電網低負荷期間發電機組進相運行分析及管理

解 兵 ，徐 珂 ，劉建坤 ，徐 賢

(1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.江蘇電力公司調度控制中心，江蘇南京210024)

隨著電網中裝機容量不斷增加，超高壓、特高壓線路以及城市高壓電纜大量建設和投入，系統容性無功功率不斷增長，造成電網低負荷期間電網電壓偏高，嚴重影響系統供電質量，并且危及輸變電和用戶設備的安全運行[1-8]。同步發電機進相運行是發電機定子電流超前于機端電壓、向系統發出有功、吸收無功的低勵磁運行方式，是解決電網低負荷運行期間無功功率過剩、電網電壓過高的簡便可行、經濟性高的有效措施。從20世紀50年代開始，國內外就有關于發電機進相運行的文獻報道，至今已取得了一系列的成果。目前發電機進相運行的文獻主要停留在試驗階段，而關于解決電網負荷低谷期的電壓偏高問題的實際機組進相運行的案例及分析較少[9-12]。本文根據最近兩年春節期間江蘇電網并網機組進相運行數據，提取具體量化指標，開展機組進相運行情況分析，提出機組進相運行管理建議，以充分發揮機組進相運行能力。

1 機組進相運行分析指標

目前江蘇電網基本所有機組已完成進相運行試驗，并且在電網低負荷期間已經發揮了一定的作用。但因部分電廠對于機組進相運行管理不夠重視，導致電廠母線電壓長期越上限運行，而機組仍不進相，未發揮機組應有的調壓作用。為更好地加強機組進相管理，開展發電機組進相運行情況分析工作、建立機組進相運行分析指標刻不容緩。

江蘇省調EMS采集的歷史數據包含了全省并網機組的有功、無功、母線電壓等數據，采樣間隔為5 m in。數據分析范圍為春節期間包含頭尾共10 d，總計2880個時間斷面數據。根據機組進相運行情況及管理需要，提取了下列分析指標。

1.1 電壓合格率

每年春節期間，華東調度會下發500 kV電廠母線電壓控制曲線，江蘇調度會下發220 kV電廠母線電壓曲線控制曲線。通過比較并網母線電壓和電壓曲線，假設電廠母線電壓超出調度給出的電壓曲線上、下限時，則認為該點電壓不合格。電壓合格率就是電壓合格的點數占總運行點數的比例。

1.2 時間參數

由于省調EMS數據是每5m in采集一個點，時間參數為統計的點數乘以5，單位為分鐘。以下均幾個參數均以點數描述，實際代表時間。

（1）機組運行點數。由于春節期間機組調停較多，部分電廠一直運行，部分電廠部分曾調停過，為統一比較機組進相運行管理情況，需考慮機組運行相對參數。機組運行點數是獲得相對參數必不可少的參數，統計出機組有功大于10MW的所有點數則為機組運行點數。

（2）機組進相運行點數。對于單機組單母線的情況，直接統計該機組無功功率小于0的點數；對于連在同一母線的幾臺機組，首先計算這幾臺機組無功的平均值，只有平均值小于0，才認為這幾臺機組進相，如果無功功率平均值大于0，盡管可能一臺機組進相，一臺滯相運行，但由于對電網實際效果是未進相，所以仍認為這幾臺機組未進相，機組進相運行點數則統計所有無功平均值小于0的點數。

