1、10kV 以下配电网无功电压优化及控制系统研究摘要：10kV 以下配电网向用户端直接供电，电能的优劣和人们的生活生产密切相关。本文主要针对 10kV 以下配电网无功电压的优化及控制系统进行了研究。 关键词：配电网；无功电压；优化；控制 中图分类号：TM421 文献标识码：A 一、配电网无功补偿现状分析 我国对配电网的无功补偿主要是根据功率因素指标来设计的，110kV 和 35kV 变电站都装有自动随负荷变化的补偿装置，这部分的投资最大，可以对变压器的无功和变电站无功缺额补偿，通过无功沿线路传输对线路补偿，然而背离了就地补偿的原则；因为各方面因素的影响，动态跟踪补偿效果不佳，无法达到预期效果。此
2、外运用最多的是在 0.4kV 侧进行集中补偿，即专用变压器低压侧安装补偿设备，在大型企业和用户中心都要配备相应的补偿设备，进行实时就地补偿，避免谐波注入电网。因为电力建设较为落后，一些公用配变没按照相关规定安装补偿装置，配变的无功无法得到补偿，造成 10kV 的损耗加大。此外发达地区也采用在 10kV 线路上补偿，然而自动化程度不高，数据传输易中断，补偿电容器有使用年限，一些不更换较老的设备，也不进行维修和保护，设备利用率较低，从经济性和实用性来看，当前的补偿方式是不合理的。在 10kV 采用在线路上的补偿方法有利于管理维护，更主要的能防止公用变压器的低压侧无功不足。伴随配电网投资的加大，对电
3、能质量的要求也变高，必须采取相应的措施提升自动化水平，充分利用线路补偿装置，开发优化控制系统，同时兼具负荷预测的性能，实现全配电网损失最小，经济效益最好的效果。 二、10kV 以下配电网无功电压优化分析 10kV 以下配电网支路数多，怎样确保配电网的电能质量，降低配电网线路无功损耗，确保客户正常用电，是电力系统研究的重点和难点。当前，10kV 以下配电网的主要问题有： 1、10kV 高压侧变电站使用的配变是无载变压器，因为配电线路太长，支路数目过大，负荷变化大，季节性突出，使得配电网的潮流分布计算很困难；在高压侧的变电站集中补偿无法兼顾 10kV 线路损耗，造成不能控制 10kV 母线电压。当
4、前，使用集中补偿最多的是固定投切方式，电容器的配置不合理，用户在低峰期时，线路电压会瞬间升高，电容器投切实时性跟不上，会导致无功过剩，过补的状况，而在负荷高峰期时，电容器投不上或者投上又过多，很容易导致投切振荡。造成安装的补偿装置得不到有效发挥，经济效益无法实现最大化。 2、配电网补偿装置配置不合理，设备老化，负荷的不兼容特性等导致线路损耗过大，0.4kV 侧的补偿装置很难控制；配电网的基本设施建设牢固性不好，较少使用先进设备；10kV 杆上补偿装置很少，已使用的设备占地面积过大，通信水平低、易发生中断等；对补偿装置的最佳位置让然按 2/3 准则设计，在分支较多，线路过长时不合理，同样无法满足
5、线路对无功的需求。 3、无功容量按照省公司给的功率因素设计，忽略了客户的需求，实现消费者花费最小原则；用于在线监控和采集数据的设备少，很难采集数据，造成遥调和遥信功能低下，导致控制软件作用在使用过程中很难发挥；没有控制系统从整个配电网的角度对无功电压实现优化控制，无法做到全线补偿，手动操作过多，所需人力成本过高。 4、硬件方面相关的自动化设备配置不完善，基础设施建设差，线路和其他设备使用年限较长，通信能力不足，导致新型的技术使用过程中出现困难。软件方面可借鉴的不多，对 10kV 以下配电网优化问题认识不够深入。 三、10kV 线路补偿装置的设计 （一）补偿装置基本原理：当前对于线路补偿装置缺乏
