1 引言

電壓無功的最優(yōu)控制是提高供電質(zhì)量、減少線路損耗的主要手段。隨著電力行業(yè)對(duì)提高電能質(zhì)量、降低線損的要求日益迫切，10kV系統(tǒng)的無功補(bǔ)償問題受到越來越廣泛的關(guān)注。目前，無功補(bǔ)償裝置存在如下問題：功能簡單、聯(lián)網(wǎng)能力薄弱、抗干擾能力差、控制精度低，投切電容和調(diào)節(jié)變壓器的判據(jù)是利用在線測量的功率因數(shù)與整定的功率因數(shù)相比較的原理來確定的，在這種情況下投切電容器難免會(huì)引起電流、電壓的波動(dòng)，既影響供電質(zhì)量，又降低設(shè)備壽命。

本文研制的新型變電站10kV系統(tǒng)電壓無功綜合控制裝置采用微機(jī)分析控制技術(shù)，利用同時(shí)進(jìn)行功率因數(shù)控制與電壓控制的方法，以變壓器10kV側(cè)母線電壓、功率因數(shù)、無功需求為控制目標(biāo)，通過變壓器分極有載調(diào)壓以及電容器的自動(dòng)投切將電壓、功率因數(shù)控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，彌補(bǔ)了當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置存在的不足。

2 裝置的功能和原理

2.1 裝置的功能

（1）用于不同運(yùn)行方式的變電站。如雙變壓器變電站的2臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，雙變壓器變電站的1號(hào)主變運(yùn)行、2號(hào)主變停運(yùn)，雙變壓器變電站的2號(hào)主變運(yùn)行、1號(hào)主變停運(yùn)，單變壓器變電站，雙變壓器變電站的2臺(tái)變壓器分段運(yùn)行等[。

（2）控制方式。以主變10kV側(cè)的電壓、功率因數(shù)和無功需求為控制目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)分級(jí)有載調(diào)壓，將電壓控制在設(shè)定范圍內(nèi)；利用電容器的補(bǔ)償作用，將功率因數(shù)控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

（3）采用分體模塊式高壓真空專用斷路器。5組該斷路器任意可選，可根據(jù)總補(bǔ)償容量分組。

（4）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。將運(yùn)行狀態(tài)信息、自診斷信息向外傳送，并接受調(diào)度及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)發(fā)來的命令，實(shí)現(xiàn)電容器投切及升壓降壓的遙控操作。有4種工作方式可選擇：調(diào)壓遠(yuǎn)動(dòng)、補(bǔ)償自動(dòng)，調(diào)壓自動(dòng)、補(bǔ)償遠(yuǎn)動(dòng)，調(diào)壓遠(yuǎn)動(dòng)、補(bǔ)償遠(yuǎn)動(dòng)，調(diào)壓自動(dòng)、補(bǔ)償自動(dòng)。

（5）實(shí)時(shí)顯示有關(guān)參數(shù)。包括主變低壓側(cè)電壓、電流、功率因數(shù)及電容器的投切狀態(tài)等。

（6）具有完善的保護(hù)功能。具有PT斷線閉鎖功能、過電壓保護(hù)功能、低電壓保護(hù)功能、測量功能及報(bào)警功能。另外，每組電容均設(shè)有獨(dú)立的微機(jī)保護(hù)，對(duì)電容器可實(shí)現(xiàn)三段過流及零序電壓保護(hù)，以取代傳統(tǒng)的熔管保護(hù)。

2.2 裝置的原理

（1）無功補(bǔ)償控制裝置功率因數(shù)的算法

該裝置首先將輸入信號(hào)（包括基波分量與諧波分量）分實(shí)部、虛部展開，其中，實(shí)部與虛部的幅值分別采用傅氏變換求取，然后利用基波分量的實(shí)部與虛部求取其幅值和相位，最后根據(jù)相位差計(jì)算功率因數(shù)[5]。

（2）無功補(bǔ)償與調(diào)壓原理

無功補(bǔ)償和調(diào)壓是根據(jù)各變電站實(shí)際運(yùn)行狀況而定的。目前，大部分負(fù)荷為感性負(fù)載，故本裝置采用補(bǔ)償電容的方式補(bǔ)償感性負(fù)載引起的電壓與電流的相位差，以降低損耗、提高電能質(zhì)量。

取母線電壓信號(hào)和主變側(cè)電流信號(hào)作為變壓器有載調(diào)壓和無功補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/analog/" target="_blank">模擬輸入信號(hào)，并計(jì)算無功需求量、功率因數(shù)。將總柜開關(guān)的輔助接點(diǎn)和母聯(lián)開關(guān)的輔助接點(diǎn)作為識(shí)別各種運(yùn)行方式的依據(jù)，通過控制裝置的邏輯判斷、程序運(yùn)算來確定電壓的調(diào)整和電容器組的投切，確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)就地平衡無功、維持母線電壓穩(wěn)定。

