【word】 宜兴电网若干电能质量问题研究

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1、宜兴电网若干电能质量问题研究宜兴电网若干电能质量问题研究王志明(江苏省电力公司宜兴市供电公司,江苏宜兴214206)摘要:随着宜兴电网的快速发展,电网负荷急剧增加,其中冲击性,非线性负荷容量和数量不断增加,造成了系统电能质量不稳定,电压,电流波形畸变及电压质量下降,给用户的安全,经济运行带来了危害和影响.文章针对宜兴电网特点进行了全面地分析,并进行大量电能质量的实测,提出了治理方案.关键词:电力系统;电能质量;谐波治理;电压稳定;无功补偿中图分类号:TM711文献标识码:A文章编号:10092374(2011)19011505一,课题背景及意义现代社会中,电能是一种最为广泛使用的能源,其应用程

2、度成为一个国家发展水平的主要标志之一,电能质量问题在许多国家已经引起电力部门和用户的广泛关注.近几年,宜兴地区兴建了许多高耗能企业,这些企业在带来经济效益和带动地区经济发展的同时,也带来一些负面影响,造成地区电网电压不稳定及谐波污染,已对电力系统的安全稳定运行构成威胁,如何改善宜兴地区的电能质量成为一个亟需关注的问题.二,电网电能质量国内外研究现状目前,各国在电能质量问题的研究方面,取得了一(2)变电站设置2.5m的围墙,围墙除起到防盗作用外,也可以起到一般性的隔断噪音作用.(3)将站内最大的噪音源:主变压器一布置在背离居民区,能有效减少噪音对变电站附近居民的影响.3.限制变电站电场强度和磁感

3、应强度.变电站的工频磁场和工频电场会对附近居民生活和身体健康的影响,为减少其影响变电站站界(非架空出线侧)的工频电场强度不超过标准规定的评价限值,即4kV/m.变电站站界(非架空出线侧)的工频磁感应强度不超过标准定的限值,即O.1mT.4.变电站绿化.绿化是城市环境建设的重要内容,是提高生活质量和改善生态环境的重要内容.为了改善变电站的城市印象,变电站建设用地内鼓励采用屋顶绿化和墙面绿化等方式进行绿化布置.这样既能切实地增加绿化面积,又可以改善屋顶和墙壁的保温隔热效果.些进展,但仍有很多问题难以达成共识.较为突出的有:电能质量的定义及以此为基础的电能质量等级的划分;对各瞬变量的实时检测及有效补

4、偿;为改进电能质量问题,变电站,用户及装置生产厂家之间的合作与协调;合理的电能质量评估体系建立等.电能质量问题虽然同时存在于输电系统与配电系统中,但由于输电系统可靠性高,发生故障的概率较低,因此,大部分的故障,异常现象出现在配电系统.系统中各种扰动引起的电能质量问题又可分为稳态和暂态两大类.稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征,持续时间较长,又可以分为以下几种类型:谐波,间谐波,电压不平衡,过电压和欠电压.三,结语随着低碳经济的发展,节能减排要求的不断提高,绿色环保变电站将在”绿色发电一绿色供电一绿色用电”的绿色链条中发挥原来越重要的作用,将对社会经济发展和构建和谐社会做出更多的贡献.o参考文

5、献【1黄健光,黎沛,梁松庆.绿色变电站的探索和实践U】.电力环境保护,2004,(3).(2贾惠军.城市绿色变电站设计卟企业技术开发,2010,(6).31吕凌宇.绿色变电站的设计啪.云南电力技术,2011,(4).4黄慧玲.浅谈我国电力体制改革.广东科技,2011,(5).55北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册【I.北京:中国电力出版社,2006,(12(责任编辑:赵秀娟)2011.07o中阉高新技松业115暂态电能质量问题通常是以频谱和持续时间为特征,包括脉冲暂态和振荡暂态两类,其表现形式有:电压瞬变,电压闪变,电压骤升,骤降,短时断电.(一)电网电压稳定研究现状在过去的几十年中

