彭偉欽

(惠東縣機(jī)電排灌總站，廣東 惠東 516300)

目前，國(guó)內(nèi)水資源具備存儲(chǔ)量豐富、清潔、開發(fā)程度高和電力運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)勢(shì)，使其不僅成為經(jīng)濟(jì)可靠的再生清潔資源，而且在水利水電技術(shù)開發(fā)中極為關(guān)鍵[1-2]。與傳統(tǒng)的水利設(shè)施配電系統(tǒng)組成進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的水利工程配電系統(tǒng)通常采用無(wú)功補(bǔ)償方式優(yōu)化供電系統(tǒng)。無(wú)功補(bǔ)償作為優(yōu)化配電系統(tǒng)功率因數(shù)的重要設(shè)備，可以最大限度的優(yōu)化水利工程的輸出電能質(zhì)量，提升供配電系統(tǒng)的電力傳輸性能、穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)效益。

葉輝良在《水-風(fēng)-光微電網(wǎng)調(diào)壓模式與有功無(wú)功協(xié)同優(yōu)化方法》一文指出，水電站等水利工程內(nèi)安裝無(wú)功補(bǔ)償需要面對(duì)三類問題：①難以在水利電力系統(tǒng)中確定無(wú)功補(bǔ)償?shù)奈恢?；②電力系統(tǒng)電壓、電流設(shè)備如何優(yōu)化調(diào)節(jié)；③電源、功率負(fù)荷如何無(wú)功補(bǔ)償?shù)萚3]。其中，在電源、電力負(fù)荷補(bǔ)償中，需率先進(jìn)行電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電源電壓、電力功率傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，開展水利電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方式有助于提升電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量安全，改善水利電壓質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率[4-5]。

本文通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償方式優(yōu)化控制水利排灌泵站電力系統(tǒng)，首先，針對(duì)設(shè)計(jì)方案原則和補(bǔ)償方式進(jìn)行對(duì)比分析；其次，深入分析、水利水電體系無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算方式、軟/硬件設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略，最終，得出無(wú)功補(bǔ)償在排灌泵站電力系統(tǒng)中的控制模式和保護(hù)體系，以期通過(guò)本文對(duì)水利水電無(wú)功補(bǔ)償方式的科學(xué)分析，為相似水利設(shè)施優(yōu)化調(diào)節(jié)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 排灌泵站電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案及對(duì)比

1.1 電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)原則

目前，排灌泵站是水利電力系統(tǒng)中水資源調(diào)節(jié)管理的關(guān)鍵設(shè)施措施之一，且由于：①當(dāng)水利電力系統(tǒng)負(fù)荷無(wú)功功率增大，有功功率保持不變時(shí)，傳輸電壓壓差明顯，電容量增大；②電力系統(tǒng)無(wú)功不均衡時(shí)，易導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生故障。為此，合理地采取無(wú)功補(bǔ)償方式降低排灌泵站電流、電壓功率和經(jīng)濟(jì)成本對(duì)水資源管理調(diào)控有重要意義，本文無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。通過(guò)圖1可知，電力系統(tǒng)在無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化過(guò)程中，主要設(shè)備為電流、電壓互感器、無(wú)功補(bǔ)償控制器、觸發(fā)單元、負(fù)荷、開關(guān)等。同時(shí)，在無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循以下3點(diǎn)原則：①當(dāng)水利排灌泵站有功率不變，負(fù)載功率降低時(shí)，采用無(wú)功功率就地平衡方式降低電力系統(tǒng)電容上升，電壓落差的問題，并依據(jù)電流、電壓負(fù)荷值進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備優(yōu)化；②無(wú)功功率增大時(shí)，為平衡電力系統(tǒng)功率，及時(shí)優(yōu)化消減無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，保證電力系統(tǒng)功率參數(shù)指標(biāo)在穩(wěn)定、健康的范圍中運(yùn)行。

圖1 水利水電無(wú)功補(bǔ)償方式總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 無(wú)功補(bǔ)償方案的確定

由于排灌站的負(fù)荷隨季節(jié)不同而變化，使用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)改善電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)。而無(wú)功補(bǔ)償具體分為四種方式：集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、隨變壓器補(bǔ)償、隨電機(jī)補(bǔ)償，在本項(xiàng)目中為了提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低電能消耗，選擇分組自動(dòng)投切進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償方案時(shí)，首先需要確定補(bǔ)償容量，然后根據(jù)排灌站安裝無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康氖欠€(wěn)定電能質(zhì)量，降低功率因數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償參數(shù)。

系統(tǒng)需要施加無(wú)功補(bǔ)償?shù)牧坑肣C表示：

(1)

也就是

(2)

