智能型動態(tài)無功補償在低電壓治理中的實踐

周獻忠

(中國能源建設集團有限公司，北京100029)

智能型動態(tài)無功補償在低電壓治理中的實踐

Practice of intelligent dynamic reactive power compensation in low voltage control

周獻忠

(中國能源建設集團有限公司，北京100029)

文中結合湖南省永州市冷水灘10 kV線路橫油線的現(xiàn)狀，選定適合現(xiàn)場實際的無功補償組合方案，開發(fā)出智能型動態(tài)無功補償裝置并運用于工程實際。該工程的實施是新型無功補償裝置在農(nóng)配網(wǎng)低電壓綜合治理方面的一次有益嘗試。

農(nóng)配網(wǎng)；低電壓；動態(tài)；無功補償；智能型

1 我國農(nóng)配網(wǎng)的主要特征

“十二五”期間，農(nóng)村電網(wǎng)進行了新一輪的改造，集中解決農(nóng)村電網(wǎng)薄弱問題，提高農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性，完成農(nóng)配網(wǎng)的低電壓綜合治理。但是我國農(nóng)配網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，各地發(fā)展很不均衡，總結起來，農(nóng)配網(wǎng)具有如下幾個主要特征〔1－2〕:

1)高壓網(wǎng)架多為單向輻射式結構，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，部分區(qū)域進行了環(huán)網(wǎng)改造，但是絕大部分區(qū)域仍然為單向輻射式網(wǎng)架結構。

2)農(nóng)村配電線路，特別是在非集中居住區(qū)域，輸電線路普遍偏長，導線截面積偏小，分支線路多，負荷密度小而且分散。

3)隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的迅速擴張，農(nóng)村配網(wǎng)負荷持續(xù)加大，感性大負荷持續(xù)增多，掛接農(nóng)網(wǎng)的機電井、加工廠、電焊機等工業(yè)用戶不斷增多。

以上原因導致農(nóng)村配電網(wǎng)供電質量差、功率因數(shù)低、線損大。由于資金和安裝條件的限制，許多公用配變?nèi)詻]有安裝足夠容量的無功補償裝置，無功電源先天不足，但是眾多的感性負荷又大量的消耗無功，這就必然導致大部分農(nóng)村配電網(wǎng)無功功率流動頻繁，進一步增加了網(wǎng)損，降低電壓質量，嚴重時甚至無法保證正常供電〔3〕。

2 湖南省農(nóng)村配電網(wǎng)無功補償現(xiàn)狀

從已進行過綜合改造的區(qū)域的無功補償?shù)倪\行情況來看， 普遍存在如下幾個問題〔1－2〕:

1)早期的綜合配電箱雖然具有電容補償功能，但多屬于固定容量補償，在系統(tǒng)低負荷時期存在過補償情況，造成臺區(qū)電壓抬得過高且存在無功倒送問題。這種固定補償裝置需要人工就地操作，維護量大，因此部分地區(qū)已經(jīng)長期退出固定式電容補償。

2)配電箱內(nèi)電容器與交流接觸開關質量不穩(wěn)定，且現(xiàn)有的自動補償裝置在投切過程中沒有對過電壓與電容涌流采取很好的抑制措施，造成設備易損壞。通過現(xiàn)場了解到，部分電容器和投切開關已經(jīng)損壞且已退出運行。

3)現(xiàn)有無功自動補償裝置沒有實現(xiàn)遠方通訊功能，不能對其補償裝置的運行狀態(tài)進行遠方監(jiān)測，因此對各臺區(qū)自動補償裝置的維護量非常大，實際運行情況沒有得到及時的管理。

4)各地區(qū)普遍忽視對無功補償裝置與綜合配電箱的定期維護工作。工作人員對其設備情況不夠了解，不能對其進行有效的維護與故障處理，使得已改造線路、臺區(qū)的電容補償裝置投入率不高，有些裝置甚至投入不久后便發(fā)生故障而退出。

3 永州橫油線綜合治理工程概況

橫油線的公用臺區(qū)配變?nèi)萘考性?0～315 kVA之間，功率因數(shù)分布在0.80～0.85之間，且普遍存在負荷波動較大，平均負載率偏低，臺區(qū)低壓線路供電半徑較大，三相負荷不平衡，電壓合格率低，自動化程度低，功率因數(shù)變化頻繁，運行狀況復雜，無功補償容量不足。

橫油線線路及臺區(qū)的基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 改造前線路及其臺區(qū)運行情況

從表1中的年損耗電量和功率因素來看:線路的綜合線損率較高，造成線路損耗高的主要原因之一就是線路的功率因素普遍較低，線路上無功消耗大且缺少就地補償裝置和無功優(yōu)化措施。

針對橫油線具體情況，本項目采用智能型動態(tài)無功補償裝置對線路及所轄臺區(qū)的無功功率進行就地平衡和優(yōu)化，以達到提高輸電線路低電壓綜合治理的目的。