6、,学者们注重对电压稳定分析方法的研究,提出了许多静态,动态和中长期电压稳定的分析方法.在电压稳定的数学模型,系统中动态元件对电压稳定的影响,判别电压稳定性的指标,电压崩溃的预防和校正控制等方面都取得了一系列的研究成果.对电压稳定问题的认识集中表现在对电压失稳机理的认识上,研究人员从不同的层面对电压稳定现象进行了研究,主要的结论可以分为以下两个方面:1.电压失稳的静态机理.认为电压稳定是一个静态问题,从静态的观点来解释电压失稳的原因.鉴于实际系统中的高x/r值,系统各节点的电压主要与无功功率分布有关.基于此而提出了dQ/dU判据,但它的应用是有条件的,即只有在不考虑系统频率变化,并且无功非常缺乏

7、时才能采用这一判据.此外,还有学者提出了用PV曲线和QV曲线来解释电压失稳机理,与之对应也提出电压稳定判据dP/dQ.QU图1系统P-V曲线示意图图2系统Qv曲线示意图一种观点认为,当系统的负荷逐渐增加达到极限时,想要再增加时系统将失去稳定平衡点,如图1所示.还有一种观点认为PV曲线的上半支和QV曲线的右半支是系统能够稳定运行的平衡点集,而另外半支是不稳定平衡点集,在拐点处对应系统的临界状况,两种观点本质上是统一的.以上这些观点都是从静态的角度来解释电压失稳机理的,认为系统中有功和无功的不平衡是造成电压失稳的根本原因,研究结果已经取得了应用,但由于没有考虑发电机及各种调节系统的动态特性,而和实

8、际的系统情况有一定的差距.2.电压失稳的动态机理.电压崩溃包括电压失稳和崩溃两个阶段,在发生电压崩溃之前常伴随有一个相对较长的电压失稳过程,对失稳过程的研究有助于从动态的角度理解电压失稳的真正原因.但目前这课题的研究还仅局限于理论探讨,离实用的阶段还有相当的距离.(二)电网谐波治理研究现状针对谐波污染造成的电能质量问题,主要的解决措施有两个方向:一种方法是对电力电子装置本身进行1l6o中阖高新技术企业201107改造,使其不产生谐波.例如目前己出现的罗宾康公司生产的高压大容量完美无谐波变频器,但大多数产品还做不到;另一种方法就是安装谐波补偿设备.关于谐波补偿设备,目前国内外有很多种技术方案.其

9、中,较为典型的有三种:无源滤波装置,有源滤波装置和综合滤波装置.(三)电网无功补偿研究现状现有的功率理论可分为图3所示的三大类.迄今为止的各种功率理论只是较好地解决了上述一两个方面的问题,而未能满足所有要求.Depenbrock的工作对无功功率的辨识起了较大的促进作用;赤木泰文等人提出的瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测,和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题,对谐波和无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用,但这一理论的物理意义较为模糊,与传统理论的关系不够明确,在解决第一类和第三类问题是遇到困难;对于第三类理论的研究虽然取得了一定成果,但至今未能取得较大突破.图3现有功率理

10、论按其适用性分类三,宜兴电网电能质量存在问题分析随着宜兴电网快速发展,电网负荷急剧增加,其中由于冲击性,非线性负荷容量和数量不断增加,造成了电力系统电压不稳定,电压,电流正弦波畸变和电能质量的下降,给用户的安全经济运行带来了危害和影响.(一)宜兴电网概况至2010年,宜兴市供电公司拥有35kV及以上变电所74座,主变125台,容量652.13万千伏安;35kV及以上输电线路143条,总长1365公里.有地方及小热电装机容量157兆瓦.表12010年宜兴电网主要情况单位:亿千瓦时,万千瓦增长率项目2009芷2010年(%)全社会用电量(亿千瓦时)725080.910511.59%企业供电量(亿千

