CN103606932A - 负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法，可以根据配电变压器的电流负载比η（负荷电流与配变额定电流之比）来判断当前配电变压器的负荷水平，据此选择相应的功率因数控制区间来确定电容器的投切，以提高10kV配电系统的降损效果和改善电压质量，提高无功补偿设备的利用率。该方案的具体步骤如下：测量电容器安装点的线电流和线电压；将测量得到的负荷电流数值除以变压器二次侧的额定电流，计算得出该负荷点的电流负载比η；根据η把负荷水平归类分属为轻载、常载或重载；依据负荷水平不同对无功补偿需求的差异性制定三组功率因数控制区间上下限；根据负载情况选择相应的功率因数区间，结合电压优先判据进行电容器的投切控制。

Description

负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法

技术领域

本发明涉及低压电容器的动态投切控制技术，具体涉及10kV配电线路电容器根据负荷轻重变化而动态选择功率因数控制区间的方法。 

背景技术

我国在十二五规划中提出了要降低单位国内生产总值能耗和减少主要污染物的排放总量。电能作为一种重要的能源，在电力生产运行中，尤其在配电网中推广和应用节能降损措施，对于实现总体的规划目标，促进经济的可持续发展，实现低碳和节能减排具有重要意义和显著效果。 

据相关数据显示，我国低压输配电网络（包括线路、配电变压器）的损耗约占电力总产量的10%，造成了电能的巨大损失和浪费。而这损耗的相当一部分是由于配电网功率因数过低，无功补偿不足而造成的。另外，电压作为电力系统电能质量的重要指标之一，直接影响电网自身运行的安全性和经济性，而它主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。因此，无功补偿在电网中的应用，起到减少无功在电网中流动、降低线路有功损耗、提高电压合格率和提高电网设备利用率等重要的作用。由于低压无功补偿与高压系统的无功补偿相比更加靠近负荷侧，更有利于系统调压，更有利于三相平衡，因此低压无功补偿引起了广泛的应用。 

为了使得无功补偿适应负荷波动的变化，同时也便于操作管理，一般负荷侧的低压无功补偿设备都采用自动投切的方法，其中最典型的是根据功率因数来进行自动投切控制。按照现行的相关导则，负荷侧的电容器一般按照功率因数上下限固定在0.90～0.95之间投切，这种方法大部分情况下可以基本满足无功平衡和电压水平的要求，但是还存在以下几方面的问题： 

（1）固定功率因数上下限的控制方法只适用于无功负荷比较稳定的线路和网络，在负荷变动较大的情况下无法实现有针对性的补偿； 

（2）在负荷较轻的时候，投切电容器组会导致功率因数的大幅变化，固定0.90～0.95的区间过于狭小，可能会导致反复投切损坏设备和造成电网不稳定等状况； 

（3）在负荷较重的时候，由于配变和线路都会产生更多的无功损耗，而现行办法一般不允许无功倒送，这部分的损耗还是依靠上层电网下送。因此负荷越重的时候，线路上流动的无功功率越多，网络损耗越严重，电压质量也越差，显然功率因数0.95的上限难以满足节能和优质供电的需求； 

（4）目前大部分地区的无功补偿装置按照配变总容量的20%～40%进行配置，而正常运行中按照0.90～0.95的功率因数范围则不需要投入全部设备，没有充分发挥已有补偿设备在配电网区域优化中的性能，造成无功补偿设备的闲置性浪费。 

因此，作为电网无功优化的一个长远目标，进一步提高电网运行功率因数显得很有必要，而在不增加电源建设和设备投资的前提下，提高功率因数是用来稳定系统电压、降低网络损耗、提高供电能力的一种有效办法。但功率因数的定值运行还需要解决如何确定取值、如何应对负荷变化和反复投切等问题。 

显然，线路在重载和轻载两种情况下所需要的无功补偿容量相差很大，不同的负荷状况采用统一固定的功率因数控制难以达到最有效的节能和降损效果。此外，由于当前的低压无功补偿控制策略不允许补偿设备倒送无功功率到中压系统，配电变压器和10kV配电线路上的无功损耗只能从上层电网输送，这在负荷较重的时段必然存在较大的节能空间——如果允许负荷较重时低压无功补偿适当的无功倒送，则可以利用闲置的无功补偿设备在满足了本负荷点处的无功负荷需求后，还能够平衡邻近无补偿的台区的部分无功负荷以及10kV系统的无功损耗，从而提高设备利用率、充分挖掘其节能效益。 

