无功补偿自控方案在电力设计中的应用比较

摘要：随着社会经济的发展与科学技术的进步，我国的电气自动化技术正发生着质的变化，电气自动化技术在诸多领域都发挥着至关重要的作用。比如说，高铁的牵引系统、变电站等。但是在电气自动化技术应用发展的过程中，存在着一系列问题，例如，单相电力牵引所引起的负荷变化问题，这不仅在很大程度上导致了电力系统无功功率的上升，而且还增加了电力系统的负荷。这些问题在很大程度上降低了电力系统的经济效益以及电力资源的利用效率。无功补偿技术在电气自动化发展过程中的应用，不仅可以稳固电力系统中的无功功率，而且可以增加电力系统的安全性，减少电力企业的经济损失，通过本文无功补偿自控方案在电力设计中的应用比较的相关分析，希望能够为电力设计工作尽一份心，出一份力。

关键词：电力设计；无功补偿；自动方案；应用

中图分类号： F407 文献标识码： A

一、关于无功补偿的论述

无功补偿的方式主要是通过并联电容器，提高功率因数，降低功率损耗，保证供电质量。 尤其是在当输电距离较长时， 必须要进一步提升输电能力，实现三相有功功率与无功功率之间的平衡。

由于所采用的补偿方式是不尽相同的， 因而可以大致把无功补偿有效的划分成三大类，也就是就地补偿、分散补偿以及集中补偿。 其中，一般设置集中补偿于地方变电所或者企业的 6~35kV 的母线当中， 而通常补偿装置具体包括以下几方面，例如：并联电容器、静止补偿器以及同步调相机等，而这些装置的根本目的是为进一步将电网功率因数予以改变和补偿无功损耗等。 但是，通常分散补偿装置在村镇的高低压母线亦或是功率因数较低的车间当中设置， 该方式与集中补偿方式有着一定的相似点，但其无功容量却非常之小。

分散补偿装置所采用的主要为 10kV 的并联户外型电容器，并且将其设置到架空线路杆塔当中，切实提高输电网的功率因数，最终达到电能损耗的目的。 由于此补偿方式有很多的优势，如：投资小、效率高、维护简单等，常将连接其到功率因数低，同时负荷偏大的长距离输电线当中。 除此之外，就地补偿方式主要安设到异步电动机或者是电感性设备周围， 这样一来，不仅能够提升电网功率因数，而且又能提高设备供电电压的质量。 然而，在国家已经颁布和实施的《供电系统设计规范》中明确指出：在建筑物中，应该分散设置低压电容器。 因此，当将电动机安装到企业或者是厂矿中时，必须要进行就地无功补偿。

另外，结合不同的补偿控制方式，我们又可以划分为多种，如：电子式、单片机控制、PLC 控制式等。 因此，在电力设计过程中， 必须要确保所选的无功补偿自动控制方案科学、合理。 这对保证供电可靠性、减少电能损耗等具有十分重要的意义。

二、无功补偿技术的特点

1、感性无功技术。电网有不少电力设备都是借助于电磁感应的原理来运行的，比如说，发电机组是线圈，也就是发电转子在强磁场运动切割磁感线而出现交流电，变压器也是经电磁互感而让电压出现变化，进而把电压传输到距离较远的方向，最终达到减少在输送过程中电力消耗的目标。电动机在电磁场中注人了电流，通电线圈在磁场中在力的促进下运动起来了，变压器和电动机都是在强磁场的作用下出现电磁互感进而完成电和电磁之间互相转化的，在这转化的同时会出现一个突变的磁场。电力设备在一个电磁相互转换的周期内，所释放的功率和所吸收的功率一致并且毫无电力的损耗与流失，在这里无法出现变化的功率就成感性无功功率。

