摘要：以配电网最常用的投切电容器无功补偿装置或调节变压器中的有载分接开关为例，这些无功补偿方式不仅难以实现电压的自动控制和全网的优化控制，还难以实施最佳控制方案而需要增加设备调节次数。借鉴无功电压优化是解决10kV以下配电网电能质量的根本方法，故本文将在阐述配电网无功补偿现状的基础上，就10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的设计展开探讨。
关键词：10kV以下配电网；无功补偿；无功电压优化；集中控制
The design on reactive voltage optimization and centralized control system of 10kV distribution network
Abstract: Taking the switching capacitor reactive power compensation device and adjusting transformer on-load tap changer for example, the automatic control of voltage and optimal control of distribution Network are difficultly achieved by these reactive power compensation.Reactive voltage optimization is the fundamental method to increase the power quality of 10kV distribution network, so the reactive voltage optimization and centralized control system of 10kV distribution network will be designed in this paper.
Keywords:10kV distribution network; reactive power compensation; reactive voltage optimization; centralized control
由于直接向用户端供电，因此10kV以下配电网电能质量的优劣将直接影响着用户的生产和生活，而目前10kV以下配电网无功补偿的方式主要是在变电站集中补偿大容量的电容器，由线路输送无功补偿线路缺额，而且在输电线路必要处也没有安装无功补偿装置，这些都严重影响了10kV以下配电网的电能质量，故研究10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统是大势所趋。
1. 10kV以下配电网无功补偿和无功电压优化的现状
1.1 10kV以下配电网无功补偿的现状
目前10kV以下配电网无功补偿采用最多的方式，就是按照电抗器和并联电容器，具体见表1：
对10kV以下配电网无功电压进行优化，将有助于降低损耗、提高供电可靠性并改善电压质量，使得电力企业能够获得更高的经济效益和社会效益。但目前我国10kV以下配电网无功电压优化还存在诸多问题，归纳起来主要包括：
第一，10kV以下配电网无功补偿装置的配置不合理且设备老化，导致线路损耗居高不下；按照2/3准则来设计无功补偿装置的最佳位置，当线路过长时此种设计方法的弊端日益暴露；使用设备老旧且10kV杆上的无功补偿装置较少，通信水平低且易中断。
第二，10kV高压侧变电站的集中补偿难以兼顾10kV线路的损耗，导致10kV母线的电压得不到良好控制；10kV以下配电网无功补偿多采用固定投切的方式，此种方式在用电负荷高峰期，容易因电容器投太多或投不上而造成投切振荡；在用电负荷低峰期，容易因线路电压瞬间增高而电容器投切不及时，造成无功过剩的状况。
第三，10kV以下配电网无功优化时，是按照省公司给的功率因素来设计无功容量的（忽略了客户的实际需求），难以切实降低消费者的用电投入；没有从10kV以下配电网的整体角度来投入无功电压优化及集中控制系统，需要人工操作的地方太多且难以实现全线补偿，因此需要电力企业投入较多的人力。
第四，10kV以下配电网无功电压优化硬件方面的自动化设备较少，基础设施的建设还有待完善，线路存在超年限使用的情况，这些都影响了10kV以下配电网无功电压优化能力的提高。
2. 10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的设计
本文所设计的10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统，是通过对0.4kV侧并联电容器和10kV线路无功补偿装置来抵消输电线路中流动的感性无功，在无功补偿合理的条件下达到降低线路损耗和提高电压质量的目标。
2.1 10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的模块设计
10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的结构模块如图1所示：
第一，主控程序模块。从SCADA系统中采集10kV配网首端的状态参数（如有功功率、电压等），然后用改进的优化算法（本文采用改进GA-TS算法）来对数据进行优化处理，得出优化结果后输出，实现各数据库（整点数据库、设备数据库、用户数据库及上停电数据库等）的管理，并且形成10kV线路补偿装置调节指令和0.4kV侧并联电容器操作命令，然后由接口程序负责调节分接头和电容器指令的具体执行。作为10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的核心模块，主控程序模块负责所有对所有数据进行处理及形成相应的操作命令，因此其设计是本系统的重中之重。
第二，参数管理模块。参数管理模块的功能，是对有功功率、线路损耗、刀闸的开断信息、线路电压、断路器和无功功率等参数进行管理。由于SCADA采集到的原始参数是不能直接提供给其他模块使用的，因此需要进行相应计算，通过参数管理后方可供其他模块使用。
