王博文，華文，李寬宏，王龍飛，石博隆，王蕾

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)福州供電公司，福州 350000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310000；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州 310000）

0 引言

隨著城市配電網(wǎng)“上改下”工程的推進(jìn)，城市負(fù)荷中心110 kV 變電站進(jìn)出線電纜日益增多，近區(qū)配電網(wǎng)相對(duì)較大的電纜線路充電功率將引起電壓升高、網(wǎng)損增加從而影響供電質(zhì)量、用戶用電安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。節(jié)假日低負(fù)荷時(shí)段是電網(wǎng)高電壓、高功率因數(shù)甚至變電站主變無(wú)功功率倒送情況最嚴(yán)重的時(shí)段，負(fù)荷的下降將對(duì)近區(qū)配電網(wǎng)及具體110 kV 變電站的無(wú)功平衡造成影響，配電網(wǎng)無(wú)功平衡主要面臨10 kV 配電線路充電功率過(guò)剩、片區(qū)負(fù)荷過(guò)低或負(fù)荷功率因數(shù)偏高甚至含大量容性負(fù)荷而導(dǎo)致主變無(wú)功由低壓至高壓穿越或高壓側(cè)功率因數(shù)過(guò)高的問(wèn)題[1-3]。

無(wú)功補(bǔ)償裝置的目標(biāo)是調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、降低網(wǎng)損，避免無(wú)功功率輸送引起母線電壓的大幅下降或上升，當(dāng)前配電網(wǎng)層面的規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則未提出計(jì)算110 kV 變電站感性無(wú)功補(bǔ)償容量的計(jì)算方法[3]，但明確了110 kV 及以下電網(wǎng)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電纜所占比例、主變負(fù)載率以及負(fù)荷功率因數(shù)條件，對(duì)于電纜化率高的地區(qū)應(yīng)考慮配置適當(dāng)容量的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置，確保在低負(fù)荷時(shí)不向系統(tǒng)倒送無(wú)功的要求。文獻(xiàn)[1，4-5]研究了區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功平衡的模型和算法，分析了無(wú)功電壓特性并提出了感性無(wú)功補(bǔ)償?shù)乃悸泛头椒?。文獻(xiàn)[6]研究了無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的影響。文獻(xiàn)[7]提出了適用于大規(guī)模高壓配電網(wǎng)的無(wú)功規(guī)劃優(yōu)化實(shí)用模型。文獻(xiàn)[8]研究了電纜線路對(duì)無(wú)功平衡的影響。文獻(xiàn)[9]提出了一種110 kV 變電站多維度變參數(shù)無(wú)功配置方法，通過(guò)分析配電網(wǎng)無(wú)功配置需求影響因素計(jì)算110 kV 變電站的無(wú)功配置率，但對(duì)工程應(yīng)用指導(dǎo)仍不夠清晰和便捷。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于分布式協(xié)同控制思路的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償電壓優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于類電磁算法的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化方法，優(yōu)化了無(wú)功補(bǔ)償裝置在配電網(wǎng)中的選址和定容問(wèn)題，達(dá)到較好的降損效果。文獻(xiàn)[12]提出了一種針對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)的容性無(wú)功補(bǔ)償選址和定容方法，以識(shí)別電壓薄弱環(huán)節(jié)并相應(yīng)提出了電壓穩(wěn)定裕度的節(jié)點(diǎn)薄弱性指標(biāo)。文獻(xiàn)[13-14]以特定區(qū)域?yàn)槔治隽素?fù)荷低谷時(shí)段電網(wǎng)無(wú)功平衡情況，但均未提出量化評(píng)估方法用于指導(dǎo)無(wú)功平衡分析。文獻(xiàn)[15]提出了一種220 kV 變電站無(wú)功補(bǔ)償容量的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[16]提出了一種以主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)選擇的輸電網(wǎng)無(wú)功分區(qū)優(yōu)化方法。

本文以110 kV 變電站典型設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)[17]，考慮電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況中影響無(wú)功平衡的關(guān)鍵因素主變負(fù)載率與負(fù)荷功率因數(shù)，研究具體變電站在低負(fù)荷時(shí)段的無(wú)功平衡情況，計(jì)算得到感性無(wú)功充裕度指標(biāo)線充比率與下接電纜極限長(zhǎng)度，以量化評(píng)估變電站感性無(wú)功充裕度。

