配變及無功補償裝置在線監測管理系統研究

馮小明 尚 可 單鐵銘

（1.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083；

2.北京電力公司昌平供電公司，北京 102200；3.北京電力公司房山供電公司，北京 102400）

1 引言

根據全國幾大供電網絡的統計，我國在農村供電線路上損失的電力平均為總輸電功率的 10%，而歐美及發達國家在供電線路上的損失僅占總輸電功率的3%，如果采取措施，把供電線路上的損耗降到5%，僅此一項，我國在農村電力傳輸網上的損耗每年可節約100多億元。所以對農村供電進行無功補償來降低線路損耗并提高供電質量，是貫徹國家加快建設節約型社會戰略部置的具體措施之一[1]。隨著農網三期改造的逐步完善，我國在農村電網中更換了大量的高能耗配變，按照配變容量的15%～30%安裝了相應的低壓無功補償裝置。但由于我國農村電網供電半徑大，負荷分布廣，傳統的人工維護工作量大，農網的技術人員水平有限，造成大量的無功補償裝置由于缺乏管理和維護而無法投入運行[1]。

隨著電力生產對農網線損管理、提高電能質量、保證供電的可靠性、安全性提出了新的要求。電力生產管理的科學化和電力需求側管理(DSM)的智能化需求，要求對農網配變低壓側進行準確和科學的智能監控，掌握農網配變及無功補償裝置的實時運行狀況并根據需求進行合理管理，改善電能質量，降低線損。為實現對農網中的公用配變、專用變、變電站出線以及其它電能采集點和設備監測點等設備的實時監測；了解用電設備的運行狀態、諧波水平，為線損分析、負荷預測、電壓合格率統計、供電可靠率、供電方案優化、配網規劃、用戶接電、電能質量治理等業務提供科學依據；提高配電網的經濟、高效和安全運行的水平[2-4]。遵照相關標準、規程和要求，結合我國農村電網實際情況，借鑒國內外同類產品的優點，研究適合我國農村電網的“配變及無功補償裝置在線監測管理系統”（以下簡稱系統）。它是一種集配變監測、無功補償控制、電能質量監測、電能計量、RTU（三遙）等功能于一體的系統。

2 系統組成

根據系統的數據流，將系統劃分為四層。系統數據采集層，主要由安裝在配變低壓側的配變綜合監控管理終端，采集配變的運行數據，控制無功補償裝置自動投切，監測配變的電能質量，集中抄收臺區用戶的電能表，并對上述數據進行初步的統計、存儲。

系統數據傳輸層主要由中國移動的GPRS無線網絡組成。GPRS網絡具有覆蓋廣、穩定、可靠、運行費用低等特點，特別適合農村電網監測點分散這一特征，是目前理想的數據傳輸通道。

系統的數據存儲層和系統數據分析、展示層主要由安裝在電力公司的數據前置機、數據庫服務器和 WEB服務器以及相應的軟件系統組成。主要采集和管理公用配變、居民用戶表計；監測配變運行工況；自動控制電容器投切實現無功補償，管理無功補償設備；提供電能質量監測、分析、統計；為居民抄表數據提供數據轉發通道，與營銷等系統實現數據共享；可以進行配變負荷預測、臺區線損分析；可以進行防竊電分析；可以作為供電企業規劃設計、業擴報裝、新用戶接火、系統增容、變壓器布點選擇等等日常規劃工作依據，進而從技術和管理的角度提高電網運行的經濟性和安全性，全面提高供電企業的管理水平和服務質量。

系統的構成如圖1所示。

圖1 系統總體拓撲圖

3 系統主要功能

系統主要實現配變運行數據采集，無功補償數據采集，數據傳輸，控制電容器投切，數據分析，數據展示，系統參數設置，事件告警處理，時鐘對時，報表查詢統計，系統權限管理，無功補償設備管理，數據召測以及WEB發布功能。