6、统一的标准，但主要部分基本相同，包含跌落式熔断器、避雷器、控制部分、电容器和其他一些开关设备。装置如图 1 所示，在线路补偿装置中，使用并联电容器组，基于其体积小可以根据容量定制，优越性明显，电容器采用单星形布线方式，用高压接触器投切，防止使用电力电子设备投切引入谐波。电流互感器采用非接入式高压电流互感器，这种新式的互感器可以精确地把一次侧电流变换成为二次侧的电压输出，所以，有效解决了二次侧在开路时产生高电压的风险，体积小，重量轻，安装方便。电压互感器采样线电压，主要供给电压信号，同时为控制器和控制回路供给能量。电流互感器 TA 采样 C 相电流，根据三相对称得出 A、B 相电流，经转换之后得
7、到采样信号，信号由 A/D 转换后得出电压、电流、功率因素、有功和无功，与系统设置值进行比较，生成电容器投切命令控制电容器的投切。TA1 和 TA2 采样电容器电流，用来判断真空接触器是否投切成功，并为电容器的保护提供硬件支持。避雷器和熔断器的作用分别是防雷保护和电容器短路保护。 （图 1 补偿装置电气原理图） （二）首先通过电压互感器和电流互感器对电网的电压和电流进行实时数据采集；由电压互感器和电流互感器经过变换后的模拟信号与 AD 芯片所需的信号不匹配，所以输入的信号还需经过信号调理电路进一步将电压和电流信号转换成幅值低的电压和电流信号传送给 AD7656。然后输入 DSP 的 A/D 转
8、换通道完成采样，DSP 通过测量两个上升沿的时间间隔，来确定电网信号的周期，以此来保证采样的同时性。这样使得采样精度大大提高，DSP 芯片经过抽样、分析和优化计算，生成投切控制命令，I/O 口输出的信号再进行光耦隔离，将操作命令传送给驱动元件进行投切操作。硬件结构总体框图如图 2 所示： （图 2 补偿装置控制器硬件结构图） 四、无功电压优化控制系统设计 控制系统使用 QT 语言进行模块化的编程方法，系统主要模块有主控程序模块、参数管理模块、数据库模块与 SCADA 接口模块、电网拓扑模块、报表管理模块、告警中心模块，各模块各自功能不同。首先无功电压优化服务器，从调度中心的 SCADA 系统采
9、集 10kV 配网首端的状态参数，包括电压、无功功率、有功功率等，把这些数据放到内存数据库中，主控程序从内存数据库中取得这些数据后在经过计算处理之后生成综合的调节电容器和分接头的指令，再把这些指令填到内存数据库中，接口程序再从内存数据库中取得这些指令交给 SCADA 去执行。同时结合线路补偿装置发来的各节点数据，分析数据按潮流和处理前面建立的目标函数，进行无功优化分析、电压优化分析、无功电压综合优化操作后，形成 10kV 线路补偿装置调节指令和 0.4kV 侧并联电容器操作命令。无功补偿设备投切命令及相关控制信息，然后把控制信息发送给各控制器件执行操作，之后循环往复。 该控制软件的设计目的是：
10、由上位机界面来对整个配电网母线电压显示，线路电压，线路有功功率和无功功率，线路功率因素，各开关动作情况，补偿装置的投切组数和投切位置。并和调度自动化 SCADA 系统的数据相结合，优化计算后产生投切命令发送给各补偿设备，控制补偿设备进行动作，算法主要是基于改进的 GA 和 TS 算法，算法以全网损最小和设备动作次数最小为目标函数，通过对整个配电网络的优化分析，确定各电容器最佳安装位置和补偿容量，真正做到从全网的角度控制无功和电压。 结语 10kV 以下配电网无功优化包含许多复杂的问题，随着智能电网研究的深入，还需继续加强研究，在今后的无功电压优化发展中，还有许多研究工作需进一步开展。 参考文献： 1朴在林,谭东明,郭丹. 10kV 配电线路无功优化智能系统的研究与实施J. 农业工程学报,2009,12:206-210. 2周云成,朴在林,付立思,罗岩. 10kV 配电网无功优化自动化控制系统设计J. 电力系统保护与控制,2011,02:125-130.
