基于无功补偿方式排灌泵站电力系统设计分析

彭伟钦

(惠东县机电排灌总站，广东 惠东 516300)

目前，国内水资源具备存储量丰富、清洁、开发程度高和电力运行经济成本低等优势，使其不仅成为经济可靠的再生清洁资源，而且在水利水电技术开发中极为关键[1-2]。与传统的水利设施配电系统组成进行比较，可以发现，现阶段的水利工程配电系统通常采用无功补偿方式优化供电系统。无功补偿作为优化配电系统功率因数的重要设备，可以最大限度的优化水利工程的输出电能质量，提升供配电系统的电力传输性能、稳定性能和经济效益。

叶辉良在《水-风-光微电网调压模式与有功无功协同优化方法》一文指出，水电站等水利工程内安装无功补偿需要面对三类问题：①难以在水利电力系统中确定无功补偿的位置；②电力系统电压、电流设备如何优化调节；③电源、功率负荷如何无功补偿等[3]。其中，在电源、电力负荷补偿中，需率先进行电力系统优化调节，进而实现电源电压、电力功率传输过程中的稳定性。在此基础上，开展水利电力系统无功补偿方式有助于提升电网运行质量安全，改善水利电压质量，提高电力系统运行的稳定性和效率[4-5]。

本文通过无功补偿方式优化控制水利排灌泵站电力系统，首先，针对设计方案原则和补偿方式进行对比分析；其次，深入分析、水利水电体系无功补偿计算方式、软/硬件设计和优化策略，最终，得出无功补偿在排灌泵站电力系统中的控制模式和保护体系，以期通过本文对水利水电无功补偿方式的科学分析，为相似水利设施优化调节提供科学指导。

1 排灌泵站电力系统无功补偿设计方案及对比

1.1 电力系统无功补偿方案设计原则

目前，排灌泵站是水利电力系统中水资源调节管理的关键设施措施之一，且由于：①当水利电力系统负荷无功功率增大，有功功率保持不变时，传输电压压差明显，电容量增大；②电力系统无功不均衡时，易导致电力系统发生故障。为此，合理地采取无功补偿方式降低排灌泵站电流、电压功率和经济成本对水资源管理调控有重要意义，本文无功补偿设计结果如图1所示。通过图1可知，电力系统在无功补偿优化过程中，主要设备为电流、电压互感器、无功补偿控制器、触发单元、负荷、开关等。同时，在无功补偿优化设计过程中遵循以下3点原则：①当水利排灌泵站有功率不变，负载功率降低时，采用无功功率就地平衡方式降低电力系统电容上升，电压落差的问题，并依据电流、电压负荷值进行无功补偿设备优化；②无功功率增大时，为平衡电力系统功率，及时优化消减无功补偿设备，保证电力系统功率参数指标在稳定、健康的范围中运行。

图1 水利水电无功补偿方式总体结构示意图

1.2 无功补偿方案的确定

由于排灌站的负荷随季节不同而变化，使用动态无功补偿装置来改善电能质量，提高功率因数。而无功补偿具体分为四种方式：集中补偿、分组补偿、随变压器补偿、随电机补偿，在本项目中为了提升系统的功率因数，降低电能消耗，选择分组自动投切进行无功补偿。

设计无功补偿方案时，首先需要确定补偿容量，然后根据排灌站安装无功补偿的目的是稳定电能质量，降低功率因数，来设计无功补偿参数。

系统需要施加无功补偿的量用QC表示：

(1)

也就是

(2)

式中：cosφ1和cosφ2分别为补偿前后的系统功率因数；QC表示系统需要补偿的系统无功容量，kVar；PAV表示系统最大有功功率，kW；QAV表示系统最大无功功率，kVar。

1.3 传统无功补偿与适应性无功补偿指标对比

表1具体给出了水利水电体系中补偿前、传统补偿方式和无功补偿方式功率损耗、电压合格率等指标。通过表1可知，相较前两者，无功补偿各指标均为最优，其中电压合格率高达100%，功率损耗为0.1 MW，三者最低，表明无功电压、电流、电容、功率补偿后，能实现电力系统均衡、高质量发展。目前，传统水电体系补偿方式主要通过电力系统变电站首端辐射流向各节点，其缺点为，随着传输距离的增加，电压和电流值均降低，若低电压在排水泵站存储量丰富或贫乏区域工作，极可能发生倒流、停用或者网损的现象[6]。而相比较传统方式，无功补偿方式通过对传输无功功率、电压、电流形成互助关系，将电压、电流等长距离输出稳定建立在无功补偿优化调整的基础上，即当排灌泵站传输电压出现降低或偏移时，通过对不同节点无功功率、电压、电流等补偿优化，实现高水量区域高压分配，低水量区域适压分配，达到既降低经济成本，又提升高质量输电工作效率的目标。

