（控制理论与控制工程专业论文）配电网无功补偿最优化理论的研究与应用.pdf

中南大学硕士论文配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 内 容 摘 要 又 通 过 对 典 型 无 功 负 荷 统 计 特 征 的 数 学 分 析 ， 寻 求 到 能 最 大 限 度 避 免 “ 振 荡投切”的分组方法， 解决了“ 振荡投切” 和“ 循环投切” 对电容分组要求 的矛 量两 功补偿的最优化问 题可分解为选取最佳补偿点和最佳补偿容 佳补偿节点的选取可以抽象为一个一般约束的非线性规 法， 通过工程简化， 求得了 一种快速、 独立， 且复杂度不会随节点的增多而 有较大变化的算法，能同时应用于联网和独立两种工作方式。在此基础上， 总结了“ 配电网智能型无功自动补偿、电能质量与负荷监视一体化系统” 的 研制过程， 并详细介绍了 方案的选取、 关键技术的 解决思路和系 统实现， 同 时对后续研究提出了看法。 ab s t r a c t b a s e d o n t h e m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s o f t h e s t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f t h e r e a c t i v e - p o w e r , t h i s p a p e r p r e s e n t s a k i n d o f o p t i m a l c 即a a t a n c e g ro u p i n g , w h i c h c a n m e e t s t h e c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n th e “ o s c i l l a t o ry o p e r a t i o n a n d t h e “ c y c l i c o p e r a t i o n . t h e o p t i m a l p r o b l e m o f t h e n e t w o r k v a r c o m p e n s a t i o n c a n b e d i v i d e d i n t o t w o p a r ts . o n e i s t o s e l e c t t h e o p t i m a l n o d e s . t h e o t h e r i s t o s e l e c t t h e o p t i m a l c a p a c i ty . t h e f o r m e r i s a n p p ro b l e m , a n d k w h n - t a c k e r t h e o ry g i v e s t h e s o lu t i o n . i n t h i s p a p e r , i t i s s o l v e d b y u s e o f b f g s a l g o r i t h m t h e l a tt e r c a n b e s o l v e d w i t h d y n a m i c p ro g r a m m i n g . w e f in d a k i n d o f a l g o r i t h m , w h ic h is f a s t , i n d e p e n d e n t , s im p l e a n d w i l l n o t b e c o m e m o r e c o m p l i c a t e d w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e n o d e s . t h i s a l g o r it h m c a n b e u s e d a t b o t h u n i t e d m o d e a n d i n d e p e n d e n t m o d e . t h i s p a p e r s u m m a r i z e s t h e p ro c e s s o f d e v e l o p i n g“i n t e l l i g e n t s y s t e m o f v a r c o m p e n s a t i o n a n d p o w e r q u a l i t y a n d l o a d s m o n i t o r f o r p o w e r s y s t e m , p a r t i c u l a r i z e s t h e c o n t e n t s o f d e v e l o p m e n t , k e y - t e c h n o l o g y a n d p l a n , a n d g i v e s s o m e s u g g e s t s f o r t h e f u t u re d e v e l o p m e n t . 