陈鼎1 杨明臻2
1. 国网嘉兴供电公司，浙江嘉兴314100；2. 武汉大学 电气与自动化学院 湖北省 武汉市 430000
摘要：随着社会经济的发展，单相负荷在低压配电网中所占的比例越来越大，低压配电网的三相不平衡问题越来越突出，而三相负荷平衡是安全供电的基础。低压配电系统中，已有的无功补偿设备存在维修更换难、损坏情况不能及时汇总、投运率低的情况，没有在线检修功能。为了解决以上问题，本文提出了一种基于物联网的模块化无功平衡补偿装置，能够提高无功补偿设备的器件级物联网能力，实现设备的状态检修，大大降低设备巡检的强度，其结构非常方便更换，大大降低维护维修的技术难度、劳动强度。其前景可观，优势明显，符合国家产业政策发展的方向，有产生良好的经济效益和社会效益的基础。
关键词：电能质量；三相不平衡；低压配电网；无功补偿；物联网；无功平衡补偿装置
1 引言
随着国民经济和科学技术的蓬勃发展冶金、化学等现代化大工业和电气化铁路的发展，尤其是计算机﹑现代控制理论﹑精密测量技术的应用，使得敏感电力负荷所占比重日益增大，社会对电能质量的要求越来越高。而社会电气化程度提高，现代电力电子设备等非线性负荷大量使用，不断恶化电能质量。电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷(硅整流设备、电解设备、电力机车)以及冲击性、波动性负荷(电弧炉、轧钢机、电力机车运行)使得电网发生波形畸变(谐波)、电压波动、闪变、三相不平衡，非对称性(负序)和负荷波动性日趋严重[1]。
电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生活质量。所以在世界各国都十分重视电能质量的管理。然而，迄今为止，电能质量的定义还不是十分统一、准确。CIRED组织第16届轮值主席Connerottle先生在CIRED KL2002大会的专题发言中，把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要技术问题，在2008年的第四届国际电能质量研讨会上，也把电能质量监测、分析和综合评估技术与方法列为主要议题之一。
三相不平衡问题是电能质量问题之一[2-4]，并且随着通信和电力电子等高新技术的发展和应用，使电力网络三相不平衡的原因更加复杂化，特别是低压配电网三相不平衡普遍存在。三相负荷平衡是安全供电的基础。三相负荷不平衡，轻则降低线路和配电变压器的供电效率，线路压降、功率损失就会大大增加；重则造成用户电灯不亮、电器不能启动或效能降低，甚至造成用户电器损坏、导线烧断、开关烧坏甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。
为了改善电能质量问题，需要用到无功补偿设备。目前400V系统的补偿主要分为两部分，分别为用户自配的无功补偿和公用变的无功补偿设备。原有的补偿设备设计制造均比较简单，其配件选型通常并不满足实际需求，也不具备远方物联网能力。同时，维修更换器件非常困难，特别是柱上安装的台区变补偿箱，损坏的情况不能及时汇总，再加上没有专业的巡检人员，维修更换器件困难，造成低压补偿设备的投运率很低、投运率不到40%。
早期的无功补偿装置是手动投入并联电容器固定式补偿；90年代逐步采用控制器、电容器、热继电器、接触器型式的自动投切补偿；2000年后随着配电管理需求的提高，逐步采用了配电监测控制器、复合开关、电容器、小型断路器组合形式的补偿装置；2005年来，随着智能电容器的开发，逐渐有采用了配电监测控制器、智能电容器组合形式的补偿装置。但三相不平衡的问题的矫正问题至今未能得到解决，且电容器等器件损坏后的更换非常麻烦，大部分产品没有在线检修功能。以上问题的存在，为基于物联网的模块化无功平衡补偿装置的研发垫定了市场技术需求的基础。
将来低压补偿装置的发展趋势是：（1）能适应设备和器件运行状态在线检修的需求；（2）能提供快速检修、维护的技术手段和实践能力；（3）解决电压和无功的就地平衡、末端低电压的问题，同时具有技术解决有功平衡问题；（4）解决谐波二次污染问题、或抑制谐波放大问题；（5）针对大工业用户，低压电大容量补偿装置的集成技术是关键，对节能减排具有重要意义。
本文所研究的基于物联网的模块化无功平衡补偿装置能够提高无功补偿设备的器件级物联网能力，实现低压补偿设备的状态检修，大大降低设备巡检的强度，为服务外包提供了技术支持平台；为降低配电网线损提供新的技术措施；组合式补偿单元采用标准化设计、插拔式结构非常方便更换，大大降低维护维修的技术难度、劳动强度。
