曹 娜，康繼光，沈彬彬，徐偉棟

(1. 上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025；2. 國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)

上海作為國際大都市，電網(wǎng)呈現(xiàn)了典型城市電網(wǎng)的特征：負荷密度大、峰谷差大，城市電纜化率程度高。在春秋季、春節(jié)國慶等節(jié)假日負荷低谷時段，線路上大量容性無功無法就地平衡，電網(wǎng)無功功率層層倒送，引起系統(tǒng)整體電壓升高，電網(wǎng)運行安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

上海電網(wǎng)面臨的問題由以前的容性無功短缺變成容性無功過剩。從無功就地平衡的角度，如果大用戶電纜進線較長，也需要采取措施補償線路無功冗余，配合電網(wǎng)一起解決低谷時段容性無功過剩問題。

目前關(guān)于用戶無功主流的研究主要關(guān)注于激勵用戶投運電容降低網(wǎng)損，以及細化功率因數(shù)考核時段減小用戶無功波動，尚未涉及到用戶補償進線容性無功的問題。如文獻[1] 指出現(xiàn)行功率因數(shù)調(diào)整電費辦法對用戶考核標(biāo)準(zhǔn)較低，提出用戶電費按照視在功率收取，激勵用戶盡量平衡自身無功功率。文獻[2]歸納了國內(nèi)外用戶無功管理政策，分析國內(nèi)現(xiàn)行無功考核政策的弊端，提出提高用戶考核標(biāo)準(zhǔn)、縮短用戶無功計費周期的辦法，以減少用戶無功需求并平抑無功波動。文獻[3]、文獻[6]分析了用戶功率因數(shù)考核辦法的弊端及對用戶和電網(wǎng)的影響，并根據(jù)用戶負荷特性，提出將用戶進行分類，對不同類型的用戶采用不同的分時段功率因數(shù)考核辦法，促進用戶提高功率因數(shù)水平。本文針對電網(wǎng)發(fā)展的新形勢，對大用戶無功補償及管理考核辦法進行探討。

1 國內(nèi)外主要城市大用戶無功管理

1.1 國外主要城市大用戶無功補償管理

表1 無功補償容量配置原則

由于難以準(zhǔn)確獲得需求側(cè)無功定價相關(guān)固定成本(包括無功補償設(shè)備投資和相應(yīng)輸變電投資)和網(wǎng)損成本等信息，世界各國采用的需求側(cè)無功定價方法千差萬別，沒有哪一種方法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)?？傮w來說，國外現(xiàn)行需求側(cè)無功電價政策可分為如下3類：

(1)強制性功率因數(shù)要求。即要求用戶功率因數(shù)在規(guī)定范圍以內(nèi)才允許并網(wǎng)。代表國家為澳大利亞[4]，將用戶根據(jù)電壓等級分為4類，各類用戶有各自的功率因數(shù)范圍。

(2)根據(jù)實際功率因數(shù)調(diào)整電量或電費。即用戶平均功率因數(shù)在規(guī)定的功率因數(shù)范圍以內(nèi)，無需額外繳費，在規(guī)定范圍之外，需按照有功電量繳納調(diào)整電量或電費，主要以美國部分地區(qū)、中國和以色列為代表。

(3)根據(jù)無功電量收取無功電費。即有以無功電量為單位收取無功電費，主要代表國家法國；或當(dāng)無功電量超過規(guī)定限額時，要對超額部分繳納無功電費。主要代表包括英國、新西蘭北方電力集團[5]。

1.2 大用戶無功配置需求

目前關(guān)于電力系統(tǒng)無功補償?shù)脑瓌t，主要為《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》、《電力系統(tǒng)無功補償配置技術(shù)導(dǎo)則》、《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》、《上海電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則(試行)》等電力行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總結(jié)見表 1。

由表1可見，各規(guī)程規(guī)范對電業(yè)變電站容性無功補償均做了量化規(guī)定，對感性無功補償均未做量化規(guī)定。《電力系統(tǒng)無功補償配置技術(shù)導(dǎo)則》要求用戶應(yīng)達到功率因數(shù)考核要求，并在任何情況下不應(yīng)向電網(wǎng)倒送無功。