2、电力设备在设计的进程中具有特定的阻抗和容抗的电感器和电容器，用于剔除掉若干独自出现的谐波。这一设备在设计的时候要求具备相应的技术水准，以便于提升设备的功率，无功补偿技术在这一环节的研究开发为今后技术的革新提供了先导。电气自动化的跨越式进步给今后的发展夯实了基础，而社会、经济的持续进步也同样遭遇到了源于电力发展的制约，制约电力继续发展的关键性因素就是电能损失、消耗与电力输送等难题，短时间内的电力匾乏已逐步成为电力设备顺畅运行和电力维持自身安全性能要解决的重大难题，特别在机器设备的起步发动时期，极大地增加了电力短暂性能的需求，也不利于电力系统平稳、健康的发展。无功补偿技术便给短期内的电力问题根供了强有力的技术支撑，并且能够妥善解决这些问题。

3、无功补偿技术用通俗的语言来解释便是无功电压管控服务技术，具体指发电机组向着电网灌注了无功率，用于确保电力系统合理、有序、统一的运行，也随即让连接点里面的电压起伏在规定的波动幅度以内，使之能有比较优良的管理、操控电力系统的技术。若电力系统发生紧急故障时，为避免区域内的电力系统陷于窘境，可以第一时间展开无功援助。亦即无功补偿技术确实是当电力系统平稳运行时汲取适量的无功功率，当电力系统产生缺陷时用来确保电力系统运行的一类当代电力保护性技术。

三、无功补偿自控方案设计的分类

3.1 电子式

电子式自动补偿控制方案设计是由多个分立元件构成的，如图 1 所示。 而由分立元件所构成的自动控制系统主要涉及到以下几部分，如：相位、电流检测单元、无功运算、电容器、投切单元等。 但是，此种补偿控制方案存在着很多的缺点，如：元件多、体积大、线路维修十分复杂、使用周期短等。 此外，有些企业因不能及时修复设备，只是进行手动控制。

图1 电子式自动补偿控制方案

3.2 单片机控制技术

图 2 所示的是基于单片机 ATmega16 控制技术的自控无功方案。 通常而言，该系统的构成涉及到诸多模块，比如键盘控制模块、信号调理模块、显示模块以及控制补偿模块等。 由于其具备单时周期执行指令时间和先进指令集， 因而 AT-mega16 为 1MIPS/MHz 的数据吞吐率，这样便可以将系统在处理速度与功率消耗等方面的矛盾解决。 另外， 在单片机 AT-mega16 的内核中，有着非常丰富的指令 ，而且还有着 32 个工作寄存器，同时这些逻辑运算单元以及寄存器相互连接，进而使得指令可以在一个时钟周期同时访问两个不同的寄存器。该结构装置可以促进代码效率的大幅度提升， 并且与普通CTSC 微控制器相比，数据吞吐率更高。

图 2 基于 ATmega16 单片机控制技术的无功自控方案

AVR 的信号处理过程主要为：①由 A/D 转换器对所属出的信号予以采样； ②在把所采集的信号通过 FFT 算法予以有效处理；③检查与判断电压为过压还是为欠压，电流是否为负值等；④结合结果判定是否需要把电容器予以切除。该系统的设计基本上均是模块化的设计， 具体涉及到四大变成模块，也就是显示及键盘模块、数据采集模块、电容器投切模块以及电网参数计算模块。 借助于修改程序，来实现系统的连接与调试。

现阶段，我们经常所采取的矿用 WBB 隔爆型自动补充无功装置是核心为单片机的控制器， 用来检测整个电力系统的电流、电压以及无功功率等，以有助于补偿无功功率。 装置中所配备的显示模块则能够将电容器投切状态、无功功率、负载电流和功率因数显示出来。