本文提出的基于線充比率的感性無(wú)功補(bǔ)償需求計(jì)算方法能夠量化分析110 kV 變電站感性無(wú)功充裕度，為110 kV 變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)功配置方案提供參考。

1 計(jì)算方法

1.1 110 kV變電站及下接10kV配電線路的基本結(jié)構(gòu)

110 kV 變電站及下接10kV配電線路的基本電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[17]，參與無(wú)功平衡的無(wú)功功率主要包括幾個(gè)部分：110 kV 變電站下接10kV配變高壓側(cè)無(wú)功負(fù)荷、110 kV 變電站已配置感性無(wú)功補(bǔ)償裝置、110 kV 主變無(wú)功損耗、下級(jí)線路的充電功率和線路無(wú)功損耗[3]。

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simplified structural diagram of distribution system

無(wú)功負(fù)荷QD指用電設(shè)備吸收的無(wú)功功率，與配電網(wǎng)用戶的負(fù)荷水平和功率因數(shù)相關(guān)，計(jì)算中為配電網(wǎng)10 kV 配變高壓側(cè)無(wú)功功率。

式中：QD為用戶無(wú)功功率；PD為用戶有功功率；cosφD為用戶功率因數(shù)。

主變變壓器無(wú)功損耗QLT包含勵(lì)磁損耗Q0和漏抗的無(wú)功損耗QT。

式中：I0%為空載電流百分?jǐn)?shù)；SN為變壓器額定容量；Uk%為短路電壓百分比；PT為變壓器低壓側(cè)有功負(fù)荷；cosφT為變壓器低壓側(cè)負(fù)荷功率因數(shù)。

線路充電功率QB指線路對(duì)地電容的充電功率。

式中：線路用π型等值電路表示，U為線路電壓；X為線路電抗；B為線路電納；c0為線路充電電容，F(xiàn)/km；L0為線路長(zhǎng)度。

低負(fù)荷時(shí)段本文研究中忽略10 kV 配電線路有功、無(wú)功損耗。

已配置電抗器QR指變電站內(nèi)已配置的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置容量，公式為

式中，ε為配置電抗器容量占主變?nèi)萘康谋嚷省?/p>

110 kV 主變下送無(wú)功功率為

1.2 感性無(wú)功充裕度相關(guān)特征參數(shù)與量化評(píng)估指標(biāo)

基于線充比率的感性無(wú)功充裕度評(píng)估計(jì)算方法考慮不同110 kV 變電站的電氣特征參數(shù)變化，分析計(jì)算對(duì)應(yīng)的感性無(wú)功補(bǔ)償需求，量化評(píng)估感性無(wú)功配置。具體特征參數(shù)與線充比評(píng)估指標(biāo)如下：

1）單臺(tái)變壓器負(fù)載率αT反映變壓器在某一負(fù)荷水平下的容量利用率。用于分析單一110 kV 變電站供區(qū)下配電網(wǎng)的無(wú)功配置需求。

式中：PT為變壓器有功負(fù)荷；SN為變壓器額定容量。

2）多臺(tái)變壓器平均負(fù)載率αTN反映片區(qū)內(nèi)多臺(tái)變壓器在總體某一負(fù)荷水平下總?cè)萘康钠骄寐?，用于分析某個(gè)區(qū)域電網(wǎng)含多個(gè)110 kV 變電站的區(qū)域無(wú)功配置需求。

式中：PTi為第i臺(tái)變電站主變有功負(fù)荷；SNi為第i臺(tái)變電站主變額定容量。

3）110 kV 變電站下接配電網(wǎng)電力線路長(zhǎng)度L一定程度上反映該變電站片區(qū)的供電半徑。配電線路長(zhǎng)度需計(jì)及10 kV 線路主干線長(zhǎng)度與分支線線路長(zhǎng)度。

4）電纜化率η反映變電站片區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)電力電纜線路占總電力線路的比例。

式中：Lcable為片區(qū)內(nèi)電纜總長(zhǎng)度；L為片區(qū)內(nèi)線路總長(zhǎng)度。

電纜線路與架空線路相比，其單位長(zhǎng)度的電抗小，一般為架空線路的30%～40%，正序?qū)Φ仉娙葺^大，一般為架空線路的30～50 倍。因此電纜線路相對(duì)架空線路比較而言，擁有損耗小、充電功率大的特點(diǎn)[18-23]。