在實際運行中，電力公司對用戶無功的考核遵循水利電力部和國家物價局文件(83)水電財字第215號《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》的規(guī)定，即在用戶入戶點考核其功率因數(shù)，按照用戶裝接規(guī)模功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)分為0.9、0.85、0.8三擋[6]。電力公司按照規(guī)定的電價計算出用戶當(dāng)月電費后，再根據(jù)當(dāng)月平均功率因數(shù)根據(jù)“功率因數(shù)調(diào)整電費表”增減電費，即未達到功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)時繳納懲罰電費，達到考核標(biāo)準(zhǔn)以上時減少電費。

由于用戶進線側(cè)功率因數(shù)考核有明確的獎懲激勵，大用戶改善自身功率因數(shù)意愿積極，基本都能達到功率因數(shù)考核要求。上海市部分大用戶月均功率因數(shù)達到0.98～1，基本不增加電網(wǎng)無功負擔(dān)。

然而，隨著城市電網(wǎng)電纜化率的不斷提高，電網(wǎng)無功電壓由20年前的容性無功不足電壓偏低變成無功盈余電壓偏高的問題，在春秋季及節(jié)假日低谷時段尤為突出。

2017年春節(jié)期間，低谷時段上海110 kV電網(wǎng)向220 kV電網(wǎng)倒送無功約2 484 Mvar。為解決低谷時段電網(wǎng)容性無功過剩，感性無功補償不足的現(xiàn)象，自2015年起，上海市電力公司開展了在具備條件的220 kV現(xiàn)狀電業(yè)變電站及規(guī)劃電業(yè)變電站每臺主變均加裝或預(yù)留一臺20 Mvar電抗器，用于補償110 kV電網(wǎng)的充電功率。并計劃自2019年起，試點在新投產(chǎn)110 kV電業(yè)變電站每臺主變加裝一組5 Mvar低抗。研究表明，在電網(wǎng)側(cè)采取上述措施后，低谷時段110 kV及以下電網(wǎng)容性無功仍有較多冗余。

因此，本著無功就地平衡的原則，若大用戶電源電纜進線較長無功盈余較大時，應(yīng)在用戶側(cè)配置感性無功設(shè)備平衡電纜容性無功，減少低谷時段向電網(wǎng)無功倒送?？紤]到35 kV電纜單位長度充電功率較小(約為0.09～0.1 Mvar/km)，且35 kV用戶一般供電距離較短，對電網(wǎng)影響有限，因此35 kV用戶無需配置感性無功補償設(shè)備。而110 kV電纜單位長度充電功率較大(約為0.8～0.83 Mvar/km)，若110 kV用戶電纜進線較長，考慮在用戶側(cè)配置感性無功補償。

2 新形式下上海市大用戶無功配置

2.1 無功配置形式

為平衡電纜線路容性無功，可在用戶站加裝電抗器，措施通常有：在變電站進線側(cè)加裝高壓電抗器、在變電站低壓側(cè)加裝低壓電抗器、在變電站低壓側(cè)安裝SVG。

各無功補償設(shè)備技術(shù)特點見表2。

表2 各無功補償設(shè)備技術(shù)特點

由上表可以看出，高壓電抗器由于其高昂的價格及占地面積一般不用單純于無功補償，一般是在電纜線路過長需要限制過電壓時才配置低壓電抗器，有研究表明，110 kV電纜線路長度低于30 km時一般不存在過電壓問題，因此高壓電抗器不作為用戶無功補償?shù)氖走x。

SVG動態(tài)無功雖然運行靈活，但設(shè)備價格較昂貴、故障率相對較高，在電業(yè)變電站鮮有使用。因此，從降低用戶投資，減小占地面積的角度考慮，110 kV及以上大用戶電纜進線無功補償一般首選低壓電抗器。

2.2 無功配置容量

考慮用戶站低谷時段主變負載率一般在10%～30%，計算得不同電壓等級主變無功損耗如表3所示。主變無功負荷對應(yīng)的低壓側(cè)功率因數(shù)0.97。

