低压配电网智能型无功最优补偿控制器设计

1、低压配电网智能型无功最优补偿控制器设计何东升 林志力 苗本健国家中低压输配电设备质量监督检验中心   广东,东莞 (523325)摘要:为实现低压配电网的最优无功补偿，保证电网可靠运行，有效克服传统补偿方法易产生的投切振荡、过补、欠补等问题，同时降低功率损耗并提高电能质量，本文基于相关理论原理，采用简单可行的硬件电路，引进精确可靠的控制算法，设计了具有无功最优补偿功能的智能型控制器，着重阐述了智能型最优无功补偿控制策略及系统的硬件结构和软件流程。现场挂网运行表明，该控制器具有高性能、低价位、高可靠性和灵活配置等特点。关键词:无功补偿；智能控制；低压配电；

2、 TMS320LF2407中国分类号：TM714.3     文献标识码:B   文章编号: Design of intelligent reactive power compensating controller in low-voltage distributing networkHe Dongsheng Lin Zhili Miao BeijianChina National Quality Supervision and Testing Center for Mid-low Voltage Transmis

3、sion and Distribution Equipment, Dongguan (523325）,Guangdong, ChinaAbstract：To realize the optimize reactive power compensating in low-voltage distributing network and reliable operation，basing on correlation theory，adopting simple hardware circuit and precise control strategy， the intelligent react

4、ive power compensating controller is designed in this paper， which can effectively avoid such shortcomings as switching oscillation and incomplete compensation in traditional compensation method， with advantages of lowering power consumption and improving voltage quality. The control strategy of int

5、elligent reactive power compensating and hardware structure，software flows are presented in detail. Experiments show that the controller has the characteristics of better performance，lower cost， more flexible arrangement and higher reliability. Key words:reactive power compensation；intelligent contr

6、ol；low-voltage distributing network；TMS320LF24071引言（introduction）随着配电网中电力电子设备的迅速增加和电力负荷的快速增长，电能质量问题日益突出，负荷对系统无功的需求也日益增加。电网中的无功流不仅使电气设备得不到充分利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至造成电网中局部电压不足，导致设备损坏、系统瘫痪。所以，合理的无功补偿对提高功率因数，保证电网有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路的成本，保证用电设备正常运行有着重要意义1。传统的无功补偿装置在投切开关的选择、控制方式的确定以及无功补偿的最优控制

7、方面，因其存在冲击电流大、损耗大、可靠性低，容易产生投切振荡或补偿过补、欠补、响应速度慢等缺点，已无法满足经济和社会发展的需要23。本文基于相关理论原理，从无功补偿最优控制出发，集电能质量分析，负荷监控功能与一体，采用简单可行的硬件电路和精确可靠的控制方法，实现无功补偿的最优控制。2智能型无功最优补偿控制策略（Control strategy of intelligent reactive power compensating）   实现无功补偿的最优控制，也就是在给定补偿电容分级的条件下，寻求一种允许的最优控制方案，使得电路功率因数最高，且具有较强的抗干扰能力。基于相关理

8、论原理，设有两个同频信号分别为 : (1)其中:、为均值是零的平稳噪声；、为直流分量；为两信号相位差；为起始相位。由于噪声与信息不相关，而且两噪声之间也不相关，两信号的相关函数为:      (2)同理可推导出每个信号的自相关函数与信号的幅值关系为:              (3)即:  (4)式中即为功率因数，投切电容的目的即使 =1，此时，电网效率最高，因相关法不用考虑过零点和混频问题，所以具有较强的

9、抗干扰能力。设其补偿的数学模型为:             (5)式中为补偿电容所需容量；为负载阻抗角；为负载功率。补偿的最优控制问题可表示为:   其中        (6)式中:为补偿电容器实际投切容量， 为不同等级的单位容量；为不同单位电容等级的投切电容器组数，其取值与电路工作状态、有关，由控制器决定。式(6)为带等式约束的优化问题，且约束条件为离散量，因而不宜直接求解。但由于系统

10、允许有差，则其最优控制目标集不是一点，而是一个区域，故可进行适当变换后求解，得出最优控制规律为:     (7)   控制过程:系统按一定的周期检测负载的瞬时有功和无功功率，根据式(6)计算出功率因数，并根据式(7)进行量化，然后按量化后的控制量进行电容投切，使其最佳组合，每次均假设一组也未投入的情况下，计算所需无功量，在所有电容器组中，寻求最佳排列组合，使补偿级差值最小，且不过补，投切过程中，实时检测过零信号，确保电压过零合闸及零电流关断，防止冲击电流和投切振荡。采用此种最优控制规律后，对不同负载，控制器均能作出最优决策，且系统可靠

11、性高，稳定性好，抗干扰能力强，其性能优于传统控制系统。3系统设计方案（Scheme of designed system）3.1 硬件设计智能型动态无功自动补偿装置主要由断路器、熔断器、电力电容滤波器、复合开关、无功补偿电力电容器、温度传感器、避雷器、智能控制器等组成。该智能无功补偿控制器主要由16位定点DSP芯片TMS320LF2407、存储器与 I/O口、电量测量、温度检测、执行机构、键盘/液晶显示器、通信模块等组成。电压互感器、电流互感器等转变的电压、电流信号经过信号调理模块和采样模块相应变换后进入DSP内置的A/D转换模块，在计算出各项电网参数后，根据最优控制规律输出控制信号给执行机构