式中：cosφ1和cosφ2分別為補(bǔ)償前后的系統(tǒng)功率因數(shù)；QC表示系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)無(wú)功容量，kVar；PAV表示系統(tǒng)最大有功功率，kW；QAV表示系統(tǒng)最大無(wú)功功率，kVar。

1.3 傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償與適應(yīng)性無(wú)功補(bǔ)償指標(biāo)對(duì)比

表1具體給出了水利水電體系中補(bǔ)償前、傳統(tǒng)補(bǔ)償方式和無(wú)功補(bǔ)償方式功率損耗、電壓合格率等指標(biāo)。通過(guò)表1可知，相較前兩者，無(wú)功補(bǔ)償各指標(biāo)均為最優(yōu)，其中電壓合格率高達(dá)100%，功率損耗為0.1 MW，三者最低，表明無(wú)功電壓、電流、電容、功率補(bǔ)償后，能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)均衡、高質(zhì)量發(fā)展。目前，傳統(tǒng)水電體系補(bǔ)償方式主要通過(guò)電力系統(tǒng)變電站首端輻射流向各節(jié)點(diǎn)，其缺點(diǎn)為，隨著傳輸距離的增加，電壓和電流值均降低，若低電壓在排水泵站存儲(chǔ)量豐富或貧乏區(qū)域工作，極可能發(fā)生倒流、停用或者網(wǎng)損的現(xiàn)象[6]。而相比較傳統(tǒng)方式，無(wú)功補(bǔ)償方式通過(guò)對(duì)傳輸無(wú)功功率、電壓、電流形成互助關(guān)系，將電壓、電流等長(zhǎng)距離輸出穩(wěn)定建立在無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，即當(dāng)排灌泵站傳輸電壓出現(xiàn)降低或偏移時(shí)，通過(guò)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率、電壓、電流等補(bǔ)償優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高水量區(qū)域高壓分配，低水量區(qū)域適壓分配，達(dá)到既降低經(jīng)濟(jì)成本，又提升高質(zhì)量輸電工作效率的目標(biāo)。

表1 傳統(tǒng)補(bǔ)償方式和適應(yīng)性補(bǔ)償指標(biāo)對(duì)比

2 電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償工作原理

2.1 無(wú)功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

本文為實(shí)現(xiàn)水利排灌泵站配電網(wǎng)絡(luò)全局穩(wěn)定的目標(biāo)，提出最適無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算分析配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)位置、傳輸電壓、電容等參數(shù)指標(biāo)，提升排灌泵站配電網(wǎng)的電壓、電流穩(wěn)定性。其中配電系統(tǒng)中電壓同無(wú)功功率間的關(guān)系如下：

電源電壓U1與節(jié)點(diǎn)電壓U2的關(guān)系可用兩者間線路阻抗R和X，以及傳遞有功P2和無(wú)功Q2標(biāo)識(shí)如式(3)所示：

(3)

當(dāng)傳輸功率阻抗明顯時(shí)，本文通過(guò)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電壓和無(wú)功功率的均衡，見式(4)所示：

(4)

2.2 電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置軟/硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 功能需求

采用無(wú)功補(bǔ)償裝置后，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切，且將數(shù)據(jù)和動(dòng)作記錄下來(lái)。主要功能需求如下：

1)獲取電網(wǎng)的電壓、母線電流等參數(shù)，并進(jìn)行采集處理，在系統(tǒng)后臺(tái)計(jì)算后輸出電能質(zhì)量參數(shù)；

2)實(shí)現(xiàn)電容器組數(shù)自動(dòng)投切，穩(wěn)定電能輸出質(zhì)量；

3)電網(wǎng)參數(shù)采集計(jì)算后顯示并記錄；

4)無(wú)功補(bǔ)償裝置模塊化動(dòng)作記錄、狀態(tài)顯示；

5)實(shí)現(xiàn)完善的系統(tǒng)保護(hù)功能，如掉電保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓過(guò)壓保護(hù)、電容超溫保護(hù)等。

2.2.2 硬件設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償裝置的自動(dòng)投切，并實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的監(jiān)控，需要在當(dāng)前水利配電體系中安裝無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其主要硬件措施有以下幾部分所構(gòu)成：①控制裝置；②電源；③信號(hào)采集調(diào)理器；④時(shí)鐘模塊；⑤監(jiān)測(cè)控制裝置；⑥系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置。其中，控制裝置主要優(yōu)化補(bǔ)償排灌泵站配電系統(tǒng)電壓、電流、無(wú)功功率等，控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行；電源裝置負(fù)責(zé)不同分級(jí)的工作電壓；時(shí)鐘模塊維持配電系統(tǒng)的時(shí)序穩(wěn)定[7]；監(jiān)測(cè)控制裝置及時(shí)報(bào)警配電體系不均衡現(xiàn)象，進(jìn)而進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無(wú)功的目的。

