电网无功检测与补偿系统的软件设计毕业设计.doc

摘要无功功率是影响电压稳定的一个重要因素，它关系到整个电力系统能否安全稳定的运行。由于工业企业存在大量低功率因数、冲击性负载，导致大量无功的产生;同时，随着电力电子技术的发展，在工业领域内大功率的电力电子设备得到广泛运用，然而，由于电力电子设备的非线性特性，运行时又会产生大量谐波，因此，如何将无功补偿与谐波抑制同时进行考虑，是未来无功补偿技术领域的重要研究课题之一。本设计介绍了功率理论的发展，以及常用的无功补偿方式的原理和特点，同时重点介绍了瞬时无功功率理论以及以此为基础的TSC无功补偿控制器。在硬件方面，本文设计了基于LF2407A DSP芯片的TSC控制器、控制器外围电路及主电路三大模块。在软件方面，本文包括数据采集软件、控制投切算法、触发控制软件三部分。其中着重介绍了无冲击电流投入电容的设计思路，得出了一个好的电路。软件仿真和样机实测结果表明，这种TSC装置在提供动态无功功率补偿和减小冲击涌流方面具有优良的性能。 关键词:晶闸管投切电容器;数字信号处理器:无功功率补偿;无冲击涌流投入AbstractReactive power is an important factor to the voltage stability, and it is also related to secure and steady operation of the power systems. Plenty of low power factor and fluctuant load in the industrial enterprises cause the generation of a large amount of var. With development of the electric and electronic technology large-power electric and electronic devices which are non-linear and generate a large amount of harmonic during the running are widely used in the industries. Therefore, how to combine reactive power compensation and harmonic suppressionis one of the important subjects in the future study of the reactive power compensation technology.In this paper, the development of power theory and reactive power compensation equipment are introduced, and the emphasis is on instantaneous power theory and the TSC Controller based on this theory. In this device, three modules are designed in this paper, including the TSC controller based on LF2407A DSP chip, the peripheral circuit and the main circuit. In terms of software, the data collection software, the calculation method of switch control and the trigger control software are discussed with focus on the design of the turn-on without inrush current.The results of software emulation and measurement of model machine have indicated that this type of TSC provides superior performance of dynamic reactive power compensation .and decreasing inrush current.Key words: TSC; DSP; Reactive power compensation; Turn-on without inrush current目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1问题的提出及研究意义11.1.1问题的提出11.1.2研究意义31.2国内外研究现状41.3本文研究的目标7第2章 