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摘要：无功功率是影响低压网络线损的重要因素，利用低压无功功率自动补偿装置可实现配网无功功率动态补偿。通过对某台区低压无功补偿的实际测试数据的比较，提出了台区低压无功补偿方案的建议。
关键词：无功补偿降低台区线损影响 分析
中图分类号：C35文献标识码： A
一、无功功率产生的原因及影响
无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。电感性电气设备如异步电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。电感性设备是电网中消耗无功功率的主要部分，另外，目前应用越来越广泛的电力电子装置等非线性装置也会消耗大量的无功功率。
无功功率的大量存在会严重影响电网的供电质量。无功功率的存在增加了设备的容量，进而增加了设备的用电量，输电线路上电流的增加会加大电压降落，大量无功功率在电网中传输更会造成输电线路及变压器损耗的增加，由此降低了系统的经济效益及可靠性。
二、无功补偿的原理及补偿原则
从电网中获取大量的无功功率会造成供电质量的下降，因此如果由无功补偿装置获取无功功率就可以大大提高系统的功率因数，改善电网的供电质量。
1、功率因数
正弦交流系统中，纯感性负荷的电流滞后其电压90度的相角，纯容性负荷的电流超前其电压90度的相角。如果一个系统中感性负荷的数量大于容性负荷的数量，那么此系统的负荷主要呈现感性，则系统电流就会滞后系统电压某一角度，这一角度的余弦值就称为功率因数（滞后）。相反，一个系统主要为容性负荷，系统电流会超前电压某一角度，这一角度的余弦值就称为功率因数（超前）。功率因数符号表示为COSψ，其中ψ为电流与电压的相角差，后面注明超前或滞后以示区别。由于大部分系统呈现感性，因此功率因数默认为滞后。另外，经过推导，功率因数还可以表示为有功功率P与视在功率S的比值，即COSψ=P/S，因此，功率因数可以反映有功功率在视在功率中的比重。
2、无功补偿原理及补偿装置
无功补偿的基本原理就是在系统的低压或高压侧装设并联电容器组等可以产生无功功率的装置，系统的大部分无功功率由产生无功功率的装置处获得，以减少由电网获取无功功率的量，从而提高系统的功率因数。
三、问题提出
某市电力公司2004年第一次全网线损理论计算结果得出:某电网10kV及以下线损电量就占了全网线损电量的45.11%。可见，降低中、低压配网的线损仍然是一个非常重要的问题。
四、低壓无功补偿原理
由于低压网络中以感性和电阻性负载为主，因此电流I将滞后电压U一个角度φ,如果装设电容器，并与负载并联，则电容器电流IC将会抵消一部分电感电流,IL从而使电感电流IL减少到IL1，总的电流从I减少到I1，功率因数则从cosφ提高到cosφ.(见图1)。通过电容器补偿，可以降低低压线路及变压器的功率损耗，并降低电压损失。
图1并联电容器无功补尝
对低压线路，功率损耗的计算公式为:
式中:
P—流经补偿点的有功功率(kw );
Q—流经补偿点的无功功率(kV ar);
U—补偿点电压(kV );
R-线路等值电阻(ΩΩ)。
电压损耗的计算公式为:
式中:
XL—线路等值电抗。
因此，通过无功补偿，可降低无功功率Q,从而降低低压线路和配电变压器的功率损耗，并降低电压损耗。
降低线路和台区变压器的功率损耗，通过无功补偿使线损功率下降的计算公式为:
式中:
Ui --------偿点处的电压(kv );
Ri—第i台变压器的等值电阻;
Q2j1、Q2j2—第i台变压器补偿前后的无功功率(KVar)
在补偿点电压提高的计算公式为:
式中:
Xi—等值电抗
△Qi—第i台变压器补偿变化的无功功率。
为合理进行无功补偿，需要选择好无功补偿容量，一般是按照改善功率因数选择无功补偿的容量:
式中:
Qc—补偿电容器容量;
P max—年最大负荷月份的平均有功功率;
tanφ, tanφ2—补偿前后功率因数角的正切值。
五、智能无功装置结构及原理
智能无功补偿装置可实时检测电压、电流、谐波、功率、功率因数、有功、无功等参数，并进行实时计算，按照补偿最优和动作次数最小的原则，确定当前所需的电容器容量，从而以开关量输出控制命令。
1、装置结构
装置的硬件结构如图2所示，主要包括:模拟量输入部分、AD转换、微处理器、电网频率跟踪、显示部分和键盘、I /O量控制(用于控制电容器阵列投切)、就地通信接口(RS - 232 /485 )，远方通信接口(RJ45以太网接口和GPRS无线通信接口)。
图2无功补偿装置结构
2、算法实现
在数据采样环节，装置采用了全周傅氏算法进行电压、电流的幅值和相角的计算，并用快速开方算法进行开平方运算。
无功控制系统的实质是一个多输入多输出的闭环控制系统的最优控制问题，并受被控对象动作次数的约束条件，所以求的是近似解。为了合理控制电容器阵列的投切，达到无功补偿和电容器投切次数最优的目标，根据“保证电压合格，无功基本平衡、尽量减少控制次数”的原则，对传统的电压、无功九域图算法进行了改善(如图3)。九域图控制算法原理:投切电容器，使系统尽量运行在区域0.