5）線充比率k反映110 kV 變電站片區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)10 kV 電力線路充電功率占變電站主變變壓器容量的比率。

式中：QB為線路對(duì)地電容的充電功率；SN為主變變壓器容量。

6）極限線充比率klimit定義為在低谷方式下要求主變高壓側(cè)無(wú)功下送功率因數(shù)不大于cosφs所對(duì)應(yīng)的下接10kV電力線路最大充電比，即滿足式11 時(shí)的線充比。

可得到極限線充比公式為

式中：cosφs為配電網(wǎng)片區(qū)主變高壓側(cè)功率因數(shù)限制要求，當(dāng)限制要求為1 時(shí)，所得到的極限線充比klimit恰好為主變無(wú)功功率不發(fā)生低壓向高壓側(cè)穿越時(shí)對(duì)應(yīng)的極限線充比，即主變高壓側(cè)無(wú)功功率不發(fā)生倒送時(shí)的極限線充比。

7）下接10kV 極限電纜長(zhǎng)度Llimit表示某110 kV變電站在特定運(yùn)行情況下主變高壓側(cè)功率因數(shù)為時(shí)所對(duì)應(yīng)的片區(qū)10 kV 配電電纜線路總長(zhǎng)度。

式中，qB為單位長(zhǎng)度電纜線路充電功率。

2 無(wú)功充裕度量化評(píng)估構(gòu)想及實(shí)現(xiàn)方案

2.1 基本思路

本文提出的110 kV 變電站無(wú)功補(bǔ)償充裕度計(jì)算方法，用于評(píng)估低負(fù)荷時(shí)段不同主變負(fù)載率、負(fù)荷功率因數(shù)對(duì)變電站無(wú)功補(bǔ)償需求容量的影響，分析變電站感性無(wú)功充裕度并提出變電站無(wú)功配置需求，流程圖見(jiàn)圖2，相關(guān)步驟如下：

圖2 充裕度評(píng)估方法流程圖Fig.2 Flow chart of adequacy assessment method

第1 步，確定變電站模型參數(shù)，選定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（變電站10 kV 出線回路數(shù)）、主變臺(tái)數(shù)及容量、變電站供區(qū)內(nèi)配變臺(tái)數(shù)及容量、下轄10 kV 線路類型及長(zhǎng)度。

第2 步，構(gòu)建計(jì)算模型，設(shè)定低負(fù)荷運(yùn)行方式下目標(biāo)變電站主變高壓側(cè)功率因數(shù)限制要求，基于對(duì)關(guān)鍵因素（負(fù)荷功率因素、主變有功負(fù)載率）的靈敏度分析得到變電站片區(qū)無(wú)功平衡情況，分析計(jì)算110 kV 變電站的感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)（線充比率、極限線充比率、下接極限電纜長(zhǎng)度）。

第3 步，分析變電站片區(qū)感性無(wú)功充裕度，計(jì)算變電站的感性無(wú)功補(bǔ)償配置需求，形成以主變負(fù)載率、負(fù)荷功率因素為關(guān)鍵因素的無(wú)功配置補(bǔ)償方案。

由于10 kV 架空線路的充電功率較小，一般僅為10 kV 電纜的1/30～1/50，因此分析時(shí)可忽略10 kV架空線路產(chǎn)生的充電功率，僅計(jì)及10 kV 電纜線路的充電功率。

2.2 感性無(wú)功充裕度量化評(píng)估方法

由上一章節(jié)公式可知，配電網(wǎng)片區(qū)內(nèi)110 kV 主變高壓側(cè)無(wú)功平衡如下：

在低負(fù)荷時(shí)段，由于主變負(fù)載率普遍較小約10% 甚至更低，主變短路電壓百分比約15%，因此式（14）第2 項(xiàng)數(shù)量級(jí)相比其余數(shù)量級(jí)明顯偏小，該項(xiàng)中的參數(shù)變化對(duì)無(wú)功平衡影響較小，故可簡(jiǎn)化功率因數(shù)平方項(xiàng)cos2φT≈cos2φD。因此可得到極限線充比klimit公式為

