林彬彬
（国网福建省电力有限公司福州供电公司 福建福州 350001）
摘要：总结了目前我国大中城市电网无功设备配置、运行和管理等方面存在的主要问题，提出了适应于大中城市电网无功规划的技术原则，分别给出了城市主网、城市高压配电网、城市中压配电网无功规划的方法和步骤。
关键词：无功规划；城市电网；配电网；无功优化
引言
城市电网无功规划是城市电网规划的重要组成部分，合理的无功规划不仅能保证电压质量，有效降低有功损耗，对于提高电网的稳定性特别是电压稳定性也至关重要。
为加快城市电网发展，确保城市电网安全稳定运行和可靠供电，保持城市电网规划与城市规划相协调，国家电网公司组织各网省公司、中国电科院以及国电经研院，从2005年下半年开始至2006年初，开展了直辖市、省会城市、计划单列市(青岛、大连、厦门、宁波)和苏州市共31个重点城市电网的“十一五”规划、评审和汇总工作。
本文将在总结 31 个重点城市无功规划工作基础上，分析我国大中城市电网在无功设备配置、运行和管理方面存在的问题，参照大区互联电网无功规划原则，提出适应于大中城市电网无功规划的技术原则，推荐大中城市电网无功规划的方法、步骤。
1我国大中城市无功设备配置、运行管理问题分析
1.1 无功设备配置方面
1）目前城市电网的无功补偿主要集中在市区，周围各县市中压配网无功补偿很少。部分城市的一些110(35)kV变电站(尤其分布在偏远地区的)未装设或仅装设很少的无功补偿设备，而且由于电压波动、谐波及维护不及时等原因，造成部分无功补偿设备实际可投运率和投入率较低，无功缺口较大。
2）由于配电网一直存在建设资金不足的问题(尤其是各郊区和县市中)，中低压配电网建设和改造速度跟不上负荷增长的需要，造成目前公用中低压配电网无功补偿率低，线损率较高。
3）在变电站投运初期，有些电容器补偿采用单组形式，而单组容量过大，致使大部分时间电容器无法投入运行，变电站平均功率因数偏低。
4）部分负荷集中地区缺乏必要的无功备用容量，在高负荷情况下所有的无功补偿设备都投入运行，没有无功备用容量，电网出现事故时，缺少可以补充的无功容量。
5）东北地区部分220/66/10 kV变电站的10 kV母线低谷电压高。10 kV 母线带负荷，但所带负荷与主变容量相比较小，电压调整时主要保证 66 kV电压，10 kV电压低谷时较高，不易实现兼顾调节。
1.2 设备运行方面
1）无功配置应能保证电网在各种正常运行方式下，所有重要节点有充足的无功电源支持，同时也应该考虑特殊运行方式下的无功电压支撑能力。但由于各电网的电源分布、供电距离等存在差异，在兼顾无功补偿设备充足性和经济性的前提下提出的无功补偿配置方案难以适应某些特殊运行方式。
2）变电站的集中无功补偿装置故障率较高。影响设备正常运行的因素很多，尤其是配电网的无功设备运行环境条件相对恶劣，电容补偿系统容易损坏，运行维护量大，无法保证设备的完好率和可投运率。
3）城市电网负荷的峰谷差日益增大，使得电压波动加大，这给电网的无功、电压调整增加了难度。
1.3 设备选择方面
目前采用的密集型电容器组一旦发生故障，现场无法处理，造成无功补偿设备无法及时投入使用。
1.4 设备管理方面
1）对于 35kV以上大用户，存在的问题主要是无功配置不足以及维护、管理较为松散，导致无功补偿投入率较低，大量吸收无功，影响整个电网的无功平衡。
2）公用配电网10 kV系统中，部分配变分接头管理不到位，均在10.5 kV/400V侧，即使配置了低压无功补偿装置，也会由于电压偏高而导致其投运率较低。
2大中城市无功规划的原则、流程和方法
2.1概述
城市电网规划涉及到城市主网架无功规划、城市高压配网无功规划、城市中压配网无功规划3个层面。城市电网主网架无功规划可参考一般主网无功规划方法。本节主要在总结 31 个重点城市无功规划经验的基础上，提出大中城市电网无功规划的基本原则、流程和方法，以进一步规范我国城市电网无功规划方法。
