利用智能電容實現變電站10kV母線的多級補償應用方法

袁俊球 許福泉

（1.國網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.華研國電（北京）科技發展有限公司 北京市 100096）

1 金壇地區電壓質量治理現狀和新方法的研究

配電網變電站母線電壓是考核變電站出線電壓質量主要指標，為保持10kV 電網電壓的穩定，金壇供電分公司QC 小組在2013年就開始線路分段補償的方法的研究，提出了10kV 高壓智能電容器單元設計并投入了相應的技術和人力，智能電容器的研發成功的解決了柱上補償的難題，到了2019年線路末端電壓逐步的予以解決，研究成果獲得了專利。然而變電站母線電壓的問題也較為突出，首先是變電站電容補償裝置安裝較早，設計容量上是按照變壓器總容量計算設計，并且與運行是一體化設計，投入時一起投入，這就經常出現尷尬的局面，不投電壓不合格，投入后電壓超標的問題，并且一次投入時，產生的涌流也比較大，因此電容也容易損壞，一旦電容出現問題，整體上就出現了無法工作，只能檢修后恢復。

因此金壇供電提出了利用高壓智能電容器實現變電站實現動態分組補償的新方法，并在下半年進行了研究和實踐，目前樣機已經安裝在金壇南陽變電站，初測運行安全穩定。

2 傳統式母線補償主要問題分析

典型的35kV 變電站接線方式和電容補償設計：

由圖1、圖2 看出，整個變電站補償部分不做控制，只有隔離開關，主要通過出線開關控制電容運行狀態。

這樣的運行方式可能出現以下問題：

（1）投切時容量太大產生涌流導致電壓波動。

（2）投入后可能過壓，造成更多的問題；

（3）設備安裝空間大，浪費資源；

（4）設備任何部件損壞只能停運檢修。

（5）只能進行調壓，無法解決三相不平衡問題。

3 金壇10kV高壓無功調壓補償設計思路

（1）由一檔變成多級和無級配合應用，實現平滑電壓輸出。充分利用已獲得的科技成果，并通過技術革新，把高壓智能電容器應用于變電站集中補償，達到分組級差控制，縮小調整容量。

（2）單元化模塊設計，節省空間，可多種組合方式實現無限擴展。在設計柜體結構中，充分利用智能電容器單元一體化設計特點，把空間節省，單個柜體可做到1200kVar，多柜臺組合，可以實現大容量的組合，這次革新還對控制器的擴展方式和通訊模式做了革新，使其適用于變電站的應用。

（3）可通訊遠動控制，實現集中管理和VQC 的調度管理。在通訊上專門設計了通訊模塊，預留了多個接口和多個協議，調度可直接獲取新型智能電容器單元的運行狀態和異常情況。遠程可隨時進行容量控制，自動運行模式下，可自動按照設定好參數運行無需干預。

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

圖1：變電站典型一次圖

圖2：變電站典型補償圖

圖3：變電站集中綜合補償原理圖

（5）經濟適用，利于推廣。投資成本是十分重要的問題，這決定了該設備研究后能否推廣，所以項目組非常注意投資效益比，盡可能減少投資。

4 設計方案

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。

平鋪式組屏優勢是高度低，2米高度就可以滿足要求，安裝方便，缺點是占用空間大。

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

在金壇南陽變實施本項目研究中受到門的影響，采用了第一種方案，并采用了分體式設計，得以順利安裝。

4.2 一次組網的無級和有級的結合

隨著電子技術成熟，IGBT 除了在低壓上應用，在高壓上也趨于成熟，因此，在變電站母線上處理補償調壓問題，可以結合SVG和FC 的有效結合，實現無縫對接，達到無級調壓的目的。

如圖3 的設計原理圖，采用5 臺智能電容器單元和一臺SVG結合，總容量1200kVar，利用SVG 來調整三相不平衡和200kVar的細致性調整。

4.3 智能電容的主要原理和優勢

功能：

Hz+ Hz- 開關控制 用以投切電容的控制；

ZT COM 開關狀態 用以獲取開關狀態，判斷開關是否運行；

IaIbIc 運行電流 用以監視電容運行狀態，是否出現異常。

智能電容內置限流電抗、復合專用開關，高壓電容，放電線圈等。

智能電容的新技術優勢：

4.3.1 復合開關的10 萬次穩定操作

（1）斷電后自動切開開關；

（2）體積小，便于組屏，厚度小于0.3 米，高度小于1 米；

（3）可獲取運行狀態，便于監控和管理。

4.3.2 主控原理

如圖5所示，中央處理單元由三部分組成，一是負責電容開關的狀態和開關投切輸出輸入控制與人機交互的ARM 處理器，另一單元則是負責復雜數據運算與控制DSP處理器，還有就是通訊處理，與外界通訊能夠進行交互。裝置內集成兩塊CPU，既相互協作又各自分工，極大地提高了該裝置的可靠性與精準度。ARM 處理器具有體積小，功耗低，高性能的優點，運算過程中能夠大量使用寄存器，執行速度快，效率高。

為了便于多臺變電站多級補償裝置聯網，所采用的控制方式不同于傳統補償的思路，每臺柜子要獨立運行驅動模塊，用于完成電容狀態的采樣和電容投切控制。

控制器設計上采用了分模塊式設計，其中采集模塊和電源模塊集成在一起，驅動模塊和電容采集模塊集成在一起，通訊模塊獨立設計。

在實際工程中，從機和驅動箱可無限制擴展，理論上最多可擴展256 路智能回路，但實際上只要24 路就足夠了。

5 不同運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償容量不足，采用新型復合式電容增容同步運行模式，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，通過電壓的定值自動運行即可，主電容停運后，LCx 自動脫離運行，并自動斷開，下次主回路運行時，再重新計算對比定值投切智能電容。

Lc 運行時，U

圖4：智能電容系統圖

圖5：控制器主控原理圖

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

6 采集驅動模塊原理設計

這種采集驅動模塊設計有兩個方案，一個是建立自己的處理中心用485 連線接入中央處理器，這樣做的好處是可建立多驅動模塊并行，這樣就可以實現無限擴展控制路數，最多可帶256 臺智能電容組用排線連接可省下安裝一個計算轉換芯片，降低成本，但這樣做只能帶12 路電容。

7 電容運行的優化管理

在主程序里針對各路智能電容器的運行做了統計分析，并有記憶功能，例如上次投入過的電容支路，下次投入電容時，就自動進入下一路的電容，始終是各支路均衡運行，保持各電容同步。當運行中的電容出現異常，系統自動判斷，并屏蔽該回路，不再投入，并將異常信息存在寄存器里，便于調閱和管理，主站也能收到一異常告警信息。提示運行人員及時處理該故障。

8 推廣優勢價值

變電站補償目前大多都是城網改造和農網改造活動期間所上設備，大多都超期服役或者是臨近到了壽命周期，更新換代在所難免，在智能電網新要求下，再沿用老的模式是不適應的，因此金壇這套變電站無功調壓解決方案，具有很高的實用性，并且投資不比傳統革新多多少。這種模式的變電站補償將是一種新的科技進步，重點是，合理的運行方式是保證電壓質量的保障。