（电力系统及其自动化专业论文）配电网电压无功自动控制系统.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r i cp o w e rl a wa n de l e c t r i c a lm a r k e t ，t h e c u s t o m e r sv o l t a g eq u a l i t yp r o b l e ma n dt h en e t w o r k se c o n o m yh a v eb e e np a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n c o l l o c a t i n ga n d u s i n g r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nr e a s o n a b l y ， c h a n g i n g t h er e a c t i v et i d ed i s t r i b u t i n go ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n d r e d u c i n gt h e n e t w o r ka n d v o l t a g el o s s ，m a yi m p r o v et h ev o l t a g el e v e l ，a m e l i o r a t ev o l t a g e q u a l i t y ，m a k et h ee q u i p m e n to p e r a t es a f e l ya n dr e l i a b i l i t y t h i st h e s i sa n a l y s i s e s t h e a c u t u a l i t y o ft h ei n s i d ea n d f o r e i g nv o l t a g e a n dr e a c t i v e p o w e rc o n t r o l ， d i s c u s s e st h e s i g n i f i c a n c e o ft h er e a s o n a b l ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ra d j u s t ， a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h i st h e s i sd e f i n e st h e m a i nf u n c t i o n ，c o n f i g u r a t i o na n dr e q u i r e m e n to ft h ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m s i n t e l l i g e n tv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h ed i s t r i b u t i o n p o w e rs y s t e m si n t e l l i g e n tv o l t a g e a n dr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o na u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sc e n t r a lc o n t r o la n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tc o m p u t e r ，d a t a c o l l e c t i o n c o m p u t e r ，i n t e l l i g e n t r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o na n ds u r v e yd e v i c e t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o no ft h e c e n t r a lc o n t r o la n d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tc o m p u t e ，t h e f u n c t i o na n d c o n s t i t u t i o no ft h e l a y e r e