10kV配电网无功优化自动化控制系统设计

山西潞光发电有限公司 王冬冬

1 引言

社会科技的迅速发展，促进了电力行业技术的革新和发展，无功优化技术因此备受人们的关注。因为10kV 配电网运行阶段可能会受到外界环境、人为因素等外部条件的影响，导致电网运行的能耗不断增加。而应用无功补偿技术能够对电网运行过程进行不断优化，同时，在无功优化的应用阶段，自动化控制的应用能够为10kV配电网稳定运行提供支持，因而达到远程投切的控制目标。

2 10kV配电网无功补偿相关内容分析

2.1 无功补偿原理

无功补偿即指将补偿元件、设备等安装在配电网当中，例如内置补偿电容器，作为电动机或者变压器等设备运行电能供应设备，无功补偿所属配电网是系统之内的重点结构。对于补偿装置妥善利用，可以限制电网电压传输阶段的无功功率。整体而言，电网输出功率存在两种形式：一是有功功率，具体是将光、机械等能量转化消耗电能；二是无功功率，当电网运行不必消耗电能，将电能转化为其他能源类型，由此产生的功率就为无功功率。例如，当电能被转化，变为电磁能时，使电网内部元件和设备工作[1]。

2.2 无功补偿作用

在电网自控系统当中，应用无功补偿旨在补偿功率，提升电网内的功率因数，抑制无功功率出现导致电网、变压器等出现损耗。无功补偿为调节供电模式有效方法。电网系统内，无功补偿处于自控系统内应用效果显著，要求工作人员遴选补偿设备，只有科学配置，才能够控制设备对于电网运行产生的影响，能够不断提高配电质量。若在无功补偿过程，没有按照供电量配置装置流程操作，必然会影响电网稳定运行，也难以保证电压稳定，达到用户用电需求。

无功补偿装置的应用能够将电能质量不断提高，将配电网中的设备潜能激发，若有功数值始终保持恒定状态的时候，无功值就会不断减小，此时，电网内部存在的有功功率增加，可见，补偿设备安装在电路当中后，能够实现线路功率的补偿，从而控制发电机的无功功率产生概率，控制用户电费成本，提高用户使用体验。

2.3 常用补偿方式

2.3.1 低压补偿

所谓低压补偿就是在配电网系统当中安装低压电容器，利用电压开关，将电容器和低压母线相连，组合成投切装置，通过无功补偿，结合用电需求调节电网电压。需要注意的是，应用这种补偿方式虽然能够整体调节电容器，但是也存在不同程度弊端，即电容器的调整难以分批进行。

同时，应用低压补偿还可将电网运行电量消耗量有效控制，通过弥补的方式，让电网电压处于稳态运行。由于低压补偿的操作相对简单，工程建设涉及的工量较小，便于后期维护，能够确保无功平衡，因此可以将配变的利用率有效提升，控制电网线损问题。

除此之外，低压补偿的应用成本较低，因此属于应用广泛的补偿方案。在实际应用环节，需要根据配电网具体情况采取控制措施，以维持电压状态稳定[2]。

2.3.2 变电站补偿

为消除10kV 配电网内无功不平衡现象，管理者可以依托变电站对于补偿装置进行集中设置，用科学方式整改线路。同时，10kV 配电网运行阶段，运用集中补偿还可选择配电站母线，在其一侧设置补偿电容，实现集中补偿目标。此装置的应用可以按照补偿需求，将电容器和补偿器并联，为无功补偿的顺利应用提供支撑。

同时，补偿装置属于关键零件，在自控系统应用过程，需要严格按照装置运行需求，搭配高精度配件、零件等，才可以保证补偿效果。变电站内使用集中补偿方案也有弊端存在，由于用户用电需求不断提升，加上环保观念逐渐增强，变电站的改造补偿装置应用成效逐渐变弱，原有补偿方式可能难以适应变电站节能运行需求。在设备运行阶段也存在各类问题，不利于节能目标的实现。因此，为了解决配电网当中线路损耗问题，必须将电网功率改良。

2.3.3 终端补偿

终端补偿就是在用户终端以分散的形式设置补偿装置，该补偿模式决定着用户对电网的使用体验，应用过程可以在线路末端采取补偿措施。应用终端补偿能够降低电量损耗，使电压处于平衡状态。需要注意，无功补偿的运用必须根据变压器运行需求，判断补偿装置容量。

2.3.4 杆上补偿

杆上补偿指的是将电容器安装在室外杆塔上，还可重新设置杆塔，选择补偿措施。该方法的应用可将配电网功率因数全面调整，控制线路损耗。与以上几种补偿方式对比，这种模式操作更加便利，有助于更好地发挥设备的性能。

