摘　要：文章总结分析了传统的农网无功补偿方式所存在的问题，提出了农网110 kV及以下全网无功优化补偿的新概念。根据我国农网无功补偿的实际状况，分别给出了高、中、低压电网及用户侧相应的无功优化补偿模式，对各种补偿模式进行了特点分析，并结合工程实例分析了无功优化补偿模式的应用效果。文章还针对无功优化补偿工程实施问题，提出了全网无功优化补偿工程建设的建议。
关键词：农村电网;无功优化;补偿模式;特点分析
　　0 引　言
　　农村电网一般处于电力系统的末端，传输距离长，降压层次多，运行状态受运行方式和负荷变化的影响较大。而且农网中分布着大量的中、小容量的配电变压器和异步电动机，无功消耗很大[1,2,3]。为此，农网中也装设了的一定数量的固定电容器和自动投切无功补偿装置，在一定程度上起到了降低网损、改善电压质量的作用。但由于装设电容器等无功补偿装置时，缺乏基于全网无功优化的统筹考虑，无功补偿装置的配置不够合理，极大影响了节能降损效果。目前我国农网无功补偿主要存在高低压补偿分配不当、集中补偿与分散补偿比例失调、动态补偿调控能力弱以及对无功的认识和管理力度不够等诸多问题，需要根据电网结构、负荷性质、运行参数等因素进行科学合理的无功优化补偿配置，实现农网无功分层、分区就地平衡，有效提高农村电网运行的安全性、经济性和可靠性[1,4,5]。
　　1 农网全网无功优化补偿
　　110 kV及以下农网主要包括35kV~110 kV高压网、10kV中压网和400V低压网及以下用户端等环节。传统的农网无功补偿方式一般是依据《国家电网公司农村电网电压质量和无功电力管理办法》中“集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主;高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主;调压与降损相结合，以降损为主”的规定。无功补偿容量配置通常按照《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中的规定，35kV~110 kV变电站的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧的无功补偿，补偿容量按主变压器容量的10%~30%配置。10kV配电网中以配电变压器低压侧集中补偿为主，以高压补偿为辅，补偿容量一般按变压器容量的20%~40%进行配置。
　　农网全网无功优化是一个多变量多约束的混合非线性问题，需要综合考虑农网全网运行情况(主要是潮流分布)，以各节点电压合格、网络关口功率因数等为约束条件，根据给定的目标值(提高功率因数、全网网损最小、年运行费用最小或年支出费用最小)，进行全网无功优化计算，确定系统的最优补偿点和最佳补偿容量，无功优化补偿就是根据全网无功优化计算结果，调节有载调压变压器分接头，投切静止补偿器和并联电容器，实现跟踪负荷变化的电压和无功动态调节，满足电网安全、经济运行目标。农网全网无功优化补偿策略主要体现在：高压网以变电站集中补偿为重点，中压网以10kV线路补偿和配电变压器低压侧集中补偿为重点，低压网及以下以用户侧分散补偿为重点。
　　广义来说，农网全网无功优化补偿方式可以有“自上而下和自下而上”两种方式。自上而下无功优化补偿方式就是从高压到低压逐层进行无功优化计算，并根据无功优化结果实施无功补偿。该补偿方式体现了以集中补偿为主的特点，也就是说，如果高压集中补偿能够解决大部分问题，则优先考虑实施集中补偿，按照从高压集中补偿到低压分散补偿进行。该补偿方式具有较好的技术经济性，可以减少补偿装置的投资和运行维护费用。自下而上的无功优化补偿方式就是根据无功优化结果从低压到高压的顺序实施无功补偿。该补偿方式的特点是把实现无功就地平衡作为主要目标，而把补偿装置的投资和维护费用问题放在次要地位考虑。农网中无功补偿与有载变压器调压相辅相成，在实际工作中往往首先进行调节变压器分接头操作，再根据情况投切电容器组。因此，农网无功优化补偿应遵循“集中补偿与分散补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，调压与降损相结合”的补偿原则，具体应因地制宜，全面考虑电网、负荷、经济条件等综合因素，在进行农网全网无功优化计算的基础上，采用科学合理的无功优化补偿模式，依据无功优化结果确定无功补偿容量，使农村电网能够真正实现优化补偿。
