對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化計(jì)算及設(shè)置方案的探討

對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化計(jì)算及設(shè)置方案的探討

摘要：隨著一、二期農(nóng)城電網(wǎng)改造的結(jié)束，縣級(jí)電網(wǎng)供電能力和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都有了顯著的提高和加強(qiáng)，但是隨著負(fù)荷水平的增長(zhǎng)，負(fù)荷的峰谷差也越來(lái)越大，使得系統(tǒng)的調(diào)壓?jiǎn)栴}變得越來(lái)越困難，電壓過(guò)高或過(guò)低的問(wèn)題時(shí)有出現(xiàn)。因此，如何合理地調(diào)整電壓，提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和安全運(yùn)行水平，降低損耗，是擺在我們縣級(jí)電力企業(yè)面前的一項(xiàng)重要任務(wù)。筆者結(jié)合所在的貴州凱里市郊供電局的電網(wǎng)情況及無(wú)功優(yōu)化的目的和要求，對(duì)3種適合縣級(jí)電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的效果進(jìn)行了理論計(jì)算，對(duì)無(wú)功裝置配置的方案作了探討，以此作為實(shí)際工作無(wú)功補(bǔ)償容量和安裝位置的選擇提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵字：無(wú)功優(yōu)化理論容量計(jì)算設(shè)置方案特點(diǎn)分析1、工作的目的和意義近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的要求，供電企業(yè)的用戶對(duì)負(fù)荷需求、供電可靠性，以及電壓質(zhì)量和客戶服務(wù)水平等，都提出了更高的要求。經(jīng)過(guò)一、二期農(nóng)城電網(wǎng)的改造，縣級(jí)電網(wǎng)供電能力和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)都有了顯著的提高和加強(qiáng)，但是隨著負(fù)荷水平的增長(zhǎng)，負(fù)荷的峰谷差也越來(lái)越大，使得系統(tǒng)的調(diào)壓?jiǎn)栴}變得越來(lái)越困難，電壓過(guò)高或過(guò)低的問(wèn)題時(shí)有出現(xiàn)。因此，如何合理地調(diào)整電壓，提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和安全運(yùn)行水平，是擺在我們面前的一項(xiàng)重要任務(wù)。電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化，可以改善電壓質(zhì)量，降低線路損耗，使電網(wǎng)能安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，對(duì)保證工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善人民生活都具有重大的影響。電壓質(zhì)量差，既對(duì)用戶造成危害，同時(shí)也影響電力企業(yè)本身。應(yīng)力求使電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓接近電力設(shè)備的額定電壓，通過(guò)合理分配無(wú)功來(lái)進(jìn)行電壓調(diào)度，從而降低線損，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。無(wú)功優(yōu)化的目的就是使電力系統(tǒng)在保證電壓質(zhì)量的條件下，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的布局和配置容量最合理，無(wú)功運(yùn)行的網(wǎng)損最小。電網(wǎng)在進(jìn)行有功規(guī)劃和建設(shè)的同時(shí)，也要切實(shí)搞好無(wú)功的電力平衡和無(wú)功運(yùn)行的優(yōu)化補(bǔ)償。合理的無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的選擇以及補(bǔ)償容量的確定，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免大量無(wú)功的遠(yuǎn)距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費(fèi)用。而且由于我國(guó)配電網(wǎng)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)功缺乏，尤其造成的網(wǎng)損相當(dāng)大，因此無(wú)功功率補(bǔ)償是降損措施中投資少回報(bào)高的方案。一般配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式有：變電站集中補(bǔ)償方式、低壓集中補(bǔ)償方式、桿上無(wú)功補(bǔ)償方式和用戶終端分散補(bǔ)償方式。無(wú)功優(yōu)化工作，無(wú)論在規(guī)劃新系統(tǒng)，還是改造現(xiàn)有系統(tǒng)的無(wú)功配置，以及指導(dǎo)現(xiàn)有系統(tǒng)的無(wú)功設(shè)備運(yùn)行上，都具有十分重要的意義。因此，筆者結(jié)合所在的貴州凱里市郊供電局的電網(wǎng)情況及無(wú)功優(yōu)化的目的和要求，對(duì)3種適合縣級(jí)電網(wǎng)無(wú)功配置的方案進(jìn)行了計(jì)算，以此作為開(kāi)展實(shí)際工作的理論基礎(chǔ)。2、電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化計(jì)算內(nèi)容無(wú)功優(yōu)化計(jì)算能選擇電容器的安裝地點(diǎn)、安裝容量等。35kV變電站電容補(bǔ)償容量及對(duì)110kV站出線側(cè)的功率因數(shù)影響配變低壓負(fù)荷無(wú)功損耗值及補(bǔ)償容量10kV線路配電變壓器無(wú)功損耗值及補(bǔ)償容量單條10kV線路平均負(fù)荷距離現(xiàn)有及補(bǔ)償后的效果對(duì)比3、改善無(wú)功分布的手段及計(jì)算。3.1、35kV變電站集中補(bǔ)償方式針對(duì)輸電網(wǎng)的無(wú)功平衡，在變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)、提高終端變電所的電壓和補(bǔ)償主變的無(wú)功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般連接在變電站的10kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)改后的縣級(jí)電網(wǎng)中35kV變電站基本都配置了并聯(lián)電容器，對(duì)10kV側(cè)的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，以保證35kV端電壓的合格和110kV變電站35kV出線側(cè)的功率因數(shù)合格。由于在供電網(wǎng)絡(luò)中集中無(wú)功補(bǔ)償裝置均在35kV變電站10kV側(cè)，所以我們對(duì)10kV側(cè)補(bǔ)償裝置對(duì)提高110kV變電站35kV出線功率因數(shù)的最終效果進(jìn)行歸算，以此得到最小的無(wú)功補(bǔ)償量。例：現(xiàn)在我們以凱里市郊的35kV旁海變電站為例進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化的計(jì)算。1、線路、變壓器參數(shù)：1）35kV旁海變電站為110kV大坡變35kV線路306開(kāi)關(guān)供電，主供線路35kV大聯(lián)線全長(zhǎng)18.01千米，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-95/25，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出線路Rl=4.3Ω,Xl=6.31Ω。2）35kV旁海變電站主變?yōu)镾9－3150kVA,SN=3150kVA，Uk%=6.78，Io%=0.484,△Po=5kW,△Pk=24kW，UN＝38kV（為方便計(jì)算，首末端電壓均設(shè)為一致作近似計(jì)算）。