浅谈电力系统无功补偿的改进策略

浅谈电力系统无功补偿的改进策略

赖曙光

国网江西省电力有限公司石城县供电分公司 342700

【内容摘要】本文阐述了无功补偿的作用和要求，讨论了电力系统中配电变压器本身消耗的无功电能无法补偿的问题，并对无功补偿算法进行了深入分析。针对电力用户无功补偿不足或补偿过大，以及如何改进无功自动补偿装置等问题，提出将该变压器容量的10%电容器电源线改接在采样信号电流互感器的一次侧，以释放合适电容器自动切换装置，实现该电容器对配电变压器本身的无功补偿。为了实现变电站各侧电压的控制，采用无功补偿装置与有载调压变压器相结合，并通过AVC系统策略来控制无功功率。

本文还综合考虑了引进一种新型节能控制器，并对其进行了理论降损计算，其中包括各种计算方法的合理有效运用和试验验证。在此基础上，总结了有效改进自动无功补偿装置的经验，实现了经济效益最大化。

【关键词】电力系统 网损计算 无功补偿 补偿方式 改进策略

Abstract

In this paper, the role and requirements of reactive compensation are described, and the reasons why distribution transformers can’t compensate the consumed reactive energy are discussed in electric power system. Moreover, the algorithm of reactive compensation is deeply analyzed. Aiming at the problems of reactive power under compensation or over compensation that electric customers are going through, and how to improve automatic reactive compensation devices, it comes up with the solutions that the power line of the 10% capacitor of the transformer is to be changed to the side of the sampling signal current transformer, in order to release the automatic switching device of a suitable capacity capacitor and then to achieve the reactive compensation of the distribution transformer that this capacitor offers. To implement the voltage control at each side of the substation, a reactive compensation device is used in combination with the transformer of on-load voltage regulation together to adjust the voltage and to control the reactive power through AVC strategy.

This paper also takes comprehensive considerations that a new type of energy-saving controller is introduced and the theoretical loss reduction is calculated, of which reasonable and effective use of various calculation methods and test verification are also included. Based on the above mentioned, some experiences of effectively improving automatic reactive compensation device are summarized and some strategies for maximizing economic benefits are realized.

在电力系统中，电网无功优化补偿应坚持“全面规划、合理布局、全网优化、分级补偿、就地平衡”的原则。按照集中补偿与分散补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合。调压与降损相结合的补偿策略，确定最佳补偿方案。从其实验结果表明，我们选用恰当的无功补偿设备可以实现无功就地平衡，从而提高功率因数，提高电能质量、减少能耗以及稳定系统电压，达到提高经济效益和社会效益的目的。

比如，在受导电抗的作用下，电机发出的交流电流和交流电压的相位角不为零，电机发出的电能不能完全被用电器吸收，不能被吸收的部分则在电机和用电器之间往返变化而不会释放出来。又因为电容器产生的是超前的无功，因此采用电容器补偿可以与无功功率的电能进行抵消，即Q=QL-QC。 　　

在采用无功补偿设备对电力系统进行无功补偿时，对于无功补偿设备的要求有以下几点： 　　

1)在使用电容器补偿时，电容器容量的确定应该根据配电电压的容量、负荷、三相电压的平衡度、自然功率因素、目标功率因数等参数经过计算来确定。而若是在补偿处产生了谐波的话就要串联一定量的电抗器，滤除线路上的谐波。 　　

2)为了有效的防止投切振荡、过补偿和无功倒送，在电容器的功率参数、无功电流、无功功率这些投切物理量中最好选择无功功率作为投切参数物理量。 　　

3)针对传统补偿电容组中电容器的分担方式及投切开关方式不能达到完全补偿效果，这里要求采用的是模糊投切方式，其适应面广、调节平滑、跟踪准确而且效果很好。在使用过程中，低压的时候投切开关则选择投切复合开关，而高压补偿柜中选真空接触器。