无功补偿的作用及工作原理92.1无功功率对电力系统的影响92.2无功功率补偿的原理102.3无功补偿装置102.3.1同步调相机12.3.2并联电容器12.3.3静止无功补偿器SVC12.4无功补偿装置的比较10第3章无功补偿容量和位置优化的计算133.1电力系统无功优化与补偿的描述133.1.1目标函数13.1.2约束条件13.2确定最佳补偿容量和位置的等面积法则163.2.1等面积法则13.2.2等面积法则求解过程13.3基于等面积法则的无功优化计算193.3.1配电网线路参数的计算13.3.2配电线路长度和无功电流分布的折算13.3.3计算最佳补偿位置13.3.4计算最佳补偿容量1第4章 电网无功检测与补偿系统的硬件设计254.1主控芯片TMS320LF2407A254.2 TMS320LF2407A控制电路板设计274.3外围电路的设计194.3.1电流电压检测电路14.3.1晶闸管触发脉冲产生电路14.3.1 A相同步触发电路14.4负载电路选择194.5输入与输出电路19第5章 电网无功检测与补偿系统的软件设计285.1结论软件系统设计思想285.2展望主程序流程295.3结论中断子程序流程285.4展望A相正、余弦函数的产生295.5展望控制投切算法设计29第6章 结论28致谢30参考文献31附录3347 第1章 绪论1.1问题的提出及研究意义1.1.1问题的提出随着科学技术发展和人民生活水平的提高，各种类型用电设备得到了广泛的应用，对电压质量的要求也越来越高。但是，由于配电网结构、运行变化等原因，我国配电网损耗、电压合格率等技术指标与发达国家相比有较大差距。由于电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的宝贵电能白白浪费，并且影响电力企业的经济效益。配电网网损率居高不下的原因是多种多样的，其中负荷增长过快、配电网不合理是最主要的原因，而人们对“无功”的认识不如对有功的认识那样深刻也是一个重要原因。在供电系统生产和运行中必须认识到，如何用好有限的电力和生产电力是同等重要的。在我国现有l0kV配电网中，并联补偿电容器是主要的无功补偿设备，无功补偿方式多为集中补偿、分散补偿和就地补偿的结合。以前供电部门无功补偿管理出发点主要放在用户侧，比较重视和注意补偿用户负荷的功率因数，而不是立足于降低整个电网的损耗。例如，为提高某电力用户负荷的功率因数，则安装或增设一台补偿装置，这固然会对降损有所帮助，但是如果要实现科学、有效的降损，还需要通过计算无功潮流，确定电网各点的最优补偿量、补偿方式，才能发挥无功补偿的最大效益。配电网自动化系统简称配电自动化，是对配电网设备进行远方监视、协调及控制的一个集成系统，它是近些年来发展起来的新技术领域，是现代计算机及通信技术在配电网监视与控制上的应用。配电自动化是指利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起，改进供电质量，与用户建立更密切更负责的关系，以合理的价格满足用户要求的多样性，力求供电经济性最好，企业管理更为有效。按照系统的纵向结构，配电自动化可分为配电管理系统(DNIS主站)、变电站自动化、馈电线路自动化、用户自动化等四个层次的内容。馈电线路自动化由于投资规模大，技术上最近才有较大的发展，是实现国家未来电力规划的一项关键技术。馈线自动化主要完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、故障隔离和网络重构。其主要功能有：运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障区隔离、负荷转移及恢复供电、无功补偿和调压等。电压/无功优化控制是馈线自动化系统的一项基本功能，其内容是指针对每一运行方式(实时方式和研究方式)调整无功电源、电容器和变压器抽头，在保持各母线电压合格条件下尽可能降低网损。作为计划它能完成一天(或一周)的电压/无功调度曲线，同时尽量减少电容器和断路器的频繁投切；取实时网络运行方式，提出解除电压越限和降低网损方案，供调度员参考和进行实时电压/无功控制。馈线级分布电容的就地补偿和变电站电压无功的综合优化是用自动化来降低网损、改善供电质量和提高供电能力的有力措施。1.1.2研究意义现阶段，我国正在进行大规模的配电网改造。部分地区城网改造己经基本完成，农网改造正在大规模的进行着。配网自动化项目、无功补偿项目正在逐步成为城区、郊区供电局重点关注和准备实践的项目。根据这种情况和考虑供配电系统实际需要，本文提出研究配电自动化无功优化和控制方法，因为在配网自动化实施过程中，如果能将无功优化、控制考虑在内，对降低线损、实现配网经济运行有非常重要的意义。我国电力工业向来比较重视有功负荷、有功电量，轻视无功负荷和无功电量。但最近的一些信息表明，无功问题已经受到很大的重视。这是因为：1、无功补偿有着巨大的效益无功补偿技术适用于电力系统及各行业用电单位。对于电力系统，通过采用无功补偿技术可以降低线损，提高末端电压，保证供电质量对于用电企业，较大功率的用电设备，采用就地补偿装置可以取得同样的节能效果。电力部门在近年来进行的城市电网和农村电网改造中也强调无功的就地补偿。