3）因△Qo=Io%×SN/100（3－1－1）△Qk=Uk%×SN/100（3－1－2）折算得:△Qo＝15.246kvar，（變壓器空載無(wú)功損耗）又因：Rt=△Pk×UN2/SN2×1000；（3－1－3）Xt=Uk%×UN2/SN×10（3－1－4）算得Rt＝3.09Ω，Xt=26.37Ω2、設(shè)定35kV旁海變電站主變低壓側(cè)平均負(fù)荷為:P1=620kW,Q1=285kvar,Cosφ1=0.9091)、計(jì)算出主變壓器損耗值：△Pt=△Po+(P12+Q12)/UN2×Rt（3－1－5）△Qt=△Qo+(P12+Q12)/UN2×Xt（3－1－6）其中：△Pt：變壓器有功損耗值；△Qt:變壓器無(wú)功損耗值；I0％：變壓器空載電流百分比；UK％：短路電壓百分比；S:通過(guò)變壓器實(shí)際容量;SN:變壓器額定容量；計(jì)算出主變損耗為：△Pt＝6.17kW,△Qt＝25.27kvar2）計(jì)算線路損耗值：線路輸送功率為：PL=△Pt+P1QL=△Qt+Q1得：PL=620+6.17=6206.17kW,QL=285+47.23=310.27kvar,線路損耗為：△PL=（PL2+QL2）/UN2×RL（3－1－7）△QL=（PL2+QL2）/UN2×XL（3－1－8）得：△PL=1.71kW,△QL=2.51kvar3）計(jì)算首端輸出功率：P=PL+△PLQ=QL+△QL得：p=627.89kWQ=312.78kvar4)計(jì)算110kV變電站35kV出線首端功率因數(shù)：Cosφ＝cos[arctg(Q/P)]（3－1－9）得：cosφ＝0.95）為將出線功率因數(shù)cosφ`達(dá)到規(guī)定的=0.95，故將應(yīng)在線路補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量為△Q,經(jīng)計(jì)算：6）根據(jù)就地集中補(bǔ)償?shù)脑瓌t，補(bǔ)償?shù)摹鱍將安裝在35kV旁海變電站10kV側(cè)，補(bǔ)償后負(fù)荷情況：有功負(fù)荷不變P1`＝620kW,無(wú)功負(fù)荷為Q1`=Q1－△Q＝285－106.41＝178.59kvar補(bǔ)償后的35kV旁海變電站功率因數(shù)由補(bǔ)償前的0.909提高為cosφ1`＝0.957）由于在35kV變電站低壓側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償后線路輸送的功率發(fā)生變化，線路變壓器的損耗也同樣發(fā)生變化，故首端的輸出功率按（1－3點(diǎn)）重新歸算結(jié)果為：P=627.57kWQ=205.03kvar其cosφ=0.951≧0.95結(jié)果證明在首端計(jì)算補(bǔ)償容量后，在末端進(jìn)行補(bǔ)償，考慮輸送過(guò)程中的功率損耗的減少，得對(duì)首端的功率因數(shù)提高的效果略大于計(jì)劃值。故若在設(shè)定得負(fù)荷情況下，在35kV旁海變電站中集中補(bǔ)償106kvar以上的無(wú)功補(bǔ)償裝置便可使110kV大坡變35kV306線路達(dá)到要求值0.95.方案分析：1、這種方案雖然有助于保證用戶的電能質(zhì)量，但由于不能過(guò)度的投切，故在低谷期會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)情況，使無(wú)功倒送至110kV變電站，使損耗加大。2、但對(duì)這種方案對(duì)下端的10kV配電網(wǎng)的降損起到的作用不大。3、綜合以上計(jì)算結(jié)果，在10kV配電網(wǎng)中進(jìn)行分布的補(bǔ)償為較優(yōu)化的選擇。3.2、配變低壓集中補(bǔ)償方式針對(duì)低壓無(wú)功負(fù)荷縣級(jí)電網(wǎng)采用另外一種無(wú)功補(bǔ)償方式是在無(wú)功負(fù)荷較重、功率因數(shù)較低、電壓波動(dòng)較大的配電變壓器低壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償，采用微機(jī)電壓無(wú)功自動(dòng)控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，根據(jù)配變負(fù)荷波動(dòng)水平，運(yùn)行參數(shù)的變化選擇投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。主要目的是提高公共配變用戶的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，對(duì)配電網(wǎng)和配電變的降損有一定作用，也有助于保證該配變用戶的電壓水平。筆者所在的凱里市郊電網(wǎng)100kVA及以上配變共有41臺(tái)，共分布在16條10kV線路上，根據(jù)對(duì)配變無(wú)功負(fù)荷電量的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算（由于凱里市郊電網(wǎng)沒(méi)有安裝配變無(wú)功考核表，則采用配變動(dòng)力電量作為配變的無(wú)功電量的估算法），來(lái)決定是否安裝無(wú)功裝置和需補(bǔ)償?shù)娜萘?。以下為龍?chǎng)鎮(zhèn)公變作為計(jì)算的示例：例：龍場(chǎng)集鎮(zhèn)配變?nèi)萘繛?00kVA,今年最高月電量為98000kW·h，動(dòng)力電量為52000kW·h由于在配變低壓側(cè)未安裝無(wú)功電表，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，故無(wú)功電量選用該配變?nèi)鄤?dòng)力電量＋有功電量×20％來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算，1)、通過(guò)歷史電量計(jì)算平均功率平均有功＝月有功電量/720小時(shí)平均無(wú)功＝月無(wú)功電量/720小時(shí)得：平均有功＝98000/720=136kW平均無(wú)功＝（52000+98000×20%）/720=99kvar2）、計(jì)算功率因數(shù)Cosφ＝cos[arctg(Q/P)]＝cos[arctg(99/136)]＝0.83)計(jì)劃提高功率因數(shù)須補(bǔ)償值提高到0.9△Q=33.5kvar提高到0.95△Q=54.7kvar經(jīng)過(guò)對(duì)補(bǔ)償裝置投資及負(fù)荷發(fā)展的考慮，選擇功率因數(shù)提高到0.95的方案，故安裝20kvar×3。3.3、10kV線路柱上補(bǔ)償方式對(duì)配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了專(zhuān)用變及容量較大的公共配變之外，還有許多小容量的公用變沒(méi)有進(jìn)行低壓補(bǔ)償，使得補(bǔ)償度受到限制。10千伏線路送出端或配電，大多變壓器均沒(méi)有配置補(bǔ)償裝置，致使10千伏送出端功率因數(shù)COSφ值很低。其主要原因是眾多的小容量配電變壓器時(shí)常在低負(fù)荷下運(yùn)行，眾多配變的空載及漏磁損耗、家用電器的無(wú)功耗用迭加起來(lái)占據(jù)了10千伏線路送出的大量無(wú)功功率，致使COSφ值達(dá)不到規(guī)定要求，線損也大大增加。之所以在現(xiàn)有的補(bǔ)償方式中最難以解決的就是小容量、低負(fù)載率的公共配變。這些大量存在的公用變壓器沒(méi)有進(jìn)行低壓補(bǔ)償，補(bǔ)償度受到限制。由此造成很大的無(wú)功功率缺口需要由變電站或發(fā)電廠來(lái)填，大量的無(wú)功功率沿線傳輸，配電網(wǎng)網(wǎng)損居高難下，即便首端的功率因數(shù)合格但無(wú)功傳輸距離上長(zhǎng)的問(wèn)題并沒(méi)有解決。為取得較好效果，可以針對(duì)性的在配電系統(tǒng)桿上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此可以把10kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上（或另行架桿）的方法來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。由于線路無(wú)功損耗較小，計(jì)算也較為復(fù)雜故，在此不進(jìn)行考慮。另外考慮防止無(wú)功倒送的問(wèn)題，無(wú)功倒送會(huì)增加配電網(wǎng)的損耗，加重配電線路的負(fù)擔(dān)，是電力系統(tǒng)所不允許的。尤其是采用固定電容器補(bǔ)償方式，則可能在負(fù)荷低谷時(shí)造成無(wú)功倒送，之所以現(xiàn)就10kV配電系統(tǒng)中配變變壓器在不同負(fù)載情況下消耗的無(wú)功功率進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，作為柱上高壓補(bǔ)償裝置選擇容量的依據(jù)，并根據(jù)配變的平均負(fù)荷距離來(lái)選擇集中補(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)。最后還對(duì)加裝柱上補(bǔ)償裝置后的提高無(wú)功優(yōu)化取得效益進(jìn)行對(duì)比。由變壓器無(wú)功功率損耗公式為：其中：QT:配電變壓器無(wú)功損耗值；I0％：變壓器空載電流百分比；UK％：短路電壓百分比；S:通過(guò)變壓器實(shí)際容量;SN:變壓器額定容量；我們通過(guò)調(diào)取配電變壓器的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)輸入上述計(jì)算公式進(jìn)行10kV線路的計(jì)算得到選擇固定補(bǔ)償?shù)娜萘糠桨福?/p>

