（电气工程专业论文）柱上型高压无功自动补偿系统设计与制作.pdf

柱上型高压无功自动补偿系统设计与制作 摘要 文章以油阳6 k v 输配电线路为例，针对多分支树状结构线路的特正i ，研制出由单片 机系统控制的户外拄卜型高压电容器自动补偿系统。该系统采用了测量点与补偿点与分 丌的方式，实现了区域性无功负荷监视，使无功补偿点可以安置在区域性分散负荷的中 心部位，最大程度地利用了补偿容量，有效地缩短了无功电流传输的距离，降低了电网 的有功损耗。系统在优化控制技术中采用了电容器补偿控制的两段控制模型，不仅解决 了分支线路之| 白j 穿越无功电流的最优控制问题，实现了功率因数的自动跟踪，而且使整 个系统的可靠性大大提高。 文章利用电磁感应原理和数字通讯技术结合试验设计出电源自给式高压线路无线信 号采集装置，解决了配电网分支线路无功参数不易测量的问题。 文章还介绍了系统无功补偿容量及安装位置的计算方法，较为具体的讲述了无功功 率采集器、无功优化控制器以及补偿电容操作器等一系列装置的设计方法和制作原理。 通过经济技术比较提出了一整套切实可行的无功补偿系统硬件制作方案。 关键词：柱上型、无功补偿、两段控制模型、无线数据采集 t h e d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no f h i g hv o l t a g e r e a c t i v e p o w e r a u t o m o t i v e c o m p e n s a t i o ns y s t e mo n p o l e a b s t r a c t i no i l f i e l d ，f e e d e ri i n eo f 6 k vo f t e nh a sm a n yb r a n c h e s t h e p o l eh i g hv o l t a g ea u t o m o t i v e c a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n s y s t e m c o n t r o l l e d b ys i n g l ec h i pc o m p u t e r i s d e s i g n e d f o rt h i s s i t u a t i o n i nt h es y s t e m ，w es e p a r a t et h em e a s u r ep o s i t i o na n dc o m p e n s a i o n p o s i t i o na n dr e a l i z e t h es u p e r v i s i o no fr e a c t i v el o a di nl o c a la r e at h u st h er e a c t i v ec o m p e n s a t o rc a nb el o c a t e di n t h ec e n t e ro ft h ed i s t r i b u t e dl o a di nt h ea r e aa n dm a k et h eb e s tu s e ro ft h e c o m p e n s a t o r s c a p a c i t y t h ed i s t a n c ef l o w e db y t h er e a c t i v ec u r r e n ti se f f i c i e n t l yr e d u c e da n dt h ea c t i v el o s so f p o w e r n e tg o e s d o w n t w o s t a g ec o n t r o lm o d e l i sa d o p t e di nt h eo p t i m i z e dc o n t r o lt e c h n i q u eo f t h e s y s t e m i t n o t o n l y s o l v e st h e p r o b l e mo fo p t i m i z e d c o n t r o lo ft h er e a c t i v ec u r r e n t e x c h a n g i n ga m o n gb r a n c h e s ，i no t h e rw o r d s ，r e a l i z e st h ea u t o - t r a c k i n gt ot h er e a c t a n c ef a c t o r b u ta l s og r e a t l yi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m t o d e s i g nt h eh i g hv o l t a g el i n ew i r e l e s ss i g n a la c q u i s i t i o nd e v i c ew i t hs e l f - f e e ds o u r c e ，w