基于10 kV线路无功补偿系统研究

付杰++周颖++胡晓光

摘要：为提高10 kV线路补偿系统的补偿效果，根据农村10 kV配电线路的特点，在确定线路补偿布点和容量配置后制定补偿投切策略，从整体和局部两个方面确定无功缺口并进行补偿，为10 kV线路无功补偿提供便捷、低成本的补偿思路。

关键词：无功补偿；10 kV线路；集中补偿；供电质量

中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）05-0031-03

1 无功补偿技术研究进展

1.1 我国10 kV电网无功补偿现状

农村区域占我国总面积的大半部分，这些地区的10 kV配电线路特点明显、供电范围广、随季节更迭用电负荷变化大，是自动投切线路分散无功补偿装置的重点应用领域。这类补偿系统应达到以下2个指标：1）分析配线上的无功不足区域并及时投入补偿电容，使无功消耗和无功电源形成平衡，同时避免对整条线路过补偿；2）无需专业人员手动投入和切除，自行判定是否投切。

线路无功补偿系统能够提高功率因数、降低线损，与缩短配电线路长度有异曲同工的效果，可大大增强电网输送电能的能力，给供电部门、发电企业带来可观的经济效益，且可提高整个电网的电能质量，保证大到工厂小到千家万户的用电可靠性。国家电力部门一直重视无功补偿的作用并开展实施应用，比较容易集中安设的是变电站高压补偿、380 V配电所低压端补偿和用电单位随机补偿，但分散补偿的10 kV线路补偿距离远、范围大，实际挂网运行较少。

1.2 无功补偿的重要意义

随着变频器、逆变器、变压器、发电机、异步电动机、电焊机、电弧炉、中频炉等装置在电力系统中的广泛应用，电力电子设备已成为谐波的主要来源之一。设备产生额外的谐波损耗，致使用电设备吸收、消耗大量无功功率，导致供配电设备及用电设备效率受到严重影响，电力系统功率因数持续偏低。

配电网中的变电、送电、用电环节的功率因数与电网功率电能损耗直接挂钩，并决定供电线路电压损失和电压波动的严重程度，涉及节约电能和供电区域电能质量。要保证电力系统经济高效运行，必须采用从集中到分散的各种无功补偿手段来提高功率因数。

2 10 kV线路无功补偿方式

2.1 10 kV线路补偿系统的设计原则

1） 分散补偿要有的放矢，一条配电线路上最多采用2～3点补偿。

2） 补偿策略高效不繁琐，动态补偿点电容器的分组不能多。

3） 正确选择补偿容量。线路轻载时，如果最小补偿容量过大，会造成过补偿，增加线损。安装空间局限在立杆上，在保证达到无功优化的基础上，安装电容越少越利于设备运行维护。

4） 选择简单有效的保护措施。过流保护可以用熔断丝连接。氧化锌避雷器可以避免高电压损坏补偿装置。

5） 通过串联电抗器等措施抑制补偿装置投切产生的谐波。

10 kV线路无功补偿对于供电范围广、功率因数低的线路尤为适用，不仅投入成本不高，而且补偿经济效益提升快。由此看来，克服传统线路补偿不能灵活适应负荷波动的缺点，使电力部门既不用担心线路过补偿，又可以在线路负载较重时让功率因数提升接近于1，是线路分散补偿系统研究设计的目标。

2.2 10 kV线路补偿系统的实施策略

1） 选用并联电容器作为线路补偿设备，采用动态投切和静态固定电容组相结合的补偿方式，在负荷平稳区域采用静态补偿，在负荷波动大区域采用动态补偿。

2） 确定补偿点的位置和电容容量，对线路负荷分布平均和分布不均两种情况加以讨论。线路负荷均匀采用经验布点方式，分布不均采用整体经验布点和局部节点遍历潮流择优方式。

3） 制定整体局部兼顾的补偿投切策略，以线路端无功功率、功率因数和补偿点实时电压为双重判据，达到更细腻准确的线路无功优化效果。

3 10 kV线路补偿终端硬件设计

远控线路补偿装置主要构成为：MCU及外围电路、电源模块、数据采集模块、投切控制模块、数据存储模块、PLC通信模块、GPRS通信模块、显示屏键盘人机交互模块等。模块化设计不仅有利于扩大设备生产规模、方便维护，还可根据现场移动网络信号的可靠程度灵活选择主从通信补偿点，在信号最佳点加装GPRS模块，作为所在线路与上位机互通数据的主补偿点（其他从补偿点传输信息的枢纽）。线路补偿系统模型中A点的补偿终端硬件结构如图1所示。

