电压优化精细补偿装置在低压末端的研发的应用

朱全邦 肖裕富

摘 要：提高低压线路末端的电压与功率因数，对于线路较长的线路末端用户有着非常重要的作用，尤其一些山区低压线路末端的电压往往低于180 V，导致用户无法正常用电，低压侧用户大多是用单相电，更是存在着严重的三相不平衡等问题，这些问题的存在，给末端用户带来了极大的用电问题，同时也是供电部门急待解决的问题。文章介绍了一种新型的无功补偿装置，分析了该种补偿装置与传统的无功补偿装置相比的优缺点，并对无功补偿装置的发展趋势进行了展望。

关键词：电压优化精细补偿；低压线路末端；低电压

中图分类号：TM714.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）21-0136-05

电压优化精细补偿装置是结合福建省多山区、线路较长、线路末端电压较低而专门研发的一套无功补偿装置，具有优化线路及末端电压，提高功率因数等功能，该产品在整体福建省属首创技术。

1 国内公用变压器低压无功补偿的现状

随着人民生活水平的提高，电力作为一种清洁高效能源更加受用户青睐，空调、冰箱、电磁炉、厨煲等大功率电器迅速普及，居民用电以年均20%～30%的速度快速增长。低压线路中、后端电压低问题日益显现，给用户带来了极大的不便，成为当前电力客户投诉热点。为解决电压低这一问题，目前主要措施是配变新增或增大低压导线线径，提高供电能力。但是配变新增投资大，周期长，线路走廊和占地问题协调难，增大低压导线线径也因低压线路往往沿墙架设而处处受阻，电压低问题难以快速解决。另外随着用电负荷不断增长，无功负荷迅速增大，导致低压线损率居高不下，严重影响供电企业的经济效益，甚至社会效益。

传统低压无功补偿装置安装于配变的首端，进行集中的补偿。仅补偿了配变及以上高压无功负荷，低压用电设备的无功负荷仍通过低压线路供到用电设备上，低压线路因无功负荷存在呈现总负荷大，应补偿的无功负荷无法得到补偿，导致低压线损高、电压损耗大，且传统的无功补偿设备体积大，重量大，不利于在线路中后端安装。

传统电容补偿柜是主要通过普通无功补偿控制器和投切开关，和电力电容器组合，根据功率因数的高低，来投切电力电容器，来提高功率因数，其投切的原理是根据功率因九的高低或无功功率无功率的大小，来判断是否要投切，起到补偿的目的。

传统电容补偿柜缺点也很明显，单一的判断模式，容易形成频繁投切，如在投切的临界点，不投入电容器就会欠补偿，投入电容器就会过补偿，因此会形成频繁投切，形成投切震荡，形成电压拨动，从而不能够正常用电，另一个问题，一些线路较的用电区域，存在这样一种情况，线路的功率因数很高，但是线路的电压却很低，这时依靠功率因数或无功功率就无法再补偿。

基于电压优化精细补偿装置，可以很好的解决这些问题。台区终端电压优化精细补偿装置体积小、质量轻，免接地非常适合线路中后端安装。装置的运行投切以电压高低为主要投切条件，功率因数高低为辅助投切条件的组合投切控制方式，采用阶梯式电容配置组合，实现12个阶梯的精细分档，根据比较标准电压的偏差情况自动进行阶梯式投切电容，电容投切更加精确可靠，使低压供电线路具有显著的降损提压效果，既补偿低压线路的无功负荷，也补偿了配变及以上高压无功负荷。

2 项目内容

项目研究首先选定出现低电压的台区，并对该台区的变压器容量、负荷分部、供电半径、及导线截面积的情况和运行数据（主要是电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等）进行分析，然后研究设计无功补偿容量和设备安装点并完成有关的实验和测试，最后将其安装到选定的负荷端进行串补调压。具体研究内容可分为如下过程：

①首先分析待补偿点的电能质量现状和用电设备的主要特征。

②其次在上述分析的基础上，查阅文献后，确定设备元件的型号、参数、性能绘制设备的主回路图、二次控制图纸和安装图，编写和调试自动控制程序。

③根据图纸设计出智能型的电压优化补偿装置，同时根据安装线路的历史运行数据，对设计模型进行模拟调试，确定方案的可行性。

④最后将控制柜安装在选定的配电线路上，挂网进行系统调试，分析补偿后的运行数据和提压降损的效果。

3 项目研究过程

①立项后，充分了解福鼎地区主要乡镇去实地测量农村电网的电压、负荷、线路的特征。特别针对一些供电半径长、负荷分散的变台，通过实地测量可以看出，农村的用的特点是中午和晚上时候是用电高峰期，都不同程度的出现了电压偏低的情况，特别是位于线路末端的负荷，电压偏低更为严重。