e a p p l i e de l e c t r o m a g n e ti n d u c t i o np r i n c i p l ea n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h ed e v i c ec a n m e a s u r er e a c t i v ep a r a m e t e r si nd i s t r i b u t i o n p o w e rn e tw h i c ha r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e dt o h e d i f f i c u l t l ym e a s u r e d t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ec a l c u l a t i n gm e t h o do ft h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t y a n di t so p t i m a ll o c a t i o n ，t h ed e s i g nm e t h o da n dr e a l i z a t i o np r i n c i p l eo ft h es e r i e sd e v i c e s ，s u c h a st h er e a c t i v e p o w e ra c q u i s i t i o nd e v i c e ，t h e r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z e dc o n t r o l l e ra n dt h e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ro p e r a t o r ，i s s e a t e di nd e t a i l t h r o u g h e c o n o m i ca n dt e c h n i c a l c o m p a r i s o n ，ar e a l i s t i ch a r d w a r es c h e m e o fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d k e yw o r d s ： o np o l e ，r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，t w o - s t a g ec o n t r o l m o d e l w i r e l e s sd a t a a c q u i s i t i o n 独创性声明 奉人卢明所甲交的学位论文是本人在导师指导r 进行的研究1 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成粜，也小包含为获得金! ! 土些幺鲎 或其它教育桃构的学僚戏证牡而馁 h j 过的材料。与我一同l 作过的i 司占对本研究所做的任何贡献均在论文中做山了明确的说 明并表示感谢。 学位论文作者签名 签字日期砂年夕月磊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁工些厶堂有关保留、使h 学能沦的规定，有权保留 井向国家有关部戡机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被商阅和借阅。本人授权宣 肥i 业人学可以将学何论文的全部或部分内容编入有关数据序进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描尊复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学何论文在解密后适川本授权i c ) 学位沦文作者签名 芬 瓣酬7 月 学位论文作者毕业厉去向 1 作单何： 通讯地址： 导师签名 丁十乌 签字日期：秒；谚f j 日 电话 邮编 致谢 本人在从事课题研究以及撰写论文的整个过程中，导师孙呜老师给予了精 心的指导和严格的把关，在此对孙鸣老师给予的帮助和支持表示衷心的感谢! 感谢孙鸣老师为本次课题研究提供的良好科研环境和技术支持，这必将为本人 今后工作和学习带来永久性的帮助。同时，也感谢课题组的全体同志在本课题 的研制过程中给予的大力支持。 作者：秦建民 2 0 0 3 年4 月1 6 目 第章概述 1 1国内现状及课题的意义 无功补偿的问题总体上分为两部分，第一部分是无功规划问题，第二部分 是补偿方式问题。无功规划的目的是确定电网中无功设备的安装地点、容量和 类型使规划期内投资及运行费用的总和最小。随着电网信息技术的发展，无 功规划已由原来静止的计划性规划转变当前的动态性规划，也就是常兑的无功 优化规划。无功优化规划需要从全局的角度出发去合理的安排系统各点的无功 补偿容量，使整个电网的损耗最小，电压是稳定。