从以上问题出发，本发明提出一种负荷相关的低压电容器自动控制方法，可以根据配电变压器的电流负载比η来判断当前配电变压器的负荷水平，据此选择相应的功率因数控制区间来确定电容器的投切控制。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供负荷相关的负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法。目前无功补偿难以对负荷变动进行匹配的现状，本发明根据电流负载比η的大小把当前时刻的负荷水平归类分属为轻载、常载或重载。依据负荷水平不同对无功补偿需求的差异性制定三组功率因数控制区间上下限，根据负载情况选择相应的功率因数控制区间，结合电压优先判据进行电容器的投切控制，从而提高10kV配电系统的节能降损效果和改善电压质量，提高无功补偿设备的利用率。 

本发明通过如下技术方案实现： 

负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法，其特征在于包括如下步骤： 

（1）测量电容器安装点的线电流和线电压； 

（2）将测量得到的负荷电流数值除以配电变压器二次侧的额定电流，计算得出该负荷点的电流负载比η； 

（3）根据η的大小把此时的负荷水平归类分属为轻载、常载或重载； 

（4）依据负荷水平不同对无功补偿需求的差异性制定三组功率因数控制区间上下限； 

（5）根据负载情况选择相应的功率因数控制区间，结合电压判据进行电容器的投切控制。 

上述控制方法中，负荷水平轻时控制补偿在滞后的功率因数区间；负荷重时控制补偿在超前的功率因数区间，以倒送无功功率来补偿配电变压器和馈线的无功损耗以及邻近无补偿的台区的部分无功负荷。 

上述控制方法中，步骤(3)所述的负荷水平的归类以及步骤(4)所述三组功率因数控制区间设定如下： 

（1）当η＜25时，判定归类为轻载，功率因数控制区间为滞后0.88～滞后0.97； 

（2）当25≤η≤60时，判定归类为常载，功率因数控制区间为滞后0.96～超前0.97； 

（3）当η＞60时，判定归类为重载，功率因数控制区间为超前0.98～超前0.93。 

进一步的，上述控制方法通过数据采集模块、计算和控制模块和输出投切模块实现，其中： 

采集模块功能包括定时采集电容器安装点的线电流和线电压数值，配变二次侧的额定电流数据，以及进行A/D转换，以动态的数据更新为后面的计算和判断模块提供参考； 

计算和控制模块依据不同时刻采集到的数据计算电流负载比η，确定当前应当采用的功率因数控制区间；同时，结合电压优先判据判断按当前区间投切电容器之后电压是否会有越限情况，综合判断得出当前应执行的操作指令并且传达给输出投切模块； 

输出投切模块与低压电容器开关相连接，按照计算和控制模块的指令来动态更新进行投切电容器。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

（1）本发明采用的与负荷相关的低压电容器功率因数控制方法，可以根据负载的轻重有针对性地设置功率因数上下限从而控制电容器的投切，更好地实现无功平衡和减 少网络有功损耗。 

（2）本发明提出允许适当的无功功率倒送，可以对配电变压器和线路上产生的无功损耗实现就地平衡，并且可以平衡邻近无补偿的台区的部分无功负荷，弥补无功补偿装置安装点不足的问题。 

（3）本发明提出的控制方法是基于现有的已安装设备基础上，不需要增加新设备和进行新规划，只对目前的补偿装置控制策略进行改进，提高已有安装设备的利用率，避免已有投资的闲置浪费。 

附图说明

图1为中低压配电系统示意图。 

图2为负荷相关的低压电容器投切控制流程图。 

图3为实例线路节点示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。 

如图1所示是包括10kV和0.4kV母线的中低压配电系统示意图。 

配电系统中的有功损耗主要包括10kV线路、配电变压器和380V线路三个部分，在变压器中有功损耗分为铁耗和铜耗，而在线路中有功损耗与阻值和电流的平方成正比。线路损耗具体表达如下： 

其中， 

ΔP——线路有功损耗，kW 

I——线路电流，A 

P——线路输送的有功功率大小，kW 

R——线路的电阻大小，Ω 

U——线路的额定电压大小，kV 

——功率因数 

低压无功补偿投入后，在低压线路和10kV线路、配变中产生的降损机理和效果有所不同。在380V母线侧由于可以平衡该点的无功负荷，提高母线电压，从上式（2）可 看出，当U增大的时候，ΔP会减小，从而在低压线路部分起到降损的效果。而对中压线路和配电变压器部分，由于电容器补偿了部分的无功负荷，因此需要从10kV线路往下输送的无功功率减少，无功电流也随之减小，从而减少有功功率在输送中产生的损耗。 

由上可知，当线路负载轻重不同时，中低压系统中产生的有功损耗会差别很大，轻载时由于输送功率P较小，在系统所造成的有功损耗也同样很小；而重载时则刚好相反，有功损耗相当严重。在现有固定0.90～0.95的功率因数控制策略下，不同负载水平下的系统节能空间存在着显著差别：轻载时即使进一步提高补偿后的功率因数，这对降低有功损耗的贡献作用很小，从设备操作成本的角度来说不宜采用；而如果重载时适当提高运行的功率因数，则可以取得较明显的降损效果。 