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 前 言 电网的无功状况是衡量电网质量的重要指标之一。 在电力系统中，无功 要保持平衡， 否则， 将会使系统电 压下降， 严重时。 会导致设备损坏， 系统 解列。 此外，电网的功率因数和电压降低， 使电气设备得不到充分利用，促 使网络传输能力下降， 损耗增加。 因此， 解决好无功补偿问题， 对电网降损 节能有着极为重要的意义。 在我国电力工业发展过程中，因多年 “ 重发电、轻供电”思想的影响， 造成电网建设落后， 结构不合理， 导致城市和农村配电网无功补偿不足， 电 能质量不高等， 电能的损失和浪费十分严重。 随着经济发展， 一方面无功分 布的不均匀性和时变性更加明显， 另一方面社会对电网无功状况的要求也越 来越高。 传统的一种方法是根据电网年平均参数， 按优化理论选择最佳投切 电容量和投切点。这种方法的缺点在于电容量不能随电网参数波动而改变， 不能动态解决无功分布不合里、 电压波动大的问题; 另一种方法是对补偿点 的参数进行跟踪， 动态补偿。 这种方法没有考虑整个电网的综合情况， 只适 用于电网末端就地补偿. “ 配电网智能型无功自 动补偿、电能质量与负荷监视一体化系统”就是 针对上述情况而设计的，于一九九七年三月由国家科委立题，为国家 8 6 3 高技术目 标产品资助项目 ( 8 6 3 - 5 1 1 - 8 2 0 - 0 0 7 ) 。该系统经鉴定达到国际先进 水平，并与一九九九年底通过国 家 “ 8 6 3 ” 专家组的验收，同时获得湖南省 科委科技进步三等奖，湖南省教委科技进步一等奖。 与传统方法相比较，该系统成功地实现了:电网无功的最优补偿;通 过无线通讯方式， 将数据传送至调度中心， 实现电能质量与负荷监视; 在联 网工作方式下， 通过控制器之间的信息交换， 采用动态规划方法实现全电网 无功的最优补偿。 运行稳定可靠。 操作简单、 维护方便， 运行情况显示直观， 并且具有手动、自 动无扰动切换功能，己 具备联机通讯、 构成c 工 m s 网的 功 能。该装置控制精度高，抗干扰性能均优于国 家专业标准 g b / t 1 5 5 7 6 - 1 9 9 5 的规定。 系统采用高性能1 6 位工业用c p u 为核心和宽温型低功耗集成电路、 液 晶屏、串行e p r o m等，降 低了系统功耗， 保证了重要数据的可靠存储;系 统可分三屏实时显示相电流、 相电压、 线电压、 功率因数、电网频率、 有功 功率、 无功功率、 电 容器投切状态和系统温度， 且其测量精度高; 系统增设 了双重 “ 看门狗” 结构， 避免出现“ 死机” 情况;设计有数据通讯接口， 可 中南大学硕士 论文配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 根据软件中不同的 通讯协议满足不同 通讯要求。通讯模块的核心部分采用 m o t o r o l a 公司 生产的2 8 3 1 , 3 3 6 3 无线通讯专用集成芯片组， 具有工作稳定、 抗干扰能力强、 无温飘等特点， 同时解决了大功率发射管散热问 题、 屏蔽技 术和波形整型技术， 使其适合于户外长期工作。 利用电 路c a d 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; 智能控制器的 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。 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 侧量精度: 用软件实现电 容器投切的循环控制， 以保证电容器具有相同的平均使用率，有效的延长了电容器的使用寿命。 设计过程中，我们将电网无功补偿的最优化问题分解为选取最佳补偿 点和最佳补偿容量两个问 题，并通过对典型无功负荷统计特征的数学分析， 寻求到能最大限度避免“ 振荡投切” 的分组方法， 解决了“ 振荡投切” 和“ 循 环投切” 对电容分组要求的矛盾。 全电网无功补偿最佳补偿节点的选取可以 抽象为一个一般约束的非线性规划问 题。 根据 k w h n - t a c k e ; 理论， 我们将 b f g s算法成功用于对此问题的最优值求解。在考虑无功潮流沿线分布的情 况下， 我们将潮流的分布分为四 种典型数学类型， 并对每一种类型都作了 细 致分析。 动态实现全网无功最优补偿的前提条件是各控制器必须以电网其它 节点的参数作为决策依据，为此我们采用了 动态规划方法， 通过工程简化， 求得了 一种快速、 独立且复杂度不会随节点的增多而有较大变化的算法， 该 方法同样适用于控制器独立工作方式的情况。 在独立工作方式下， 控制器只 用于对采样点进行补偿， 因此数据量较少，目 标函数简单。 对问题作进一步 简化后， 我们得出了 在工程允 许范围内的一个简洁的解， 使得控制的 实时性 和精度更好。 本文是对该项目 研制过程的总结， 对无功补偿最优化问题的数学分析、 本系统的总体设计思路、 研制内 容和系统实现都作了较为详细的介绍， 希望 能为大家以 后遇到此类问 题时有所参考。 由于本人能力有限，文章中的不足之处，敬请各位同仁指正。 范力涵 2 0 0 1 . 2. 