新型无功补偿装置在10 kV配电系统中的应用

范国斌

(山西临汾热电有限公司，山西 临汾 041000)

0 引 言

配电网络是电力系统的重要组成部分，只有配电网络的电能质量合格，才能托起整个电力系统的安全、经济、高效供电。我国电力建设存在重输电轻配电、重有功轻无功的思想，导致我国配电系统发展较为缓慢[1-3]。现今，10 kV配电网络输电距离较远，负荷波动大，网络结构单一，配电可靠性差，线路功率损耗严重，功率利用率低，配电网络长期在缺乏无功功率的工况下服役[4-5]。尽管10 kV变电所的无功补偿装置进行了集中补偿，但是无法控制母线电压及线损，在10 kV线路中投入无功补偿装置可以有效地对无功功率进行补偿，对线路进行稳压，实现无功功率的分层分布补偿[6-8]。

现在，在役的10 kV配电系统无功补偿装置大多是静态补偿。文献[9]提出的补偿方式可以提高功率因素，但是主机数据处理能力不高。文献[10]将补偿装置设置在室外配电箱中，结构简单，采用电压和无功控制，但是只用了一组电容器，在负荷波动较快时无功补偿能力不足。文献[11]采用智能控制器，几乎能将功率因素提高到100%，也能满足10 kV配电系统负荷波动时对无功的需求，但是2/3的补偿位置安装方式不够合理。

在此背景下，结合10 kV配电系统的特点，一套基于DSP(Digical Signal Processor)的10 kV线路无功补偿装置，对系统进行动态充足的无功补偿，且投资少，紧急效益显著，在10 kV配电网络中有很大的运用价值。

1 基于DSP的新型无功补偿装置

10 kV配电系统中的无功功率有容性无功和感性无功两种。容性无功指电压相位超前电流相位，感性无功指电流相位超前电压相位，无功在系统中用来实现功率的变换，有功功率是系统中真实消耗的功率，如果系统内无功功率不足，系统电压就会下降，所以配电系统中无功补偿装置必不可少[12-13]。

1.1 新型无功补偿装置的原理

新型无功补偿装置是综合现阶段各种无功补偿装置的优点来设计配置的，主要设备由电容器组、开关、避雷器等设备组成，其与传统补偿装置不同点在于该装置采用2套电容组，电容器组采用并联、星型布线，用10 kV交流接触器进行投退，控制器采用TMS3206713B DSP为主控芯片，能很好地改善线路电压质量。该装置集中在屋外集装箱内，结构简单，安装便捷。新型无功补偿装置的结构如图1所示。

图1 新型无功补偿装置结构图Fig.1 Structure of the new-type reactive power compensator

1.2 新型无功补偿装置硬件结构

10 kV配电系统无功补偿装置的自调器通过TV、TA对系统电压、电流进行实时采集，采集的信号经隔离变送模块将电压、电流信号转换成小电流、小电压信号并传输到隔离式数模转换器，然后输入DSP芯片TMS3206713B的数模转换通道完成采样，DSP经过计算生产电容器的投退指令，TMS3206713B输出信号进行光耦隔离将指令传送给电容器投退驱动元件。10 kV无功补偿装置控制器硬件结构如图2所示。

图2 10 kV配电系统无功补偿装置硬件结构Fig.2 Hardware structure of reactive power compensatorin 10 kV distribution system

核心部件：采用TMS3206713B型DSP，这款芯片采用CMOS技术，具有数据处理能力强、I/O和外设接口多的特点，同时具有16个串行外设接口SPI，可用于外接键盘、显示屏，其强大的计算能力能稳定地进行数据实时测量分析。

无线通信：采用GPRS移动信号技术，GSM网络作为传输介质，具有传输速度快、实时性高的特点，通过GPRS系统可实现远控，利用GPRS公网平台，只用将设备安装，不用另行布线。GPRS数据传输模块自动登录移动公司数据网获取IP地址，分别注册到域名服务器，域名服务器再分别交换GPRS传输模块的IP地址，以后数据传输模块之间通过TCP/IP协议创建数据连接进入数据传输模式。

1.3 电容器组的投退控制

传统的无功补偿装置电容器组的投退控制方式常采用按电压控制、按功率因素控制、按无功功率控制3种[14]。

按功率因素控制方式，线路的有功发生变化时，功率因素的变化无法反映无功的变化，线路负荷波动较大时，投切会产生很大的电压振荡。按电压控制时，线路电压的变化无法反映有功的变化，且在临界区也会产生功率振荡。按无功控制方式，无功功率在临界值时电容器组投退频繁，很容易造成投切振荡和烧坏电容器。此文采用的基于DSP的新型无功补偿装置为双电容组，传统单一的控制方式无法满足防振荡要求，需寻找新的投退控制方式。

传统的九区图控制技术在上下限区域投退容易造成振荡，文献[15]对传统的九区图进行了优化，但无功关联、控制准确性不足。本装置对传统的九区图进行了优化，采用按电压和无功相结合的控制手段，改进后的九区图如图3所示。

图3 改进后的按电压及无功控制九区图Fig.3 Improved nine region plotcontrolled by voltage and reactive power

△U是预设的“投退影响”定值，△Q是预设电容器额定容量，Q上限1

1.4 控制软件系统

控制器采用集成模块化设计，无功功率在设定范围内，电容器不投入，超过设定范围投入，且按照“先投先退、先退先投”的原则，使各电容器使用时长基本一致，保障电容器使用寿命。控制逻辑框图如图4所示。

图4 控制逻辑框图Fig.4 Block diagram of control logic

2 运用效果分析

新型无功补偿装置在10 kV配电线路上试运，运行期间装置整体工况良好，线路电压、电流、有功、无功采集灵敏，信号传输舒畅，电容器组投退准确迅速。图5、图6分别为新型无功补偿装置投入前后采集的日功率因素变化曲线，图7、图8分别是新型无功补偿装置投入前后采集的线路日电压变化曲线。

图5 投装置前线路日功率因素Fig.5 Daily power factor of the line before putting the compensator into operation

图6 投装置后线路日功率因素Fig.6 Daily power factor of the line after putting the compensator into operation

图7 投装置前线路日电压Fig.7 Daily voltage of the line before putting the compensator into operation

图8 投装置后线路日电压Fig.8 Daily voltage of the line after putting the compensator into operation

从图5、图6中可以看出：在未投入新型无功补偿装置前，10 kV线路功率因素整体偏低，线路功率因素多数时间小于0.96，最低时达0.84，线路损耗很大；新型无功补偿装置投入后，线路整天的功率因素都未低于0.96，相对投入前，功率因素提高明显，减小了系统无功输出，增加了输电能力。

从图7、图8中可以看出，在未投入新型无功补偿装置前，10 kV配电线路电压水平整体较低；在投入装置后线路电压在10.1～10.6 kV之间，大大提高了电压质量，在线路末端电压也能达到10 kV，确保了供电质量。

新型无功补偿装置投入后，同比降低了线路功率损耗率2.12%。一个用电量处于中等水平的地方10kV配电系统假设年售电量5亿kW·h，每度电按0.472 5元计算，则增加效益：5×109×0.472 5×2.12%=500.85万元。

3 结 语

介绍了一种新型无功补偿装置，在10 kV配电系统中节能降耗效益显著，能实现10 kV配电网无功分层就地平衡，提高配电系统功率因素，特别是能克服公用变压器低压侧缺少无功补偿的短板，使线路尾端的电压水平也能满足要求，解决了电网末端电能质量低的难题。装置对系统无功、电压实时动态控制，提高了配电系统自动化水平，特别是在农村长距离配电线路中的经济效益明显。