由于电网的负载是时时变动 的，因此补偿容量也应该是时时变动的。如何能预测负荷的变化规律，合理的 确定补偿位置和补偿容量是无功优化的中心问题。无功优化规划的计算方法多 种多样，主要依据是电力系统潮流计算。用经典理论建立各种数学模型对系统 的状态进行估计，这类方法已经有比较长的研究时阉。文献【l 】- 3 】、【1 5 卜 】7 等有一定的代表意义。近几年基于遗传学理论的无功优化规划发展比较盛行， 文献 4 卜 9 】是用遗传学对电力系统负荷进行预测从而实现无功优化的代表性文 献。文献 9 是近期的研究成果，文中提出的改进退火遗传算法缩小了遗传算法 的搜索范围。用退火选择进行个体更新，保持了群的多样性，避免陷入局部优 化。采用十进制编码、竞争繁殖、逐代记录的最优算法，加快了计算的速度和 精度。无论采用什么算法无功优化规划的基本数学模型是一样的，都要满足潮 流方程的等式约束条件，即有功平衡和无功平衡条件，以及不等式约束条件。 即节点补偿容量范围、变压器调整范围和电压调整范围等。 单纯是无功优化规戈4 的算法还远不能构成一个无功优化控制系统，还必须 与实时数据采集系统、实时控制系统结合成为一个整体控制系统爿能实现它的 控制的作用。我国目前大多数地区电网都是采用分布式调整的方式进行无功电 压的控制，但这也仅限于安置在系统中主要节点上的补偿设备，地区电网的无 功优化实时控制的系统仍处在试验阶段。 补偿方式是指补偿系统设备的功能原理，以及设备本身的软件技术理论。 补偿方式不仅要满足补偿容量调节的需要，还要考虑实际投资、安装施工的可 行性以及补偿目地的多样性。利用三相电容器、调相机等设备对电网的三相基 波无功进行补偿是早期系统补偿的主要手段。近年来随着电力负荷的多样性发 展，电网中出现了诸如三相功率不平衡、谐波等更为复杂的问题。因而在补偿 方式上也出现了各种各样的新技术，形成了多个技术领域的分支。解决电网二 相不平衡问题可采用多种不同的补偿手段。文献【1 0 】直接采用了无功电流的分相 补偿方法。该方法将电力电容接成星形，并将其中性点接零，然后利用晶闸管 分组投切的方式控制每一相补偿电容的数量，方法直接明了具有很明确的的补 偿效果。文献 13 】1 1 4 提出的方法不仅可以补偿无功不平衡，而且还能实现有功 不平衡的补偿。文献 12 】首先对单相有功不平衡的补偿中提出了一个用电容和电 感代替电阻的补偿模型，从向量关系上说明了为何用电容可以补偿不平衡有功 的原理。随着电力电子技术的发展，电力系统中非线性负载大大增加，出现了 大量的系统谐波。系统谐波会使电网电压、电流波形发生畸变；增加配电网的 功率能量损失；影响设各的使用寿命；影响通讯质量：使保护和自动装置产生 错误动作。严重时可能引起系统局部并联谐振或串联谐振，造成电容器等设备 损坏。国际上研究系统谐波起源于2 0 世纪5 0 年代j ，直到8 0 年代电力半导体 器件的出现才有了解决的可能。目前电力谐波的有源滤波方法成为电力电子领 域研究的热点。但有源滤波器在容量、成本、可靠性、运行费用等方面还存在 着许多问题。 谐波抑制和无功补偿两者之间联系紧密，在实际中抑制谐波的装置通常也 就是无功补偿装置。电力电容是补偿装置中必不可少的殴备，而电容器的投切 控制方式是电容器补偿装置中的技术关键，它直接关系到补偿系统的性能与造 价。多年来低压电容器的投切丌关一直是采用接触器，高压电容器投切开关是 采用断路器。随着电力电子技术的迅速发展，用可控硅进行电容器的投切控制 呈现较好的发展趋势。用可控硅进行电容器的投切控制的优点是可以实现补偿 容量的快速跟踪。目丽用可控硅进行补偿控制仅是一个过渡阶段。采用的方法 大致可分为用双向硅控制、单向硅+ 二极管控制以及固态继电器控制。具有斩波 能力的新一代电力电子器件的应用将有很大的发展前景。用可控硅进行电容投 切的缺点是可控硅本身有一定的功率损耗，可控硅的造价也比较高。对于1 0 k v 及一下的系统目前广泛应用的是用真空开关控制电容器的投入与切除，它具有 造价低、无损耗、控制简单的优点。 本次设计是针对胜利油f 日电网无功补偿中的问题提出的。胜利油田配电网 采用6 k v 电压等级，线路全部采用辐射型树状结构。油罔电网鲍主要电力负荷 为电机，其中油井电机占有相当大的比例。油井电机大部分处在轻载状态，线 路出口的率因数较低在6 k v 线路无电容补偿的情况下平均功率因数在05 左 右。为了降低电网损耗，提高线路功率因数，目前油田配电网已采取了多种无 功补偿措施。例如对于油气集输联合泵站类的集中性负荷采用了低压手动或自 动电容器补偿对于6 k v 输电线路采用了柱上电容器固定补偿，对于产量稳定 易于管理的抽油机采用就地补偿。但是，由于油井电机分布极为分散，运转率 低，补偿难度大使得大部分线路的无功负荷有较大的波动，在各分支线路之间t 无功电流的穿越现象十分严重。 目前，胜利油用的电网管理采用了线路与变电站分开管理的方式，变电站 由电力部门管理，6 k v 线路由各采油厂管理。近期，电力部门将对各6 k v 线路 出口的功率因数进行考核，对功率因数达不到要求的线路要实行罚款处理。因 此如何稳定6 k v 线路出口的功率因数显得尤为重要。本课题的目的就是要研制 一种能直接安装在户外电线杆上的轻型自动无功补偿系统，解决油硐电网功率 因数不能跟踪调节，线路之间无功分配不合理的问题。