因此，在避免轻载时无功倒送到110kV（或220kV）高压配网系统造成上层电网电压调控的负面问题的前提下，为了进一步挖掘配网系统的节能降耗空间，轻载时应避免过高的功率因数，而重载时则应该在避免无功倒送到高压配网的前提下尽量提高10kV系统的功率因数。从这个角度出发，应允许380V低压无功补偿适当过补偿倒送无功功率到10kV系统，也即需要提高其功率因数控制要求。 

配电线路电压分布特性：当两点之间的相角差不大的时候，可以近似地认为电压损 

耗就等于电压降落的纵分量，即： 

$\mathrm{\ΔV}=\frac{P_{1}R+Q_{1}X}{V_1}---\left(3\right)$

其中，P₁、Q₁、V₁分别要取同一侧的有功值、无功值和电压值。 

由上可知，在10kV配网系统中，各节点电压水平与沿线负荷的有功和无功密切相关，负荷越重，即P₁、Q₁越大，则电压降也随之增大。此外，远离变电站的节点由于负荷以及阻抗的累积，其电压水平往往会变得更低。这说明，在轻载的时候，线路的电压降通常比较小，不至于会引起配电系统电压偏低的问题，因此也不需要借助过量的无功补偿来提高电压水平；但在重载时，配电线路末端负荷点电压往往会偏低，越下限的情况常有发生，此时需要加强低压无功补偿投入量来提升电压水平，甚至需要380V侧适当倒送无功功率到10kV系统。 

按照现行的相关导则，负荷侧的功率因数一般要求补偿到滞后的0.90～0.95即可（特殊情况下可以补偿到1），但不允许无功功率的倒送。这种方法大部分情况下可以基本满足无功平衡和电压水平的要求，但是还存在以下几方面的问题： 

a.在负荷较轻的时候，投切电容器组会导致功率因数的大幅变化，固定0.90～0.95的区间过于狭小，可能会导致反复投切损坏设备和造成电网不稳定等状况； 

b.在负荷较重的时候，由于配变和线路都会产生更多的无功损耗，而现行办法一般不允许无功倒送，这部分的损耗还是依靠上层电网下送。因此负荷越重的时候，线路上流动的无功功率越多，网络损耗越严重，功率因数0.95的上限难以满足需求； 

c.目前大部分地区的无功补偿装置按照配变总容量的20%～40%进行配置，而正常运行中按照0.90～0.95的功率因数范围则往往不需要投入全部设备，没有充分发挥已有补偿设备在配电网区域优化中的性能，造成无功补偿设备的闲置性浪费。 

基于以上问题，有文献建议电网公司将电网运行功率因数提高到0.98，作为电网无功优化的一个长远目标。而在不增加电源建设和设备投资的前提下，提高功率因数以及允许适当的无功倒送是用来稳定系统电压、降低网络损耗、提高供电能力的一种有效办法。 

显然，低压无功补偿的功率因数应该与配电网负荷水平相关，负荷轻时功率因数控制宜相对低一点，而负荷重时则应控制得高一些。因此本发明提出了电流负载比的概念来表征配电网中负荷点的负载水平。 

负荷点的电流负载比η的计算方法为，利用测量得到的负荷电流数值除以变压器二次侧的额定电流，得出该负荷点的电流负载比η，如下式： 

$\mathrm{\η}=\frac{I}{I_N}---\left(5\right)$

根据电流负载比η的大小把当前的负荷水平归类分属为轻载、常载或重载，依据负荷水平不同对无功补偿需求的差异性制定三组功率因数控制区间上下限。根据负载情况选择相应的功率因数控制区间，结合电压优先判据进行电容器的投切控制。 

其中，在轻载的情况下，投切电容器组会导致功率因数的大幅变化，可能会造成反复投切损坏设备和造成电网不稳定等状况。并且由实际计算表明，在负载较轻的时候，各个功率因数控制下的网络损耗差别较小，为减少操作成本、延长设备使用寿命，故考虑把轻载时的功率因数控制区间适当放宽。如下所述： 

（1）当η＜25时，判定归类为轻载，功率因数控制区间建议为滞后0.88～滞后0.97； 

（2）当25≤η≤60时，判定归类为常载，功率因数控制区间建议为滞后0.96～超前0.97； 

（3）当η＞60时，判定归类为重载，功率因数控制区间建议为超前0.98～超前0.93。 

根据上述的功率因数控制区间，结合电压优先判据，若经系统计算投入电容器后电压会越上限，则不受以上控制区间影响直接退电容器，直到电压合格或所有电容器退出完毕为止；若功率因数区间满足后电压依然越下限，则不受以上控制区间影响直接投电容器，直到电压合格或所有电容器投入完毕为止。 

