基于10 kV線路無功補償系統研究

付杰++周穎++胡曉光

摘要：為提高10 kV線路補償系統的補償效果，根據農村10 kV配電線路的特點，在確定線路補償布點和容量配置后制定補償投切策略，從整體和局部兩個方面確定無功缺口并進行補償，為10 kV線路無功補償提供便捷、低成本的補償思路。

關鍵詞：無功補償；10 kV線路；集中補償；供電質量

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）05-0031-03

1 無功補償技術研究進展

1.1 我國10 kV電網無功補償現狀

農村區域占我國總面積的大半部分，這些地區的10 kV配電線路特點明顯、供電范圍廣、隨季節更迭用電負荷變化大，是自動投切線路分散無功補償裝置的重點應用領域。這類補償系統應達到以下2個指標：1）分析配線上的無功不足區域并及時投入補償電容，使無功消耗和無功電源形成平衡，同時避免對整條線路過補償；2）無需專業人員手動投入和切除，自行判定是否投切。

線路無功補償系統能夠提高功率因數、降低線損，與縮短配電線路長度有異曲同工的效果，可大大增強電網輸送電能的能力，給供電部門、發電企業帶來可觀的經濟效益，且可提高整個電網的電能質量，保證大到工廠小到千家萬戶的用電可靠性。國家電力部門一直重視無功補償的作用并開展實施應用，比較容易集中安設的是變電站高壓補償、380 V配電所低壓端補償和用電單位隨機補償，但分散補償的10 kV線路補償距離遠、范圍大，實際掛網運行較少。

1.2 無功補償的重要意義

隨著變頻器、逆變器、變壓器、發電機、異步電動機、電焊機、電弧爐、中頻爐等裝置在電力系統中的廣泛應用，電力電子設備已成為諧波的主要來源之一。設備產生額外的諧波損耗，致使用電設備吸收、消耗大量無功功率，導致供配電設備及用電設備效率受到嚴重影響，電力系統功率因數持續偏低。

配電網中的變電、送電、用電環節的功率因數與電網功率電能損耗直接掛鉤，并決定供電線路電壓損失和電壓波動的嚴重程度，涉及節約電能和供電區域電能質量。要保證電力系統經濟高效運行，必須采用從集中到分散的各種無功補償手段來提高功率因數。

2 10 kV線路無功補償方式

2.1 10 kV線路補償系統的設計原則

1） 分散補償要有的放矢，一條配電線路上最多采用2～3點補償。

2） 補償策略高效不繁瑣，動態補償點電容器的分組不能多。

3） 正確選擇補償容量。線路輕載時，如果最小補償容量過大，會造成過補償，增加線損。安裝空間局限在立桿上，在保證達到無功優化的基礎上，安裝電容越少越利于設備運行維護。

4） 選擇簡單有效的保護措施。過流保護可以用熔斷絲連接。氧化鋅避雷器可以避免高電壓損壞補償裝置。

5） 通過串聯電抗器等措施抑制補償裝置投切產生的諧波。

10 kV線路無功補償對于供電范圍廣、功率因數低的線路尤為適用，不僅投入成本不高，而且補償經濟效益提升快。由此看來，克服傳統線路補償不能靈活適應負荷波動的缺點，使電力部門既不用擔心線路過補償，又可以在線路負載較重時讓功率因數提升接近于1，是線路分散補償系統研究設計的目標。

2.2 10 kV線路補償系統的實施策略

1） 選用并聯電容器作為線路補償設備，采用動態投切和靜態固定電容組相結合的補償方式，在負荷平穩區域采用靜態補償，在負荷波動大區域采用動態補償。

2） 確定補償點的位置和電容容量，對線路負荷分布平均和分布不均兩種情況加以討論。線路負荷均勻采用經驗布點方式，分布不均采用整體經驗布點和局部節點遍歷潮流擇優方式。

3） 制定整體局部兼顧的補償投切策略，以線路端無功功率、功率因數和補償點實時電壓為雙重判據，達到更細膩準確的線路無功優化效果。

3 10 kV線路補償終端硬件設計

遠控線路補償裝置主要構成為：MCU及外圍電路、電源模塊、數據采集模塊、投切控制模塊、數據存儲模塊、PLC通信模塊、GPRS通信模塊、顯示屏鍵盤人機交互模塊等。模塊化設計不僅有利于擴大設備生產規模、方便維護，還可根據現場移動網絡信號的可靠程度靈活選擇主從通信補償點，在信號最佳點加裝GPRS模塊，作為所在線路與上位機互通數據的主補償點（其他從補償點傳輸信息的樞紐）。線路補償系統模型中A點的補償終端硬件結構如圖1所示。