以下我們就10kV白鴨線(001)為試點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算案例：（表1）線路名稱(chēng)：10kV白鴨線配變：20臺(tái)容量：3740kVA序號(hào)變壓器名稱(chēng)型號(hào)容量負(fù)載率無(wú)功空載損耗(kvar)無(wú)功額定負(fù)載損耗值(kvar)無(wú)功負(fù)載損耗值(kvar)總無(wú)功損耗值(kvar)負(fù)荷距（km）1同得利山莊S9-315/100.32.8312.751.1483.98332祥綠沙場(chǎng)S9-100/100.31.63.80.3421.94243大坳移動(dòng)基站S9-20/100.30.440.760.06840.508454州建公司S9-500/100.32.816.041.44364.243655交警支隊(duì)S9-100/100.31.63.80.3421.94256四一八醫(yī)院S11-400/100.32.816.041.44364.243657宏偉房地產(chǎn)S9-100/100.31.63.80.3421.94258翁義村S9-80/100.31.443.20.2881.72869路華自來(lái)水公司S9-50/100.311.90.1711.171610開(kāi)發(fā)區(qū)八號(hào)路口公變S9-315/100.32.8312.751.14813.983611明陽(yáng)食品廠S11-200/100.32.787.880.70923.4892712白午移動(dòng)基站S9-20/100.30.440.760.06840.5084913海洋化工廠S11-200/100.32.787.880.70923.4892714啤酒廠S11-630/100.32.816.041.44364.2436815翁義一組S11-200/100.32.787.880.70923.4892716開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)S9-200/100.32.787.880.70923.4892717翁義二組S11-200/100.32.787.880.70923.4892718州養(yǎng)殖場(chǎng)S7-10/100.30.232.010.18090.4109919翁義移動(dòng)基站S9-20/100.30.440.760.06840.5084720州檔案館S9-80/100.31.443.20.2881.7287