表1 传统补偿方式和适应性补偿指标对比

2 电力系统无功补偿工作原理

2.1 无功补偿方案设计

本文为实现水利排灌泵站配电网络全局稳定的目标，提出最适无功补偿计算模型，通过计算分析配电网中节点位置、传输电压、电容等参数指标，提升排灌泵站配电网的电压、电流稳定性。其中配电系统中电压同无功功率间的关系如下：

电源电压U1与节点电压U2的关系可用两者间线路阻抗R和X，以及传递有功P2和无功Q2标识如式(3)所示：

(3)

当传输功率阻抗明显时，本文通过进行无功补偿优化调整，实现电压和无功功率的均衡，见式(4)所示：

(4)

2.2 电力系统无功补偿装置软/硬件设计

2.2.1 功能需求

采用无功补偿装置后，可实现自动投切，且将数据和动作记录下来。主要功能需求如下：

1)获取电网的电压、母线电流等参数，并进行采集处理，在系统后台计算后输出电能质量参数；

2)实现电容器组数自动投切，稳定电能输出质量；

3)电网参数采集计算后显示并记录；

4)无功补偿装置模块化动作记录、状态显示；

5)实现完善的系统保护功能，如掉电保护、过流保护、欠压过压保护、电容超温保护等。

2.2.2 硬件设计方案

为实现无功补偿装置的自动投切，并实现对无功补偿装置的监控，需要在当前水利配电体系中安装无功补偿控制系统，其主要硬件措施有以下几部分所构成：①控制装置；②电源；③信号采集调理器；④时钟模块；⑤监测控制装置；⑥系统驱动装置。其中，控制装置主要优化补偿排灌泵站配电系统电压、电流、无功功率等，控制系统的安全运行；电源装置负责不同分级的工作电压；时钟模块维持配电系统的时序稳定[7]；监测控制装置及时报警配电体系不均衡现象，进而进行无功补偿，实现调节无功的目的。

技术路径为：通过信号采集调理器采集到电力系统的运行状态参数，如供电侧电压、负载侧电压、负载电流有功分量、负载电流无功分量等系列内容，然后对采集到的信号进行处理，计算出系统需要进行无功补偿的容量及导纳值，进而得出投切的命令、投切的逻辑、投切的组数及触发角。

2.2.3 软件设计方案

排灌泵站配电体系无功补偿控制硬件设施设计完成后，针对软件控制、仿真调试等操作过程进行设计分析，以实现电力系统无功补偿目的。其中，软件设计中形成以软件编程，连接、仿真调试、无功补偿优化为一体化的无功补偿方式，通过智能化C++语言或R语言优化器和集成的软件开发环境，即CCS进行排灌泵站配电体系无功补偿软件编程，一方面实现协同远距离监控报警和优化调节服务，另一方面降低传统方式人力资源和电流、电压资源的浪费[7]。

无功补偿后台软件主要分三大部分，第一是采集传感部分，需要采集电网、用户侧及无功补偿装置自身的状态信息，第二是通过内置的无功补偿策略自动选择补偿方式，也可以手动选择，第三是实现无功补偿的自动投切和补偿效果对比。

2.3 无功补偿自动投切设计策略

当前，水利排灌泵站受到其流量和配电系统电压双重限制，降低了其工作效率和安全性，而无功补偿优化设计即在实现电压质量和均衡性的前提下，提高水流量增益效率[8]。在无功补偿设计中，其补偿设备布局和配置容量极为关键，不仅影响无功电力平衡和无功优化补偿，而且有助于电网稳定性和电压、电流质量提升。在我国排灌泵站电力系统设计中，基于无功补偿的优化设计措施相对较少，因此，造成排灌泵站在工作过程中网损严重，经济成本过高，因此，优化设计方案中通过构建无功补偿优化数学模型进行调节。当以排灌泵站水量为目标函数时，在其满足运行条件约束前提下，靠改变电网的电压、无功分布来降低系统有功网损。其调节优化模型如式(5)所示：

(5)