一 、配电变压器自动无功补偿装置改进策略

按照《供电营业规则》规定，100kVA及以上的客户应加装无功自动补偿装置。但因为该无功自动补偿装置的无功信号取样电流互感器是接在配电变压器负荷侧的a相，所以无法补偿配电变压器本身消耗的无功电能。我们设计使用以下方法实现电容器对配电变压器的无功补偿，即将自动无功补偿装置中一只合适容量的电容器自动投切装置解除，并把该电容器上的电源线改接到取样信号电流互感器电源侧。

测试过程中，先是将无功自动补偿屏中的一只约为配变容量10%的电容器的跳闸线拆除，改接成强行常投状态。经过实践分析，因补偿是在取样信号电流互感器之后，这种方式只能在客户非生产时间可以补偿配电变压器的空载无功损耗。后来又将该电容器的3根相线接到信号互感器前，可以实现对配电变压器空载无功的持续补偿。考虑到无功补偿配电屏通常是取U（a）相电流及各相电压来判断负荷侧功率因数，所以仅将一只电容器的U（a）相电压去除，将该电容器的U（a）相接到取样信号互感器前的U（a）相相线上。通过理论及实践证明该方法是可行的，且更方便操作。

在选择改接的电容器时，应注意：该电容器容量过大，则会向高压线路反送无功电能，造成线路损耗增加；电容器容量过小，则不能完全补偿配电变压器自身无功损耗。经过理论计算及实测，按配电变压器容量的10%选取较为合适。

又将柱上分段式电容器较多的10kV线路，通过以上方法改接后，可能会造成线路上无功过补偿，无功电能向变电站反送，所以要根据线路上的实际功率因数，及时退出部分柱上分布式电容器。

通过低压无功补偿电容器改接，使10kV线路功率因数从原来的平均0.85提高到0.95,10kV平均线损率下降了1%，1年可节约：

按功率因数考核标准确定无功功率补偿容量，设P为有功负荷， 为未补偿时的， 为规定标准的，则无功补偿容量 式中P为用户的有功负荷kW， 、 分别为补偿前、后的功率因数角，

：线损电量， ：线路电阻长度， ：电压kV，Ap：抄见有功电量，Aq：抄见无功电量，t：60×10⁶

线损费用=（线损电量+变损电量）×电价。

二、 无功补偿计算方法 　　

乡村10kV线路损耗与电能质量一直是供电企业关注的焦点。长期以来，有关科研部门学术团体围绕此问题做了大量的研究工作，对容量选取和位置选择等与10kV线路的无功优化降损有关问题进行了阐述，并有多种算法介绍：

1、平均负荷计算法:

2、加权平均功率因数计算法:

3、测出空载电流计算法:

4、配变无功补偿计算公式: （k取0.1～0.15， 配变容量kVA）

5、粗略估算法:

6、集中补偿计算公式:

以整条或整个站网作为整体补偿来看，应该指出的是35kV或110kV侧的变压补偿对于10kV线路线损率的降低几乎无益处。而在10kV线路加装电容补偿装置或经过优化后加装电容补偿装置也只能解决部分问题。实际及理论上的最佳解决方法，是将0.4—10kV线路配电变压器所需无功就地平衡。

1 实际试验情况

就地补偿方式是一种能获得最大降损效益和最佳电能质量的途径。现以某典型农电线路的补偿实例说明此问题。

图1为一台额定容量315kVA的配电变压器，I档运行，二次侧出口电压为390V，共接有10台水泵电动机，总负荷50kW，分散于线路中。末端负荷的供电距离为1800m，导线型号为LG-70，实际线路末端电压仅为160V，距配电变压器1000m处电压为250V，700m处电压为330V，500m处电压为360V。

10台抽水电动机，间隔100m均匀分布

图1 负荷分布示意图

每台水泵电动机的功率因数为0.5—0.6。

具体使用以下三种补偿方案：

方案一：配置集中补偿容量80kvar；安装位置在图2中的A点。经测量，末端电压提高至180V，比补偿前提高20V。

10台抽水电动机，间隔100m均匀分布

图2 集中补偿及效果示意图

方案二：分散支路补偿，容量按理论计算，并加以优化，安装位置在图3中的B点。经测量末端电压提高至200V，比补偿前提高40V，末端电压有较大提高，但电压质量并未得到明显改善，电动机启动困难的现象仍然存在。