由上式可知，片區(qū)110 kV 變電站極限線充比僅與負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)cosφD、主變有功負(fù)載率αT、主變參數(shù)I0%和Uk%、片區(qū)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償率ε以及配電網(wǎng)片區(qū)主變高壓側(cè)功率因數(shù)限制要求cosφs相關(guān)?？紤]到主變參數(shù)以及片區(qū)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償率相對(duì)固定，因此當(dāng)確定了主變高壓側(cè)功率因數(shù)限制要求后，極限線充比僅與負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)cosφD和主變有功負(fù)載率αT密切相關(guān)。

當(dāng)線充比率k大于klimit時(shí)或者當(dāng)配電網(wǎng)片區(qū)電纜線路長(zhǎng)度L大于Llimit時(shí)，該片區(qū)110 kV 主變高壓側(cè)功率因數(shù)將大于限制要求cosφs。

此時(shí)需要配置的感性無(wú)功配置需求容量Qcom可由下式得到。

因此，根據(jù)110 kV 變電站的實(shí)際線充比k與極限線充比klimit之差即可確定所需要的感性無(wú)功補(bǔ)償容量，實(shí)現(xiàn)了感性無(wú)功充裕度的量化評(píng)估。

2.3 應(yīng)用場(chǎng)景

本文提出的感性無(wú)功充裕度評(píng)估方法將極限線充比klimit與極限電纜長(zhǎng)度Llimit作為衡量配電網(wǎng)片區(qū)內(nèi)110 kV 變電站無(wú)功平衡是否滿足限制要求的關(guān)鍵指標(biāo)，評(píng)估110 kV 變電站感性無(wú)功充裕度，并量化確定該110 kV 變電站片區(qū)的所需要的感性無(wú)功補(bǔ)償容量。該兩項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)數(shù)值越大意味著配電網(wǎng)片區(qū)內(nèi)的感性無(wú)功越為充裕。

針對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)中待新建的110 kV 變電站，通過(guò)評(píng)估待建變電站低負(fù)荷時(shí)期110 kV 主變有功負(fù)載率，選取下接10kV 配電線路上配變高壓側(cè)功率因數(shù)作為負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)，繼而可以得出待建變電站極限線充比率、極限電纜長(zhǎng)度以及無(wú)功平衡情況，從而得出相應(yīng)的感性無(wú)功缺額與無(wú)功補(bǔ)償配置方案。

針對(duì)在運(yùn)110 kV 變電站，通過(guò)在運(yùn)變電站低負(fù)荷時(shí)期110 kV 主變有功負(fù)載率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)配變高壓側(cè)功率因數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出在運(yùn)變電站極限線充比率、極限電纜長(zhǎng)度以評(píng)估片區(qū)無(wú)功平衡情況的主導(dǎo)因素[24]。若實(shí)際下接電纜長(zhǎng)度大于計(jì)算得出的極限電纜長(zhǎng)度，說(shuō)明無(wú)功平衡未滿足運(yùn)行要求的主導(dǎo)因素由于片區(qū)內(nèi)實(shí)際下接配電電纜線路長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致；若實(shí)際下接電纜長(zhǎng)度小于計(jì)算得出的極限電纜長(zhǎng)度，但仍存在無(wú)功平衡未滿足運(yùn)行要求的情況，說(shuō)明其主導(dǎo)因素是由于負(fù)荷側(cè)配變高壓側(cè)功率因數(shù)沒(méi)有達(dá)到管理限制要求而導(dǎo)致[3]。

3 算例分析

為驗(yàn)證上述方法的有效性，以某典型110 kV 變電站片區(qū)配電網(wǎng)為例[17]，采用本文提出的無(wú)功充裕度評(píng)估方法進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，在110 kV 主變高壓側(cè)功率因數(shù)不同限制要求下，片區(qū)感性無(wú)功充裕度相關(guān)結(jié)果見(jiàn)表1 及圖3。表1 中運(yùn)行參數(shù)如下：變電站主變總?cè)萘繛?00 MVA；變電站低壓側(cè)有功負(fù)荷為7 MW；負(fù)荷側(cè)無(wú)功負(fù)荷為1.421 4 Mvar；主變無(wú)功損耗為0.131 4 Mvar；已配置無(wú)功補(bǔ)償裝置容量為0；下級(jí)電纜充電功率為1.131 Mvar；主變下送無(wú)功為0.421 8 Mvar；實(shí)際線充比率為1.131%。

表1 典型變電站計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation result of typical substation

