智能無功補償技術在電力自動化中的應用

畢圓圓，張柏楊，孫文宇

國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000

0 引言

自改革開放以來，我國經濟快速發展，各種電子產品在各行各業得到了廣泛應用。根據國家能源局統計的2018—2019年度全國用電量數據（見表1）可知，我國對電力的需求量與日俱增。

表1 2018—2019年全社會用電量統計

為了確保供電的及時、高效，各電力企業紛紛采用自動控制技術，以提高輸電容量。電力自動化控制系統以先進的網絡通信技術、自動化控制技術、微機繼電保護技術和可靠的產品為基礎，確保了電網的安全和供電的可靠、穩定。由于單相牽引負載變化的復雜性，使得電網整體無功功率增大。在電網運行中，電力損失通常不會超過總負載的10%，而無功損失約為電力損失的30%～50%。可見，無功功率是影響電網電壓穩定性的重要因素，其產生的電能損失直接影響電網的穩定和安全。

對此，電力企業在電力系統中采用智能無功補償技術，可以有效解決電力系統穩定性不足、無功損耗大等問題。

1 電力自動化概述

電力自動化可以有效地推動我國電力工業的發展，在電網中應用先進的計算機網絡技術，可以實現自動化的目標[1]。

在輸電過程中，可以通過計算機網絡技術實時監測各種電力設備，以確保電網的正常運轉；同時，在電力自動化中應用可控電子部件，可以提高電網的運行穩定性[2]。

2 智能無功補償技術概述

2.1 無功補償的理論基礎

電力系統無功補償是指將具有阻抗性的設備與電力系統結合，其連接形式可以是串聯或并聯[3]。具有電容阻抗性能的器件與具有感應阻抗性能的器件的充電、放電性能相反，在感應器件吸收能量時，電容器件輸出能量；反之，感應器件輸出能量。因此，為了確保電網負載正常工作，電容式補償設備必須滿足電網的感性負載要求[4]。

在配電網絡中，有相當大的負荷是感性的；在電力系統中，電容起著重要作用。在研究無功補償時，應充分考慮并聯電容器的最佳配置，以防止因補償引起的電壓過高而對負荷及變壓器產生影響。為了減小配電網電壓波動對負荷損失和無功損失的影響，應考慮無功補償的電壓限制等。

2.2 無功補償模式

根據補償設備的安裝位置，配電網絡的無功補償可分為集中補償、就地補償和分散補償[5]。在選擇補償模式時，要注意以下兩個原則：（1）減少配電網中的無功，在選擇補償方案時要注意就地補償；（2）要把集中、就地、分散三種方法結合起來，并以分散補償為主。在三種方法中，最合理的方法是就地補償，其能降低線路損耗。就地補償裝置安裝在負載附近，并根據負載的具體情況對其進行補償，這樣可以有效降低線路的損失[6]。就地補償示意圖如圖1所示，圖中，T表示裝置額定容量；C1、C2、C3均表示無功自動補償點。通過減少配電線路及配電變壓器的容量，可以降低中壓網絡、配電變壓器和低壓配電線路的功耗，使C1、C2、C3各補償點具有最大的無功經濟等值。但由于電力負荷、變壓器、線路均需要無功，因而在實際應用中就地補償最不經濟、最不安全。集中補償模式下的補償設備位于變電所的低壓母線上，當線路端負載容量大、穩定、集中，且所占比例較大時，可采用集中補償的方式。分散補償是指在相應的節點上安裝無功補償設備，根據無功負載分布的實際情況建立多個分布式補償系統，從而實現更大的經濟效益。

圖1 就地補償示意圖

3 電力自動化中應用的無功補償裝備

當前，我國的電力工業由于科學技術的進步而迅速發展。無功補償技術是我國電網發展的一項重要技術，它的作用是減輕電網的不穩定性，降低電網的損失，提高電網的經濟效益。在新的時代背景下，無功補償技術裝備是電力系統中廣泛應用的一種新型裝備，包括以下幾種。

3.1 可控飽和電抗器

裝置的主要作用是降低電能損失，在電力輸送的各個環節得到了廣泛的應用。可控飽和電抗器的“飽和”是指電力的飽和，在實際的輸電線路調節過程中，通常會根據電網的飽和程度輸送功率，以避免因電網飽和導致的電能輸送增大，從而降低電能損失。可控飽和電抗器在實際應用中可以控制電能傳輸，應用效果很好，但是存在噪聲，必須對進行降噪，以提高其實用價值。

3.2 真空斷路投切電容器

在電網中，可通過真空斷路投切電容器進行智能監控，從而使相關工作人員及時掌握電網的電力運輸情況，一旦出現故障，真空斷路器會自動響應，切斷線路，保證電網的供電不會出現任何損失。真空斷路投切電容器的成本低，操作簡單，是實現無功補償技術智能化的重要裝置。但在實際應用中，一旦發現有問題，就會立即斷開線路，從而造成用電裝置受到很大壓力，導致用電裝置的損壞和電能的損失。

