采用微机分析控制技术弥补电压无功综合控制装置的不足

1 引言

电压无功的最优控制是提高供电质量、减少线路损耗的主要手段。随着电力行业对提高电能质量、降低线损的要求日益迫切，10kV系统的无功补偿问题受到越来越广泛的关注。目前，无功补偿装置存在如下问题：功能简单、联网能力薄弱、抗干扰能力差、控制精度低，投切电容和调节变压器的判据是利用在线测量的功率因数与整定的功率因数相比较的原理来确定的，在这种情况下投切电容器难免会引起电流、电压的波动，既影响供电质量，又降低设备寿命。

本文研制的新型变电站10kV系统电压无功综合控制装置采用微机分析控制技术，利用同时进行功率因数控制与电压控制的方法，以变压器10kV侧母线电压、功率因数、无功需求为控制目标，通过变压器分极有载调压以及电容器的自动投切将电压、功率因数控制在设定的范围内，弥补了当前无功补偿装置存在的不足。

2 装置的功能和原理

2.1 装置的功能

（1）用于不同运行方式的变电站。如双变压器变电站的2台变压器并列运行，双变压器变电站的1号主变运行、2号主变停运，双变压器变电站的2号主变运行、1号主变停运，单变压器变电站，双变压器变电站的2台变压器分段运行等[。

（2）控制方式。以主变10kV侧的电压、功率因数和无功需求为控制目标，可实现分级有载调压，将电压控制在设定范围内；利用电容器的补偿作用，将功率因数控制在设定范围内。

（3）采用分体模块式高压真空专用断路器。5组该断路器任意可选，可根据总补偿容量分组。

（4）进行网络通讯。将运行状态信息、自诊断信息向外传送，并接受调度及当地监控主机发来的命令，实现电容器投切及升压降压的遥控操作。有4种工作方式可选择：调压远动、补偿自动，调压自动、补偿远动，调压远动、补偿远动，调压自动、补偿自动。

（5）实时显示有关参数。包括主变低压侧电压、电流、功率因数及电容器的投切状态等。

（6）具有完善的保护功能。具有PT断线闭锁功能、过电压保护功能、低电压保护功能、测量功能及报警功能。另外，每组电容均设有独立的微机保护，对电容器可实现三段过流及零序电压保护，以取代传统的熔管保护。

2.2 装置的原理

（1）无功补偿控制装置功率因数的算法

该装置首先将输入信号（包括基波分量与谐波分量）分实部、虚部展开，其中，实部与虚部的幅值分别采用傅氏变换求取，然后利用基波分量的实部与虚部求取其幅值和相位，最后根据相位差计算功率因数[5]。

（2）无功补偿与调压原理

无功补偿和调压是根据各变电站实际运行状况而定的。目前，大部分负荷为感性负载，故本装置采用补偿电容的方式补偿感性负载引起的电压与电流的相位差，以降低损耗、提高电能质量。

取母线电压信号和主变侧电流信号作为变压器有载调压和无功补偿的模拟输入信号，并计算无功需求量、功率因数。将总柜开关的辅助接点和母联开关的辅助接点作为识别各种运行方式的依据，通过控制装置的逻辑判断、程序运算来确定电压的调整和电容器组的投切，确保电压和功率因数在设定范围之内，实现就地平衡无功、维持母线电压稳定。

调压和投切无功电容的理论依据为九区图控制法，如图1所示。九区图控制法原理是调节有载调压变压器分接头及投切电容器，使系统尽量运行于区域0[6]。各区域决定的9种运行状态的控制规则分析如下：

1）区域0：电压与无功均合格，为稳定工作区，不调节。

2）区域1：电压越上限，调分接头降压。

3）区域2：电压越上限，无功越上限，先切电容器组，如电压仍越上限则降压。

4）区域3：电压合格，无功越上限，切电容。

5）区域4：电压越下限，无功越上限，先升压，如无功仍越上限，切电容器组。

6）区域5：电压越下限，升压。

7）区域6：电压越下限，无功越下限，先投电容，若电压仍越下限则升压。

8）区域7：电压合格，无功越下限，投电容。

9）区域8：电压越上限，无功越下限，先降压，如无功仍越下限，投电容器组。

2.3 装置投切电容和调压的判椐

上述条件中，cosΦ为功率因数实时值，cosΦdl为功率因数下限定值，cosΦdh为功率因数上限定值，Udl为低电压保护定值，Uab(或Ubc、或Uca)为母线电压，Udg为高电压保护定值，Q为无功功率实时值，Qd为无功需求量定值，T为投入电容间隔时间，Td为电容间隔时间定值，Ia为 10kV侧总电流，Id为过载闭锁调压电流定值，t为调压延迟时间，td为调压延迟时间定值，Udh为调压上限定值。

3 装置的系统结构

新型电压无功综合控制装置包括：高压真空专用断路器、避雷器、放电用高压PT、串联电抗器、高压电容器、控制器、电容器组微机保护单元、柜体及辅助连线，并可提供RS485通讯接口。系统结构见图2。

4 新技术在装置中的应用

4.1 采用按电容器组装设的新式电容器保护

新式保护单元为专门用于无功补偿装置的电容器保护，该保护有两种：三段式过电流保护、零序电压保护。这种保护不仅能够完全取代传统的电容器保护，而且具有原理先进、针对性强、可靠性高的优点。该保护的接线见图3。

4.2 按负荷变化投切电容器

解决了以往的开关配置不合理、当负荷变化大时无功补偿不能及时跟踪的问题，利用一个柜中的5组开关以及电容器的自动循环投切，使电容投入的数量能自动跟踪负荷的变化，从而提高了无功补偿的精度。

4.3 补偿与调压的配合问题

控制装置根据母线电压和功率因数来决定有载调压装置的升压、降压以及电容器的投切。当发出升、降压指令时，由主变有载调压装置操作机构来完成；当发出投切电容器指令时，由开关的合与分来实现。调压与补偿的密切配合，提高了变电站的电压指标。

4.4 新型的机卡保护

机卡保护是解决断路器跳、合闸时，其辅助接点不能按时切断跳、合闸电源而导致起动接点被烧坏的一种保护，它保证了跳、合闸回路的完好率。

4.5 电容器自动循环投切

电容器的自动循环投切保证了各电容器组的运行时间均等，同一电容器组在小于放电时间内不再次投入，当某组电容器出现故障时可自动闭锁，不影响其它电容器组的正常投切。

5 结束语

本文研制的新型电压无功综合控制装置采用了以定性分析为基础的九区图控制法，考虑了影响电压无功控制的主要因素，突破了定性分析的框架，研究了电压无功控制效果与系统负荷的关系，控制效果令人满意。而且，控制器采用先进的工业级芯片，具有总线不出芯片的特点，通过电磁隔离和电磁屏蔽的合理设计，使装置的硬件系统具有较好的抗干扰能力和可靠性。