实例：以南方某地区10kV线路为实际例子，荷相关的低压电容器投切控制流程如图2所示。 

根据步骤（1）（2）求出各个负荷节点处的电流负载比，设定该系统额定电压为10kV，接线图如附图3。控制负荷点处的功率因数分别从滞后0.88变化到超前0.95，利用潮流计算软件算得线路的有功功率损耗、折算网损费用和负荷节点最低电压值分别如表1、表2和表3所示（年最大负荷利用小时数按3500h算，电费按0.6元/kW·h算）： 

表1不同功率因数控制下中压系统有功损耗（单位：kW） 

表2不同功率因数控制下中压系统网损总费用（单位：万元/年） 

表3不同功率因数控制下10kV负荷节点电压最小值（单位：kV） 

根据步骤（3）的负载判断，电流负载比η为6%判断为轻载，η为30%和60%为常载，η为90%为重载。 

根据步骤（4）按负荷水平不同对无功补偿需求的差异性从三组功率因数控制区间上下限选择对应的控制方法。从上表对比可以看出： 

1）轻载的时候，如表1所示，线路的有功损耗很小，补偿在不同功率因数控制下的数值差别不大，并且如表3所示负荷节点的电压最小值也在合理范围，考虑到操作成本和避免出现反复投切损坏设备，因此把控制区间控制在滞后0.88到0.97较为合适。 

2）常载的时候，由于线路和配变上会产生一定的无功损耗，因此此时需要在无功补偿点进行适当的过补偿。由上表可以看出，功率因数控制在1到超前的0.98具有更明显的降损稳压效果。 

3）重载的时候，线路和配变产生的无功损耗进一步加重，并且受邻近无补偿台区的无功负荷影响，有功损耗和电压下降明显。从上表可以看出，各个无功补偿安装点控制补偿在超前0.95左右具有更好的节能效果，有功损耗明显降低以及电压水平明显升高。 

根据步骤（5），若经过计算投入无功补偿装置后电压会越上限，则根据电压优先判据，按照附图1的流程图进行操作控制，避免大量无功倒送造成的电压越上限。 

由上述实例及仿真表明，当电流负载比从低到高变化时，由于电网上的无功损耗急剧增加，线路上的有功损耗也大幅度上升，此时如果依然按照原有的功率因数滞后0.90到0.95的控制方法显然是不适用的，节能降损效果并不明显。而本发明所提出的负荷相关的低压电容器控制方法，则考虑了负荷的轻重变化，动态地调整功率因数上下限从而控制电容器的投切操作。通过多种负荷状况和多种功率因数下的潮流计算仿真，可以明显看出，采用本发明的控制策略之后可以进一步降低线路中的有功损耗，降低网损费用，并且也有明显的抬升和稳定电压作用，在重载的时候效果尤为明显。 

Claims (4)

1.负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）测量电容器安装点的线电流和线电压；

（2）将测量得到的负荷电流数值除以配电变压器二次侧的额定电流，计算得出该负荷点的电流负载比η；

（3）根据η的大小把此时的负荷水平归类分属为轻载、常载或重载；

（4）依据负荷水平不同对无功补偿需求的差异性制定三组功率因数控制区间上下限；

（5）根据负载情况选择相应的功率因数控制区间，结合电压判据进行电容器的投切控制。

2.根据权利要求1所述的负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法，其特征在于：负荷水平轻时控制补偿在滞后的功率因数区间；负荷重时控制补偿在超前的功率因数区间，以倒送无功功率来补偿配电变压器和馈线的无功损耗以及邻近无补偿的台区的部分无功负荷。

3.根据权利要求1所述的负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法，其特征在于：步骤(3)中所述的负荷水平的归类以及步骤(4)所述三组功率因数控制区间设定如下：

（1）当η＜25时，判定归类为轻载，功率因数控制区间为滞后0.88~滞后0.97；

（2）当25≤η≤60时，判定归类为常载，功率因数控制区间为滞后0.96~超前0.97；

（3）当η＞60时，判定归类为重载，功率因数控制区间为超前0.98~超前0.93。

4.根据权利要求1所述的负荷相关的低压动态无功补偿电容器自动控制方法，其特征在于通过数据采集模块、计算和控制模块和输出投切模块实现，其中：

采集模块功能包括定时采集电容器安装点的线电流和线电压数值，配变二次侧的额定电流数据，以及进行A/D转换，以动态的数据更新为后面的计算和判断模块提供参考；

计算和控制模块依据不同时刻采集到的数据计算电流负载比η，确定当前应当采用的功率因数控制区间；同时，结合电压优先判据判断按当前区间投切电容器之后电压是否会有越限情况，综合判断得出当前应执行的操作指令并且传达给输出投切模块；

输出投切模块与低压电容器开关相连接，按照计算和控制模块的指令来动态更新进行投切电容器。

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