周獻(xiàn)忠

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100029)

智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償在低電壓治理中的實(shí)踐

Practice of intelligent dynamic reactive power compensation in low voltage control

周獻(xiàn)忠

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100029)

文中結(jié)合湖南省永州市冷水灘10 kV線路橫油線的現(xiàn)狀，選定適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的無功補(bǔ)償組合方案，開發(fā)出智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置并運(yùn)用于工程實(shí)際。該工程的實(shí)施是新型無功補(bǔ)償裝置在農(nóng)配網(wǎng)低電壓綜合治理方面的一次有益嘗試。

農(nóng)配網(wǎng)；低電壓；動(dòng)態(tài)；無功補(bǔ)償；智能型

1 我國(guó)農(nóng)配網(wǎng)的主要特征

“十二五”期間，農(nóng)村電網(wǎng)進(jìn)行了新一輪的改造，集中解決農(nóng)村電網(wǎng)薄弱問題，提高農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性，完成農(nóng)配網(wǎng)的低電壓綜合治理。但是我國(guó)農(nóng)配網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，各地發(fā)展很不均衡，總結(jié)起來，農(nóng)配網(wǎng)具有如下幾個(gè)主要特征〔1－2〕:

1)高壓網(wǎng)架多為單向輻射式結(jié)構(gòu)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，部分區(qū)域進(jìn)行了環(huán)網(wǎng)改造，但是絕大部分區(qū)域仍然為單向輻射式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2)農(nóng)村配電線路，特別是在非集中居住區(qū)域，輸電線路普遍偏長(zhǎng)，導(dǎo)線截面積偏小，分支線路多，負(fù)荷密度小而且分散。

3)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的迅速擴(kuò)張，農(nóng)村配網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)加大，感性大負(fù)荷持續(xù)增多，掛接農(nóng)網(wǎng)的機(jī)電井、加工廠、電焊機(jī)等工業(yè)用戶不斷增多。

以上原因?qū)е罗r(nóng)村配電網(wǎng)供電質(zhì)量差、功率因數(shù)低、線損大。由于資金和安裝條件的限制，許多公用配變?nèi)詻]有安裝足夠容量的無功補(bǔ)償裝置，無功電源先天不足，但是眾多的感性負(fù)荷又大量的消耗無功，這就必然導(dǎo)致大部分農(nóng)村配電網(wǎng)無功功率流動(dòng)頻繁，進(jìn)一步增加了網(wǎng)損，降低電壓質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至無法保證正常供電〔3〕。

2 湖南省農(nóng)村配電網(wǎng)無功補(bǔ)償現(xiàn)狀

從已進(jìn)行過綜合改造的區(qū)域的無功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行情況來看， 普遍存在如下幾個(gè)問題〔1－2〕:

1)早期的綜合配電箱雖然具有電容補(bǔ)償功能，但多屬于固定容量補(bǔ)償，在系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí)期存在過補(bǔ)償情況，造成臺(tái)區(qū)電壓抬得過高且存在無功倒送問題。這種固定補(bǔ)償裝置需要人工就地操作，維護(hù)量大，因此部分地區(qū)已經(jīng)長(zhǎng)期退出固定式電容補(bǔ)償。

2)配電箱內(nèi)電容器與交流接觸開關(guān)質(zhì)量不穩(wěn)定，且現(xiàn)有的自動(dòng)補(bǔ)償裝置在投切過程中沒有對(duì)過電壓與電容涌流采取很好的抑制措施，造成設(shè)備易損壞。通過現(xiàn)場(chǎng)了解到，部分電容器和投切開關(guān)已經(jīng)損壞且已退出運(yùn)行。

3)現(xiàn)有無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方通訊功能，不能對(duì)其補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)，因此對(duì)各臺(tái)區(qū)自動(dòng)補(bǔ)償裝置的維護(hù)量非常大，實(shí)際運(yùn)行情況沒有得到及時(shí)的管理。

4)各地區(qū)普遍忽視對(duì)無功補(bǔ)償裝置與綜合配電箱的定期維護(hù)工作。工作人員對(duì)其設(shè)備情況不夠了解，不能對(duì)其進(jìn)行有效的維護(hù)與故障處理，使得已改造線路、臺(tái)區(qū)的電容補(bǔ)償裝置投入率不高，有些裝置甚至投入不久后便發(fā)生故障而退出。

3 永州橫油線綜合治理工程概況

橫油線的公用臺(tái)區(qū)配變?nèi)萘考性?0～315 kVA之間，功率因數(shù)分布在0.80～0.85之間，且普遍存在負(fù)荷波動(dòng)較大，平均負(fù)載率偏低，臺(tái)區(qū)低壓線路供電半徑較大，三相負(fù)荷不平衡，電壓合格率低，自動(dòng)化程度低，功率因數(shù)變化頻繁，運(yùn)行狀況復(fù)雜，無功補(bǔ)償容量不足。

橫油線線路及臺(tái)區(qū)的基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 改造前線路及其臺(tái)區(qū)運(yùn)行情況

