配电网中低压无功补偿优化建模分析

张劲

(四川省电力公司自贡电业局，四川 自贡 643000)

目前状况下，经济的不断发展促使人们的用电量大大增加，与之相对应的，电网的负荷也有着较大程度上的增加。这就给相关的供电企业提出了更为严格的要求。要求其对电能的质量、电压的质量以及供电的可靠性进行一定的保证。无功电源很好的做到了这一点，它不仅可以进行对于电网电能质量的保证，还在一定程度上实现了电力网络损耗的降低以及运行安全性的提高。在相应的电力网络系统之中，一旦发生了功率因数降低的情况，就会很容易导致相应电器设备的利用程度不高。这样一来，就造成了其网络传输能力的大幅下降，进而致使损耗发生一定程度上的增加。不仅如此，如果情况较为严重，甚至还会对相关设备造成较大程度上的损坏以及系统出现瘫痪的现象。所以，实现对于无功补偿问题的有效解决，能够给相应的配电网络带来不小的便利，有助于其降低损耗、节约能源。

1 低压无功补偿的结构与原理

无功补偿系统包含了多个组成部分，分别是控制器、补偿单元、配电管理系统以及相应的电源底座等。其原理主要如下图所示：

首先需要进行的是对于电压以及电流的输入，然后再将之转换成相应的弱信号，并经过CPU处理运算进行对于配电网络各个基本参数的测算，测出其相应的三相电压、电流、功率因数值。接着，将当前状态下的功率因数与所设定的功率因素的最大值与最小值进行一定程度的比较，并由此将配电网络之中的无功负荷计算出来。除此之外，还需要运用逻辑学的相关知识进行判断，然后根据所判断的结果进行固态继电器控制的触发，实现电力电容器容量以及电力电容器的组数的投切。同时在这一过程之中，相应的控制器会进行对于配电网络负荷情况的监测，并将所监测的情况及时上传到系统之中，相关的系统会根据之前所设定的参数来进行对于物理量的有效处理，并通过一系列的操作实现对于电力电容投切组合的改变，以此来保证配电网络的稳定有效的运行。

2.1 控制器

控制器是由多个部分组成的，主要部分是控制器主板、信号板以及显示和控制信号面板，除此之外，还有一些小的部件：控制器电源、输入输出接口以及通讯接口等。控制其的主板主要采用的是工业级80C196的单片机作为其主要核心，并依托于这一核心实现对于信号的一系列操作，主要是信号的变换、处理、运算以及相应的逻辑判断。除此之外，它还通过控制信号来实现对于固态继电器开关以及电容器投切的有效控制。而对于显示和控制面板来说，其主要的功能就是实现所设定参数值、工作的状态以及电网运行实时数据的显示。输入接口的主要作用是进行对于电压以及相应的电流信号的输入，使之进入到控制器之中，然后再通过CPU处理器实现各种处理操作。而输出接口的主要作用是进行控制信号的输出。并利用RS232实现控制器与抄表机之间的相互通讯。

1.2 无功补偿单元

相应的补偿单元主要是由两部分组成的，分别是固态继电器以及电力电容器。使用功率较大的固态继电器来实现对于投切的开、关，它存在两个十分突出的特点，分别是过零投切以及不存在涌流冲击的现象。而对于补偿电容器来说，它主要是使用在式金属膜电容之中，最大的特定就是拥有一定的自愈功能。依据所检测出的无功负荷的大小来进行对于电容器投切的控制。当相应的无功负荷量达到一定程度时，就可以将其全部投入到一级电容之中。与之相反的是，如果无功负荷不断减少，并达到一定的程度时，就很据级别的由高到低的顺序来进行对于电容的切除，这样一来，才能有效的实现补偿，达到所期望的效果。同时，一般情况下进行每次投切之时都会存在一定的延时以此来进行投切过程稳定的保证。

2 无功补偿容量的确定

主要存在着两种方法来确定相应的补偿容量，分别是依据提高功率因数的需要来进行对于补偿容量的确定以及依据有关规定和经验来进行对于补偿容量的确定，下面我们进行分别阐述：