合計(jì)

3740

38.2

12.33250.532256.25通過(guò)表1計(jì)算結(jié)果可以得出:1、該條線路24臺(tái)配變空載總無(wú)功損耗為38.2kvar。2、以各臺(tái)變的歷史電量計(jì)算得出的近似負(fù)載率為0.3計(jì)算出臺(tái)變負(fù)載無(wú)功損耗值為12.332kvar。3、最后得出在0.3的負(fù)載率下該條線路的無(wú)功損耗為50.532kvar。根據(jù)略大于固定無(wú)功損失值的原則，我們選擇80kvar的10kV柱上無(wú)功補(bǔ)償裝置。4、通過(guò)近似臺(tái)變平均負(fù)荷距來(lái)選擇柱上無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝位置在距電源點(diǎn)6.25公里處。5、以下是假設(shè)安裝補(bǔ)償裝置后的效果對(duì)比。（表2）線路名稱(chēng)編號(hào)配變臺(tái)數(shù)總?cè)萘浚╧VA)配變計(jì)算無(wú)功損耗數(shù)(kvar)平均有功(kW)平均無(wú)功(kvar)平均功率因數(shù)計(jì)劃無(wú)功補(bǔ)償容量（kvar)補(bǔ)償后功率因數(shù)白鴨線20374050.537333250.91800.95該條線路歷史電量分析計(jì)算出平均有功為733kW，平均無(wú)功為325kVAR，安裝前的功率因數(shù)為0.9，補(bǔ)償80kVAR后提高到0.95。方案分析：由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站，容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置、控制成本高、維