2 0 中南大学硕士论文 配电网无功补 偿最优化理论的研究与应用 第一章课题来源和无功补偿的意义 .1课硬来慈 “ 配电网智能型无功自 动补偿、电能质量与负荷监视一体化系统” 为国 家8 6 3高技术目 标产品资助项目: 8 6 3 - 5 1 1 - 8 2 0 - 0 0 7 ， 于一九九七年三月由 国家科委立题，由中南大学研制开发。 1 .2无功补偿和提离功率因致的盆义 所有用电设各，都有电感和电容存在。 所谓无功负荷，是指为了维持电 源与用电 设备的电感、 电 容之间 磁场和电 场振荡所需 要的能源。 因 此， 只要 电力系统已 经形成， 该能量是不可避免的。 无功电 源如同有功电 源一样， 是 保证电力系统、电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。 在电 力系统中， 无功要保持平衡， 否则， 将会使系统电 压下降， 严重时， 会 导致设备损坏， 系统解列。 此外， 电网的功率因 数和电 压降低， 使电 气设备 得不到充分利用， 促使网络传输能力下降， 损耗增加.因此， 解决好无功补 偿问题，对电网降损节能有着极为重要的意义。 1 . 2 . 1电力网的功率因 致 电力网除了 要负担用电负荷的有功功率p ， 还要负担负荷的无功功率q = 有功功率p 、 无功功率q和视在功率s 之间 存在下述关系: 3 = 寸 p x + q 2 ( 1 - 1 ) c o s ( 1 - 2 ) 被定义为电力网的功率因数， 其物理意义是线路的视在功率s 供给有功功率 的消耗所占百分数。 在电 力网的 运行中， 我们所希望的是功率因数越大越好， 如能做到这一点， 则电 路中的 视在功率将大部分用来供给有功功率， 以 减少 无功功率的消耗。 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的 研究与应用 ， . 2 . 2改兽设备的利用率 功率因数还可以表示成下述形式: c o s 沪 =p = s p , f u i ( 1 一) u :线电压: i : 线电流。 可见，在一定的电 压和电 流下， 提高c o s 0 ， 其输出的 有功功率 将增大。 因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。 1 .2 .3提高功率因掀可以减少电压损失 电力网的电压损失可以表示为: a u = p h 匕 史 u 可看出， 影响八 u的因数四个: ( 1 礴) 线路的 有 功功率p 、 无功 功率q 、 电 阻r 和电抗 x .x , 的电容来补偿，则电压损失为: u = 如果采用容抗为 p r + q ( x 一 x , ) u ( 1 - 5) 故采用补偿电 容提高功率因 数后， 电 压损失八 u减小， 改善了电 压质量。 1 . 2 .4 减少线路损失 当线路通过电流i 时，其有功损耗为: a p = 3 1 2 r x 1 0 - 3 ( k w )( 1 - 6 ) 八尸 =3 pz r u z c o s , 0 x 1 0 - s ( k w ) ( 1 - 7) 可见， 线路有功损 耗 尸与c o s t q5 成反比 ， c o s 0 越高， 尸越小。 对全 网线路有功损耗的降低值， 应按线路节点间电阻以 及所通过的无功负荷分段 求出，再将各段的值相加。 1 .2. 5提高电力网的传翰能力 中南大学硕士 论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 视在功率与有功功率成下述关系 p=s c o s 沪( 1 - 8) 可见， 在传送一定有功功率尸的条件下， c o s p 越高， 所需视在功率越 ，j 、 。 1 . 2 . b降低变压器的损耗 投入电 容补偿后， 流过变压器绕组中的电流减少， 故绕组的有功损耗也 相应减少。单台变压器减少的有功功率为: 。 一 。 赞 r g x 10- ( 1 - 9 ) qc: 补偿电 容量; q : 变压器无 功负 荷: r r :变压器等效电阻。 铜损减少的有功功率为: ( 1 - 1 0 ) 勺 、!jz 六-汽 、 一 ， 2ap k 1-cos 刀 :变压器的负载率: c o s 0 , , c o s 95 2 : 补 偿前、 后的 功率因 数: e p k :变压器的额定铜损。 1 . 2 .7 增加变压番的翰出 功率 由于补偿后无功负荷的减少，负载降低， 相应地增加了变压器的富裕容 量， 提高了输出能力。 设 补偿 后的功率因 数为。 o s 0 2 ， 补 偿后 新增负荷的 功率因 数为c o s p , 则有四种情况: 1 .当。 os p o c o s 0 2 时 二一 了 s z c o s 2 ( 0 2 一 0 0 4 当c o s 45 p = 1 时， 令式 + s ,2 一 s 2 一 s 2 c o s ( 0 2 一 0 1 ) ( 1 - 1 3 )中05 . = o ，得 ( 1 - 1 3 ) a = s z c o s 2 y 2 + s ; 一 s z 一 s 2 c o s o 2 ( 1 - 1 4 ) s r. s: s 2 :补偿前、 后的 视在功率; 补偿后增加的视在功率。 中南大学硕士论文配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 第二章我国电网无功的现状和国内外研究现状 z . 