10kV配電網無功優化自動化控制系統設計

山西潞光發電有限公司 王冬冬

1 引言

社會科技的迅速發展，促進了電力行業技術的革新和發展，無功優化技術因此備受人們的關注。因為10kV 配電網運行階段可能會受到外界環境、人為因素等外部條件的影響，導致電網運行的能耗不斷增加。而應用無功補償技術能夠對電網運行過程進行不斷優化，同時，在無功優化的應用階段，自動化控制的應用能夠為10kV配電網穩定運行提供支持，因而達到遠程投切的控制目標。

2 10kV配電網無功補償相關內容分析

2.1 無功補償原理

無功補償即指將補償元件、設備等安裝在配電網當中，例如內置補償電容器，作為電動機或者變壓器等設備運行電能供應設備，無功補償所屬配電網是系統之內的重點結構。對于補償裝置妥善利用，可以限制電網電壓傳輸階段的無功功率。整體而言，電網輸出功率存在兩種形式：一是有功功率，具體是將光、機械等能量轉化消耗電能；二是無功功率，當電網運行不必消耗電能，將電能轉化為其他能源類型，由此產生的功率就為無功功率。例如，當電能被轉化，變為電磁能時，使電網內部元件和設備工作[1]。

2.2 無功補償作用

在電網自控系統當中，應用無功補償旨在補償功率，提升電網內的功率因數，抑制無功功率出現導致電網、變壓器等出現損耗。無功補償為調節供電模式有效方法。電網系統內，無功補償處于自控系統內應用效果顯著，要求工作人員遴選補償設備，只有科學配置，才能夠控制設備對于電網運行產生的影響，能夠不斷提高配電質量。若在無功補償過程，沒有按照供電量配置裝置流程操作，必然會影響電網穩定運行，也難以保證電壓穩定，達到用戶用電需求。

無功補償裝置的應用能夠將電能質量不斷提高，將配電網中的設備潛能激發，若有功數值始終保持恒定狀態的時候，無功值就會不斷減小，此時，電網內部存在的有功功率增加，可見，補償設備安裝在電路當中后，能夠實現線路功率的補償，從而控制發電機的無功功率產生概率，控制用戶電費成本，提高用戶使用體驗。

2.3 常用補償方式

2.3.1 低壓補償

所謂低壓補償就是在配電網系統當中安裝低壓電容器，利用電壓開關，將電容器和低壓母線相連，組合成投切裝置，通過無功補償，結合用電需求調節電網電壓。需要注意的是，應用這種補償方式雖然能夠整體調節電容器，但是也存在不同程度弊端，即電容器的調整難以分批進行。

同時，應用低壓補償還可將電網運行電量消耗量有效控制，通過彌補的方式，讓電網電壓處于穩態運行。由于低壓補償的操作相對簡單，工程建設涉及的工量較小，便于后期維護，能夠確保無功平衡，因此可以將配變的利用率有效提升，控制電網線損問題。

除此之外，低壓補償的應用成本較低，因此屬于應用廣泛的補償方案。在實際應用環節，需要根據配電網具體情況采取控制措施，以維持電壓狀態穩定[2]。

2.3.2 變電站補償

為消除10kV 配電網內無功不平衡現象，管理者可以依托變電站對于補償裝置進行集中設置，用科學方式整改線路。同時，10kV 配電網運行階段，運用集中補償還可選擇配電站母線，在其一側設置補償電容，實現集中補償目標。此裝置的應用可以按照補償需求，將電容器和補償器并聯，為無功補償的順利應用提供支撐。

同時，補償裝置屬于關鍵零件，在自控系統應用過程，需要嚴格按照裝置運行需求，搭配高精度配件、零件等，才可以保證補償效果。變電站內使用集中補償方案也有弊端存在，由于用戶用電需求不斷提升，加上環保觀念逐漸增強，變電站的改造補償裝置應用成效逐漸變弱，原有補償方式可能難以適應變電站節能運行需求。在設備運行階段也存在各類問題，不利于節能目標的實現。因此，為了解決配電網當中線路損耗問題，必須將電網功率改良。

2.3.3 終端補償

終端補償就是在用戶終端以分散的形式設置補償裝置，該補償模式決定著用戶對電網的使用體驗，應用過程可以在線路末端采取補償措施。應用終端補償能夠降低電量損耗，使電壓處于平衡狀態。需要注意，無功補償的運用必須根據變壓器運行需求，判斷補償裝置容量。

2.3.4 桿上補償

桿上補償指的是將電容器安裝在室外桿塔上，還可重新設置桿塔，選擇補償措施。該方法的應用可將配電網功率因數全面調整，控制線路損耗。與以上幾種補償方式對比，這種模式操作更加便利，有助于更好地發揮設備的性能。