②通过查阅大量的文献资料和咨询有关专家，了解目前电网在提高电能质量，特别是处理电压偏低方面的技术，综合目前的研究成果，重点对线路中后端无功补偿进行了详细的分析和研究。

③确定线路中后端无功补偿方案的主电路和控制电路，同时选定需要补偿的安装点，采集该线路的运行数据，确定电压优化智能补偿装置元器件及其参数的选型和控制程序的编写及模拟试验。

④挂网运行，并采集挂网前后的运行数据进行比较，分析挂网后的提压降损的效果，撰写结题报告等材料。

4 解决的关键技术问题

基于电压优化的低压精细无功补偿装置开发，重点解决的关键技术问题有以下几个方面：

①如何有效利用电容器来优化电压，同时能够不产生过补偿及电压波动等问题。

②如何做到精细化补偿，又能够避免频繁投切，精细化实补偿会共补分补同时补偿而且分组会比较细，负荷较小的变动可能就会引起投切，如何能够避免频繁投切也是一大技术难题。

③结构优化设计，便于现场安装。

5 无功补偿和电压补偿原理

电网输出的功率包括两部分：一是有功功率，二是无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能；只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90？觷，而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90？觷，在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180？觷，如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。

由于传统低压无功补偿装置安装于配变的首端，进行无功集中补偿，仅补偿了配变及10 kV高压线路无功负荷，属中间无功补偿。而低压用电设备的无功负荷仍通过低压线路供到用电设备上，无法解决低压线路中因无功负荷存在导致的电压损失大、线损率高的问题，也就无法解决低压线路中因无功负荷存在导致的电压损失大、线损率高的问题，也就无法解决低压线路中、后端电压低问题。而电压优化智能箱通过综合测控模块，可实现12级无功补偿量组合，能实时根据配变低压系统存在的无功负荷变化情况阶梯式地投入相应容量的低压电力电容，实现精细无功补偿功能，最大限度补偿低压系统无功负荷。而装置安装于线路的中、末端，降低了安装点前端低压线路无功负荷，既降低了低压线路线损，又降低了低压线路的电压损失，优化了低压供电系统的电压。

逻辑算法如下：

①参考指标包括电压，功率因数，无功功率。

②补偿类型包括电压型补偿，无功功率型补偿。

③电压型补偿。通过终端采集电压电流信号，经FFT变换得到三相电压。当三相电压低于下限电压，则进行电容投入，当电压高于上限电压则停止投入，过补偿可调，在不允许过补偿时，出现过补就会切除投入电容，在允许过补偿时，当负无功功率大于设定的门限时则切除投入电容。当电压高于极限电压上限时则切除投入电容。当谐波大于设定门限值，则切除投入电容。当出现缺相也切除投入电容。

④无功功率型补偿。终端采集到电压电流信号，算出无功功率及功率因数，从而综合判断。当三相无功功率高于设置电容容量，则进行电容投入，等容投切按先投后切，先投共补后投分补，先切分补后切共补，不等容按无功功率先投小的，再投大的，切除时先切除大的再切除小的。过补偿可调，在不允许过补偿时，出现过补就会切除投入电容，在允许过补偿时，当负无功功率大于设定的门限时则切除投入电容。当谐波大于门限值，则切除投入电容。当出现缺相也切除投入电容，无功功率型补偿示意图如图1所示。

6 方案设计

①外壳结构。为户外防雨结构，顶盖大于箱体30 mm或以上；箱体可前后开门维护，加内仪表门，用于安装电流电压、投切状态指示及无功补偿控制器，外门开玻璃观察镜，箱体底部开电缆出线孔，箱体左右侧及底部开散热孔，并有防雨和防小动物措施。箱体顶部有吊环，底部有安装孔。顶部吊环有防雨措施。

②电气连接。进线采用户外式瓷瓶铜头，规格≥20 mm，采用铜芯导线连接，二次控制部分导线≥1.5 mm。

③电器性能。所选用的电器元件必须国标合格产品，属国家强制性产品的并获得CCC认证，无功补偿装置为三相和分相补偿，投切开关采用智能式复合开关，复合开关具有电压故障保护功能，两次接通的时间≥120 s，响时间≤1 000 ms；补偿控制器采用电力参数分析控制仪。