无功补偿节能技术可以为企业带来良好的经济效益和社会效益，电力系统和用电企业若采用此技术，将获得良好的收益。由于无功负荷大，功率因数偏低会造成大量有功电能损耗，多消耗无功就会相应地多消耗有功。无功负荷大，功率因数偏低，如果不能就地补偿，就使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，损失较大，值得注意。2、居民生活和楼宇无功负荷急剧增长居民生活和楼宇用电，在五、六十年代仅仅是指照明用电，而且照明灯具基本上都是白炽灯，功率因数接近。但自改革开放以来，在照明用电上推广荧光灯和节能灯，这些灯具的功率因数仅0.6；特别严重的是家用电器迅速普及，绝大多数家用电器的功率因数一般在0.7左右；只有电热水器属于电阻负荷，功率因数比较高。节能灯虽然可以节约有功电力和电量，但节能灯消耗了大量无功电力和无功电量，在推广节能灯时，只讲节约有功，不讲多消耗无功，不采取补偿措施是不妥当的。由于居民生活和楼宇用电中大量使用家用电器，用电量的比重急剧增长，仅居民生活用电占总用电量的比重己经达到，如果包括商业、宾馆、写字楼等楼宇用电，估计用电比重可达30%左右。这么大的用电量的功率因数严重偏低，对电力部门的经济影响是很大的。我国目前农村居民的家用电器的普及率还不高，随着农村电气化水平的提高，居民生活和楼宇的用电量还会有很大提高。世界上工业发达国家居民生活用电的比重可达30%-40%，加上楼宇用电可以超过，我国也必将朝着这个方向发展，我国应当重视居民生活和楼宇的无功用电问题。3、重视无功负荷问题提倡无功就地补偿国家经贸委节能信息中心告诉我们，无功也是一种资源，进行无功补偿可以达到节能，降低视在功率，提高电压合格率，获得巨大的经济效益。我国电力工业正在由粗放的数量型向集约的质量型转变，重视无功负荷问题。提倡无功就地补偿应当成为这个转变的重要内容之一来考虑。这可以从以下两方面来说明：(1) 要建立起无功也是资源，要像节约有功一样来节约无功的观念。要向用户宣传节约无功的重要意义，自觉进行无功补偿要提高供电企业职工对无功的认识，要像节约有功一样来注意节约无功，要像重视有功电能表的校验一样来重视无功计量装置的校验工作。电力部门要重新研究无功计价问题，是继续采用功率因数奖惩办法，还是采取其他计价措施。(2) 要修订家用电器的节能标准。感性负荷的家用电器不仅要有节约有功的标准，也应当有节约无功的标准，或者对各类家用电器的功率因数作出规定，要求家用电器制造商对各种家用电器的无功负荷进行补偿。1.2国内外研究现状降低网损是电网经济运行的一个主要目标，降低网损主要依靠一次系统合理的规划和运行，但通过一、二次系统的有效配合，即通过自动化还可使网损进一步降低。据国外文献报道，配电网网损约占整个电网能量输出的5%，通过自动化可在此基础上再减少10%(即整个配网的0.5%)。因此，在我国配网网损较高的情况下，自动化更应有所作为。目前，国外已经开始使用一些新型、快速的无功优化设备。例如，静态电容器(Static Condenser STATCOM)或静态补偿器(Static Compensatory STATCOM)是快速响应的固态电力控制器，它能向4.1669kV配电馈线连接处提供灵活的电压控制以改进电力质量；同时也是一个交流同期电压源，通过一个联络电抗和配电系统相关联，并能用改变电压源的幅值和相角的方法和配电系统交换无功和有功功率，其结果就可通过以STATCOM和配电线之间的联络电抗来控制电流。这样可调节无功电流和抑制电压波动。STATCOM是通过一个先进电力半导体装置组成的固态的直流到交流的变流器来实现的。它能有效地替代配电系统采用常规电压和无功控制组件、有载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。一台多功能的STATCOM包括的功能有电压控制、动态滤波、低损控制无功和有功功率。在国内，国家电力公司对城网建设改造所提出了明确目标：电压合格率提高到98%。而要达到和实现这些目标，不采用新技术手段和自动化手段难以实现。因为我国大部分中、低压配电网设备陈旧，配电变压器一般是不采用有载调压，SZ型有载调压变压器使用中不安装调节机构，所以实际上也是不能调整的。因此，目前使用分布式的电容器方式进行无功补偿仍是占十分重要的地位。我国配电网专用变压器普遍安装有变压器总容量30%左右的电容器，并且可以根据负荷的大小逐步投切，公用变压器是通过变电站的电容器提供无功功率。配电系统及配电设备的分布量大、面广，配电自动化系统所涉及的费用大部分为可遥控操作的开关设备的费用，以及控制系统、数据采集系统和通讯系统的费用。在控制及通信方面，中压配网的数据采集系统及通讯系统的投入远比控制系统本身高得多，这使配电自动化的实现很难在一个区供电局所管辖的网络内同时全面铺开，只能先对个别局部线路进行配电自动化的实验性运行，然后再逐步全面推广。对配网无功优化大部分厂家所提供的是对每台公用变压器进行就地补偿的方案，即对每台变压器安装无功补偿调节器和一组电容器。这种方案对于公用变压器比较多的网络，投资成本很大。