湖北电网枯水期小方式典型日电压无功分析

孙冠群，王 涛，万 黎，王尔玺，张良一

（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

近年来，电网建设速度不断加快［1-3］，超高压线路、城市电缆等的投运导致无功功率过剩，枯水期小方式下电压偏高的问题尤为突出，电压控制和无功调节的难度进一步增大。电力系统运行规定要求供给用户的电压不能超过额定电压值的一定范围，各类用电设备需工作在额定电压下，若发生电压偏移越限情况，会对负荷的运行造成不利影响，甚至损坏用电设备，严重时会引起电力系统崩溃［4］。湖北电网运行电压问题长期存在，丰水期大方式下电压偏低，枯水期小方式下电压偏高，这一问题已涉及到全网［5-7］。

由于枯水期小方式下，鄂西北地区水电出力大幅减少，鄂东地区火电机组出力较大，且此时负荷较低，系统电压会产生大幅波动，电压偏高问题尤为突出。因此本文将以2021 年枯水期小方式典型日2 月15 日为例，以当日负荷最低点5：20 的潮流数据为基础，结合春节期间各地区电压控制效果对枯小方式500 kV、220 kV两个电压等级的电压水平及无功潮流进行详细分析，分析原因并寻找对策，以保证电网电压质量，进一步提升湖北电网电压合格率指标。

2021 年2 月15 日（农历正月初四）5：20，湖北电网统调负荷迎来最低谷，全省用电负荷10 627 MW。湖北电网500 kV 调压情况总体良好，各级调度值班人员按照调压预案方案要求精心调整和控制，取得了较好的调压效果，电压合格率100%。由于负荷水平低、潮流轻，500 kV线路充电功率大，局部地区电压偏高问题仍然较突出，共有9 个电压水平超过536 kV，具体情况见表1，其中电压最高的为孱陵变电站，电压高达537.81 kV。湖北电网电压高于235 kV 的220 kV 变电站及其系统电压水平见表2，除武汉地区个别变电站电压偏高以外，其它地区电压均在235 kV以内。

表1 电压较高的500 kV变电站及其电压水平Table 1 500 kV substation with higher voltage and its voltage level

表2 电压高于235 kV的220 kV变电站及其系统电压水平Table 2 220 kV substation with voltage higher than 235 kV and its system voltage level

《DL/T 1773-2017 电力系统电压和无功电力技术导则》标准中第6.1 条规定“330 kV 及以上电压等级线路的充电功率应基本上予以补偿。高、低压并联电抗器的容量分配应按系统的条件和各自的特点全面研究决定”［8］，因此为了分析部分变电站电压偏高的原因，对湖北500 kV变电站的感性补偿度进行计算，同时列出感性补偿度低于100%的湖北500 kV 变电站如表3所示。从表3 可以看出，咸宁、玉贤、孱陵的感性补偿度均低于90%，这是导致变电站电压偏高的原因之一。因此建议提高变电站的感性补偿度，有助于降低系统的电压水平。

表3 感性补偿度较低的500 kV变电站Table 3 500 kV substation with low inductive compensation

相比于架空线路，电缆的对地电容效应更加明显。尤其是在小负荷方式下，电缆的容性充电功率过大会导致无功功率出现反送［9-11］。目前国内大城市均在市区广泛敷设电缆［12-15］，光谷、柏泉、钢都、军山、玉贤等武汉地区500 kV变电站电压偏高，其主要原因是大量使用电缆导致充电功率较高，220 kV变电站无功反送情况较突出。

从表1 和表2 中可以看出，500 kV 变电站中江陵站、钢都站电压偏高，220 kV变电站中鲇鱼套和巡司河变电站电压偏高，对这4 个站点的电压偏高原因进行详细分析。

2.1 江陵换流站电压分析

江陵站的补偿度为147.45%，具体数据见表4，但其电压仍超过了536 kV，由于江陵站为换流站，有直流线路接入，为了分析其电压偏高的原因，将2021年2月15日5：20江陵换流变的数据整理如表5所示，潮流如图1所示。

图1 江陵换流变2021年2月15日5：20实际潮流图Fig 1 Actual flow diagram of Jiangling Converter at 5:20 on February 15,2021

表4 江陵换流站感性补偿表Table 4 Inductive compensation table of Jianglin Converter Station

表5 江陵换流站相关数据Table 5 Related data of Jianglin Converter Station

江陵换流站有WA-Z1、WA-Z2、WA-Z3 共3 个大组的交流滤波器，2021 年2 月15 日5：20 WA-Z1 投一组交流滤波器，发出无功功率133.06 MVar，WA-Z2投两组交流滤波器，发出无功功率276.77 MVar，WA-Z3 未投交流滤波器，因此所有交流滤波器共发出无功409.83 MVar，由于实际运行电压与额定电压525 kV 存在偏差，因此滤波器实际发出的无功小于额定值420 MVar，而从江陵换流变流出的无功为348.94 MVar，有60.89 MVar 的无功功率反送，是其电压偏高的主要因素。