調(diào)壓和投切無功電容的理論依據(jù)為九區(qū)圖控制法，如圖1所示。九區(qū)圖控制法原理是調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭及投切電容器，使系統(tǒng)盡量運(yùn)行于區(qū)域0[6]。各區(qū)域決定的9種運(yùn)行狀態(tài)的控制規(guī)則分析如下：

1）區(qū)域0：電壓與無功均合格，為穩(wěn)定工作區(qū)，不調(diào)節(jié)。

2）區(qū)域1：電壓越上限，調(diào)分接頭降壓。

3）區(qū)域2：電壓越上限，無功越上限，先切電容器組，如電壓仍越上限則降壓。

4）區(qū)域3：電壓合格，無功越上限，切電容。

5）區(qū)域4：電壓越下限，無功越上限，先升壓，如無功仍越上限，切電容器組。

6）區(qū)域5：電壓越下限，升壓。

7）區(qū)域6：電壓越下限，無功越下限，先投電容，若電壓仍越下限則升壓。

8）區(qū)域7：電壓合格，無功越下限，投電容。

9）區(qū)域8：電壓越上限，無功越下限，先降壓，如無功仍越下限，投電容器組。

2.3 裝置投切電容和調(diào)壓的判椐

上述條件中，cosΦ為功率因數(shù)實(shí)時(shí)值，cosΦdl為功率因數(shù)下限定值，cosΦdh為功率因數(shù)上限定值，Udl為低電壓保護(hù)定值，Uab(或Ubc、或Uca)為母線電壓，Udg為高電壓保護(hù)定值，Q為無功功率實(shí)時(shí)值，Qd為無功需求量定值，T為投入電容間隔時(shí)間，Td為電容間隔時(shí)間定值，Ia為 10kV側(cè)總電流，Id為過載閉鎖調(diào)壓電流定值，t為調(diào)壓延遲時(shí)間，td為調(diào)壓延遲時(shí)間定值，Udh為調(diào)壓上限定值。

3 裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型電壓無功綜合控制裝置包括：高壓真空專用斷路器、避雷器、放電用高壓PT、串聯(lián)電抗器、高壓電容器、控制器、電容器組微機(jī)保護(hù)單元、柜體及輔助連線，并可提供RS485通訊接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

4 新技術(shù)在裝置中的應(yīng)用

4.1 采用按電容器組裝設(shè)的新式電容器保護(hù)

新式保護(hù)單元為專門用于無功補(bǔ)償裝置的電容器保護(hù)，該保護(hù)有兩種：三段式過電流保護(hù)、零序電壓保護(hù)。這種保護(hù)不僅能夠完全取代傳統(tǒng)的電容器保護(hù)，而且具有原理先進(jìn)、針對(duì)性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。該保護(hù)的接線見圖3。

4.2 按負(fù)荷變化投切電容器

解決了以往的開關(guān)配置不合理、當(dāng)負(fù)荷變化大時(shí)無功補(bǔ)償不能及時(shí)跟蹤的問題，利用一個(gè)柜中的5組開關(guān)以及電容器的自動(dòng)循環(huán)投切，使電容投入的數(shù)量能自動(dòng)跟蹤負(fù)荷的變化，從而提高了無功補(bǔ)償?shù)木取?/p>

4.3 補(bǔ)償與調(diào)壓的配合問題

控制裝置根據(jù)母線電壓和功率因數(shù)來決定有載調(diào)壓裝置的升壓、降壓以及電容器的投切。當(dāng)發(fā)出升、降壓指令時(shí)，由主變有載調(diào)壓裝置操作機(jī)構(gòu)來完成；當(dāng)發(fā)出投切電容器指令時(shí)，由開關(guān)的合與分來實(shí)現(xiàn)。調(diào)壓與補(bǔ)償?shù)拿芮信浜希岣吡俗冸娬镜碾妷褐笜?biāo)。

4.4 新型的機(jī)卡保護(hù)

機(jī)卡保護(hù)是解決斷路器跳、合閘時(shí)，其輔助接點(diǎn)不能按時(shí)切斷跳、合閘電源而導(dǎo)致起動(dòng)接點(diǎn)被燒壞的一種保護(hù)，它保證了跳、合閘回路的完好率。

4.5 電容器自動(dòng)循環(huán)投切

電容器的自動(dòng)循環(huán)投切保證了各電容器組的運(yùn)行時(shí)間均等，同一電容器組在小于放電時(shí)間內(nèi)不再次投入，當(dāng)某組電容器出現(xiàn)故障時(shí)可自動(dòng)閉鎖，不影響其它電容器組的正常投切。

5 結(jié)束語

本文研制的新型電壓無功綜合控制裝置采用了以定性分析為基礎(chǔ)的九區(qū)圖控制法，考慮了影響電壓無功控制的主要因素，突破了定性分析的框架，研究了電壓無功控制效果與系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系，控制效果令人滿意。而且，控制器采用先進(jìn)的工業(yè)級(jí)芯片，具有總線不出芯片的特點(diǎn)，通過電磁隔離和電磁屏蔽的合理設(shè)計(jì)，使裝置的硬件系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力和可靠性。