11、瓦时)663774822512.74%企业售电量(亿千瓦时)61.6369.5133128%网供电量(统调口径,亿千瓦时)65.4173.832612.88%网供最大日用电量数值2262277013.O6%(万千瓦时)出现时间8月21日8月3日|网供最高负荷数值119.21276.54%8月14(万千瓦)出现时间7月20日,日享厂j9(黼一一第于率谐谐涌一甩功括,率.一表22010年宜兴市供电公司电网设备统计表变电所线路电压等级数量主变台数容量数量长度(座)(MVA)(条)(kM】22OkV1O18294027365.5311OkV41622894.56662035kV2345686.8504

12、0120kV265331OkV49839538合计741256521.366753721(二)当前电网发展中存在的问题总体上来讲,经过多年的发展,宜兴电网在供电容量,供电可靠性,电能质量上能够基本满足用电市场的需要,但是仍然存在着不少问题:1.220kV电网运行方式可靠性差.宜兴的10座22OkV变电站的主供电源为常州的5OOkV武南站和新建成的500kV岷珠站.如果岷珠变电站出现故障,因220kV鹅运4581,4582线线径小,运行时间长,220kV美溧2548线受方式制约可供能力有限,所以宜兴的220kV电网运行方式仍然是薄弱的.2.220kV电网容载比较小,变电所布点少.宜兴全市总面积为

13、2038.7平方公里,但220kV变电所只有十座(18台主变容量共计294万千伏安).根据2010年的网供最高负荷(127.1万千瓦)与地方电厂的情况,220kV电网的容载比处于较低的水平.由于220kV电网的容载比较小,变电所布点少,制约了llOkV和35kV电网结构的完善和供电可靠性的提高.3.电网结构薄弱.宜兴的41座11OkV变电所主要是靠10座220kV变电所供电,供电线路部分靠支接,有的1lOkV线路甚至支接了3座变电所.因此整个宜兴地区的1lOkV电网是比较薄弱的.由于整个宜兴地区220kV电源点的缺乏,所以还有部分1lOkV变电所还没有完成双线双变的结构,运行可靠性不高.4.1

14、OkV配电线路少,而且原有导线截面小,供用电矛盾十分显着.农村lOkV配电线路通过农网改造工程的实施,调整了配变布点和线路布局,线路压损和线损有所下降,提高了供电质量和供电能力,但因工期短,边设计,边备料,边施工,是典型的三边工程,工程质量和配网布局不尽合理,尚需随着用电负荷的发展逐步调整配网结构,并逐步分片形成环供网络,真正提高农村配网的供电可靠性.5.电网自动化及信息系统方面有待进一步发展,变电所未能全部达到无人值班综合自动化.全网信息综合管理方面还需进一步研究发展.设备运行管理自动化方面有待进一步发展.6.电网发展规划没有和地方规划很好衔接,电力建设过程中变电所所址,电力线路通道预留等存

15、在很大问题.7.随着宜兴工业的发展,电网中谐波源不断增加,必须对注入电网的谐波进行监测和治理.四,宜兴电网谐波治理方案研究(一)宜兴电网谐波污染源分布及现状由于宜兴电网电力系统非线性负荷的不断增多和容量增大,使电网的谐波水平日益升高.这些非线性负荷设备在传递(如变压器),变换(如交直流换流器),吸收(直流牵引)过程中把部分基波能量转换成谐波能量,向电力系统注入大量的高次谐波,造成电力系统电压,电流正弦波波形的畸变,使电能质量下降,甚至引发电力系统大面积停电等事故.经过调查发现,截至2010年底,宜兴共有主要谐波污染源57处,同时,通过2010年一年我们对12所变电所,6个大客户近60次的测试发