1）限制要求110 kV 變電站主變無(wú)功功率不發(fā)生低壓向高壓穿越的情況下：

該典型變電站片區(qū)內(nèi)無(wú)功平衡將滿足要求，線充率比小于其極限線充比率，感性無(wú)功冗余0.42 Mvar，極限電纜長(zhǎng)度164 km，存在裕度44 km。

2）限制要求110 kV 變電站主變高壓側(cè)功率因數(shù)不高于0.95 的情況下：

該典型變電站片區(qū)內(nèi)無(wú)功平衡將不滿足運(yùn)行要求，線充比率大于其極限線充比率，存在感性無(wú)功缺額1.88 Mvar；極限電纜長(zhǎng)度-79.9 km，裕度-199.9 km。

特別說(shuō)明此情況下，計(jì)算得到的極限線充比率和極限電纜長(zhǎng)度均為負(fù)值，說(shuō)明該配電網(wǎng)片區(qū)內(nèi)負(fù)荷功率因數(shù)過(guò)高甚至存在大量容性負(fù)荷，而片區(qū)110 kV 主變功率因數(shù)運(yùn)行限制要求較低，導(dǎo)致即便該配電網(wǎng)片區(qū)內(nèi)無(wú)電纜也無(wú)法滿足無(wú)功平衡運(yùn)行限制要求。當(dāng)額外配置2 Mvar 感性無(wú)功補(bǔ)償裝置后，該片區(qū)感性無(wú)功冗余0.12 MW，此時(shí)極限線充比率大于線充比率，極限電纜長(zhǎng)度132 km，裕度12 km，該110 kV 變電站片區(qū)滿足了無(wú)功平衡運(yùn)行要求。

由圖3（a）可知，片區(qū)主變有功負(fù)載率較低或負(fù)荷側(cè)感性功率因數(shù)較高甚至呈容性的情況下，片區(qū)無(wú)功平衡易發(fā)生主變低壓側(cè)向高壓側(cè)輸送的情況。感性負(fù)荷情況下，主變無(wú)功功率下送容量與負(fù)載率基本呈線性遞增關(guān)系。鑒于負(fù)荷功率因數(shù)對(duì)片區(qū)無(wú)功平衡即感性無(wú)功補(bǔ)償需求容量影響較大，著力降低負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)，使得無(wú)功負(fù)荷就地補(bǔ)償效果相較于集中補(bǔ)償更為優(yōu)化。

由圖3（b）可知，在片區(qū)有功負(fù)載率較小時(shí)，感性負(fù)荷的下降無(wú)法消耗片區(qū)配電線路的充電功率，導(dǎo)致片區(qū)無(wú)功平衡呈容性無(wú)功向主變輸送，進(jìn)而使得主變高壓側(cè)功率因數(shù)呈容性且劇烈下降；在片區(qū)有功負(fù)載率較大時(shí)，隨著負(fù)載率的提升主變無(wú)功損耗隨著負(fù)荷的增加而增加，進(jìn)而導(dǎo)致功率因數(shù)呈感性且緩慢降低。

由圖3（c）可知，針對(duì)片區(qū)主變不發(fā)生低壓向高壓側(cè)輸送無(wú)功功率的限制要求，負(fù)載率的增加將直接導(dǎo)致無(wú)功負(fù)荷的提高，從而消納更多的下級(jí)電力線路無(wú)功充電功率，最終使得主變無(wú)功倒送容量下降；針對(duì)片區(qū)主變高壓側(cè)功率因數(shù)不高于0.95 的限制要求，若負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)保持在容性至0.95 感性范圍之間，此時(shí)在負(fù)載率維持較低水平下，隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)，與片區(qū)無(wú)功平衡整體功率因數(shù)限制要求0.95 之間的無(wú)功缺額也隨之增加，但缺額增長(zhǎng)幅度隨著功率因數(shù)的減小而逐漸減小。

圖3 典型110 kV變電站分析計(jì)算結(jié)果Fig.3 Analysis and calculation result of typical 110 kV substation

3.1 感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)

極限線充比與極限電纜長(zhǎng)度作為感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)，數(shù)值越大意味著片區(qū)的感性無(wú)功越為充裕，當(dāng)變電站的實(shí)際線充比小于極限線充比或者下轄實(shí)際電纜長(zhǎng)度小于極限電纜長(zhǎng)度時(shí)，則該配電網(wǎng)片區(qū)感性無(wú)功較為充裕；反之，則該110 kV 變電站片區(qū)內(nèi)需要考慮配置感性無(wú)功補(bǔ)償裝置以滿足相應(yīng)的無(wú)功平衡要求。

