摘要：针对变电站集中补偿和配电变压器低压侧分散补偿存在的不足，提出在高压配电线路中采用柱上无功自动补偿装置。该装置将一次和二次元件集成于户外箱体内，采用电压无功综合控制策略，以电压无功平面内的七区图作为电容器投切判据，有效避免了投切振荡现象。

关键词：无功补偿；并联电容器；电压无功综合控制

中图分类号：TM761+.1        文献标志码：A         文章编号:1003-0867(2007)02-0051-03

随着配电系统负荷的增长和对供电质量要求的提高，对无功补偿的需求也相应增加。目前，我国配电网无功补偿通常在配电变压器低压侧（0.4 kV侧）进行，但总投资高，且不能对变、配电的无功进行补偿。在变电站集中补偿模式中，整体无功缺额较大，且由于季节、昼夜负荷差别大，高峰时补偿严重不足。因此，在高压配电线路中进行无功补偿是十分必要的。

本文在理论分析的基础上，从工程实际出发，研制出DWK型户外高压无功自动补偿装置。该装置将一次和二次元件集成于户外箱体内，结构简单、性能稳定、成本低廉、安装维护方便，可有效提高功率因数、降低线损、改善电压质量。

1 装置总体设计

DWK型户外高压无功自动补偿装置的电气主接线如图1所示，包括一台三相星型接法的高压并联电容器、一台真空接触器、两台电压互感器、六只电流互感器、三只避雷器、控制器和低压控制回路。该装置集电气主回路与控制回路于一体，将高、低压元器件集成于户外箱体内，结构紧凑，使安装维护方便，且能保护内部元器件不受户外恶劣环境的影响，特别适合柱上使用。

DWK装置采用BAM11-200-3W型电容器，为三相内接星形，内部装有放电电阻，能使电容器在线路断开后的5 min内剩余电压降到50 V以下。我国3～66 kV配电网大多为中性点非有效接地系统，所以单星形接线电容器的中性点不接地。

完成补偿电容器投切的开关是补偿装置的关键，直接影响整个装置工作的可靠性。DWK选用CKG4型真空接触器，重击穿概率极低，并设置操作过电压保护。

对于10 kV电容器，其绝缘水平与电网一致，熔断器应装在电源侧，这因为保护电容器极间击穿，熔断器装在电源侧或中性点侧作用都一样。但是，当发生套管闪络和极对壳击穿故障时，故障电流只流经电源侧，中性点侧无故障电流，所以装在中性点侧的熔断器对这类故障不起保护作用。另外，当中性点侧已发生一点接地，这时再发生电容器套管闪络和极对壳击穿故障，相当于两点接地，装在中性点的熔断器被短接而不起保护作用。电容器的操作过电压主要是分闸操作时的过电压，大多出现在单相重击穿时，两相重击穿和一次操作时发生多次重击穿的几率均很小。因此，仅考虑发生单相重击穿时的过电压，采用相对地避雷器接线方式。避雷器选用无间隙金属氧化物避雷器。

图1　DWK型户外高压无功自动补偿装置的电气主接线图

2 电气控制回路设计

DWK型户外高压无功自动补偿装置的电气控制回路原理如图2所示。控制回路中除了投入和切除电容器的自动控制功能，还有独立的手动控制功能。另外，还有电压指示灯以及投入和切除指示灯。

当DWK型户外高压无功自动补偿装置处于工作状态时，空开QF闭合，给控制器提供电源，同时电源指示灯BD点亮。当电容器未投入时，真空接触器KM的常闭触点闭合，使电容器切除指示灯LD点亮。控制开关SA为手动/自动转换开关。当SA(1-2)触点接通时，装置处于手动投切状态：按钮SB2被按下时，其常开触点闭合，则SA(1-2)-SB1-SB2-KM回路导通，真空接触器KM闭合，使电容器投入。同时，KM的常开触点闭合，使SA(1-2)-SB1-KM-KM回路导通，实现自锁，并使电容器投入指示灯LD点亮。只要SB2复位，其常闭触点断开，KM线圈断电，切除电容器。当SA(3-4)触点接通时，装置处于自动投切状态。控制器发出投入电容器指令时，电容器投入信号继电器KZQ1的常开触点闭合，则SA(3-4)-KZQ1-ZJ-KZQ2回路导通，使中间继电器ZJ的线圈带电，其辅助常开触点闭合，自锁保持。同时，ZJ的主触点闭合，使SA(3-4)-ZJ-KM回路导通，真空接触器KM线圈带电，使其主触点闭合，从而使电容器投入。控制器发出切除电容器指令时，电容器切除信号继电器KZQ2的常闭触点断开，则SA(3-4)-KZQ1-ZJ-KZQ2回路断开，使中间继电器ZJ线圈失电，其主触点断开，使KM线圈断电，切除电容器。即使此时有投入信号使KZQ1的常开触点闭合，由于KZQ2的常闭触点断开，也不能使电容器投入。

3 自动控制策略

本文以线路电压和无功功率作为控制目标，采用电压无功综合控制策略，即利用电压、无功两个判别量进行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平稳。该控制方案克服了单以电压作为调节判据所造成的无功补偿效果差的缺陷，消除了按功率因数或无功功率控制时未考虑电压调节的缺陷。

