新型無(wú)功補(bǔ)償裝置在10 kV配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

范國(guó)斌

(山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

配電網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，只有配電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量合格，才能托起整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效供電。我國(guó)電力建設(shè)存在重輸電輕配電、重有功輕無(wú)功的思想，導(dǎo)致我國(guó)配電系統(tǒng)發(fā)展較為緩慢[1-3]。現(xiàn)今，10 kV配電網(wǎng)絡(luò)輸電距離較遠(yuǎn)，負(fù)荷波動(dòng)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，配電可靠性差，線路功率損耗嚴(yán)重，功率利用率低，配電網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期在缺乏無(wú)功功率的工況下服役[4-5]。盡管10 kV變電所的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了集中補(bǔ)償，但是無(wú)法控制母線電壓及線損，在10 kV線路中投入無(wú)功補(bǔ)償裝置可以有效地對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)線路進(jìn)行穩(wěn)壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的分層分布補(bǔ)償[6-8]。

現(xiàn)在，在役的10 kV配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置大多是靜態(tài)補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9]提出的補(bǔ)償方式可以提高功率因素，但是主機(jī)數(shù)據(jù)處理能力不高。文獻(xiàn)[10]將補(bǔ)償裝置設(shè)置在室外配電箱中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用電壓和無(wú)功控制，但是只用了一組電容器，在負(fù)荷波動(dòng)較快時(shí)無(wú)功補(bǔ)償能力不足。文獻(xiàn)[11]采用智能控制器，幾乎能將功率因素提高到100%，也能滿足10 kV配電系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)對(duì)無(wú)功的需求，但是2/3的補(bǔ)償位置安裝方式不夠合理。

在此背景下，結(jié)合10 kV配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，一套基于DSP(Digical Signal Processor)的10 kV線路無(wú)功補(bǔ)償裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)充足的無(wú)功補(bǔ)償，且投資少，緊急效益顯著，在10 kV配電網(wǎng)絡(luò)中有很大的運(yùn)用價(jià)值。

1 基于DSP的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置

10 kV配電系統(tǒng)中的無(wú)功功率有容性無(wú)功和感性無(wú)功兩種。容性無(wú)功指電壓相位超前電流相位，感性無(wú)功指電流相位超前電壓相位，無(wú)功在系統(tǒng)中用來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的變換，有功功率是系統(tǒng)中真實(shí)消耗的功率，如果系統(tǒng)內(nèi)無(wú)功功率不足，系統(tǒng)電壓就會(huì)下降，所以配電系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置必不可少[12-13]。

1.1 新型無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理

新型無(wú)功補(bǔ)償裝置是綜合現(xiàn)階段各種無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)配置的，主要設(shè)備由電容器組、開(kāi)關(guān)、避雷器等設(shè)備組成，其與傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置不同點(diǎn)在于該裝置采用2套電容組，電容器組采用并聯(lián)、星型布線，用10 kV交流接觸器進(jìn)行投退，控制器采用TMS3206713B DSP為主控芯片，能很好地改善線路電壓質(zhì)量。該裝置集中在屋外集裝箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the new-type reactive power compensator

1.2 新型無(wú)功補(bǔ)償裝置硬件結(jié)構(gòu)

10 kV配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的自調(diào)器通過(guò)TV、TA對(duì)系統(tǒng)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集的信號(hào)經(jīng)隔離變送模塊將電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流、小電壓信號(hào)并傳輸?shù)礁綦x式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后輸入DSP芯片TMS3206713B的數(shù)模轉(zhuǎn)換通道完成采樣，DSP經(jīng)過(guò)計(jì)算生產(chǎn)電容器的投退指令，TMS3206713B輸出信號(hào)進(jìn)行光耦隔離將指令傳送給電容器投退驅(qū)動(dòng)元件。10 kV無(wú)功補(bǔ)償裝置控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 10 kV配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of reactive power compensatorin 10 kV distribution system

核心部件：采用TMS3206713B型DSP，這款芯片采用CMOS技術(shù)，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、I/O和外設(shè)接口多的特點(diǎn)，同時(shí)具有16個(gè)串行外設(shè)接口SPI，可用于外接鍵盤、顯示屏，其強(qiáng)大的計(jì)算能力能穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量分析。

無(wú)線通信：采用GPRS移動(dòng)信號(hào)技術(shù)，GSM網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，具有傳輸速度快、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，通過(guò)GPRS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，利用GPRS公網(wǎng)平臺(tái)，只用將設(shè)備安裝，不用另行布線。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊自動(dòng)登錄移動(dòng)公司數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取IP地址，分別注冊(cè)到域名服務(wù)器，域名服務(wù)器再分別交換GPRS傳輸模塊的IP地址，以后數(shù)據(jù)傳輸模塊之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式。

1.3 電容器組的投退控制

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器組的投退控制方式常采用按電壓控制、按功率因素控制、按無(wú)功功率控制3種[14]。