1我国电网无功的现状 在我国电力工业发展过程中，因多年 “ 重发电、 轻供电” 思想的 影响， 造成电网建设落后， 结构不合理。 导致城市和农村配电网无功补偿不足， 电 能质量不高等。 系统无功对电 压影响大。 无功功率的不足或过大， 将引 起系 统电压的下降或上升，从而造成电能的 损失 和浪费十分严重。 从微观角度看， 随着电网容量的扩增， 用户家用电器感性负载的不断增 加， 使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。 以长沙市为例， 统计表明， 城网的公用变低压侧功率因数均在。 . 6 - 0 .7 之间。过低的功率因数导致公用 变低压侧线路损耗大， 供电电压指标不能满足用户要求。 用电高峰期， 用户 末端电 压远远低于国家标准， 而用电 低谷期， 末端电 压又远远超过国家标准， 不仅电能浪费十分严重， 而且影响 用电设备的使用寿命。 因此， 在公用变低 压侧进行无功功率补偿已 成为目 前提高供电 水平、 降 低无功损耗急需解决的 问题。 从宏观角度看， 整个电网的无功潮流分布不平衡。目前， 国内无功补偿 主要采用变电 站集中补偿和企业就地补偿两种形式。 这两种形式都是基于某 一个采样点的无功情况进行补偿， 不能综合考虑整个电网的实时运行情况， 而无功潮流在整个电网上是动态分布的， 传统的补偿方法无法解决无功潮流 分布不平衡、电压波动大等问题。 鉴于电力系统特点，我国电价结构实际上是包括基本电费、电量电费和 按功率因 数调整电费三部分。 发、 供电 部门， 除了 供给用户的有功负荷之外， 还要供给用户以 无功负荷。 对一般工业用户而言， 要求功率因数为0 .8 5 ， 即 供应每兆瓦时有功电 量， 则免费 供应无功电量为6 1 9 k a r 。 这种搭配比 例已 不 适应大电力系统发展，因为大电网的高压输变电 设备输送无功的损耗很高， 并且随负荷波动变化很大， 同时大多数民 用电器不带补偿装置， 因此， 理想 的补偿方案是无功就地供应，自 动调整。目 前。 国内对用于城市配电网公用 变低压侧的 无功自 动补偿系统的研究正在起步。 一些地区推出了 户外型无功 固定补偿和自 动补偿装置， 但由于户外环境恶劣，系统运行的可靠性不高， 难以满足现场运行要求，并且依阳 不能综合考虑整个电网的运行情况。 电网无功状况是衡量电能质量的一个重要指标。随着电力系统的发展， 尤其是数字电力系统 ( d p s ) 概念的 提出， 对调度管理决策的科学性、 电能 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 质量和负 荷的监视提出了 更高要求。最优调度、指令效果反馈、负 荷预估、 远程抄表等问题的解决都必然要求对电网中、 低压端的电能质量和负 荷情况 进行监视。 理想的无功补偿器应该能实时跟踪电网运行状态， 进行信息交流， 寻求最佳补偿量，为电力系统c i ms 打下基础。 2 . 2国内、外无功补偿的研究现状 国外， 电网是否安装户外无功补偿己 成为衡量配电网性能的主要指标之 一。 如在日 本， 配电网系统户外补偿电容 器的自 动投切率已 达8 6 .4 % . 国 外 无功补偿装置的安装都是基于 全电网的无功平衡和最优效率， 一般包括电网 重要节点补偿和设备就地补偿两种。 补偿系统都采用先进的微电脑控制，自 动化程度很高。 但未见有电网 参数遥测监视和无功自 动补偿一体化系统的 报 道。 国内. 无功补偿主要采用变电 站集中 补偿和企业就地补偿两种形式。 户 外型无功自 动补偿系统的 研究正在起步， 已 有一些科研单 位和公司 推出了 相 应产品。 目 前主要存在问 题是 控制规律简单、 抗干扰能力差， 由 于户外工作 环境相对恶劣， 装置的可靠性和控制精度难以 满足现场运行的 要求。 此外还 不具备通讯功能， 不能实现全电网的无功优化， 不能对电能质量进行在线监 视以满足现代化电力系统建设的需要。 中南大学硕士论文 配电网 无功补偿最优化理论的 研究与应用 第三章目前国内主要补偿方案的简介及存在的问题 国内无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。从补 偿方法上看，主要有固定、手动、自 动三种。 3 . 1固定补偿方案 固定补偿主要综合整个电网的各项年平均参数， 根据无功的分布情况选 取若干个补偿点， 每个点投入若干单位的电容量， 使得全年节能效益与经济 投入之比达到最佳。 这种方法的 优点是能综合考虑整个电网的运行特点， 既 取得了最佳经济效益又兼顾了 全网无功潮流的平衡; 缺点是补偿容量不能跟 随电网的实时运行状况， 其最佳值是年平均意义上的， 电压波动问题依然存 在，当电网负荷发生变化时，这种方法就无能为力了。 3 . 2手动补偿方案 手动补偿通过若干电容器组的组合， 达到改变补偿容量的作用， 适用于 时间上呈一定规律变化的负荷， 缺点是分组过于粗糙， 设各体积庞大， 需专 人守护，并且只针对采样点参数进行计算，不能达到最佳补偿效果。 3 . 3自 动书 卜 偿方案 自 动补偿是微电子技术在电力系统的应用。 控制器根据传感器的数据， 计算出当前电网所需的无功补偿量并控制电 容器组的投切， 达到实时补偿的 目 的。 