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摘要：电网管理中通过无功功率的最佳补偿,不仅能够保持电压稳定和电网系统的正常运行,而且可以降低网损以及节约能源。无功优化是通过调节发电机的无功输出和控制电压水平、电容器组的安装和投切使电网系统达到最小网损,取得可观的经济效益。一般来说,电网企业需要人工操作配电网的无功补偿,但是随着电力行业的快速发展以及无人变压站的普及使用,人工操作已经无法满足无功优化的要求,因此科技人员便提出了设计无功优化自动控制系统思路。
关键词：10kV配电网；无功优化；自动化控制系统；设计
一、配电网无功补偿概述
无功补偿是无功优化的一部分,它是指通过在电网中安装补偿电容器等无功补偿设备,提供电动机或变压器运转时需要的电能,避免无功功率在电网线路中传送,从而减少线路传送无功功率时损耗。无功补偿被应用于电网的各个方面,无功补偿既可以稳定电网的电压也可以减少无功功率造成的电能损耗。
二、无功优化自动控制系统设计
2.1选择补偿电容器投切控制参量
对于10kV配电网而言，其馈线首端的功率因数以及相应的电压合格率是其运行良好与否的重要指标。而对于馈线首端的功率因数，其和线路有功负荷及感性无功分布、大小密切相连。作为线路运行重要参数，功率因数可通过变电站SCADA系统中获取有功功率和无功功率计算得来。控制电容器自动投切的控制器和执行机构的电源，是现场电压互感器从10kV线路取得，再通过控制器运算可识别出电容器运行的现场电压。无功缺额或过补反映线路首端无功功率，线路首端无功功率是决定电容器投切的直接控制参量，但考虑到设备成本和线路上的电容器配置组合的限制，无功欠补或过补就立即进行电容器投切是不现实的，还应考虑有功功率的大小，即通过无功功率和功率因数共同控制电容器的投切。在无法取得线路首端参数或通信不畅的情况下，补偿设备也应当能良好地运行，此时控制器转入现场电压控制状态，由设定的电压整定上下限控制电容器的投切。
2.2无功优化自动化系统框架
对于10kV配电网而言，其往往会存在结构频繁变化的情况，而线路上的补偿器也随着网络变化出现位置、容量以及个数的调整，为此，无功优化自动化控制系统需要时能够可配置、能够依照变化而出现动态调整的灵活系统。将配网拓扑结构信息、电容器信息、控制器信息、开关投切状态信息等记录于数据库中。系统启动时连接数据库，读取数据库中的相关信息，建立起控制逻辑。同时系统运行过程中，将补偿器实时上报的电容器投切状态记录于数据库中。无功优化客户端实时查询数据库，获取配网无功补偿状况和补偿容量，监控无功优化自动化系统的运行。
三、无功补偿装置投切控制的方案
无功优化自控系统与SCADA系统实时交换数据，获取线路的有功功率P和无功功率Q，从而计算出功率因数K，然后对线路中的有功，无功，功率因数进行检测，由无功优化自控系统控制线路上补偿器的投入和切除。
3.1投入控制方案
如果Q>0，需投入电容器来补偿无功。因为线路电容器容量配置有限，无法满足Q>0电容器立即投入运行。为此，还需要判断K值，如果K小于当前线路设定补偿下限值，选择当前线路上特定电容器投入运行。选择电容器容量C≤Q且与Q值最接近的未投入电容器投入运行，如有容量相同的电容器，则选择靠近线路末端的电容器投入运行。根据电容器和控制器的逻辑关系，由上位机控制系统向远程控制器发送投入控制命令。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于C≤Q，当电容器投入后，线路仍可能处于无功欠补的状态，则无功优化自动化控制系统会在下一个检测周期里检测到该状态，选取新的电容器投入运行。经过多个周期的检测和控制，将使线路上的无功处于优化状态。
3.2切除控制方案