图3九域图
由于公用变压器一般不具备有载调压能力，此处不考虑调整变压器分接头，以功率因数作为控制指标。当检测到的功率因数小于下限持续一定时间后，根据实时计算得到的补偿容量投入电容器阵列;当功率因数大于上限并持续一定时间后，再切除相应的电容器阵列。投切时，为了避免投切震荡和节点抖动，需要考虑一个时间延迟。
为了避免先投入的电容器后切除、后投入的电容器先切除，造成投切不均衡，需要对电容器阵列采取循环投切。同时，为了避免过电压对客户的影响，还要加入动作判据，过电压时强行切除电容器阵列相应容量。
六、低压无功补偿方案的研究
最近国家电网公司新颁发的电能质量技术监督管理办法，要求配网无功以变压器低压侧集中补偿为主，以高压补偿为辅。其补偿度为变压器容量的20%~40%配置。这是对各网省公司进行配网无功补偿时的一个指导性意见。没有涉及低压电网的补偿情况。从低压网络运行情况看，应该结合具体情况进行低压无功补偿。
为了研究低压网络无功补偿的最佳方案，项目人员选择了一条低压出线进行试验。该条线路线损大约在15%左右，其低压线路上大都是纺织机，无功负荷较大，末端电压较低，一般只有190V左右，功率因数只有0 .75。线路长度大约500米左右，线路上有3家纺织厂用户，其余为一些照明负荷。由于无法准确地实测负荷，因此选择了在不同位置上安装智能低压无功补偿装置来研究无功补偿方案。
图4统计了各个分布点的主要负荷并分别标上了编号。其中负载较重的是8, 13, 20点，因为这3个点都是纺织企业，消耗无功负荷的主要是电动机。8点有34台80WV和10台115W的电动机，13点有108台80WV的电动机，20点有24台80WV的电动机。其他的点都是居民负荷，包括空调负荷、日光灯和少量的电机负荷。
图4试验台区低负荷分布
由于8, 20, 13点负荷较重，电压和功率因数较低，为了验证分散补偿的原则以主要负荷为主，考虑具体情况和施工条件，在0, 8, 20点安装了3台低压智能无功补偿装置，每台补偿装置共60kV ar分成四组，每组15kV ar按控制程序投切。
1、点8(厂3)补偿试验情况
试验发现该厂电压偏低，但无功需求不大，只有几千乏，补偿容量偏大，由于有智能控制，无功装置只能补偿30s造成装置的频繁投运。装置投入后，无功进行了倒送，末端电压得到一定程度的升高，功率因数达到0 .8(见表1)o
表1厂3试验数据
2、点20(厂2)补偿试验情况
无功补偿效果较好，电容器组投运了1组，即只补偿了15kV ar功率因数由0. 72补偿到了0.98,线路中电流减少40A左右。无功稳定性较好，装置未进行频繁投切。但补偿后电压仍然偏低(见表2 )。
表2厂2试验数据
3、点0变压器出口)补偿试验情况
在变压器出口装了一台补偿装置，电容器全部投入，但是功率因数仍然较低，只有0. 85。后把厂2、厂3两个厂的电容器进行了配套组合试验。在三组电容器均投入的情况下，变压器出口处的功率因数才达到0.9，因此该台区的无功缺额较大(见表3 ),。
表3變压器出口试验数据
结语：
通过试验和效益分析比较，低压无功补偿可以根据具体情况实施分散补偿，或者采用就地补偿，不但能降低低压线路损耗，而且上一级线路和变压器均能降低损耗，低压无功补偿装置的投资几个月就可以收回。线路越长，负荷越大，功率因数越低，产生的节能效果越好。并且补偿方式容易掌握，主要是通过实测负荷或推算，根据负荷的大概分布，按照一定法则补偿，或就地补偿。
参考文献
[1] SD325-1989，电力系统电压和无功电力技术导则[S].
[2] 国家电网公司.国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定[Z].北京：国家电网公司，2014.
[3] 陆安定.发电厂变电所及电力系统的无功功率[M].北京：中国电力出版社，2013.
