水工業實時無功補償問題的探討及其解決方案
摘 要:根據無功功率的平衡原理,依據無功補償的原則,介紹無功補償和電壓優化控制原理及流程,并以實例說明其應用效果。
關鍵詞:無功功率；電壓；分析；實時補償
A Discussion on Real-time Reactive Power Compensation
Abstract：According to the principles of reactive power balance and compensation, the principle and procedure of reactive power compensation and voltage optimization are explained. Their application results are illustrated in real cases.
Keywords：reactive power；voltage；analysis；real-time compensation
0 引言
隨著我國電力工業的迅猛壯大，電網逐步擴張，電力負荷增長很快，電壓等級越來越高，電網、發電廠以及單機容量也越來越大，電網覆蓋的地理面積在不斷擴大。但是，由于地理環境、燃料運輸、水資源及經濟發展規模等諸多因素的影響，致使電源(發電廠)分布不均衡，要保證系統的穩定和優良的電能質量，就必須解決遠距離輸電、電壓調節及無功補償等問題。
電壓是電能質量的重要指標之一，電壓質量對電網穩定及電力設備安全運行、線路損失、工農業安全生產、產品質量、用電單耗和人民生活用電都有直接影響。無功電力是影響電壓質量的一個重要因素，電壓質量與無功是密不可分的，可以說，電壓問題本質上就是無功問題。解決好無功補償問題，具有十分重要的意義。
目前，許多地方電力系統的無功補償和電壓調節依然采用傳統的調節方式，有載調壓變壓器、靜電電容器等只能手動調節和投切,不能實現實時電壓調節或無功補償。因此，實現實時無功補償以保證電力系統電壓的連續穩定性，是本文研究和探討的主要方向。
1 相關理論
1.1 無功功率平衡
欲維持電力系統電壓的穩定性，應使電力系統中的無功功率保持平衡，即系統中的無功電源可發出的無功功率應大于或等于負荷所需的無功功率和網絡中的無功損耗。系統中無功功率的平衡關系式如下：
Qgc-Qld-Ql =Qr
式中 Qgc——電源發出的無功功率之和;
Qld——無功負荷之和;
Ql——網絡中的無功損耗之和;
Qr——系統可提供的備用無功功率。
Qr > 0，表示系統中無功功率可以平衡而且有適當的備用；Qr <0，表示系統中無功功率不足，此時，為保證系統的運行電壓水平，就應考慮加設無功補償裝置。
Qgc包括全部發電機發出的無功功率Qg和各種無功補償裝置提供的無功功率Qc，即
Qgc=Qg＋Qc
1.1.1 補償容量不足時的無功功率平衡
進行系統無功功率平衡的前提是保持系統的電壓水平正常，否則，系統的電壓質量就得不到保證。在圖1所示的系統無功功率負荷的靜態電壓特性曲線中，在正常情況下，系統無功功率電源所提供的無功功率Qgcn，由無功功率平衡的條件Qgcn-Qld-Ql=0決定的電壓為Un，設此電壓對應于系統正常的電壓水平。但假如系統無功功率電源提供的無功功率僅為Qgc(Qgc
1.1.2 系統無功功率電源充足時的無功功率平衡
在正常情況下(系統電壓為額定電壓)，如圖2所示，系統無功電源Q同電壓U的關系為曲線1，負荷的無功電壓特性為曲線2，兩者的交點a確定了負荷節點的電壓Ua。
當負荷增加時，如曲線2所示，如果系統的無功電源沒有相應增加，電源的無功特性仍然是曲線1，這時曲線1和曲線2的交點a＇就代表了新的無功功率平衡點，并由此決定了負荷點的電壓為Ua′，顯然Ua′ 1.2 無功補償原則
國家《電力系統電壓和無功電力技術導則》規定，無功補償與電壓調節應以下列原則進行。
a.總體平衡與局部平衡相結合；
b.電力補償與用戶補償相結合；
c.分散補償與集中補償相結合；
d.降損與調壓相結合，以降損為主。
無功補償應盡量分層(按電壓等級)和分區(按地區)補償，就地平衡，避免無功電力長途輸送與越級傳輸。
2 實行實時無功補償和電壓調節
為了實行實時無功補償，優化無功潮流分布，提出一種全網無功補償和電壓優化實時控制方法，以實現從離線處理轉化為實時處理，提高全網各節點電壓合格率，減少網損，取得較好的經濟性。
2.1 控制無功補償和電壓優化的規則
以全網網損盡量小、各節點電壓合格為目標，以調度中心為控制中心，以各變電站的有載調壓變壓器分接頭調節與電容器投切為控制手段。
2.2 控制流程