dm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n a st h ed a t ac e n t r e ，t h ed a t a c o l l e c t i o nc o m p u t e ri s e x p l a i n e di nb r i e f m c v q 一2v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c ei sa p p l i e di nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n de q u i p p e do ni t s s e c o n ds i d et oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r t h i sd e v i c ei sd e s i g n e db y t h ef u z z y r e a c t i v e p o w e rr e g u l a t i o n ，u s e st h et h y r i s t o rt os w i t c ht h ec a p a c i t o r sw h i c hi s s m a l la n dw i t h o u tt h et r a n s i e n tp r o c e s s ，t h ec o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r sa r ed e s i g n e d i nt h r e ep h a s e sc o m p e n s a t i o no rs i n g l e p h a s ec o m p e n s a t i o n t h i st h e s i se x p l a i n s t h e f u z z yr e a c t i v ep o w e rr e g u l a t i o na n dt h et s ca n dt h es h o r td a t aw i n d o w f o u r i e ra l g o r i t h mi nd e t a i l t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to f t l f i sd i s t r i b u t i o np o w e r s y s t e m si n t e l l i g e n tv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na u t o m a t i cc o n t r o l 山东大学硕士学位论文 s y s t e mi m p r o v e s t h e q u a l i t y o f v o l t a g e a n dm i n i m i z e st h el o s s e s g r e a t l y a u t o m a t i cm a n a g e m e n to ft r a n s f o r m e rd a t ai m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n dr e d u c e s t h eq u a l i t yo f m a n p o w e r t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h eo p t i m i z eo ft h i ss y s t e mi nt h e o r ya n di np r a c t i c e i nt h ee n d ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o d sf o rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，a n dg i v e st h ed e s i g np r i n c i p l e so ft h ef i l t e r k e yw o r d s ：v o l t a g ea n dr e a c t i v e c o n t r o l ，f u z z y r e a c t i v ep o w e rr e g u l a t i o n c r i t e r i o n ，t s c ，s h o r td a t ew i n d o wf o u r i e ra l g o r i t h m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：辛丕聋数 日期 狐节js 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：絮警丛。