無功補償裝置是解決電網(wǎng)無功污染問題的最有效方式之一，在多年的發(fā)展過程中無功補償裝置經(jīng)歷了從簡單到復雜、從手動到自動的過程。常見的無功控制方法有同步發(fā)電機、同步電動機、同步調相機、并聯(lián)電容器和靜止無功補償裝置等，并聯(lián)補償裝置由于接入與退出都很方便，更適用于農(nóng)村配電網(wǎng)的無功補償〔3〕。

從無功補償裝置的安裝地點來看，配電網(wǎng)無功補償主要有4種形式〔4－5〕，如圖1所示:方式1為變電站集中補償；方式2為低壓集中補償；方式3為柱上無功補償；方式4為用戶終端分散補償。

圖1 配電系統(tǒng)的各種無功補償方式示意圖

各補償方式的優(yōu)缺點見表2。

表2 安裝地點對無功補償效果的影響

根據(jù)橫油線的實際情況，綜合考慮項目經(jīng)濟性、停電影響、無功補償配置等多方面因素，本項目綜合采用低壓集中補償方式和柱上無功補償方式〔3－4〕。

1)全網(wǎng)以低壓補償為主，補償方式選用低壓集中補償。

①相比較于高壓補償，低壓補償是一種低成本、快捷化的補償方式，其影響范圍小、停電時間短、補償效果好。該工程項目以低壓補償方式為主，可以在保證全網(wǎng)補償效果的前提下大大縮減投資規(guī)模。

②橫油線公用臺區(qū)以分散的農(nóng)戶和個別作坊式加工廠為主，單個用戶的用電量都不大，故而不適合采用用戶終端分散補償。低壓集中補償將公用臺區(qū)下的所有用戶視為一個整體，是針對農(nóng)配網(wǎng)公用臺區(qū)分散用戶的一種理想補償方式。

③對臺區(qū)以下的分散用戶進行集中補償，可以有效地提高臺區(qū)用戶的電能質量，減小臺區(qū)無功流動，降低臺區(qū)損耗，解決臺區(qū)低電壓問題。

④工程累計選取31個公用臺區(qū)，在配電變壓器低壓側進行智能型動態(tài)無功補償，這些臺區(qū)功率因數(shù)普遍在0.9以下，容量在50～315 kVA之間。

⑤31個無功補償點對整個線路來說形成以低壓臺區(qū)為單位的分散式就地低壓無功補償。

2)全網(wǎng)以高壓補償方式作為補充，補償方式選用柱上無功補償〔6－7〕。

①為兼顧尚未進行無功補償?shù)墓门_區(qū)的無功平衡問題，需要在線路高壓側進行集中補償。

②高壓線路側的集中式無功補償是低壓補償?shù)挠辛ρa充，可以有效減小高壓線路上的無功流動，緩解高壓線路的低電壓問題。

③橫油線線路長度遠超出正常線路，且線路負荷多集中于線路中后端，所以選用更加貼近負荷的柱上無功補償較為合適。

④以柱上無功補償方式在10 kV線路側選取2個點進行無功補償，即在10 kV線路桿塔上加裝智能型動態(tài)無功補償裝置。

⑤根據(jù)橫油線現(xiàn)狀，高壓補償選取在負荷的1/3處和2/3處，考慮到橫油線后期的改線計劃，安裝點定于橫水Z27桿和橫水Z52＋2桿。

3)為了控制技術風險，提高設備可靠性，降低系統(tǒng)成本，補償技術采用最為成熟的靜止無功補償 (SVC) 方式〔8－9〕。

①補償電容采用共補和分補相結合的方式構建分組多級補償模式。這樣的方式既可以有效地減小控制難度，降低成本，又可以保證補償效果；

②由于電力負荷時刻都在波動，因此所需無功功率也隨時變化，為維持無功平衡，選用動態(tài)補償技術，隨著電力電子技術和自動控制技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，本項目選用智能型動態(tài)無功補償裝置。

該新型低壓無功補償裝置集電能分配、智能控制、低壓動態(tài)無功補償、用戶用電信息采集及監(jiān)測、配變低壓側參數(shù)自動記錄、遠程通訊管理等功能為一體；該裝置對低壓負荷進行不間斷的監(jiān)測和記錄，根據(jù)無功或功率因數(shù)大小，實現(xiàn)三相或分相全量程智能跟蹤、動態(tài)補償無功功率。

4 工程實施效果

該工程于2014年10月份完成了現(xiàn)場安裝，其中公用臺區(qū)低壓集中無功補償31處，柱上10 kV無功補償2處，目前設備運行良好。

目前該項目已經(jīng)完成公用臺區(qū)無功補償裝置的安裝和調試，結合線路上安裝的10 kV線路補償，整條線路的功率因素穩(wěn)定在0.91以上，局部時段穩(wěn)定在0.96以上。