尽管近年来人们在系统 优化管理的理论上进行了大量的研究，但对户外柱上型自动无功补偿系统的研 究不是很多。就国内而言目前用于6 k v 线路的柱上型自动无功补偿的产品类型 很少，并且现有的大部分自动补偿装置都是采用就地测量就地补偿的方式，这 中补偿方式的装置只适用于集中安装的负载，对于链状、分散的负载只能把补 偿点设置在全部分支负载的电源侧，这必然加大了无功补偿点到无功负荷的距 离，使线路损耗增大。因此，目前国内还没有适用于油田6 k v 线路负载的成套 补偿装置可选。本次设计结合油f _ l 电网的实际特点，提出了测量点与补偿点相 分离的控制方式，提出了无功优化补偿的两段控制模型。本文对采用户外柱上 电容器补偿的硬件制作原理、方法、设备的选择与安装等进行了全面的研究。 比较合理的解决了油矸i 配电网存在的问题，基本达到了可以具体施工的程度。 1 2课题基原理与方法 本次设计的思想是把无功补偿点设置在支线路的无功负荷中心，使无功补 偿电流以最短的距离到达负载，尽量减小线路损耗。由于油田大部分负荷是沿 着线路布设的，负荷等效中心位置通常不在分支线路的始端。为了能准确测量 支线路上的全部负荷，本次设计将无功检测点放在主线路及分支线路全部负载 的电源侧。由于测量点与补偿点分丌，因此只能利用无线通讯方式把线路的无 功负荷信息传送给无功补偿控制器，实现对补偿功率的控制。本次没讨的每一 个补偿点都有一个无线无功控制器，陔控制器不仅能接收到本区域的无功测量 信号，而且还能测量到前一级系统的参数，从而可以实现功率因数的最佳控 制，防止了分支线路之间的无功穿越。 图i 1系统分i 叉：补偿示意幽 图1 1 是本次设计的系统分区补偿示意图，它是一个双分支线路，根据负 荷的分布情况可将该供电系统分成两个区。在每个分区的负荷中心都设置了电 容补偿点，补偿点电容器的操作是由本地的控制器控制的。控制器+ 方面接受 本区域测量点传送的无功信号，另一方面还接受了前一级测量点的测量到的无 功信号。控制器利用测量到的两个点的无功信号不仅可以控制总线路的控制因 数，而且可以合理的调整两个区域无功补偿容量，使得被测的两条线路损耗的总 和最小。图中在测量点安装了无功功率采集器，采集器又通过无线信号转发器 将采集到的线路电流幅值和电流相位信号发送给补偿点的无功补偿控制器。在 控制器内部存有主线路与分支线路的阻抗参数，以便钡4 量主干线路和分支线路 的功率损耗，实现系统的优化补偿控制。 本补偿系统将补偿测量点设置在每个负荷区域的入口处可以大大增加系统 工作的可靠性，其原因之一是因为采用中问转发器缩短了通讯的距离，使通讯 的可靠性提高了。其二是因为补偿点采用了分别控制的方式，不会因为某一部 分设备损坏而导致系统完全瘫痪。 1 3课题研究的内容 本论文重点研究了以下六方面的问题 一、自动无功补偿容量与的补偿位置确定 首先根据无功负茼的历史纪录以及新增负荷的规划情况确定线路的最大和 最小无功补偿容量，从而确定出无功自动调节的补偿容量。然后根据线路的分 支情况以及负荷的分布情况将补偿容量进行分区。最后根据线路有功损耗最小 的原则确定电容器组的补偿位置，也就是本文所说的无功负荷中心。这里的一 些计算理论上是精确的，但是应用起来可能是粗略的。因为在实际工程中提供 升i 出所需的完整资料。 二、无功补偿控制算法的研究 各补偿点的补偿量虽然是由分布在各区域的补偿控制器进行独立调节的， 但由于算法中采用了本文提出的两段式控制模，使得区域与区域之间通过前一 级线路构成了联系，最终使整个系统实现了优化控制。本文具体说明了两段式 控制模型基本原理，并在实际可行的基础上推出了可具体操作的两段式控制模 型的表达式。分析了在该模型在多极复杂系统中的应用特点。 三、无功采集器的研制 无功采集器是安装在线路主线和分支线路上，用以测量线路的无功功率 以 及功率因数的设备。在线路中为了保证线路运行的可靠性和施工的灵活性，一 般不希望采用将线路断开方式来安装电流互感器，也不希望用下引线的方式传 送电压信号和电流信号。因此在本次设计中研制了一种完全感应式无功采集 器。从电能的取得、信号的采集到信号的传输完全采用电磁感应原理。装置的 电能是出线路自身传输电流感应出的能量所提供的。电压信号是利用线路相间 静电感应原理取得的。装置测量出的信号首先通过近距离的电磁发射传送到附 近的无功信号转发器，无功转发器是有电源的，可以实现远距离数据传送。无 功采集器是由两个半环形的磁柱体扣在线路上制成的，安装十分方便。 四、无功信号转发器研制 无功信号转发器是一个收、发一体的模块，无功信号转发器的任务一是接 收本地无功采集器发来的无功信号，二是接受前一级线路转发器发出的无功信 号，转发器尽可能与采集器靠近，转发器是一个有源设备，通常是借用靠近采 集器的抽油机电源，也可以采用光电池供电i 血、无功补偿控制器研制 无功补偿控制器是用来接收转发器的信号对补偿电容进行投入与切除控制 的器件。无功补偿控制器还是补偿电容的保护装罱，他对补偿电容的工作电流 进行实时监测，当补偿电容故障时控制器能及时将其切除。无功补偿控制器由 无线数据接收模块、单片机电容器保护控制模块组成。无功补偿控制器与柱上 补偿电容投切装置安装在一起。 六、柱上电容投切装置的设计 柱上电容投切装置的设计目标是体积小、重量轻、易安装、造价低。