2.2大中城市无功规划遵循的基本原则
为实现大中城市电网的电压控制，需要在各级电网中配置不同容量和调节性能的无功补偿设备，以满足正常运行和大事故扰动下电压的调控需要。
城市电网无功规划的基本要求是在分析电网稳态和动态运行条件下的无功特性基础上，合理配置无功补偿设备和电压调节手段，改善、控制和优化无功功率在全网中的分配和流动，以达到提高系统运行稳定性、抑制线路电压升高的目的。文献[1]结合我国大区互联电网电压无功问题，探讨了适于我国大区互联电网的无功规划原则和方法，提出了大区互联电网应满足的 8 项基本要求：1）首先应该满足正常和事故后方式的电压运行标准；2）应能满足电网稳定性的要求；3）配置高压电抗器应满足限制高压长距离线路过电压及潜供电流的要求，并避免可能的谐振过电压；4）应能满足事故扰动下“合理”的动态无功备用要求；5）对于直流输电系统，应满足直流输电系统的电压无功调整需求和直流馈入系统的稳定性要求；6）应为电网提供灵活的电压无功调节手段，并保留一定的调节裕度；7）应考虑到预防电网电压崩溃性事故的紧急电压无功控制措施；8）无功规划应满足电压稳定性的评价标准。
我国目前大部分大中城市电网已经涵盖超高压电压等级和中低压电压等级， 一些城市电网的负荷总量已经接近于省级电网，因此大区互联电网的基本原则也同样适应于大中城市电网。针对城市电网负荷密度高、供电距离短、受电比重大、用户电压质量及供电可靠性要求高等特点，应进一步关注以上原则中 3）、4）、8）条，针对上海已经发展成为大容量交直流多馈入系统的情况，应该更加关注以上原则中的5）。
结合大区互联电网无功规划的原则和大中城市电网的特点，城市电网无功规划应遵循的基本原则如下：1）应满足电压运行标准和用户供电电压质量；2）应满足城市电网安全稳定性和供电可靠性要求；3）在高压网密集分布的城市电网，需要考虑集中配置高压电抗器，在特殊情况下，可以考虑配置可控高抗作为补充；4）城市受端电网应加强动态无功设备的配置，满足事故扰动下“合理”的动态无功备用要求；5）城市主网、高中压配网应配置灵活的电压无功调节手段，并保留一定的调节裕度；6）应满足城市电网电压稳定性的要求；7）应考虑电缆线路和架空线路的合理优化补偿；8）有直流馈入的城市电网无功配置应满足直流系统的电压无功调整需求和直流馈入系统的稳定性要求。
2.3 城市主网无功规划流程及方法
总体看来，各城市采用的主网无功规划流程和方法与本次无功规划编制要求中所推荐的基本一致，归纳如下：
1）进行无功平衡计算。根据各电压等级规划变电站的负荷功率因数及规划的最大负载率和功率因数目标值，初步估算各电压等级需要新增的补偿总量。
2）根据无功平衡总量估算结果，给出各变电站无功补偿设备的初步配置方案。
3）通过潮流计算，分析电网各变电站的无功配置方案是否满足电压调整和无功功率分层分区基本平衡的要求。电压限值要满足《电力系统电压和无功电力技术导则》的要求，无功平衡方面满足500 kV变电站的下网功率因数尽可能高、220 kV变电站高压侧功率因数不低于0.95、无功不倒送、网内发电机的功率因数较高以保留足够的动态无功储备等原则。如果满足上述要求，则认为该配置方案是可行的，否则调整无功配置方案直至满足要求。
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4）通过潮流计算，分析小方式下各变电站感性无功补偿容量和容性无功补偿最大分组容量是否合理，是否满足电压调整和无功功率分层分区基本平衡的要求。通常要求220 kV变电站高压侧功率因数不高于0.95。如果满足要求，则该配置方案可行，否则调整各变电站的感性无功补偿容量容性或无功补偿最大分组容量，直至满足要求。