1.3本文研究的目标(1)本文提出的负序和无功的综合补偿方法,比单独无功功率补偿方法效果更好; (2)现在大多数控制器是把需要补偿的无功功率作为控制信号,本文通过计算直接得到需要补偿的理想补偿导纳,并以此为基准对静止无功补偿装置进行控制,更加方便快捷; (3)采用TMS320LF2407A DSP芯片设计的数字化控制器,很好地解决了复杂控制计算及快速响应速度这一难题。第2章 无功补偿在电力系统中作用及工作原理电力系统无功功率优化是电力系统安全运行研究的一个重要组成部分。电力系统无功潮流分布是否合理，不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网的自身运行的安全性和经济性。合理的无功补偿点的确定以及补偿容量的确定，能够有效的维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低了电网的有功网损，减少发电费用。为了改善和提高电力系统的电压质量，充分发挥电力设备的经济效益，减少网络的功率损耗和电能损耗，一方面应在用户侧采取措施提高负荷功率因数，另一方面还应在电力系统的各变电站中合理配置无功补偿设备和调压装置，使无功负荷得到就地补偿，系统无功达到分区分电压等级平衡状态。因此，要做好无功电源规划建设、加强无功控制和电压管理，进行合理的无功调度。2.1无功功率对电力系统的影响电能在电网中的传输可以理解为功率潮流的流动。功率潮流可分为有功潮流和无功潮流两种。大量无功潮流在电网中的流动会产生很大的损耗，也影响电力系统的电压质量与稳定，对电网和用电设备的安全运行产生不利影响。为了保证系统的安全经济运行，应当尽可能地减少和避免不必要的无功潮流在电网中的流动，优化系统无功潮流的分布，随时随地维持无功功率的平衡。所谓电力系统的无功功率平衡就是指电网运行的每一时刻，所有无功电源发出的无功功率要与所有负荷消耗的无功功率和系统中各环节上的无功功率损耗相等。系统中的无功电源包括同步发电机、调相机、并联电容器、静止无功补偿设备等；系统中的无功损耗主要是指线路、变压器、电气设备中的无功损耗。从整个电力系统来讲，只有具备足够的无功电源来满足负荷对无功功率的需求和系统的无功损耗才能维持整个系统的电压水平。如果系统的无功电源不足，则会使系统处于较低电压水平上的无功功率平衡；反之，如果系统因为缺乏调节手段而使某段时间内的无功功率过剩，就会造成整个电网的运行电压过高。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求日益增长，同时对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增长、电源的大幅增加和电网建设的发展，可能造成系统的无功潮流分布不尽合理及局部地区的无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂。当系统受到较大干扰时，也可能在电压稳定比较薄弱的环节导致电压崩溃。工业生产和日常生活中的大部分负荷都是阻感负载，如：交流电动机、变压器、架空线、电抗器、非线性负载等等。在这些阻感性负载工作时就会和电网交换大量的无功功率。无功功率对电力系统的影响主要有以下几方面：1、增加设备和网络的损耗无功潮流在电网中流动会使线路发热、加速老化、绝缘降低，增加设备和网络的损耗。对于供电部门，网络的损耗会增加其供电成本，给系统安全运行带来隐患。对于用电单位，无功造成较低的功率因数会提高用电成本，引起终端电压的波动，降低了用电的稳定性和可靠性。2、降低设备的有效容量由于电气设备的视在功率是一定的，无功功率的输送占用了设备、线路的有效容量，从而降低了设备的使用效率。对于供电部门来说，造成了输电、供电能力的损失；对于用电单位来讲，造成了投资和资源的浪费。3、影响电压稳定水平负荷点的电压水平与无功功率平衡密切相关。如果系统不能向负荷提供足够的无功功率，负荷的端电压就会下降。快速变化的无功负荷还会造成电压的剧烈波动，使得系统电压的稳定遭到破坏。4、对发电机的不利影响发电机是系统的有功电源，同时也是主要的无功电源。当无功负荷变化时，如果系统中其它无功电源不足以维持整个系统的无功功率平衡，就需要发电机改变其运行状态来参与无功功率的调节。由于原动机的效率是按有功功率来衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，一旦发电机偏离额定工作状态，无论是提高功率因数多发出有功、还是降低功率因数多发出无功，均会导致原动机效率的降低，不能使发电机得到充分的利用。2.2无功功率补偿的原理配电网络中感性负荷较多。从电工学中我们知道，感性无功功率的电流相位滞后于电压相位，而容性无功功率的电流相位则超前电压相位。故常用容性无功功率补偿感性无功功率，以减少电网无功负荷，也就是所谓的电动机、变压器吸收无功电流而并联电容器“发出”无功电流的原因， 即并联补偿的原理。电容从电网吸收的无功功率是超前电流引起的，电感电路从电网吸收的无功功率是滞后电流引起的。