首先從調度自動化系統采集數據，送入電壓分析模塊和無功分析模塊進行綜合分析，形成變電所主變分接頭調節指令、變電所電容器投切指令，由調度中心、集控中心、配調中心控制系統執行，循環往復。無功電壓實時控制流程見圖3。
2.3 無功補償與電壓優化的控制原理
電力系統電壓無功限值區間的劃分(動態9區圖)見圖4。根據該圖在各區內，以最優的控制順序和電壓無功設備組合使運行點進入無功、電壓均滿足要求的第9區。
電壓控制按照逆調壓原則，當電壓變化超出電壓曲線的允許偏差范圍(U上—U下)或超出無功功率允許偏差范圍(Q上—Q下)時，根據整定的偏移量發出電容器投切指令或變壓器分接頭調整指令，從而達到調整電壓和無功潮流的目的。
其中，U上、U下分別為電壓約束上、下限，Q上、Q下分別為無功約束上、下限，各區動作方案如下。
1區：電壓超下限，無功超上限。設定電容器投入容量，并發出電容器投入指令，當電容器全部投入后，電壓仍低于U下時，發出變壓器分接頭升壓調節指令。
2區：電壓合格，無功超上限。發出電容器投入指令，當電容器全部投入后運行點仍在該區，則維持運行點。
3區：電壓超上限，無功超上限。發出變壓器分接頭降壓調節指令；當有載調壓已處于下限時，再發出上一級變壓器分接頭調節指令。
4區：電壓超上限，無功合格。動作方案同3區。
5區：電壓超上限，無功超下限。發出電容器切除指令，當電容器全部切除后，電壓仍高于U上時，再發出變壓器分接頭降壓調節指令。
6區：電壓合格，無功超下限。發出電容器切除指令，當電容器全部切除后，運行點仍在該區，則維持該運行點。
7區：電壓超下限，無功超下限。發出變壓器分接頭升壓調節指令，當有載調壓已處于上限時，再發出電容器投入指令。
8區：電壓超下限，無功合格。動作方案同7區。
9區：電壓、無功均合格。維持該運行點，不發調整指令。
3 應用分析
以#6變電站為例，假設其運行于1區，即10kV母線電壓低于其電壓曲線下限，同時變壓器高壓側所受無功功率潮流高于其整定上限，那么，控制系統會根據采集到的實時數據，先進入電容器調節程序，計算確定應投入的電容器容量，條件是電容器投入后，10kV側不得向35kV側反送無功或不得超出無功受電的整定下限。如果電容器全部投入后，仍然不能滿足要求，系統會進入變壓器分接頭計算程序，并根據計算結果，發出變壓器分接頭調節指令，強行提高低壓側母線電壓，使其達到或高于電壓曲線下限，但此時變電站無功負荷潮流不一定滿足整定要求，可以根據對負荷的預測，增加電容器的裝設容量。
若運行于2區，即10kV母線電壓達到或高于其電壓曲線下限，同時變壓器高壓側所受無功功率潮流高于其整定上限，則控制系統只進入電容器調節程序，發出電容器投入指令，補償無功，減小變電站無功受電。若電容器全部投入后，仍不能使無功潮流滿足要求，由于電壓在合格范圍內，控制程序不再進入變壓器分接頭調節程序，使其維持在該運行狀態下。對于電容器裝設容量不足的問題，也可以通過增加電容器的裝設容量來滿足需要。
在3區運行時，由于電壓超過上限，但無功受電也較多，超過上限，這主要由變壓器變比不合適引起，控制系統會以此條件做出判斷。首先發出變壓器分接頭調節指令進行降壓，若分接檔位調至下限時，電壓仍超過上限，此時應調節上一級變壓器(4)分接頭降低電壓。不切除電容器是因為切除后，無功受電會進一步加大，不符合網損盡量小的原則。此外，可采取調整負荷結構，平衡無功負荷的措施，不使其過于集中。
在4區運行時，第一步與3區調整原則一致，第二步控制系統在保證無功合格的條件下，切除部分電容器，減少其對電壓的抬升作用。
5～8區與1～4區相對應，控制系統會發出相反的調節指令，不再敘述。
4 運行效果
4.1 降低線損
應用前后3個月的網損統計數據比較如表1所示。應用實時無功補償與電壓控制系統后，1～3月的節電量分別為300、349、420MW·h，降損節電效果明顯。
4.2 提高了電壓合格率
系統應用前后的電壓合格率比較見表2。可以看出，各點電壓合格率均得到了提高。
4.3 改善了設備運行狀態
由于實施全網實時無功補償和電壓調節，變電所電容器平均每天投切次數由以前的3次增加到9次，主變分接頭開關調節次數由以前的10次 /(臺·d)，降低到現在的5次/(臺·d)；同時，高壓側功率因數由0.89提高到0.96。
5 結論
按照上述方案實施無功補償和電壓調節，使無功功率得到了自動實時補償，實現從離線處理到實時處理,從就地平衡到全網平衡,從單獨控制到集中控制，避免了人工監視、手動投切的各種弊端，如響應慢、誤操作、工作量大等，電壓水平的合格性和穩定性得到了顯著提高，整個電網的網損降到了盡量低的程度。運行實例表明，該系統方案在電力系統具有良好的應用前景。
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