利用智能電容實(shí)現(xiàn)變電站10kV母線(xiàn)的多級(jí)補(bǔ)償應(yīng)用方法

袁俊球 許福泉

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇電力公司常州供電公司金壇分公司 江蘇省常州市 213200 2.華研國(guó)電（北京）科技發(fā)展有限公司 北京市 100096）

1 金壇地區(qū)電壓質(zhì)量治理現(xiàn)狀和新方法的研究

配電網(wǎng)變電站母線(xiàn)電壓是考核變電站出線(xiàn)電壓質(zhì)量主要指標(biāo)，為保持10kV 電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，金壇供電分公司QC 小組在2013年就開(kāi)始線(xiàn)路分段補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ难芯?，提出?0kV 高壓智能電容器單元設(shè)計(jì)并投入了相應(yīng)的技術(shù)和人力，智能電容器的研發(fā)成功的解決了柱上補(bǔ)償?shù)碾y題，到了2019年線(xiàn)路末端電壓逐步的予以解決，研究成果獲得了專(zhuān)利。然而變電站母線(xiàn)電壓的問(wèn)題也較為突出，首先是變電站電容補(bǔ)償裝置安裝較早，設(shè)計(jì)容量上是按照變壓器總?cè)萘坑?jì)算設(shè)計(jì)，并且與運(yùn)行是一體化設(shè)計(jì)，投入時(shí)一起投入，這就經(jīng)常出現(xiàn)尷尬的局面，不投電壓不合格，投入后電壓超標(biāo)的問(wèn)題，并且一次投入時(shí)，產(chǎn)生的涌流也比較大，因此電容也容易損壞，一旦電容出現(xiàn)問(wèn)題，整體上就出現(xiàn)了無(wú)法工作，只能檢修后恢復(fù)。

因此金壇供電提出了利用高壓智能電容器實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分組補(bǔ)償?shù)男路椒?，并在下半年進(jìn)行了研究和實(shí)踐，目前樣機(jī)已經(jīng)安裝在金壇南陽(yáng)變電站，初測(cè)運(yùn)行安全穩(wěn)定。

2 傳統(tǒng)式母線(xiàn)補(bǔ)償主要問(wèn)題分析

典型的35kV 變電站接線(xiàn)方式和電容補(bǔ)償設(shè)計(jì)：

由圖1、圖2 看出，整個(gè)變電站補(bǔ)償部分不做控制，只有隔離開(kāi)關(guān)，主要通過(guò)出線(xiàn)開(kāi)關(guān)控制電容運(yùn)行狀態(tài)。

這樣的運(yùn)行方式可能出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）投切時(shí)容量太大產(chǎn)生涌流導(dǎo)致電壓波動(dòng)。

（2）投入后可能過(guò)壓，造成更多的問(wèn)題；

（3）設(shè)備安裝空間大，浪費(fèi)資源；

（4）設(shè)備任何部件損壞只能停運(yùn)檢修。

（5）只能進(jìn)行調(diào)壓，無(wú)法解決三相不平衡問(wèn)題。

3 金壇10kV高壓無(wú)功調(diào)壓補(bǔ)償設(shè)計(jì)思路

（1）由一檔變成多級(jí)和無(wú)級(jí)配合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)平滑電壓輸出。充分利用已獲得的科技成果，并通過(guò)技術(shù)革新，把高壓智能電容器應(yīng)用于變電站集中補(bǔ)償，達(dá)到分組級(jí)差控制，縮小調(diào)整容量。

（2）單元化模塊設(shè)計(jì)，節(jié)省空間，可多種組合方式實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展。在設(shè)計(jì)柜體結(jié)構(gòu)中，充分利用智能電容器單元一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，把空間節(jié)省，單個(gè)柜體可做到1200kVar，多柜臺(tái)組合，可以實(shí)現(xiàn)大容量的組合，這次革新還對(duì)控制器的擴(kuò)展方式和通訊模式做了革新，使其適用于變電站的應(yīng)用。