现有无功自 动补偿装置的种类很多， 设计也各不相同， 但基本上都是由 四个部分组成: 检测单元、控制单元、执行单元、电 源。其逻辑关系框图如 图3 - 1 所示。 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 图3 - 1无功自 动补偿装置苍本结构圈 各部分的功能如下: 检测单 元是从电网中检测出与网 络功率因 数直接或间 接相关的参数，并 将此参数信号转换成控制单元能接收的信号， 传送给控制单元， 由 控制单元 做出投切决策。 控制单元接收到检测信号后， 将其和目 标值进行比较， 并根据比较结果 和参数做出决策，送给执行单元。 执行单元接到命令后， 通过投切开关控制电容器组的投切，完成补偿任 务。 现在国内外自 动补偿装置总括起来不外乎以下两大类型: ( 一)间接控制型 这类控制器是以控制与功率因数或无功功率相关的物理量 如时间、电 流、电 压) 为控制原则， 它的 优点在于装置简单可靠、 成本低、 易维修， 但 它只适用于无功负荷与其他物理量( 时间、 电 流、 电压) 密切相关的条件下， 因此不能普遍采用。 二) 直接控制型 这类控制器是以控制无功功率或功率因数为控制原则， 因此可根据无功 负荷的变化， 实现最佳补偿， 虽然它有成本较高、 装置较复杂、 不易维修的 缺点， 但它有较高的补偿精度， 适用于各类负荷。 因此目 前国内 外广泛采用 此控制原则。 3 . 3 . 1无功补侣自动控制翻的发展概况 无功补偿自动控制器发展至今大体经历了三个阶段，具体如下: 一)早期产品 早期产品的原理方框图见图3 - 2 0 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 信号 图3 - 2 早期自 动补偿器原理方框图 检测单元由 相敏放大器构成， 它输出直流电压的幅值标志无功电 流的 大 小，输出直流电压的极性反映了无功电流是感性还是容性。 控制单元由放大、延时电路组成，由 射极跟随器构成的放大、延时电 路 对检测部分输出的直流信号进行放大， 并按极性使相应的 极性继电器接通延 时电路，经延时后使执行单元工作。 执行单元由节拍发生器、 继电器和步进选择器构成。 延时继电器动作后， 使节拍脉冲发生器产生周期性动作， 步进选择器按节拍侮跳跃一步， 即可投 入或切除一组电容器。 早期产品普遍存在一个共同的缺点， 即相敏放大器的晶体管始终工作在 放大区。 因此， 相敏放大器输出电 压的大小不可避免地受到了线路负载电流 变化的干扰， 给调试带来很大困难， 严重时使装置工作台失灵， 甚至损坏晶 体管。 ( 二)中期产品 为了克服早期产品的 缺点，中 期产品 在线路上作了改进， 采用了 数字电 子技术， 其典型原理方框图如图3 - 3 所示。 图 3 一中 期自 动补偿器原理方框图 工作原理是: 检测单元利用运算放大器将电网电 压和电流的相位差转换 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 为不同极性的直流信号。电 流信号取自 一相电流互感次级取样电阻的两端， 电压信号由另外两相间线电压经互感器降压后取得。 检测单元将检测信号传给控制单元的电平转换电路，当电网呈感性时， 电平转换输出高电 平，计数控制逻辑和延时电 路输出 低电平，由于 此时 m 控制线呈高电平， 可逆计数器做 “ 加法” 计数， 经译码后向输出单元发出 投 入信号。 执行单元接收到控制单元发出的命令后动作，控制主回路交流接触器将 电容器分组投入。 当功率因数逐步达到设定值 ( 如0 . 9 5 )以上时，检测单元输出为零， 控 制单元停止工作， 功率因数保持在最佳值。 当电网呈容性时，检测单元输出的信号经电平转换输出低电平，计数控 制逻辑及延时电路输出低电 平。由于此时m控制线呈 低电平，可逆计数器 做 “ 减法”计数，经译码器译码发出切命令。 输出单元接到命令后，控制主回路交流接触器将电容器分组切除。 在电 容器全部切除或投入的情况下，还不能使功率因数达到设定的范围 时，装置控制单元的自 锁功能起作用，以防1 卜 装置损坏。 中期产品主要在控制单元作了改进， 采用了可逆计数器， 并增加了自 保 护功能。 但经过实践检验发现， 这些产品仍有许多方面需进一步改进， 如由 于硬件线路繁杂使得故障率高且不易维护; 由于不能实现循环投切使得电 容 器使用概率不等;自 诊能力、抗干扰能力差等。 ( 三)目 前产品 近几年，由于微计算机技术的应用，功率因数自 动补偿系统的发展进入 了一个新阶段。 虽然各种微电 脑功率因数自 动控制器硬件、软件设计不同，但其原理基 本如图3 - 4 所示: ,-! u 相 二，路愉出电跳 电网 c o s oit i0ir 整 报警 图 3 - 4 微电脑功率因数自 动控翻 9 器方惬图 检测单元通过电压、 电流互感器采得电 压和电流信号， 并利用运放电路、 门电路得到反映相位差的方波信号，传给控制单元。 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 微处理器接收到检钡 1 信号， 经过逻辑运算得到实时c o s -p ， 分别送到显示 和比较单元。 在比较单元中与设定值进行比较， 确定是否发出投切命令。 同 时控制单元还具有过压、过流、欠补及振荡报警和保护功能。 