場(chǎng)景A：片區(qū)無(wú)功平衡主變不發(fā)生低壓向高壓輸送無(wú)功功率限制要求。場(chǎng)景A 下典型變電站感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)圖4。由圖4 可知，在特定負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)下（感性），滿足主變高壓側(cè)無(wú)功不倒送對(duì)應(yīng)的變電站極限線充比率和極限電纜長(zhǎng)度隨著主變負(fù)載率的升高而升高。在負(fù)載率水平偏低或負(fù)荷側(cè)感性功率因數(shù)較高的情況下，該片區(qū)下轄極限電纜長(zhǎng)度越小，主變高壓側(cè)易發(fā)生無(wú)功由低壓向高壓輸送的情況。

圖4 場(chǎng)景A下典型變電站感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.4 Evaluation index of inductive reactive power adequacy of typical 110 kV substation under scenario A

場(chǎng)景B：片區(qū)無(wú)功平衡主變高壓側(cè)功率因數(shù)不高于0.95 限制要求。場(chǎng)景B 下典型變電站感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)圖5，由圖5 可知，在場(chǎng)景B 情況下，當(dāng)負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)控制較差時(shí)（0.98 感性），負(fù)荷水平低時(shí)段滿足主變高壓側(cè)功率因數(shù)不高于0.95 對(duì)應(yīng)的極限電纜長(zhǎng)度均為零；說(shuō)明由于負(fù)荷側(cè)功率因數(shù)較高，而要求的功率因數(shù)較低，從而導(dǎo)致及時(shí)該變電站片區(qū)內(nèi)即使無(wú)電纜也不能夠滿足規(guī)定的無(wú)功平衡要求。

圖5 場(chǎng)景B下典型變電站感性無(wú)功充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.5 Assessment index of inductive reactive power adequacy of typical 110 kV substation under scenario B

考慮負(fù)荷側(cè)的功率因數(shù)控制在較好情況下，即0.95 感性，在低谷負(fù)載率1%～20% 范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)場(chǎng)景B 滿足無(wú)功平衡的對(duì)應(yīng)片區(qū)極限電纜長(zhǎng)度時(shí)5.5～75 km。當(dāng)某變電站片區(qū)內(nèi)配電線路電纜長(zhǎng)度大于75 千米時(shí)，低谷負(fù)荷時(shí)段該片區(qū)難以滿足無(wú)功平衡要求?，F(xiàn)階段城區(qū)110 kV 變電站片區(qū)內(nèi)下轄電纜長(zhǎng)度大于75 km 較為普遍，因此配電網(wǎng)層面無(wú)功平衡滿足場(chǎng)景B 的要求仍較為困難，對(duì)就地感性無(wú)功補(bǔ)償裝置配置的依賴性較大。

3.2 充裕度評(píng)估應(yīng)用指導(dǎo)

如前文所述，由于無(wú)功過(guò)剩電壓過(guò)高的問(wèn)題近年來(lái)才愈發(fā)凸顯，當(dāng)前針對(duì)感性無(wú)功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研究文獻(xiàn)也較少，相關(guān)運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)導(dǎo)則尚未明確具體的感性無(wú)功補(bǔ)償配置計(jì)算方法。

本文所提出的充裕度評(píng)估方法，不受配電網(wǎng)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與冗余數(shù)據(jù)所影響，相較現(xiàn)有傳統(tǒng)的依托配電網(wǎng)良態(tài)潮流的分析方法，具有效率高、實(shí)施便捷、所需數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)。本方法在滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與導(dǎo)則的前提下，能夠?qū)κ?、省層?jí)110 kV電網(wǎng)各供電區(qū)域的感性補(bǔ)償充裕度進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)計(jì)算所得極限線充比、極限電纜長(zhǎng)度與區(qū)域?qū)嶋H線充比、下轄電纜長(zhǎng)度進(jìn)行比較，準(zhǔn)確評(píng)估并計(jì)算得到電網(wǎng)各供區(qū)/區(qū)域電網(wǎng)感性無(wú)功補(bǔ)償缺額、發(fā)現(xiàn)無(wú)功電壓平衡運(yùn)行薄弱點(diǎn)并為對(duì)應(yīng)補(bǔ)償需求具體站點(diǎn)和配置優(yōu)先次序提供指導(dǎo)參考，最終指導(dǎo)電網(wǎng)各供區(qū)內(nèi)的感性補(bǔ)償配置方案，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功分層分區(qū)平衡運(yùn)行。A 市電網(wǎng)節(jié)假低負(fù)荷方式下感性無(wú)功評(píng)估補(bǔ)償前無(wú)功平衡情況見(jiàn)表2、表3。