由于超前电流与滞后电流的互补作用，也就是电容性负荷的无功功率补偿了电感性负荷的无功功率。当电网容量一定时，使无功功率减少，从而达到了提高功率因数的目的。电力系统中的大部分负荷是电感性的，这些感性负荷要消耗大量的无功功率，例如，感性电动机消耗的无功功率约占其总功率的60-70%，变压器约占其总功率的20-25%，而空载运行时，变压器的功率因数只占有0.01左右，感应电动机只有0.1-0.2左右。如果感性负荷所需的无功功率得不到就地补偿的话，势必由发电机来供给，即电器设备与电源之间存在大量的功率交换。大量的无功电流在负荷之间流动，造成电网电能的消耗，降低电源的功率因数。因此，一般需要增设无功功率补偿装置进行无功功率补偿，以提高系统电源的功率因数。并联无功补偿装置的补偿原理分析如下。假设电气负荷是电阻和电感组成的并联或串联电路，对、电路进行无功功率补偿，就需要对电路并接入容抗为的无功补偿装置，并联无功补偿的等值电路如图2-1所示。图2-1 并联补偿的等值电路图在图2-1所示的电路中，电流方程为： (2-6)由可知，当并联补偿装置不投入时，即不对负荷进行无功功率补偿，那么电源即要向负荷提供有功电流，还要提供无功电流，电源向负荷提供的总电流人，当并联补偿装置投入时，即对负荷进行无功功率补偿，那么电源在向负荷提供有功电流的同时，提供无功电流为，电源向负荷提供的总电流，特别是当时，电源不需要向负荷提供无功电流，功率因数等于1。一般情况下，这时可能的情况有两种：当并联补偿装置的容抗较小，时，负荷中的感性无功电流没有被完全补偿，这时电源的滞后，这种补偿称为欠补偿；当并联补偿装置的容抗较大，会出现的情况这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩余容性电流，电源的超前，这种补偿称为过补偿。对、串联的负荷进行无功功率补偿的电路如图2-1(b)所示。当并联无功补偿装置没有投入时，支路的电流有效值为： (2-7)支路的电抗为： (2-8)这时，电源输出的电流等于支路吸收的电流，电源的功率因数为： (2-9)当并联补偿装置投入时，支路的电流保持不变，并联补偿装置支路的电流有效值为： (2-10)补偿装置支路的电抗为： (2-11)这时，电源输出的电流等于支路吸收的电流，电源的功率因数为： (2-12)由式(2-12)可知，投入并联补偿装置后，电源的功率因数将增大，特别是当时，电源的功率因数为1。显然，当时，欠补偿；当时，过补偿。2.3无功补偿装置电力网中的无功补偿设备有很多，同步调相机、静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器都可以用来补偿无功或作为无功电源15。机械式投切的并联电抗器和晶闸管可投切并联电容器是目前我国常用的无功调节设备，这些静止型调压设备无功调节不连续，并且响应速度慢(秒级)，很难适应系统运行状态的快速变化。静止无功补偿器和静止无功发生器是20世纪70年代以来出现的先进的补偿装置，响应速度快，运行范围宽，完全可以达到动态无功补偿的需要，但所需投资较大。2.3.1同步调相机同步调相机实际上是不带机械负荷、空载运行的同步电动机。它从电网中吸取少量有功功率供给运转时的机械损耗和铜铁等损耗。同步调相机有过激磁和欠激磁两种运行方式过激磁运行时，向系统提供感性无功功率，为无功电源，这是一种经常的运行状态欠激磁运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷，这是在系统负荷较轻，无功功率过剩，电压过高时的特殊运行状态。只要改变同步调相机的励磁，就可以平滑地改变它的无功功率地大小及方向，因而可以平滑地改变所在地区的电压。自20世纪2、30年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作用，所以被称为传统的无功动态补偿装置。然而，由于它是旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。但由于其自身的优点，即在系统电压降低时，靠维持或提高本身的无功处理能力，可以给系统提供紧急的电压支撑，所以至今仍在高压输电系统中发挥作重要作用。另一方面其体积大、噪音高、维护不方便、造价高等原因，目前在中、低压输电区域，大部分己被并联电容器组所取代。2.3.2并联电容器设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内外均获广泛应用。并联电容器补偿无功功率的方式按其安装的位置不同，通常有三种：1、 变电站集中补偿方式；2、 用户集中补偿方式；3、 用户终端分散补偿方式。电容器与网络感性负荷并联，以并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现对无功功率的连续无级动态补偿。2.3.3静止无功补偿器SVC20世纪70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置(Static Var CompensatorSVC)所取代，目前有些国家己很少使用同步调相机。