执行单元接到命令后， 通过投切装置完成电 容器组的投切。 微计算机技术的应用进一步加强了控制单元的功能， 集成化程度大大提 高了，自诊能力、扩充能力都得到了加强。 3 . 4现有无功自 动补偿器存在的问皿 从外部特性和各项指标及用户反映的情况来看，现有无功自 动补偿器主 要存在以下问题: 一)容易发生 “ 振荡投切” 现象 所谓 “ 振荡投切”是指在某些负 荷状态下， 若投入一组电 容器， 功率因 数超过规定上限: 而切下这组电 容器， 功率因数又低于下限， 因此发生反复 投切现象。 这种现象的发生，一方面与电容器的分组数及容量有关;另一方面也与 控制器的功率因数上、 下限设置范围以及调节时间有关。 需要从控制器的功 能设计上加以解决。 ( 二) 投切方式不合理 现有控制器多数采用 “ 顺序投切” 方式。 在这种方式下， 排序在前的电 容器组， 先投后切; 而排序在后的却后投先切。 这不仅使处于前面的电容器 组经常处于运行状态， 积累的热量不易散失， 影响使用寿命， 而且使后面的 投切开关经常动作，同样减少寿命。 合理的 投切方式应为“ 循环投切” 。 这种投切方式使先投入运行的电 容器 组先退出， 后投的后切除， 从而使各组电容器及投切开关使用概率均等， 减 低了电容器组的平均运行温度， 减少了投切开关的动作次数， 延长了 使用寿 命。 ( 三)体积庞大、结构设计不合理 目 前的控制器大都为室内工作，占地面积大;具备自 动与手动控制两种 功能， 当自 动部分出 现故障时， 虽可以 转换手动部分继续工作， 但由 于大多 数控制器设计为“ 一体化” 结构， 所以无法对自 动部分进行在线检修， 只能 整机退出运行。 ( 四) 抗干扰能力差，故障率高 中南大学硕士论文 配电网 无功补 偿最优化理论的研究与应用 因为 控制器的工作环境存在大电 流、 较强磁场等， 对弱电设 计部分的 抗 干扰能力要求很高。 户外工作的 环境更加恶劣， 因 此目 前大多 数控制器均只 能在户内工作，并且故障率高，大大限制了补偿器的使用范围。 ( 五)不能达到全局最优 目 前的自 动补 偿方式均针对采样点数据进行计算，因为 控制器之间 缺乏 信息交流， 采用的算法落后， 控制器不能综合全网运行情况使无功潮流的分 布趋于 最合理， 经济效益达到最佳， 同时也不能实现对电网的 遥测， 不适于 现代化电网的发展趋势。 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 第四章 本项目的设计要求、关键技术的解决思路、 总体方案和研究内容 设计要求 针对目 前自 动补偿装置所存在的缺点，同时为配合全国电网改造，适应 现代化电力系统的发展需要，系统要求达到: 1 .高 智能 化，能自 动跟踪无功负荷的变化投切电 容器组，且不会过补; 2 . 实现电容器组循环投切， 使电容器、 开关使用概率相等， 延长使用寿 命: 3 .自 动判别并消除振荡投切现象; 4 .具有过压、过流、过热、缺相等保护功能; 5 .高可靠性， 满足户外恶劣环境的工作需要; 6 . 检测精度达到一级， 可实时监测电网 参数， 并 将数据传送至调度中心; 7 . 能实现采样点就地补偿和控制器联网 补偿， 即位于不同采样点的控制 器之间通过数据交换，能综合全电网的运行情况判断最佳投切电容量。 4 . 2关挂技术的解决思路 4 . 2 . 1 “ 振荡投切” 现像产生的原因和解决思路 “ 振荡投切” 现象的产生与电容器分组大小、 负荷情况、 投切时间有关。 而在特殊情况下， 某些工业用电设备也会产生周期性负荷振荡。 如油田的抽 油机， 在抽油的上升过程负荷很大， 功率因数很低，平均在。 . 6 左右;而在 下降过程中， 因为受重力做功， 负荷很小， 功率因数也高。 周期从儿秒到一 分钟不等。 从表面上看， 这种现象很容易被控制器认为是振荡， 目 前国内还 没有一种产品能满足此类设备的补偿要求。 “ 循环投切”则要求每组电容器 的容量大小相等， 只有这样才能保证每组电 容器有相等的 使用概率。 为了正确判断和避免“ 振荡投切” ， 同时满足“ 循环投切” 的要求， 一方 面需要对电网负荷的特性进行实时跟踪和判别: 另一方面需要对负荷进行数 学分析， 确定最佳电容分组。 根据调查资料， 大部分负荷可以抽象为正态分 中南大 学硕士论文配电网无功补偿最优化理论的 研究与应用 布，另外一部分则可以在一段时间内 视为恒定负荷或周期性负荷。 4 . 2 . 2不能实现全局.优的原因和解决思路 全局最优要求每个控制器都充分了解整个电网实时运行的信息，即每个 控制器不是孤立的， 而是相互联网，能进行信息交流。 实际中， 在电网每一 处节点都设置自 动补偿控制器是不现实的。 在经济上也是不可行的。 因此需 要进行以下三个方面的研究: 1 . 采用非线性规划方法， 选出经济上和补偿效果上均达到最优的若干个 控制节点，这些节点的信息应能充分反映电网的运行情况; 2 . 寻求最优算法， 使得当控制器工作在就地补偿方式时能 达到补偿点局 部最优， 工作在联网方式时， 补偿效果能达到全局最优。 考虑到实时性， 算 法必须简单， 联网 方式下还必须独立、 一 致， 计算量不随 节点的数量增加而 有明显变化; 3 . 采用无线通讯方式进行数据传输。 