高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在采油廠配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙喜臣（大慶油田電力運(yùn)維分公司）

采油廠是產(chǎn)能大戶，也是耗能大戶，電能消耗約占采油廠能耗總量的60%左右。加強(qiáng)采油廠配電系統(tǒng)的用能優(yōu)化管理，提升供電質(zhì)量，降低用能損耗，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)供電運(yùn)行，是采油廠配電系統(tǒng)一項(xiàng)重要工作內(nèi)容[1-3]。為了提升部分高壓線路功率因數(shù)，采取了靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償措施，但實(shí)際補(bǔ)償效果未達(dá)到預(yù)期要求，部分高壓線路配電系統(tǒng)的功率因數(shù)仍然較低，離電網(wǎng)運(yùn)行功率因數(shù)要求還有一定差距。為此提出了采用高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在采油廠配電系統(tǒng)中應(yīng)用，并取得良好現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 某采油廠高壓電網(wǎng)現(xiàn)狀

某采油廠現(xiàn)有6 kV和10 k V高壓配電線路54條，形成了10(6)k V的區(qū)域配電網(wǎng)。線路總長(zhǎng)560.8 km（其中6 kV線路49條、總長(zhǎng)490.6 km，10 k V配電線路5條、總長(zhǎng)70.2 km）。目前，部分高壓配電線路功率因數(shù)低、線路損耗大、供電電壓質(zhì)量差。通過(guò)開(kāi)展引進(jìn)應(yīng)用高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，以電壓與時(shí)間、功率因數(shù)與無(wú)功功率或電壓與無(wú)功功率為控制參數(shù)，對(duì)高壓配電線路電壓、電流、功率因數(shù)和無(wú)功功率等電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)其變化，有效、合理地控制并聯(lián)電容器組的自動(dòng)投切，對(duì)高壓線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是一件十分有意義的工作[4-5]。

2 自動(dòng)補(bǔ)償裝置的工作原理及組成

2.1 工作原理

控制器是通過(guò)電壓互感器和電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)線路三相系統(tǒng)中一相電流的二次電流值和另外兩相電壓的二次電壓值，利用專用算法和高性能芯片計(jì)算得到相應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓、電流、無(wú)功功率、有功功率以及功率因數(shù)等值。控制器根據(jù)實(shí)時(shí)值可采用6種方式自動(dòng)投切電容器和1種方式手動(dòng)強(qiáng)制投切電容器，除手動(dòng)控制方式外，其余5種控制方式（電壓控制方式、無(wú)功功率控制方式、時(shí)鐘控制方式、電壓時(shí)鐘控制方式和無(wú)功功率時(shí)鐘控制方式）都受高壓保護(hù)和失壓的限制，當(dāng)電壓高于高壓保護(hù)定值或低于失壓保護(hù)定值時(shí)將切除電容器[6-7]。

2.2 組成

高壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置主要由柜體、電容器組投切專用真空開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、跌落式熔斷器、電源模塊、控制器、手持控制儀、電容、安裝支架等部分構(gòu)成。

2.2.1 跌落式熔斷器

戶外跌落式熔斷器對(duì)裝置進(jìn)行短路保護(hù)，一旦裝置有短路故障，跌落式熔斷器立即跳開(kāi)，防止對(duì)裝置和線路造成損害。

2.2.2 電容器組投切專用真空開(kāi)關(guān)

在線路無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中，一般采用線路真空開(kāi)關(guān)來(lái)投切電容器。當(dāng)自動(dòng)裝置中的真空開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生投電容過(guò)程中開(kāi)關(guān)的觸頭很快燒壞，切電容過(guò)程中開(kāi)關(guān)發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象，從而發(fā)生嚴(yán)重設(shè)備故障。線路真空開(kāi)關(guān)投切線路負(fù)荷則沒(méi)有這些現(xiàn)象，研究分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因?yàn)椋阂皇请娙萜鹘M投切專用真空開(kāi)關(guān)在投電容時(shí)會(huì)產(chǎn)生涌流。主要是在電容器投入的瞬間會(huì)產(chǎn)生浪涌電流。單獨(dú)一組投切電容器的合閘涌流大小取決與系統(tǒng)電源的阻抗和電容器容量的大小，而多組電容器逐級(jí)投入時(shí)產(chǎn)生的合閘涌流大小取決于投入電容器組間的阻抗，即開(kāi)關(guān)觸頭要承受的電流是額定電流的幾倍或幾十倍甚至幾百倍，形成對(duì)開(kāi)關(guān)觸頭的燒壞。二是切電容器時(shí)有過(guò)壓。在投切電容器時(shí)分閘后的瞬間，電容器兩端儲(chǔ)存了一定的能量，若分閘時(shí)正處于交流電的正半周或負(fù)半周的峰值，分閘后電容器保持的電勢(shì)和電網(wǎng)上交流電的峰值疊加在開(kāi)關(guān)觸頭間隙上[8-9]。通常情況下，LC串、并聯(lián)電路在分閘的瞬間會(huì)產(chǎn)生振蕩，所產(chǎn)生的電壓是幾倍的額定電壓，會(huì)加在形狀觸頭間隙上。如果開(kāi)關(guān)的觸頭間隙不夠大，將造成觸頭間隙絕緣耐壓不夠發(fā)生重?fù)舸?，甚至?xí)l(fā)生第二次、第三次重?fù)舸┗蜷_(kāi)關(guān)發(fā)生爆炸等現(xiàn)象不可避免。