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(Saturated ReactorSR)型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置 1617 。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了晶闸管的静止无功补偿装置。1978年此类装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竟相推出了各具特色的系列产品。近10多年来，占据了静止无功补偿装置的主导地位。于是静止无功补偿装置(SVC)成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)和晶闸管投切电容器(Thyistor Switched Capacitor-FC)，以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与固定电容器(Fixed Capacitor-FC)或机械投切电容器(Mechanically Switched Capacitor-MSC)合使用的装置(即TCR+FC.TCR+MSC)等。随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的无功补偿，有人称为静止无功发生器(Static Var Generator-SVG)，也有人称其为高级静止无功补偿器(Advanced Static Var Compensator-ASVC)或静止调相器(Static CondenserSTATCON)。最近，日本和美国己分别有数台装置投入实际运行4。早期的无功补偿装置主要是无源装置，方法是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或电抗器。这些补偿措施改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗，无源装置使用机械开关，它不具备快速性、连续性的特点，因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。SVC补偿装置可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。装置作为系统补偿时连续体调节并与系统进行无功功率交换，同时还具有较快的响应速度，它能够维持端电压恒定。2.4无功补偿装置的比较表2-1为各种补偿装置的优缺点对比，表中指出了几种补偿装置的应用场所，对农电网的来说，由于其负荷比较分散,单处所需补偿容量相对较小，故总的原则应该是以电容器为主。因其具有设备简单,容量大小组合灵活，安装和维护方便,本身损耗低，单位投资省等一系列优点，因而在电力网(特别是农电网)的无功补偿中得到了广泛的应用5。表2-1 各种补偿装置的比较补偿装置应用场所主要优点主要缺点并联电容器变电所及用户安装地点灵活，可分散也可集中安装；容量可任意选择；结构简单,投资省，运行维护方便、经济，容易实现系统优化控制；功耗小调节容量阶梯形变化，不连续；补偿容量随电压变化而变化；对谐波有放大作用；投切时有冲击电流；补偿母线附近发生短路电流是助长冲击电流并联电抗器高、中压变电所及线路中点吸收线路容性无功，结构简单，投资省，运行维护方便、经济容量固定，分组投切时，调节容量阶梯性变化，不平滑静止补偿器高、中压变电所能升高或降低电压，可连续调节，性能好，响应速度快，仅有5-10ms产生谐波，投资大调相机大型变电所及大用户可连续平滑的调节电压，谐波少投资大，旋转装置维护复杂，响应速度较慢第3章 无功补偿容量和位置优化的计算在电力市场条件下，供电电压质量是电力系统电能质量的重要指标之一，而供电质量的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，是维持电压水平和提高电力系统运行稳定性的重要手段，同时还可以降低有功和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。电力系统无功优化是在网络结构和系统负荷给定的情况下，通过调节控制变量使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。武功优化能使电能质量、系统运行的安全性和经济性很好的结合在一起。3.1电力系统无功优化与补偿的描述3.1.1目标函数在传统运行条件下，电力系统无功优化的数学模型要反映网无功优化的目标和要求，既要考虑有功网络损耗最小，又必须考虑到负荷节点电压质量，同时还要兼顾无功补偿设备的投切组数的合理。因此其目标函数一般确定为2： (3-1)式中：为配电网全部节点个数；为配电网无功补偿节点个数；为配电网线路上的总的有功功率损耗；、分别为节点、之间的电导、电纳、相位角；、分别为第、节点运行电压；为投入的电容器组数；为全部负荷点电压越限罚函数的惩罚因子；为线路诱供损耗的加权系数；为电容器投入罚系数。