④控制仪具备如下功能。其一，优化电压。通过监测工作电压，当其低于正常范围的时候，终端将自动调节补偿，从而使工作电压达到一个合理的范围，允许过补偿和不允许过补偿可设定，允许过补偿的量也可调，从而起到优化工作电压的作用。其二，降低线损。通过优化电压，无功补偿，提高功率因数，从而改善电能质量，起到降低线损的作用。其三，精细化补偿。共补和分补自动选择来最优组合来补偿，根据无功功率来精确补偿，以及自动分相无功补偿投切控制等功能。其四，通讯功能。具有标准S232/R485数据接口，通过RS232/R485接口与计算机/抄表器/无线模块连接，可实现本地与远程数据信息的采集和交换。其五，记录功能。统计记录各相电压、电流、功率因数、有功/无功功率、谐波、频率的数据。其六，设置功能。具有设置设备参数功能。其七，无功投切控制功能。能灵活使三相共补、三相分补或两者结合的方式。可以分为：电压型补偿、无功功率型补偿。能智能选择电容器投切组合，投切控制取样物理为电压和功率因数。控制输出接点12路，每路DC12 V（60 mA）或者AC220 V（5 A）。具有编码投切功能，投切方式可采用全Y、全△或Y+△接法。控制输出能适电子开关、交流接触器、负荷电子开关或真空接触器等不同投切元件。

⑤保护功能。具有上电、断电保护功能和自检查复归功能，具有缺相保护功能，具有谐波超限保护功能，超限及故障警示功能，当电网出现故障或某个报警参数超限时，对参数反显、提示。

⑥一次回路及与一次回路连通的辅助电路能耐受2 500 V工频电压5 s。

⑦电容器投切有明显的三相投切指示灯。

⑧接地。配电箱设置满足接地稳定电流条件接地母排，所有接地的电器元件均与之可靠连接，并有≥12 mm的接地引入压接镙栓。

7 功能实现过程

将电压优精细补偿装置装在电线杆上，将线路三相电压接入，装置采集三相电压信号，通过电流互感器可以采集到电流信号，由电压优化精细补偿控制器，进行实时监测分析，根据设定的投切模式，满足投切条件时，由电压优化精细补偿控制器发出投切指令，可控硅开关接到投切指令以后，来负责电容器和电网的接通和断开，具体投切条件是，通过监测工作电压、功率因数、无功功率，当其低于正常范围的时候，终端将自动调节补偿，从而使工作电压达到一个合理的范围，允许过补偿和不允许过补偿可设定，允许过补偿的量也可调，从而起到优化工作电压的作用。降低线损：通过优化电压，无功补偿，提高功率因数，从而改善电能质量，起到降低线损的作用；精细化补偿，共补和分补自动选择来最优组合来补偿，根据无功功率来精确补偿，以及自动分相无功补偿投切控制等功能。

8 基于电压优化精细补偿装置的组成

基于电压优化精细补偿装置如图2所示。“基于电压优化精细补偿装置”有以下四个单元组成：系统软件管理单元，测量控制单元，无线通讯模块，无功补偿单元。

各部分功能如下：

①主站管理单元，可以不用上杆，系统主站就能通过分析处理测控单元上传的电网实时信息数据，同时也能够修改终端参数，把终端里存储的数据抄收到系统中，可以进行数据分析，统计，及报表打印。

②测量控制单元是利用电压、电流互感器从电网中检测各种电网信息数据，经过信号转换、运算、分析和控制决策，最后由控制器自行进行电压优化精细补偿的运算，发出数字投切指令。

③无线通讯模块单元是利用无线通讯网络将测控单元（控制器）发来的线路电网信息数据发送给主站或将主站的指令下发到测控单元的数据传输通道。此单元是实现系统达到就地四遥（遥测、遥信、遥调、遥控）的关键。

④无功补偿单元为无功功率发生单元通过接受测控单元的投切指令完成开关的合、分闸动作，接通和开断电容器组，电压优化精细补偿投切单元在系统中起着主要作用，其他单元都是为它服务的，它的主要组成包括电压优化精细补偿控制器、智能电容器、电流互感器、避雷器、断路器等。

9 电压优化精细补偿主要技术参数

电压优化精细补偿主要技术参数如下：额定频率：50 Hz；额定电压：380 V；额定绝缘电压：660 V；额定电流：视变压器容量与之匹配；断路器额定短路开断电流：30 kA；电气间隙：≥5.5 mm；爬电距离：≥12.5 mm；外壳防护等级：IP30；安装方式：户外杆上。

10 电压优化精细补偿的主要功能

①优化电压，降低无功。通过全理的投入电力电容器，可以优化电压，提高功率因数，从而改善电能质量，起到用电节能减排的作用.