针对10 kV线路无功补偿系统要达到的目的，对补偿终端进行关键功能设计，系统终端设计方案如下：

1） 补偿终端采集10 kV线路在补偿点的三相电压作为调度总站投切判据，获取电压值的准确性和实时性至关重要。

2） 开关状态量的获取和赋值。获取部分包括采集分组电容投切开关状态、与上位机通信状态、保护启动與否等主要关键指标。赋值部分包含控制电容开关的投切达到无功优化，以及保护继电器动作，起到保护补偿装置的作用。

3） 与上位机进行通信。通过最适通信方式与调度中心的上位机建立连接，并传送补偿点采集的电力数据、投切开关量及重要状态量予上位机，调度站根据需要将动作指令下传给补偿终端下位机。

4） RTC功能。补偿终端记录分组电容投切动作及各种事件发生的精确时间，需要时钟芯片或MCU内置RTC模块来实现。

4 10 kV线路补偿终端软件设计

4.1 程序流程

A点补偿终端在系统初始化后，根据用户设置的时间定时采集A点电压和投切状态，并通过PLC通信请求B点采集数据，然后将A，B补偿点的数据打包发送给调度上位机。同时，A点随时通过GPRS网络接收调度站投切指令，并分析识别指令发送对象。如果是A点则直接执行投切，如果是B点则通过PLC信道转发。程序总流程见图2。

4.2 补偿终端可靠性设计

4.2.1 补偿终端斷电保护 1） 投切开关部分。采用电保持式真空接触器执行投切，补偿终端经过光耦隔离将投切信号传递给开关驱动电路继电器。除基本技术参数达到国电相关标准外，补偿设备必备的保护功能是随断电自行跳闸。若补偿终端不具备此功能，一旦配网断电时正在补偿，已投电容组在恢复供电后会直接并网，造成设备损坏的严重后果。

2） 控制器部分。为防止线路停电导致补偿终端丢失运行数据，系统用外置存储芯片记录一周内的投切、保护等事件，并在断电时连接终端内置电池拷贝未处理的指令和数据。恢复供电后，MCU依次检测各硬件模块的状态，若无异常，重新启动远程自动投切程序。与时同时，通过软件设置延时等待电容切除后泄放电荷，并暂时关闭并网使能，防止反复投切振荡损伤电容器。

4.2.2 开关启动电压保护 从线路上挂接的PT可以感应出：100 V交流电一方面采集电压，一方面经变送调理后作为芯片及各种外设电源，并为投切电容执行开关供电。供电电压既不能过高也不能过低：如果过电压使用，电容组会减少无功电源的使用年限；如果欠电压使用，则会导致真空开关无法执行投切动作，对器件造成损害。因此，终端MCU设置高低两个电压保护阈值，一旦开关启动电压超过保护上下限，便在开关失效前优先执行切除所有电容命令，关闭开关量输入进行保护，并监测电压是否回到正常运行范围，允许标志置1后再根据补偿策略执行投切电容指令。

5 结语

在电网提倡降损节能、分级补偿、就地平衡的大环境下，集中补偿成为各地变电站主要的补偿无功方式，但10 kV线路上的无功缺口却无法处理。为进一步优化无功、降低线损，线路无功补偿势在必行。基于10 kV线路的无功补偿系统设计可靠，具有重要的现实意义，为无功补偿的实施提供新思路。

在分析确定线路补偿布点和容量配置后制定补偿投切策略。调度主机通过测量线路首端的无功功率和功率因数，结合补偿点电压发送投切指令，把整条10 kV线路看作一个电气设备进行补偿，充分发挥补偿电容总分组数多的优点，提高功率因数补偿方案的精度。同时，避免以往功率因数型补偿装置加装电流互感器的麻烦，方便施工维护，降低成本。

参考文献

[1] 常霞，马建伟.2011.基于STM32的列车空气动力学数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2011（4）：45-48.

[2] 黄欣.2004. 基于10 kV配电线路无功补偿应用研究[J].硅谷，2015（4）：51-51.

[3] 王玉玺. 10 kV线路自动无功补偿技术探讨[J].河北企业，2014（11）：93-93.

[4] 李广宇，周和平.10 kV配电变压器低压侧无功补偿方式探讨[J].电器与能效管理技术，2014（6）：50-53.

[5] 宓天洲，李志，毛航银. 10 kV配电网无功补偿的仿真优化方法研究[J].浙江电力，2014（5）：17-21.

[6] 朱岩，刘晓伟.10 kV配电网无功补偿理论研究.浙江电力[J].农业科技与装备，2013（12）：41-42.