低压配电网无功优化补偿的实现

第２５卷第２期　计　算技术　与　自　动　化　Ｖｏ１．２５。Ｎｏ．２　２　０　０　６年６月　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｊｕｎ．２　０　０　６　文章编号：１００３　６１９９Ｉ２００６）０２　００４２—０３　低压配电网无功优化补偿的实现　李运彬　，姚　舜０，李　莎。　（Ｊ．韶关冶炼厂锌精馏分厂，广东韶关５１２０２４；２湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１Ｉ）０８２；　３湖南省超高压输变电公司，湖南妖沙４１００１５）　摘　要：针对电网电能质量恶化的问题．以及目前无功补偿装置存在的缺点，为了满足无功优化补　偿系统的总体设计要求，采用ｌ６位工业级微处理器ＩＮＴＥＬａ（）ｃ１９６ｋｃ为核心的单点智能无功优化控制器。　该控制器具备自动调整相关控制系统参数以实现控制目标的能力，实现先投先切和循环投切的功能。并且　可以避免投切振荡和过补偿，很好的实现无功优化补偿。　关键词：电能质量；无功补偿：无功优化：８０Ｃ１９６ｋｃ　中图分类号　Ｉ＇Ｍ７１４．３　文献标识码：Ａ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｆ０ｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｉｓｔｒｉ　ｂｕｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＬＩ　Ｙｕｎ—ｂｉｎ　，ＹＡＯ　Ｓｈｕｎ　，ＬＩ　Ｓｈａ３　（１．Ｓｈａｏｇｕａｎ　Ｓｍｅｌｔｅｒ　Ｆａｃｔｏｒｙ，Ｓｈａｏｇｕａｎ　５　１　２０２４，Ｃｈｉｎａ；　２，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４　１　００８２，Ｃｈｉｎａ；　３　Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ—ＥＨＶ　Ｔｒａｎｓｍｉｓ￣ｉｏｎ＆Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｏｒｓｅｎｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｏｎｉｃ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，　ｏｎｅ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｅｏｍｐｅｎｓａｔｌｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂａｓｅｄ　０ｎ　１６——ｂｉｔ　８０Ｃ１９６ｋｃ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐ．　ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｃａｎ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｕｔｏｍａｔ［ｃａＩＩｙ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔａｒｇｅｔ，ａｎｄ　ａｉｍ　ｃａｎ　ａｖｏｉｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｓｏ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｃｏｒｎｅ　ｔｒｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；８０Ｃ１９６ｋｃ　针对目前无功补偿装置所存在的缺点，同时为　１　引言　配合全国电网改造，适应现代化电力系统的发展需　要，系统要求达到：高智能化，能动态跟踪无功负荷　在配电系统中广泛存在大量的感性负荷，此外　的变化无级投切电抗，且不会过补偿；实现电容器　诸如电弧炉、轧钢机这些冲击性无功负荷，都严重　组循环投切，使电容器、电力电子电路使用概率相　恶化电能质量，解决这些问题的有效方法就是进行　等，延长使用寿命；能对三相负荷进行均荷控制；根　无功功率补偿，配电网的无功补偿对于配电网的稳　据电网参数计算谐振点，并调节投入的电抗值，从　定、经济运行具有重要的作用。