12、，完成电容器的投切。控制器系统的核心控制器硬件结构如图1所示: 图1.核心控制器硬件结构Fig.1 Hardware structure of controller kernel控制系统中，以DSP TMS320LF2407为主芯片接收采样信号和发出控制命令，控制电力电容器的投切。其中，为保证电网频谱不产生“泄露”误差4 ，采样速率与电网周波完全同步，采用了同步信号模块；为完成强弱信号之间的隔离和变换，使得输入信号符合DSP所能接受的信号，采用了信号调理模块；由于系统需对90天的历史数据进行存储，故采用了SST公司的256K X 16b高性能闪存芯片SST39VF400A作为数据存储

13、扩展模块；串行实时时钟采用通用的I2C串行总线，存储参数的修改设定值，及其硬件看门狗和程序中的软件看门狗组成双看门狗电路，同时还有上电复位的作用；上位机通过通信模块的RS-232/485接口进行数据通讯，保存数据，便于储存查询；键盘显示模块分别完成人机交换和显示功率因数、投切电容、电能质量、故障报警等信息以及监控负荷的功能。3.2 软件设计智能型无功补偿控制器具有强大的数据采集、运算控制和执行处理功能，集三相电量测量、液晶综合显示、谐波分析、越限控制、开关量输入/输出、动态无功补偿、电能计量、事件记录、负荷监控、通信传输等功能于一体。系统采用结构式模块化设计方法，限于篇幅，仅就主程序和智能投切

14、控制算法作主要介绍。图2中主程序负责调用各功能模块程序，其工作程序是:上电后对系统进行初始化，然后根据手动或自动操作确认键后进入对应程序，对于自动程序系统进入主循环:首先进行数据采集处理；接着显示程序显示出相应的系统参数；随后程序进入控制算法程序，控制算法程序根据投切判据在保证电压不越限的前提下，由采集的电压、电流以及功率因数计算出无功功率，确定电容器组的投切组合，控制相应的电容器组的投切。智能投切控制流程如图3所示，根据不同工况和具体问题采取如下的智能无功最优补偿控制措施:1、补偿电容的单位容量按等比级数分配，可以构成不同的排列组合，此种方案在同级差的补偿系统中所需的电容器数最少，设备占用小

15、，投资小5.2、补偿电容采用步进控制，以提高控制精度。正常运行中，在得出所需投切组合后可以一次投入，但由于存在实际电容值与标称值不一致，且在运行中电容器长期承受投切时的瞬时冲击，日积月累，导致电容器可能损坏或容量改变等因素，因此可能产生控制误差，同时也容易造成对电网的冲击过大。所以，在实际运行时，采用步进控制，即每隔时间间隔t投切一组电容器，直到投切完毕为止。采用步进控制后，控制精度得到了保证。3、优化时间控制，即在步进投切电容器时，采用不等距时间控制，先以较小的时间间隔t1完成单位容量等级大的电容组的投切，等待一段时间t2后，观察电网各项参数，确认可继续投切电容器后，再完成最后一组容量等级小

16、的电容器的投切工作。这样能在保证控制精度的同时，提高系统动作的快速性，实现精度约束下的智能型最优时间控制。t1，t2的选取依现场情况而定。4、循环投切控制，遵循“先投先切，后投后切，循环投切”的原则6，可以有效降低电容器过电流并降低电容器温升，从而避免爆炸等故障，延长了电容器的使用寿命。 图2.软件总体框图Fig2.Software overall architecture       图3.智能投切流程图Fig3.The flow chart of turning on and off intelligently4现场应用

17、（Locale application）本装置在东莞石排镇向西工业区0.4kV低压配电网挂网运行，电容器为12组三相连接，单组容量分别为 =10kVar、 =20kVar、 =30kVar。装置挂网运行半年中，运行效果良好，电容投运后，电网功率因数迅速提高，相应的负荷电流明显下降，大大提高了设备利用率，减少了线路损耗，其具体现场应用效果见表1所示。本装置不但实现了提高功率因数的作用，而且根据负荷的变化能自动改变电容器的投切，避免了投切振荡、冲击电流和补偿过、欠补，实现了无功最优自动跟踪补偿。表1. 电容投入前后电网参数Tab1. Network parameters after capacit

18、or is put inN1   N2 N3     I(A)  0 0 0 0   0.64 4500 1 2 80 0.70 3821 1 2 90 0.74 3481 1 3 120 0.85 3121 2 3 140 0.88 2991 3 3

19、0;160 0.90 2801 3 4 190 0.94 2701 5 5 260 0.97 265 注: Ni为投入不同容量等级的电容组数，为投入的总电容容量，单位为kVar， 为功率因数，I为负荷电流， 单位为A.5结论（Conclusion）本文基于相关理论原理，从无功补偿最优控制出发，采用当今最先进的16位定点DSP芯片，使得控制更加快速、智能、连续、综合与灵活，实现了对无功补偿的精确控制，并大大提高了电网的动态性能和稳定水平，进而适应从传统的纯粹依赖机械开关的硬性交流输电系统趋向为融合电力电子技术、信息处理技术和先进的控制技术在内的柔性交流输电系统。本装置集无功补偿、电能质量分析、负荷监控功能与一体，具有高性能、低价位、高可靠性和灵活配置等特点。系统的使用大幅度地降低了非技术业务的工作量及成本，减少了人为错误发生概率，提高了电力部门的自动化管理水平及工作效率，同时大量精确、直观的数据为电力主管人员进行科学决策提供了可靠依据，在电力系统配电网自动化中取得了较好的应用效果，具有明显的社会效益和经济效益，市场前景广阔。参考文献：1柳春芳，陈剑光，柳山.低压无功补偿的应用与效益分析J.电工技术杂志， 2002(5): 32-35.2