江陵换流变电站设备运行规程13.7.6.4 条对其最小滤波器组数进行了规定，双极正常电压运行时具体的最小滤波器组数要求如表6所示。

表6 江陵换流站相关数据Table 6 Related data of Jianglin Converter Station

2021 年2 月15 日5：20 江陵换流站的直流传输功率为1 058.56 MW，由表6 可知，当直流功率Pd满足1 050≤Pd≤1 500 时，最小滤波器绝对最小组数为A+B，即投入一组HP11/13 次滤波器和一组HP24/36 次滤波器即可。从表5 可知，实际上江陵换流变按照规程优化组数2A+B 投入了两组HP11/13 次滤波器和一组HP24/36 次滤波器，有部分无功功率反送导致换流站电压偏高。因此建议换流站工作人员结合规程与实际情况，当电压偏高时，可以按照绝对最小组数投运滤波器。

2.2 钢都变电站电压分析

钢都变电站的补偿度为557.84%，具体数据见表7，但其电压仍超过了536 kV，主要原因是武汉地区大量使用电缆导致充电功率较高，220 kV无功反送情况较突出，将2021年2月15日5：20钢都变电站投运的220 kV线路的潮流整理如表8所示，具体潮流如图2所示。

图2 钢都变电站2021年2月15日5：20实际潮流图Fig.2 Actual flow diagram of Gangdu Substation at 5:20 on February 15,2021

从表8 和图2 可以看出，钢都变电站220 kV 向500 kV反送113.06 MVar的无功功率，是钢都变电站电压偏高的主要原因。

2.3 鲇鱼套变电站电压分析

2021年2月15日5：20鲇鱼套电压高达239.5 kV，为了分析鲇鱼套电压偏高的原因，将220 kV线路潮流整理如表9所示，具体潮流如图3所示。

图3 鲇鱼套2021年2月15日5：20实际潮流图Fig 3 Actual flow diagram of Nianyutao Substation at 5:20 on February 15,2021

从表9 和图3 可以看出，2021 年2 月15 日5：20 鲇鱼套220 kV 两回出线潮流反向，2 台主变低压侧各有一台低抗，且均已投运，但主变高压侧仍然向系统返送无功，说明鲇鱼套110 kV 电缆充电功率大，向系统返送无功，造成鲇鱼套电压偏高。

2.4 巡司河变电站电压分析

2021年2月15日5：20巡司河电压高达239.3 kV，为了分析巡司河电压偏高的原因，将220 kV线路潮流整理如表10所示，具体潮流如图4所示。

表10 巡司河220 kV线路相关数据Table 10 Related data of 220 kV line in Xunsihe Substation

图4 巡司河2021年2月15日5：20实际潮流图Fig.4 Actual flow diagram of Xunsihe Substation at 5:20 on February 15,2021

从表10和图4可以看出，2021年2月15日5：20巡司河220 kV 6 回出线有四回潮流反向，是鲇鱼套电压偏高的主要原因。1号主变未安装低抗，2号主变安装1台低抗但未投运，建议在电压偏高时将低抗投运，能起到一定的控制电压的作用。

湖北省500 kV网络感性无功平衡小计表如表11所示，从表中可以看出，湖北500 kV 线路充电功率为9 895.9 MVar，感性补偿为12 540 MW，其中全省500 kV低抗有115 台，共计6 810 MW，未补偿的充电功率为-2 644.1 MW，感性补偿度达到了126.72%。对于220 kV网络，襄阳、随州、武汉、宜昌220 kV无功反送问题比较突出，主要在电缆充电功率［16-18］、新能源无功电压［19］、用户无功补偿设备投退［20-28］等方面存在问题。

表11 湖北省500 kV线路感性无功平衡小计表Table 11 Inductive reactive power balance subtotal of 500 kV line in Hubei Province

本文以2021 年枯水期小方式典型日2 月15 日为例，对枯小方式500 kV、220 kV 两个电压等级的电压水平及无功潮流进行了分析，对于电压偏高问题进行了研究，得出以下结论：

1）湖北电网500 kV感性补偿度较好，目前湖北电网500 kV 感性补偿度126.72%，为整体控制湖北电网枯水期小方式电压打下良好基础。

2）从分站情况看，光谷、柏泉、钢都、军山、玉贤等武汉地区500 kV 变电站电压偏高主要原因是大量使用电缆导致充电功率较高，220 kV变电站无功反送情况较突出，建议变电站工作人员在电压偏高时将低抗投运。

3）江陵换流站由于有2 组滤波器投用，导致无功反送，是其电压偏高的主要原因。建议换流站工作人员结合规程与实际情况，当电压偏高时，可以按照绝对最小组数投运滤波器。

4）220 kV母线电压大部分在正常范围以内，但武汉地区的关山、江滩、夜泊山、岳府湾、庙山、珞珈山、巡司河和鲇鱼套220 kV母线电压越上限，主要是由于武汉地区电缆线路偏多，充电功率高引起的。