表2 A市電網(wǎng)節(jié)假低負(fù)荷方式下感性無(wú)功評(píng)估補(bǔ)償前無(wú)功平衡情況Table 2 Reactive power balance before inductive reactive power compensation assessment under low load mode of power grid in city A

表3 A市電網(wǎng)節(jié)假低負(fù)荷方式下感性無(wú)功評(píng)估補(bǔ)償后無(wú)功平衡情況Table 3 Reactive power balance after inductive reactive power compensation assessment under low load mode of power grid in city A

由上表可知，通過(guò)感性無(wú)功充裕度評(píng)估與補(bǔ)償規(guī)劃，供區(qū)電網(wǎng)整體感性無(wú)功補(bǔ)償率將有效提升，局部區(qū)域電纜線路、容性負(fù)荷得到有效補(bǔ)償，最終改善了區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功平衡分配方式與電壓穩(wěn)定運(yùn)行，有效緩解了現(xiàn)有感性無(wú)功補(bǔ)償配置不均衡以及電壓越限的問(wèn)題，解決節(jié)假日小負(fù)荷方式無(wú)功平衡跨區(qū)、跨層級(jí)長(zhǎng)距離傳輸、功率因數(shù)以及母線電壓越限的問(wèn)題。另外，本文所提的充裕度分析方法同樣能夠有效評(píng)估規(guī)劃在建變電站感性無(wú)功補(bǔ)償配置需求，為補(bǔ)償裝置的配置提供理論依據(jù)和參考。因此，本方法對(duì)于計(jì)算規(guī)劃待建變電站補(bǔ)償需求、提高實(shí)際運(yùn)行區(qū)域電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化平衡的補(bǔ)償決策均具有較好的參考價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于線充比率的配電網(wǎng)感性無(wú)功充裕度量化評(píng)估方法，基于實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合110 kV 變電站模型參數(shù)，分析了110 kV 主變有功負(fù)載率以及負(fù)荷側(cè)配變功率因數(shù)對(duì)無(wú)功平衡的影響，計(jì)算出相應(yīng)的線充比率、極限線充比率和下接極限電纜長(zhǎng)度，量化評(píng)估110 kV 變電站感性無(wú)功充裕度，精確計(jì)算出變電站片區(qū)感性無(wú)功補(bǔ)償需求容量。

本文提出的感性無(wú)功充裕度評(píng)估方法，相對(duì)已有傳統(tǒng)計(jì)算方法，擺脫了因配電網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜和數(shù)據(jù)質(zhì)量低而造成評(píng)估困難、收資繁瑣等問(wèn)題，評(píng)估方法可在地市、省級(jí)電力公司無(wú)功電壓管理專業(yè)實(shí)施開(kāi)展，為感性無(wú)功補(bǔ)償配置提供參考依據(jù)，有效提升電網(wǎng)無(wú)功平衡與運(yùn)行精細(xì)化管理水平，以達(dá)到相關(guān)運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)要求，提高配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行裕度。

基于線充比的感性無(wú)功充裕度評(píng)估方法具有計(jì)算分析流程快速、量化評(píng)估指標(biāo)直觀簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，可用于變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)以及實(shí)際在運(yùn)變電站低谷運(yùn)行方式下感性無(wú)功充裕度分析。針對(duì)規(guī)劃待建110 kV 變電站，充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)可判斷片區(qū)電力平衡情況，為片區(qū)感性無(wú)功缺額和感性無(wú)功補(bǔ)償配置方案提供了量化數(shù)據(jù)支撐；針對(duì)投入運(yùn)行的110 kV變電站，充裕度評(píng)價(jià)指標(biāo)可判斷不滿足無(wú)功平衡要求的主導(dǎo)原因，為運(yùn)行方式調(diào)整、用戶電能管理、無(wú)功配置方案提供指導(dǎo)性依據(jù)，保障電網(wǎng)無(wú)功分層分區(qū)平衡和提升電網(wǎng)運(yùn)行安全水平。