新形势下城市大用户无功管理考核方法探究

曹 娜，康继光，沈彬彬，徐伟栋

(1. 上海电力设计院有限公司，上海 200025；2. 国网上海市电力公司，上海 200122)

上海作为国际大都市，电网呈现了典型城市电网的特征：负荷密度大、峰谷差大，城市电缆化率程度高。在春秋季、春节国庆等节假日负荷低谷时段，线路上大量容性无功无法就地平衡，电网无功功率层层倒送，引起系统整体电压升高，电网运行安全受到严峻挑战。

上海电网面临的问题由以前的容性无功短缺变成容性无功过剩。从无功就地平衡的角度，如果大用户电缆进线较长，也需要采取措施补偿线路无功冗余，配合电网一起解决低谷时段容性无功过剩问题。

目前关于用户无功主流的研究主要关注于激励用户投运电容降低网损，以及细化功率因数考核时段减小用户无功波动，尚未涉及到用户补偿进线容性无功的问题。如文献[1] 指出现行功率因数调整电费办法对用户考核标准较低，提出用户电费按照视在功率收取，激励用户尽量平衡自身无功功率。文献[2]归纳了国内外用户无功管理政策，分析国内现行无功考核政策的弊端，提出提高用户考核标准、缩短用户无功计费周期的办法，以减少用户无功需求并平抑无功波动。文献[3]、文献[6]分析了用户功率因数考核办法的弊端及对用户和电网的影响，并根据用户负荷特性，提出将用户进行分类，对不同类型的用户采用不同的分时段功率因数考核办法，促进用户提高功率因数水平。本文针对电网发展的新形势，对大用户无功补偿及管理考核办法进行探讨。

1 国内外主要城市大用户无功管理

1.1 国外主要城市大用户无功补偿管理

表1 无功补偿容量配置原则

由于难以准确获得需求侧无功定价相关固定成本(包括无功补偿设备投资和相应输变电投资)和网损成本等信息，世界各国采用的需求侧无功定价方法千差万别，没有哪一种方法具有严格的理论基础。总体来说，国外现行需求侧无功电价政策可分为如下3类：

(1)强制性功率因数要求。即要求用户功率因数在规定范围以内才允许并网。代表国家为澳大利亚[4]，将用户根据电压等级分为4类，各类用户有各自的功率因数范围。

(2)根据实际功率因数调整电量或电费。即用户平均功率因数在规定的功率因数范围以内，无需额外缴费，在规定范围之外，需按照有功电量缴纳调整电量或电费，主要以美国部分地区、中国和以色列为代表。

(3)根据无功电量收取无功电费。即有以无功电量为单位收取无功电费，主要代表国家法国；或当无功电量超过规定限额时，要对超额部分缴纳无功电费。主要代表包括英国、新西兰北方电力集团[5]。

1.2 大用户无功配置需求

目前关于电力系统无功补偿的原则，主要为《城市电力网规划设计导则》、《电力系统无功补偿配置技术导则》、《配电网规划设计技术导则》、《上海电网规划设计技术导则(试行)》等电力行业或企业标准，各标准规定总结见表 1。

由表1可见，各规程规范对电业变电站容性无功补偿均做了量化规定，对感性无功补偿均未做量化规定。《电力系统无功补偿配置技术导则》要求用户应达到功率因数考核要求，并在任何情况下不应向电网倒送无功。

在实际运行中，电力公司对用户无功的考核遵循水利电力部和国家物价局文件(83)水电财字第215号《功率因数调整电费办法》的规定，即在用户入户点考核其功率因数，按照用户装接规模功率因数考核标准分为0.9、0.85、0.8三挡[6]。电力公司按照规定的电价计算出用户当月电费后，再根据当月平均功率因数根据“功率因数调整电费表”增减电费，即未达到功率因数考核标准时缴纳惩罚电费，达到考核标准以上时减少电费。

由于用户进线侧功率因数考核有明确的奖惩激励，大用户改善自身功率因数意愿积极，基本都能达到功率因数考核要求。上海市部分大用户月均功率因数达到0.98～1，基本不增加电网无功负担。