本设计 中的电容投切装置是由两个户内真空接触器安装在一个封闭的箱体中组成的。他 与电容器组一起安装在柱上，通过对容量比为一比二的两组电容器的控制可以实 现0 、1 、2 、3 共4 种补偿容量的控制。 七、工程规划方案设计 分析了自动无功补偿装置的基本容量的确定方法和采用分离补偿方式的基 本容量确定方法，以及如何确定无功补偿点数量和自动补偿点的位置。 6 第二章电网无功补偿系统的控制方案 2 j线路无功补偿容量豹计算方法 2 1 1如何统计线路的无功功率 电网无功补偿工程的第一步是确定补偿区域内无功补偿的固定补偿容量和 调节补偿的容量。对于已经采取了固定补偿的线路，只需要计算变化部分的无 功容量即可。而对于没有补偿或补偿不足的线路则需要同时计算变动部分和固 定不分两部分的补偿容量。掘胜利石油管理局的生产管理模式，油区内的变电 站由电力部门管理，变电站不对输电线路的无功缺额进行补偿调节。从6 k v 线 路出口全部的用电负荷归各采油厂管理。所以从某种意义上讲这早的电网无功 规划，仅仅是确定一条6 k v 线路以及相应负载的无功补偿方案。油井负载的负 荷量是随着油井的产液量、油井的井修情况而定的。单从供电的日负荷曲线和 年负荷曲线 二看不出多大规律。由于原油产量对于同一油区来说是相对稳定 的，所以根据现场提供的一些资料可以采用下面方法计算无功孙偿容量： 一、在有每小时无功负荷纪录曲线的情况下，可直接利用无功记载的最大 值确定补偿总容量和最小补偿容量。 二、在有无功电度历史记录表格的情况下可以根据记录表的记录查出最大 月的无功电量和最小无功电量，将最大、最小无功电量折算成无功功率最大、 最小值。即 无功功率最大值= 最大月无功电度量峰值系数月统计小时数 ( 2 1 ) 无功功率最小值= 最大月无功电度量谷值系数月统计小时数( 2 - 2 ) 关于峰值系数和谷值系数的计算：油井负载的无功最大、最小值是没有记 录的，由于现场一般只记录电流曲线不记录功率曲线。所以只能用电流来计算 峰值系数和谷值系数： 峰值系数= 当月最大电流当月平均电流( 2 - 3 ) 谷值系数= 当月最小电流当月平均电流( 2 - 4 ) 三、在没有无功电度历史记录表格的情况下只能根据有功纪录表折算出每 个月的无功用量。即 r - 无功功率= 有功功率v i c o s p ( 2 - 5 ) 式中c o s ( o 应该根据线路无功补偿程度来选择：对于无补偿线路应选用线路最大 功率因数，因为一般负荷越重功率因数越高。对于有足量固定补偿的线路一。般 在轻载时功率因数接近于1 因此计算时应选用线路最小功率因数，因为对于 有补偿的线路负荷越重功率因数越低。其它负荷可视具体情况而定。 2 1 2 无功自动补偿容量的确定方法 采用无功电容固定李p 偿的方法可以提高线路的功- 率因数，但是如果固定的 按最大无功缺额功率进行补偿，在负荷减小时就会出现过补偿。如果按最小无 功缺额功率补偿，在负荷增大时就会出现欠补偿。为了消除过补偿和欠补偿的 现象，就必须采用自动补偿系统。理论上讲，自动无功补偿容量= 无功功率最大 值无功功率最小值，但是在实际中不可能按功率因数等于1 去考核。因此可以 以负荷最大和负荷最小时功率因数不小于规定值为限。我们不妨把功率因数定 为0 9 5 ，即功率园数角为l8 度，对应的正切值为o 3 2 。依照系统有功功率和无 功功率的关系可得： 自动无功补偿功率= 无功功率晟大值无功功率最小值 一0 ，3 2 ( 有功功率最大值+ 有功功率最小值)( 2 6 ) 当然在实际工程中还应考虑可能增加或减少的负荷变动情况。 2 2无功补偿点最佳位置的确定方法 2 2 1无功负荷中心的概念 利用前面的统计方法，对于一个负荷分散的区域可以估计出该区域需要补 偿的无功功率。当该区域无功负荷达到一定数量时，就可以在此区域设立一个 自动无功补偿点。补偿点应该选择在能使本区域电网损耗最小的位置，这个位 ，置就是无功负荷中心。无功负荷中心的位置不一定是我们常蜕的负荷中心，因 为负荷中心主要是由负荷的有功功率决定的，而无功负荷中心的位置只与负荷 的无功功率有关与有功功率无关。 确定无功负荷中心位置的原则仍然是本区域电网损耗最小。对于6 k v 输电 线路来讲电网的功率损耗是由线路中的有功电流和无功电流分别决定的。假设 某区域线路各支路电流为，、坊厶、，各支路电阻为月，、r ? 、r 3 、，可以 用下式计算该区域线路的总体损耗 = r ，? ( 2 - 7 ) 将，分解成有功分量，。和无功分量如，由于【，p ，】与【，。】是正交向量，并且 l ：= 强斗喙 2 8 ) 所以 w = r ，j + r ，刍 ( 2 - 9 ) 其中y r ，左为无功电流产生的电网损耗，能使无功电流产生的损耗最小的无功 电流注入点就是无功负荷中心。式2 - 9 表明无功电流的分布不直接影响有功电 流产生的电网损耗。 2 2 2确定无功负荷中心位置的两分法 确定无功负荷中心的位置就是确定无功补偿点的位最。由于感性电流与容 性电流是标量加减关系，无功电流值不是补偿点的位置的连续函数，所以不能 采用求连续函数极值的办法确定补偿点位置。本文介绍一种用两分法寻找无功 负荷中心的方法。 