按功率因素控制方式，線路的有功發(fā)生變化時(shí)，功率因素的變化無(wú)法反映無(wú)功的變化，線路負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，投切會(huì)產(chǎn)生很大的電壓振蕩。按電壓控制時(shí)，線路電壓的變化無(wú)法反映有功的變化，且在臨界區(qū)也會(huì)產(chǎn)生功率振蕩。按無(wú)功控制方式，無(wú)功功率在臨界值時(shí)電容器組投退頻繁，很容易造成投切振蕩和燒壞電容器。此文采用的基于DSP的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置為雙電容組，傳統(tǒng)單一的控制方式無(wú)法滿足防振蕩要求，需尋找新的投退控制方式。

傳統(tǒng)的九區(qū)圖控制技術(shù)在上下限區(qū)域投退容易造成振蕩，文獻(xiàn)[15]對(duì)傳統(tǒng)的九區(qū)圖進(jìn)行了優(yōu)化，但無(wú)功關(guān)聯(lián)、控制準(zhǔn)確性不足。本裝置對(duì)傳統(tǒng)的九區(qū)圖進(jìn)行了優(yōu)化，采用按電壓和無(wú)功相結(jié)合的控制手段，改進(jìn)后的九區(qū)圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的按電壓及無(wú)功控制九區(qū)圖Fig.3 Improved nine region plotcontrolled by voltage and reactive power

△U是預(yù)設(shè)的“投退影響”定值，△Q是預(yù)設(shè)電容器額定容量，Q上限1

1.4 控制軟件系統(tǒng)

控制器采用集成模塊化設(shè)計(jì)，無(wú)功功率在設(shè)定范圍內(nèi)，電容器不投入，超過(guò)設(shè)定范圍投入，且按照“先投先退、先退先投”的原則，使各電容器使用時(shí)長(zhǎng)基本一致，保障電容器使用壽命。控制邏輯框圖如圖4所示。

圖4 控制邏輯框圖Fig.4 Block diagram of control logic

2 運(yùn)用效果分析

新型無(wú)功補(bǔ)償裝置在10 kV配電線路上試運(yùn)，運(yùn)行期間裝置整體工況良好，線路電壓、電流、有功、無(wú)功采集靈敏，信號(hào)傳輸舒暢，電容器組投退準(zhǔn)確迅速。圖5、圖6分別為新型無(wú)功補(bǔ)償裝置投入前后采集的日功率因素變化曲線，圖7、圖8分別是新型無(wú)功補(bǔ)償裝置投入前后采集的線路日電壓變化曲線。

圖5 投裝置前線路日功率因素Fig.5 Daily power factor of the line before putting the compensator into operation

圖6 投裝置后線路日功率因素Fig.6 Daily power factor of the line after putting the compensator into operation

圖7 投裝置前線路日電壓Fig.7 Daily voltage of the line before putting the compensator into operation

圖8 投裝置后線路日電壓Fig.8 Daily voltage of the line after putting the compensator into operation

從圖5、圖6中可以看出：在未投入新型無(wú)功補(bǔ)償裝置前，10 kV線路功率因素整體偏低，線路功率因素多數(shù)時(shí)間小于0.96，最低時(shí)達(dá)0.84，線路損耗很大；新型無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后，線路整天的功率因素都未低于0.96，相對(duì)投入前，功率因素提高明顯，減小了系統(tǒng)無(wú)功輸出，增加了輸電能力。

從圖7、圖8中可以看出，在未投入新型無(wú)功補(bǔ)償裝置前，10 kV配電線路電壓水平整體較低；在投入裝置后線路電壓在10.1～10.6 kV之間，大大提高了電壓質(zhì)量，在線路末端電壓也能達(dá)到10 kV，確保了供電質(zhì)量。

新型無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后，同比降低了線路功率損耗率2.12%。一個(gè)用電量處于中等水平的地方10kV配電系統(tǒng)假設(shè)年售電量5億kW·h，每度電按0.472 5元計(jì)算，則增加效益：5×109×0.472 5×2.12%=500.85萬(wàn)元。

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了一種新型無(wú)功補(bǔ)償裝置，在10 kV配電系統(tǒng)中節(jié)能降耗效益顯著，能實(shí)現(xiàn)10 kV配電網(wǎng)無(wú)功分層就地平衡，提高配電系統(tǒng)功率因素，特別是能克服公用變壓器低壓側(cè)缺少無(wú)功補(bǔ)償?shù)亩贪澹咕€路尾端的電壓水平也能滿足要求，解決了電網(wǎng)末端電能質(zhì)量低的難題。裝置對(duì)系統(tǒng)無(wú)功、電壓實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，提高了配電系統(tǒng)自動(dòng)化水平，特別是在農(nóng)村長(zhǎng)距離配電線路中的經(jīng)濟(jì)效益明顯。