[4]李波.加强无功补偿管理降低线损[J].黑龙江科技信息，2011（22）
[5]贾启龙.浅析农村电网线损管理措施[J].中国电力教育，2010（30）
[6]吴小艺，何莉.基于无功补偿的效益与应用分析[J].科技传播，2011（24）
关键词：无功补偿降低台区线损影响 分析
中图分类号：C35文献标识码： A
一、无功功率产生的原因及影响
无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。电感性电气设备如异步电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。电感性设备是电网中消耗无功功率的主要部分，另外，目前应用越来越广泛的电力电子装置等非线性装置也会消耗大量的无功功率。
无功功率的大量存在会严重影响电网的供电质量。无功功率的存在增加了设备的容量，进而增加了设备的用电量，输电线路上电流的增加会加大电压降落，大量无功功率在电网中传输更会造成输电线路及变压器损耗的增加，由此降低了系统的经济效益及可靠性。
二、无功补偿的原理及补偿原则
从电网中获取大量的无功功率会造成供电质量的下降，因此如果由无功补偿装置获取无功功率就可以大大提高系统的功率因数，改善电网的供电质量。
1、功率因数
正弦交流系统中，纯感性负荷的电流滞后其电压90度的相角，纯容性负荷的电流超前其电压90度的相角。如果一个系统中感性负荷的数量大于容性负荷的数量，那么此系统的负荷主要呈现感性，则系统电流就会滞后系统电压某一角度，这一角度的余弦值就称为功率因数（滞后）。相反，一个系统主要为容性负荷，系统电流会超前电压某一角度，这一角度的余弦值就称为功率因数（超前）。功率因数符号表示为COSψ，其中ψ为电流与电压的相角差，后面注明超前或滞后以示区别。由于大部分系统呈现感性，因此功率因数默认为滞后。另外，经过推导，功率因数还可以表示为有功功率P与视在功率S的比值，即COSψ=P/S，因此，功率因数可以反映有功功率在视在功率中的比重。
2、无功补偿原理及补偿装置
无功补偿的基本原理就是在系统的低压或高压侧装设并联电容器组等可以产生无功功率的装置，系统的大部分无功功率由产生无功功率的装置处获得，以减少由电网获取无功功率的量，从而提高系统的功率因数。
三、问题提出
某市电力公司2004年第一次全网线损理论计算结果得出:某电网10kV及以下线损电量就占了全网线损电量的45.11%。可见，降低中、低压配网的线损仍然是一个非常重要的问题。
四、低壓无功补偿原理
由于低压网络中以感性和电阻性负载为主，因此电流I将滞后电压U一个角度φ,如果装设电容器，并与负载并联，则电容器电流IC将会抵消一部分电感电流,IL从而使电感电流IL减少到IL1，总的电流从I减少到I1，功率因数则从cosφ提高到cosφ.(见图1)。通过电容器补偿，可以降低低压线路及变压器的功率损耗，并降低电压损失。
图1并联电容器无功补尝
对低压线路，功率损耗的计算公式为:
式中:
P—流经补偿点的有功功率(kw );
Q—流经补偿点的无功功率(kV ar);
U—补偿点电压(kV );
R-线路等值电阻(ΩΩ)。
电压损耗的计算公式为:
式中:
XL—线路等值电抗。
因此，通过无功补偿，可降低无功功率Q,从而降低低压线路和配电变压器的功率损耗，并降低电压损耗。
降低线路和台区变压器的功率损耗，通过无功补偿使线损功率下降的计算公式为:
式中:
Ui --------偿点处的电压(kv );
Ri—第i台变压器的等值电阻;
Q2j1、Q2j2—第i台变压器补偿前后的无功功率(KVar)
在补偿点电压提高的计算公式为:
式中:
Xi—等值电抗
△Qi—第i台变压器补偿变化的无功功率。
为合理进行无功补偿，需要选择好无功补偿容量，一般是按照改善功率因数选择无功补偿的容量:
式中:
Qc—补偿电容器容量;
P max—年最大负荷月份的平均有功功率;
tanφ, tanφ2—补偿前后功率因数角的正切值。
五、智能无功装置结构及原理
智能无功补偿装置可实时检测电压、电流、谐波、功率、功率因数、有功、无功等参数，并进行实时计算，按照补偿最优和动作次数最小的原则，确定当前所需的电容器容量，从而以开关量输出控制命令。
1、装置结构
装置的硬件结构如图2所示，主要包括:模拟量输入部分、AD转换、微处理器、电网频率跟踪、显示部分和键盘、I /O量控制(用于控制电容器阵列投切)、就地通信接口(RS - 232 /485 )，远方通信接口(RJ45以太网接口和GPRS无线通信接口)。
图2无功补偿装置结构
2、算法实现
在数据采样环节，装置采用了全周傅氏算法进行电压、电流的幅值和相角的计算，并用快速开方算法进行开平方运算。
无功控制系统的实质是一个多输入多输出的闭环控制系统的最优控制问题，并受被控对象动作次数的约束条件，所以求的是近似解。为了合理控制电容器阵列的投切，达到无功补偿和电容器投切次数最优的目标，根据“保证电压合格，无功基本平衡、尽量减少控制次数”的原则，对传统的电压、无功九域图算法进行了改善(如图3)。九域图控制算法原理:投切电容器，使系统尽量运行在区域0.