（1）配變運行數據采集

主要采集配變的運行數據：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數，配變負載率、配變損耗。

配變電能量數據：配變總有功、無功電量數據，尖峰、平、谷、有功無功電量，臺區用戶表電量數據。

配變電能質量數據：電壓合格率，三相電壓、電流諧波畸變率，三相電壓、電流2～19次諧波含有率，三相電壓、電流不平衡度，供電可靠率。

（2）無功補償數據采集

主要采集電容器投切記錄，記錄電容器投切時間、投切前后電壓和無功的情況；每組電容器日動作次數，總動作次數，每組電容器投運時間、投運率。

（3）數據傳輸

系統主站與現場裝置通信實現參數設置、數據采集、遠程遙控、遠程程序更新；系統與營銷系統交互臺區電能表數據；系統與其它系統之間交互信息。

（4）數據分析、處理

曲線分析：提供配變歷史曲線分析功能，顯示配變日、月負荷，電量變化趨勢曲線。電能質量變化趨勢曲線。

計算、統計分析：統計分析出配變運行數據的日、月、年最大值最小值及出現時間。分析臺區線損，線路線損；統計配變電壓合格率和供電可靠率；統計配變功率因數合格率；統計并分析無功補償裝置的投運率、電容器投運率；統計無功補償效益；統計并分析電容器是否失效。

事件告警：電壓、電流越限告警，配變過載報警，配變缺相、停電、三相不平衡、諧波畸變超標等告警。

（5）系統應用功能

無功補償裝置集中管理功能：統一整定系統管理范圍內的無功補償裝置的現場參數。

報表生成：能夠自動生成配變日常管理所需的各種日、月、年報表。

需求側管理和服務支持功能：負荷分析和預測、配變信息查詢服務、執行有序用電方案、電能質量在線監測。

電力營銷管理技術支持功能：遠程抄表、電能表運行狀況在線監測；負荷和電能量數據分類統計分析、線損分析；

4 工程應用分析

系統于2006年開始在某供電公司進行試點運行，歷經一年的現場施工和系統開發、調試。于 2007年系統投入試運行，共接入13條線路120臺公用配變和無功補償裝置。系統在以下幾個方面發揮了作用。

（1）降低10kV線損

通過對120臺配變監測儀和無功補償控制器現場調試，發現了大量無功補償裝置由于接線錯誤、極性接反、相序錯誤而導致無功補償無法投運，并糾正以上錯誤。按照無功就地平衡原則，重新設置了無功補償控制的電壓無功參數，保證了無功補償裝置正確按照無功需量來自動投切電容器組。系統根據采集到的電容器投切記錄，無功限值，配變運行參數，自動判斷每一臺無功補償裝置是否正常運行，投切是否合理。根據每組電容器的投切次數和投運時間，合理安排了電容器和投切開關的檢修維護時間，確保無功補償設備的利用率。通過對電容器投切前后電壓、無功功率的變化量，結合電容器的額定容量，系統自動判定電容器是否失效，并給出相應的數據報表，及時更換失效的電容器組。通過對120套無功補償裝置的在線監測管理，及時發現了60多組故障電容器組。

系統于2008年3月選取了一條10kV線路作為無功補償前后線損率比較實驗，線路總長 8.4km，公用配變25臺，總容量為2600kVA，無功補償裝置20臺，補償容量為600kvar，專用變32臺，總容量為4800kVA。通過系統下發無功補償參數，停止了無功補償控制器的自動投切，連續運行了一天，線路首端每天電量為45288kW·h，功率因數為 0.87。將無功補償裝置恢復成自動投切狀態，選取了供電量相近的一天，線路首端電量為 45189kW·h，功率因數0.93，總計節約無功電量4785kvarh。根據每套無功補償裝置的無功補償電量和配變到線路首端的等效電阻，計算得出由于無功補償降低 10kV線路損耗約2490kW·h，按照0.45元/kW·h計算，每天節約電費1120元，一年將近節約40萬元。

