张 立
身份证号码：52222619930408**** 山东 济南 250017
摘要：高压输电线路在输送电力过程中，由于线路无功功率对电力系统功率因数的影响，产生了“力率电费”，导致南水北调工程运行成本增加。现场管理人员结合工程运行实践，分析了工程运行中高压输电线路负荷功率、感性无功和容性无功的产生以及相互间平衡关系，并对当前运行模式下，系统容性无功功率对输电线路功率因数的影响情况进行了阐述，提出了提高系统“力率”的措施和办法，降低和减少“力率电费”的产生，从而实现泵站的经济运行[1]。
关键词:电力线路;功率因数;经济运行;影响
一、高压电费计量中出现的问题
南水北调东线工程共有十三级大型泵站，其中山东段由台儿庄、万年闸、韩庄、二级坝、长沟、邓楼、八里湾共七级泵站组成，用电负荷等级为二级，设计为一回110kV电源进线，一回10kV办公生活电源进线。本工程自2013年11月15日正式建成开机运行以来，已安全平稳运行6年有余，实现向东平湖输水约36.11亿m3，为工程沿线经济发展和生态文明建设提供源源不断的动力。随着南水北调工程经济运行管理逐步精细化，高压输电线路电费计量中的问题也逐渐凸显出来。鉴于电力生产的特点，国家供电管理部门为提高用户的功率因数并保持其均衡，联合国家物价部门印发了《功率因数调整电费办法》。根据该办法要求，南水北调东线泵站工程的用电性质确定为供电公司高供高计一般工商业的用户，功率因数标准设定为0.85。电费计量时，供电部门在计费计量点加装带有防倒装置的反向无功电度表，按倒送的无功电量与实用的无功电量两者的绝对值之和计算月平均功率因数，计算得出的功率因数与0.85相比较，再按照“功率因数调整表”增减电费。根据上述管理办法和规定，梳理出南水北调2017年各泵站工程月度电费清单明细表，发现仅个别月份的“力率”高于0.85，大部分月份的“力率”远远低于0.85，因此面临大量罚款，轻则罚款几万元，重则罚十几万元，一年下来有的泵站甚至罚款四五十万元，几个泵站一年仅电费罚款就近百万元，对泵站工程的经济运行精细化管理形成巨大挑战(图1中无功电费黑线以上全部为罚款，一年中大部分月份在黑线以上)[2]。针对上述情况，对各泵站用电情况进行了更深入的分析研究。泵站电力系统共分为输电系统、变电系统和用电系统，根据泵站运行相关记录，各级泵站机组运行功率因数一般都在0.97以上，首先排除了用电系统对电力系统功率因数的影响。而变电系统空载损耗和负载损耗产生的无功功率都在标定的标幺值范围内，对系统功率因数的影响较小。为进一步掌握更广泛的数据支撑，通过梳理汇总多个泵站的电费清单发现，“力率电费”的曲线有两个规律，一是“力率电费”在泵站开关机时间区间内始终处于高峰;二是“力率电费”随着系统负荷的增加而降低，随着系统负荷的降低而增加，二者呈负相关关系，这也就是“力率电费”产生的根源。
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二、高压输电线路感性和容性无功功率对系统功率因数的影响
研究高压输电线路功率因数问题，首先要了解高压输电线路的几个概念。目前，南水北调110kV高压输电线路采用架空敷设(部分泵站终端的直埋高压电缆由于长度太短，分析中不再考虑)，但是不可避免地会产生电磁场辐射，因此高压输电线路在输送电能的同时，自身还要消耗功率转化为无功功率，三相电力线路有功功率计算公式为:P=(3)1/2UIcosφ，无功功率计算公式为:Q=(3)1/2UIsinφ，那么功率因数为:cosφ=P/S=P/(P2+Q2)1/2。综合以上各因数关系，电力部门在电网运行调度考核的时候，通过考核功率因数对电力用户进行电费增减。高压输电系统中的无功功率由线路感性无功功率、容性无功功率和负载无功功率组成。当系统产生感性无功功率时，需要供电电站向系统提供无功功率，无功功率是正向计量的;而当系统产生容性无功功率时，系统要向供电电站提供无功功率，无功功率是反向计量的[3]。但根据《功率因数调整电费办法》，无论系统向电站提供无功功率，还是电站向系统提供无功功率，产生费用最终都得由电力客户买单。因此，我们在分析无功功率对高压输电系统计量影响时，极有必要分析清楚系统产生的无功功率的性质，并清楚掌握该无功功率在不同时段与功率因数之间的关系，这样才能真正实现科学调度，对系统制定有效经济运行的管理措施和控制办法[4]。(1)高压输电线路理想等效电路为便于了解和计算，下面以具体某泵站110kV高压输电线路为例进行分析。该泵站高压输电线路采用LGJ－185/30钢芯铝绞线架空，线路总长度为19.5km，整个电路可以理解为分布参数电路，每段导线相当于一个电感和电阻串联，每相相间及相对地均有分布电容及电导并联，等效电路如图2所示。(2)输电线路特性阻抗的计算按照已知线路为分布参数电路，特性阻抗(波阻抗)Zn=((ＲL+jLL)/(SL+jCL))1/2。探讨无功问题，理想线路对地仅考虑电纳，电导太小不予考虑;线路传输仅考虑电抗，电阻太小不予考虑，使电路简化成为理想无损线路，输电线路特性阻抗Zn=(jLL/jCL)1/2;根据理想电路分析:L=X=jωLH=jLLH;C=B=jωCH=jCLH，则推出Zn=(L/C)1/2，其中LL为正序电抗，CL为正序电纳，H为线路长度。(3)理想输电线路功率因数的特点根据以上理想电路分析，若在线路末端所加的负荷为特性阻抗Zn，则称负荷功率为自然功率。此种状态下计算输电线路串联支路的感性无功功率QL=I2ωL=(U/Zn)2ωL=U2ωC，并联支路的容性无功功率为QC=U2ωC，所以QL=QC。也就是当输电线路容性阻抗等于感性阻抗时，整个电力系统为纯电阻电路，功率因数为1，负荷功率就是自然功率，供电部门无功计量装置显示为零[5]。
结语：
南水北调工程运行管理人员结合工程运行实践，通过理论计算，分析了电力系统因负荷增加而“力率”降低的系统状态，并有针对性地研究了系统“力率”与泵站运行时间和运行机组组合之间的关系，建立了不同机组组合、不同运行时间与考核力率之间的关系模型，为经济运行提供了经济方案。同时，对相同状态下其他的提高系统功率因数的办法也进行了介绍。为同类型泵站工程分时段运行、频繁启动状态下如何提高系统功率因数、保障工程经济运行提供了借鉴。目前仅考虑了泵站电力系统经济运行问题，下一步将与泵站机组经济运行特性曲线相结合，为工程输水提供一个更为经济高效的平台。
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