之間的關(guān)系。

相關(guān)饋線仿真結(jié)果的數(shù)值特征，可拓展應(yīng)用于兩個方向：第一個方向，本饋線全天多時段的無功/電壓調(diào)節(jié)方案的確定；第二個方向，與該饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、水電分布、發(fā)荷比等參數(shù)相似的其他饋線，在獲知某饋線補(bǔ)償前節(jié)點電壓和發(fā)荷比的條件下，通過擬合公式或曲線初步估算單點補(bǔ)償方式或水電站低壓側(cè)多點補(bǔ)償下高壓并聯(lián)電抗器的配置容量。對于水電站配變低壓側(cè)分散補(bǔ)償，可直接采用(QP補(bǔ)發(fā)比)*補(bǔ)償點水電站功率來估算。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2016-09-09

鄧渝生(1960-)，男，高級工程師，主要從事配電網(wǎng)研究與管理工作。 E_mail：wang6527@163.com