（3）進相后電壓合格點數。統計電廠母線電壓在調度給定曲線上下限范圍以內，并且無功平均值小于0的點數。

（4）進相后電壓越上限點數。進相后電壓越上限點數=機組進相運行點數-進相后電壓合格點數。

（5）電壓越上限未進相點數。統計電廠母線電壓大于調度給定曲線上限，并且無功平均值大于0的點數。

1.3 進相運行深度參數

發電機進相運行深度分絕對進相深度和相對進相深度兩類指標。絕對進相深度是指無功平均值小于0的無功功率；相對進相深度是指該機組絕對進相深度除以該機組的進相限額。盡管目前江蘇電網機組的進相試驗已基本完成，已獲得所有機組的進相運行限額。但進相運行試驗時，一般只在50%Pn，75%Pn和100%Pn的3個有功工況進行試驗，并獲得對應限額，而機組實際有功是不斷變化的。本次進相運行限額以當前有功進行插值計算獲得當前有功下進相限額。多臺機組試驗表明，以插值計算獲得的進相限額數值比實際進相限額略低，誤差在可接受范圍，因此可認為該計算限額基本能反映機組進相的實際情況。由于納入統計的機組類型各不相同，機組容量不同，機組的進相能力不同，所以從機組進相程度來看，相對進相深度更合理，下列參數涉及的進相深度均指相對進相深度。目前進相深度總共設定了4個指標。

（1）最大進相深度。對參與進相的某臺機組一段時間內所有進相深度取最大值；

（2）平均進相深度。對參與進相的某臺機組所有進相深度取平均值；

（3）進相后電壓合格期間平均進相深度。對電壓合格期間，參與進相運行機組的進相深度取平均值；

（4）進相后電壓越限期間平均進相深度。對電壓越上限期間，參與進相運行機組的進相深度取平均值。

2 江蘇電網機組運行情況實例分析

通過分析指標計算方法，計算出2013年春節期間江蘇電網并網機組進相運行情況數據，江蘇并入500 kV電網機組進相運行分析數據如表1所示。

通過表1的江蘇電網并網機組進相運行情況分析，電壓越上限主要原因為：（1）電網電壓越上限時，機組未參與進相運行；（2）電網電壓越上限時，機組參與進相運行，但進相運行深度不夠；（3）電網越上限運行時，機組也參與了進相運行，且基本達到限額。

2.1 越上限未進相點數較多案例

從表1可看出N電廠越上限未進相時間較長，將電廠母線電壓、調度給定電壓上限、無功功率以及對應有功下進相限額畫在一個圖上，即N電廠運行情況圖，如圖1所示。

從圖1可看出，在500 kV母線電壓越526 kV上限值時，圖中1，2，3，4標識中，機組大部分時間未進相運行，甚至發出無功，其余幾處盡管進相運行，但離進相限額有較遠距離，可見該機組未充分發揮機組進相能力，電壓合格率通過有效管理，安排機組進相運行有進一步改善空間。

2.2 進相深度不夠案例

從表1可看出，R電廠越上限期間盡管大部分時間安排機組進相運行，但越上限期間平均進相深度僅為32%，離進相限額有較遠距離。從R電廠運行情況圖中可看出，在500 kV母線電壓越523 kV上限值時，圖中多處位置機組無功盡管進相運行，但進相無功深度普遍較淺，無功曲線離進相限額曲線有較遠距離，導致電壓合格率較低，由此可見，通過機組進相管理，通過安排機組進相，電壓合格率必然會大幅改善。R電廠運行情況如圖2所示。

2.3 越上限時達到進相運行限額案例

從表1看出，P電廠盡管電壓合格率不高，但該機組所有電壓越上限期間，均安排機組進相運行，電壓越上限期間平均進相深度達到了87%。從P電廠運行情況圖上可看出畫圈部分均為母線電壓高于電壓上限曲線部分，此時無功曲線與進相限額曲線幾乎重合，可見機組電壓越上限時，機組基本發揮其應有的進相能力。只有通過加裝500 kV高壓電抗器及改善電網網架結構等方面提高電壓合格率。P電廠運行情況如圖3所示。

表1 江蘇電網部分發電機進相運行分析數據

圖1 N電廠運行情況

圖2 R電廠運行情況

圖3 P電廠運行情況

3 電網低負荷期間進相運行管理

通過江蘇電網機組運行情況實例分析，可見加強機組進相運行管理，對合理安排機組進相，充分發揮機組進相能力，提升電網電壓水平，具有極其重要的意義。江蘇電網目前也采用了獎懲措施，對于電壓越上限運行，機組未安排進相或者進相深度不夠的電廠進行考核并罰款。但由于電廠對機組進相管理的好壞、對電網電壓貢獻的大小目前尚未量化，對于被考核電廠說服力不夠。本文根據機組進相運行分析指標，對機組進相管理好壞情況、對電網貢獻大小等進行量化，提出獎勵因子M、懲罰因子N以供探討。