10台抽水电动机，间隔100m均匀分布

图3 支路补偿及效果示意图

方案三：采用就地补偿，且根据实测容量配置补偿容量，对每台电动机分别补偿，如图4所示。经测量末端电压提高至230V，比补偿前提高80V，电压质量得到明显改善，电动机启动困难的问题得到解决。

10台抽水电动机，间隔100m均匀分布

图4 就地补偿及效果示意图

大部分农网10kV线路的供电结构与上述情况相同，同属于树枝状馈电线路结构，单相电源供电。我们在其他10kV线路上曾做过同样的试验，结论也是同样的。

以上三种方法都可以达到无功补偿效果，而其中第三种方法补偿效果最佳，考虑整体的补偿效果及成本可以选择第三种。

2. 现有降损补偿方式概述

2.1 低压补偿技术

目前普遍采用的低压补偿方式是用来解决用户所产生的无功，而对电力系统的公共变压器进行无功补偿也是最近10年来的事情，电力系统的公共变压器补偿技术也只是对用户低压补偿技术的简单、机械移植，并未考虑电力系统自身的无功需求和无功特点，补偿的目的仍是以满足用户无功需求为主。目前此项技术在投切开关方面已从最初的机械投切变为晶闸管投切；从三相共补的粗略补偿演变为分相补偿，精细化控制器演变为集补偿、通信、统计等功能于一体的智能化控制器；在控制目标上也从最初的仅以功率因数为控制物理量，转变为以功率因数和无功电流为控制目标，具有寻优切功能，但其没有考虑电力系统本身的无功需求和无功特点的主要缺点仍然存在，致使大量的无功功率向高压侧索取。

2.2 高压补偿技术

高压无功补偿究其本质是来弥补因低压补偿考虑不周而造成的损失。其装置于经优化的10kV线路某一位置，用于降低线损和提高电压质量。此类装置也是最近十年蔡兴起并发展起来的，目前该项装置的技术已经由简单的油断路器转为真空断路器和永磁开关设备，其控制和保护也趋于完善，但由于单一或单组投切节电降损效果并不明显，一般采用2组或2组以上的分段投切。这种投切方式由于受户外环境的影响及投切涌流的作用，故障率极高，制约了装置的补偿效果及推广。

2.3 变电站集中补偿

这是最普遍、最基本的补偿方式，也是一种通常设置在变电站内的固定形式，主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端变电站的电压和补偿主变压器的无功损耗。集中补偿的容量和分组均匀与线损的关系不大，但近几年为了实现变电站各侧电压控制，通常采用无功补偿装置结合变压器有载调压共同调节的方式，通过AVC策略两者的协调来进行电压无功控制，另外结合运用九区图加以控制，在调节电压质量方面起到了一定的作用。

(1) 设备存在的问题

①变压器的问题

在电网高度自动化的基础上，经过发展出现了AVC系统，这个系统对电网设备提出了更高的要求，之前的无载调压变压器已经不能满足AVC系统的要求[2]。在110KV的变电站中，三圈变压器经常出现较大的负荷变化，或者出现负荷分配不合理的情况，而且有非常频繁的动作次数。如果将动作次数控制在规定的范围内，就会带来较高的负荷以及较大的电压波动，这也就导致开关动作次数又增加，经常超过限定值，不能满足AVC系统的要求。

②无功补偿装置的问题

在无功补偿装置中，最传统的选型就是使用电容器组，虽然其价格比较低廉，但是可控性不高，在无功负荷动态变化时，不能进行跟踪调整，不能满足电网的需要，电压的质量受到影响，不利于能源节约。

③AVC系统运行中的问题

AVC系统的应用，虽然满足了全网电压无功的闭环自动控制，但是因为AVC系统在自身设计环节还存在一定的问题，所以制约了电网的健康运行，而且使得AVC系统中存在一定的安全隐患，如果发生电网事故，将造成非常严重的后果。