通過系統對無功補償裝置的管理和維護，提高無功補償設備的利用率，可以降低10kV線路損耗。

（2）提高用戶的電能質量和用電可靠性

系統采集了配變的運行參數，通過分析和處理每臺配變的電壓合格率，日電壓曲線，結合每個臺區低壓供電半徑并統計不同負荷水平下低壓末端的電壓合格率。系統計算出每臺配變在不同負荷水平的分頭位置，指導運行人員在負荷水平變化轉換時期及時調整分頭位置。提高了整個臺區的 供電電壓合格率。

系統采集配變的三相電流和零序電流，計算出每天電流三相不平衡度曲線，并設定三相電流不平衡度限值，超過限值的配變，安排運行人員根據每相負載情況，調整三相負載，使三相電流不平衡盡量減少。目前限值整定在 45%，已調整了配變 40多臺，調整后配變三相不平衡度降低，零序電流減少，提高了系統供電安全性，并減低了低壓臺區的線損。

系統根據實時監測到配變電流值，判斷配變是否過載，當配變連續過載超過整定的時間，系統通過短信息和報警提示畫面，向有關的運行人員發出告警。系統在 2008年夏季用電高峰時期，發現了10臺配變60多次的過載情況。運行人員根據系統提供的配變歷史負荷曲線，及時對其中6臺配變進行了增容和轉移負荷。提高了用戶供電可靠性，也為配變增容和系統規劃提供了有效的數據。系統統計每臺配變的負載率，也發現了不少“大馬拉小車”的配變。通過系統采集到的數據，避免了盲目增容。進一步提高配變經濟運行，降低網損。

當前農村電網諧波污染源逐漸增多，農村電網負載變化較大，而且國內沒有相應的政策來約束用電設備的諧波發射水平，造成農網諧波大幅上升。由于大部分無功補償裝置未考慮電容器投切引起的諧波放大現象，導致電容器受損嚴重，降低了網絡的無功補償水平。系統通過對配變諧波的監測，在無功補償投切電容器時，增加了諧波約束條件。一方面提高了系統的穩定性，另一方面保護了無功補償設備，避免諧波放大而影響其他用戶。

（3）降低系統的建設和運營成本

為了提高農網的經營管理水平，及時收取電費，準確統計網損。國內經濟發達的地區開展了臺區集中抄表系統建設的試點，臺區除了安裝配變監測及無功補償控制儀表以外，還需要安裝載波集中器，臺區三相多功能電能表，載波集中器與營銷系統之間通過GPRS信道傳輸電能數據。為了降低臺區建設成本，充分利用數據傳輸通道，系統在臺區的配變監測及無功補償控制儀表的基礎上，將集中抄表和三相電能表計量功能集成到一臺綜合測控儀表當中，通過GPRS統一將配變監測，無功補償，電能數據上傳至供電公司的系統中。系統可以實現遠程集中抄表，并將電能信息轉發至營銷管理系統；利用臺區總表和用戶表的電能數據，可以準確計算出臺區線損。

5 結論

系統提高了農村電網的管理水平，提高了無功補償裝置的利用率，降低了網損，提高了用戶的電能質量，創造了較大的經濟效益和社會效益，系統數據也為農村電網規劃設計、電力設備選型提供了科學的依據。系統集成農網臺區變眾多功能，降低了系統建設成本，減少了設備維護量。

[1] 王力,陳冬東,李衛星.新型農網自動化管理信息系統及其應用[J].電網技術,2007,31(6):204-207.

[2] 毛昕蓉.基于 GPRS技術的配電自動化系統通信解決方案[J].通信技術,2008,41(5):164-166.

[3] 黎水平,賀建軍.基于 GPRS的配電變壓器在線監控系統研究[J].自動化儀表,2008,29(9):33-36.

[4] 候思祖,王亞微,崔紹飛,楊麗.基于 GPRS/CDMA 1X的集中抄表與配變監控系統設計[J].電力系統通信,2008,29(9):39-43.