（3）可通訊遠(yuǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)集中管理和VQC 的調(diào)度管理。在通訊上專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了通訊模塊，預(yù)留了多個(gè)接口和多個(gè)協(xié)議，調(diào)度可直接獲取新型智能電容器單元的運(yùn)行狀態(tài)和異常情況。遠(yuǎn)程可隨時(shí)進(jìn)行容量控制，自動(dòng)運(yùn)行模式下，可自動(dòng)按照設(shè)定好參數(shù)運(yùn)行無(wú)需干預(yù)。

（4）可隔離故障回路，保持設(shè)備運(yùn)行。單元的控制在控制器中可進(jìn)行設(shè)定，做隔離的電容器單元將不再進(jìn)行工作，確保其他完好電容器正常運(yùn)行。

圖1：變電站典型一次圖

圖2：變電站典型補(bǔ)償圖

圖3：變電站集中綜合補(bǔ)償原理圖

（5）經(jīng)濟(jì)適用，利于推廣。投資成本是十分重要的問(wèn)題，這決定了該設(shè)備研究后能否推廣，所以項(xiàng)目組非常注意投資效益比，盡可能減少投資。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 組屏方式

單柜體以1200kVr 為例，可按照兩種方式組屏：平鋪式組屏和上下排列式組屏。

平鋪式組屏優(yōu)勢(shì)是高度低，2米高度就可以滿(mǎn)足要求，安裝方便，缺點(diǎn)是占用空間大。

上下排列式組屏優(yōu)勢(shì)是占用空間小，單柜只需1500*1200 占地，適合安裝狹小空間，缺點(diǎn)是安裝麻煩，高度有限制地方不好安裝。

在金壇南陽(yáng)變實(shí)施本項(xiàng)目研究中受到門(mén)的影響，采用了第一種方案，并采用了分體式設(shè)計(jì)，得以順利安裝。

4.2 一次組網(wǎng)的無(wú)級(jí)和有級(jí)的結(jié)合

隨著電子技術(shù)成熟，IGBT 除了在低壓上應(yīng)用，在高壓上也趨于成熟，因此，在變電站母線(xiàn)上處理補(bǔ)償調(diào)壓?jiǎn)栴}，可以結(jié)合SVG和FC 的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)壓的目的。

如圖3 的設(shè)計(jì)原理圖，采用5 臺(tái)智能電容器單元和一臺(tái)SVG結(jié)合，總?cè)萘?200kVar，利用SVG 來(lái)調(diào)整三相不平衡和200kVar的細(xì)致性調(diào)整。

4.3 智能電容的主要原理和優(yōu)勢(shì)

功能：

Hz+ Hz- 開(kāi)關(guān)控制 用以投切電容的控制；

ZT COM 開(kāi)關(guān)狀態(tài) 用以獲取開(kāi)關(guān)狀態(tài)，判斷開(kāi)關(guān)是否運(yùn)行；

IaIbIc 運(yùn)行電流 用以監(jiān)視電容運(yùn)行狀態(tài)，是否出現(xiàn)異常。

智能電容內(nèi)置限流電抗、復(fù)合專(zhuān)用開(kāi)關(guān)，高壓電容，放電線(xiàn)圈等。

智能電容的新技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

4.3.1 復(fù)合開(kāi)關(guān)的10 萬(wàn)次穩(wěn)定操作

（1）斷電后自動(dòng)切開(kāi)開(kāi)關(guān)；

（2）體積小，便于組屏，厚度小于0.3 米，高度小于1 米；

（3）可獲取運(yùn)行狀態(tài)，便于監(jiān)控和管理。

4.3.2 主控原理

如圖5所示，中央處理單元由三部分組成，一是負(fù)責(zé)電容開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和開(kāi)關(guān)投切輸出輸入控制與人機(jī)交互的ARM 處理器，另一單元?jiǎng)t是負(fù)責(zé)復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算與控制DSP處理器，還有就是通訊處理，與外界通訊能夠進(jìn)行交互。裝置內(nèi)集成兩塊CPU，既相互協(xié)作又各自分工，極大地提高了該裝置的可靠性與精準(zhǔn)度。ARM 處理器具有體積小，功耗低，高性能的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算過(guò)程中能夠大量使用寄存器，執(zhí)行速度快，效率高。