根據(jù)上述分析，投切電容器真空開(kāi)關(guān)首先觸頭的承受電流要盡量大，觸頭壓力不能太小，否則難以承受合閘涌流的沖擊，以避免對(duì)觸頭的燒壞。其次，電容器真空開(kāi)關(guān)觸頭間隙要盡量大，以承受分閘時(shí)的過(guò)電壓，彈跳小，避免重燃。所以，在選擇無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置投切電容器時(shí)不能選用線路型真空斷路器，以避免真空斷路器故障頻繁問(wèn)題。選用的真空開(kāi)關(guān)是具有特殊設(shè)計(jì)縱向磁場(chǎng)熄弧結(jié)構(gòu)真空滅弧室的專用真空開(kāi)關(guān)，這種真空開(kāi)頭具有發(fā)熱小、承受電流大、熄弧時(shí)間短、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整分合閘機(jī)構(gòu)，使觸頭的觸頭超行程為3±0.3 mm，確保觸頭壓力大，合閘時(shí)間為7.5±0.5 s，能承受合閘涌流的沖擊；分閘時(shí)間為0.04±0.1 s，分閘速度快，觸頭行程達(dá)到11±1 mm，使觸頭間隙超出線路斷路器9 mm的值，觸頭彈跳時(shí)間為小于或等于1.9 ms，彈跳小，達(dá)到切除電容器無(wú)重?fù)舸┑囊?，避免了重燃[10]。

2.2.3 控制器

控制器以FLASH型16位單片機(jī)MSP430F149為控制核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電壓、電流，并計(jì)算出有功、無(wú)功、功率因數(shù)等，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)跟蹤和自動(dòng)投切，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)以無(wú)線方式進(jìn)行裝置與手持儀的通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換，提高系統(tǒng)的便捷性和可靠性。控制器由信號(hào)轉(zhuǎn)化電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊、投切控制電路模塊等部分組成。

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要由電流信號(hào)放大電路、電平提升電路、濾波電路和互感器信號(hào)變換電路等部分組成，其主要作用就是實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)與強(qiáng)電信號(hào)之間的隔離與自由切換。

MSP430F149是控制器的核心，為FLASH型16位單片機(jī)，其具有良好的性價(jià)比和優(yōu)越的計(jì)算控制力，該單片機(jī)主要由12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、16位定時(shí)器等部分組成。其中，CPU內(nèi)核由16位ALU指令控制邏輯和16個(gè)寄存器組成，通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)的程序編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的尋址模式和軟件算法，具有對(duì)每個(gè)捕獲/比較模塊獨(dú)立編程等功能；ADC12可對(duì)8個(gè)外部模擬信號(hào)之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具有單通道單次、重復(fù)和序列通道單次、重復(fù)等轉(zhuǎn)換模式，具有高速、耐用的特點(diǎn)；而定時(shí)器Timer-A和Timer-B具有多種輸出波形和多個(gè)捕獲/比較功率等功能，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)時(shí)序控制，也能滿足上述功能的多種組合需求。

投切控制電路輸出節(jié)點(diǎn)控制真空開(kāi)關(guān)的分、合閘線圈。JTAG接口采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，便于做片上的在線仿真，固化于FLASH存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線編程、升級(jí)和調(diào)試。通訊電路實(shí)現(xiàn)與手持儀運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送及控制命令的接收。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路主要用于記錄電壓、電流、有功、無(wú)功及每次投切操作發(fā)生時(shí)間和操作前電壓、電流、有功、無(wú)功等數(shù)據(jù)變化。

2.2.4 控制器軟件

針對(duì)控制器功能多、控制規(guī)律復(fù)雜、數(shù)據(jù)計(jì)算量大的特點(diǎn)，控制器軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫，在一些直接針對(duì)硬件的操作中使用匯編語(yǔ)言，而且將期編為單獨(dú)文件，使程序模塊化。

控制器MSP430內(nèi)部集成的12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)置參考電平發(fā)生器和采樣保持電路，采樣速率達(dá)200 kbit/s，數(shù)據(jù)采集模塊主要完成所需各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)的采集?？刂破鲗?duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換通道的0、1通道，分別為B、C相的線電壓和A相的相電流。10 k V（6 kV）電網(wǎng)采用三相三線制，且三相基本平衡。當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)，UA與IA夾角為阻抗角。當(dāng)C O Sφ接近1時(shí)，φ角很小，其測(cè)量的分辨率低，為此，將測(cè)量φ改為測(cè)量IA與線電壓UBC的夾角φ0。由于φ0的角度大，不但分辨率高，且永為正值。φ0與φ的關(guān)系的關(guān)系如下：