导师签名： 期：丝：互，罗 山东大学硕士学位论文 ! ! ! ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 。= = ! 第一章绪论 1 1 无功功率补偿的重要性 随着电力法与电力市场的深入与广泛展开，用户的电能质量问题和电网的 经济性问题引起人们的广泛关注。合理的配置和使用无功功率补偿容量，改变 电网的无功潮流分布，可以降低系统网损和电压损耗，提高电压水平，改善电 压质量，使得用电设备更加安全可靠地运行，提高电网的安全性与经济性。 1 1 1 电压是电能质量的一个重要指标 电压质量是检验电能质量的一个重要指标，对国民经济的发展和人民生活 的提高有着密切的关系。因此，为了保证电压质量，国家对各级电网电压的允 许波动范围都有明确规定：“1 3 5 k v 及以上为额定电压的5 ； l o k v 电力用户的电压允许偏差值为额定电压的7 ； 3 8 0 v 低压电力用户的电压允许偏差值，为系统额定电压的7 ； 2 2 0 v 低压电力用户的电压允许偏差值，为系统额定电压的+ 7 、一1 0 ； 低压照明用户为额定电压的+ 5 、一i o 。 有关统计资料表明，超过允许范围的电压偏移将对用户带来不良的影响， 主要有：( 1 ) 减少用电设备的使用寿命。( 2 ) 影响用电设备的工作性能。( 3 ) 降低用电设备的使用效率。( 4 ) 过大的电压偏移，还将对电网稳定、安全和经 济运行带来极其不利的影响。 1 1 2 无功功率对电压的影响 无功功率与电压有着密切的联系，其影响主要反映在以下几个方面： ( 1 ) 由于无功功率的不平衡，引起电压的偏移。根据负荷的电压静态特性， 当一个地区无功过剩时，电压将升高；无功不足时，电压将降低。电压升高和 降低的数值由代表该地区的综合负荷的电压静态特性来决定。 ( 2 ) 无功潮流( 负荷) 在电网中的流动，产生电压降落，造成电压的偏移。 ( 3 ) 由于无功负荷在线路中引起的电压降同无功负荷成正比，所以随着无 山东大学硕士学位论文 ：- ：= = = = ：= = ：名：= = = ： ：= = = = = = = 竺= = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 功负荷的变化，将引起电压降的变动，无功负荷变化愈大电压降及负荷点的电 压变动愈大。负荷端单位无功变化引起的电压变动与单位有功变化引起的电压 变动之比等于负荷端短路容量p 。和p 之比，由此可见无功电流的变化引起的 电压波动要比有功电流引起的电压波动大许多倍。 总之，无功电源不足( 或过剩) 和分配不合理是造成电压质量降低的主要 因素之一。 1 1 3 改善电压质量对无功补偿的要求“1 无功功率对电压有着重要影响，要改善电网的电压质量，电网的无功功率 补偿必须满足： ( 1 ) 任何时候都应在目标电压下达到无功平筏。这就要求有足够的无功补 偿容量，以保证高峰负荷时的无功平衡，并有一定的备用容量，以满足系统检 修的需要；同时要求有足够的无功调节能力，以保证在低谷负荷时的无功平衡。 ( 2 ) 实现无功就地补偿，减少无功在电网中的流动，尤其要减少远距离的 无功输送，以降低电网的电压降落，把电网各点的电压都控制在合格范围内。 ( 3 ) 按逆调压的要求实现无功平衡。出于高峰负荷时，无功负荷大，无功 电源到负荷点的压降大；低谷负荷时，无功负荷小，压降也小。因此，为保汪 负荷端的电压稳定需要实现无功电源的逆调整，即要求高峰时电压调高一点， 低谷调低一点，再据此确定目标电压，在这个目标下实现无功平衡。显然，这 种调压方式对无功补偿和无功调节能力提出了更高韵要求。 1 1 4 电网线损与无功功率补偿的关系 无功功率在电路的电感、电容元件中产生变化的电、磁场以建立电压，推 动有功功率的传递和转换，是电力系统和用电设备不可缺少的驱动力。当有功 功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。当有功功率一定时， 输送的无功功率越大，总的功率损耗就越大。显而易见，当网络结构一定时， 总的功率损耗完全决定于无功功率的变化，线损与有功功率、无功功率的关系 如下式： a 、2 4 凡= ，勰1 旷3 = 【昙j 尼1 o _ 3 山东大学硕士学位论文 = = ! ：! ! ：! ! = = ! = ! ! = = = = = ! ! ! = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = ：螭1 0 。