國網(wǎng)電力科學研究院南瑞 (武漢)電氣設備與工程能效測評中心的短時測試顯示，對于隨機抽查的2個測試點，無功補償裝置投入使用后，臺區(qū)出口電壓均有不同程度的升高，節(jié)能效果明顯，2個抽樣測試點功率因數(shù)均達到0.95以上，節(jié)電率達到4%?，F(xiàn)場短時測試結果見表3，測試點無功補償?shù)墓?jié)電率見表4，其中進行轉化時無功經(jīng)濟當量取0.08。

表3 現(xiàn)場短時測試數(shù)據(jù)結果

表4 測試點變壓器無功補償?shù)墓?jié)電率

5 結論與建議

無功補償以治理電網(wǎng)低電壓、提高用戶供電質量為目標，以盡量減少無功功率在電網(wǎng)中的流動為原則，應該做到統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，分級補償，就地平衡，實事求是，因地制宜，適應現(xiàn)狀，適度超前〔3－4〕， 特提出如下建議。

1)集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主:分散補償可以兼顧更多更廣的電力用戶，可以更好的實現(xiàn)無功的就地平衡。同時，分散補償也是未來 “用戶定制電力”的最佳結合點。在分散補償?shù)耐瑫r輔助以集中補償可以達到更好的補償效果，也可以兼顧部分未補償用戶的需求。

2)高壓補償與低壓補償相結合，以低壓補償為主:相比于高壓補償來說，低壓補償具有分散性的特點，可以實現(xiàn)低電壓等級的就地平衡，同時低壓補償具有成本低，技術更加成熟的特點。

3)調壓與降線損相結合，以降線損為主:單純的調壓只能在電源側進行，可能會導致前端用戶電壓已經(jīng)突出上線而尾端用戶電壓還未達標的情況，調節(jié)線損可以兼顧調壓的作用，而且可以安裝在線路的任何部位，具有更大的靈活性。

4)分級分區(qū) (按電壓分級，按地域分區(qū))補償，就地平衡原則:國內(nèi)電網(wǎng)以電壓等級遞減的原則逐級往下傳遞電能，補償時要充分考慮各電壓等級電網(wǎng)、各地域電網(wǎng)的特點，同時兼顧所有的電壓等級和地理區(qū)域。就地平衡就是說無功功率在哪里發(fā)生，就應在哪里補償，盡量減小無功潮流的流動。

5)無功補償?shù)囊?guī)劃優(yōu)化:在統(tǒng)籌考慮全網(wǎng)現(xiàn)有及未來網(wǎng)架結構、裝置狀況及負荷情況 (電網(wǎng)各電壓等級歷史的、實時的及預測的負荷情況)的基礎上，確定無功補償裝置最佳安裝位置、類型和容量，實現(xiàn)降低網(wǎng)損、節(jié)省投資費用。

6)無功補償?shù)倪\行優(yōu)化:在現(xiàn)有無功補償裝置和技術條件下，根據(jù)實際負荷變化情況和短期負荷預測，確定無功補償裝置的最佳配合方式和工作模式 (推薦使用智能型動態(tài)無功補償)，滿足供電質量要求，實現(xiàn)低電壓治理，同時兼顧網(wǎng)損最小、運行費用最少。

〔1〕趙文忠.農(nóng)村配電網(wǎng)實用無功補償技術綜述 〔J〕.低壓電器，2010(3)，34-38.

〔2〕賴毅.農(nóng)網(wǎng)配電線路無功自動監(jiān)控與補償系統(tǒng)研究 〔D〕.電子科技大學，2012.

〔3〕劉建國.農(nóng)網(wǎng)中壓配電線路無功補償配置的研究 〔D〕.華北電力大學，2010.

〔4〕邊靜濤.農(nóng)村電網(wǎng)電壓質量及無功補償應用研究 〔D〕.華北電力大學，2013.

〔5〕劉建強.配電網(wǎng)四種無功補償技術方案比較 〔J〕.電工技術雜志，2003(3)，31-34.

〔6〕崔雪洋，張毅，馬旭波.農(nóng)網(wǎng)10 kV自動無功補償裝置的控制策略 〔J〕.山西電力，2008(4)，59-62.

〔7〕張迥，胡曉陽，胡建川，等.降低10 kV配電網(wǎng)損耗及提高供電質量措施.四川電力技術，2014(4)，36-41.

〔8〕金立軍，安世超，廖黎明，等.國內(nèi)外無功補償研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 〔J〕.高壓電器，2008，44(5)，463-465.

〔9〕劉玉龍.樂亭縣農(nóng)村配電網(wǎng)無功補償?shù)难芯?〔D〕.華北電力大學，2011.

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1008-0198(2015)03-0064-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.03.020

2015-01-15 改回日期:2015-02-26