5）对全网任意一个元件退出的N?1运行方式，进行潮流计算分析，若存在电压越限节点，则对正常方式的无功补偿配置方案进行调整，再进行N?1校验，直至方案满足N?1要求。
6）综合上述计算结果，给出无功配置推荐方案。
2.4 城市高压配电网无功规划流程及方法
城市高压配电网无功规划流程如下：
1）通过调研或监测数据计算确定110(66、35) kV变电站高压侧目标功率因数、低压母线(10 kV)自然功率因数、大负荷和小负荷时的变压器负载率、电压偏差允许范围等计算参数。
2）给出电网初始无功配置方案(现状及规划)。
3）根据典型网络接线计算110(66、35) kV变电站大负荷方式下高压侧功率因数及低压侧电压水平是否满足电网运行要求(应考虑变压器无功损耗)。
4）根据步骤3）的计算结果调整变电站初始无功补偿容量(一般为增加补偿组数)。
5）进一步校验电压降和功率因数，相关因素有变压器容量、负载率、电缆、架空、接线方式(如一线供1台变或2台变)等。
6）若变压器高压侧功率因数和母线电压能够满足要求，则确定为推荐方案，否则调整无功配置方案，直至满足要求。
7）计算电网在小负荷方式下，运行电压是否满足要求，是否需要配置感性无功补偿装置以及确定分组容量大小。
规划过程中计算参数的选取直接影响着所需无功补偿容量的大小、无功配置方案的适应性以及经济性。31 个重点城市无功规划中采用了差异化的计算参数，能够更好地反映电网的实际情况。无功规划中最主要的 3 个计算参数分别是功率因数、电压变化允许范围、大负荷和小负荷下的变压器负载率。
2.5 城市中压配电网无功规划流程及方法
与高压配电网无功规划的原理大致相同，中压配电网无功规划需要考虑的因素也包括自然功率因数、接线方式、配变负载率、电缆及架空线路长度、电压水平。
与 35~110 kV 电网不同的是，理论计算表明10 kV 电缆线路充电功率较架空线路大，但仍远远小于线路输送的无功负荷(即使在线路轻载，如负载率为10%的情况下)，也就是说10 kV电缆线路的充电功率即使在正常低谷负荷时也不会引起无功过剩。因此，10 kV 中压配电网基本不需要配置低压电抗器。
通过对各城市中压配电网无功规划方法的分析研究，可以给出以下推荐方法：
1）通过调研或监测数据计算10 kV配变低压侧自然功率因数，确定功率因数目标值、大负荷和小负荷时的变压器负载率、电压偏差允许范围等计算参数。
2）通过理论计算确定不同配变容量、配变负载率及不同自然功率因数条件下，要达到功率因数目标值需要的无功补偿容量占变电容量百分比的范围。
3）现状电网按照规划方案补偿后高压侧功率因数不低于目标值为校核原则，求得各典型区域的无功功率缺额。新建设备则直接按照步骤 2）的结论给出初始无功配置方案。
4）根据典型网络接线，计算在大负荷和小负荷方式下，以无功不倒送为前提，线路各负荷点的电压是否满足相关导则的要求(应考虑配变无功损耗)。
5）根据步骤3）计算结果调整变电站初始无功补偿容量，进一步校验电压降和功率因数，直至满足要求，给出配置推荐方案。
3 特大型城市电网的无功规划深度探讨
随着大型直辖市和单列城市国民经济的发展，在我国已经形成较大规模的特大型城市电网。其主要特点是大部分已经形成 500 kV 超高压电网的骨干网架，负荷密度集中，外受电力比重大，电网的安全稳定问题较为突出。针对特大型城市电网，可以进一步考虑提高无功规划的深度，无功规划工作分成3个层面。
第1个层面的研究工作为工频过电压、潜供电流计算和正常的无功平衡分析。工频过电压计算的主要目的是确定新建线路的高抗配置方案；潜供电流和恢复电压计算主要为了确定高抗的中性点小电抗；无功平衡分析是整个无功规划研究工作的基础，依据《电力系统电压和无功电力技术导则》，按照无功电力分层、分区平衡及满足大事故扰动下动态无功备用要求的原则，从提高电压运行质量和电压安全性的角度出发，分析和评估电网各电压等级的无功设备配置情况，找出无功设备配置上的不足，并提出增加无功补偿，改善电压调控手段的初步建议和措施。在此基础上，对典型检修方式进行无功补偿配置方案的合理性校核。研究的运行方式建议每一方式年对应2个极端大方式和小方式，方式安排时适当考虑对无功平衡不利的因素。通过第1 个层面的研究工作可以确定初步的无功补偿配置方案，其中包括无功补偿配置地点、容量。