电压无功控制方法为：电压小于电压下限时投电容器；电压大于电压上限时切电容器；电压合格且无功小于无功下限时，切电容器；电压合格并且无功大于无功上限时，投电容器；电压、无功都合格，不动作。按电压无功综合控制时，电压和无功两个目标函数存在互相冲突的区域，并且与按无功控制相似，在负荷较重时也存在电容器投切频繁的问题。如图3所示，在电压无功二维平面中，按电压上下限和无功上下限将整个平面分成0～6共7个区域。在其中的2区，即电压合格，无功超上限，控制策略为投电容器，投入电容器后，无功减小，电压也升高，此时，运行点就会进入1区，1区的策略为切电容器，切除电容器后又回到了2区原来的位置，在2区又投电容器，这样造成了投电容器→切电容器→投电容器→…这样的投切振荡，因此必须采取措施予以解决。

图2　DWK型户外高压无功自动补偿装置的电气控制回路

本文采取的控制策略如下：运行点在0区，即电压合格，无功也合格，不动作；运行点在1区，即电压越上限，控制策略为切电容器；运行点在2区，即电压合格但接近于上限，与电压上限的距离小于UC，无功越上限，此时控制策略为不动作；运行点在3区，即电压合格且远离电压上限，无功越上限，此时应进一步考虑功率因数的值，如果功率因数小于功率因数下限（无功越大，则功率因数越小），则投电容器，否则，不动作，这样做主要是为了防止负荷较大时投切频繁，类似于按无功和功率因数综合控制；运行点在4区，即电压越下限，控制策略为投电容器；运行点在5区，即电压合格但接近于下限，与电压下限的距离小于UC，无功越下限，此时控制策略为不动作；运行点在6区，即电压合格且远离下限，无功越下限，控制策略为切电容器。

4 控制器设计

控制器是该装置的核心部分，其性能直接决定了整个装置的可靠性和控制、保护功能的实现。

4.1 硬件设计

图3　电压无功综合控制原理

控制器必须在系统正常工作时检测和处理各种数据，实现对整个装置的控制和保护，应具备以下功能，测量和计算功能：检测和计算线路和电容器的电流、电压、有功功率、无功功率等；保护功能：包括过压、欠压、失压、过流、短路、缺相等保护，以保证设备的安全运行；控制执行功能：通过开关量输出驱动继电器，从而控制电容器投切；通信功能：通过现场总线或通信网络，向上位机或远方控制中心发送现场的各种运行参数和工作状态，同时接受上位机或控制中心下传的数据和命令，对现场设备进行监控；人机交互功能：由键盘和显示器配合完成，可通过键盘把参数定值、功能设置等输入控制器，控制器按设定信息工作，并将参数设置、运行结果等显示。根据上述功能要求，控制器的硬件电路在功能结构上可分成几个模块，如图4所示。

图4　控制器硬件电路的总体功能结构

信号调理和数据采集模块是被测现场参量的入口通道，也是把被测现场参量转化成可与中央控制模块接口的信息功能部件，本文采用智能电表芯片CS5460A进行数据采集。中央控制模块是智能控制器的核心模块，负责处理和分析现场运行参量，给出操作命令，由AT89C55单片机及必要的外围电路元件组成。开关量输出模块接收中央控制模块输出的命令，完成对电容器的操作控制。通信模块是实现网络功能的关键，用以完成现场装置与上位机之间各类信息的交换。人机交互模块是完成就地设置功能参数和检测运行状态的重要环节。

4.2 软件设计

控制器硬件作用的发挥程度取决于软件设计的合理性，因此要求软件必须高效、准确、功能语句简单、执行速度快、可靠性高，且便于管理。基于控制器的硬件结构，本研究设计了相应的软件，以实现对补偿电容器的合理控制，并能显示、存储、传输必要的信息，实现人机交互。

软件设计采取模块化的结构设计方案，使程序清晰、易维护，划分为以下几个模块，数据采集模块：通过对CS5460A的控制完成数据采集；运算处理模块：对采集信号进行运算处理，以得到必要电量数据；控制保护模块：对电容器的投切合理控制，并在各种故障状态下进行必要的保护；人机接口模块：向用户显示电量数据，并可由用户设定功能结构和参数；通信传输模块：通过串行总线实现电量数据和控制指令的可靠传输。软件总体结构如图5所示。

图5　控制器软件总体结构

软件采用C语言和汇编混合编程，对于程序主体结构采用C语言编写，使程序可读性强、维护方便；对于底层驱动中与硬件直接接口的程序用汇编语言编写，以提高执行效率。

本研究结合工程实际，成功研制了DWK型户外高压无功自动补偿装置。该装置将一次和二次元件集成于户外箱体内，安装维护方便。采用电压无功综合控制策略，可根据负荷变化自动调整补偿容量，有效地提高配电网功率因数，减少线路电能损耗，改善电压质量，提高供电能力，增强电网稳定裕度。开发专用控制器，可靠保证了整个装置控制与保护功能的实现。该装置目前已在部分地区电网运行使用，取得了较好的效果。

参考文献

[1]丁毓山, 徐义斌. 无功功率岗位培训教材[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2002.

[2]金德生, 金盛. 供电企业电能损耗与无功管理手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.

[3]GB 50227-1995, 并联电容器装置设计规范[S].

[4]王汝文, 宋政湘, 杨伟. 电器智能化原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003.