综合电网实时状态对无功进行动态 优化补偿的关键是各个补偿控制器必须以当前电网其它部分的参数作为优 化决策的依据， 因此必须在控制器之间进行数据交流。 由于电力系统本身的 结构和电气特性原因，中、 低压电网电 力线载波己 十分困难。 而电力中、 低 压网分布极为广阔， 结构复杂， 普遍建立光纤网或微波网在经济上是不可行 的。利用无线通讯技术传递电网信息是一种有效的 解决办法。近二十年中， 尤其在无线电领域， 通讯技术取得了令人瞩目的进步。 现代无线通讯技术己 被实践证明是高速高效、 安全可靠、 经济可行的。 其中软件无线电技术被誉 为继模拟和数字技术之后的第三次电子技术革命。 为确保数据的可靠性， 提 高通讯模块的灵活性，在设计中将借鉴部分软件无线电的设计思路。 4 . 2 . 3离精度和高可今性的保陈 从硬件、软件两方面着手。 在系统硬件的设计上，以工业级 1 6位微处 理器为核心， 利用计算机辅助技术对硬件电路进行进一步的 优化; 考虑到元 件的老化和“ 温漂” 等问题， 系统尽量不使用放大器等对环境变化敏感的元 器件。 在软件设计上， 提出了 交流电压过零投切电容器的控制算法、 非线性 校正算法、 电容器循环投切控制算法、 无功补偿最优控制算法等，以提高系 统的控制精度和可靠性。为确保在强干扰条件和恶劣环境下能长期稳定工 作， 所有调试参数和设定值均由软件设定，同时， 软件应充分考虑元件参数 的漂移问题。采用双 “ 看门狗”结构，确保不死机。 4 . 3研究内容和总体方案设计 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 根据课题要求，主要进行了以下5 个方面的研究工 作。 一) 对无功自 动补偿现状的调查和现场实测。 首先， 对湖南省电网的功率因 数情况进行了 全面的调查， 并在长沙地区 随机抽样了2 0 台 城市配电网公用变压器进行电 流、电 压、 负荷和功率因数 跟踪实测， 分析相关数据。 同时， 大量检索相关图书资料，了 解国内外对户 外无功补偿装置的研究动态及各种背景资料， 找出不足所在， 获取了详细的 第一手数据及资料。 ( 二) 设计总体方案 根据调查情况， 针对现在各种无功自 动补偿装置的不足， 对装置进行了 系统的总体设计， 主要强调高可靠性的工业级智能微机控制系统的 研究。 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。 系 统的模块结构如图4 - 1 所示。 图 a - 1 总体方案棍块结构图 数据处理模块以工业级 1 6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c a d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， 作为独立件通过数据接口 接插 使用。 在软件设计上， 解决了无功补偿的最优算法， 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。 执行机构使用补偿电容 器专用高频固态开关。 ( 三) 无功自 动补偿系统控制器的研制 研制了采用 1 6 位工业级微处理器8 0 c 1 9 6 k c 为核心的智能控制器。其主 要功能包括: 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 1 . 内部设置补偿电容器安全工作区自 动检测功能。 当工作在非安全区时， 自 动切除电容器: 进入安全区时， 装置恢复投切功能， 确保电容器安全运行: 2 .低负荷闭锁电容器投入功能; 3 . 电 容器组采用循环工作方式投入和切除， 以 保持电 容器相同的平均使 用率和延长触点寿命: 4 . 各种定值 ( c o s p 、电 压限值、 投切时间等) 数字化整定， 操作方便， 绝无漂移; 5 .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、电网频率以及工作温度等: 6 . 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: 7 控制 器自 检和双“ w a t c h i n g d o g” 设 计， 确保 控制器不死 机， 可靠 性极高; 8 . 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 容器。 当 温度低于 保护动作值时， 电容器再投入运行， 以延长和保护电 容器的使用寿命; 9 .能识别并自 动转换取样电流极性，使安装、调试方便: 1 0 . 控制器采用最优控制算法， 投入和切除电 容器能随负载变化达到最 佳的控制效果。 1 1 . 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: 1 2 . 控制器采用联网工 作方式时， 能综合全网 运行情况. 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。 ( 四)数据通讯模块的研制 数据通讯模块是专门针对数字信号通讯而设计的独立模块。 适应多种通 讯协议。 