　　2 高压网无功优化补偿模式与分析
　　高压网无功优化补偿主要是在变电站10kV母线侧进行集中补偿。根据采用不同的无功补偿装置可分为动态连续无功补偿、自动投切无功补偿、电容器固定补偿以及无功补偿+滤波几种模式。
　　2.1 动态连续无功补偿
　　目前我国农网中的高压网装设的无功补偿设备主要是利用机械式开关手动或自动投切的并联电容器，这些静止型补偿设备需停电手动投切或自动分组投切，不能连续调节补偿容量，很难适应系统运行状态的快速变化。研究表明，在克服电力系统的暂态失稳方面，动态无功补偿装置与机械式投切电容器装置的作用不可同日而语。因此，在电网中安装足够容量的动态无功调节单元是解决电压稳定问题和提高输电线路传输能力的主要手段。新建变电站、枢纽变电站以及相对比较重要的变电站内，适于采用动态连续无功补偿模式[6]。
　　据了解，各供电公司所属的许多变电站都按照传统的无功补偿容量配置方法安装了并联电容器，但由于补偿容量固定，在高峰负荷时常处于欠补偿状态，低谷负荷时又可能处于过补偿状态。如果在已安装并联电容器进行固定补偿的变电站，加装动态无功调节单元，就可有效增强系统对无功潮流的动态调节能力。为降低农网无功补偿装置总投资，可对新建或扩容变电站的基本负荷部分进行固定无功补偿，浮动负荷部分采用动态调节单元，以最小的投资方式实现农网动态无功容量的大幅度提升，有效提高电力系统无功与电压管理的自动化水平。
　　而对已安装了自动投切无功补偿装置的变电站，如果安装容量已满足高峰负荷要求，可直接加装动态调节单元，实现无功动态平滑调节，有效降低无功补偿装置投切次数，降低故障率，延长装置及相关设备(包括电容器、开关等)的使用寿命。
　　2.2 自动投切无功补偿
　　农网中有些变电站在母线上安装了并联电容器，用断路器对其进行投切，因电容器在投入时产生涌流和切除时造成拉弧，每天的投切次数受到限制，这种非零即一的粗放的补偿方式，无法达到理想的补偿效果，变电站内的电压无功综合控制装置不能够发挥应有的作用。如果根据电网无功状况，在变电站10 kV母线上适当安装自动投切无功补偿装置，与电容器固定补偿相比，可以提高无功补偿精度，降低高压网电能损耗。
　　自动投切无功补偿装置主要有以下特点：
　　(1)可根据无功负荷的变化自动投切电容器组，使功率因数和电压始终保持在规定范围内，且不会出现严重的过补和欠补现象;
　　(2)能实现电容器组自动循环投切，使单组电容器和各投切开关使用几率接近，延长设备使用寿命;
　　(3)能够与有载调压变压器结合实现电压无功综合自动控制，并可具有过电压等保护功能;
　　(4)补偿级数(即补偿电容器分组数量)越多，补偿精度越高，装置的成本增加，体积增大。
　　2.3 电容器固定补偿
　　98年实施农网改造后,农村电网结构发生了很大变化,低能耗变压器的采用以及线路改造使农村电网的低损耗运行成为可能，但由于考虑负荷发展需要,变压器容量一般选择偏大。变压器本身及固定无功负荷所消耗的无功功率则可通过装设并联电容器进行就地补偿。
　　电容器固定补偿方式因其具有成本低、回收快、接线简单、便于维护等优点一度在高压网中得到广泛应用。对经济比较落后且未进行无功补偿的部分变电站，可安装固定电容器对变压器本身空载损耗和所带无功负荷就近补偿。并联电容器固定补偿一般是不分组或分组很少的手动投切方式。采用电容器固定补偿的特点有：
　　(1)不能随实际负荷的变化自动调整无功补偿容量，当无功负荷波动较大时，容易出现过补偿和欠补偿现象;
　　(2)补偿容量不宜过高，一般不超过主变容量的15%，补偿后功率因数不高，当主变轻载后必须及时切除投入的电容，否则可能会因过补偿使电压升高造成事故;