②采集功能。三相电压；三相电流；三相有功功率；三相无功功率；三相功率因数；电量总量；三相电压、三相电流的波形真度、畸变因数；三相的2～13次谐波含量及总谐波含量；频率。

③记录功能。能统计记录各相电压、电流、功率因数、有功/无功功率、谐波、频率的最大值、最小值及出现时刻；能统计记录每组电容投切次数、投入时间；能统计记录各相电压超上、下限时间及缺相时间；能统计记录1 min最大电流；能统计记录停电时刻、来电时刻；能统计记录有功/无功电量、月累计停电时间；能整点记录各相电压、电流、功率因数、有功/无功功率、有功/无功电量、频率；能整点记录电压/电流各次谐波、电压谐波精度达到千分位；能记录各相电压值超上、下限的累计时间、超限率及电压合格率；能统计庙宇时间段内的运行时间、超限时间、供电可靠率及电压合格率；能实时记录有功/无功电度字头、失电不丢失数据；能记录整点负荷率和有、无电量；能记录每日最大、小负荷率及出现时间；能记录每日最大、小三相负荷不平衡率及出现时间。

④显示功能。可实时显示三相电压、电流、功率因数、有功/无功电度、零序电流、电压/电流谐波、频率、电容器投切状态、故障状态、系统时间；可显示设备编号、电流互感器变比、有功/无功电度初值预置值欠压、电压上/下限值、零序电流超限值、电压谐波总畸变率超限值、投切电容器的路数、编码方式、每路电容容量、投切电压门限、投切延时时间等

⑤设置参数。可设置密码、设备编号、电流互感器变比、有功/无功电度初值、系统时间；可设置过压/欠压保护值、电压上/下限值、零序电流超限值、电压谐波总畸变率超限值；可设置投切电容器的路数、编码方式、每路电容容量、投切电压门限、投切延时时间。无功投切控制功能能灵活适应三相共补、三相分补或两者结合的方式；可以分为：电压型补偿，无功功率型补偿；能智能选择电容器投切组合；投切控制取样物理为电压和功率因数；控制输出接点12路，每路DC12 V（60 mA）或者AC220 V（5 A）；具有编码投切功能，投切方式可采用全Y、全△或Y+△接法；控制输出能适应电子开关、交流接触器、负荷电子开关或真空接触器等不同投切元件。

⑥存储功能。采集的各类数据能在终端存储2个月：整点数据一个点/h；统计数据一个点/天；谐波数据一个点/小时；停电数据保存最近25条。

⑦保护功能。具有上电、断电保护功能和自检查复归功能；具有缺相保护功能；具有谐波超限保护功能；超限及故障警示功能；当电网出现故障或某个报警参数超限时，对应参数反显、提示。

⑧无线通讯功能。支持GPRS无线通信查询以及设置参数、定值。

⑨上位机软件功能。有完善的上位机软件，可用于现场远距离的数据通讯，如参数设置、数据抄收等。

11 项目创新点

①首次在农网配电低压侧使用无功补偿原理与电压优化与关联，来优化电压，形成一个完整的电化优化解决方案。

②首次将精细化无功补偿补偿方案运用到农网配电项目中，实现补偿的精细化，又避免了频繁投切，三相不平衡以及过补偿等问题。

③首次将电压优化、精细化无功补偿、及配变监测、负荷实测、通讯管理、系统管理结合在一起，形成了一套既能优化电压又能补偿无功同还进行负荷实侧。

④传统无功补偿装置均选择功率因数作为控制物理量。本装置以电压高低及功率因数高低的组合为约束条件自动投入相应无功容量的电容器。以电压波动、功率因数组合作为投切门槛，在设定范围根据变化情况实现阶梯式分组投切。

⑤本装置采用补偿无功量实行阶梯式组合配置，精细分档，根据电压、无功功率偏差可实现阶梯式无功量投入，控制更加精确可靠。

⑥本装置安装于低压线路中、后端，在确保配变首端不过补、安置点可适当过补，大大提高无功补偿装置效率。

⑦该装置体积小（体积只有传统装置大小的1/4）、成本较低、安装方便（只需单杆或墙体即可安装，带电安装）、因外壳为SMC绝缘材料可无接地。

12 设计控制参数，优化装置与现场用电情况的匹配

电压优化精细补偿装置要根据不同的用电情况来设计现场装置的系统参数方案，这是该装置功能强大的地方，能够根据不同的现场来制定不同的控制策略，满足各种现场的使用要求，如现场需要根据无功功率进行补偿，即功率因数不高，0.85以下，那么就用无功功率模式来制定投切策略，通过无功功率，功率因数，电压，零序电流，电压谐波，电流谐波综合来判断，保证功率因数适中在一个合格的范围内，并且无投切震荡，如现场需根据电压进行投切控制，即电压低于198 V，那么就要用电压模式进行投切，根据电压来制定投切策略，根据系统电压进行投切，保证系统电压是合格的范围内，保证用电的可靠性。

