配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)研究

陳曉春 王曜飛 宋亞夫 王立娜 宋維忱 張占龍 旦乙畫

(1. 國網(wǎng)浙江縉云縣供電公司， 浙江 縉云 321400；2. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 400044)

配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)研究

陳曉春1王曜飛1宋亞夫1王立娜1宋維忱1張占龍2旦乙畫2

(1. 國網(wǎng)浙江縉云縣供電公司， 浙江 縉云 321400；2. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 400044)

針對配電變壓器各相無功補償容量的真實需求，推導(dǎo)出一種可以根據(jù)負(fù)荷大小計算配電變壓器各相無功補償量的方法；同時建立配電變壓器狀態(tài)模型，并利用此模型對研究確立的無功補償量計算方法進(jìn)行了仿真驗證；以單片機為核心組件，配合顯示模塊和智能電參量采集模塊，搭建了無功補償容量分析系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)進(jìn)行無功補償后能夠有效地提高變壓器負(fù)荷側(cè)的功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量。

無功補償； 單片機； 功率因數(shù)； 電能質(zhì)量

電網(wǎng)中異步電動機、變壓器以及大多數(shù)家用電氣等都是阻感負(fù)載，因此，阻感性負(fù)荷所占電網(wǎng)負(fù)荷的比重較大[1]。平均每年因為無功功率過大而造成的線損高達(dá)15%左右，將其折算成線損量則為 1 200×108kW·h。假設(shè)我國電力系統(tǒng)中負(fù)荷的總功率因數(shù)為0.85，通過對電網(wǎng)安裝無功補償裝置，將電網(wǎng)的功率因數(shù)從0.85提高到0.95時，每年可以降低線損約240×108kW·h，這能更加有效地利用電網(wǎng)能源，提高能源利用率[2]。電力系統(tǒng)中無功分量過大還會對電網(wǎng)帶來巨大的危害[3]，主要表現(xiàn)在對輸變電和用電設(shè)備造成損耗，對輸電線路末端電壓和功率造成影響[4]，導(dǎo)致輸變電設(shè)備有功容量降低、電網(wǎng)中諧波增加等。目前，靜止無功補償裝置廣泛應(yīng)用于我國低壓配電網(wǎng)的無功功率補償。該裝置能夠有效地進(jìn)行無功補償，提高功率因數(shù)。但實際中諸多配電變壓器未安裝無功補償裝置或者安裝的無功補償裝置沒有有效工作。其主要原因是由于無有效的評估手段，不易確定無功補償裝置的容量，易造成大量電容器在配電系統(tǒng)輕載時的閑置，設(shè)備利用率不高。

本次研究研制了一套配電變壓器無功補償可靠性分析系統(tǒng)，對現(xiàn)有配電變壓器無功補償量進(jìn)行分析，根據(jù)配電變壓器實際運行狀態(tài)判斷無功補償裝置配置是否合理，并提出合理配置方案。分析結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠為無功補償裝置的合理配置提供依據(jù)，避免無功配置不合理而導(dǎo)致的治理效果差及資源浪費問題；能夠為工作人員配置配電變壓器無功功率補償裝置提供參考，提高工作人員工作質(zhì)量及工作效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)價值和現(xiàn)實意義。

1 無功補償容量算法分析

根據(jù)無功補償技術(shù)的基本原理，利用相間跨接電感、電容可轉(zhuǎn)移三相間功率的特性，適當(dāng)?shù)卦谌嚅g配置無功補償容量，從而達(dá)到平衡三相功率和負(fù)荷無功的目的，進(jìn)而提高功率因數(shù)的無功補償效果?？紤]到實際電網(wǎng)中配電變壓器主要采用三相四線制，因此，在三相間配置無功補償量的同時，配置相對地的無功補償量，進(jìn)一步實現(xiàn)無功補償[5]。取容性的無功功率為正值，感性的無功功率為負(fù)值。

三相四線制系統(tǒng)中的負(fù)荷為阻感性負(fù)荷。為了簡化研究過程，根據(jù)疊加原理，可分別對配電變壓器負(fù)荷為純電阻和純電感情況進(jìn)行研究，最后對結(jié)果進(jìn)行疊加處理，即可分析得到結(jié)論。