_ tz u r 式中，4 凡一全网有功功率损耗( k w ) ； 上一线路i 流过的电流( k a ) ； p ，一线路首端或末端的有功功率( k w ) ； 口一线路首端或末端的无功功率( k v a r ) ； 尼线路额定阻抗( q ) ； s 线路首端或末端的视在功率( k v a ) i u 一线路首端或末端的电压( k v ) 。 由此可见，在母线电压和有功负荷一定的情况下，无功功率流量决定着电 网的能量损耗。输电线路主要任务是为了有功功率传输，也就意味着由无功功 率潮流引起的线路损失，氇应最小。因此进行无功功率优化控制，合理使用无 功补偿设备，实现无功就地平衡，尽量保持线路中流动的无功电流最少具有很 高的重要性。另外，无功对线损还有间接的影响。由于电网的无功平衡状况直 接影响电网的电压水平，而电压又直接影响电网的负荷损耗和变压器损耗，所 以无功通过电压间接的影响着线损。因而降低线损和改善电压质量对无功功率 补偿的要求是一致的。 1 2 配电网电压无功控制的意义 随着计算机技术的发展，从六十年代开始，国外电力系统电压无功控制方 式、手段有了相当大的发展。例如，日本电力系统电压无功运行控制现状如下： 约有半数公司采用单元控制和地区自动控制方式。单元控制方式是发电机单独 运行、变电站调相设备自动调整和有载调压变压器自动控制。地区控制方式是 以发电厂和变电站为核心，对发电机、调压调相设备的综合控制以及对变电站 中l r t 、s c 、s r 进行综合协调控制。其它公司主要实现在线集中综合控制，即 使用中央集中控制计算机，实时控制整个电网发电厂、变电站的调压、调相设 备，以得到全系统最佳控制效果。其最早的应用从1 9 6 5 年开始，但绝大部分 是集中在7 0 年代初开始的。目前，日本的绝大部分电容器都已实现了自动控 山东大学硕士学位论文 制。 我国从电力系统电压无功控制问题日趋重视，逐渐加强了对无功电源的建 设和管理，使电网的无功容量近几年增长很快。最近的城乡电网改造中，电网 降损问题已引起广泛重视，被列为电网改造重点解决的问题之一。而通过无功 补偿来实现降损升压是进行电网改造的有效办法，在此基础上再因地制宜地实 施其它改造，应是大多数地区电网改造的首选方案。无功补偿问题的解决，一 要靠加强负荷端补偿设备的合理配置，二是应加强电压无功设备的实时控制， 最大限度地发挥全国现有电压无功设备的调节作用。 在配电系统中，我国现有的电压无功控制主要存在以下问题： ( 1 ) 长期以来，电压无功调节是靠人工手动完成，由于人工手动调节不 能及时跟随电压无功负荷的变化，致使大量并联补偿电容设备长期闲置不用， 电压得不到及时调节，电压质量较差，线损较大。而电压质量的好坏直接关系 到所有用电设备的运行性能、故障几率和使用寿命。电压质量较差会给工农业 j ：产和人民群众同常生活都造成巨大的经济损失。 ( 2 ) 现有的自动控制装簧大多是对电压和无功进行孤立的调节，没有把 电压与无功自动调节有机地结合起来，电压无功调节设备动作次数过于频繁， 而频繁的调节会导致变压器故障，严重影响供电可靠性，从而使电压无功自动 控制一直未能在实际工作中得到广泛的推广和应用。 ( 3 ) 现有装置多数无法进行集中控制功能扩展或扩展功能较弱。 ( 4 ) 现有装置的通信功能普遍不强。 针对以上问题，研制一种能适合实际工作需要的电压无功综合自动控制装 置，对于改善我国电压质量、降低电网损耗和提高供电可靠性是十分重要和必 要的，而且会带来巨大的社会效益和经济效益w 。 1 3 本文的主要工作 本文力图从整个电力系统无功功率优化的角度着眼，按照“分散补偿，集 中控制”的原则，对以下问题进行了探讨： 1 分析了无功功率补偿的重要性，针对配电网自动化的需要，确定了配电 山东大学硕士学位论文 网电压无功自动控制系统的主要功能、结构及要求。 2 参与研发了配电网电压无功自动控制装置。本装置是以模糊无功调节判 据为基础，控制可控硅自动投切电容器组的新型电压无功自动控制装置。文中 详细介绍了该装置的工作原理和t s c 投切控制程序以及短数据窗傅氏数据处 理算法。 3 本文从理论上及实践中探讨了系统无功优化方案，特别是就本系统无功 优化给出了实用的解决方案。 4 本文还讨论了配电系统无功补偿中谐波的处理方法，并给出了滤波器的 设计原则，具有很高的实用价值。 山东大学硕士学位论文 第二章配电网电压无功自动控制系统 2 1 电压无功自动控制系统的结构、要求及功能 要真正实现全网络降损节能的目标，就应使电压无功控制系统覆盖从公共 变压器低压侧，到变电站1o k v 侧，以及调度控制、统计等各个部门。其系统 结构如图2 一l 所示： m o d e m i i 调度级电压 i 无功控制栏片 s c a d a 网临控 服务器数据库 主计算机网络 报表设各 路 例2 1 电挂尢功自动控制系统结构幽 缺乏科学的无功电力规划与优化的补偿方案，会造成无功补偿的不合理， 不能达到优化补偿的要求。从城乡电力网无功功率损耗的基本状况看，各级网 络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以配电网所占比重大。