13 现场应用数据分析

在选定台区的安装点安装台区终端电压阶梯补偿装置后，通过对运行数据的分析比较可以看出台区终端电压优化精细补偿装置具有很好的调压效果。在台区终端电压优化精细补偿装置前，变台线路中后端的用户常常在线路高峰负荷时电压明显偏低，对电压质量要求高的生产设备无法正常运行，严重影响了居民的正常生产活动。而在台区终端电压电压优化补偿装置安装完成后，其将能够根据负荷电压的大小自动调节电压补偿量，提高负荷电压，从而改善了电能质量，对保居民的正常生产与生活具有重要的意义。以下分析台区终端电压员电压优化精细补偿装置的提压降损效果。

综合表1、表2可得，安装了阶梯式电压优化补偿装置后，配变低压线路安装点电压均有不程度的提高，最大提高电压20 V，平均最大提高电压14.2 V。配变低压台区线损率均有不同程度的下降，线损最大下降了2.05%，平均降损1.45%。

安装了电压优化精细补偿装置的5台配变台区每月可节省低压线损电量9 697.61 kW·h，平均每台每月节省电量1 939.52 kW·h，每年每台投运该装置可节省低压线损电量23 274.26 kW·h（约2.33万kW·h），以平均售电价0.57元/ kW·h计算，每年每台可节省低压线损金额约1.33万元左右。这仅计算了低压线路线损降低部分，而实际还能降低配变连接高压线路的线损，并提高配变利用率及降低高压线路安装无功补偿设备容量等。

通过对安装电压优化精细补偿装置分析和总结，安装于低压线路中、后端的电压优化精细补偿装置的研究成功并广泛运用可大幅度地降低电网线损及输电成本、改善低压台区电压质量、提高配电变压器的承载能力、降低低压供电系统运营成本，体现出了极大的优越性。不但具有较高的经济效益，同时社会效益更加显著，具有极大的推广价值。

14 项目完成时主要技术指标

①优化电压。通过无功补偿提升电压并控制电压，使电压控制在国家规定的范围内，单相供电220 V居民客户受电端：-10%～+7%，即用电时最高电压不高于236 V，最低电压不低于198 V。三相供电10 kV（6 kV）专线客户或380 V客户端：-7%～+7%，即用电时最高电压不高于10.7 kV（6.42 kV）或407 V，最低电压不低于9.3 kV（5.58 kV）或353 V。

②精细补偿。通过科学有效的电容器分组，共补分补相结合，单位步长不大于5 kVAR，来实现精细补偿，并且功率因数保持在0.95及以上，不震荡，不过补。

③可实现对配电电压、电流、无功功率、功率因数等实时检测功能，保存数据时间长，便于对故障进行统计分析；补偿模块具有投运、退运、故障自诊并提示功能，电容器组容量与温度的实时监测功能，避免对配电网和设备造成影响。

15 结 语

对于供电半径大、负荷波动大的配电线路，线路的电压损耗较大，常常造成负荷端的电压水平偏低，电压波动大，难以满足电压质量要求。因此，需要用补偿装置进行电压调节，以提高和稳定负荷侧的电压。现有的传统无功补偿装置无法补偿线路中后端，难以适应于供电半径大、负荷波动大的配电线路，本次研制的台区终端电压优化精细补偿装置能够很好适应这一供电状况。

通过在选定的负荷点安装台区终端电压优化精细补偿装置，对运行数据的分析比较可以看出台区终端电压优化精细补偿装置具有很好的提压降损效果，同时能根据负荷特征自动调节电压补偿量，对于改善电能质量，保证居民的正常生产、生活具有重要的意义。

不少专家认为，由于电力电子器件的价格会不断下降，因此随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来电压优化精细补偿装置将成为配网中无功补偿技术的发展方向。

参考文献：

[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 李群湛，连级三，高仕斌.高速铁路电气化工程[M].成都：西南交通大学出版社，2006.

[3] GB/T 14549-1993，电能质量公用电网谐波[S].

[4] 刘进军，王兆安.瞬时无功理论与传统功率理论的统一数学描述及物理意义[J].电功技术学报，1998，（6）.

[5] 李群，蒋平.电能质量与节能技术[M].北京：中国电力出版社，2008.