配变及无功补偿装置在线监测管理系统研究

2010-04-27冯小明单铁铭

电气技术 2010年5期

冯小明尚可单铁铭

（1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；

2.北京电力公司昌平供电公司，北京 102200；3.北京电力公司房山供电公司，北京 102400）

1 引言

根据全国几大供电网络的统计，我国在农村供电线路上损失的电力平均为总输电功率的 10%，而欧美及发达国家在供电线路上的损失仅占总输电功率的3%，如果采取措施，把供电线路上的损耗降到5%，仅此一项，我国在农村电力传输网上的损耗每年可节约100多亿元。所以对农村供电进行无功补偿来降低线路损耗并提高供电质量，是贯彻国家加快建设节约型社会战略部置的具体措施之一[1]。随着农网三期改造的逐步完善，我国在农村电网中更换了大量的高能耗配变，按照配变容量的15%～30%安装了相应的低压无功补偿装置。但由于我国农村电网供电半径大，负荷分布广，传统的人工维护工作量大，农网的技术人员水平有限，造成大量的无功补偿装置由于缺乏管理和维护而无法投入运行[1]。

随着电力生产对农网线损管理、提高电能质量、保证供电的可靠性、安全性提出了新的要求。电力生产管理的科学化和电力需求侧管理(DSM)的智能化需求，要求对农网配变低压侧进行准确和科学的智能监控，掌握农网配变及无功补偿装置的实时运行状况并根据需求进行合理管理，改善电能质量，降低线损。为实现对农网中的公用配变、专用变、变电站出线以及其它电能采集点和设备监测点等设备的实时监测；了解用电设备的运行状态、谐波水平，为线损分析、负荷预测、电压合格率统计、供电可靠率、供电方案优化、配网规划、用户接电、电能质量治理等业务提供科学依据；提高配电网的经济、高效和安全运行的水平[2-4]。遵照相关标准、规程和要求，结合我国农村电网实际情况，借鉴国内外同类产品的优点，研究适合我国农村电网的“配变及无功补偿装置在线监测管理系统”（以下简称系统）。它是一种集配变监测、无功补偿控制、电能质量监测、电能计量、RTU（三遥）等功能于一体的系统。

2 系统组成

根据系统的数据流，将系统划分为四层。系统数据采集层，主要由安装在配变低压侧的配变综合监控管理终端，采集配变的运行数据，控制无功补偿装置自动投切，监测配变的电能质量，集中抄收台区用户的电能表，并对上述数据进行初步的统计、存储。

系统数据传输层主要由中国移动的GPRS无线网络组成。GPRS网络具有覆盖广、稳定、可靠、运行费用低等特点，特别适合农村电网监测点分散这一特征，是目前理想的数据传输通道。

系统的数据存储层和系统数据分析、展示层主要由安装在电力公司的数据前置机、数据库服务器和 WEB服务器以及相应的软件系统组成。主要采集和管理公用配变、居民用户表计；监测配变运行工况；自动控制电容器投切实现无功补偿，管理无功补偿设备；提供电能质量监测、分析、统计；为居民抄表数据提供数据转发通道，与营销等系统实现数据共享；可以进行配变负荷预测、台区线损分析；可以进行防窃电分析；可以作为供电企业规划设计、业扩报装、新用户接火、系统增容、变压器布点选择等等日常规划工作依据，进而从技术和管理的角度提高电网运行的经济性和安全性，全面提高供电企业的管理水平和服务质量。

系统的构成如图1所示。

图1 系统总体拓扑图

3 系统主要功能

系统主要实现配变运行数据采集，无功补偿数据采集，数据传输，控制电容器投切，数据分析，数据展示，系统参数设置，事件告警处理，时钟对时，报表查询统计，系统权限管理，无功补偿设备管理，数据召测以及WEB发布功能。

（1）配变运行数据采集

主要采集配变的运行数据：三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，配变负载率、配变损耗。

配变电能量数据：配变总有功、无功电量数据，尖峰、平、谷、有功无功电量，台区用户表电量数据。

配变电能质量数据：电压合格率，三相电压、电流谐波畸变率，三相电压、电流2～19次谐波含有率，三相电压、电流不平衡度，供电可靠率。

（2）无功补偿数据采集

主要采集电容器投切记录，记录电容器投切时间、投切前后电压和无功的情况；每组电容器日动作次数，总动作次数，每组电容器投运时间、投运率。

（3）数据传输

系统主站与现场装置通信实现参数设置、数据采集、远程遥控、远程程序更新；系统与营销系统交互台区电能表数据；系统与其它系统之间交互信息。

（4）数据分析、处理

曲线分析：提供配变历史曲线分析功能，显示配变日、月负荷，电量变化趋势曲线。电能质量变化趋势曲线。

计算、统计分析：统计分析出配变运行数据的日、月、年最大值最小值及出现时间。分析台区线损，线路线损；统计配变电压合格率和供电可靠率；统计配变功率因数合格率；统计并分析无功补偿装置的投运率、电容器投运率；统计无功补偿效益；统计并分析电容器是否失效。