由于目前所有的一　而避免因高次电流谐波与电网发生谐振；加入滤波　部分无功补偿装置采用无功电压或是无功电流作　环节，消除本装置产生的电压高次谐波，避免对电　为无功补偿装置核心算法部分，因此现有无功自动　网产生不良影响；自动判别并消除振荡投切现象；　补偿器主要存在以下问题：易产生并联电容器的过　具有过压、过流、过热、缺相等保护功能；高可靠性，　补偿；现有装置多采用交流接触器作为投切开关；　满足户外恶劣环境的工作需要；检测精度达到一　不能提供动态无功补偿的三相均荷控制；易导致谐　级，可实时监测电网参数，并将数据传送至调度中　波放大；现有的装置容易产生高次的谐波；抗干扰　心；能实现采样点就地补偿和控制器联网补偿，即　能力差，故障率高；不能达到全局最优等。　位于不同采样点的控制器之间通过数据交换，能综　收稿日期：２００６　０３—３０　作者简介：李运彬（１９７３一），男，广东兴宁人，工程师，研究方向：电力系统谐波抑制和无功功率补偿【Ｅ—ｍａｉｌ：ＬＹＩ￣）２２８＠１６３　ｃ。ｍ）；姚　舜（１９８１－－），男．湖南湘阴人，研究方向：Ｉ乜力系统谐波抑制和无功功率补偿　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２５卷第２期　李运彬等：低压配电网无功优化补偿的实现　合全电网的运行情况判断最佳投切电容量等。本　文根据上述要求，为了满足无功优化补偿系统的总　体设计要求，采用１６位工业级微处理器ＩＮ—　ＴＥＬ８０ＣＩ９６ｋｃ为核心的单点智能无功优化控制　器。该控制器具备自动凋整相关控制系统参数以　实现控制目标的能力，实现先投先切和循环投切的　功能，并且可以避免投切振荡和过补偿，具有快速、　准确和针对性强的特点。　２低压电网无功优化补偿的实现　２．１　电网无功优化补偿的总体方案的设计　根据调查情况，针对配电网实际无功功率及功　率因数，电网线电压，相电压等参数以及现在各种　无功自动补偿装置的不足，该项目中的配电网无功　功率补偿器采用两级优化控制；采用单点及多点系　统优化相结合的优化算法，上位机采用工控机，能　根据下位机送来的信息对多个单机系统进行协同　工作，使系统在经济上和补偿效果上均达到最优。　在单机单点的设计上，主要强调能对电抗补偿量进　行无级调节，对三相负荷进行均荷控制，能有效的　抑制电压和电流谐波的产生；性能上强调采用高可　靠性的工业级智能微机控制系统。在硬件和软件　设计上，强调系统的可靠性、抗干扰能力及检测和　控制精度。　数霾　示Ｉ模块　Ｊ　ｌＪ　程序存储器　电流信号　数据存储器　工业级ｌ６位　高精度ＣＰＵ　电压信号　光电隔离　输出　无线通讯１　Ｉ数据处理　模块　Ｊ　Ｊ　模块　图１　系统总体单机工作模块图　整个系统的总体中单机工作模块图如图ｌ所　示，整个单机的核心由工业级ｌ６位单片机构成，它　负责电网相电流，相电压，线电压，功率因数，工作　环境温度等信号的数据采集，完成无线通讯模块的　正常工作，光电隔离的晶闸管输出控制。各个主要　模块的功能及工作状况简介如下：　数据处理模块以工业级１６位微处理器为核　心。检测模块、数据处理模块和输出模块的所有芯　片、变送器和元器件都焊接在一块电路板上，有效　地保证了系统的整体可靠性。利用电路ＣＡＤ技术　对整个硬件电路设计进行局部优化和整体优化，使　电路布局和走线达到最理想效果；为防止高频干　扰，确保数据传输的可靠性，通讯模块单独屏蔽，作　为独立模块通过数据接口接插使用。在软件设计　上，提出数字整定电位器新方法，不但简化系统硬　件，而且参数整定直观，调试方便；采用三段补偿法　对变送器的非线性进行软件补偿，提高了测量精　度。执行机构采用无触点的双向晶闸管。　两级控制系统示意图如图２所示，配电网无功　优化补偿器下位机控制器采集到实时的电网无功　功率状态参数，单点控制器通过无线通讯接口ＳＳＴ　一９００将所在的电网的信息传送到上位机中，同时　单点的无功补偿控制器将对所在电网的单点处通　过光电隔离输出模块进行无功补偿，上位机将接收　到的多点电网信息进行综合分析，通过先进的优化　无功功率补偿算法对各个单机系统进行　调处理，　使整个系统达到最优的控制效果。然后无功补偿　控制器根据上位机优化后的数据队单点的电抗器　进行控制调节，最终实现无功功率的全局优化补　偿。　…　ｌ　ｌ　…　Ｉ　电抗　Ｉ　ｌ　电抗　Ｉ　　ｌ电抗　Ｉ　ｌ　　ｌｌ　『无功补偿控制器ＩＩ无功补偿控制器Ｉ　Ｉ无功补偿控制器ｆ　ＲＳ２３２ｌ　ＲＳ２３２　ＲＳ２３２ｌ　　ＩＳＳＴ－９００　ｌｌ　ＳＳＴ　９００　¨ＳＳＴ一９００　ｌ　ｌ　ＳＳＴ　９００　ｌ　ＲＳ２　３２　『Ｌ　工控机　　１Ｊ　／　＼　图２　多机协同控制原理图　２．２下位机控制器的设计　为了满足上述的无功优化补偿系统的总体设　计要求，采用１６位工业级徽处理器ＩＮ—　ＴＥＬ８０Ｃ１９６ｋｃ为核心的单点智能无功优化控制　器。其主要功能包括：　（１）采用通断率控制的方式达到无级调节投切　电抗的效果，ｏ　（２）能根据电网三相不平衡的情况对三相负荷　进行均荷控制；　（３）在主电路中加人了电压谐波的滤除环节和　电流谐波的抑制环节，减少对电网的污染和提高系　统本身的稳定性；　（４）内部设置补偿电抗安全工作区自动检测功　能。当工作在非安全区时，自动切除电抗；进入安　全区时，装置恢复投切功能，确保电抗的安全运行；　（５）低负荷闭锁电抗投入功能；　（６）电抗组采用循环工作方式投人和切除，以　保持电抗相同的平均使用率和延长寿命；　（７）各种定值（ｃｏｓ（ｐ、电压限值、投切时间等）数　字化整定，操作方便，绝无漂移；　（８）数字显示线电压、线电流、相电压、相电流、　功率因数、有功功率、无功功率、电容器投切状态、　维普资讯 http://www.cqvip.com