對于單相接電阻負(fù)荷補償，首先研究分析A相對地接純電阻負(fù)荷的情況。

如圖1所示，三相四線制系統(tǒng)中，設(shè)三相電壓對稱，即：

(1)

其中，α=ej120°。

圖1 單相接電阻負(fù)荷補償前的電路圖

圖2 單相接電阻負(fù)荷補償后的電路圖

根據(jù)無功補償算法的要求，補償后的三相四線制系統(tǒng)中，中線電流為零，三相負(fù)荷平衡。該條件反應(yīng)在電路上的要求即為：

(2)

根據(jù)基爾霍夫電流定律對圖2所示電路進(jìn)行分析可得：

(3)

由于式(3)電流參量都與相間電壓、相地電壓和補償電路的電納相關(guān)，因此根據(jù)式(2)中的條件，對式(3)進(jìn)行求解即可得到滿足條件的補償電路電納數(shù)值。

式(3)中，各支路電流對應(yīng)于電壓和電納的關(guān)系如下：

(4)

聯(lián)立式(2)、(3)和(4)可求得所需配置的無功補償電納為：

(5)

由式(5)可得，當(dāng)A相接電阻負(fù)荷時，在AB相間，BC相間，B與地和C與地之間配置合理的電納即可使三相功率平衡，且中線電流為零，從而提高功率因數(shù)，達(dá)到無功補償?shù)哪康?。同理，?dāng)B相、C相接電阻負(fù)載時，可根據(jù)上述推導(dǎo)過程求得所需配置的無功補償電納。

單相接電抗負(fù)荷補償時，A相接純電抗負(fù)荷電路如圖3所示。

圖3 單相接電抗負(fù)荷補償前的電路圖

由圖3易得，對于此類單相接電抗負(fù)荷的電路，可以在負(fù)荷兩端直接并聯(lián)相同反相的電抗，補償其產(chǎn)生的無功。根據(jù)功率因數(shù)計算式易得，減少負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率能夠有效提高功率因數(shù)。此種無功補償反應(yīng)在電路中，表現(xiàn)為在相與地之間并聯(lián)相同反相的電納。補償電路如圖4所示。

圖4 單相接電抗負(fù)荷補償后的電路圖

圖4中，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得：

(6)

根據(jù)式(6)可得系統(tǒng)中的無功電流被完全抵消。根據(jù)無功補償原理，通過此種補償方法可以消除負(fù)荷產(chǎn)生的無功，達(dá)到提高功率因數(shù)的效果。

B相與C相分別接純電抗負(fù)荷的情況與A相接純電抗的情況相同，分析過程同上。由此即可得到配電變壓器三相電路接純電抗時，滿足無功補償要求所需配置的無功補償容量。

實際工程中，配電變壓器通常為三相四線制，且為不對稱阻感性負(fù)荷。假設(shè)A、B、C三相負(fù)荷分別為Ga+jBa、Gb+jBb和Gc+jBc，無功補償所需電納仍與圖3所示相同，則補償后系統(tǒng)電路如圖5所示。

圖5 三相四線制系統(tǒng)無功補償后的電路圖

綜合對單相接電阻負(fù)荷系統(tǒng)和單相接電感負(fù)荷系統(tǒng)的分析，根據(jù)疊加原理，當(dāng)三相四線制系統(tǒng)各相負(fù)荷不對稱時，為使三相功率平衡，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，達(dá)到無功補償治理的效果，應(yīng)在系統(tǒng)各相間與相對地間配置的無功補償容量為：

(7)

由式(7)可得，對于三相四線制系統(tǒng)，只需測得各相負(fù)荷為G+jB，即可確定配電變壓器所需的無功補償容量。但由于實際工程中所測負(fù)荷參數(shù)只能為功率的形式，且無功補償容量的大小也必須以功率的形式表示，因此有必要對上式進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

考慮到三相四線制系統(tǒng)中，負(fù)荷電壓為相電壓U，則負(fù)荷有功功率P與無功功率Q存在如下關(guān)系：

(8)

對于無功補償裝置，相對地?zé)o功補償容量同樣滿足式(8)中Q=BU2的關(guān)系，而相間無功補償裝置兩側(cè)為線電壓，則無功補償容量與相電壓U，存在如下關(guān)系：