3 10kV配电网无功优化自动化控制系统设计

3.1 系统架构

当前，10kV配电网运行阶段，电网自动化管理系统被广泛应用，特别是变电站应用“SCADA”这类管理系统，可以实现对线路参数的优化，补偿电容器。在控制阶段，通过对电容器的切换控制，达到自动化的补偿效果。

控制系统的框架组成如图1所示。

图1 无功补偿自动化系统框架设计

由图1可知，变电站所有馈线都与不同的补偿器进行同步运行，设置独立补偿器。在系统运行阶段，相互交换信息，根据线路运行需求，借助上位机，实现对系统的自动化控制，并对补偿器进行协调。

3.2 投切控制

在10kV 配电网运行时，受到馈线端的功率因数影响，电网运况可以实时反馈。无功补偿自控系统设计，选择补偿电容器后，确认其在线路当中补偿位置，计算补偿量。同时，馈线首端的功率因数在计算时，借助变压器功率参数，获取准确的功率因数值。10kV配电网的运行，将馈线首端位置功率因数视为补偿电容，以此作为系统投切造作设定的关键因数。

综合考虑成本、电网结构等因素影响，大多还需依托无功功率，辅助补偿电容的投切操作。一旦出现特殊情形，可能不能及时、精准得到馈线首端因数，此时需要借助电压对补偿电容的投切加以控制。在投切参数的选择方面，需要重点考虑馈线端的功率电压、无功功率，实现无功补偿的自动化系统内补偿电容的自动投切控制目标。

3.3 系统应用

3.3.1 确认补偿点和补偿容量

10kV 配电网的无功补偿系统中，自动化控制的应用无功补偿点、补偿容量十分重要，合理确认能够控制线路损耗问题。在10kV 配电网当中，线路损耗主要指的是无功电流损耗，也指有功电流产生损耗。而无功损耗来自配电线路，也有无功损耗率损耗。以上损耗需要依托控制措施才能有效控制，限制无功电流损耗问题。将补偿装置设置在配电线路中，获得补偿点、补偿容量值等、达到补偿目标。

同时，控制线路补偿点数量、容量等设置，还能预防过度补偿问题的出现，达到预期的补偿需求。当借助非节点补偿算法形式寻找较为优化的补偿方案。结果显示，将最佳的补偿位置、补偿容量确认后，不会增加无功补偿成本，还能够将非节点位置补偿充分利用，逐渐提高电网管理水平，控制线损[3]。

确认10kV 配电网当中无功补偿位置时，以自动化控制实现作为最终目标，遵循“就地平衡”之原则完成设备安装，从而降低主干线当中无线电流值。以系统控制对10kV 配电网采取无功补偿，科学配置补偿容量，保证在最佳位置安装电容器，从而改善电网的电压环境，实现降低线损的目的。

3.3.2 补偿参数确认和管理要求

补偿参数确认和管理要求为：第一，要求泄露比距＞24mm/kV；第二，选择“单星型”的界限模式，注意中点不可接地；第三，注意在投切开关的选择上，接触器使用高压真空型；第四，电容器的额定电压参数设定10.5kV时，保证其工作电压低于12kV；第五，选择放电电阻类型电容器安装，此类装置可实现对剩余电压的调节，调节电压＜50V，放电过程可以在10min 之内完成；第六，电流互感器选择开启式，型号为LZKW-10；第七，应用电容器保护措施时，保证过流、过电压等为断开状态，测量精度＜0.5%。

此外，注意补偿设备运维管理，运管措施运用直接决定补偿效果。10kV配电网内有补偿设备安装时，应该做好现场管理工作，全面分析装置应用环境，依据参数、设置等，制定投切方案，实现自控操作，提高装置维护管理工作的有效性。

3.3.3 调整补偿电压

当和系统并联的补偿电容器被切除之后，能够将变压器的负载端电压值改变，重新投入电容器还会将负载侧的电压质量有效提高。

借助电容器调整负载侧电压值，在投入电容器的使用前，需要对负载的功率因数进行重新设置，功率因数使用cosφ0，用U20代表负载电压。cosφ0接入电容之后，功率提高因数使用cosφ+表示，负载侧的电压增加使用U2+表示，按照如下公式(1)进行计算：

电源电压是U1,U2N表示变压器负载额定电压，变压器位置电源侧电的压分接值为Ux。若电容器被切除，就可以对负载侧电压进行调整。最初操作前，用U20表示负载端的电压，cosφ0代表功率因数。切除电容后，同cosφ表示功率因数降值，U1表示负载电压降值，此时就能够将负载侧电压的降低值计算出来，依托自动化系统的控制，完成补偿电压的调整[4]。

4 结语

针对10kV 配电网的无功优化自控系统设计，首要内容就是按照无功补偿方式，制定补偿方案，合理设计无功优化自控系统结构，选择投切方法，科学设定补偿参数，调整补偿电压，保证系统应用效益，发挥无功优化应用价值，降低配电网当中的线路损耗，提高配电质量。