從表1中的年損耗電量和功率因素來看:線路的綜合線損率較高，造成線路損耗高的主要原因之一就是線路的功率因素普遍較低，線路上無功消耗大且缺少就地補(bǔ)償裝置和無功優(yōu)化措施。

針對(duì)橫油線具體情況，本項(xiàng)目采用智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置對(duì)線路及所轄臺(tái)區(qū)的無功功率進(jìn)行就地平衡和優(yōu)化，以達(dá)到提高輸電線路低電壓綜合治理的目的。

無功補(bǔ)償裝置是解決電網(wǎng)無功污染問題的最有效方式之一，在多年的發(fā)展過程中無功補(bǔ)償裝置經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從手動(dòng)到自動(dòng)的過程。常見的無功控制方法有同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止無功補(bǔ)償裝置等，并聯(lián)補(bǔ)償裝置由于接入與退出都很方便，更適用于農(nóng)村配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償〔3〕。

從無功補(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)來看，配電網(wǎng)無功補(bǔ)償主要有4種形式〔4－5〕，如圖1所示:方式1為變電站集中補(bǔ)償；方式2為低壓集中補(bǔ)償；方式3為柱上無功補(bǔ)償；方式4為用戶終端分散補(bǔ)償。

圖1 配電系統(tǒng)的各種無功補(bǔ)償方式示意圖

各補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 安裝地點(diǎn)對(duì)無功補(bǔ)償效果的影響

根據(jù)橫油線的實(shí)際情況，綜合考慮項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、停電影響、無功補(bǔ)償配置等多方面因素，本項(xiàng)目綜合采用低壓集中補(bǔ)償方式和柱上無功補(bǔ)償方式〔3－4〕。

1)全網(wǎng)以低壓補(bǔ)償為主，補(bǔ)償方式選用低壓集中補(bǔ)償。

①相比較于高壓補(bǔ)償，低壓補(bǔ)償是一種低成本、快捷化的補(bǔ)償方式，其影響范圍小、停電時(shí)間短、補(bǔ)償效果好。該工程項(xiàng)目以低壓補(bǔ)償方式為主，可以在保證全網(wǎng)補(bǔ)償效果的前提下大大縮減投資規(guī)模。

②橫油線公用臺(tái)區(qū)以分散的農(nóng)戶和個(gè)別作坊式加工廠為主，單個(gè)用戶的用電量都不大，故而不適合采用用戶終端分散補(bǔ)償。低壓集中補(bǔ)償將公用臺(tái)區(qū)下的所有用戶視為一個(gè)整體，是針對(duì)農(nóng)配網(wǎng)公用臺(tái)區(qū)分散用戶的一種理想補(bǔ)償方式。

③對(duì)臺(tái)區(qū)以下的分散用戶進(jìn)行集中補(bǔ)償，可以有效地提高臺(tái)區(qū)用戶的電能質(zhì)量，減小臺(tái)區(qū)無功流動(dòng)，降低臺(tái)區(qū)損耗，解決臺(tái)區(qū)低電壓?jiǎn)栴}。

④工程累計(jì)選取31個(gè)公用臺(tái)區(qū)，在配電變壓器低壓側(cè)進(jìn)行智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，這些臺(tái)區(qū)功率因數(shù)普遍在0.9以下，容量在50～315 kVA之間。

⑤31個(gè)無功補(bǔ)償點(diǎn)對(duì)整個(gè)線路來說形成以低壓臺(tái)區(qū)為單位的分散式就地低壓無功補(bǔ)償。

2)全網(wǎng)以高壓補(bǔ)償方式作為補(bǔ)充，補(bǔ)償方式選用柱上無功補(bǔ)償〔6－7〕。

①為兼顧尚未進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)墓门_(tái)區(qū)的無功平衡問題，需要在線路高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。

②高壓線路側(cè)的集中式無功補(bǔ)償是低壓補(bǔ)償?shù)挠辛ρa(bǔ)充，可以有效減小高壓線路上的無功流動(dòng)，緩解高壓線路的低電壓?jiǎn)栴}。

③橫油線線路長(zhǎng)度遠(yuǎn)超出正常線路，且線路負(fù)荷多集中于線路中后端，所以選用更加貼近負(fù)荷的柱上無功補(bǔ)償較為合適。

④以柱上無功補(bǔ)償方式在10 kV線路側(cè)選取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償，即在10 kV線路桿塔上加裝智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

⑤根據(jù)橫油線現(xiàn)狀，高壓補(bǔ)償選取在負(fù)荷的1/3處和2/3處，考慮到橫油線后期的改線計(jì)劃，安裝點(diǎn)定于橫水Z27桿和橫水Z52＋2桿。

3)為了控制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備可靠性，降低系統(tǒng)成本，補(bǔ)償技術(shù)采用最為成熟的靜止無功補(bǔ)償 (SVC) 方式〔8－9〕。

①補(bǔ)償電容采用共補(bǔ)和分補(bǔ)相結(jié)合的方式構(gòu)建分組多級(jí)補(bǔ)償模式。這樣的方式既可以有效地減小控制難度，降低成本，又可以保證補(bǔ)償效果；