如果Q<0，则为当前线路无功过补偿，出现无功倒送，需选择切除已投入运行电容器。电容器选择容量C≥Q且与Q值最接近的已投入电容器进行切除。对当前线路上的所有已投入电容器按容量递增，容量相同时按位置序号递增的顺序排序，然后从表首开始查找，找到第一个容量C≥Q的电容器，则选定该电容器切除，如因C>Q，电容器切除后线路欠补，则会在下一个检测周期内投入容量较小的电容器进行补偿。在查表的过程中如未找到C≥Q的电容器，则选择该表中容量最大的电容器予以切除。如电容器切除后线路仍然过补，在下一个检测周期内，控制系统会选择新的电容器切除。经过多个周期的检测和控制，将使线路的功率因数达标且处于非过补状态。
3.3控制器投切控制
给控制器设定电压整定上下限值，限差称之为整定窗口，如果控制器检测到现场电压高于整定上限，则切除电容器；如果现场电压低于整定下限，则将电容器投入。当上位机发来投入命令时，将整定窗口向上平移，使整定下限高于现场电压，电容器投入；当上位机发来切除命令时，将整定窗口向下平移，使整定上限低于现场电压，电容器切除。反复多次将使整定窗口处于较为理想的状态。控制器定期通过GPRS向位于上位机的控制系统发送连接确认包，如连续3次收不到上位机回复的确认包，则认为通信异常，控制器转为独立工作状态，依赖最终的整定窗口独立控制电容器的投切，直到上位机主动召唤控制器才转为受控状态。从而保证通信异常情况下，补偿器仍能正常工作。如上下位机通信正常，则控制器只有收到上位机的控制命令时才会控制电容器投切。
四、通信规约制定
4.1确认上、下位机通信连接
DTU接电后，上位机控制系统检测各DTU登录，上位机向远程控制器发送通信连接确认请求，如收到控制器的通信连接确认，说明上、下位机通信正常。同时，下位机也定时向上位机发送通信连接确认请求，如收到上位机的确认包，说明通信正常。当下位机连续发3次连接确认均得不到上位机确认时，则控制器视该状况为通信异常，控制器将转为独立工作状态，直至收到上位机连接确认。
4.2投入或切除控制命令
如果上位机做出投切控制决策，向指定远程控制器发送投切控制命令数据包。上位机控制系统的用户也可根据网络运行状态手动向指定控制器发送投切命令。上位机发出控制命令后，由于系统采用多线程异步执行模式，且无法确定同一时间段内发出的多个控制命令会以何种顺序得到各控制器的反馈，因此要求下位机的反馈数据包是带有状态的，即包中含有被投切的电容器的新状态。
4.3补偿电容器的保护控制原理
10kv配电线路进行无功补偿时，通常会以固定补偿和自动补偿来进行，补偿的效果实现则需要保证补偿装置正常运行，补偿装置的能否正常运行其会受到诸多因素的影响，如装置元器件的质量、补偿容量的选择、安装地点选择及自动控制装置的控制原理等，而在这其中控制原理的影响力最大，其直接决定了补偿的效果及补偿装置的利用率。
①时段控制。对于负荷较为稳定的一般时间分段线路，其补偿装置的控制则可以采用时段来进行，即将一天分为四个时段，这四个时段分为二个投时段和二个切时段，而投切动作的进行与线路的参数没有关系，只与是段有关，这种时段控制不仅简单，而且可靠性也很高。②电压控制。设置电压上下限来控制装置投切，通常应附加1个切后再投的电压返回值参与控制。电压上下限的设定可不拘泥于国家标准规定的电压范围，要根据安装地点，不同线路选取。③时间电压控制。该控制原理是前两种控制原理的综合，主要适用于投入时段负荷经常波动的场合。
结论
本文简要探讨了10kV无功优化自动化控制系统的架构，对于无功电压的优化与调节，我们需要在有效地确保供电电压稳定和质量的前提下，更好的做到电网系统稳定以及无功功率的平衡，进而实现电能的最小损耗，提高用电效率。
参考文献：
[1]郇芸.10kV配网输电线路无功优化补偿研究[J].机电信息,2012.
[2]王静.无功补偿在配网节能降耗中的运用[J].中国高新技术企业.2011.
作者简介
李昂（1988.8－），男，江苏连云港人，南京工程学院工学学士，助理工程师，单位:国网杭州供电公司
论文作者:李昂
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/12
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