全电缆出线变电站扩建无功补偿配置工程实践分析

郑志杰，赵 龙，贾善杰，王 艳，张 雯

（国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021）

全电缆出线变电站扩建无功补偿配置工程实践分析

郑志杰，赵 龙，贾善杰，王 艳，张 雯

（国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021）

随着城市的发展，城市中心区110 kV变电站多数采用全电缆出线，充电功率较大。而由于历史原因，部分城区110 kV变电站未预留电抗器布置条件，造成电压调整困难。以某110 kV站扩建为例，研究城区全电缆出线110 kV变电站改扩建无功配置方案；考虑周边变电站实际运行现状，在变电站配置低压电抗器以补偿电网小方式运行条件下的盈余无功功率；考虑充分利用电缆线路的充电功率，减少站内电容器补偿容量；结合远景规划、现状及二期扩建需求，研究合理的无功配置方案。通过平衡分析，提出了变电站无功补偿调整配置思路，对同类型的变电站具有借鉴意义。

无功配置；无功平衡；电容器；电抗器

0 引言

合理的无功补偿配置是保证电力系统电压稳定和提高电压质量的重要手段，不仅对电力用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与寿命有重要影响，还对电力系统的安全与经济运行起着重要支撑作用。

在电力学术界和工程界，无功补偿和无功优化都是一个长期研究的课题。目前概率论、内点法、遗传算法、最优覆盖法、免疫算法等各种数学优化算法在无功优化研究领域均有应用［1-2］。

由于受变电站建设条件、典型设计、标准物料、经济费用等因素限制，在工程实践领域常常需要具体问题具体分析［3-4］。随着城市的发展，城市中心区110 kV变电站多数采用全电缆出线，充电功率较大。而由于历史原因，部分城区110 kV变电站未预留电抗器布置条件，造成电压调整困难。本文以某110 kV变电站扩建工程为例，对其无功配置方案进行研究，以确保技术方案的经济合理性，满足电网运行要求。

1 变电站无功补偿原则

1.1 变电站无功补偿平衡原则

电力系统无功补偿应满足系统各种正常及事故运行方式下电压水平的需要，原则上应使无功就地分区分电压基本平衡。

按照国家电网公司电力系统无功补偿配置技术

式中：QB为变压器所需补偿的最大容性无功容量，Mvar；Im为安装无功补偿装置后，通过变压器需要补偿一侧的最大负荷电流值，A；Ie为通过变压器需要补偿一侧的额定电流值，A；I0为变压器空载电流百分值，%；Ud为需要进行补偿的变压器一侧的阻抗电压百分值，%；Se为需要进行补偿的变压器一侧的额定容量，MVA。

1.2 变电站无功补偿分组原则

为保证电压质量，变电站无功补偿分组容量的选择要求最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%［6］。原则，对于大量采用10～220 kV电缆线路的城市电网，在新建110 kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置［5］。

目前工程上对变电站无功平衡一般考虑无功负荷和无功电源两个因素。

无功负荷，包括变压器损耗（变压器负载无功损耗和变压器空载无功损耗）和变电站无功负荷。无功电源，包括网络提供的无功功率和线路充电功率。对全电缆出线变电站，应结合具体参数进行计算。其中，变电站补偿变压器损耗的容性无功为

式中：Qfz为电容器（电抗器）单组容量最大值，Mvar；Sd为电容器（电抗器）所接母线的三相短路容量，MVA。

2 变电站扩建无功补偿配置工程实践

2.1 变电站规划及现状情况

以某110 kV变电站为例，该变电站为全电缆出线变电站，位于济南市城区核心区域，为A类供电区。

变电站规划规模、现状规模及本期规模如表1所示。

变电站出线规模。变电站位于城市中心区域，110 kV线路均采用电缆，现状1回出线，至220 kV A变电站，如图1所示。规划110 kV出线2回，分别至220 kV A变电站和220 kV B变电站，本期变电站扩建同步建设至220 kV B变电站的1回110 kV电缆线路，如图2所示。

表1 变电站建设规模表

图1 110 kV变电现状接入方案

图2 110 kV变电规划接入方案

2.2 目前存在的问题

近年来，由于济南市区新建线路多为电缆线路，充电功率大，造成负荷低谷时城区电网容性无功过剩，电压升高。110 kV变电站对侧220 kV A变电站情况较为突出，如图3～5所示，其中图4～5对应时间为2016-03-05。

图3 2016年220 kV A站110 kV母线电压

图4 220 kV A站全站无功曲线

目前220kV A变电站110kV运行电压在119 kV左右，个别时段会超过121 kV，如图3所示。220 kV A变电站容性无功过剩最大值约在42Mvar左右，如图4所示。110 kV线路倒送至220 kV A变电站容性无功最大值约在7.6Mvar左右，如图5所示。

图5 110 kV线路无功曲线（A站侧）

220 kV A变电站为1984年投运老站，未规划安装电抗器，缺乏调节容性无功过剩手段。

由于110 kV变电站所处电网电缆线路较多、充电功较大、电压偏高，电容器极少投入运行，如图6所示。

图6 2016年110 kV变电站电容器投运情况

2.3 变电站出线线路参数

110 kV变电站至220 kV A变电站现有1回110 kV电缆线路，长约7 km，采用ZC-YJLW02-Z 64/110 1×630 电缆。

110 kV变电站至220 kV B变电站规划建设1回电缆线路，长约4.2 km，采用 ZC-YJLW 02-Z 64/110 1×800电缆。

110 kV变电站规划10 kV出线38回，现状出线14回，本期出线11回。10 kV出线均采用YJV22-8.7/15-3×400电缆，平均每回长度按 3 km计列（对于A+、A、B区域，10 kV供电半径一般小于 3 km）。电缆充电功率参数如表2、表3所示。