16、现主要产生谐波的设备有以下方面:1.铁磁饱和型:如变压器,电抗器等因铁磁饱和而呈现非线性特性.2.电子开关类:如整流器,逆变器,晶闸管可控开关及家用电器等.3.电弧型:如电弧炼钢炉,交流电焊机等.近几年来,宜兴供电公司加强谐波测试,分投上,切除电容器组两种状态来测量主变开关,母线谐波情况,看有没有电容器放大谐波的情况.结果发现,6%的电抗率基本对谐波没有很大的影响,在限制5次谐波的同时,稍微放大了3次谐波,同时,公司加强了用户谐波治理,2010年有2家大电力用户进行了谐波治理,整改效果明显.(二)宜兴电网谐波治理方案1.宜兴电网谐波治理的管理措施.(1)坚持对系统各变电站母线电压畸变率及负序情

17、况进行定期普测,及时发现和掌握电网谐波污染情况和发展趋势.(2)对重谐波源用户在电源侧加载谐波在线监控装置实时对用户谐波上网情况进行监控,对谐波超标情况及时进行处理.(3)对现有谐波源用户加强管理,对其设备参数,接线方式,负荷性质等技术情报建立技术档案,当谐波源产生的谐波电流或使公共连接点的谐波电压超标时,就应按就地处理的原则,采取限制措施.(4)对新建或扩建的谐波源用户管理,谐波源用户在申请用电时,应根据谐波源和系统公用参数,进行谐波预测计算,对超出标准允许值的用户,需要采取限制谐波的措施,并且要与用电设备同时投运,投2011o7o中阂高新技术企业1l7运后还要进行复测,合格后方可正式运行.

18、(5)根据谐波普测结果及系统谐波源用户情况,系统运行方式等,要进行谐波的评估和计算,确定系统谐波基本情况.(6)对长期谐波超标而不采取措施治理的用户应采取相应的技术或经济制裁.具体来讲,治理宜兴电网中将要建成的或者已经存在的谐波源,宜兴市供电公司的管理流程如图4和图5所示:客户一营业厅办理用电申请(要求客户提供有关谐波源设备的技术图纸资料)电力营销部组织现场勘查(现场了解客户设备情况,收集谐波注入设备的技术参数)01【1委托权威机构进行谐波评估.判断是否须作消谐治理,同谐波源客户签定协议书lli电力营销部召集业扩会,针对谐波源客户提出落实消谐治理要求客户委托谐波背景测试与委托设计单位进行消谐工

19、程设计II生运部组织消谐技术方案审查(审定治理工程设计方案)jI客户消谐治理工程实施l1电力营销部组织客户消谐治理工程设备验收ll与客户签订供用电合同,明确双方保证电能质量的责任I电力营销部组织客户消谐治理工程运行验收,作运行电能质量实测评估(客户投产一个月内组织现场运行工况谐波测试,出具谐波测试报告?对运行后仍不符台国标要求的责成客户落实消缺,直至符合国标要求为止)图4新建(扩建)谐波源客户业扩流程图公司电网谐波普测lf(根据普测结果统计分析各类客户谐波超标情况)f电力营销部组织现场勘查(现场了解客户设备情况,收集谐披注入设备的技术参数)I电力营销部组织递交谐波超标整改通知书,出具公司谐波测

20、试报告I电力营销部组织签定谐波潭客户协议书,与谐波源客户落实消谐措施1II客户委托设计单位进行消谐工程设计ITf生运部组织消谐技术方案审查(审定治理工程设计方案)i1客户消谐治理工程实施ITl电力营销部组织客户消谐治理工程设备验收I【电力营销部组织客户消谐治理工程设备验收与送电I电力营销部组织客户消谐治理工程运行验收,作运行电能质量实制评估(客户投产一个月内组织现场运行工况谐波锢I试.出具谐波测试报告.对运行后仍不符合国标要球的责成客户落实消缺,直至符合国标要求为止)图5现有谐波源客户治理业扩流程图对于新(扩)建谐波源客户的管理,重点审查对象为:冶金,化工,交通,机械,煤炭,港口等行业及其他行