为了 最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高配电设备的效率，无功补偿设备的 配置应按照“分级补偿，就地平衡”的原则进行规划，合理布局，而且要满足 以下要求： ( 1 ) 总体平衡与局部平衡相结合 要做到整个城乡电力网的无功电力平衡，首先要满足县、地级电网的无 功电力平衡，其次要满足和变电站、配电线路的无功电力平衡。如果低级的无 山东大学硕士学位论文 功补偿容量和补偿位置选择不合理，局部地区的无功电力不能就地平衡，就会 造成向外输出或者要向上索取无功电力。这样仍然会造成不同分区之间无功电 力的长途输送和交换，使电网功率损耗和电能损耗增加。因此，调度级电压无 功控制程序的主要目的，是进行在总体平衡的基础上，确定各个局部的补偿方 案，求出最优的控制，以求达到最佳的补偿效果。 ( 2 ) 集中补偿与分散补偿相结合，以分散为主 集中补偿，是指在变电站集中装设容量较大的电容器进行补偿；分散补偿， 则指在配电网络中分散的负荷区( 如配电线路、配电变压器和用户的用电设备) 分散进行的无功补偿。 本系统中，m c v o 一2 型电压无功控制装置属于分散补偿装置，而m c v q l 型 电压无功综合控制装置属于集中补偿装置。理论分析表明，集中补偿装置的主 要目的是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所站以上输电线路传输 的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。但它不能降低配电网络的无功损 耗。因为用户需要的无功仍需要通过变电站以下的配电线路向负荷输送。由于 配电网的线损占全网损失的7 0 左右，因而分散补偿的作用不容忽视。 ( 3 ) 降损与调压相结合，以降损为主 利用并联电容器进行无功补偿，其主要目的是为了达到无功功率就地平 衡，减少网络中的无功损耗，以降低线损。与此同时，也可以利用电容器组的 分组投切，对电压进行适当的调整，但这只是并联电容器补偿的辅助目的。在 一般情况下，要以降损为主，调压为辅。 在满足以上要求的同时，还应考虑多种正常及事故运行时，系统应具有 的灵活的调节能力。如：在正常运行方式时，突然跳开一条线路，或一定容量 的无功补偿设备，系统应采取某些措施，以保持电压稳定和正常供电，避免出 现电压崩溃。 2 2 系统设计 2 2 1 系统硬件构成 配电网电压无功自动控制系统由中央控制与信息管理计算机、数据采集计 一 生奎：查：篁坠篁丝丝兰：一 - ! ! = = ! ! ! = = = = = ! = = = = = = ! = = = = = = = = = = 一 算机、现场智能无功补偿监测装置构成。系统采用分层、分布、分散式网络结 构，见图2 - 2 。 中央控制与信息 管理计算机 光m o d e m 中央控制与信息 管理计算机 调度中心 中央控制与信息 管理计算机 光纤| _ 光m o d e m 数据采集计算机 光2 光m o d e m r s 一4 8 5 lr s 一4 8 5 霁藿i l 算藿il 霁藿i i 算 补偿| l 补偿il 补偿j i 补 监测ll 监测 i 监测 i 监 装置l 装置ll 装置 j 裟 光纤 光m 0 0 e m 数据采集计算机 光 4 0 d e m r s - 4 8 5 智制l 智能 补倒t 补偿 监测l 监测 装翻i 装置 图2 - 2 系统网络结构不惹劁 中央控制与信息管理计算机位于调度室，留有以太网接口或i n t e r n e t 接 口，既可与其他计算机构成信息管理网络，又可通过w e b 浏览或与其他系统集 成连接实现信息共享。中央控制与信息管理计算机和数据采集计算机之间采用 链形网络，光介质传输。在中央控制与信息管理计算机处配置光纤通讯m o d e m ， 在数据采集计算机处配置光纤通讯m o d e m ，利用调度室光纤通讯m o d e m 和变电 站光纤通讯m o d e m 实现调度室与变电站计算机之间的远程通讯。 数掘采集计算机分别位于两个变电站，起到数据集中器的作用。每台数据 采集计算机配备光纤通讯m o d e m 。光纤通讯m o d e o m 与调度室的光纤通讯m o d e m 01智补监装 勰一一111i；2一黝型一智补监装 山东大学硕士学位论文 = - = = ! ! ! = = = ! = = = = = = = = = ! ! = = = = 构成链形网络，变电站的光纤通讯m o d e m 与现场的光纤通讯m o d e m 构成链形网 络。 智能无功补偿监测装置位于现场变压器处，配置光纤通讯m o d e m ，与数据 采集计算机光纤通讯m o d e m 构成链形网络系统。利用光纤通讯m o d e m 的r s 4 8 5 接口，接智能无功补偿监测装置。