1 引言

電壓無功的最優控制是提高供電質量、減少線路損耗的主要手段。隨著電力行業對提高電能質量、降低線損的要求日益迫切，10kV系統的無功補償問題受到越來越廣泛的關注。目前，無功補償裝置存在如下問題：功能簡單、聯網能力薄弱、抗干擾能力差、控制精度低，投切電容和調節變壓器的判據是利用在線測量的功率因數與整定的功率因數相比較的原理來確定的，在這種情況下投切電容器難免會引起電流、電壓的波動，既影響供電質量，又降低設備壽命。

本文研制的新型變電站10kV系統電壓無功綜合控制裝置采用微機分析控制技術，利用同時進行功率因數控制與電壓控制的方法，以變壓器10kV側母線電壓、功率因數、無功需求為控制目標，通過變壓器分極有載調壓以及電容器的自動投切將電壓、功率因數控制在設定的范圍內，彌補了當前無功補償裝置存在的不足。

2 裝置的功能和原理

2.1 裝置的功能

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

（2）控制方式。以主變10kV側的電壓、功率因數和無功需求為控制目標，可實現分級有載調壓，將電壓控制在設定范圍內；利用電容器的補償作用，將功率因數控制在設定范圍內。

（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，可根據總補償容量分組。

（4）進行網絡通訊。將運行狀態信息、自診斷信息向外傳送，并接受調度及當地監控主機發來的命令，實現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：調壓遠動、補償自動，調壓自動、補償遠動，調壓遠動、補償遠動，調壓自動、補償自動。

（5）實時顯示有關參數。包括主變低壓側電壓、電流、功率因數及電容器的投切狀態等。

（6）具有完善的保護功能。具有PT斷線閉鎖功能、過電壓保護功能、低電壓保護功能、測量功能及報警功能。另外，每組電容均設有獨立的微機保護，對電容器可實現三段過流及零序電壓保護，以取代傳統的熔管保護。

2.2 裝置的原理

（1）無功補償控制裝置功率因數的算法

該裝置首先將輸入信號（包括基波分量與諧波分量）分實部、虛部展開，其中，實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部與虛部求取其幅值和相位，最后根據相位差計算功率因數[5]。

（2）無功補償與調壓原理

無功補償和調壓是根據各變電站實際運行狀況而定的。目前，大部分負荷為感性負載，故本裝置采用補償電容的方式補償感性負載引起的電壓與電流的相位差，以降低損耗、提高電能質量。

取母線電壓信號和主變側電流信號作為變壓器有載調壓和無功補償的模擬輸入信號，并計算無功需求量、功率因數。將總柜開關的輔助接點和母聯開關的輔助接點作為識別各種運行方式的依據，通過控制裝置的邏輯判斷、程序運算來確定電壓的調整和電容器組的投切，確保電壓和功率因數在設定范圍之內，實現就地平衡無功、維持母線電壓穩定。

調壓和投切無功電容的理論依據為九區圖控制法，如圖1所示。九區圖控制法原理是調節有載調壓變壓器分接頭及投切電容器，使系統盡量運行于區域0[6]。各區域決定的9種運行狀態的控制規則分析如下：

1）區域0：電壓與無功均合格，為穩定工作區，不調節。

2）區域1：電壓越上限，調分接頭降壓。

3）區域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）區域3：電壓合格，無功越上限，切電容。

5）區域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）區域5：電壓越下限，升壓。

7）區域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）區域7：電壓合格，無功越下限，投電容。

9）區域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 裝置投切電容和調壓的判椐

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

3 裝置的系統結構

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、串聯電抗器、高壓電容器、控制器、電容器組微機保護單元、柜體及輔助連線，并可提供RS485通訊接口。系統結構見圖2。

4 新技術在裝置中的應用

4.1 采用按電容器組裝設的新式電容器保護

新式保護單元為專門用于無功補償裝置的電容器保護，該保護有兩種：三段式過電流保護、零序電壓保護。這種保護不僅能夠完全取代傳統的電容器保護，而且具有原理先進、針對性強、可靠性高的優點。該保護的接線見圖3。

4.2 按負荷變化投切電容器

解決了以往的開關配置不合理、當負荷變化大時無功補償不能及時跟蹤的問題，利用一個柜中的5組開關以及電容器的自動循環投切，使電容投入的數量能自動跟蹤負荷的變化，從而提高了無功補償的精度。

4.3 補償與調壓的配合問題

控制裝置根據母線電壓和功率因數來決定有載調壓裝置的升壓、降壓以及電容器的投切。當發出升、降壓指令時，由主變有載調壓裝置操作機構來完成；當發出投切電容器指令時，由開關的合與分來實現。調壓與補償的密切配合，提高了變電站的電壓指標。

4.4 新型的機卡保護

機卡保護是解決斷路器跳、合閘時，其輔助接點不能按時切斷跳、合閘電源而導致起動接點被燒壞的一種保護，它保證了跳、合閘回路的完好率。

4.5 電容器自動循環投切

電容器的自動循環投切保證了各電容器組的運行時間均等，同一電容器組在小于放電時間內不再次投入，當某組電容器出現故障時可自動閉鎖，不影響其它電容器組的正常投切。

5 結束語

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的九區圖控制法，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負荷的關系，控制效果令人滿意。而且，控制器采用先進的工業級芯片，具有總線不出芯片的特點，通過電磁隔離和電磁屏蔽的合理設計，使裝置的硬件系統具有較好的抗干擾能力和可靠性。