通過江蘇電網機組進相情況分析，電網低負荷期間，運行機組主要有以下4種情況：進相后電壓合格、未進相電壓合格、進相后電壓不合格、未進相電壓不合格。

進相后電壓合格情況是主要需要獎勵的部分，但有的機組進相較淺，有的機組進相很深，這2種情況對電網的貢獻當然不同，所以獎勵因子應考慮進相深度情況。針對獎勵因子的計算，提出2種計算方法，即：

式（1—3）中：Mi為某個電廠第i個點對應的獎勵因子；a為獎勵因子中的權重系數，需要根據所有電廠獎勵因子之和和懲罰因子之和綜合考慮，確保最終獎勵因子與懲罰因子總數相等；k為不同進相深度的貢獻因子，可以根據式（3）進行設置，k1建議在 0～0.25 取值，k2在0.25～0.5，k3 在 0.5～0.75，k4 在 0.75～1.0。

式（1）以進相深度值確定當前點對電網的貢獻因子；式（2）則對進相深度分區段，將某個區段的進相深度設定為一個貢獻因子，式（2）的計算方法，避免了某個點進相能力在0附近導致進相深度超高的情況。對于未進相電壓合格情況，考慮到主要是電網網架結構，對于該部分機組不需要進相運行，電壓也能滿足電網要求，從機組進相的角度來看，這類情況應該既不獎勵也不懲罰。進相后電壓不合格情況是需要考核的部分，跟獎勵情況類似，懲罰情況也需考慮機組進相深度情況，同樣提出了2種計算方法，即：

式（4—6）中：b為懲罰因子中的權重系數，需要結合獎勵因子綜合考慮，確保最終獎勵因子與懲罰因子總數相等；l為不同進相深度的貢獻因子，可以根據式（6）進行設置，l1建議在 0.75～1.0 取值，l2在 0.5～0.75，l3在0.25～0.5，l4在 0～0.25。

式（4）則直接將取（1-進相深度）的絕對值，而式（5）則按進相深度分區段設定懲罰因子。未進相電壓不合格情況也是主要考核部分，考核的程度比第三種情況應更嚴厲，其懲罰因子計算為：

式（7）中權重系數l5應該為一個大于1的數值。對比式（1）和式（2），以及式（4）和式（5），前者計算起來更簡單方便，但對于部分進相能力接近于0的時候出現進相深度超大的情況會使得整個獎勵因子和懲罰因子的計算有所失真，推薦采用第二種方法計算。

由于每個電廠上述4種情況均同時存在，通過上述方法，可分別計算出每個電廠的懲罰因子和獎勵因子數值，由此獲得第j個電廠被考核的金額Xj和獎勵的金額 Yj，即：

式（8，9）中：e為單位懲罰因子數值被考核的金額，該值應根據各省實際情況以及計算出來懲罰因子數值等因素確定。

對于一個電廠，如果計算出來Xi大于，則該電廠實際被考核金額為反之該電廠被獎勵金額為（

4 結束語

（1）為加強電網低負荷期間機組進相分析，本文建立了合格率、進相時間參數、進相深度參數等進相分析指標，通過建立的指標，能真實、客觀地反映機組進相情況。

（2）以建立的進相運行分析指標，對江蘇電網2013年春節期間開展機組進相運行分析，得出江蘇電網機組電壓越上限運行有3種原因。其一為電網電壓越上限時，機組未參與進相運行；其二為電網電壓越上限時，機組參與進相運行，但進相運行深度不夠；最后是電網越上限運行時，機組也參與了進相運行，且基本達到限額。前2種情況可通過加強機組進相管理，提高電壓合格率，最后一種情況可通過改變電網網架結構或加裝高壓電抗器等措施提高電壓合格率。

（3）為加強機組進相運行管理，本文提出了懲罰因子和獎勵因子概念，對機組在電網低負荷期間進相管理工作量化，便于調度部門合理采取各種獎懲措施，公平、公正對全省機組開展進相管理，充分發揮機組進相能力，提高電網供電電壓水平。

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