在 (3-1)中的节点电压按下式计算： (3-2)3.1.2约束条件(1) 无功功率平衡方程： (3-3)式中：为补偿点总数；为补偿节点可投入电容器组的单组容量；为补偿节点的可投入电容器组数；为配电网中的总无功功率损耗；为负荷消耗的无功功率；为配电网中总的无功电源出力。(2) 不等式的约束条件： (3-4)式中：为配电网的节点电压；为各补偿点可投切电容器组数；为有载调压变压器档位。由此可见，电力系统无功优化问题是一个多目标、多变量、多约束的混合非线性规划问题，其优化变量既有连续变量（如节点电压）又有离散变量（如变压器调压档位、无功补偿装置组数等），使得整个优化过程十分复杂，特别是优化过程中离散变量的处理更增加了优化问题的难度。3.2确定最佳补偿容量和位置的等面积法则3.2.1等面积法则如果装设电容器的费用略而不计，即令； 如果装设电容器的费用略而不计，为使总节约值最大，装设己知位置的最佳电容电流将由下式给出： (3-5)其中： (3-6)即为折合后等效均匀配电线路中线段中无功电流的平均值。该定理可以改写为下述形式： (3-7)3.2.2等面积法则求解过程为了确定电容器的最佳位置和最佳容量，其步骤是交替使用确定最佳位置定理和最佳容量定理，以等面积法则来制约它们之间的关系。 这种方法的基本程序是：从任选处开始，确定，然后引用等面积法确定，依次重复列推，直至求得，。当第一次重复步骤求出，则可检验出其在线段上是否满足等面积法则。如果满足，则得到的解便为最佳值，如果不满足，则应调整，并再次重复整套过程。下面以三组电容器为例说明它的应用配电线路的无功负荷分布如图(3-1)。第一步：选择；第二步：按照确定最佳补偿位置定理确定，使选用在这个意义上是最佳的，有： (3-8)则： (3-9)第三步：按着最佳补偿容量定理来确定，使前边选择的和所得的是最佳的，即在线段上满足等面积法则。其过程是：(1) 按下式确定点 (3-10)(2) 过点画点线I与原始负荷曲线F(x)平行；(3) 找点，使。第四步：向第二步那样，确定，使其满足： (3-11)第五步：如同第三步，按下述方法确定：(1)按下述方法确定点 (3-12)(2)过点画点线平行于F(x)；(3)找点，使。第六步：如同第二步和第四步，确定，使其满足： (3-13)第七步：不需要再确定另外的位置，只需应用等面积法则对前边求得的解, ,，进行检验，看其是否为最佳解。其过程如下：(1) 确定点；(2) 画曲线与F(x)平行，便确定了；(3) 存在三种可能性：其一：如果，等面积法则的到了满足，则所确定的位置， ，和容量，是最佳的； 其二：如果，回到第一步，选择新的权值，并较前一次八稍微靠近变电站，重复其余各步；其三：如果，回到第一步，选择新的值，并较前一次稍微远离变电站，重复其余各步。3.3基于等面积法则的无功优化计算3.3.1配电网线路参数的计算对上述实际配电线路所进行的计算，根据计算的需要，折算到标么值进行计算。根据计算需要，=100MVA，=10.5kV。根据文献6中所述计算方法对导线的电阻进行计算。1、导线电阻的计算(1) 直流导线电阻： (3-14)电阻率： (3-15)上式中：线路长度，； 导线截面，； 绞入系数，单股导线为1，多股导线为1.02； 导线温度为20时的电阻率，铝线芯0.0282， 铜线芯为0.0172； 导线温度为时的电阻率，； 电阻温度系数，铜和铝都取0.004； 导线实际工作温度，；(2) 交流导线电阻： (3-16) (3-17) (3-18)导线的可用上式计算(当频率为50、芯线截面不超过240时，均为1)；式中： 导线温度为时的直流电阻，； 临近效应系数； 导线温度为时的电阻率，； 线芯半径，cm； 电流透入深度，cm； 相对磁导率，对于有色金属导线为1； 频率，。2、导线电抗的计算配电工程中，架空线的各相导线一般不换位，为简化计算，假设各相电抗相等。另外，线路容抗常可忽略不记，因此，导线电抗实际上是感抗值。电线、母线和电缆的感抗按下式计算： (3-19)式中： 线路每相单位长度的感抗，/；频率，；电线、母线或电缆每相单位长度的电感量，；其中： (3-20) 式中： 几何均距，；电线或圆形芯电缆主线芯的半径，；电线或圆形芯电缆主线芯的直径，；线芯自几何均距或等效半径，；当时，式(3-41)可简化为： (3-21)3.3.2配电线路长度和无功电流分布的折算等面积法不受负荷分布情况的限制，并能使线损的下降值最大，并能使线损的下降值最大，以获得最大的经济效益，而且方法具有良好的通用性。因此，我使用等面积法则来优化无功补偿的容量和补偿位置。1、配电线路长度的折算在实际的配电网中，不论无功负荷的分布还是配电线路本身都是不均匀的，本文作者使用现实存在的模型进行简化。为了简化推导，把实际配电线路长度折合为均匀的等效线路，其等效方法如下： (1) 设实际配电线路为段，选择第段电阻，作为等效线路每公里的电阻，将第段的实际长度做如下变换： (3-22)式中：第段等效均匀线路长度。 (2) 等效均匀线路的总长度由下式确定： (3-23)用线路的等效均匀总长度除每段等效长度便可得到各段的折算等效均匀长度，即： (3-24)而均匀线路的电阻值为： (3-25)通过这种方法把具有不同型号的实际导线上的均匀负荷换算成等效线路上的不均匀负荷。2、无功电流分布的换算对于三相不均匀分布的无功负荷，我们对换算后电流密度和折算后的等效线路上的无功电流是用下述方法定义的： (3-26) , (3-27)式中： 变电所输出的峰值无功电流； 折算等效均匀线路自首端起算的距离；点无功电流。3.3.3计算最佳补偿位置最佳补偿位置公式为： (3-28)由于最佳补偿位置是由计算开始前，假设形成的，因此使用： (3-29)来确定最佳补偿电流。3.3.4计算最佳补偿容量最佳补偿容量定理为： (3-30)但在使用中，却使用此公式来求补偿平衡点： (3-31) 再根据求出的补偿平衡点，求出第点的最佳补偿位置。通过不断重复使用最佳补偿位置定理和最佳补偿容量定理来求出最优解。通过以上论述不难看出，等面积法通过配电线路的折算，将配电线路折算为等效均匀长度，将线路中的负荷视为集中在线路末端，通过最佳补偿位置定理和最佳补偿容量的反函数来求出最优解。此方法有计算简单，不受线路电阻和负荷分布不均匀影响，方便编程等优点。但对于线路分支的处理，存在着方法上的缺陷。第4章 电网无功检测与补偿系统的硬件设计 电网无功检测与补偿系统的硬件电路主要包括电压转换电路、驱动电路、键盘显示电路、电容投切电路（TSC电路）、电源设计、滤波电路、保护电路的设计。4.1主控芯片TMS320LF2407A主控单元以TMS320LF2407A DSP芯片为核心，完成采样、计算、触发、检测、滤波、显示、补偿等功能。TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应用。 系统组成 TMS320LF2407A系统组成包括：40MHz、40MIPS的低电压3.3VCPU、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备。其芯片管脚如图4-1所示，其最小系统如4-2所示。CPU及总线结构 TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。其中央算术逻辑单元（CALU）是一个独立的算术单元，它包括一个32位算术逻辑单元（ALU）、一个32位累加器、一个1616位乘法器（MUL）和一个16位桶形移位器，同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于CALU的辅助寄存器单元（ARAU）包含八个16位辅助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同时执行八个辅助寄存器（AR7至AR0）上的算术运算。两个状态寄存器ST0 和ST1用于实现CPU各种状态的保存。 TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条16位总线，即程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）、数据写地址总线（DWAB）、程序读总线（PRDB）、数据读总线（DRDB）、数据写总线（DWEB），其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行。 存储器配置 TMS320LF2407A地址映象被组织为三个可独立选择的空间：程序存储器（64K）、数据存储器（64K）、输入/输出（I/O）空间（64K）。这些空间提供了共192K字的地址范围。 其片内存储器资源包括：544字16位的双端口数据/程序DARAM、2K字16位的单端口数据/程序SARAM、片内32K16位的Flash程序存储器、256字16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可编程加密特性。 TMS320LF2407A的指令集有三种基本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式。 事件管理器模块 TMS320LF2407A包含两个专用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器（GP）、全比较单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元。 通用定时器。TMS320LF2407A共有四个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生PWM输出以及软件定时的时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式和连续增/减计数模式。 全比较单元。每个事件管理器模块有3个全比较单元（1、