3.3 有源濾波器

在電網中一般會出現負極電流，負極電流會對電網和供電設備造成很大影響，為了確保電網的安全，必須采用有源濾波器。但由于其造價昂貴，安裝過程也比較煩瑣，有源濾波器一般用于干線。在使用有源濾波器前，必須對電網進行詳細的研究，以保證其滿足電網的要求。

3.4 固定濾波器

固定濾波器的主要作用是通過調整電壓減少功率損耗，在使用固定濾波器時，要在電路中安裝整個濾波器，以實現對線路的無功補償。

4 智能無功補償技術在電力自動化中的應用措施

4.1 合理設計無功補償系統結構

無功補償是電力自動化領域的一個重要組成部分，為了保障電網的安全，減少電網的能源消耗，必須對其進行合理的結構設計，以促進其充分發揮作用。

4.2 合理選取智能無功補償技術

合理選用智能無功補償技術是確保其真正發揮作用的基礎。在選用無功補償技術時，要結合電廠的實際工作狀況合理選用智能無功補償技術。在實行集中補償和分散補償的同時，以分散補償為主要內容；將調整和固定補償相結合，以固定補償為主；將高壓和低壓補償相組合，以低壓補償為主。

（1）分散補償。在進行分散補償時，主要采用電容裝置實現對電力設備的無功補償，而電容器通過轉換充電、放電狀態對電網進行補償。實際上，分散補償的使用費用較高，對電容的要求也較高，因此目前國內還沒有大規模應用。

（2）固定補償。固定補償是一種不考慮線路的補償，具有很高的穩定性。但是，如果補償的數量太少，會造成補償的不穩定；如果補償的數量太多，會造成補償資源浪費，而且很容易造成電器設備的故障。可見，合理地控制固定補償量非常重要。總體上，對補償量的控制主要通過適當調整功率比來實現，隨著功率比的改變，補償量發生變化。

（3）低壓補償。這一補償技術是通過降低輸電線路的損耗實現對電網的無功補償，既節省了運行費用，又簡化了運行流程。而且由于低壓補償產生的電流很小，對電器的運行安全起到了很好的保障作用。

4.3 合理選取智能無功補償投切開關

真空斷路投切電容器是影響電網整體安全的重要因素，因為其在合閘時會產生很高的電壓，造成電力設備的損壞。目前，可用于真空斷路投切電容器的智能無功補償投切開關有固態繼電器、智能集成開關和電容開關三類。其中，智能集成開關一般采用低壓真空技術和水磁場技術，造價低廉，但工作效率低；電容開關的工作效率高，可以和固態繼電器一起使用。

4.4 合理選取智能無功補償控制器

智能無功補償控制功能比較復雜，而且各功能特性也不相同。要使無功補償更好地發揮功能，就必須選擇合適的智能無功補償控制器。智能無功補償控制器直接影響自動裝置的運行效率，并對其運行的安全性、穩定性和可靠性產生一定的影響。智能無功補償控制器的作用是調整電網的無功補償，要確保智能無功補償控制器的穩定運行，必須選用具有保護機制的控制器。

總體來說，智能無功補償控制器的應用功能較強，但操作難度較大，而且在使用時經常發生振動，使其使用范圍不斷縮小；智能無功補償控制器的使用費用低廉，但使用壽命很短，必須定期對其進行檢修和更換，以確保其控制效果。

目前，智能無功補償控制器的研究主要集中在智能無功控制和智能無功因數控制兩個方面。同時，智能無功補償控制器還具有監測功能，內置的感應器可以監視智能控制器，一旦發現傳感器發送的運行數據有異常，可以及時對其進行檢修。

4.5 加強對智能無功補償的控制

在電力自動化領域，利用微機進行無功補償是一項非常有效的技術手段。目前，電力系統的自動控制系統一般都采用微機系統，通過自動采集系統自動收集電網的電壓、電流、有功、無功等數據，并采用智能無功補償技術作為控制管理的一部分，根據投切開關的數量、有功功率的大小，結合自動選擇及功率系統的選擇確保無功補償的準確度，使系統的運行能量消耗達到最小。只有如此，電力系統的自動化系統才能發揮出最大的作用。

4.6 進行壓降補償

在發電機輸送電能時，必須在電網的外部設置電流變壓器和單相整流橋。在電網輸送電能時，通過變壓器及電壓整流橋可以將通過的電流轉換成直流電，通過發電機的直接反饋信號，可以使發電機輸出端的電壓下降，從而提高發電機輸出端的電壓。通過調整電位器，對發電機進行壓力降的補償，使得電纜端的電壓基本保持在額定值，提高了補償的效率，促進了發電機的正常運轉。

5 結束語

綜上所述，隨著科技水平的不斷提高，電力系統的運行損耗將越來越少。有關部門要充分利用已有的裝備優勢，建設高質量的電網系統，以持續提高我國的電力供應水平。文章對電力自動化中智能無功補償及其應用現狀進行分析，并對其應用策略進行了說明，以期為我國智能無功補償技術在電力自動化中的應用提供參考。