中压配电网无功补偿装置对电力线载波通信影响分析的文献综述

中压配电网无功补偿装置对电力线载波通信影响分析的文献综述

1.课题的目的和意义

保障能源安全、应对全球气候变化是全人类所面临的重大挑战[1]。为应对这一严峻各国都把电力建设的重点放在了智能电网的研究与建设上。智能电网是使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机的电力传输与分配的网络，其目的是改善电力传送和使用的效率，提高电网的可靠性和安全性[2]。在智能电网的建设过程中，智能配电网是其研究重点，而通信技术则是实现智能配电网的基础。为了保证智能配电网的特征能够实现，其通信系统需要满足高可靠性、安全性、实时性和灵活性等条件。目前，常用的通信技术分为无线通信和有线通信两种。有线通信技术包括光纤通信、电力线载波通信 (PLC)、以太网无源光网络 (EPON)等。无线通信技术包括ZigBee、全球微波接入系统(WiMAX[3])、GPRS 等。随着电力线载波技术的革新，电力线载波通信（PLC）又成为了新的热点，在中压配电网中，PLC 可以为配电网自动化、AMI 等提供数据传输通道。配电网处于电力系统的末端[4]，具有地域分布广、电网规模大、设备种类多、网络连接多样、运行方式多变等鲜明特点。我国的配电

网规模是巨大的，用户数量和类型是多变的，为了维持电压和无功的稳定，在配电网中存在大量的无功补偿装置，所以信号在电力载波线中传递时通常会经过一个或以上的无功补偿装置，会对信号的强度或其他的方面有一定的影响。本课题就信号

通过不同无功补偿装置前后产生的差异进行研究。

2.1电力线载波通信的发展历程

电力线载波(Power Line Carrier,PLC)通信是利用高压电力线(通常指35 kV及以上电压等级)、中压电力线(指10 kV电压等级)或低压配电线(380 220 V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力线载波通信是电力系统独有的通信方式，其最大传输距离可达十几千米，系统可靠性高，且专有通道可以保证数据安全[5]。电力线载波通信中压、低压均可覆盖，适用于用户信息采集、负荷管理等业务，以及配电自动化、智能电动车充电站等扩展业务。我国中压配电网基本以10 kV 为主/ 10 kV而配电网的网络损耗最大,改造的潜力也最大。电力线载波通信技术的发展经历了从模拟到数字的发展过程。电力线载波通信技术出现于20世纪(以下,省略)20年代初期。它以电力线路为传输通道,具有可靠性高、投资少、见快、与电网建设同步等得天独厚的优点。在我国,40年代时已有日本生产的载波机在东北运行,作为长距离电力调度的通信手段。50～60年代,我国开始研制自己的ZDD-1型电力线载波机,未能实现产品化。后经不断改进,形成了具有中国特色的ZDD-5型电力线载波机。该设备为4门用户、两级调幅、具有AGC(自动增益控制)电路和音频转接接口,呼叫方式采用脉冲制式,经改进的ZDD-5A型机也能够复用远动信号。70年代,我国模拟电力线载波机技术已趋成熟,以ZDD-12、ZJ-5、ZBD-3机型为代表,在技术指标上得到了较大地提高,并成为我国应用时间最长的主流机型。我们

可将在此之前的载波机称为第一代载波机。80年代中期,电力线载波技术开始了单片

机和集成化的革命,产生了小型化、多功能的载波机,如S-2载波机等。在这一阶段,主要的技术进步为单片机自动盘代替了布线逻辑的自动盘;集成电路的调制器、压扩器、滤波器和AGC放大器代替了笨重、多故障的模拟电路;CMOS、VMOS高频大功率管在功放电路中的应用等。这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。90年代中期,以SNC-5电力线载波机为代表,在国内首次采用数字信号处理(DSP)技术,将载波机音频至中频部分的信号处理使用DSP器件来完成,实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。这类载波机可称之为数字化电力线载波机,划为第三代。90年代末期,采用新西兰生产的M340数据复接器(目前国内已有自主知识产权的同类产品),结合电力线载波机的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世。这一成果提高了载波机的通信容量,从根本上初步解决了载波机通信容量小的技术“瓶颈”问题,从而

为电力线载波市场带来了空前的机遇。

2.2.电力线载波通信的现状和瓶颈

近年来,随着光纤通信的发展,电力线载波通信已从主导的电力通信方式改变为辅助通信方式。但是,由于我国电力通信发展水平的不平衡,由于电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道,由于电力线载波技术革新带来的新的载波功能以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代,都导致了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式,但是在全国仍然存在较大的市场需求。而且电力线通信(Power Line Communication, PLC)可以充分利用电网现成的物理网络进行通信,具有投资小、灵活性强、网络可靠性高等特点。此外,它可以沟通到电网中的任何测控点,可以实现控制中心与各远方终端设备的信息交换[6]，所以电力线载波通信成为构成智能配电网的重要方式。

目前，中压电力线载波通信技术发展遇到瓶颈[7]，主要表现为：现有技术未能有效解决复杂信道对载波传输影响，导致电力线载波通信传输带宽、距离没有明显提高；现有载波传输容量较小，尚不能满足大容量业务需求；现有载波网络串行工作方式未能满足 IP 化网络发展趋势。由于中压电力线具有噪声大、信号衰减快、线路阻抗变化大等不利因素,在很大程度上影响了通信的可靠性。所以,如何克服以上问题,提高信号传输的稳定性和抗干扰性是实现电力线载波通信技术的关键。