事件告警：电压、电流越限告警，配变过载报警，配变缺相、停电、三相不平衡、谐波畸变超标等告警。

（5）系统应用功能

无功补偿装置集中管理功能：统一整定系统管理范围内的无功补偿装置的现场参数。

报表生成：能够自动生成配变日常管理所需的各种日、月、年报表。

需求侧管理和服务支持功能：负荷分析和预测、配变信息查询服务、执行有序用电方案、电能质量在线监测。

电力营销管理技术支持功能：远程抄表、电能表运行状况在线监测；负荷和电能量数据分类统计分析、线损分析；

4 工程应用分析

系统于2006年开始在某供电公司进行试点运行，历经一年的现场施工和系统开发、调试。于 2007年系统投入试运行，共接入13条线路120台公用配变和无功补偿装置。系统在以下几个方面发挥了作用。

（1）降低10kV线损

通过对120台配变监测仪和无功补偿控制器现场调试，发现了大量无功补偿装置由于接线错误、极性接反、相序错误而导致无功补偿无法投运，并纠正以上错误。按照无功就地平衡原则，重新设置了无功补偿控制的电压无功参数，保证了无功补偿装置正确按照无功需量来自动投切电容器组。系统根据采集到的电容器投切记录，无功限值，配变运行参数，自动判断每一台无功补偿装置是否正常运行，投切是否合理。根据每组电容器的投切次数和投运时间，合理安排了电容器和投切开关的检修维护时间，确保无功补偿设备的利用率。通过对电容器投切前后电压、无功功率的变化量，结合电容器的额定容量，系统自动判定电容器是否失效，并给出相应的数据报表，及时更换失效的电容器组。通过对120套无功补偿装置的在线监测管理，及时发现了60多组故障电容器组。

系统于2008年3月选取了一条10kV线路作为无功补偿前后线损率比较实验，线路总长 8.4km，公用配变25台，总容量为2600kVA，无功补偿装置20台，补偿容量为600kvar，专用变32台，总容量为4800kVA。通过系统下发无功补偿参数，停止了无功补偿控制器的自动投切，连续运行了一天，线路首端每天电量为45288kW·h，功率因数为 0.87。将无功补偿装置恢复成自动投切状态，选取了供电量相近的一天，线路首端电量为 45189kW·h，功率因数0.93，总计节约无功电量4785kvarh。根据每套无功补偿装置的无功补偿电量和配变到线路首端的等效电阻，计算得出由于无功补偿降低 10kV线路损耗约2490kW·h，按照0.45元/kW·h计算，每天节约电费1120元，一年将近节约40万元。

通过系统对无功补偿装置的管理和维护，提高无功补偿设备的利用率，可以降低10kV线路损耗。

（2）提高用户的电能质量和用电可靠性

系统采集了配变的运行参数，通过分析和处理每台配变的电压合格率，日电压曲线，结合每个台区低压供电半径并统计不同负荷水平下低压末端的电压合格率。系统计算出每台配变在不同负荷水平的分头位置，指导运行人员在负荷水平变化转换时期及时调整分头位置。提高了整个台区的供电电压合格率。

系统采集配变的三相电流和零序电流，计算出每天电流三相不平衡度曲线，并设定三相电流不平衡度限值，超过限值的配变，安排运行人员根据每相负载情况，调整三相负载，使三相电流不平衡尽量减少。目前限值整定在 45%，已调整了配变 40多台，调整后配变三相不平衡度降低，零序电流减少，提高了系统供电安全性，并减低了低压台区的线损。

系统根据实时监测到配变电流值，判断配变是否过载，当配变连续过载超过整定的时间，系统通过短信息和报警提示画面，向有关的运行人员发出告警。系统在 2008年夏季用电高峰时期，发现了10台配变60多次的过载情况。运行人员根据系统提供的配变历史负荷曲线，及时对其中6台配变进行了增容和转移负荷。提高了用户供电可靠性，也为配变增容和系统规划提供了有效的数据。系统统计每台配变的负载率，也发现了不少“大马拉小车”的配变。通过系统采集到的数据，避免了盲目增容。进一步提高配变经济运行，降低网损。

当前农村电网谐波污染源逐渐增多，农村电网负载变化较大，而且国内没有相应的政策来约束用电设备的谐波发射水平，造成农网谐波大幅上升。由于大部分无功补偿装置未考虑电容器投切引起的谐波放大现象，导致电容器受损严重，降低了网络的无功补偿水平。系统通过对配变谐波的监测，在无功补偿投切电容器时，增加了谐波约束条件。一方面提高了系统的稳定性，另一方面保护了无功补偿设备，避免谐波放大而影响其他用户。

（3）降低系统的建设和运营成本

为了提高农网的经营管理水平，及时收取电费，准确统计网损。国内经济发达的地区开展了台区集中抄表系统建设的试点，台区除了安装配变监测及无功补偿控制仪表以外，还需要安装载波集中器，台区三相多功能电能表，载波集中器与营销系统之间通过GPRS信道传输电能数据。为了降低台区建设成本，充分利用数据传输通道，系统在台区的配变监测及无功补偿控制仪表的基础上，将集中抄表和三相电能表计量功能集成到一台综合测控仪表当中，通过GPRS统一将配变监测，无功补偿，电能数据上传至供电公司的系统中。系统可以实现远程集中抄表，并将电能信息转发至营销管理系统；利用台区总表和用户表的电能数据，可以准确计算出台区线损。