表3 主變無功損耗

由表3可見，一般110 kV電壓等級用戶，考慮主變在負荷低谷時段負載率在10%～30%時，平均可吸收約2～3 Mvar無功(約等于3～4 km電纜線路充電功率)，建議當(dāng)供電電纜線路較短時，不加裝電抗器。在用戶電源進線大于3 km且容性無功無法消納時，可以考慮安裝電抗器，由于電抗器投切引起的電壓波動不應(yīng)超過2.5%，建議單臺主變電抗器配置容量不超過6 Mvar。

3 低壓電抗器對用戶側(cè)考核的影響

目前上海電力公司專線供電的用戶，線路資產(chǎn)屬于電力公司，因此計量考核點在用戶側(cè)進線間隔。以典型110 kV電壓等級的用戶為例，主變的容量為2×40 MVA，主變阻抗百分比為10.5%，其中一回電源進線為長度8 km電纜，電纜截面800 mm2，對應(yīng)主變低壓側(cè)配置6 Mvar低壓電抗器，接線見圖1。

圖1 典型大用戶接線

若電力公司對用戶功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)為0.9，考慮用戶處于以下運行方式。

(1)大負荷方式1：用戶站負載率50%，低壓側(cè)功率因數(shù)0.95；

(2)大負荷方式2：用戶站負載率40%，低壓側(cè)功率因數(shù)0.95；

(3)小負荷方式：用戶站負載率20%，低壓側(cè)功率因數(shù)0.95。

在各運行方式下，用戶站投運低壓電抗器前后功率因數(shù)變化情況見表4。

表4 各運行方式低抗投運前后功率因數(shù)

由表1可見，不投低抗時，各方式下用戶高壓側(cè)功率因數(shù)都在0.9以上，達到考核標(biāo)準(zhǔn)。大方式下電壓側(cè)功率因數(shù)接近1，即線路充電功率基本被消耗；小方式下，電業(yè)側(cè)無功倒送5.85 Mvar，功率因數(shù)僅為0.545。投低抗后，電業(yè)側(cè)功率因數(shù)達到0.95以上，然而用戶側(cè)功率因數(shù)均不達標(biāo)，小方式下用戶側(cè)功率因數(shù)僅為0.47。

由此可見，在現(xiàn)行功率因數(shù)考核辦法下，用戶側(cè)加裝低壓電抗器后，電抗器投運會導(dǎo)致用戶側(cè)功率因數(shù)降低，若被考核的功率因數(shù)低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致罰款，這將對于在用戶側(cè)開展安裝和投運電抗器工作帶來矛盾。

4 無功管理考核方法調(diào)整探討

為解決新形勢下用戶安裝電抗器與現(xiàn)行功率因數(shù)考核辦法的矛盾，對目前現(xiàn)有用戶的電費計量和功率因數(shù)考核辦法提出調(diào)整建議。

4.1 功率因數(shù)考核點在用戶側(cè)

用戶安裝電抗器為平衡長電纜電源進線冗余的容性無功功率，因此需要用戶安裝電抗器時，一般不需要用戶安裝容性無功補償設(shè)備，即用戶低壓側(cè)僅有電抗器。

如圖2所示，在現(xiàn)有考核機制下，電力公司采集用戶進線側(cè)功率P1、Q1，計算用戶有功、無功電量及功率因數(shù)，用戶低壓側(cè)安裝電抗器后，在電抗器支路加裝無功電能表，并將無功電量上傳至用電信息采集系統(tǒng)。

圖2 用戶站無功信息采集示意圖

原有功率因數(shù)計算公式：

(1)

式中 ∑Ql為正向無功電量和反向無功電量絕對值之和。

用戶側(cè)安裝電抗器后，其投運狀態(tài)可分為以下3種。

(1)全時段投運。低壓電抗器隨外線投運，除外線故障外，低壓電抗器保持投運狀態(tài)。為避免電抗器投運后導(dǎo)致用戶功率因數(shù)低于考核標(biāo)準(zhǔn)值造成罰款，考慮將進線側(cè)月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計算月度平均功率因數(shù)，調(diào)整后的功率因數(shù)計算公式為：