基于物联网的模块化无功平衡补偿装置主要用于户外城网/农网台变低压侧的无功功率补偿，也适用于住宅小区、商业场所、焊机群、医疗、科研、油煤田、石化及其它公用设施。进一步可以推广到大型不平衡负荷的设备上应用，如电弧炉等。其前景可观，优势明显，符合国家产业政策发展的方向，有产生良好的经济效益和社会效益的基础。
2 基本原理和实践依据
本章将对基于物联网的模块化无功平衡补偿装置研究的基本原理、实践依据、技术关键及其难点进行阐述。
2.1 理论依据
无功补偿设备经过几十年的发展，其基本原理已经非常成熟[5-7]。本研究基于原有基本原理和规程上开展在线器件级运行状态监视、快速维护检修、三相平衡化技术的研究开发。
基于现代电子技术、测量技术实时监测补偿装置各主要器件的电气参数、开关状态，结合实践经验判断其运行状态，并通过远程通讯技术将结果上传到管理平台。
结合当前低压补偿装置体积庞大和笨重、器件多、安装维修不方便的结构模式，基于移开式开关柜和接插件型式研制高集成化的组合式电容器单元（包括控制器、电气量与非电气量监测器、熔丝﹑投切开关﹑电容器、热继电器﹑指示灯、动触头）。
基于斯坦梅茨(C.P.Steinmetz)原理，把负荷用导纳模型按向量分析，不对称的三相负荷电流可分解为正序、负序和零序三组分量，利用负荷中的感性无功虚拟为电抗器元件，通过在变压器低压侧各相与相之间及各相与零线之间各自恰当地接入单相电力电容器的方法，构成不对称补偿网络，从而实现消除掉变压器电流中的负序和零序分量，使各相输出的有功电流达到平衡，同时无功电流被补偿，而负荷本身的有功电流保持不变。
2.2 实践依据
近几年低压无功补偿中发现了很多应用方面的问题，这些为基于物联网的模块化无功平衡补偿装置的研发提供了宝贵的经验和市场技术需求。
本文所研究的基于物联网的模块化无功平衡补偿装置的主要依据为：
DL/T375 户外配电箱通用技术条件
DL/T842 低压并联电容器装置使用技术条件
DL/T 645 多功能电能表通信协议
DL/T 597 低压无功补偿控制器使用技术条件
Q/GDW614 农网智能型低压配电箱功能规范和技术条件
Q/GDW-11-124 低压无功补偿装置用半导体机械一体化开关技术条件
Q/GDW-11-099 公用配变监控终端技术规范
Q/GDW-11-143 电能信息采集与管理系统通信协议(配变终端部分)
GB/T 22582 电力电容器 低压功率因数补偿装置
GB14048.3 低压开关设备和控制设备 第3部分:开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器
GB7251.5 低压成套开关设备和控制设备 第5部分：对户外公共场所的成套设备的特殊要求
2.3 技术关键与难点
（1）组合式电容器单元的结构。组合式电容器单元采用开口式触头连接，安装时无需接线，通过导轨直接推入式安装，该开口式触头直接卡住电容器专用端子，不会因为端子接触不好，烧毁电器元件，为补偿装置提供了更安全可靠的运行。其关键点是触头联接具有足够的压紧力、低弹性疲劳、低接触电阻；具有稳定的进出导向机构和简便的锁定机构。
（2）物联网应用技术方面的研究开发。在物联网应用技术方面的研究开发，其主要研究方向为物联网系统集成方向，该核心技术涉及以下几个方面、RFID技术、无线组网、嵌入式技术、计算机网络、通信技术、云计算、WEB数据库设计与应用，单片机与接口技术、自动检测与传感技术等。基于物联网的模块化无功平衡补偿装置具有实时在线监测：基于现代电子技术、测量技术实时监测补偿装置各主要器件的电气参数包括谐波、开关状态，结合实践经验判断其运行状态，并通过远程通讯技术将结果上传到管理平台。模块化无功平衡补偿装置采用物联网技术向设备管理者实时快速提醒模块化无功平衡补偿装置运行故障并提供准确的故障点：项目研究基于无功补偿原理和规程开展在线器件实时运行状态监视、同时采用物联网监测技术向设备管理者实时快速提醒模块化无功平衡补偿装置运行故障并提供准确的故障点，以便及时安排对设备的维护检修。
（3）无功平衡补偿技术。基于物联网的模块化无功平衡补偿装置具有无功平衡补偿技术：基于斯坦梅茨(C.P.Steinmetz)原理，把负荷用导纳模型按向量分析，不对称的三相负荷电流可分解为正序、负序和零序三组分量，利用负荷中的感性无功虚拟为电抗器元件，通过在变压器低压侧各相与相之间及各相与零线之间各自恰当地接入单相电力电容器的方法，构成不对称补偿网络，从而实现消除掉变压器电流中的负序和零序分量，使各相输出的有功电流达到平衡，同时无功电流被补偿，而负荷本身的有功电流却保持不变。
