基于配电自动化的配网分布式无功补偿装置及控制系统开发应用

基于配电自动化的配网分布式无功补偿装置及控制系统开发应用

徐艺

国网浙江省电力有限公司衢州供电公司 浙江省衢州市 324000

摘要：在国家新基建及能源互联网的发展下，分布式电源等将大量接入配电网，用电负荷峰谷大、多元化、电力电子化特征将更加显著，对配电网电能质量调节能力和负荷控制能力要求越来越高，给配电网电能质量和节能降损工作带来巨大挑战。本文通过开发分布式无功补偿装置及控制优化系统，根据配电自动化系统10kV配网拓扑结构和线路参数以及获取的负载的实时负荷数据对各个无功功率源的出力通过“基于AI技术的分布式优化控制策略”进行全局协调最优控制，以达到配网电压约束（合格）的前提下10kV配电网总损耗最小的目标，同时提升线路的电压质量。

关键词：配电自动化；分布式；无功补偿；应用

一 引言

提升供电质量、降损增效是能源互联网形态下配电网建设的核心内容之一。在国家新基建及能源互联网的发展下，分布式电源等将大量接入配电网，能源互联网形态下配电网用电负荷峰谷大、多元化、电力电子化特征将更加显著，对配电网电能质量调节能力和负荷控制能力要求越来越高，给浙江高弹性配电网电能质量和节能降损工作带来巨大挑战。而配电网建设相对输电网较为滞后，其网架薄弱，设施老化，导线型号多且不规范，线路较长且线径偏小，配电变压器数量多，甚至较多线路带有多台大容量的电动机或快速变化的工业负荷，往往导致线路末端电压波动严重、线路损耗大。据统计，衢州10kV配网线损率为2.4%~2.6%，高于全省平均水平，若在线路串供方式下，供电半径进一步加大，重损、低电压问题更加突出。另外，近年来随着大量的分布式光伏接入10kV配电网，在日照强、负荷轻的情况下还出现了高电压问题，部分10kV配电线路有较多小水电站分布，在丰水期季节，也经常出现高电压问题。因此提高10kV配电网的电压质量、降低线路损耗是今后加强配网建设所迫切需求。

二 总体架构

整个系统由分散安装在10kV配电网内的多个并联电容器智能补偿装置、串联电容器智能补偿装置、光伏电站、带SVG的公用配变和配变电容无功补偿设备、以及一个协调优化控制工作站构成。所有的无功功率源通过新一代配电自动化系统和协调优化控制工作站通过先进的5G通信技术交互信息。协调优化控制工作站从配电自动化系统获取10kV配电系统的拓扑结构和线路参数，10kV母线电压、10kV出线的电流、有功功率、无功功率等实时负荷数据，配变电容无功补偿器等参数和实时数据。并联电容器智能补偿装置和串联电容器智能补偿装置的布点和容量根据10kV配电网的线路参数和负载参数经优化算法优化后确定。

在运行过程中协调优化控制工作站根据10kV配网拓扑结构和线路参数以及获取的负载的实时负荷数据对各个无功功率源的出力通过“基于AI技术的分布式优化控制策略”进行全局协调最优控制，以达到配网电压约束（合格）的前提下10kV配电网总损耗最小的目标，并提升线路电压质量。

总体架构如下图所示：

图2-1总体架构图

三 应用概况

在配电自动化主站系统上开发配置了协调优化控制工作站，在外黄8080线等3条10千伏线路上装设了8台分布式无功补偿装置，每台分布式无功补偿装置由1套控制装置和2组0.3兆乏电容器组成，具备边缘计算与控制、谐波电流与谐波电压监测、装置实时状态与谐振监测、装置保护、无线通讯加密等功能。

协调优化控制工作站负责与分布式无功补偿装置通过无线通信技术交互信息与控制。主要功能包括模型数据读入、协调优化计算、指令处理、系统监视等。

分布式无功补偿装置主要由：电力电容器（2组0.3兆乏共计0.6兆乏，可分组投切）、交流接触器、电压电流传感器、嵌入式智能控制器（具备调节指令接收执行、电压电流采集、电容器保护、动作闭锁及动作信息上送等功能）、无线通讯模块等部分构成。根据协调优化控制工作站下发的调节指令调节无功功率出力，实现配网降损、优化电压质量的目的。

四 效果评估

（一）降损成效

以外黄8080线为例，根据电度表统计线损数据，依据用电量相近的原则选取闭环运行前后各10天实际运行数据作成效对比分析，外黄8080线线损率平均降低10.93%；通过9、10月月度线损率同比去年同期的情况，外黄8080线线损率平均降低16.79%；由此，估算外黄8080线年化节约线损电量9.3万千瓦时，年节电费5.06万元，年节省标煤19吨，减少二氧化碳排放51吨，具有良好的节能减排效果。

（二）供电质量提升成效

以外黄8080线三台装置采集电压作对比，项目闭环运行前最低电压为9.63千伏，闭环运行后最低电压9.98千伏，最低电压幅值提升0.35千伏（3.63%），电压质量提升明显。

（三）供电能力提升成效

电压提升的同时，平均功率因数由0.923提升至0.953，经计算外黄8080线有功功率输送限额提高了0.44兆瓦，同比提升6.13%，提升了设备供电效率及可再生能源的消纳能力。

六 结束语

本次单台分布式无功补偿装置建设投资（含设计、施工等）为15万元，外黄8080单线总投资45万元，年投资回报率为11.24%，8.9年可收回成本。衢州电网目前有20条线损率大于4%的重损10千伏线路需要治理，按照月均线损电量3万千瓦时以下1台、6万千瓦时以上3台装置预计，共需38台，总成本为570万元，年节电107万千瓦时，年节电费58万元，年投资回报率为10.18%，9.8年可收回成本，同时可提升衢州配网总体有功输送能力约8.68兆瓦，节约配网线路投资160万元。

根据初步统计，仅浙江电网每年约可节电3500万千瓦时，并可在全国电网广泛应用，节能减排效果愈发显著，同时能够明显改善电能质量、降低高峰电网负荷，促进电力平衡，为10千伏配电网动态无功电压全局优化提供一种很好的解决方法，并取得非常可观的经济效益，具备推广实施的良好经济性。

参考文献：

[1]许树平.主动配电网分布式无功优化控制方法[J].百科论坛电子杂志, 2019(15):1.

[2]胡珺如等.面向中低压配电网的分布式协同无功优化策略[J].电力系统自动化, 2021(45):8.

[3]曹立霞等.分布式电压无功优化控制系统的设计与应用[J].电力系统自动化, 2003(27):2.