然而，随着城市电网电缆化率的不断提高，电网无功电压由20年前的容性无功不足电压偏低变成无功盈余电压偏高的问题，在春秋季及节假日低谷时段尤为突出。

2017年春节期间，低谷时段上海110 kV电网向220 kV电网倒送无功约2 484 Mvar。为解决低谷时段电网容性无功过剩，感性无功补偿不足的现象，自2015年起，上海市电力公司开展了在具备条件的220 kV现状电业变电站及规划电业变电站每台主变均加装或预留一台20 Mvar电抗器，用于补偿110 kV电网的充电功率。并计划自2019年起，试点在新投产110 kV电业变电站每台主变加装一组5 Mvar低抗。研究表明，在电网侧采取上述措施后，低谷时段110 kV及以下电网容性无功仍有较多冗余。

因此，本着无功就地平衡的原则，若大用户电源电缆进线较长无功盈余较大时，应在用户侧配置感性无功设备平衡电缆容性无功，减少低谷时段向电网无功倒送。考虑到35 kV电缆单位长度充电功率较小(约为0.09～0.1 Mvar/km)，且35 kV用户一般供电距离较短，对电网影响有限，因此35 kV用户无需配置感性无功补偿设备。而110 kV电缆单位长度充电功率较大(约为0.8～0.83 Mvar/km)，若110 kV用户电缆进线较长，考虑在用户侧配置感性无功补偿。

2 新形式下上海市大用户无功配置

2.1 无功配置形式

为平衡电缆线路容性无功，可在用户站加装电抗器，措施通常有：在变电站进线侧加装高压电抗器、在变电站低压侧加装低压电抗器、在变电站低压侧安装SVG。

各无功补偿设备技术特点见表2。

表2 各无功补偿设备技术特点

由上表可以看出，高压电抗器由于其高昂的价格及占地面积一般不用单纯于无功补偿，一般是在电缆线路过长需要限制过电压时才配置低压电抗器，有研究表明，110 kV电缆线路长度低于30 km时一般不存在过电压问题，因此高压电抗器不作为用户无功补偿的首选。

SVG动态无功虽然运行灵活，但设备价格较昂贵、故障率相对较高，在电业变电站鲜有使用。因此，从降低用户投资，减小占地面积的角度考虑，110 kV及以上大用户电缆进线无功补偿一般首选低压电抗器。

2.2 无功配置容量

考虑用户站低谷时段主变负载率一般在10%～30%，计算得不同电压等级主变无功损耗如表3所示。主变无功负荷对应的低压侧功率因数0.97。

表3 主变无功损耗

由表3可见，一般110 kV电压等级用户，考虑主变在负荷低谷时段负载率在10%～30%时，平均可吸收约2～3 Mvar无功(约等于3～4 km电缆线路充电功率)，建议当供电电缆线路较短时，不加装电抗器。在用户电源进线大于3 km且容性无功无法消纳时，可以考虑安装电抗器，由于电抗器投切引起的电压波动不应超过2.5%，建议单台主变电抗器配置容量不超过6 Mvar。

3 低压电抗器对用户侧考核的影响

目前上海电力公司专线供电的用户，线路资产属于电力公司，因此计量考核点在用户侧进线间隔。以典型110 kV电压等级的用户为例，主变的容量为2×40 MVA，主变阻抗百分比为10.5%，其中一回电源进线为长度8 km电缆，电缆截面800 mm2，对应主变低压侧配置6 Mvar低压电抗器，接线见图1。

图1 典型大用户接线

若电力公司对用户功率因数考核标准为0.9，考虑用户处于以下运行方式。

(1)大负荷方式1：用户站负载率50%，低压侧功率因数0.95；

(2)大负荷方式2：用户站负载率40%，低压侧功率因数0.95；

(3)小负荷方式：用户站负载率20%，低压侧功率因数0.95。

在各运行方式下，用户站投运低压电抗器前后功率因数变化情况见表4。

表4 各运行方式低抗投运前后功率因数

由表1可见，不投低抗时，各方式下用户高压侧功率因数都在0.9以上，达到考核标准。大方式下电压侧功率因数接近1，即线路充电功率基本被消耗；小方式下，电业侧无功倒送5.85 Mvar，功率因数仅为0.545。投低抗后，电业侧功率因数达到0.95以上，然而用户侧功率因数均不达标，小方式下用户侧功率因数仅为0.47。