距离在2 0 0 米以内的智能无功补偿装置可以 接到同一个光纤通讯m o d e m 。这样，可以减少光纤通讯m o d e m 的数量，降低成 本，同时为系统的扩展留有很大的余地。 该系统结构具有下列特点： ( 1 ) 实现系统真正意义上的开放性，便于系统的二次开发和业务拓展， 可以通过w e b 浏览或与其他系统集成连接实现信息共享。 ( 2 ) 网络上的各个结点相互独立，一个结点出现故障不会对其他结点构 成影响，系统整体可靠性高。 ( 3 ) 采用光纤通讯，不受雷击、电磁等因素的影响，具有极高的抗干扰 能力，保证了数据的安全可靠传输。 ( 4 ) 灵活性高。一方面，新增线路可以通过增加数据采集计算机接入系 统；另一方面，新增变压器后增加的智能无功补偿监测装置，可以利用r s 4 8 5 接口就近接入光纤通讯m o d e m ，从而接入系统。 ( 5 ) 可维护性强。具有完善的故障自诊断功能，并支持对现场的智能无 功补偿监测装置进行远程维护。 ( 6 ) 缺点是光纤的连接比较困难，光纤的弯曲半径不宣太小，分路和耦 合不方便。 2 2 1 1 中央控制与信息管理计算机 中央控制与信息管理计算机用于数据采集，发送控制命令，设定现场智取 能无功补偿监测装置的参数，对采集的数据进行记录、分析等。 配置： h p 工业级微机，p i i w 6 5 0 1 2 8 m 内存 1 3 5 g 硬盘 2 1 彩显 3 2 倍速光驱 山东大学硕士学位论文 ：= ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = ! ! ! ! ! = = = i o 1 0 0 m b 网卡 激光打印机 2 2 1 2 数据采集计算机 数据采集计算机用于数据采集，发送控制命令，设定现场智取能无功补偿 监测装置的参数，起到数据集中器的作用。 配置：h p 工业级微机，p i l l 6 5 0 1 2 8 m 内存 1 3 5 g 硬盘 17 彩显 3 2 倍速光驱 l o l o o m b 网卡 激光打印机 2 2 1 3 光纤通讯m o d e m ( 光端机) 用于构成远程通讯网络。 技术特性：单模r s 一2 3 2 4 8 5 4 2 2 转s r ：3 0 k m 电源 光参数 条件环境 特别适合于电力系统的自愈式光端机 多节点网络接入 采用专用的a s i c 电路 环行结构具有自愈功能 可组成链路结构 接口速率为o 3 1 15 2 k b p s 供电电源5 v 或7 3 0 vd c 发射器l a s e r l e d 接收器p i n 波长1 3 0 0 n m ( 单模) 8 5 0 n m 1 3 0 0 n m ( 多模) 耗损余度大于3 0 d b ( 单模)15 d b ( 多模) 光连接器f c p c ( 单模)s t ( 多模) 工作温度一4 0 + 8 5 存储温度一4 5 。c + 9 0 山东大学硕士学位论文 =一= ! ! ! ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = 2 = 电气接口：湿度 9 0 2 2i 4 光纤 采用单模光纤，户外架空型 2 2 i 5 智能无功补偿监测装置 智能无功补偿监测装置用于在变压器侧，对系统无功负荷变化实时监测， 快速动态补偿，从而最大限度降低线损耗，提高电压质量和配电设备利用率。对 因系统电压的变化而造成的电压波动的现象进行有载自动调压( 变压器应具备 有载自动调压功能) 。对各配电点的无功动态补偿运行情况、配电变压器实际 运行情况各项运行参数进行采集。可以对电能量自动采集。 2 2 2 信息流程与通讯协议 2 2 2 1 信息流程 系统信息流程框图见图2 3 。由同条线路上的各个智能无功补偿监测装 置从现场采集的数据分别传送到数据采集计算机，由数据采集计算机将一条线 路的数据传送到中央控制与信息管理计算机。中央控制与信息管理计算机对采 集的数据进行处理和存储。参数设置等命令由中央控制与信息管理计算机发送 到相应的数据采集计算机，再由数据采集计算机发送到相应的智能无功补偿监 测装置。 智能无功补偿监测装嚣不主动上传数据，只有在收到相关命令才以命令响 应的形式上传数据。数据采集计算机根据收到的响应，对智能无功补偿监测装 置的工作状态进行存储。数据采集计算机对处在工作状态的智能无功补偿监测 装置，定时发出读取数据命令。对于来自中央控制与信息管理计算机的控制命 令，数据采集计算机立即将其f 传到智能无功补偿监测装置。数据采集计算机 不主动向中央控制与信息管理计算机发出信息，只有在收到相关命令后才以命 令响应的形式上传数据。中央控制与信息管理计算机可以一次读取一条线路的 数据，也可以一次读取一台智能无功补偿监测装置的数据。中央控制与信息管 理计算机自动读取数据时，每次读取一条线路的数据。