（2）AVC系统的改进建议

① 控制设备的改进

因为AVC系统对调压设备提出了更高的要求，可以采用一些先进的调压设备，例如变压器真空有载调压开关，更好地满足AVC系统的要求。同时还可以推广新型电容器补偿装置，新装置有平滑调整能力。对于一些成组的补偿容量装置在进行调解时，无功优化潮流调整的精度会受到一定程度地影响，而且经济效益也不高。推广一些拥有平滑调整能力的装置，可以有效地解决这些问题。

② AVC系统运行的改进建议

a）提高AVC系统的可靠性

在AVC系统中，闭锁的可靠性是非常关键的一个问题，因此AVC系统为了应对这个问题，经常采用“软闭锁”的策略，但是这项策略的实时性以及可靠性没有保证，无法满足运行要求[3]。VQC装置拥有更高的可靠性，其中含有I/O系统，VQC装置还可以进行计算判断，对于有关闭锁信号，通过相应装置来输入硬节点，闭锁的可靠性大大增强。因为AVC依赖SCADA系统，所以设计时使用用EMS系统的一体化系统比较有优势。

b）AVC系统智能化改进建议

在AVC中，软件系统应该提高识别异常测量变化的能力，对主变无功功率以及功率因素进行分析，了解其变化情况，然后做出相应的智能预警，较少连续震荡调节的情况，也避免了出现不合理的控制动作。

实际上10kV侧的高压集中补偿只是解决35kV以上的线损问题，其容量配置主要依据主变容量及变压器本身的损耗并兼顾少量的用户无功。在实际应用中值得注意的是，在经过线路高压补偿后，集中补偿的容量必须作相应的调整。总之，以变电站及其所带配电网络为整体的补偿将会逐步代替现有的分散和孤立的补偿装置。

三、新型控制器的引入及理论降损计算

现阶段通用的普通控制器均是将用户无功补偿的模式移植到电力系统，忽视了电力系统自身的无功特点，致使线路中存在大量的无功电流，增大了线路损耗，降低了电压质量。

新型控制器充分考虑电力系统自身的无功需求和无功特点，将彻底改变这种情况。新型控制器不但能对低压侧功率因数等线路参数进行监控，并能通过通信接口远传相关数据。

对于10kV线路来讲，基本的线损计算公式为：

(1)

式中 —线路各支路及主回路的总线损。

通过加装带有新型控制器的无功补偿装置，可使线路功率因数由0.85提高至0.95以上。降损效果计算公式如下：

式中 —降损前线路各支路及主回路的总线损；

—降损后线路各支路及主回路的总线损；

—降损前线路功率因数；

—降损后线路功率因数。

由计算可知，通过安装带有新型控制器的无功补偿装置，可以使每条支路整体线损降低19.9%。

四、经济效益分析

对于一条10kV线路而言，如果此线路有变压器30台，月供电能量为80万千瓦时，线损率为7%，则月均损耗电能量为5.6万千瓦时。如在此线路上整体加装带有新型控制器的无功补偿装置后，可使10kV线路的功率因数从原有的0.85提升至0.95，即可使线路线损率降低月20%。

每月节约电能量为：W_节=5.6万千瓦时×0.2=1.12万千瓦时，即可节约电能量1.12万千瓦时，折合人民币6272元。年节电价值75264元人民币。加入一组计算成本的数，如某县有50条10kV线路，每年即可整体节约电费折合人民币376万余元，而改装成本大概500万元，平均一年半即可收回成本。

【参考文献】

[1]李俊峰，配电变压器自动无功补偿装置改进一法.《农村电工》2009年第12期37.

[2]许正立,张长青.谈新型节能降损控制器在10kV线路中的应用.《农村电工》2009年第12期版.

[3] 钟毅,陈蕊.地区电网AVC系统设计与实现[J].电力系统保护与控制,2008,36(23):41-44,53.

[4] 苏家祥,廖亨利,袁文谦,等.地、县两级电网AVC系统分层联合协调控制[J].继电器,2008,36(10):36-39.

[5] 明娇,刘代勇.基于改进层次模糊评判的地区电网AVC系统告警信息分级模型[J].电力系统保护与控制,2011,39(2):50-54.

[6] 陈要征，贺光辉. 县域农村高压配电网、自动化及通信、无功优化补偿改造升级技术原则探讨(2011)15-0124-02

2