式中：f(x)min表示目标函数；g(x)=0表示节点平衡方程式；h(x)min≤h(x)≤h(x)max为约束边界条件。

通过多目标函数进行排灌泵站电力系统多目标的无功补偿优化设计。

在约束条件的基础上，根据排灌泵站运行高压高水量，低压停用的运行特征，选取最优网损进一步优化目标函数，实现排灌泵站电力系统有功和无功补偿均衡的约束条件，如式(6)所示：

其约束条件为

(6)

式中：n表示网络总支路数；Ui、Uj分别为节点i、j的电压；δi、δj分别为节点i、j的相角。

其约束条件表明，电压在不同节点传输过程中，若传输通量充沛时，其排灌泵站水量经济效益补偿达标，若传输不充沛时，进行无功补偿，实现水量经济目标。约束目标函数时进行各种无功电压优化控制的基础。

3 排灌泵站配电系统无功补偿控制系统设计方案

3.1 系统功能设计

在排灌泵站电力系统中，无功补偿在系统功能设计中具备实时数据采集、节点装置控制、安全保护、数据记载、人机交互等诸多功能。在装置控制功能中，能按照无功补偿设置要求，有效保护水量、电压量稳定，实现两者均衡发展；人机交互功能，有效实现了监控、报警、开关控制于一体的电压、电容、水量等无功补偿[9]。

3.2 无功补偿设施控制模式设计

图2为本文电力系统无功控制模式设计流程。通过图2可知，无功补偿控制程序是控制模式的核心点，其控制包括启动、电压电流信息采集、SPLL系统电压控制，人机互助控制指令，无功电流检测和PWM波输出过程。首先，本文排灌泵站电力系统以额定电压为基础，进行节点电压无功补偿，同时对电压进行锁相得到系统的频率与相位，再采集电流进行瞬时无功计算。其次，SPLL系统电压锁程序采集电压、电流信息，经过调理、AD转化后，通过瞬时功率得到排灌泵站电力系统中电压相为和频率。最终，再将电压、电流进行矢量转化，反馈至电力系统无功补偿体系中，经过与给定矢量值平衡分析后，通过均衡调理实现排灌泵站水资源的合理使用。

图2 电力系统无功控制系统程序流程图

3.3 无功补偿装置保护功能设计

排灌泵站在运行过程中，其电力系统无功保护设计是消除安全隐患的重要环节。首先进行电力系统PT断线无功保护，通过对各节点无功功率进行判断，以降低最大误差出现，当判断电压过高或设备停机时，及时优化补偿，修复故障。相比较PT断线无功保护主要针对电流检测判定，当发现系统最大不均衡电流值时，依据水泵站工作现状进行补偿调整(可选取0.1倍系统额定电流)。同时在电流无功补偿中，设计负载装置保护设计，当判定电流位处1.1×额定电流与1.2×额定电流间，证明电流负载装置过载，需进行无功补偿调整，具体通过装置控制器传输报警信号、检测故障发生位置，进而进行电压无功补偿调整[10]，及时修正出现电压不稳与排灌泵站工作效益不匹配的现象，以此，提高电网功率因数和供电效率，改善排灌泵站电力系统供电环境。

3.4 无功补偿效果验证

本文选择在惠东县机电排灌总站进行无功补偿效果验证。根据泵站管理规定，多台泵组合运行，未安装无功补偿装置前，输出电网的功率因数在0.83～0.87之间，配备静态无功补偿后，输出电网的功率因数提升至0.91～0.95之间，功率因数的提升，优化了电力供应和电网质量。

根据国家电网的收费标准，当功率因数低于0.85时，会根据功率因数的高低进行电费调整，具体见表2。

表2 功率因数调整电费表

根据表2可以看出，本排灌总站在安装无功补偿装置后，大幅度降低了泵站的电费支出，提高了电网质量，提高了泵站的经济效益[11]。所以，增加无功补偿装置是调整泵站电力质量的有力措施。

4 结 语

本文通过方案的设计和参数的比较，分析了系统功能、控制功能和保护功能，优化了水利排灌泵站电力体系的功率因数，并以此得到以下结论。

1)促进电力稳定。排灌泵站水电体系不采取无功补偿优化调试方式，不仅会轻易致使电压、传输功率稳定性不足，而且使排灌泵站出现水资源供应不足、倒流等安全隐患现象。

2)提升电能质量。合理的选取电力体系无功补偿装置，能有效提升电力系统电压质量安全，同时能最大限度降低网损。

3)增加经济效益。通过加装合理的无功补偿装置，使得滤波装置消耗掉了电网中的无功功率，提高了电网的功率因数，改善了电能质量，对于泵站本身的电能消耗将持续进行降低，提高泵站的经济效益。