操作员可以任意选定任 何一台智能无功补偿监测装置，由中央控制与信息管理计算机发出命令，每次 读取一台智能无功补偿监测装置的数据。工程师或高权限操作员可以通过中央 控制与信息管理计算机发出一条命令，将所有的智能无功补偿监测装置设定成 山东大学硕士学位论文 相同的参数，也可以对任何一台智能无功补偿监测装置单独设定参数。 校时历史数据存储 曲线报表 数据处理 s o e | | 记忆| | 数据检测l l 转换l i 报警 数据传送 数据采集与控制 小小 山山 现场装置i i 现场装置 配电网一次设备 中央控制与信息管理计算机 数据采集计算机 现场智能无功补偿监测装置 2 2 2 2 通讯协议 通讯协议参照国家标准。 通讯采用p o l l i n g 方式，响应码中包含装置状态信息。采用多种校验措 旌，以保证通讯的可靠性。另外，连续一定次数发，出命令后，超过规定时间未 获得响应，则判为通讯异常。 2 3 智能无功综合补偿装置 2 - 3 】m c v q 一1 电压无功综合控制装置 m c v q l 型电压无功综合控制装置是一种新型的变电站电压无功微机综合 控制装置，该控制装置采用电压无功模糊判据，在保证电压合格和无功最佳补 偿效果的情况下，使有载变压器分接头的调节次数比同类装置或人工调节约减 少i 3 ，现场运行表明运行该装置使变电站电压合格率达到1 0 0 ，线损约降低 2 0 ，对于提高电压质量和降低线损具有重要意义。 m c v q 一1 型控制系统适用于l o k v ，3 5 k v ，1 l o k v 2 2 0 k v ，3 3 0 k v ，5 0 0 k v 蛮 电站，可控制1 2 台有载调压变压器( 两绕组、三绕组均可) ，l 8 组并联 山东大学硕士学位论文 补偿电容器工作在并列或解列各种运行方式。 0 k v m 白 口d 白。r t 3 5 嚣勰i 5 l ( v 例2 4 一次设备主接线图 2 3 2 m c v q 一2 型电压无功自动控制装置 目前，国内绝大部分智能无功补偿装置都集中于l o k v 及以上线路，e j 于 4 0 0 v 低压配电系统的装置应用不是很多。4 0 0 v 低压配电系统处于电网的最末 端，做好低压补偿，不但能减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配 电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效地降低电能损失。 m c v q 一2 型电压无功自动控制装置是在m c v q 一1 型的基础上，所研制的第二代电 压无功自动控制装置，主要应用于配电系统低压侧无功动态补偿，浚装置的特 点如下： ( 1 ) 本装置可安装在配电室中或柱上变压器低压侧，体积小，可靠性高。 ( 2 ) 采用可控硅控制电容器( t s c ) 自动投切技术，使电容器的投切更加 快速、平滑，无过渡过程。 ( 3 ) 对于带有载分接开关的变压器，本装置可同时调节有载分接开关， 达到真正意义上的电压无功自动调节。 ( 4 ) 补偿电容器采用三相共补与三相分补相结合，在低压配电网三相补 平衡较普遍的情况下，更能满足补偿需求，做到精确补偿。 ( 5 ) 总体上按集散系统方案设计，具有多种远、近程通讯功能，可实现 山东大学坝士学位论文 联网集中监控，集中采集数据等功能，使配电系统电压无功自动控制及监测一 次到位。 2 3 2 1 装置的硬件构成 2 3 2 1 1 电气量参数采集 装置采集三相电压瞬时值u a 、”b 、u c 、三相电流瞬时值ia 、i b 、i c ，有载 调压变压器分接头位置及电容器投切状态，通过计算得出被测系统的功率瞬时 值p ，电压有效值u ，电流有效值i ，无功功率值q ，功率因数角中以及无功值与 定值差额，然后根据电压无功模糊判据进行判断做出相应的反应，即投切电容 或调节有载变压器分接头位置，从而达到智能无功补偿的目的。 2 3 ，2 1 2 电气量数据保存 电能量采用e e p r o m 保存，主机可以预置或清零。 瞬时值u a 、i j b 、i j c 及i a 、i b 、i c 保存最近n 个波形。 2 3 2 + 1 3 硬件框图 图2 - 5 硬件系统框图 2 3 2 2 装置的功能及技术指标 功能： 电容投切 变压器档位调节 手动自动切换 复位 闭锁 通讯 技术指标：电容器投切率1 0 0 ，可实现三相共补与分相补 山东大学硕士学位论文 系统时钟误差 0 1 秒 可控硅触发开关，过零点触发无延时 2 3 2 3 电压无功综合补偿装置的通讯 为适应不同用户的要求，通讯模板能够完成多种方式的通讯功能。如采用 m a x 2 3 2 芯片进行r s 2 3 2 通讯，采用s j a i 0 0 0 和8 2 c 2 5 0 进行c a n 总线通讯等， 通过光缆实现与主机通讯，通讯速率9 6 0 0 波特。 