Q=3BU2

(9)

將式(7)等號兩端同時乘以U2，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換使得負(fù)荷中G+jB和無功補償裝置中電納B用功率的形式表示。利用此關(guān)系，并結(jié)合式(8)和式(9)即可對式(7)進(jìn)行化簡，結(jié)果如式(10)所示。

(10)

綜上所述，根據(jù)式(10)并結(jié)合圖5所示的三相四線制系統(tǒng)的無功補償原理圖可得：對于負(fù)荷不對稱的三相四線制系統(tǒng)，只需知道該系統(tǒng)中各相負(fù)荷的有功功率和無功功率，即可根據(jù)式(10)中所示關(guān)系求得該三相四線制系統(tǒng)中相與相間和相對地間所需配置的無功補償量。實際在三相四線制系統(tǒng)中，在配電變壓器負(fù)荷側(cè)根據(jù)配置算法計算所得的無功補償量，即可平衡三相功率，提高功率因數(shù)，進(jìn)行有效地?zé)o功補償。

2 無功補償容量分析系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 無功補償容量分析系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、液晶顯示模塊和智能電參量采集模塊構(gòu)成(見圖6)。

圖6 系統(tǒng)框圖

電參量采集模塊采用深圳圣斯?fàn)柟旧a(chǎn)的CE-A 系列智能電量隔離變送器。

該模塊可以采集變壓器各相電壓、電流和功率因數(shù)。電壓測量范圍為0～250 V；電流測量范圍為0～5 A；輸出接口為RS-485模式，通信協(xié)議采用Modbus方式；刷新時間為100 ms；24 V輔助電源。

顯示模塊通過不帶中文字庫的OLED12864顯示模塊來實現(xiàn)。不帶中文字庫的OLED12864液晶顯示模塊必須通過字模軟件來得到顯示數(shù)據(jù)的信息，之后利用編程實現(xiàn)對應(yīng)字符的顯示。其顯示分辨率為128×64， 可以顯示16×16點漢字和16×8點ASCII字符集。OLED顯示模塊需要3.3 V的電源，利用單片機電源即可。

單片機采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega32A型芯片。單片機的運行需要相應(yīng)的外圍電路來保證。外圍電路主要由晶振電路和電源電路構(gòu)成。此外，為了實現(xiàn)對單片機程序的調(diào)試和下載，還需在設(shè)計時添加輔助的程序調(diào)試電路。

2.2 無功補償容量分析系統(tǒng)軟件設(shè)計

配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)的硬件電路搭建完成后，需對系統(tǒng)中的單片機進(jìn)行編程，才能使該分析系統(tǒng)實現(xiàn)對配電變壓器各相無功補償容量計算的功能。通過CodeVisionAVR軟件平臺對單片機的程序進(jìn)行編譯，使其能夠與智能電參量采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并能夠?qū)Σ杉碾妳⒘窟M(jìn)行整定和運算分析，最終在液晶顯示屏上合理顯示配電變壓器各相所需的無功補償容量。

利用CodeVisionAVR軟件平臺，對ATMEL公司出品的ATmega32A芯片進(jìn)行開發(fā)，對單片機進(jìn)行編程，實現(xiàn)的具體程序框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序框圖

通過C語言編譯來控制單片機的運行，使其能夠與智能采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用無功補償算法進(jìn)行計算，利用顯示模塊進(jìn)行補償容量的顯示。

本次研究采用的配電變壓器電參量采集模塊為CE-A系列智能電參量采集模塊。該模塊能夠自動采集變壓器各相電壓、電流和功率因數(shù)。電壓測量范圍為0～250 V，電流測量范圍為0～5 A，刷新時間為100 ms。數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)組輸出，對智能電參量采集模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整定后，即可得到該智能電參量采集模塊所采集的電參量。

為了使單片機能夠提取模塊采集的電參量，單片機與該模塊必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。單片機與電參量采集模塊的通信程序流程為：單片機通過USART串口向電參量采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求指令，電參量采集模塊接收指令，待確認(rèn)指令正確后，將電參量采集模塊采集的配電變壓器電參量返回單片機。