计算技术与　自动化　２００６年６月　电网频率以及工作温度等；　（９）控制器具有手动、自动调节功能　手动调　节切换到自动调节、自动调节切换到手动调节都具　有无扰动自动跟踪功能；　（１０）控制器自检和双“Ｗａｔｃｈｉｎｇ　Ｄｏｇ”设计，确　保控制器不死机，可靠性极高；　（１１）设置环境温度检测装置，当温度达到保护　动作值时，微机控制切除所有电抗。当温度低于保　护动作值时，电抗再投入运行，以延长和保护电抗　的使用寿命；　（１２）能识别并自动转换取样电流极性。使安　装、调试方便；　（１３）控制器采用最优控制算法，单机投入和切　除电抗能随负载变化达到最佳的控制效果；　（１４）设置有数据通信接口，采用即插即用的方　式，可方便地满足不同通信方式的要求，为电力系　统调度提供有效的数据。　２．３上位机控制器的设计　为了满足上述的无功优化补偿系统的总体设　计要求，在该项目中研制了配电网无功优化补偿系　统的上位机应用软件，此应用软件采用动态规划方　法，使无功潮流分布：最为合理，电能质量和经济效　益达到最佳我们采用ＰⅢ６００工控机作为上位机，　在ｗｌＮＤ（）ｗｓ２０００操作系统平台上用Ｄｅｌｐｈｉ６．０　开发了配电网无功优化补偿系统应用软件。该应　用软件可以实时的显示各单点的无功补偿控制器　的工作状态及该单点处电网实际无功功率，电网功　率因数，线电压及相电压等电网参数，以及可以手　动的控制单点的无功补偿控制器实现无功功率的　手动补偿。　２．４无线通讯模块的设计　本文采用了ＳＳＴ一９００无线数据通讯专用模　块，该无线数据通讯模块内部结构图如图３所示。　广………………………．．．．　ｌ　ＴＦＲ　｛　…………………………一　图３　ＳＳＴ一９００内部结构图　ＳＳＴ一９００是一种无线数据通讯模块，该ＳＳＴ　一９００无线通信模块：［作在９０２～９２８Ｍｈｚ的工业　ＩＳＭ波段，基于直序扩频技术和ＲＦ技术使得用户　进行远程的客户终端访问。该模块可以通过网络　使用在多点系统中，传输模式包括点对点，单点对　多点，多点对多点的无线数据传输中。　直序扩频技术是将实际传送的数据加在一个　事先定义的随机码中，发送的信号扩展在很宽的频　带上，方法是对一直序扩频代码进行相干或差分相　于二进制相移键控调制。每一代码Ｃ由Ｎ位组　成，即Ｎ个固定的矩形脉冲，总时间宽度为Ｔ，即　每一数据的脉宽为Ｔ，当采用相关调制时，若数据　位０时用代码Ｃ表示，则Ｃ表示数据位１。若采用　非相干调制，数据为０、１分配给不同的代码。　扩频通信的过程为：　・扩频信号频谱：用扩频码序列调制展宽信息　频谱。　・在接受端接收信号解扩：采用与发送端相同　的扩频码序列与接收到的扩频信号进行相关解调。　恢复所传输的信号。　直序扩频技术是将所要传输的数据串经扩展　到更宽的可用于传输的通讯频带上之后再发射到　空间去，使被传输的信号幅度低于噪声电平，因此　显著提高了通信的隐蔽性和抗干扰能力，同时，扩　频技术还克服了多重路径信号渐失等问题。提高　了信息传输的准确性和安全度。利用扩频技术所　具有得很强的抗干扰特性及优越的安全通信能力，　可在同一个地区安装多个无线通信设备而不必担　心彼此之间的干扰。　ＳＳＴ　９００无线通讯模块由一个ＣＰＵ，一个光　谱扩展芯片和一个ＲＦ模块，ＲＳ２３２／ＲＳ４８５接口模　块，工作在全双工的工作模式下，最高数据传输率　可达１９．２Ｋｂｐｓ，传输距离可达到３００～４００Ｍ。若　再增加发射功率和天线尺寸，有效的传输距离可达　３０～５０ＫＭ　结论　本智能无功补偿系统对低压配电网无功进行　自动动态跟踪补偿，在韶关冶炼厂投入运行，效果　良好。具有控制简单，性能可靠，功能强大，界面友　好，操作方便，价格便宜等特点，对于改善配电站电　压质量和提高配电站监控可靠性具有明显的社会　效益和经济效益，具有广阔的市场前景。　参考文献　［１］　王兆安，杨君。刘进军．谐波抑制与无功功率补偿［Ｍ］北京：　机械工业出版社，１９９８　［２］徐瑜．功率因数过补偿的危害及对策［Ｊ］惠州大学学报，　１９９５。１５（４）．　一对偶内点算法的电网无功优化补偿［Ｊ］．信息与控制，　２００３，３２（３）．　３［３］李云，罗安，涂春呜。邓字，李正国．基于神经刚络和非线性原