一、方法的基本原理：若一条线路上有两个感性电流注入点，注入电流分 别为，l 和止，两点之i b j 的电阻为r ，为了减少线路的功率损耗，可以在线路上 选择某一点注入一个容性电流l c = ，i + ，2 。由基尔霍夫电流第一定律可知，若注 入点放在，1 处则电阻月上流过电流为2 ，若注入点放在，2 处则电阻r 上流过电 流为，。显然只有当容性电流注入点放较大的感性电流注入点时电阻尺上的功 率损耗爿最小。也就是说无功补偿点应靠近较大的无功负荷。 二、确定多点负荷中心的两分法：若一段线路上有多个负载分支点，f 如图 2 1 所示的那样，可以通过比较每两个相邻的分支点两边的无功负荷的多少确定 补偿中心的位置。确定补偿位置的方法是：逐点比较，始终将补偿点向无功负 荷较大的一侧靠近，最终找到这个分支点。如比较a 、b 两点b 例无功较多， 比较b 、c 两点c 侧无功较多，再比较c 、d 两点c 侧无功较多，则最终c 点 为补 幽2 1 多分支负荷中心示意图 2 2 3采用无功负荷中心补偿的电压提升作用 将无功补偿点设置在无功负荷中心不仅可以减小线路的有功损耗，而且可 以提高补偿点的电压。由于油井负载的功率因数较低使得线路始端的电压明显 高于线路木端，许多线路的电压降超过了l0 。采用负荷中心补偿方式可以使 电压水平有所改善。 ou e 0 9u e ( a ) 、：-二-：_二：-：-：-i-：-：。=：乏：!：!：二：!：、h3。 。iiiiiiiiiiiiiii一 ( b ) 幽2 - 2 小j 刮的补偿位置对线路个点电压的影响 图2 2 示意的描述了不同的补偿位置对沿线路个点电压幅值的影响。图( a 1 为等效系统，图( b ) 为电压曲线。曲线1 是在线路出口a 处补偿时的电压沿线分 布情况，线路末端电压较低。曲线2 是在线路负荷的电源侧b 处补偿时的电压 分靠，线路末端电压有所提高。曲线3 是在无功负荷中心c 处补偿时的电压曲 线，线路木端电压进一步提高。 无功电流的倒送会造成补偿点电压的升高现象，按线路电抗每公罩o 4 欧 姆计算，每1 0 0 0 k v a r 补偿容量每公里电压提升1 5 左右。但由于采用了分区 跟踪补偿，单点补偿容量和无功传送距离都不是很大，所以电压回升值不会很 大。 o 2 3测量点与补偿点的分离原则 目前我国户外高压无功自动补偿一般采用测量与补偿一体化的装置结构， 线路无功自动补偿的控制方式属于单装置独立补偿控制方式，他只管补偿点以 后的功率因数，没有任何全局优化的意义。本次设计一方面要解决补偿点附近 ( 包括补偿点以d u ) 区域的无功平衡，另一方面还要解决两个以上区域无功容 量相互协调的问题。 由于目前柱上丌关采用的补偿控制器的操作依据只与补偿点以后的无功负 荷情况有关，所以在补偿点，补偿控制器只能采用不过补偿的原则，这也就是 常晚的不倒送无功的原则。然而这个原则在多分支网络中并不适合。 在图2 3 例举的油田典型线路上分散挂接着许多电机负载，无功负荷中心 + 般不在线路两端。这时如果采用就近补偿方式将测量点放在补偿点附近，那 么必然测量不到补偿点以前的无功负荷，也就实现不了跟踪补偿。采用分离测 量方式将测量点放在被补偿区域的电源侧，既解决了区域无功的准确测量问 题，又实现了补偿点的合理设置。 蝴侧盎 幽2 - 3 油田线路典型负载分布状况图 2 4 无功补偿系统的控制方案 本次设计的系统通讯是采用无线数传模块实现的。无线数传模块具有较好 的工作独立性，运行费用低，受人为因素影响少。但无线数传通讯具有通讯距 离近，易受干扰的缺陷。因此从控制方案卜要充分考虑这种情况。在控制方案 中先要确定控制系统是采用集中控制还是采用分散控制。从系统控制的方便性 上讲集中比较容易实现，但从控制可靠性 ：讲集中控制有两个明显的弱点： 第一，控制中心的通讯距离必须能达到所有的测量点和控制点，这就要求 所有的发射机都有较大的发射功率。 第二，通讯设备必须可靠，控制中心或主要设备的信息通道旦故障将造 成整个无功补偿系统的瘫痪。 与集中控制相比分散控制具有较好的独立性和稳定性。但分散控制在控制 点掌握的信息量少不容易实现全局的优化控制，为了克服这个缺点在此本文提 出一个两级分段自适应控制模型。该模型既可以实现每一个补偿点的独立运 行，又可以利用公共线路的测量信息实现整个系统地自适应优化补偿控制。 2 4 1无功优化补偿的单段控制模型 在分析两段控制模型之前先引入单段控制模型的概念。所谓单段控制就是 把一条分支线路上的所有负荷都等效为一个集中负荷，这一集中负荷的位置也 就是等效的负荷中心，在这个位置设立一个集中可调的电容补偿点。图2 一l 和 图2 3 都可以等效成这种情况。在此方式下对补偿电容进行操作的控制理论称 之为单段控制模型。单段系统具有图2 - 4 所示的等效电路，图中月+ i x 为支线 路始端到负荷中心的等效阻抗( 线路中可能有负载被等效，比实际阻抗小些) 。 图2 - 4单机系统等效电路 设，为被补偿线路某次补偿操作前的电流，p 为线路电压u 与电流，的相 位差。在假定系统电压为额定电压且忽略线路电压降的情况下可以估算出每增 加一级补偿电容以c 时电容电流的增加量3 i c 。 a i c = 1 0 0na cu 无功补偿的控制操作目标是通过对无功电流的跟踪补偿使流经线路的电流 幅值比操作前小，从而使线路的有功损耗降低。当一条无分支线路上只设有。 