(2)

(2)定時投運。根據(jù)電網(wǎng)需求，與電力公司約定電抗器投運時段。為避免電抗器投運后導(dǎo)致用戶功率因數(shù)低于考核標(biāo)準(zhǔn)值造成罰款，考慮將進線側(cè)月度無功電量扣除電抗器投運時段無功電量后，再計算月度平均功率因數(shù)，計算公式同公式(2)。

(3)不定時投運。將用戶側(cè)電抗器接入電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，由電力公司統(tǒng)一調(diào)度運行，由于此時電抗器主要為電網(wǎng)提供無功調(diào)壓服務(wù)，因此建議這種方式下不考核用戶功率因數(shù)。

綜上，在功率因數(shù)考核點仍放在用戶側(cè)情況下，若電抗器全時段投運或按與電力公司約定的時段投運，則用戶功率因數(shù)考核辦法可考慮在原公式基礎(chǔ)上將進線側(cè)月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計算月度平均功率因數(shù)；若用戶側(cè)電抗器接入電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，由電力公司統(tǒng)一調(diào)度，則建議對用戶側(cè)功率因數(shù)不予考核。

4.2 功率因數(shù)考核點在電業(yè)側(cè)

用戶側(cè)安裝電抗器主要為了平衡電纜進線無功功率，從激勵用戶投運電抗器的積極性來看，可以考慮將戶功率因數(shù)考核點放在電業(yè)側(cè)，即供電企業(yè)變電所客戶專線間隔上。對用戶考核要求為月功率因數(shù)控制在0.9～1.0之間。然而，考核點放在電業(yè)側(cè)有以下問題：

(1)對于電力用戶而言，高壓供電客戶的計量點是在高壓電源資產(chǎn)分界點處，若考核點設(shè)在電業(yè)側(cè)，存在產(chǎn)權(quán)方面的矛盾。若電力公司未來對該線路改接利用，考核點將會隨之變動，進一步增加了管理難度，因此需要厘清用戶電源進線的資產(chǎn)關(guān)系。

(2)要將電業(yè)變電站客戶專線間隔的計量數(shù)據(jù)反傳至用戶側(cè)，用戶需要根據(jù)電業(yè)側(cè)情況調(diào)整電抗器狀態(tài)，增加了用戶運行調(diào)度的難度。

(3)由于電抗器標(biāo)準(zhǔn)容量的限制下，用戶電源進線容性無功可能不能達到100%補償，在用戶有功功率較小的情況下，電業(yè)側(cè)功率因數(shù)可能無法達到0.9～1。

綜上，若將用戶功率因數(shù)考核點放在電業(yè)側(cè)，與上海目前用戶專線資產(chǎn)屬于電力公司有產(chǎn)權(quán)上的矛盾，需要進一步厘清用戶專線產(chǎn)權(quán)關(guān)系，因此將功率因數(shù)考核點放在電業(yè)側(cè)目前尚不具備實施條件。

5 結(jié)語

(1)高壓電抗器價格昂貴、占地大，主要用于限制長電纜線路過電壓。一般情況下，高壓電抗器不作為用戶感性無功補償?shù)氖紫取?/p>

(2)110 kV用戶在電源電纜進線長度超過3 km時，可以考慮配置電抗器，建議單臺主變電抗器配置容量不超過6 Mvar。

(3)對現(xiàn)有用戶功率因數(shù)考核機制進行調(diào)整：功率因數(shù)考核點仍在用戶側(cè)，若電抗器全時段投運或按與電力公司約定的時段投運，則用戶功率因數(shù)考核辦法可考慮在原公式基礎(chǔ)上將進線側(cè)月度無功電量扣除電抗器無功電量后，再計算月度平均功率因數(shù)；若用戶側(cè)電抗器接入電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，由電力公司統(tǒng)一調(diào)度，則建議對用戶側(cè)功率因數(shù)不予考核。