　　(3)在投入较大补偿容量时会因合闸涌流对线路产生冲击;
　　(4)成本低，使用寿命长，接线简单，便于维护。
　　2.4 无功补偿+滤波
　　随着大功率整流换流设备、电弧炉、电气化铁道以及家用电器等非线性负荷的日益增多，因谐波干扰引发的发、供、用电设备事故时有发生，电力系统正常运行受到严重威胁，在接近谐波源负荷的变电站有必要装设无功补偿与滤波综合装置。具体做法可在存在谐波污染的变电站、工矿企业以及对谐波要求比较严格的场合配置无功调节单元+无源滤波综合治理装置。
　　该补偿方式特点：
　　(1)滤波电容同时可以完成无功补偿的功能，无须另外安装固定电容器。
　　(2)在变电站集中补偿可就近向配电线路输送无功，同时可兼顾调压以及谐波治理。
　　(3)与单独安装无功补偿装置和滤波装置相比，可降低成本，减少占地面积，减少维护工作量。
　　3 中压网无功优化补偿模式与分析
　　中压网无功优化补偿主要指农网10 kV配电线路补偿和配电变压器低压侧集中补偿。农网10 kV配电线路广泛采用大树干、多分支的单向辐射型供电方式，线路补偿是把一定容量的并联电容器安装在供电距离远、负荷重、功率因数低的10kV架空线路上，主要补偿线路上感性电抗所消耗的无功功率和配电变压器励磁无功功率损耗。配变低压侧集中补偿就是在配变低压侧安装无功补偿装置，实现低压电网无功就地平衡[1,7,8]。根据所选择补偿位置和补偿功能的不同，中低压网无功优化补偿可分为配变低压侧集中补偿、线路补偿、配变低压侧集中补偿+线路补偿以及无功补偿+滤波几种模式。
　　3.1 配变低压侧集中补偿
　　配电变压器低压侧集中补偿是目前农网中应用较普遍的补偿方式，补偿容量需要根据变压器容量和负荷性质确定，目的是为了提高变压器功率因数，实现无功分层、分区平衡，降低电网损耗和改善用户电压质量。
　　配变低压侧集中补偿，主要补偿配电变压器及其无功负荷消耗的无功功率，实现低压台区就地无功平衡，有效减少配电变压器和配电线路的损耗。但对配电变压器逐台补偿，会使补偿总容量加大，补偿工程的投资增大，运行维护工作量大，因此目前我国电压无功管理规定中仅明确要求对100kVA及以上的配电变压器或有特殊需求的小容量变压器进行无功补偿。
　　3.2 线路补偿
　　我国农网配电线路广泛采用大树干、多分枝的单向辐射型供电方式，这些线路一般都具有负荷率低、负荷季节性波动大、配电变压器的平均负荷率低、供电半径长、无功消耗多、功率因数低、线路损耗大以及末端电压质量差等特点。对线路较长、负荷轻且较为集中的中压馈线，可只进行线路补偿。
　　配电线路补偿主要是补偿线路上感性电抗所消耗的无功功率和配电变压器的励磁无功功率损耗，能有效改善电力线路的运行性能，降低电能损耗，提高线路末端电压。若采用手动投切的并联电容器固定补偿方式，补偿容量配置可按照所有配电变压器空载损耗总和。该补偿方式不能够减少传送用户功率而引起的配变损耗，与逐台配电变压器装设无功补偿装置相比总投资少，维护工作量小。
　　3.3 配变低压侧集中补偿+线路补偿
　　配变低压侧集中补偿的优点是补偿后功率因数可明显提高、降损节能效果较好。但由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工程的投资较大，运行维护工作量大。我国农网中对容量小于50kVA的配电变压器未严格规定，也很少进行无功补偿。如果10kV线路长、负荷重、功率因数低，可采用配变低压侧集中补偿与线路补偿相结合的方式。配变低压侧集中补偿可使低压配电台区实现分层、分区就地平衡，线路补偿用于补偿线路无功基荷和未进行无功补偿的配电变压器空载损耗部分，可有效提高线路功率因数，大幅度降低线路损耗。
　　3.4 无功补偿+滤波
　　电力系统中的主要谐波源有变流器、电弧炉、电石炉、电气化铁道等，一些厂矿、大型企业以及铁路容易对电力系统环境造成污染。谐波污染对电力设备的危害十分严重，主要表现为：过负荷和发热、增加介质应力和过电压干扰，危害并破坏电子设备和保护控制设备的性能和正常工作。