3.1无功补偿装置的作用

无功补偿装置能有效地达到平衡电网中的无功、提高系统功率因数和系统中无功储备、防止电压崩溃、保障电力系统电能质量、降低网络损耗，是电网能够安全运行不可缺少的部分，也是提高中压输配电网络经济性和保障可靠运行的一种经济实用的技术手段。无功补偿装置从原理上说是电网中呈容性或感性的元件，它是由电容器组及其配套设备（投切元件、检查及保护元件）连接而成的一个整体，对系统进行无功功率补偿、电压控制的装置[8]。

3.2中压配电网的无功补偿方式

目前，国内10kV配电网无功补偿方式一般有:变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、杆上无功补偿方式和用户终端分散补偿方式。(1）变电站集中补偿方式。主要针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置一般连接在变电站的1OkV母线上，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等。主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗，但是对配电网的降损所起作用不大。（2）低压集中补偿方式。是指在配电变压器低压侧进行集中补偿，通常采用微机控制的低压并联电容器柜。此种方式可以提高配变的功率因数，实现无功的就地平衡，对配电网和配变的降损有一定作用，对用户侧电压水平有一定稳定作用。这种方式虽然有助于保证用户的电能质量，由于线路的电压水平是由配电网系统情况决定的，因此对系统无功情况改善不大。(3)杆上补偿方式。是指采用IOkV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上(或另行架杆)进行无功补偿的方式，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。现有杆上补偿方式一般采用长期固定补偿，但适应能力较差，另外易受安装环境和空间等客观条件限制。

(4)用户终端分散补偿方式。是指直接对用户末端进行无功补偿的方式，以降低损耗和维持电压水平。此种方式的低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功需求来确定安装容量，但各配电变压器低压负荷波动的不同时吐易造成大量电容器在较轻负载时的闲置，设备利用率不局[9]。

3.3无功补偿装置的类型和结构

考虑到无功功率是由于系统中各种感性负载所产生,早期的无功功率补偿主要为同步调相机和静止电容器[10]。同步调相机是一台工作于空载的同步电动机。根据需要控制其励磁磁场,可以使其向系统提供感性无功功率或从系统吸取感性无功功率。但由于动态响应速度慢,不适合各类快速变化非线性负载的要求,且成本高,安装复杂,因此应用受到限制。

无功补偿电容器是早期无功功率补

偿的另一种方法。该方法是将一定数量的

电容器并联在电网中。由于补偿方法简单

经济,灵活方便因此早期得到广泛的应用。

但补偿容量有级,固定,而且可能与系统

发生谐振。并联型无功补偿装置可以等效成一个电流源,从系统中吸收容性电流.其等效电路如图所示[11].

随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用,产生了目前广泛用于无功补偿的静止无功补偿器简称SVC。由晶闸管控制电器(ThyristorCon-trolledReactor———TCR),晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor———TSC)和以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止补偿

器(Static Var Compensator———SVC)实际上可看作一个可调节的并联电纳,其性能比固定并联电容器要好得多[12]。而所谓静止是指没有运动部件,这和同步调相机不一样。静止补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化,所以它要连续调节与电力系统变换功率,其第二个重要性质是响应速度。

图1 TCR 图2 TSC 图3 SVC

如图 1 所示为 TCR 单相原理图，将两个反并联的晶闸管与电抗器串联再接入电网中。TSC 单相原理图如图2 所示，两个反并联晶闸管串联电容器并联接入电网系统中。如图3 所示为混合型 SVC 单相原理图。显然这种结构的无功补偿装置综合了TCR 和 TSC 二者的优点，图中电感与电容的两个并联支路分别表示 3 次和 5 次谐波滤波器[13]。

SVG又称为静止无功发生器(Static Var Generator———SVG[14])或高级静止无功补偿器(Advanced Static VarCompensator———ASVC[15]),也叫静止调相机(StaticCondenser———STATCON[16-17])。它是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理采用GTO构成的换相交流器。SVG分电压型和电流型桥式电路两种。由于电压型控制方便,损耗小,因此在实际应用中被广泛采用。通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位,幅值或者直接调节其交流侧电流进行无功功率的交换。与SVC相比,其调节速度更快,调节范围更宽,欠压条件下的无功调节能力更强,因此具有良好的补偿特性。但在大功率输电系统中受现有GTO开关频率的限制必须采用多桥的SPWM技术抑制电路的谐波。因为SVG比SVC的调节速度更快、运行范围更宽,所用电抗器的容量也大为降低,所以SVG是动态无功补偿装置发展的重要方向。

4.总结

随着能源形势的越来越严峻，智能电网成为国内外的研究热点是必然的[18-19]。智能配电网是智能电网的重要组成部分，通信技术是实现智能配电网的关键。随着电力

线载波通信技术的发展，电力线载波通信成为实现智能配电网的重要方式。在我国10kv配电网的规模是巨大的，每时每刻都有不同的信号在电力线中进行着传播，无功补偿装置遍布于配电网的每一个角落，所以信号经过无功补偿装置是无法避免的，通过研究可以提前预知信号的变化，为信号的正确传递提供保障。

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