为确保数据的安全可靠， 采用无线通讯专用大规模集成芯片组为核 心， 具有工作稳定、 抗干扰能力强、 无温漂等特点，同时解决了大功率发射 管散热问 题、 屏蔽技术和波形整型技术， 使其适合于户外长期工作， 并运用 了多种抗干扰和纠错的软、硬件技术，能方便地与各种 c p u 直接接口。 ( 五) 实验室调试 装置研制成功后， 进行了实验室性能仿真调试，主要包括功能侧试、 精 度测试、 通讯测试等。 此外， 还模拟现场运行环境进行了可靠性实验， 包括 抗干扰实验、 高温实验和低温实验等。 测试结果表明， 系统各项性能均优于 国家专业标准g b it 1 5 5 7 6 - 1 9 9 5 规定，达到了 现场运行要求。既使在高 温、 低温、 干扰等恶劣环境中， 工作状况依然正常，电容器投切动作可靠， 检测 精度可达1 级，数据传输稳定可靠，能有效抵抗现场各种干扰。 中南大学硕士论文 配电网 无功补偿最优化理论的研究与应用 第五章无功补偿最优控制的数学分析和系统实现 5 . 1无功负荷的致学分析 “ 振荡投切” 现象的产生与电 容器分组大小、 负荷情况、 投切时间有关。 “ 循环投切” 则要求每组电 容器的容量大小相等， 只有这样才能保证每 组电 容器有相等的使用概率。 严格地消除“ 振荡投切” 必须实现无功负荷的 无级 补偿， 而这与“ 循环投切”的条件是矛盾的。 粗略地看，电 容器分组越多， 每组容量越小， 就越能精确跟踪无功负 荷的 变化; 但如果分组过多， 不仅经 济成本增加， 体积增大， 安装、 调试难度增大; 而且 跟踪时间 加长。 实时性 变差; 在大部分时间内， 电容器没有充分工作， 造成资源浪费。 实际上， 短 时间内， 无功负荷的 变化很缓慢， “ 振荡投切” 现象完全可以由 软件判别， 并避免。 无功负荷的数学分析是寻求在满足补偿标准前提下的最佳电容器组数， 使得操作次数最少，即实时性最好，经济效益最佳。 5 . 1 . 1 问 瓜的抽象和致学处理 根据调查资料， 大部分负荷可以 抽象为正态分布， 另外一部分则可以在 一段时间内 视为 恒定负荷或周期性负荷。 对于后者， 分组可以 按其负荷的大 小而定。 对大部分负荷而言， 以正态分布模拟的误差一般不超过 1 0 % ， 这种 抽象在工程上是允许的。 由 上 述 假 定 ， 无 功 负 荷q - n ( u , o i ) 的 分 布 如 图5 - 1 所 示。 甲( x 1 卜- 2叮 圈 u一叮林u+ 叮 n于 zp 5 - 1 无功负荀分布图 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 现以小时为单位，则: 24l j q i “ 一 _i=i2 4 ( 5 - 1 ) 厅 二 二 1 24z 4 y- (q i一 “ )2 ( 5 - 2 ) q i : 第1 小时的无功量。 根据正态分布的理论可知: 1 .大部分负荷分布集中在“ 附近; 2 .在u + 。 和u 一 。区间内，分布占全体的6 8 .2 6 %: 3 .在11 + 2 o 和11 一。 区间内， 分布占 全体的9 5 . 4 4 %二 4 .在其余区间，分布只占 全体的4 . 5 6 % ，不到5 %0 图5 - 2 是两种工业企业的典型无功负荷图。 卜一叮 卜一口 图5 - 2 两种典 皿企业 的无飞 红 负 荀图 如果以卜 作水平割线，设上部分面积a , ，下部分面积 a 2 ，再继续以li - 。 、ii - 2 a 、11 - 3 a 、u - 4 4 作水平割线，由 正态分布理论得: 儿= 0 .5 x 2 4 x u + 0 . 3 4 1 3 x 2 4 x ( u 一 o ) + 0 . 1 3 5 9 x 2 4 x ( ,u一 2 的 + 0 . 0 2 1 4 5 x 2 4 x ( y一 3 o ) ( 5 - 3 ) + 0 . 0 0 1 3 5 x 2 4 x ( p一 4 0 ) = 2 4 p 一 0 .6 8 2 8 5 v x 2 4 因为2 4 11 是图形的总面积，所以近似认为: a , = 2 4 x 0 . 6 8 2 8 5 0 ( 5 一) 面积a , 是用“ 值为割线而得到的，因为2 4 。 对任意割线皆 为常数， 变 化的只是前面的系数 ( 如 0 .6 8 2 8 5 ) .现定义该系数为k , ，定义刀 为切割深 中南大学硕士论文 配电网无功补偿最优化理论的研究与应用 度，即以” 一 a。 为割线。 表5 - 1 是a 分别为。 、 2 0 、 3 0 , 4 q 时， k , 的数 据。 表 5 - 1 k i 与a 的关系 p0 口 2叮 3口4叮 oo k 1 0 . 6 8 2 8 51 . 1 6 2 8 52 . 0 2 4 1 53 田 1 3 54a 可见当fl 从。 -2 。 时， k , 呈指数增长; 当j6从2 0 -时， 基本呈斜率 为 i 的直线增长。k. 的解析表达式为: 1 . 5 5 一 0 4 10 0 刀 2 a 2 a _ 刀 ( 5 - 5 ) 了!.1 - k k , 曲线见图5 - 3 图 5 - 3 k l - rd 由 甘 ra 得到k , 后，可方便算出a , 鸿= 2 4 k ,a 定义k为切去面积占总面积的百分数，即 k _ 里 竺卫竺 = k ,a 2 4 产拜 由式 ( 5 - 5 )得: ( 5 - 6 ) ( 5 - 7 ) 中 南大学硕士论文配电网无功补偿最优化理论的研究