技術(shù)路徑為：通過(guò)信號(hào)采集調(diào)理器采集到電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如供電側(cè)電壓、負(fù)載側(cè)電壓、負(fù)載電流有功分量、負(fù)載電流無(wú)功分量等系列內(nèi)容，然后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出系統(tǒng)需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘考皩?dǎo)納值，進(jìn)而得出投切的命令、投切的邏輯、投切的組數(shù)及觸發(fā)角。

2.2.3 軟件設(shè)計(jì)方案

排灌泵站配電體系無(wú)功補(bǔ)償控制硬件設(shè)施設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)軟件控制、仿真調(diào)試等操作過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償目的。其中，軟件設(shè)計(jì)中形成以軟件編程，連接、仿真調(diào)試、無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化為一體化的無(wú)功補(bǔ)償方式，通過(guò)智能化C++語(yǔ)言或R語(yǔ)言優(yōu)化器和集成的軟件開發(fā)環(huán)境，即CCS進(jìn)行排灌泵站配電體系無(wú)功補(bǔ)償軟件編程，一方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同遠(yuǎn)距離監(jiān)控報(bào)警和優(yōu)化調(diào)節(jié)服務(wù)，另一方面降低傳統(tǒng)方式人力資源和電流、電壓資源的浪費(fèi)[7]。

無(wú)功補(bǔ)償后臺(tái)軟件主要分三大部分，第一是采集傳感部分，需要采集電網(wǎng)、用戶側(cè)及無(wú)功補(bǔ)償裝置自身的狀態(tài)信息，第二是通過(guò)內(nèi)置的無(wú)功補(bǔ)償策略自動(dòng)選擇補(bǔ)償方式，也可以手動(dòng)選擇，第三是實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)投切和補(bǔ)償效果對(duì)比。

2.3 無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)投切設(shè)計(jì)策略

當(dāng)前，水利排灌泵站受到其流量和配電系統(tǒng)電壓雙重限制，降低了其工作效率和安全性，而無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)即在實(shí)現(xiàn)電壓質(zhì)量和均衡性的前提下，提高水流量增益效率[8]。在無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，其補(bǔ)償設(shè)備布局和配置容量極為關(guān)鍵，不僅影響無(wú)功電力平衡和無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償，而且有助于電網(wǎng)穩(wěn)定性和電壓、電流質(zhì)量提升。在我國(guó)排灌泵站電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)措施相對(duì)較少，因此，造成排灌泵站在工作過(guò)程中網(wǎng)損嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中通過(guò)構(gòu)建無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)以排灌泵站水量為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，在其滿足運(yùn)行條件約束前提下，靠改變電網(wǎng)的電壓、無(wú)功分布來(lái)降低系統(tǒng)有功網(wǎng)損。其調(diào)節(jié)優(yōu)化模型如式(5)所示：

(5)

式中：f(x)min表示目標(biāo)函數(shù)；g(x)=0表示節(jié)點(diǎn)平衡方程式；h(x)min≤h(x)≤h(x)max為約束邊界條件。

通過(guò)多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行排灌泵站電力系統(tǒng)多目標(biāo)的無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在約束條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)排灌泵站運(yùn)行高壓高水量，低壓停用的運(yùn)行特征，選取最優(yōu)網(wǎng)損進(jìn)一步優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)排灌泵站電力系統(tǒng)有功和無(wú)功補(bǔ)償均衡的約束條件，如式(6)所示：

其約束條件為

(6)

式中：n表示網(wǎng)絡(luò)總支路數(shù)；Ui、Uj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓；δi、δj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的相角。

其約束條件表明，電壓在不同節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)程中，若傳輸通量充沛時(shí)，其排灌泵站水量經(jīng)濟(jì)效益補(bǔ)償達(dá)標(biāo)，若傳輸不充沛時(shí)，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)水量經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。約束目標(biāo)函數(shù)時(shí)進(jìn)行各種無(wú)功電壓優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。

3 排灌泵站配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在排灌泵站電力系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)裝置控制、安全保護(hù)、數(shù)據(jù)記載、人機(jī)交互等諸多功能。在裝置控制功能中，能按照無(wú)功補(bǔ)償設(shè)置要求，有效保護(hù)水量、電壓量穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)兩者均衡發(fā)展；人機(jī)交互功能，有效實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控、報(bào)警、開關(guān)控制于一體的電壓、電容、水量等無(wú)功補(bǔ)償[9]。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施控制模式設(shè)計(jì)

