馮小明 尚 可 單鐵銘

（1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083；

2.北京電力公司昌平供電公司，北京 102200；3.北京電力公司房山供電公司，北京 102400）

1 引言

根據(jù)全國幾大供電網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計，我國在農(nóng)村供電線路上損失的電力平均為總輸電功率的 10%，而歐美及發(fā)達國家在供電線路上的損失僅占總輸電功率的3%，如果采取措施，把供電線路上的損耗降到5%，僅此一項，我國在農(nóng)村電力傳輸網(wǎng)上的損耗每年可節(jié)約100多億元。所以對農(nóng)村供電進行無功補償來降低線路損耗并提高供電質(zhì)量，是貫徹國家加快建設(shè)節(jié)約型社會戰(zhàn)略部置的具體措施之一[1]。隨著農(nóng)網(wǎng)三期改造的逐步完善，我國在農(nóng)村電網(wǎng)中更換了大量的高能耗配變，按照配變?nèi)萘康?5%～30%安裝了相應的低壓無功補償裝置。但由于我國農(nóng)村電網(wǎng)供電半徑大，負荷分布廣，傳統(tǒng)的人工維護工作量大，農(nóng)網(wǎng)的技術(shù)人員水平有限，造成大量的無功補償裝置由于缺乏管理和維護而無法投入運行[1]。

隨著電力生產(chǎn)對農(nóng)網(wǎng)線損管理、提高電能質(zhì)量、保證供電的可靠性、安全性提出了新的要求。電力生產(chǎn)管理的科學化和電力需求側(cè)管理(DSM)的智能化需求，要求對農(nóng)網(wǎng)配變低壓側(cè)進行準確和科學的智能監(jiān)控，掌握農(nóng)網(wǎng)配變及無功補償裝置的實時運行狀況并根據(jù)需求進行合理管理，改善電能質(zhì)量，降低線損。為實現(xiàn)對農(nóng)網(wǎng)中的公用配變、專用變、變電站出線以及其它電能采集點和設(shè)備監(jiān)測點等設(shè)備的實時監(jiān)測；了解用電設(shè)備的運行狀態(tài)、諧波水平，為線損分析、負荷預測、電壓合格率統(tǒng)計、供電可靠率、供電方案優(yōu)化、配網(wǎng)規(guī)劃、用戶接電、電能質(zhì)量治理等業(yè)務(wù)提供科學依據(jù)；提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟、高效和安全運行的水平[2-4]。遵照相關(guān)標準、規(guī)程和要求，結(jié)合我國農(nóng)村電網(wǎng)實際情況，借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點，研究適合我國農(nóng)村電網(wǎng)的“配變及無功補償裝置在線監(jiān)測管理系統(tǒng)”（以下簡稱系統(tǒng)）。它是一種集配變監(jiān)測、無功補償控制、電能質(zhì)量監(jiān)測、電能計量、RTU（三遙）等功能于一體的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，將系統(tǒng)劃分為四層。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層，主要由安裝在配變低壓側(cè)的配變綜合監(jiān)控管理終端，采集配變的運行數(shù)據(jù)，控制無功補償裝置自動投切，監(jiān)測配變的電能質(zhì)量，集中抄收臺區(qū)用戶的電能表，并對上述數(shù)據(jù)進行初步的統(tǒng)計、存儲。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸層主要由中國移動的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)組成。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、穩(wěn)定、可靠、運行費用低等特點，特別適合農(nóng)村電網(wǎng)監(jiān)測點分散這一特征，是目前理想的數(shù)據(jù)傳輸通道。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲層和系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、展示層主要由安裝在電力公司的數(shù)據(jù)前置機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和 WEB服務(wù)器以及相應的軟件系統(tǒng)組成。主要采集和管理公用配變、居民用戶表計；監(jiān)測配變運行工況；自動控制電容器投切實現(xiàn)無功補償，管理無功補償設(shè)備；提供電能質(zhì)量監(jiān)測、分析、統(tǒng)計；為居民抄表數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道，與營銷等系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；可以進行配變負荷預測、臺區(qū)線損分析；可以進行防竊電分析；可以作為供電企業(yè)規(guī)劃設(shè)計、業(yè)擴報裝、新用戶接火、系統(tǒng)增容、變壓器布點選擇等等日常規(guī)劃工作依據(jù)，進而從技術(shù)和管理的角度提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性，全面提高供電企業(yè)的管理水平和服務(wù)質(zhì)量。

系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體拓撲圖

3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要實現(xiàn)配變運行數(shù)據(jù)采集，無功補償數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸，控制電容器投切，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，事件告警處理，時鐘對時，報表查詢統(tǒng)計，系統(tǒng)權(quán)限管理，無功補償設(shè)備管理，數(shù)據(jù)召測以及WEB發(fā)布功能。

