配電網(wǎng)中低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化建模分析

張勁

(四川省電力公司自貢電業(yè)局，四川 自貢 643000)

目前狀況下，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展促使人們的用電量大大增加，與之相對(duì)應(yīng)的，電網(wǎng)的負(fù)荷也有著較大程度上的增加。這就給相關(guān)的供電企業(yè)提出了更為嚴(yán)格的要求。要求其對(duì)電能的質(zhì)量、電壓的質(zhì)量以及供電的可靠性進(jìn)行一定的保證。無功電源很好的做到了這一點(diǎn)，它不僅可以進(jìn)行對(duì)于電網(wǎng)電能質(zhì)量的保證，還在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電力網(wǎng)絡(luò)損耗的降低以及運(yùn)行安全性的提高。在相應(yīng)的電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，一旦發(fā)生了功率因數(shù)降低的情況，就會(huì)很容易導(dǎo)致相應(yīng)電器設(shè)備的利用程度不高。這樣一來，就造成了其網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的大幅下降，進(jìn)而致使損耗發(fā)生一定程度上的增加。不僅如此，如果情況較為嚴(yán)重，甚至還會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備造成較大程度上的損壞以及系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓的現(xiàn)象。所以，實(shí)現(xiàn)對(duì)于無功補(bǔ)償問題的有效解決，能夠給相應(yīng)的配電網(wǎng)絡(luò)帶來不小的便利，有助于其降低損耗、節(jié)約能源。

1 低壓無功補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)與原理

無功補(bǔ)償系統(tǒng)包含了多個(gè)組成部分，分別是控制器、補(bǔ)償單元、配電管理系統(tǒng)以及相應(yīng)的電源底座等。其原理主要如下圖所示：

首先需要進(jìn)行的是對(duì)于電壓以及電流的輸入，然后再將之轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的弱信號(hào)，并經(jīng)過CPU處理運(yùn)算進(jìn)行對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)基本參數(shù)的測(cè)算，測(cè)出其相應(yīng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)值。接著，將當(dāng)前狀態(tài)下的功率因數(shù)與所設(shè)定的功率因素的最大值與最小值進(jìn)行一定程度的比較，并由此將配電網(wǎng)絡(luò)之中的無功負(fù)荷計(jì)算出來。除此之外，還需要運(yùn)用邏輯學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行判斷，然后根據(jù)所判斷的結(jié)果進(jìn)行固態(tài)繼電器控制的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)電力電容器容量以及電力電容器的組數(shù)的投切。同時(shí)在這一過程之中，相應(yīng)的控制器會(huì)進(jìn)行對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況的監(jiān)測(cè)，并將所監(jiān)測(cè)的情況及時(shí)上傳到系統(tǒng)之中，相關(guān)的系統(tǒng)會(huì)根據(jù)之前所設(shè)定的參數(shù)來進(jìn)行對(duì)于物理量的有效處理，并通過一系列的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)于電力電容投切組合的改變，以此來保證配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定有效的運(yùn)行。

2.1 控制器

控制器是由多個(gè)部分組成的，主要部分是控制器主板、信號(hào)板以及顯示和控制信號(hào)面板，除此之外，還有一些小的部件：控制器電源、輸入輸出接口以及通訊接口等?？刂破涞闹靼逯饕捎玫氖枪I(yè)級(jí)80C196的單片機(jī)作為其主要核心，并依托于這一核心實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的一系列操作，主要是信號(hào)的變換、處理、運(yùn)算以及相應(yīng)的邏輯判斷。除此之外，它還通過控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于固態(tài)繼電器開關(guān)以及電容器投切的有效控制。而對(duì)于顯示和控制面板來說，其主要的功能就是實(shí)現(xiàn)所設(shè)定參數(shù)值、工作的狀態(tài)以及電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示。輸入接口的主要作用是進(jìn)行對(duì)于電壓以及相應(yīng)的電流信號(hào)的輸入，使之進(jìn)入到控制器之中，然后再通過CPU處理器實(shí)現(xiàn)各種處理操作。而輸出接口的主要作用是進(jìn)行控制信號(hào)的輸出。并利用RS232實(shí)現(xiàn)控制器與抄表機(jī)之間的相互通訊。

1.2 無功補(bǔ)償單元

相應(yīng)的補(bǔ)償單元主要是由兩部分組成的，分別是固態(tài)繼電器以及電力電容器。使用功率較大的固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)于投切的開、關(guān)，它存在兩個(gè)十分突出的特點(diǎn)，分別是過零投切以及不存在涌流沖擊的現(xiàn)象。而對(duì)于補(bǔ)償電容器來說，它主要是使用在式金屬膜電容之中，最大的特定就是擁有一定的自愈功能。依據(jù)所檢測(cè)出的無功負(fù)荷的大小來進(jìn)行對(duì)于電容器投切的控制。當(dāng)相應(yīng)的無功負(fù)荷量達(dá)到一定程度時(shí)，就可以將其全部投入到一級(jí)電容之中。與之相反的是，如果無功負(fù)荷不斷減少，并達(dá)到一定的程度時(shí)，就很據(jù)級(jí)別的由高到低的順序來進(jìn)行對(duì)于電容的切除，這樣一來，才能有效的實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，達(dá)到所期望的效果。同時(shí)，一般情況下進(jìn)行每次投切之時(shí)都會(huì)存在一定的延時(shí)以此來進(jìn)行投切過程穩(wěn)定的保證。

2 無功補(bǔ)償容量的確定

主要存在著兩種方法來確定相應(yīng)的補(bǔ)償容量，分別是依據(jù)提高功率因數(shù)的需要來進(jìn)行對(duì)于補(bǔ)償容量的確定以及依據(jù)有關(guān)規(guī)定和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行對(duì)于補(bǔ)償容量的確定，下面我們進(jìn)行分別闡述：

