互聯網+10kV 配電線路無功能源供需平衡智能系統研究

曲 亮 王 東 房俊龍*

（1、國網黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱 150000 2、東北農業大學電氣與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 概述

電力公司的目標是電網企業回歸企業屬性，就是要追求企業利益。首先是電力企業內部挖潛，注重創新產品及服務中追求經濟利益最大化，提高電力能源的利用率，進一步實現成本管理的優化，這些都是“節流”的內容。其次是開源，如何在輸配電價下降、客戶流失的背景下，實現新業務的增長，是公司發展的戰略思考。

近年來，通過大力推動配電網科技進步工作，配電網整體裝備技術水平有了明顯改善，自動化、信息化水平得到了有效提升。由于黑龍江省地域廣闊，負荷密度小、10KV 線路長距離供電引起的線路阻抗大、電壓降高、電能損耗大，給電力部門帶來了不應有的社會影響和企業損失。網絡結構參數確定的情況下，電壓降和電能損耗直接與運行參數有功功率和無功功率有關。因此，配電網絡中無功潮流最小是電力企業追求的目標，具有現實意義。

圖1 線路桿號

本文主要研究的內容是：借助移動互聯網，將變電站10KV配電線路出口第一臺無功補償智能終端（下位機）獲取無功數據或在調度室或變電站直接讀取線路無功負荷數據，通過GPRS 上傳到云端服務器（上位機），經過邏輯判斷確定補償線路所需投入或切除電容器容量，確定補償點投切狀況及電壓判斷，上位機再通過遠程通信網絡對相應的投切對象下位機發送執行投切指令的一種智能系統。包括下位機數據采集、數模轉換、網絡傳輸、上位機邏輯判斷、確定補償容量、投切控制等功能。

2 研究內容的依據

國網部門文件通知中給出了“典型負荷分布線路無功補償安裝位置與補償容量表”，若按照試行文件一點補償2/3 處，補償容量2/3；兩點補償2/5 和4/5 處，補償點各補償2/5 容量理論實施，采用功率因數控制方式，則2/3 補償點和4/5 補償點無功永遠補不上。

在同一個網絡和同一個無功負荷曲線下，在相同補償點和補償容量下，功率因數控制方式和無功需求系統控制方式進行比較。

圖2 不同時刻有功功率和無功功率

表1 測量節點及容量表

表2 功率因數控制方式和無功需求系統控制方式比較

補償裝置投運率比較：功率因數控制39.6%；無功需求系統控制78.1%。

降損效果分析：補償前自然功率因數下線路日損耗為230.7kwh；功率因數就地控制補償后線路日損耗為212kwh；系統控制補償后線路日損耗為187kwh。

線損下降率：功率因數就地控制補償后比補償前下降8.1%；系統控制補償后比補償前下降18.9%；系統控制補償后比功率因數就地控制下降11.7%。

以往10kv 配電線路無功補償都是按補償點的功率因數為依據進行投切，如果補償點補償容量為100kvar,而補償點的無功負荷為99kvar 時，其補償電容無法投入運行，因為投入100kvar 補償點的功率因數超過1，此時功率因數控制器立刻指令補償電容器切除，在臨界點上往復投和切不僅影響設備壽命，同時對電力系統產生電壓和電流的波動。只有補償點無功負荷超過100kvar 時才能投入運行，這種補償方式為功率因數就地控制策略。而按無功需求系統控制策略是根據線路首端無功需求控制補償電容器，補償點不受功率因數影響，補償點的無功可以倒送。眾所周知，無功潮流引起的有功損耗與無功負荷的平方成正比，顯然，同樣的合理補償方式下兩種補償控制策略帶來的效果是截然不同的。如圖3 所示，圖中陰影部分就是無功潮流分布。

圖3 兩種控制方式對比

3 項目研究內容

3.1 無功能源供需平衡智能系統研究

無功能源供需平衡智能系統的研究是借助移動互聯網，將變電站10KV 配電線路出口第一臺無功補償點（下位機）獲取無功數據經過NB-IOT（窄帶物聯網）上傳到云端服務器（上位機），經過邏輯判斷確定補償線路所需投入或切除電容器容量，再通過遠程通信網絡向投切對象下位機發送控制指令，下位機通過補償點投切狀況和判斷電壓合格后執行命令的一種智能現象。

3.1.1 上位機管理功能

拓撲維護功能：通過系統提供的拓撲維護功能增減變電站、線路和電容器，并可以指定電容器和線路之間的關系，電容器的補償方式，以及線路和變電站之間的關系，使得系統的運行方式非常靈活。

投切歷史分析與展示功能：查找任何一個補償點投切曲線的時間段、投切容量和無功功率曲線，對照調度自動化信息判定其投切合理性，同時，對補償前后線路無功功率的變化一目了然，有利于補償效果分析。

投切事件查詢功能：系統運行一段時間后，可以查找到補償線路任意一個時間段內的投切情況及投切當時相關信息（電壓、功率因數、無功功率、整定值等等），這樣有利于掌握更多的負荷變化規律。

投切容量統計：按月或按年計算各條10 千伏線上所有電容器的投入容量與投入時間（小時）的乘積，明確了整條線路上電容器的月或年總投入千乏小時，掌握電容器投運率。

數據導出功能：用戶指定查詢或統計條件，可查詢出滿足統計條件的投切事件或統計信息。用戶可將統計信息導出到文本文件或導成Excel 文件，便于用戶在Excel 系統下對數據進行分析或制作出滿足要求的統計報表。

3.1.2 下位機管理功能

包括下位機數據采集、數模轉換、數據傳輸、上位機邏輯判斷、確定補償容量、投切對象等。

3.2 無線數據傳輸NB-IOT（窄帶物聯網）在配電網絡應用關鍵技術研究

無線數據傳輸NB-IOT（窄帶物聯網）在配電網絡應用研究還是首次。根據NB-IOT（窄帶物聯網）模組的特點研究傳輸速率長距離深度覆蓋，支持內置工業級芯片SIM 卡和天線、并支持對接各類云服務等與本項目的融合。使其達到適合于固定節點、傳輸數據量小、傳輸快，以無功平衡控制器上傳數據到云端管理機平臺為主的形式，同時工作于授權頻譜下，3GPP 支持的2G／3G／4G 蜂窩通信技術。

3.3 無功能源供需平衡方法的研究

研究整條線路總的平衡容量，首先根據近兩年最大無功潮流典型日確定平衡容量，研究平衡點位置是根據無功負荷大小、配電網絡特點、供電半徑長度等因素確定2～3 個或4 個平衡點，其不同平衡點的平衡容量應有差異，比如平衡補償容量200KVAR, 兩點平衡其補償容量應選80KVAR 和120KVAR 兩組組合,其目的是補償平滑調節。研究無功能源供需平衡方法的目的是補償后線路中無功潮流最小，使其達到降損節能的效果。

3.4 開發云平臺管理功能研究

研究云端管理機的數據獲取、存取和處理知識的功能，同時研究推理、判斷并做出相應的動作指令以外，研發管理功能。如拓撲維護、投切歷史分析與展示、投切事件查詢、投切容量統計、數據導出等功能。

4 結論

10kV 配電網的無功補償優化工作應更多地考慮配電網的特點，若能基于一個完善的補償方案進行改造，在無功規劃優化中科學合理的選擇無功補償位置和補償容量，以最小的投資達到最好的補償效果。本文提供的一種充分利用網絡化、信息化、自動化的集成技術，實現10kV 線路無功補償優化的新途徑，將為黑龍江省電力有限公司加快推進智能電網的步伐起著十分重要的作用。