針對10 kV線路無功補償系統要達到的目的，對補償終端進行關鍵功能設計，系統終端設計方案如下：

1） 補償終端采集10 kV線路在補償點的三相電壓作為調度總站投切判據，獲取電壓值的準確性和實時性至關重要。

2） 開關狀態量的獲取和賦值。獲取部分包括采集分組電容投切開關狀態、與上位機通信狀態、保護啟動與否等主要關鍵指標。賦值部分包含控制電容開關的投切達到無功優化，以及保護繼電器動作，起到保護補償裝置的作用。

3） 與上位機進行通信。通過最適通信方式與調度中心的上位機建立連接，并傳送補償點采集的電力數據、投切開關量及重要狀態量予上位機，調度站根據需要將動作指令下傳給補償終端下位機。

4） RTC功能。補償終端記錄分組電容投切動作及各種事件發生的精確時間，需要時鐘芯片或MCU內置RTC模塊來實現。

4 10 kV線路補償終端軟件設計

4.1 程序流程

A點補償終端在系統初始化后，根據用戶設置的時間定時采集A點電壓和投切狀態，并通過PLC通信請求B點采集數據，然后將A，B補償點的數據打包發送給調度上位機。同時，A點隨時通過GPRS網絡接收調度站投切指令，并分析識別指令發送對象。如果是A點則直接執行投切，如果是B點則通過PLC信道轉發。程序總流程見圖2。

4.2 補償終端可靠性設計

4.2.1 補償終端斷電保護 1） 投切開關部分。采用電保持式真空接觸器執行投切，補償終端經過光耦隔離將投切信號傳遞給開關驅動電路繼電器。除基本技術參數達到國電相關標準外，補償設備必備的保護功能是隨斷電自行跳閘。若補償終端不具備此功能，一旦配網斷電時正在補償，已投電容組在恢復供電后會直接并網，造成設備損壞的嚴重后果。

2） 控制器部分。為防止線路停電導致補償終端丟失運行數據，系統用外置存儲芯片記錄一周內的投切、保護等事件，并在斷電時連接終端內置電池拷貝未處理的指令和數據。恢復供電后，MCU依次檢測各硬件模塊的狀態，若無異常，重新啟動遠程自動投切程序。與時同時，通過軟件設置延時等待電容切除后泄放電荷，并暫時關閉并網使能，防止反復投切振蕩損傷電容器。

4.2.2 開關啟動電壓保護 從線路上掛接的PT可以感應出：100 V交流電一方面采集電壓，一方面經變送調理后作為芯片及各種外設電源，并為投切電容執行開關供電。供電電壓既不能過高也不能過低：如果過電壓使用，電容組會減少無功電源的使用年限；如果欠電壓使用，則會導致真空開關無法執行投切動作，對器件造成損害。因此，終端MCU設置高低兩個電壓保護閾值，一旦開關啟動電壓超過保護上下限，便在開關失效前優先執行切除所有電容命令，關閉開關量輸入進行保護，并監測電壓是否回到正常運行范圍，允許標志置1后再根據補償策略執行投切電容指令。

5 結語

在電網提倡降損節能、分級補償、就地平衡的大環境下，集中補償成為各地變電站主要的補償無功方式，但10 kV線路上的無功缺口卻無法處理。為進一步優化無功、降低線損，線路無功補償勢在必行。基于10 kV線路的無功補償系統設計可靠，具有重要的現實意義，為無功補償的實施提供新思路。

在分析確定線路補償布點和容量配置后制定補償投切策略。調度主機通過測量線路首端的無功功率和功率因數，結合補償點電壓發送投切指令，把整條10 kV線路看作一個電氣設備進行補償，充分發揮補償電容總分組數多的優點，提高功率因數補償方案的精度。同時，避免以往功率因數型補償裝置加裝電流互感器的麻煩，方便施工維護，降低成本。

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