（1）配變運行數(shù)據(jù)采集

主要采集配變的運行數(shù)據(jù)：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，配變負載率、配變損耗。

配變電能量數(shù)據(jù)：配變總有功、無功電量數(shù)據(jù)，尖峰、平、谷、有功無功電量，臺區(qū)用戶表電量數(shù)據(jù)。

配變電能質(zhì)量數(shù)據(jù)：電壓合格率，三相電壓、電流諧波畸變率，三相電壓、電流2～19次諧波含有率，三相電壓、電流不平衡度，供電可靠率。

（2）無功補償數(shù)據(jù)采集

主要采集電容器投切記錄，記錄電容器投切時間、投切前后電壓和無功的情況；每組電容器日動作次數(shù)，總動作次數(shù)，每組電容器投運時間、投運率。

（3）數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)主站與現(xiàn)場裝置通信實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、遠程遙控、遠程程序更新；系統(tǒng)與營銷系統(tǒng)交互臺區(qū)電能表數(shù)據(jù)；系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間交互信息。

（4）數(shù)據(jù)分析、處理

曲線分析：提供配變歷史曲線分析功能，顯示配變?nèi)?、月負荷，電量變化趨勢曲線。電能質(zhì)量變化趨勢曲線。

計算、統(tǒng)計分析：統(tǒng)計分析出配變運行數(shù)據(jù)的日、月、年最大值最小值及出現(xiàn)時間。分析臺區(qū)線損，線路線損；統(tǒng)計配變電壓合格率和供電可靠率；統(tǒng)計配變功率因數(shù)合格率；統(tǒng)計并分析無功補償裝置的投運率、電容器投運率；統(tǒng)計無功補償效益；統(tǒng)計并分析電容器是否失效。

事件告警：電壓、電流越限告警，配變過載報警，配變?nèi)毕?、停電、三相不平衡、諧波畸變超標等告警。

（5）系統(tǒng)應用功能

無功補償裝置集中管理功能：統(tǒng)一整定系統(tǒng)管理范圍內(nèi)的無功補償裝置的現(xiàn)場參數(shù)。

報表生成：能夠自動生成配變?nèi)粘９芾硭璧母鞣N日、月、年報表。

需求側(cè)管理和服務(wù)支持功能：負荷分析和預測、配變信息查詢服務(wù)、執(zhí)行有序用電方案、電能質(zhì)量在線監(jiān)測。

電力營銷管理技術(shù)支持功能：遠程抄表、電能表運行狀況在線監(jiān)測；負荷和電能量數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計分析、線損分析；

4 工程應用分析

系統(tǒng)于2006年開始在某供電公司進行試點運行，歷經(jīng)一年的現(xiàn)場施工和系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試。于 2007年系統(tǒng)投入試運行，共接入13條線路120臺公用配變和無功補償裝置。系統(tǒng)在以下幾個方面發(fā)揮了作用。

（1）降低10kV線損

通過對120臺配變監(jiān)測儀和無功補償控制器現(xiàn)場調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了大量無功補償裝置由于接線錯誤、極性接反、相序錯誤而導致無功補償無法投運，并糾正以上錯誤。按照無功就地平衡原則，重新設(shè)置了無功補償控制的電壓無功參數(shù)，保證了無功補償裝置正確按照無功需量來自動投切電容器組。系統(tǒng)根據(jù)采集到的電容器投切記錄，無功限值，配變運行參數(shù)，自動判斷每一臺無功補償裝置是否正常運行，投切是否合理。根據(jù)每組電容器的投切次數(shù)和投運時間，合理安排了電容器和投切開關(guān)的檢修維護時間，確保無功補償設(shè)備的利用率。通過對電容器投切前后電壓、無功功率的變化量，結(jié)合電容器的額定容量，系統(tǒng)自動判定電容器是否失效，并給出相應的數(shù)據(jù)報表，及時更換失效的電容器組。通過對120套無功補償裝置的在線監(jiān)測管理，及時發(fā)現(xiàn)了60多組故障電容器組。

系統(tǒng)于2008年3月選取了一條10kV線路作為無功補償前后線損率比較實驗，線路總長 8.4km，公用配變25臺，總?cè)萘繛?600kVA，無功補償裝置20臺，補償容量為600kvar，專用變32臺，總?cè)萘繛?800kVA。通過系統(tǒng)下發(fā)無功補償參數(shù)，停止了無功補償控制器的自動投切，連續(xù)運行了一天，線路首端每天電量為45288kW·h，功率因數(shù)為 0.87。將無功補償裝置恢復成自動投切狀態(tài)，選取了供電量相近的一天，線路首端電量為 45189kW·h，功率因數(shù)0.93，總計節(jié)約無功電量4785kvarh。根據(jù)每套無功補償裝置的無功補償電量和配變到線路首端的等效電阻，計算得出由于無功補償降低 10kV線路損耗約2490kW·h，按照0.45元/kW·h計算，每天節(jié)約電費1120元，一年將近節(jié)約40萬元。