3 10kV配電網無功優化自動化控制系統設計

3.1 系統架構

當前，10kV配電網運行階段，電網自動化管理系統被廣泛應用，特別是變電站應用“SCADA”這類管理系統，可以實現對線路參數的優化，補償電容器。在控制階段，通過對電容器的切換控制，達到自動化的補償效果。

控制系統的框架組成如圖1所示。

圖1 無功補償自動化系統框架設計

由圖1可知，變電站所有饋線都與不同的補償器進行同步運行，設置獨立補償器。在系統運行階段，相互交換信息，根據線路運行需求，借助上位機，實現對系統的自動化控制，并對補償器進行協調。

3.2 投切控制

在10kV 配電網運行時，受到饋線端的功率因數影響，電網運況可以實時反饋。無功補償自控系統設計，選擇補償電容器后，確認其在線路當中補償位置，計算補償量。同時，饋線首端的功率因數在計算時，借助變壓器功率參數，獲取準確的功率因數值。10kV配電網的運行，將饋線首端位置功率因數視為補償電容，以此作為系統投切造作設定的關鍵因數。

綜合考慮成本、電網結構等因素影響，大多還需依托無功功率，輔助補償電容的投切操作。一旦出現特殊情形，可能不能及時、精準得到饋線首端因數，此時需要借助電壓對補償電容的投切加以控制。在投切參數的選擇方面，需要重點考慮饋線端的功率電壓、無功功率，實現無功補償的自動化系統內補償電容的自動投切控制目標。

3.3 系統應用

3.3.1 確認補償點和補償容量

10kV 配電網的無功補償系統中，自動化控制的應用無功補償點、補償容量十分重要，合理確認能夠控制線路損耗問題。在10kV 配電網當中，線路損耗主要指的是無功電流損耗，也指有功電流產生損耗。而無功損耗來自配電線路，也有無功損耗率損耗。以上損耗需要依托控制措施才能有效控制，限制無功電流損耗問題。將補償裝置設置在配電線路中，獲得補償點、補償容量值等、達到補償目標。

同時，控制線路補償點數量、容量等設置，還能預防過度補償問題的出現，達到預期的補償需求。當借助非節點補償算法形式尋找較為優化的補償方案。結果顯示，將最佳的補償位置、補償容量確認后，不會增加無功補償成本，還能夠將非節點位置補償充分利用，逐漸提高電網管理水平，控制線損[3]。

確認10kV 配電網當中無功補償位置時，以自動化控制實現作為最終目標，遵循“就地平衡”之原則完成設備安裝，從而降低主干線當中無線電流值。以系統控制對10kV 配電網采取無功補償，科學配置補償容量，保證在最佳位置安裝電容器，從而改善電網的電壓環境，實現降低線損的目的。

3.3.2 補償參數確認和管理要求

補償參數確認和管理要求為：第一，要求泄露比距＞24mm/kV；第二，選擇“單星型”的界限模式，注意中點不可接地；第三，注意在投切開關的選擇上，接觸器使用高壓真空型；第四，電容器的額定電壓參數設定10.5kV時，保證其工作電壓低于12kV；第五，選擇放電電阻類型電容器安裝，此類裝置可實現對剩余電壓的調節，調節電壓＜50V，放電過程可以在10min 之內完成；第六，電流互感器選擇開啟式，型號為LZKW-10；第七，應用電容器保護措施時，保證過流、過電壓等為斷開狀態，測量精度＜0.5%。

此外，注意補償設備運維管理，運管措施運用直接決定補償效果。10kV配電網內有補償設備安裝時，應該做好現場管理工作，全面分析裝置應用環境，依據參數、設置等，制定投切方案，實現自控操作，提高裝置維護管理工作的有效性。

3.3.3 調整補償電壓

當和系統并聯的補償電容器被切除之后，能夠將變壓器的負載端電壓值改變，重新投入電容器還會將負載側的電壓質量有效提高。

借助電容器調整負載側電壓值，在投入電容器的使用前，需要對負載的功率因數進行重新設置，功率因數使用cosφ0，用U20代表負載電壓。cosφ0接入電容之后，功率提高因數使用cosφ+表示，負載側的電壓增加使用U2+表示，按照如下公式(1)進行計算：

電源電壓是U1,U2N表示變壓器負載額定電壓，變壓器位置電源側電的壓分接值為Ux。若電容器被切除，就可以對負載側電壓進行調整。最初操作前，用U20表示負載端的電壓，cosφ0代表功率因數。切除電容后，同cosφ表示功率因數降值，U1表示負載電壓降值，此時就能夠將負載側電壓的降低值計算出來，依托自動化系統的控制，完成補償電壓的調整[4]。

4 結語

針對10kV 配電網的無功優化自控系統設計，首要內容就是按照無功補償方式，制定補償方案，合理設計無功優化自控系統結構，選擇投切方法，科學設定補償參數，調整補償電壓，保證系統應用效益，發揮無功優化應用價值，降低配電網當中的線路損耗，提高配電質量。