①依据提高功率因数的需要来进行对于补偿容量的确定。将相应的补偿容量按照如下的方法进行计算：

描述：在这一式子中，cos1与cos2分别指的是补偿前后的平均功率参数；而 α主要指的是年平均有功负荷系数，一般情况下，它的值保持在0.70到0.75之间；而β主要指的是年平均无功负荷系数，一般情况下，它的值保持在0.76到0.82之间。

②依据有关规定和经验来进行对于补偿容量的确定。相关部分做出了如下的规定：1O0kVA及其以上的配电变压器应该采用自动跟踪补偿，并采取一定的就地补偿与就地平衡机制。一般情况下，进行对于配电变压器的无功补偿的配置主要是按照其容量的15%到30%来实现。

3 无功补偿与供电质量

3.1 提高设备的利用率

功率因数还存在如下的一种形式：

描述：在这一式子中，U主要指的是线电压（kv）；I主要指的是线电流（A）。

从上面的式子中，我们可以发现：保证一定程度上的电流与电压稳定的前提下，进行对于cos的提高，可以促使其有功功率增大。所以，实现对于功率因数的改善，可以在很大程度上发挥相关设备的潜力，同时也在一定程度上提高了设备的利用效率。

3.2 减少电压损失

配电网络电压损失计算公式为：

从这一式子中，可以发现：主要是由4个因素对U造成一定程度上的影响，分别是有功功率P、无功功率Q、电阻R以及相应的电抗x。如果运用电容xc来对电抗x进行补偿，那么相关配电网络的电压损失又可以写为：

所以，运用相应的补偿电容来进行对于功率因素的提高之后，电压损失就会发生一定程度上的减小。这样一来，就对电压的质量起到一定的改善作用。

3.3 减小线路损耗

当相应的线路通过电流I时，有功损耗就为:

或者，

由此可见，相关线路的有功损失与cos2之间存在着一定的反比例关系。所以，线路有功损失 P随着cos的变大而减小。

3.4 提高电网的传输能力

视在功率与有功功率之间存在着一定的关系，其关系主要通过以下式子表现：

从这一式子中，可以发现：视在功率与cos之间存在着反比例的关系，当cos越高时，视在功率也就越小。

4 经济效益分析

4.1 供电部门的经济效益

如果一台变压器的容量为250kVA，那么在用电高峰时期，其功率因数就会达到0.70。而如果进行增容，将原有的变压器换为315kVA的变压器，就需要花费一笔资金，具体的费用类型为增容费、变压器购置费、材料费以及施工费，这显然不是合理的方法。但是如果进行对于功率因数的提高，将其提高至0.90，那么就可以将相应的配变供电能力提升70kVA，这样就节约了一笔资金。

4.2 工业企业的经济效益

根据国家的相关规定，如果企业的平均功率因数在0.95之下，需要进行一定的罚款。但是如果把相应的功率因数由原来的0.80提升到0.95以上，那么一年就可以节省下2到3万元的调整电费。

4.3 居民用户的经济效益

一般情况下，电器的使用寿命主要受到三个因素的影响，分别是电器的本身性能、电器的自然损耗以及供电的质量与电压性质。一项研究表明：白炽灯等家用电器的使用寿命在一定程度上受到电压变化的影响。

在上面的式子中，我们可以发现：若能在一定程度上进行对于电压合格率的提高，只要将原来的95%提高到99%，就可以使得家用的电器使用寿命延长10个百分点。这样一来，就带来了巨大的社会经济效益。

结语

随着社会的发展，配电网中低压无功补偿会发挥越来越重要的作用。我们进行这一课题的研究，希望使得人们对于配电网中低压无功补偿有更深层次的了解，并在一定程度上为同行提供了参考。

[1]陈化钢.城乡电网改造实用技术[M].中国水利水电出版社，1999.

[2]靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].中国水利水电出版社，1991.

[3]陈章潮等.城市电网规划与改造仁[M].中国电力出版社，1989.

[4]刘健等.配电自动化系统[M].中国水利水电出版社，1999.

[5]王明俊，于尔铿，刘广一.配电系统自动化及其发展[M].中国水利水电出版社，1998.