通過系統(tǒng)對無功補償裝置的管理和維護，提高無功補償設(shè)備的利用率，可以降低10kV線路損耗。

（2）提高用戶的電能質(zhì)量和用電可靠性

系統(tǒng)采集了配變的運行參數(shù)，通過分析和處理每臺配變的電壓合格率，日電壓曲線，結(jié)合每個臺區(qū)低壓供電半徑并統(tǒng)計不同負荷水平下低壓末端的電壓合格率。系統(tǒng)計算出每臺配變在不同負荷水平的分頭位置，指導運行人員在負荷水平變化轉(zhuǎn)換時期及時調(diào)整分頭位置。提高了整個臺區(qū)的 供電電壓合格率。

系統(tǒng)采集配變的三相電流和零序電流，計算出每天電流三相不平衡度曲線，并設(shè)定三相電流不平衡度限值，超過限值的配變，安排運行人員根據(jù)每相負載情況，調(diào)整三相負載，使三相電流不平衡盡量減少。目前限值整定在 45%，已調(diào)整了配變 40多臺，調(diào)整后配變?nèi)嗖黄胶舛冉档?，零序電流減少，提高了系統(tǒng)供電安全性，并減低了低壓臺區(qū)的線損。

系統(tǒng)根據(jù)實時監(jiān)測到配變電流值，判斷配變是否過載，當配變連續(xù)過載超過整定的時間，系統(tǒng)通過短信息和報警提示畫面，向有關(guān)的運行人員發(fā)出告警。系統(tǒng)在 2008年夏季用電高峰時期，發(fā)現(xiàn)了10臺配變60多次的過載情況。運行人員根據(jù)系統(tǒng)提供的配變歷史負荷曲線，及時對其中6臺配變進行了增容和轉(zhuǎn)移負荷。提高了用戶供電可靠性，也為配變增容和系統(tǒng)規(guī)劃提供了有效的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)統(tǒng)計每臺配變的負載率，也發(fā)現(xiàn)了不少“大馬拉小車”的配變。通過系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，避免了盲目增容。進一步提高配變經(jīng)濟運行，降低網(wǎng)損。

當前農(nóng)村電網(wǎng)諧波污染源逐漸增多，農(nóng)村電網(wǎng)負載變化較大，而且國內(nèi)沒有相應的政策來約束用電設(shè)備的諧波發(fā)射水平，造成農(nóng)網(wǎng)諧波大幅上升。由于大部分無功補償裝置未考慮電容器投切引起的諧波放大現(xiàn)象，導致電容器受損嚴重，降低了網(wǎng)絡(luò)的無功補償水平。系統(tǒng)通過對配變諧波的監(jiān)測，在無功補償投切電容器時，增加了諧波約束條件。一方面提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面保護了無功補償設(shè)備，避免諧波放大而影響其他用戶。

（3）降低系統(tǒng)的建設(shè)和運營成本

為了提高農(nóng)網(wǎng)的經(jīng)營管理水平，及時收取電費，準確統(tǒng)計網(wǎng)損。國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)開展了臺區(qū)集中抄表系統(tǒng)建設(shè)的試點，臺區(qū)除了安裝配變監(jiān)測及無功補償控制儀表以外，還需要安裝載波集中器，臺區(qū)三相多功能電能表，載波集中器與營銷系統(tǒng)之間通過GPRS信道傳輸電能數(shù)據(jù)。為了降低臺區(qū)建設(shè)成本，充分利用數(shù)據(jù)傳輸通道，系統(tǒng)在臺區(qū)的配變監(jiān)測及無功補償控制儀表的基礎(chǔ)上，將集中抄表和三相電能表計量功能集成到一臺綜合測控儀表當中，通過GPRS統(tǒng)一將配變監(jiān)測，無功補償，電能數(shù)據(jù)上傳至供電公司的系統(tǒng)中。系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程集中抄表，并將電能信息轉(zhuǎn)發(fā)至營銷管理系統(tǒng)；利用臺區(qū)總表和用戶表的電能數(shù)據(jù)，可以準確計算出臺區(qū)線損。

5 結(jié)論

系統(tǒng)提高了農(nóng)村電網(wǎng)的管理水平，提高了無功補償裝置的利用率，降低了網(wǎng)損，提高了用戶的電能質(zhì)量，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟效益和社會效益，系統(tǒng)數(shù)據(jù)也為農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、電力設(shè)備選型提供了科學的依據(jù)。系統(tǒng)集成農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)變眾多功能，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本，減少了設(shè)備維護量。

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