要檢測(cè)φ0關(guān)鍵在于檢測(cè)相電流IA與線電壓UBC上升或下降時(shí)的兩個(gè)過(guò)零的時(shí)間間隔，再將該時(shí)間轉(zhuǎn)換成角度值。當(dāng)相電流IA與線電壓UBC過(guò)零時(shí)，利用觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)，使MSP430F149單片機(jī)響應(yīng)一次中斷，設(shè)兩次中斷的時(shí)間間隔為tms，對(duì)于50 Hz的正弦交流電，其周期為20 ms，其變化的角度為2π弧度，則φ0角的弧度為：

數(shù)據(jù)計(jì)算包括電流、電壓、視在功率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)的計(jì)算主要由數(shù)據(jù)計(jì)算模塊來(lái)完成。

控制模塊主要完成控制系統(tǒng)各種控制操作。控制器通過(guò)對(duì)電路的電壓判斷、電路的無(wú)功功率判斷，做出不同的控制動(dòng)作。當(dāng)電路呈感性時(shí)，說(shuō)明此時(shí)電壓處于可投區(qū)時(shí)，啟動(dòng)10 s延時(shí)標(biāo)志，當(dāng)觸發(fā)軟件定時(shí)器時(shí)鐘時(shí)，主程序呈實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)，并比較以前的狀態(tài)判斷。通過(guò)判斷確定當(dāng)滿足條件時(shí)，由主程序發(fā)出指令，作出投電容器或切電容器判斷，并進(jìn)行投切電容器操作作業(yè)。

歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。系統(tǒng)在運(yùn)行狀況自我監(jiān)測(cè)的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行后臺(tái)分析，可以用來(lái)確定無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能，分析該線路的實(shí)際負(fù)荷量及負(fù)載變化情況。其中建立數(shù)據(jù)指針數(shù)據(jù)區(qū)，一部分刷新最近一次的結(jié)束頁(yè)指針和結(jié)束緩沖器的指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；另一部分向最新的指針數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器區(qū)間中存儲(chǔ)正點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)部分、控制部分、編碼部分和糾錯(cuò)部分等。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2020年，通過(guò)對(duì)采油廠54條高壓配電線路的運(yùn)行分析，確定兩條高壓線路作為高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用線路，依據(jù)電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力技術(shù)導(dǎo)則和并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)固定補(bǔ)償方式的無(wú)功補(bǔ)償裝置和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式的無(wú)功補(bǔ)償裝置，計(jì)算最優(yōu)化無(wú)功功率補(bǔ)償和補(bǔ)償技術(shù)方案，并監(jiān)視運(yùn)行。項(xiàng)目選取某采油廠配電網(wǎng)601線和623線開(kāi)展無(wú)功功率技術(shù)補(bǔ)償，在高壓配電線路上安裝無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置和固定無(wú)功補(bǔ)償裝置。601線和623線開(kāi)展無(wú)功補(bǔ)償前后應(yīng)用節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 601線和623線開(kāi)展無(wú)功補(bǔ)償前后應(yīng)用節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.1 Statistical data of energy-saving before and after reactive power compensation for line 601 and line 623

其中在601線高壓配電線上66#桿加裝固定補(bǔ)償裝置200 kVar、20#桿加裝固定補(bǔ)償裝置50 kVar、29#桿加裝固定補(bǔ)償裝置100 k Var、17#桿加裝自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置150 kVar；在623線高壓配電線上149#桿加裝固定補(bǔ)償裝置200 k Var、128#桿加裝固定補(bǔ)償裝置250 k Var、111#桿加裝固定補(bǔ)償裝置150 kVar、88#桿加裝自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置200 k Var。

4 綜合效果評(píng)價(jià)

1）節(jié)電效果明顯。兩條高壓配電線路采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)后，線路損耗共減少19.27 k W，則每年可減少線路損耗為168 805.2 k Wh。按每千瓦時(shí)電量?jī)r(jià)格0.632 1元計(jì)算，則可產(chǎn)生年節(jié)能效益為10.67萬(wàn)元。

2）提高了高壓配電線路的功率因數(shù)。固定補(bǔ)償方式和動(dòng)態(tài)自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化組合應(yīng)用，通過(guò)手持控制儀對(duì)高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行遙信數(shù)據(jù)，就可輕松完成高壓線路上無(wú)功補(bǔ)償裝置在線運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了線路降損和線路功率因數(shù)的提升，確保了線路的無(wú)功補(bǔ)償效果。通過(guò)實(shí)施高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，兩條高壓配電線路的功率因數(shù)均穩(wěn)定在0.92以上，減少了線路無(wú)功損耗，提升了電網(wǎng)供電質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置技術(shù)先進(jìn)，性能可靠，智能化程度高，線路的無(wú)功補(bǔ)償效果好。它的應(yīng)用能有效實(shí)現(xiàn)線路降損和線路功率因數(shù)的提升，功率因數(shù)能穩(wěn)定在0.92以上，是高壓配電線路系統(tǒng)一種節(jié)能利器，具良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)實(shí)施高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了線路無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整和監(jiān)控，提升了高壓配電線路的智能化運(yùn)行水平。