表2 110 kV电力电缆电容参数表

表3 10 kV电力电缆电容参数表

2.4 变电站出线线路充电功率及主变无功损耗

2.4.1 变电站出线线路充电功率

变电站110 kV线路充电功率可由每条线路充电功率累加计算得出。110 kV变电站—220 kV A变电站线路充电功率为5.88Mvar。110 kV变电站—220 kV B变电站线路充电功率为3.58Mvar。

220 kV A变电站未安装电抗器，220 kV B变电站（计划2018年投运）一期安装9×8Mvar电抗器。因此，110 kV变电站安装电抗可按补偿110 kV变电站—220 kV A变电站线路全部充电功率、110 kV变电站—220 kV B变电站线路一半充电功率考虑。

变电站10 kV线路充电功率可同理得出。变电站规划38回10 kV线路充电功率为1.71 Mvar；变电站现状及本期25回10 kV线路充电功率为1.125Mvar。

2.4.2 变电站主变无功损耗

110 kV变电站规划3台63MVA主变，主变阻抗电压为17%，主变空载电流为0.1%。110 kV变电站现有1台63MVA主变，本期扩建1台63MVA主变，主变阻抗电压均为17%。

110 kV变电站远景规划及本期无功平衡如表4、表5所示。

表4 110 kV变电站远景规划无功平衡 Mvar

表5 110 kV变电站本期无功平衡 Mvar

2.5 变电站无功配置调整

2.5.1 变电站无功分组容量分析

变电站无功补偿装置分组原则主要从满足电压波动情况考虑，本变电站10 kV母线（3台主变分列）短路容量为335.41MVA，依据式（2）进行计算，最大单组无功补偿装置应小于8.4Mvar。

2.5.2 变电站无功本期容量配置

变电站现有 1×（2.4+4.8）Mvar电容器，本期再补偿4.8Mvar电容器，容量无功配置达到12Mvar。

考虑电抗器标准物料情况 （6Mvar、10Mvar）及最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%，本期补偿电抗器容量为6Mvar。

2.5.3 变电站无功远景容量配置

变电站3台主变同时满载情况较为极端，需要增配容性无功较多，按3台主变同时重载 （负载率90%）考虑，需要配置容性无功：16.834Mvar。因此，第三台主变扩建时，再补偿4.8Mvar电容器。

变电站预留远景年再补偿6Mvar电抗器的条件。变电站无功补偿容量调整如表6所示。

表6 110 kV变电站无功配置 Mvar

3 结语

分析了全电缆出线变电站改扩建无功配置优化方案，并以某110 kV变电站为例，从变电站的地理位置、周边变电站及负荷、变电站在不同运行阶段的负载率情况和出线规模、无功平衡、标准物料等方面对无功补偿配置进行了分析研究。提出充分利用电缆线路的充电功率，减少站内电容器补偿容量，增补电抗器的无功调整思路。根据无功平衡结果及无功补偿装置分组原则，研究合理的无功配置方案，对同类型的变电站具有重要借鉴意义。

［1］徐茂鑫，张孝顺，余涛.迁移蜂群优化算法及其在无功优化中的应用［J］.自动化学报，2017，43（1）：83-93.

［2］王一杰，赵舫，丁颖，等.基于最优覆盖法的变电站无功补偿容量优化配置研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（15）：38-42.

［3］叶斌，葛斐，王莉娅.合肥电网220 kV板桥变电站无功配置分析［J］.安徽电力，2011，28（2）：22-24.

［4］樊菊霞，熊志荣，吕夷，等.永州南500 kV变电站无功补偿装置的选择及配置［J］.湖南电力，2010，30（5）：4-6.

［5］国家电网公司.电力系统无功补偿配置技术原则：Q/GDW212-2015 ［S］.北京：中国电力出版社，2016：5-6.

［6］国网北京经济技术研究院.电网规划设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2016.

Practical Analysis for Reactive Power Configuration of 110 kV Substation Expansion w ith A ll Cable Line

ZHENG Zhijie，ZHAO Long，JIA Shanjie，WANG Yan，ZHANGWen
（State Grid Shandong Electric Power Company Economic Research Institute，Jinan 250021，China）

With the development of the city，the eliciting lines of themost of the 110 kV substations in the city center area use cable and produce very large reactive power.However，some urban 110 kV substation was builtwithout foreseeing the necessity of reserving the space for implementation of new reactors，resulting in difficulties in full-fill the requirements on voltage adjustment.Take the extension of an 110 kV substation as an example.In order to compensate the surplus reactive power，a scheme of configuring the reactors in the substation is considered.On the basis of adequate utilization of the reactive power of the lines，the reduction of the size of the compensation capacitors in the station is discussed.Considering the possible future plan，the current situation and the demand of the expansion，a reasonable configuration scheme of reactive power is studied.Through the analysis to the reactive power compensation，amethod on adjusting the reactive power compensation is proposed.This provides valuable guidance to the same type of substations.

reactive power configure；reactive power balance；capacitor；reactor

TM63

：A

：1007－9904（2017）08－0035－04

2017-02-03

郑志杰（1981），男，高级工程师，从事电力系统规划与设计工作。