①依據(jù)提高功率因數(shù)的需要來進(jìn)行對(duì)于補(bǔ)償容量的確定。將相應(yīng)的補(bǔ)償容量按照如下的方法進(jìn)行計(jì)算：

描述：在這一式子中，cos1與cos2分別指的是補(bǔ)償前后的平均功率參數(shù)；而 α主要指的是年平均有功負(fù)荷系數(shù)，一般情況下，它的值保持在0.70到0.75之間；而β主要指的是年平均無功負(fù)荷系數(shù)，一般情況下，它的值保持在0.76到0.82之間。

②依據(jù)有關(guān)規(guī)定和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行對(duì)于補(bǔ)償容量的確定。相關(guān)部分做出了如下的規(guī)定：1O0kVA及其以上的配電變壓器應(yīng)該采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，并采取一定的就地補(bǔ)償與就地平衡機(jī)制。一般情況下，進(jìn)行對(duì)于配電變壓器的無功補(bǔ)償?shù)呐渲弥饕前凑掌淙萘康?5%到30%來實(shí)現(xiàn)。

3 無功補(bǔ)償與供電質(zhì)量

3.1 提高設(shè)備的利用率

功率因數(shù)還存在如下的一種形式：

描述：在這一式子中，U主要指的是線電壓（kv）；I主要指的是線電流（A）。

從上面的式子中，我們可以發(fā)現(xiàn)：保證一定程度上的電流與電壓穩(wěn)定的前提下，進(jìn)行對(duì)于cos的提高，可以促使其有功功率增大。所以，實(shí)現(xiàn)對(duì)于功率因數(shù)的改善，可以在很大程度上發(fā)揮相關(guān)設(shè)備的潛力，同時(shí)也在一定程度上提高了設(shè)備的利用效率。

3.2 減少電壓損失

配電網(wǎng)絡(luò)電壓損失計(jì)算公式為：

從這一式子中，可以發(fā)現(xiàn)：主要是由4個(gè)因素對(duì)U造成一定程度上的影響，分別是有功功率P、無功功率Q、電阻R以及相應(yīng)的電抗x。如果運(yùn)用電容xc來對(duì)電抗x進(jìn)行補(bǔ)償，那么相關(guān)配電網(wǎng)絡(luò)的電壓損失又可以寫為：

所以，運(yùn)用相應(yīng)的補(bǔ)償電容來進(jìn)行對(duì)于功率因素的提高之后，電壓損失就會(huì)發(fā)生一定程度上的減小。這樣一來，就對(duì)電壓的質(zhì)量起到一定的改善作用。

3.3 減小線路損耗

當(dāng)相應(yīng)的線路通過電流I時(shí)，有功損耗就為:

或者，

由此可見，相關(guān)線路的有功損失與cos2之間存在著一定的反比例關(guān)系。所以，線路有功損失 P隨著cos的變大而減小。

3.4 提高電網(wǎng)的傳輸能力

視在功率與有功功率之間存在著一定的關(guān)系，其關(guān)系主要通過以下式子表現(xiàn)：

從這一式子中，可以發(fā)現(xiàn)：視在功率與cos之間存在著反比例的關(guān)系，當(dāng)cos越高時(shí)，視在功率也就越小。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 供電部門的經(jīng)濟(jì)效益

如果一臺(tái)變壓器的容量為250kVA，那么在用電高峰時(shí)期，其功率因數(shù)就會(huì)達(dá)到0.70。而如果進(jìn)行增容，將原有的變壓器換為315kVA的變壓器，就需要花費(fèi)一筆資金，具體的費(fèi)用類型為增容費(fèi)、變壓器購置費(fèi)、材料費(fèi)以及施工費(fèi)，這顯然不是合理的方法。但是如果進(jìn)行對(duì)于功率因數(shù)的提高，將其提高至0.90，那么就可以將相應(yīng)的配變供電能力提升70kVA，這樣就節(jié)約了一筆資金。

4.2 工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定，如果企業(yè)的平均功率因數(shù)在0.95之下，需要進(jìn)行一定的罰款。但是如果把相應(yīng)的功率因數(shù)由原來的0.80提升到0.95以上，那么一年就可以節(jié)省下2到3萬元的調(diào)整電費(fèi)。

4.3 居民用戶的經(jīng)濟(jì)效益

一般情況下，電器的使用壽命主要受到三個(gè)因素的影響，分別是電器的本身性能、電器的自然損耗以及供電的質(zhì)量與電壓性質(zhì)。一項(xiàng)研究表明：白熾燈等家用電器的使用壽命在一定程度上受到電壓變化的影響。

在上面的式子中，我們可以發(fā)現(xiàn)：若能在一定程度上進(jìn)行對(duì)于電壓合格率的提高，只要將原來的95%提高到99%，就可以使得家用的電器使用壽命延長10個(gè)百分點(diǎn)。這樣一來，就帶來了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，配電網(wǎng)中低壓無功補(bǔ)償會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。我們進(jìn)行這一課題的研究，希望使得人們對(duì)于配電網(wǎng)中低壓無功補(bǔ)償有更深層次的了解，并在一定程度上為同行提供了參考。

[1]陳化鋼.城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造實(shí)用技術(shù)[M].中國水利水電出版社，1999.

[2]靳龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)[M].中國水利水電出版社，1991.

[3]陳章潮等.城市電網(wǎng)規(guī)劃與改造仁[M].中國電力出版社，1989.

[4]劉健等.配電自動(dòng)化系統(tǒng)[M].中國水利水電出版社，1999.

[5]王明俊，于爾鏗，劉廣一.配電系統(tǒng)自動(dòng)化及其發(fā)展[M].中國水利水電出版社，1998.