个无功补偿点时，采用分组投切电容的方式进行无功补偿，无功电流的最大控 制精度只能达到补偿电容器的一个容量级差电流4 尼。因此在对电容器进行投 入控制操作之前可以通过计算估计出投入操作之后线路的屯流+ 。+ 的计算可 以利用图2 5 所示的电流相量图进行分析。 幽2 - 5 增加一级电容相量倒 从电流相量图不难看出，当| s i n 妒l i s i n 妒一4 l c i 时增加一级补偿电容，可 以保证操作后的电流，+ 小于操作前的电流，。 同理可以证明，当f s i n 妒i l s i n p + 4 尼i 时，减少一级补偿电容可以使操作 后的电流i 一小于操作前的电流i + 。 根据上述分析可以得到使线路的有功损耗减小的单段控制判据： l 、当妒 0 。时，若 2 1s i n 妒i ，fai e | ，则增加一级电容补偿容量。 2 、当妒c 0 。时，若1 2 i s i n 妒i 1 ai c l ，则减少一级电容补偿容量。 以上判据可以允许出现负载向电源倒送无功功率的情况，在不允许负载向 电源倒送无功的情况f 可以采用以下改进单段控制判据： 1 、当妒 o 。时，若i s i n 妒 l c ，则增加一级电容补偿容量。 2 、当妒 p + ，则增加一级电容补偿容量。 2 、若p p ，则减少一级电容补偿容量。 当两段控制模型中的r ，= o 时，两段控制判据与单段控制判据完全等价。 2 4 3两段控制模型的扩展应用 对于一个多分支多补偿点的线路可以将其分解为多个两极串联线路的组 合，对于每一个两段串联线路可以独立的采用以上所介绍的两极控制判据。使 整个线路的损耗最小。 幽2 - 9 多个职段控制模型联舍使用图例 图2 - 9 所示的系统可以分成四个两段串联电路a b g 、a b c 、b d e 、b d f 。 如果c d 之间的线路比较长则还可以在c d 线路上增加个测量点这样b d e 、 b d f 就应该为c d e 、c d f 。几个两极控制单元联合控制是不会出现不稳定现象 的，因为只有相关的几个两段模型彳可能出现联动调节。下面以两个相关的两 段控制模型甲和乙调节分析为例对两段控制模型联合控制稳定性问题进行说 明。 设甲、乙是两个相关的补偿调节控制装置，在两装置判据表达式中功率损 耗都是由本线路损耗和相邻线路损耗两部分组成。而在甲、乙两控制模型中一 定有一部分是共同的。若甲在某次调节后造成共同部分的损耗增大引起了乙的 调节，那么，乙调节后共同部分的损耗必然降低，因此甲不会再调节，所以系 统是稳定的。采用联合两段模型对线路进行无功优化控制具有以下五个优点： l 、通过多各控制单元的联合调节可以使系统最终稳定在网损最小的状态。 2 、所有通讯只需达到本单元邻近的设备，通讯的点数少、距离近，使系统 的可靠性增加，成本降。 3 、当某个单元发生故障时1 i 仅升i 会影响其它单元，而且故障单元只有一段 线路不能优化调节，整个系统仍保持优化控制。 4 、对于有分支丌天的线路当分支线路运行方式改变时，即使不测量支线路 电流。系统也能实现无功补偿的自动跟踪。 5 、逻辑简单容易实现。 6 2 - 4 4 补偿控制的约束条件 约束条件是在一些不常出现的运行状况下为保证系统的可靠安全性对补偿 操作的限制。对于本补偿系统主要约束条件只有两条： 1 、电压约束：当电压接近上限值时继续增加补偿容量可能造成电压越限， 应禁止继续增加补偿操作，当出现电压超过上限值时应进行减少补偿容量操 作。一般电压的七限值线路电源侧为1 0 5 的额定电压，线路术端为额定电压， 具体视配电变爪器的抽头位置而定。 2 、功率因数约束：由于个别分支电路补偿容量的预计不足以及其他不可预 计的问题可能造成功率因数超出限定范围，此时可不受优化条件的限制由控制 器直接进行补偿容量的增减调节。 在装置实际制作中还要有一些具体的辅助限定条件共同对补偿操作进行逻 辑限制，以保证系统工作的可靠性。限制条件大致有以下几项： 1 、补偿容量范围限制：补偿容量的下限是零，上限值是本补偿点的安装容 量。控制器不应发出超出此范围的操作命令。 2 、电流条件限制：当线路电流小到一定程度时即使功率因数不满足要求也 不需要进行补偿。 3 、动作时f b j 限制：避免丌关频繁的操作，保证电容投入前己放电完毕。 4 、通讯完好性限制：当接收不到采集信号或接受到的信号错误时要闭锁补 偿操作，必要时应退出补偿。 5 、电容及补偿控制设备完好性限制：当检测到设备故障时快速切除故障设 备。 第三章无线无功采集器的研制 3 1无功采集器的设计原则 无功采集器的作用是采集线路的电流幅值和电流相位。无功采集器应安装 简便，不对原一次线路进行改动，不对线路绝缘造成任何威胁。根据上述三个 原则可以对线路无功采集器提出设计结构上的理想化要求：1 、体积小而轻， 2 、安装时不断丌一次线路，3 、不从采集器上下引线。借鉴自给式无线电流传 感器的思想，本文提出研制一种自给式无功功率采集器。 所谓自给就是利用输电线路本身的电流为采集器提供电源，不专为装置提 供外接工作电源。本文研制的无功采集嚣分三部分，第一部分是采集器的工作 电源，第二部分是电流信号采集，第三部分是信号发射电路。本采集器采用完 全感应原理，从电能的取得、信号的采集到信号的传输完全采用电磁感应原 理。