第2层面的研究工作包括无功配置方案优化分析、电压稳定分析评价和动态无功补偿配置方案研究。无功配置方案优化分析是在第1层面研究工作结束之后进行，依据已经提出的无功补偿配置方案，在满足系统安全的前提下，采用无功优化软件实现无功容量的合理分配，使总的无功配置容量最小，无功补偿投资最少，同时研究对降低网损、降低系统的年运行费用、提高电网经济效益的作用。研究方式基于正常峰荷方式和低谷方式，分别研究容性无功补偿配置方案和感性无功补偿配置方案的优化措施。
电压稳定分析和评价的目的是使无功补偿配置方案进一步考虑电压稳定的约束。通过对各典型运行方式下的的静态电压稳定分析，确定电网的关键负荷母线、关键线路和关键机组，确定电网各节点的功率裕度指标，确定电网内的相对弱区域，并提出相应的改善和控制措施；对于对电压稳定有较大影响的 N?1 和 N?2 事故进行筛选和排序，并对部分检修方式和严重事故后方式进行静态电压稳定性评价和短期及中长期电压稳定评估，我国目前尚缺乏电压稳定评价标准。
动态无功补偿方案的应用可行性研究主要根据提高电网输电能力和改善暂态电压恢复特性的要求，提出对动态无功补偿技术应用的建议，具体为：1）依据电压无功灵敏度的分析结果，提出电网SVC设备可能的配置地点及方案；2）研究各方案对提高电网外送能力的作用；3）研究各动态无功补偿配置方案对改善系统暂态电压恢复水平、增强系统抵御严重故障能力的作用；4）对各动态无功补偿配置方案进行经济性评估；5）确定电网中合理的动态无功补偿配置方案。
第3层面的研究工作主要是无功电压控制措施的研究，具体为稳态电压控制和紧急电压控制措施的配置。稳态电压控制措施研究的主要目的是从分层分区角度出发，计算正常及故障条件下发电机无功出力、有载调压变压器分接头位置以及变电站无功补偿设备投切情况。通过研究，提出正常方式下为了保证系统运行电压质量对发电厂及变电站无功设备运行条件的要求及建议。另外，包括无功补偿设备选型、无功补偿设备分组及调节特性。具备条件的大区电网可在无功规划中增加 AVC(自动电压无功控制)系统的应用可行性研究。
紧急电压无功控制措施依据对可能导致电网电压失稳的严重故障的仿真和分析，对电网的紧急电压无功控制措施进行校核性研究，包括低压减载和低压解列措施，具体内容为：对可能导致电压失稳事故的严重故障进行仿真，分析发生失稳事故的原因，评估现有紧急电压无功控制措施(包括低压解列、集中切负荷、闭锁OLTC等)的有效性；根据低压减载配置方案设计原则，对现有低压减载措施进行校核，包括调整首轮动作电压启动值、延时时间，并对适用于电网的低压解列措施进行研究。
4 结论和建议
本文总结了目前我国大中城市电网在无功设备配置、运行和管理等方面存在的主要问题；提出了适应于大中城市电网无功规划的基本技术原则，同时针对城市主网和高中压配网分别提出了电网无功规划的方法、步骤，指出特大型城市电网在无功规划中应进一步提高规划深度。
参考文献
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作者简介：
林彬彬，女，汉族，1978年3月出生，高级工程师，本科学历。主要从事电网规划管理，工作单位： 国网福建省电力有限公司福州供电公司。
论文作者:林彬彬
论文发表刊物:《电力设备》2016年第7期
论文发表时间:2016/7/5
标签：电网论文; 电压论文; 城市论文; 功率因数论文; 变电站论文; 方案论文; 负荷论文; 《电力设备》2016年第7期论文;