此外，图 3 所示是基于 ADμc812 的单片机的智能无功补偿控制系统。 此系统的结构具有很多的优势，如：结构设计简单、造价比较低、稳定性较好等。 而最为常用的芯片包含以下几种，如：ADμc812、8255、ADM202。 投切控制元件一般常使用大功率过零型固态继电器 SSR， 因此元器件封装具有零触发模块，因此，在工作时，并不需要由 CUP 进行控制，这样一来，不仅可以更好的满足补偿电容无冲击电流的投切要求， 而且又可以克服以往的执行元器件带来控制十分复杂且极易出现误动作的问题，进而可以从根本上提高系统运行的稳定性。 而此系统的主要工作原理为：当控制器在进行上电初始化之后，便会将 INTO 中断予以打开，而在相电压过零后，其过零检测模块会出现中断触发脉冲下降沿， 这样系统变开始进入到中断系统当中。

图3 基于 ADμc812 单片机智能无功补偿控制系统

3.3 PLC 控制技术

如图 4 所示为基于 PLC 控制技术的无功补偿自控方案。此设计方案依然使用相角检测电路、 输出电路以及稳压电源等。 但是，硬件电路控制功能的实现都是基于 PLC 基础上的，如：可逆计数器、译码器以及清零电路等。 因相角检测电路所输出的信号非常弱，因此，难以促进 PLC 输入，因此，必须将此信号予以放大处理后，才可以当作 PLC 的输入信号。结合具体的控制需求，通过 PLC 软件进行控制。 但是，因 PLC 输出点容量大小的限制，因此，还需要将中间继电器予以加入，将其当作输出电路。

图 4 基于PLC控制技术的无功补偿自控方案

图 5 为系统的控制程序流程图。 借助于两种形式的有机结合，即结构化设计与模块化设计的结合，来使层次变得更为鲜明有序，这样不仅能够使检测模块随时采集相角信息，并且与所给定的参数进行比较，进而将与要求不相符的内容找出，需要将补偿电容器予以切除， 确保电网系统功率因素满足规范设计要求。

图 5 PLC系统的控制程序流程图。

图 6 是 S7-200 西门子 PLC 应用在无功补偿中的方案。通过日历以及 PLC 系统时钟将投切工作完成。 当发现单元模块亦或是检测电路中所存在的故障后，按照具体的时间设定，来将自动投切动作完成。 而对于检测、设定以及保护电路时，借助软件编程减少误动作出现。 若 PLC 出现故障时， 软件依然可以中止输出，减少误动作产生。

图 6 西门子 S7-200PLC 在无功补偿系统中的应用方案

四、对多种无功补偿自控方案分析与比较

在经过以上分析之后，我们得出：不同的自动补偿控制都有一定的缺点。 其中，电子式自动补偿控制方案的响应速度是非常满的，而且线路设计十分的复杂。 而对于单片机控制技术的自控补偿方案来说，系统的抗干扰性又非常差，特别是难以保证中、高压无功补偿稳定性。 除此之外，越高的电压等级， 其辐射范围出现故障的影响范围就会越大。 但是， 基于 PLC 技术的自动补偿方案设计却有很多的优势，如：可扩展的范围大、可靠性极强、抗干扰能力好、维护便捷等。 因此，它便成为电力系统和成套无功补偿装置的首个设计方案。

五、结束语

总体来说， 只有在电力设计中选择优化的无功补偿设计方案，才有可能降低电网功率因数、减少电能损耗，可以说，这对今后电网建设有着十分重要的现实意义。 通过本文分析和比较，我们只需要抓住关键的技术指标，如：可靠性、经济性、安全性等，进而再对电力系统的无功补偿方案实施予以深入的研究， 从而为今后电力系统设计提供更多有价值的参考。 因此，在电力设计过程中，必须要确保所选的无功补偿自动控制方案科学、合理。 这对供电可靠性、减少电能损耗等具有十分重要的意义。本文作者结合自身多年实践经验，对无功补偿进行了概述，并对其技术特点进行了简述，同时针对各自方案性能以及结构设计特点予以分析和比较，从而为今后电力设计提供更多有价值的借鉴， 为电力企业发展来更大的经济效益与社会效益。

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