21、业中具有非线性用电设备可能对电网造成电能质量影响的客户.2.宜兴电网谐波治理的技术措施.针对宜兴电网,治理谐波的技术措施包括:(1)因地制宜针对不同的谐波源采取不同的治理1l8o中圜高新鳆末企业2011o7方案.(2)对重谐波源负荷在电源端或负荷端加载谐波保护装置,当谐波电流超标时,切除负载以减少谐波对系统的污染.(3)适当的调整系统运行方式以减少系统母线电压的畸变率.(4)在系统的输变电设备的选型和用户的电器设备选型上要考虑谐波因素,尽可能选用低谐波设备.(5)对申请用电的谐波源用户,在对其进行谐波预测计算的基础上,根据各级电网的背景谐波及谐波电流允许值,选择合适的接入系统方式.2010年,

22、宜兴市供电公司对宜兴芙蓉特种钢铁厂,太平洋集装箱配件厂,新远航集团谐波污染比较严重的生产厂,采用静止无功补偿装置(SVC)来吸收产生的各次谐波,使它不会反馈回电网,用该方法进行谐波治理,如宜兴芙蓉特种钢铁厂,在治理改造前该厂3,5次谐波超过标准,通过采用静止无功补偿的办法,目前谐波指标全部符合国家”GB/1459493”规程,而且客户的功率因数调整非常有效,接近0.95.五,宜兴电网无功补偿方案研究1.目前,美国电力主网设备的功率因数已接近于1,原苏联法律规定功率因数应大于0.92,日本等国还建立了全国性的无功管理委员会,研究无功补偿方面的技术经济政策.大力提高电网功率因数,降低线损,节约能源

23、,挖掘发电设备的潜力,是当前电力网发展的趋势.2.宜兴电网无功补偿方案研究(1)无功补偿配置方案.经过几年来各方面对无功认识的提高和投入的加大,随着近几年基建变电所的投入运行,宜兴电网的无功容量得到一定的增加,至2010年8月底,全公司变电所安装电容器容量为401.6MVar,配置比例达11.17%.为提高线路功率因素,减少线路损耗,宜兴供电公司对负荷相对稳定的用电大户,采用了集中补偿;对于线路长,分支多,密度低,且较分散的1OkV配电线路,采取了分散补偿和集中补偿相结合,对于变电站lOkV母线,全部加装高压补偿电容器.目前长兴电网220kV(1lOkV)长兴站和5个35kV变电站都为无人值班

24、变电站,调度员可对电容器进行遥控投切.因此,取消了各站电容器定时投切,根据电网负荷特征和当日实际情况,在各个高峰时段通过调度员遥控投入全部或部分电容器,而在低谷时段则退出全部电容器,满足了lOkV系统无功补偿的要求,把各站lOkV母线电压控制在合格范围内.同时对于lOkV线路电容器,则全部投入,以尽量达到无功就地补偿的要求.电容器可投率100%.现阶段变电所的无功补偿容量的配置基本合理,基本满足国网公司对各电压等级变电所的指导要求,而且高峰负荷期间各220kV变受电力率均达0.98以上,没有向主网吸收大量的无功,无功基本能就地平衡.但是局部变电所无功配置和投入情况仍然不理想.11OkV三圈变变

25、电所电容器不是分组的(一般容量在4.8MVar),负荷波动大时,电容器利用率不高,加上有的老变电所(烟山变)有载档位少,低档时电压仍较高,电容器长期无法投入.35kV变电所经过历年的主变调换和扩容,大部分变电所无功补偿容量偏小,局部需要增加无功补偿容量.客户新上时严格按照(35kV及以下客户端变电所建设标准中无功补偿装置的要求配置,电容器的安装容量,根据用户的自然功率因素计算后确定.当不具备设计计算条件时,电容器安装容量:35kV变电所按照变压器容量的10%30%确定;1OkV变电所按照变压器容量的20%30%确定.35kV及以上客户绝大部分无功补偿较好,但有小部分客户由于存在冲击负荷或非线性