由上述數(shù)據(jù)采集程序，可以實現(xiàn)單片機與電參量采集模塊的實時通信。根據(jù)無功補償量算法可知，已知配電變壓器負(fù)載側(cè)負(fù)荷的有功、無功參數(shù)即可通過算法計算得到配電變壓器相間和相對地需要配置的無功補償量。將計算方法對應(yīng)的程序語言進(jìn)行翻譯，即可得到無功補償量計算的軟件程序。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

將該系統(tǒng)安裝在實驗室現(xiàn)有實驗平臺上，對實驗平臺送電后，調(diào)節(jié)負(fù)載柜中各相負(fù)荷參數(shù)，分別記錄負(fù)載的參數(shù)和對應(yīng)顯示的無功補償量。負(fù)載參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。對應(yīng)測得的和理論計算的無功補償量數(shù)據(jù)分別如表2、表3所示。

表1 負(fù)荷有功功率和無功功率

表2 系統(tǒng)測得的無功補償量

表3 理論計算的無功補償量

對比表2和表3中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其顯示結(jié)果基本相同，僅個別數(shù)字的個位存在差1的現(xiàn)象。原因有2點：一是由于單片機進(jìn)行數(shù)字運算時的丟精度造成的；二是由于采集模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換時的不準(zhǔn)確造成的。但由于該配電變壓器無功補償分析系統(tǒng)顯示精度為1 kVar，實際工程中最小調(diào)節(jié)單位常為 1 kVar，因此，顯示結(jié)果在個位上的差異在實際工程中可以忽略不計。

由此可得，本次提出的配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和分析計算的準(zhǔn)確性都能達(dá)到理想的效果。

利用搭建的模型，將其中的負(fù)載參數(shù)按照表1中所示的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，補償容量按照系統(tǒng)測得的無功補償量進(jìn)行補償，最小變化單位為1 kVar。將得到的補償前后的配電變壓器功率因數(shù)進(jìn)行對比，繪制折線圖，見圖8。

圖8 無功補償前、后的功率因數(shù)對比圖

由圖8可知：進(jìn)行無功補償后，配電變壓器的無功情況得到了有效治理，功率因數(shù)明顯提高。功率因數(shù)由原來的最低0.839提高到接近于1；對于無功補償之前功率因數(shù)就為0.97的情況，補償后其功率因數(shù)也接近于1。由此可得，根據(jù)配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)所測得的無功補償量進(jìn)行補償，可以有效地改善配電變壓器的無功情況。對于維持電網(wǎng)穩(wěn)定，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量有著明顯的作用。

4 結(jié) 語

對配電變壓器的無功補償量計算方法、無功補償量分析系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計進(jìn)行了深入的研究，構(gòu)建了無功補償容量分析系統(tǒng)。該配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)能夠真實有效地對配電變壓器各相間和相對地間所需補償?shù)臒o功補償量進(jìn)行計算，并將結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確顯示。分析結(jié)果表明經(jīng)過該系統(tǒng)進(jìn)行無功補償后能夠有效地提高變壓器負(fù)荷側(cè)的功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量。

[1] 王東東.基于單片ARM的配電綜合測控裝置的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2009：6-8.

[2] 文浩.基于ARM的無功補償控制器設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007：1-3.

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Analysis System of Reactive Power Compensation Capacity for Distribution Transformer

CHENXiaochun1WANGYaofei1SONGYafu1WANGLina1SONGWeichen1ZHANGZhanlong2DANYihua2

(1.Jinyun Power Supply Company, Jinyun Zhejiang 321400, China;2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

According to distribution transformer real reactive power compensation capacity, this paper presents a calculation method of reactive power compensation of distribution transformer based on the load active and reactive power. Distribution transformers state model is established for simulation verification of reactive power compensation calculation method. With microcontroller as the core component, capacity analysis of reactive power compensation system is realized with display modules and intelligent electric parameter acquisition module. The results show the analysis system for reactive power compensation can effectively improve the power factor of the transformer load side and power quality.

reactive power compensation; microcontroller; power factor; power quality

2016-08-01

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目“電力電纜接頭狀態(tài)非接觸式檢測原理及方法研究”(CDJXY150008)

陳曉春(1970 — )，男，浙江縉云人，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

TM421； TM76

A

1673-1980(2017)01-0112-06