采集器的工作电源是由线路传输的负荷电流通过特制的电流互感器得到 的。电压信号是利用线路相间静电感应原理取得的。装置只需将测量出的信号 采用近距离的无线发送，传送给安装在附近的无功功率转发器。 3 2线路采集器的设计与制作 3 2 1采集器的基本参数要求 采集器参数测量的目标是测量线路的电流和功率因数角。根据调查油m 6 k v 线路的额定电流一般小于2 0 0 a ，运行负荷电流一般大于4 0 a ，同时当线路 电流在2 0 a 以下时无功无功功率很小已经无补偿意义：装置要求功率因数的测 量精度在0 9 以上时达到两位小数：无功信号要通过无线通讯的方式将采集的 信号发送到附近的信号转发器。转发器要安装在有电源的地方以便有足够能量 将无功信号发射给无功补偿控制器，一般距离6 k v 主线路一级杆的地方常常有 油井可以取得低压电源。所以可以制定出采集器的基本参数要求： 电流测量范围2 0 2 0 0 a ，测量精度2 ； 相位差测量范围一9 0 0 + 9 0 。，测量精度1o ； 信号发送距离1 0 0 米。 3 2 2电流感应式电源的设计 无功采集器采用特制的电流互感器为其提供电源，要求在线路电流大于 2 0 a 时、能满足信号采集与发送的要求。基本设计过程如下： l 、二次线圈匝数计算 根据测量电路与发射电路的要求，电源要提供的负载有：测量电路由 a t t i n 9 1 7 l 为主的单片机系统构成，工作电压5 v ，电流一般小于4 m a 。信号无 线发送电路由y c f 5 0 0 1 发送模块制成工作电压为电压1 2 v ，发射时工作电流 小于1 6 m a 。因此采集器总体工作电流小于2 0 m a 。在线路负荷电流小于2 0 a 时 采集器可停止工作，因此二次线圈的理论匝数为1 0 0 0 匝时可感应出2 0 m a 电 流，考虑铁芯的激磁损耗实际确定线圈匝数n = 5 0 0 殛，线径0 1 m m 。 2 、 铁心设计 根据油田6 k v 线路实际情况线路一般选用l g j 9 5 钢芯铝绞线，导线截面直 径为1 3 7 r a m 比他大一级的是l g j l 2 0 钢芯铝绞线导线截面直径为15 3 m m 。 因此互感器铁芯选用厚度o 5 m m 、内径2 0 m m 、外径4 0 m m ( 磁路平均半径 15 m m ) 的半圆形硅钢片迭制而成。硅钢片型号d 2 3 。 在互感器一次电流2 0 a 二次线圈匝数为5 0 0 匝，电流2 0 m a 时铁芯中的 磁场强度为 h-业=丽20-500 x0022zrr = l 。6 ( 安培，米) 2 万o 0 1 5 查05 m i n d 2 3 硅钢片的磁化曲线表得铁芯的磁通密度为b = 1 7 特斯拉。 对于1 2 v 输出电压应设计稳压模块输入电压( 二次感应电势) 大于1 4 v ， 因此所需的磁通幅值为 吒2 赤 1 4 4 4 4 5 0 5 0 0 = 0 0 0 0 1 2 6 ( 韦伯) 可算出铁芯截面为 5 = 竺 = 辈= o 7 4 ( 平方厘米) 可算出铁芯截面为 5 2 詈。兰气弓竺= o ( 平方厘米) 即铁芯的叠厚为 ：上。2 ：坚。2 ：0 7 4 ( 厘米) 。 l2 r - r 。2 。石。22 。厘水。 实际取3 厘米。 铁芯的基本形状如右图所示 3 、电源部分电路设计图 首先电源互感器输出的电压进行整流滤波，然后用一级7 8 12 稳压模块将电 源稳定在1 2 v 共发射模块作为工作电源。由于78 1 2 稳压模块的输入电压最高 为3 0 v ，为防止线路瞬时大电流可能在电源互感器输出产生高电压损坏稳压模 块，所以在整流并接了一个2 4 v 的瞬态二极管作为保护。电路又将1 2 v 电压用 7 8 0 5 稳压模块降到5 v 供单片机电路使用，基本电路如图3 1 。 图3 - 1 电源电路图 在实际制作中整个电路组件被配置在一个半圆环形的电路板上，对外只弓 出三个电极：地、1 2 v 、5 v 。电路板外形及组件排列如图3 2 所示。 幽3 2 屯路板组件排列示意圈 4 、电源实验： 在电源电路的5 v 输出端接一只2 5 0 欧姆电阻模拟2 0 毫安的负载电流，在 铁心中绕2 0 匝导线通入o 5 1 0 安培交流电流模拟6 k v 线路1 0 2 0 0 安培负 荷电流。在调整模拟电流时一方面测量电阻上的电压，另一方面检测二次线圈 感应出的电压波形。结果表明当模拟电流大过9 安培时输出电压达到1 2 伏特， 基本符合设计要求。 从波形上看5 a 以f 为正弦波，5 到15 a 波形逐渐向尖顶波变化，如图3 3 ( a ) ：15 到5 0 a 波形被限幅但电源仍能j f 常工作，如图3 3 ( b ) ；5 0 a 以后波形 变窄输出电压有效值降低，如图3 3 ( c ) 。 ( a ) 图3 - 3 电源二次绕组电压波形 为了解决大电流时的磁路饱和造成的有效电压降低在原有铁心的基础上又 增加了一个带气息的铁一i i , 。实际在工作中，电路发射所用的时间很短。大部分 时间电容器处在充满电的情况下。因此在线路电流大于9 安时完全能满足要 求。而装置在监测到电流小于】0 安培时就不再发射信号，保证了系统工作的可 靠性。 3 2 3测量电路的设计 一、 测量电路的中一1 1 , 器件是单