　　对含谐波源较多的配电台区或专用变压器应进行无功和谐波综合治理，在变压器低压侧直接装设带有滤波单元的无功补偿装置，补偿变压器的无功损耗，改善用户端功率因数，同时可兼顾调压以及谐波治理。该补偿方式的特点是：
　　(1)可有效减少谐波源注入电网的谐波量，抑制电压波动、闪变、三相不平衡和补偿功率因数，具有综合经济效益;
　　(2)有效减小电容器对谐波的放大作用，并利于电容器组的安全运行;
　　(3)需要专门设计，一次性投资较大，回收期较长。
　　4 低压电网及以下用户侧无功优化补偿模式与分析
　　低压电网中的低压线路补偿在工程实施中极为少见，低压电网及以下无功优化补偿主要针对低压电网末端用户侧的电动机随机补偿。电动机消耗的无功功率约占整个低压电网消耗无功功率的60%~70%，提高电动机的自然功率因数可有效降低低压电网的电能损耗。低压用户侧无功补偿依据选取的补偿位置和补偿方式不同，可分为电动机就地补偿、配电室集中补偿以及电动机就地补偿+配电室集中补偿几种模式。
　　4.1 电动机就地补偿
　　据统计，农村配电网无功分布状况中低压电网占65%~70%，电动机是低压电网中主要的无功消耗因素。对用户终端较大功率的电动机进行就地无功补偿，可以减少低压电网的电压损失，改善电压质量及电动机的起动能力。电容器补偿装置可直接就地安装在被补偿设备的旁边，随电动机的投切而投切。就地补偿适用于用电设备负荷平稳、连续运行以及环境正常的场合，电动机功率不宜太小，一般年运行时间在1500h及以上，输出功率在5kW及以上的电动机宜于采用就地无功补偿。一般情况下，无功就地补偿所投入的资金不到一年即可收回。
　　该补偿方式的特点：
　　(1)大中型电动机比重较大、利用小时较高时，随机补偿可就近补偿主要用电设备所消耗的无功功率，减少厂区内部的线损和电压损失，提高低压电网的功率因数,改善电压质量，改善用电设备起动和运行条件，降损节电效果明显;
　　(2)可降低台区配变的电能损耗，但不能补偿变压器本身无功损耗;
　　(3)对电动机逐台补偿，补偿装置的总投资大，可有效释放系统能量，提高线路供电能力;
　　(4)增加安装、维护的工作量，在操作使用时需要注意安全。
　　4.2 配电室集中补偿
　　工厂、车间安装的电动机，如就地补偿有困难时，可采用装设分级、分相自动投切无功补偿装置在动力配电室集中补偿的方式。该补偿方式的特点：
　　(1)可降低台区配变的电能损耗，不能减少厂区内部的线损;
　　(2)分级、分相自动补偿，可提高补偿精度，有效降低三相负荷不平衡所造成的电能损失。
　　(3)不需对电动机逐台补偿，补偿装置的一次性投资少，安装、维护工作量小，便于运行管理。
　　4.3 电动机就地补偿+配电室集中补偿
　　在配电网中除了较大功率的电动机之外，还有许多小功率电动机、不适于就地补偿的环境及其他感性负载，可采用用户端电动机就地补偿与配电室集中补偿相结合的补偿方式。
　　对利用率较高的大功率(>5kW)电动机进行随机补偿，无功补偿装置可随着电动机的启停而同步投切，对未进行补偿的小功率电动机可在配电室进行集中补偿，如采用电容器固定补偿方式，补偿容量配置为配电变压器空载损耗和未补偿用户终端设备空载损耗的总和;如果有条件则可装设低压动态无功补偿装置，实现无功连续平滑调节，或者分级、分相自动投切无功补偿装置，补偿容量可按照最大负荷方式下所需无功进行配置。该补偿方式特点：
　　(1)补偿效果好，能有效降低配电变压器和低压配电线路的电能损耗、电压损失，提高功率因数，改善用户端电压质量;
　　(2)补偿装置的总投资大，安装、维护的工作量较大;
　　(3)该补偿方式在县级电网各类无功补偿方式中无功经济当量最高，综合经济效益较好。
　　5 工程实例
　　110 kV及以下农网全网无功优化补偿模式在山东临朐供电公司无功优化补偿工程试点中得到了实际应用。