由此可见，在现行功率因数考核办法下，用户侧加装低压电抗器后，电抗器投运会导致用户侧功率因数降低，若被考核的功率因数低于规定标准将导致罚款，这将对于在用户侧开展安装和投运电抗器工作带来矛盾。

4 无功管理考核方法调整探讨

为解决新形势下用户安装电抗器与现行功率因数考核办法的矛盾，对目前现有用户的电费计量和功率因数考核办法提出调整建议。

4.1 功率因数考核点在用户侧

用户安装电抗器为平衡长电缆电源进线冗余的容性无功功率，因此需要用户安装电抗器时，一般不需要用户安装容性无功补偿设备，即用户低压侧仅有电抗器。

如图2所示，在现有考核机制下，电力公司采集用户进线侧功率P1、Q1，计算用户有功、无功电量及功率因数，用户低压侧安装电抗器后，在电抗器支路加装无功电能表，并将无功电量上传至用电信息采集系统。

图2 用户站无功信息采集示意图

原有功率因数计算公式：

(1)

式中 ∑Ql为正向无功电量和反向无功电量绝对值之和。

用户侧安装电抗器后，其投运状态可分为以下3种。

(1)全时段投运。低压电抗器随外线投运，除外线故障外，低压电抗器保持投运状态。为避免电抗器投运后导致用户功率因数低于考核标准值造成罚款，考虑将进线侧月度无功电量扣除电抗器无功电量后，再计算月度平均功率因数，调整后的功率因数计算公式为：

(2)

(2)定时投运。根据电网需求，与电力公司约定电抗器投运时段。为避免电抗器投运后导致用户功率因数低于考核标准值造成罚款，考虑将进线侧月度无功电量扣除电抗器投运时段无功电量后，再计算月度平均功率因数，计算公式同公式(2)。

(3)不定时投运。将用户侧电抗器接入电网AVC系统，由电力公司统一调度运行，由于此时电抗器主要为电网提供无功调压服务，因此建议这种方式下不考核用户功率因数。

综上，在功率因数考核点仍放在用户侧情况下，若电抗器全时段投运或按与电力公司约定的时段投运，则用户功率因数考核办法可考虑在原公式基础上将进线侧月度无功电量扣除电抗器无功电量后，再计算月度平均功率因数；若用户侧电抗器接入电网AVC系统，由电力公司统一调度，则建议对用户侧功率因数不予考核。

4.2 功率因数考核点在电业侧

用户侧安装电抗器主要为了平衡电缆进线无功功率，从激励用户投运电抗器的积极性来看，可以考虑将户功率因数考核点放在电业侧，即供电企业变电所客户专线间隔上。对用户考核要求为月功率因数控制在0.9～1.0之间。然而，考核点放在电业侧有以下问题：

(1)对于电力用户而言，高压供电客户的计量点是在高压电源资产分界点处，若考核点设在电业侧，存在产权方面的矛盾。若电力公司未来对该线路改接利用，考核点将会随之变动，进一步增加了管理难度，因此需要厘清用户电源进线的资产关系。

(2)要将电业变电站客户专线间隔的计量数据反传至用户侧，用户需要根据电业侧情况调整电抗器状态，增加了用户运行调度的难度。

(3)由于电抗器标准容量的限制下，用户电源进线容性无功可能不能达到100%补偿，在用户有功功率较小的情况下，电业侧功率因数可能无法达到0.9～1。

综上，若将用户功率因数考核点放在电业侧，与上海目前用户专线资产属于电力公司有产权上的矛盾，需要进一步厘清用户专线产权关系，因此将功率因数考核点放在电业侧目前尚不具备实施条件。

5 结语

(1)高压电抗器价格昂贵、占地大，主要用于限制长电缆线路过电压。一般情况下，高压电抗器不作为用户感性无功补偿的首先。

(2)110 kV用户在电源电缆进线长度超过3 km时，可以考虑配置电抗器，建议单台主变电抗器配置容量不超过6 Mvar。

(3)对现有用户功率因数考核机制进行调整：功率因数考核点仍在用户侧，若电抗器全时段投运或按与电力公司约定的时段投运，则用户功率因数考核办法可考虑在原公式基础上将进线侧月度无功电量扣除电抗器无功电量后，再计算月度平均功率因数；若用户侧电抗器接入电网AVC系统，由电力公司统一调度，则建议对用户侧功率因数不予考核。