图3九域图
由于公用变压器一般不具备有载调压能力，此处不考虑调整变压器分接头，以功率因数作为控制指标。当检测到的功率因数小于下限持续一定时间后，根据实时计算得到的补偿容量投入电容器阵列;当功率因数大于上限并持续一定时间后，再切除相应的电容器阵列。投切时，为了避免投切震荡和节点抖动，需要考虑一个时间延迟。
为了避免先投入的电容器后切除、后投入的电容器先切除，造成投切不均衡，需要对电容器阵列采取循环投切。同时，为了避免过电压对客户的影响，还要加入动作判据，过电压时强行切除电容器阵列相应容量。
六、低压无功补偿方案的研究
最近国家电网公司新颁发的电能质量技术监督管理办法，要求配网无功以变压器低压侧集中补偿为主，以高压补偿为辅。其补偿度为变压器容量的20%~40%配置。这是对各网省公司进行配网无功补偿时的一个指导性意见。没有涉及低压电网的补偿情况。从低压网络运行情况看，应该结合具体情况进行低压无功补偿。
为了研究低压网络无功补偿的最佳方案，项目人员选择了一条低压出线进行试验。该条线路线损大约在15%左右，其低压线路上大都是纺织机，无功负荷较大，末端电压较低，一般只有190V左右，功率因数只有0 .75。线路长度大约500米左右，线路上有3家纺织厂用户，其余为一些照明负荷。由于无法准确地实测负荷，因此选择了在不同位置上安装智能低压无功补偿装置来研究无功补偿方案。
图4统计了各个分布点的主要负荷并分别标上了编号。其中负载较重的是8, 13, 20点，因为这3个点都是纺织企业，消耗无功负荷的主要是电动机。8点有34台80WV和10台115W的电动机，13点有108台80WV的电动机，20点有24台80WV的电动机。其他的点都是居民负荷，包括空调负荷、日光灯和少量的电机负荷。
图4试验台区低负荷分布
由于8, 20, 13点负荷较重，电压和功率因数较低，为了验证分散补偿的原则以主要负荷为主，考虑具体情况和施工条件，在0, 8, 20点安装了3台低压智能无功补偿装置，每台补偿装置共60kV ar分成四组，每组15kV ar按控制程序投切。
1、点8(厂3)补偿试验情况
试验发现该厂电压偏低，但无功需求不大，只有几千乏，补偿容量偏大，由于有智能控制，无功装置只能补偿30s造成装置的频繁投运。装置投入后，无功进行了倒送，末端电压得到一定程度的升高，功率因数达到0 .8(见表1)o
表1厂3试验数据
2、点20(厂2)补偿试验情况
无功补偿效果较好，电容器组投运了1组，即只补偿了15kV ar功率因数由0. 72补偿到了0.98,线路中电流减少40A左右。无功稳定性较好，装置未进行频繁投切。但补偿后电压仍然偏低(见表2 )。
表2厂2试验数据
3、点0变压器出口)补偿试验情况
在变压器出口装了一台补偿装置，电容器全部投入，但是功率因数仍然较低，只有0. 85。后把厂2、厂3两个厂的电容器进行了配套组合试验。在三组电容器均投入的情况下，变压器出口处的功率因数才达到0.9，因此该台区的无功缺额较大(见表3 ),。
表3變压器出口试验数据
结语：
通过试验和效益分析比较，低压无功补偿可以根据具体情况实施分散补偿，或者采用就地补偿，不但能降低低压线路损耗，而且上一级线路和变压器均能降低损耗，低压无功补偿装置的投资几个月就可以收回。线路越长，负荷越大，功率因数越低，产生的节能效果越好。并且补偿方式容易掌握，主要是通过实测负荷或推算，根据负荷的大概分布，按照一定法则补偿，或就地补偿。
参考文献
[1] SD325-1989，电力系统电压和无功电力技术导则[S].
[2] 国家电网公司.国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定[Z].北京：国家电网公司，2014.
[3] 陆安定.发电厂变电所及电力系统的无功功率[M].北京：中国电力出版社，2013.
[4]李波.加强无功补偿管理降低线损[J].黑龙江科技信息，2011（22）
[5]贾启龙.浅析农村电网线损管理措施[J].中国电力教育，2010（30）
[6]吴小艺，何莉.基于无功补偿的效益与应用分析[J].科技传播，2011（24）