　　临朐供电公司共有变电站20座，其中110 kV变电站6座，35kV变电站14座。无功优化补偿前，该供电公司的部分变电站无功补偿设备陈旧，未全部采用自动无功补偿装置;部分变电站进行主变增容改造后，补偿电容器的增容改造工作未同步进行，造成补偿容量不足;个别地区存在负荷三相不平衡现象，造成中性点电位偏移，影响了用户侧的电压质量。针对所存在的问题，临朐供电公司率先开展了农网110 kV及以下全网无功优化补偿试点工程，首先利用无功优化软件对全网进行了优化计算，按照现有运行状态下全网无功优化结果，在高压网各负荷点投入相应的无功补偿容量，补偿前总损耗为1206.6kW,补偿后总损耗为1143.1kW，降损百分比可达到5.26%。
　　在高压网中，临朐供电公司以杨善站作为35kV变电站无功补偿改造试点。杨善变电站的负荷变化比较大，且电容器组没有实现自动投切，只能在停电的情况下人工整组投切，不能满足季节性无功负荷、日无功负荷变化范围均非常大的运行状况，导致功率因数维持在较低水平，大负荷运行方式下的功率因数一般在0.93左右。
　　在改造过程中，杨善站采用了高压网无功优化补偿模式中的动态连续无功补偿，并采用了一种新技术产品——基于磁阀式饱和电抗器技术的动态无功补偿装置，可以实现无功补偿的连续平滑调节。根据无功优化计算结果，杨善站应在现有运行状态下再动态投入679.9kVar的无功补偿容量，补偿前最大负荷方式下功率因数为0.944，而补偿后最大负荷方式下功率因数为0.980，该补偿模式能够随着负荷变化实施动态连续平滑无功调节，功率因数最大可补偿到1，且不会出现过补偿现象。
　　通过对中低压电网无功优化计算分析，选出对整个电网无功影响比较大的矿山线作为补偿试点线路。矿山线负荷较重且分散，因此采用了中低压网无功优化补偿模式中的配变低压侧集中补偿+线路补偿，在设备选型上采用了能显著改善负荷不平衡状况的无功补偿装置和具有先进技术含量的磁阀式饱和电抗器无功补偿装置，有效改善了电压质量，降损达25%左右。另外，农村公变和配电线路实施无功补偿装置改造后，平均功率因数由改造前的0.86提高到0.96，综合年节约损失电量28.01万kW.h，节约电费15.41万元，经济效益十分明显。
　　6 无功优化补偿工程应用分析
　　传统的农网无功补偿本质上完全属于工程问题，工程实施中的无功补偿点和补偿容量配置完全按照相关导则或凭经验而定，补偿的重点主要在变电所和配电台区，线路补偿相对较少，总体上缺少对全网无功的系统规划、分析与设计，无功补偿装置在运行中也暴露出较多的问题。
　　全网无功优化补偿模式首先提供了一种通过理论计算求解全网无功最优分布的方法，并基于此指导全网无功优化补偿设计。这种优化方法全面应用于工程实际中需要经历一段较长的过程，一方面，需要不断完善、普及优化计算方法及相关技术;另一方面，要密切结合农网实际状况，逐步推动相关技术成果的实用化。主要表现在以下三个方面：
　　(1)首先要大力倡导、宣传全网无功优化的思想与技术方法，通过科学规划与工程计划，有序地组织落实无功优化补偿的技术措施，尤其是密切结合国家电网公司农网“十一五”电压质量和无功电力规划纲要中的任务。
　　(2)在实际实施全网无功优化补偿工程时，要将已有无功补偿设备配置作为初始条件纳入优化计算，充分地保护已有设备资源。
　　(3)重视无功补偿设备的实用化，及时解决补偿设备的设计缺陷和运行维护问题。
　　7 结论
　　农村电网用电负荷沿线分流，负荷率低，功率因数变化频繁，运行情况复杂，多年来一直存在无功补偿容量严重不足，补偿方式缺乏科学依据，补偿容量配置不合理，补偿装置质量欠佳等状况，随着对无功功率重要性认识程度的不断提高，对农村电网无功优化补偿作为一种提高电网安全性、经济性的重要手段，越来越普遍地得到了认同。采用科学合理的无功优化补偿模式，逐步规范和加强农村电网无功优化建设工作，增强全网的无功补偿和电压调控能力，提高无功综合管理水平，实现无功精细化管理，提高电网经济运行水平和电压质量，将为社会主义新农村建设及农村电气化工程建设做出更大的贡献。
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