（4）嵌入投切开关模块。组合式电容器单元内置投切开关模块。投切开关模块由磁保持继电器、过零触发导通电路和保护电路构成，实现电容器“过零投切”，保障投切过程无涌流冲击，无操作过电压。开关模块动作响应速度快，可频繁操作。
3 基于物联网的模块化无功平衡补偿装置研究内容
3.1 基于物联网的模块化无功平衡补偿装置实验室的建设
研究并确定建设方案，包括实验室的规模、需要配置的设备，所具备的试验、检测等功能。实验室规模可根据实际需求按照典型三相不平衡环境设计，配置主要常用设备，设备数量少，但涉及全面，能够检测出基于物联网的模块化无功平衡补偿装置在三相不平衡环境中所起的作用以及存在的问题。建成的实验室具备后期基于物联网的模块化无功平衡补偿装置成批生产提供质量检测功能。
3.2 器件模块化
采用组合式电容器单元的结构，解决了维修时更换电容器难的问题，原来的安装方式是采用导线用螺丝紧固的方式连接，经过运输或者长期投运后，螺丝上发热引起烧毁电器元件。或者多年投运后，电容器寿命到了，更换困难等问题。采用开口式触头连接安装方式，无需接线，直接推入安装，更换的时候，直接取出更换，可以带电操作。触头联接具有足够的压紧力、低弹性疲劳、低接触电阻；具有稳定的进出导向和简便的固定机构。
3.3 实时在线监测
RS-485智能网络通讯（解决了常规功率因数控制器易损坏的问题） 目前市场上的功率因数控制器品种繁多，价格差距很大，从200元到3000元不等，质量差距也很大。若控制器出现问题则整个系统将面临瘫痪。在电力系统中，因为控制器损坏而导致整个系统退出运行的案例很多。取消功率因数控制器这个环节，采用智能网络技术，构建485通讯网络，多台电容器并联使用，自动生成一个网络，其中一个为主机，其余则为从机，构成低压无功自动控制系统。个别从机故障自动退出，不影响其余工作；主机故障自动退出，在其余从机中产生一个新的主机，组成一个新的系统。并能实时记录数据，通过远程通讯技术将结果上传到管理平台。
3.4 无功平衡补偿技术
混合补偿（解决了三相不平衡状态下的无功补偿问题）。民用生活、机关单位办公用电往往三相不平衡，中性线上电流偏大，三相功率因数不等，无法正确补偿。如果按照某一相功率因数为标准进行三相补偿，其他两相很有可能出现过补/欠补现象。采用混合补偿方案，即三相补偿与单相单线补偿结合。
3.5 过零投切技术
目前无功补偿方式是采用交流接触器投切，投电容器的时候容易产生涌流，对电容器、对电网都有冲击；切电容器的时候，交流接触器断弧，导致如下结果：（1）电容器频繁受到冲击，容量衰减，寿命降低； （2）熔断器容易击穿；（3）交流接触器容易损坏。
因为涌流大，熔断器容易被击穿，部分开关厂改用微型断路器。虽然方便了，但是存在隐患，因为微型断路器的开断能力只有4000A～6000A，如果发生相间短路，触点就会粘联，不能断开控制回路，失去保护作用，严重的时候能够导致越级跳闸，扩大故障面。
解决方案可采用微电子技术，利用CPU对电压、电流的正弦波进行交流采样，根据功率因数的变化，当需要增加无功的时候，在电压过零点投入电容器；当需要减少无功的时候，在电流过零点切除电容器。“过零投切”技术减少了浪涌电流，解决了以上问题。
4 结论
本文提出的一种基于物联网的模块化无功平衡补偿装置涉及理论研究内容同时又有大量的软件开发与试验内容，理论研究内容主要为基于物联网的模块化无功平衡补偿装置实验室的建设、器件模块化、实时在线监测、无功平衡补偿技术以及过零投切技术等。
基于物联网的模块化无功平衡补偿装置集合现代测控、电力电子、网络通讯、自动化控制、三相不平衡负荷人矫正技术以及现代电力电容器制造等先进技术。改变了传统无功补偿装置落后的控制器技术和落后的机械式接触器或机电一体化开关作为投切电容器的投切技术，改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重、安装维修不方便的结构模式。从而使新一代低压无功补偿设备具有补偿效果更好，体积更小，功耗更低，价格更廉，节约成本更多，使用更加灵活，维护更加方便，使用寿命更长，可靠性更高的特点，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。
参考文献：
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