為了便于多臺(tái)變電站多級(jí)補(bǔ)償裝置聯(lián)網(wǎng)，所采用的控制方式不同于傳統(tǒng)補(bǔ)償?shù)乃悸?，每臺(tái)柜子要獨(dú)立運(yùn)行驅(qū)動(dòng)模塊，用于完成電容狀態(tài)的采樣和電容投切控制。

控制器設(shè)計(jì)上采用了分模塊式設(shè)計(jì)，其中采集模塊和電源模塊集成在一起，驅(qū)動(dòng)模塊和電容采集模塊集成在一起，通訊模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)。

在實(shí)際工程中，從機(jī)和驅(qū)動(dòng)箱可無(wú)限制擴(kuò)展，理論上最多可擴(kuò)展256 路智能回路，但實(shí)際上只要24 路就足夠了。

5 不同運(yùn)行模式下的控制理論分析

（1）第一種模式，原變電站已有集中補(bǔ)償容量不足，采用新型復(fù)合式電容增容同步運(yùn)行模式，即LC+LCx 模式，LC 是原有模式不變，LCx 是增容智能電容，這需要在智能電容的控制器上修改參數(shù)，通過(guò)電壓的定值自動(dòng)運(yùn)行即可，主電容停運(yùn)后，LCx 自動(dòng)脫離運(yùn)行，并自動(dòng)斷開(kāi)，下次主回路運(yùn)行時(shí)，再重新計(jì)算對(duì)比定值投切智能電容。

Lc 運(yùn)行時(shí)，U

圖4：智能電容系統(tǒng)圖

圖5：控制器主控原理圖

（2）第二種模式是變電站所有補(bǔ)償全部采用復(fù)合式改造方案進(jìn)行改造，即純LCx 模式或者LCx+SVG 模式，此運(yùn)行模式下可采用兩種運(yùn)行同步模式，首先優(yōu)先電壓模式，然后電壓和無(wú)功缺口作為判據(jù)同步運(yùn)行模式。首先U 大于等于Ud，SVG 首先運(yùn)行，如果U 仍然大于Ud，第一路電容投運(yùn)，即形成LC1+SVG 仍不足LC1+LC2+SVG，以此類(lèi)推，直至投滿(mǎn)為止，反之逐個(gè)切除。

6 采集驅(qū)動(dòng)模塊原理設(shè)計(jì)

這種采集驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)有兩個(gè)方案，一個(gè)是建立自己的處理中心用485 連線(xiàn)接入中央處理器，這樣做的好處是可建立多驅(qū)動(dòng)模塊并行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展控制路數(shù)，最多可帶256 臺(tái)智能電容組用排線(xiàn)連接可省下安裝一個(gè)計(jì)算轉(zhuǎn)換芯片，降低成本，但這樣做只能帶12 路電容。

7 電容運(yùn)行的優(yōu)化管理

在主程序里針對(duì)各路智能電容器的運(yùn)行做了統(tǒng)計(jì)分析，并有記憶功能，例如上次投入過(guò)的電容支路，下次投入電容時(shí)，就自動(dòng)進(jìn)入下一路的電容，始終是各支路均衡運(yùn)行，保持各電容同步。當(dāng)運(yùn)行中的電容出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動(dòng)判斷，并屏蔽該回路，不再投入，并將異常信息存在寄存器里，便于調(diào)閱和管理，主站也能收到一異常告警信息。提示運(yùn)行人員及時(shí)處理該故障。

8 推廣優(yōu)勢(shì)價(jià)值

變電站補(bǔ)償目前大多都是城網(wǎng)改造和農(nóng)網(wǎng)改造活動(dòng)期間所上設(shè)備，大多都超期服役或者是臨近到了壽命周期，更新?lián)Q代在所難免，在智能電網(wǎng)新要求下，再沿用老的模式是不適應(yīng)的，因此金壇這套變電站無(wú)功調(diào)壓解決方案，具有很高的實(shí)用性，并且投資不比傳統(tǒng)革新多多少。這種模式的變電站補(bǔ)償將是一種新的科技進(jìn)步，重點(diǎn)是，合理的運(yùn)行方式是保證電壓質(zhì)量的保障。