第三，电网拓扑模块。电网拓扑模块主要包括如下两个部分：①动态拓扑模块。随着电网运行状态的变化，动态拓扑模块的数据也在发生着相应的变化，该模块的功能，一方面是在系统使用前，通过图形化的方式来描述配电线路及补偿装置的位置和容量；另一方面是在系统运行过程中，当配电网运行状态发生变化时，通过动态拓扑模块来进行相应的修改；②静态拓扑模块。静态拓扑模块主要是对电网设备间的物理拓扑连接关系进行描述，需要注意的是，当网络拓扑结构发生变更时，操作人员可以方便的进行修改操作。
第四，与SCADA接口模块。如前文所述，本系统需要从SCADA系统中采集10kV配网首端的状态参数（如有功功率、电压等），然后用改进GA-TS算法来对四遥数据进行优化处理，得出优化结果后输出。此外，本系统对设备的各控制命令也是由该接口传送给SCADA系统，然后由SCADA系统来执行相应操作。
第五，数据库模块。数据的处理和存储都由数据库模块来操作，本系统要对所接收的实时数据（电压、无功功率、有功功率、线路参数等）进行过滤，将死数据进行去除，然后将数据进行存储以便其他模块的调用。本系统在开发时，采用内存数据库技术来提高整体工资效率。
第六，报表管理模块。根据用户多样化的需求特点，本系统为用户提供类型各异的报表，使用户能够从报表数据分析中得出最优的无功优化方案，并且可以查询一段时间内某个设备的动作次数等情况。
第七，告警中心模块。当系统出现故障时，告警中心模块要向后台客户端发出报警信号，并且采取必要的设备保护动作，确保电气设备的完整及维修人员的快速动作。
2.2 10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的具体功能
第一，对配电网无功电压进行综合优化。当10kV以下配电网各节点电压超过规定限值时，无功电压优化及集中控制系统会自动对电容器投切控制的最优策略进行计算，从而确保10kV线路补偿装置和0.4kV侧并联电容器的优化投切。
第二，对配电网进行无功补偿和调度功能的优化。在保证10kV以下配电网及线路电压质量合格的前提下，无功电压优化及集中控制系统能够对10kV线路无功潮流的分布、无功功率在配电网和线路中的分布进行精确控制，并且还能够根据各节点、线路及用户端电压水平的高低，决定执行补偿电容器的切除或投入控制。
第三，补偿电容器最优配置。根据10kV以下配电网的实际负荷，无功电压优化及集中控制系统能够对各配电变压器10kV线路补偿装置和0.4kV侧并联电容器的安装地点和配置容量进行计算，根据计算结果来判断该安装位置和容量是否处于最优状态，从而制定相应的调整策略。
第四，故障预警。无功电压优化及集中控制系统能够对10kV以下配电网的电气设备进行实时监测，判断无功和电压分布是否合理，并且根据监测结果来发出故障报警（声音、信号及文字等三种方式），确保将潜在的故障扼杀在萌芽阶段。
第五，理论损耗的在线计算。无功电压优化及集中控制系统能够对10kV以下配电网的理论损耗进行在线计算和实时报告，从而确保工作人员采取适当的降耗措施来实现整个配电网的经济调度。
第六，曲线报表的查询。功率因素曲线、电压曲线、负荷曲线、设备动作次数曲线及设备状态等都能够被工作人员查询。以电压曲线的查询为例，工作人员可以设定查询条件，来对一天、一季度或者是任意时段内配电网的电压变化（合格率、电压大小、越下限时间、越上限时间等）进行查询，并且可以根据历史电压数据的分析来制定合理的投切操作。
2.3 10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的应用实践
为了直观的表述10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统的应用效果，本文在某供电公司进行了实践操作。安装10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统后，变电所日功率因素的曲线对比见图4：
从图4中可以清晰地看出，在投运10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统前，10kV线路的功率因素整体水平较低，0-6点的功率因素还不到0.9（3点的时候低到0.71），这使得整个线路的损耗较高；在投运10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统后，10kV线路的功能因素整体有所提高（0.96-1.0之间），平均功率因素提高了接近0.24个百分点，极大地降低了系统无功功率的输出，使得整个线路的损耗都有所改善。
3. 小结
综上所述，10kV以下配电网输电距离长、负荷受季节影响大且功率因素偏低，目前常用的无功补偿方式为投切电容器无功补偿装置或调节变压器中的有载分接开关，这些无功补偿方式不仅难以实现电压的自动控制和全网的优化控制，还难以实施最佳控制方案而需要增加设备调节次数，为此安装无功电压优化及集中控制系统就具有十分重要的现实意义。
本文所构建的10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统，由数据库模块、报表管理模块、告警中心模块、与SCADA接口模块、电网拓扑模块、参数管理模块及主控程序模块等构成，具有故障预警、理论损耗的在线计算、曲线报表的查询、补偿电容器最优配置、对配电网无功电压进行综合优化、对配电网进行无功补偿和调度功能的优化等功能。实践表明，10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统应用后，能够有助于降低损耗、提高供电可靠性并改善电压质量，使得电力企业能够获得更高的经济效益和社会效益。
虽然10kV以下配电网无功电压优化及集中控制系统能够获得良好的应用效果，但是受到现有技术的限制及智能电网发展高要求的影响，未来该系统还应该在如下几个方面进行更深层次的研究：（1）随着分布式电源接入电网，分布式电源对配电网的电能质量、可靠性、网络损耗和潮流、继电保护等都会产生深远的影响（以电压波动为例，分布式电源接入电网后，分布式发电装置的突然启、停，输出功率发生大的变化及与电网中各个设备间的相互作用都将导致电压波动），这会使无功容量的准确预测变得尤为困难，需要借助先进的通信和数据库技术方可解决；（2）随着智能电网研究的不断深入，未来需要研发更加智能化的无功补偿设备，才能为无功电压优化及集中控制系统的实现提供技术保障。
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