圖2為本文電力系統(tǒng)無(wú)功控制模式設(shè)計(jì)流程。通過(guò)圖2可知，無(wú)功補(bǔ)償控制程序是控制模式的核心點(diǎn)，其控制包括啟動(dòng)、電壓電流信息采集、SPLL系統(tǒng)電壓控制，人機(jī)互助控制指令，無(wú)功電流檢測(cè)和PWM波輸出過(guò)程。首先，本文排灌泵站電力系統(tǒng)以額定電壓為基礎(chǔ)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電壓無(wú)功補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行鎖相得到系統(tǒng)的頻率與相位，再采集電流進(jìn)行瞬時(shí)無(wú)功計(jì)算。其次，SPLL系統(tǒng)電壓鎖程序采集電壓、電流信息，經(jīng)過(guò)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)化后，通過(guò)瞬時(shí)功率得到排灌泵站電力系統(tǒng)中電壓相為和頻率。最終，再將電壓、電流進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)化，反饋至電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償體系中，經(jīng)過(guò)與給定矢量值平衡分析后，通過(guò)均衡調(diào)理實(shí)現(xiàn)排灌泵站水資源的合理使用。

圖2 電力系統(tǒng)無(wú)功控制系統(tǒng)程序流程圖

3.3 無(wú)功補(bǔ)償裝置保護(hù)功能設(shè)計(jì)

排灌泵站在運(yùn)行過(guò)程中，其電力系統(tǒng)無(wú)功保護(hù)設(shè)計(jì)是消除安全隱患的重要環(huán)節(jié)。首先進(jìn)行電力系統(tǒng)PT斷線無(wú)功保護(hù)，通過(guò)對(duì)各節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率進(jìn)行判斷，以降低最大誤差出現(xiàn)，當(dāng)判斷電壓過(guò)高或設(shè)備停機(jī)時(shí)，及時(shí)優(yōu)化補(bǔ)償，修復(fù)故障。相比較PT斷線無(wú)功保護(hù)主要針對(duì)電流檢測(cè)判定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最大不均衡電流值時(shí)，依據(jù)水泵站工作現(xiàn)狀進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整(可選取0.1倍系統(tǒng)額定電流)。同時(shí)在電流無(wú)功補(bǔ)償中，設(shè)計(jì)負(fù)載裝置保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)判定電流位處1.1×額定電流與1.2×額定電流間，證明電流負(fù)載裝置過(guò)載，需進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償調(diào)整，具體通過(guò)裝置控制器傳輸報(bào)警信號(hào)、檢測(cè)故障發(fā)生位置，進(jìn)而進(jìn)行電壓無(wú)功補(bǔ)償調(diào)整[10]，及時(shí)修正出現(xiàn)電壓不穩(wěn)與排灌泵站工作效益不匹配的現(xiàn)象，以此，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和供電效率，改善排灌泵站電力系統(tǒng)供電環(huán)境。

3.4 無(wú)功補(bǔ)償效果驗(yàn)證

本文選擇在惠東縣機(jī)電排灌總站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償效果驗(yàn)證。根據(jù)泵站管理規(guī)定，多臺(tái)泵組合運(yùn)行，未安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置前，輸出電網(wǎng)的功率因數(shù)在0.83～0.87之間，配備靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償后，輸出電網(wǎng)的功率因數(shù)提升至0.91～0.95之間，功率因數(shù)的提升，優(yōu)化了電力供應(yīng)和電網(wǎng)質(zhì)量。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)功率因數(shù)低于0.85時(shí)，會(huì)根據(jù)功率因數(shù)的高低進(jìn)行電費(fèi)調(diào)整，具體見表2。

表2 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)表

根據(jù)表2可以看出，本排灌總站在安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，大幅度降低了泵站的電費(fèi)支出，提高了電網(wǎng)質(zhì)量，提高了泵站的經(jīng)濟(jì)效益[11]。所以，增加無(wú)功補(bǔ)償裝置是調(diào)整泵站電力質(zhì)量的有力措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)方案的設(shè)計(jì)和參數(shù)的比較，分析了系統(tǒng)功能、控制功能和保護(hù)功能，優(yōu)化了水利排灌泵站電力體系的功率因數(shù)，并以此得到以下結(jié)論。

1)促進(jìn)電力穩(wěn)定。排灌泵站水電體系不采取無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化調(diào)試方式，不僅會(huì)輕易致使電壓、傳輸功率穩(wěn)定性不足，而且使排灌泵站出現(xiàn)水資源供應(yīng)不足、倒流等安全隱患現(xiàn)象。

2)提升電能質(zhì)量。合理的選取電力體系無(wú)功補(bǔ)償裝置，能有效提升電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量安全，同時(shí)能最大限度降低網(wǎng)損。

3)增加經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)加裝合理的無(wú)功補(bǔ)償裝置，使得濾波裝置消耗掉了電網(wǎng)中的無(wú)功功率，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，改善了電能質(zhì)量，對(duì)于泵站本身的電能消耗將持續(xù)進(jìn)行降低，提高泵站的經(jīng)濟(jì)效益。