26、设备,无功补偿装置投入有缺陷,使得少数线路无功需求大,力率低.线路力率方面,由于低压补偿器安装不是很多,用户的无功管理还需要加强,因此各电压等级的线路力率合格率不是很高,lOkV线路84%力率可达0.90,35kY线路80%力率可达0.95.加强用户侧无功管理,合理安装低压无功补偿,提高线路力率是我们今后降损工作的一个方向.(2)无功电压优化.根据无锡市供电公司的统一安排,自2004年7月起,宜兴供电公司的无功电压调整装置陆续接入泰州苏源的地区无功电压优化系统.该服务器设在调度通讯中心,监控中心设一客户端.现在公司电容器的投切,有载开关的调档,以及本地区无功电压的配合都由该系统来完成.该系统的

27、控制原则是,确保220kV主变高压侧力率合格率;确保lOkV母线电压合格率;确保设备动作次数最少;保证1lOkV,35kV母线电压合格率.使用效果为,220kV主变高压侧力率合格率保持95.12%左右;1OkV母线电压合格率保持在99.17%左右;220kV变电所电容器动作次数明显减少,而1lOkV,35kV变的电容器动作,主变调档次数增多;人员劳动强度明显减轻.六,主要结论随着电力工业负荷的不断发展,越来越多的高耗能用户负荷进入供电系统,例如电弧炉,轧机,大容量晶闸管整流装置等.这些负荷的工作过程不同程度地呈现如下特性:有功和无功负荷不规则地上下波动;平均功率因数偏低;产生大量的高次谐波进入

28、供电系统,其危害在于加剧了公用供电系统的电压波动;引起电压不稳定;使得电网电压畸变,供电质量下降.有些非线性负荷所呈现的三相不对称产生的负序分量对电网的危害是异常可怕的.为此本文对宜兴电网中若干电能质量问题的现状及改善措施进行了深入探讨和研究.1.详细分析了宜兴电网近几年负荷增长情况以及电网的电压稳定现状,结合宜兴经济发展实际,预测了未来几年宜兴电网的负荷增长趋势.指出其电力负荷的增长速度远远大于电网的建设速度,负荷的快速增长极有可能引起电压崩溃事故的发生.2.分析宜兴电网谐波污染源分布及谐波污染现状,指出随着宜兴工农业的飞速发展,宜兴电力系统非线性负荷不断增多,使电网的谐波水平日益升高,造成

29、电力系统电压,电流正弦波波形的畸变,使电能质量下降,对电力系统包括用户的安全,经济运行产生严重的危害和影响,必须加以监测并治理.同时,详细分析了宜兴电网谐波产生的原因,对现有电力系统的危害以及对其进行监测,分析,治理的方法,针对宜兴电网中现有的以及将要建设的谐波源,给出了工程实际中治理谐波的管理措施以及技术措施.3.分析了电网无功补偿的原理,并指出随着宜兴电网中电动机,变压器等感性负荷的增加,在运行过程中向这些设备提供足够的无功功率变得极为重要,同时,还详细介绍了目前国内电网主要的无功补偿方案及其存在的问题,并结合宜兴电网目前无功现状,给出了宜兴电网无功补偿配置方案和无功电压优化方案,指出无功

30、补偿工程是供电企业和产品厂家双方的事情,双方都应充分重视解决工程中的问题.o参考文献1朱桂萍,王树民.电能质量控制技术综述卟电力系统自动化,2002,26(19).2邵如平,宣勇,艾欣.电能质量在线监测新方法研究卟电力自动化设备,2003,23(1).【3】孙树勤.电压波动与闪变M.北京:中国电力出版社,1998.【4】林雪海,孙树勤.电力网中的谐波M.北京:中国电力出版社.5吴竞昌,孙树勤,宋文南,曲涛,等.2h系统谐波【M1.北京:中国水利电力出版社,1998.6何利铨,邱国跃.电力系统无功功率与有功功率控制M1.重庆:重庆大学出版社,1995.作者简介:王志明(1971-)男,江苏宜兴人,江苏省电力公司宜兴市供电公司电力调度控制中心主任,工程师,研究方向:电网电能质量.(责任编辑:赵秀娟)201107o中闽高新技术企业119