②由于電力負(fù)荷時(shí)刻都在波動(dòng)，因此所需無功功率也隨時(shí)變化，為維持無功平衡，選用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，本項(xiàng)目選用智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

該新型低壓無功補(bǔ)償裝置集電能分配、智能控制、低壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、用戶用電信息采集及監(jiān)測(cè)、配變低壓側(cè)參數(shù)自動(dòng)記錄、遠(yuǎn)程通訊管理等功能為一體；該裝置對(duì)低壓負(fù)荷進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)和記錄，根據(jù)無功或功率因數(shù)大小，實(shí)現(xiàn)三相或分相全量程智能跟蹤、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。

4 工程實(shí)施效果

該工程于2014年10月份完成了現(xiàn)場(chǎng)安裝，其中公用臺(tái)區(qū)低壓集中無功補(bǔ)償31處，柱上10 kV無功補(bǔ)償2處，目前設(shè)備運(yùn)行良好。

目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成公用臺(tái)區(qū)無功補(bǔ)償裝置的安裝和調(diào)試，結(jié)合線路上安裝的10 kV線路補(bǔ)償，整條線路的功率因素穩(wěn)定在0.91以上，局部時(shí)段穩(wěn)定在0.96以上。

國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院南瑞 (武漢)電氣設(shè)備與工程能效測(cè)評(píng)中心的短時(shí)測(cè)試顯示，對(duì)于隨機(jī)抽查的2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，無功補(bǔ)償裝置投入使用后，臺(tái)區(qū)出口電壓均有不同程度的升高，節(jié)能效果明顯，2個(gè)抽樣測(cè)試點(diǎn)功率因數(shù)均達(dá)到0.95以上，節(jié)電率達(dá)到4%。現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)測(cè)試結(jié)果見表3，測(cè)試點(diǎn)無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)電率見表4，其中進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.08。

表3 現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

表4 測(cè)試點(diǎn)變壓器無功補(bǔ)償?shù)墓?jié)電率

5 結(jié)論與建議

無功補(bǔ)償以治理電網(wǎng)低電壓、提高用戶供電質(zhì)量為目標(biāo)，以盡量減少無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)為原則，應(yīng)該做到統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡，實(shí)事求是，因地制宜，適應(yīng)現(xiàn)狀，適度超前〔3－4〕， 特提出如下建議。

1)集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主:分散補(bǔ)償可以兼顧更多更廣的電力用戶，可以更好的實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡。同時(shí)，分散補(bǔ)償也是未來 “用戶定制電力”的最佳結(jié)合點(diǎn)。在分散補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)輔助以集中補(bǔ)償可以達(dá)到更好的補(bǔ)償效果，也可以兼顧部分未補(bǔ)償用戶的需求。

2)高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓補(bǔ)償為主:相比于高壓補(bǔ)償來說，低壓補(bǔ)償具有分散性的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)低電壓等級(jí)的就地平衡，同時(shí)低壓補(bǔ)償具有成本低，技術(shù)更加成熟的特點(diǎn)。

3)調(diào)壓與降線損相結(jié)合，以降線損為主:單純的調(diào)壓只能在電源側(cè)進(jìn)行，可能會(huì)導(dǎo)致前端用戶電壓已經(jīng)突出上線而尾端用戶電壓還未達(dá)標(biāo)的情況，調(diào)節(jié)線損可以兼顧調(diào)壓的作用，而且可以安裝在線路的任何部位，具有更大的靈活性。

4)分級(jí)分區(qū) (按電壓分級(jí)，按地域分區(qū))補(bǔ)償，就地平衡原則:國(guó)內(nèi)電網(wǎng)以電壓等級(jí)遞減的原則逐級(jí)往下傳遞電能，補(bǔ)償時(shí)要充分考慮各電壓等級(jí)電網(wǎng)、各地域電網(wǎng)的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧所有的電壓等級(jí)和地理區(qū)域。就地平衡就是說無功功率在哪里發(fā)生，就應(yīng)在哪里補(bǔ)償，盡量減小無功潮流的流動(dòng)。

5)無功補(bǔ)償?shù)囊?guī)劃優(yōu)化:在統(tǒng)籌考慮全網(wǎng)現(xiàn)有及未來網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、裝置狀況及負(fù)荷情況 (電網(wǎng)各電壓等級(jí)歷史的、實(shí)時(shí)的及預(yù)測(cè)的負(fù)荷情況)的基礎(chǔ)上，確定無功補(bǔ)償裝置最佳安裝位置、類型和容量，實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損、節(jié)省投資費(fèi)用。

6)無功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行優(yōu)化:在現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置和技術(shù)條件下，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷變化情況和短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，確定無功補(bǔ)償裝置的最佳配合方式和工作模式 (推薦使用智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償)，滿足供電質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)低電壓治理，同時(shí)兼顧網(wǎng)損最小、運(yùn)行費(fèi)用最少。

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1008-0198(2015)03-0064-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.03.020

2015-01-15 改回日期:2015-02-26