2 3 3 m c v q 一2 电压无功自动控制装置的数据处理算法 在电压无功综合补偿装置中，需要获取系统各元件的电压、电流、功率等 交流电量，且必须满足实时性的要求，以及时响应现场各种状态的变化，迅速、 准确地做出反应。交流电量的快速测量大多采用交流采样法，它具有响应速度 快、节省投资、工作可靠和维护简单等优点，但交流采样所得到的是信号的瞬 时值，无法直接识别其大小和传递方向( 功率) ，这就需要通过一定的算法把 信号的有关特征电量计算出来。目前，国内外普遍采用的交流采样算法主要有 全波傅氏算法和短数据窗傅氏算法等。全波傅氏算法具有较强的滤波功能，且 在滤波的同时，还可以获得信号的实部和虚部，但速度比较慢，需要一个周期 爿能得到结果。短数据窗傅氏算法则在继承了全波傅氏算法大多数优点的前提 f ，即有很强的滤波功能等，只要经过半个甚至i 4 个周期就可以得到结果，具 有使用灵活、精度高、响应速度快等特点。本系统开发的m c v q 2 型电压无功 综合补偿装置采用短数据窗傅氏算法来进行数据处理。 2 3 3 1 算法原理 假设交流信号只含有n 2 次以下的谐波分量( 为一个周期内的采样点数， 高次谐波已通过前置滤波电路滤除) ，则可表示为： u = + u , s i n ( i c o t + p ，) ( 2 一1 ) 式中u o 为直流分量；f 为谐波次数；奶为第i 次谐波分量的幅值；n 为采样点 数。则相应的第胛次采样值可表示为： 2 + 筹u s 加r ”z + 仍j = 筹阮 ( z 一2 ) 式中。为i 次的谐波分量的第n 次采样值。 山东大学硕士学位论文 于是式( 2 1 ) 可用下式计算： 己，_ 兰a 彤，= 妻。“。+ 兰。k 。+ 妻口。k ， ( 2 - 3 ) t ，= i f # i h = l h 2j 若使其中量“属。= 0 月一i ( 2 4 ) 则式( 2 - 3 ) 的计算结果中就不含有f 次分量，即算法滤去了第f 次谐波。同样 若要同时滤去几种谐波分量，只要联立几个与式( 2 - 4 ) 类似的方程即可： 肌= 0 ： ( 2 5 ) 口一醵= 0 解方程组( 2 - 5 ) 可得：瓯瓯，代入式( 2 - 3 ) 得： v 2 髓l 矿l + 口2 矿2 十- + 口m v , o ( 2 - 6 ) 则中不包含从垮0 ，次的谐波分量，即滤除了从f 到f 的谐波分量。 2 3 3 2 滤波算法的确定 设矩阵f ，j 分别为： s = 0 因此，可以把矩阵f 定义为滤波矩阵。 设在复平面上有相量： 痧，：u z ( 月f 堡) ，v 则式( 2 - 2 ) 中的采样值k ，可表示为上述相量的虚部： k r 2 i m ( 儿1 将式( 2 - 9 ) 代入式( 2 5 ) ，并分成实部和虚部处理后， ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 - 8 ) 得： 器 叫lil=1 ： 彤 为 ；| 示 矿 矿 i一碱 仁 列 山东大学硕士学位论文 c o s ( i 一2 ：r ) s i n r j 2 1 r1 j v c o s r ，丝) s i n ( 1 2 7 r 、 。 c o s ( 2 i 竺、 s 加，2 f 塾、 。 c o s r 2 l 坚) s i n ( 2 l 堡1 c o s r m i 2 t o1 j i n ( m i 丝1 - v c o s r m ，丝1 ，2 z c 5 2 w ”2 万 口l 口2 ： 口m o( 2 1 1 ) 要滤去x 种谐波分量，式( 2 一1 1 ) 中就要有2 x 个方程：要使式( 2 1 1 ) 有非零 解，必须使m 2 册l 为减少使用的采样数据，取m = 2 x + 1 。解式( 2 一1 1 ) 即可求 出系数a ，代入式( 2 - 6 ) 得v ，则矿不含从i 次到，次的谐波分量。但它既含 有信号的实部，又含有信号的虚部，需要通过以下计算来求出信号的实部和虚 部。 将式( 2 - 6 ) 的数据窗向后移动一步得： w = 口i 矿2 + d 2 , v3 + + “2 + l 矿2 + 2f 2 12 ) 显然矿中也不含从f 次到，次谐波分量。 对基波而言，信号的个采样植可表示为： 瓦1 = u 脚s 妒，s 嘲n 塾j + u 。斫n ( o c o s ( n 堡j ：u , s 州n 堡j 十u c o s ( n 堡，( 2 - 1 3 ) nn nn 式中阢，阢为基波的实部和虚部。 将基波的前2 x + 2 个采样值代入式( 2 - 6 ) 和式( 2 - i 2 ) ，得： l v = 口j 矿+ o l v + + d 2 t + i v r 2 z + ij = k l 矾+ k 2 肼 1 w ：口v 2 1 + c t ，v ，+ + 口：+ v ，：，+ ：，：k ，l + 丘。矾( 2 1 4 ) 因此解得： 仁 k 一矿一眉： 足j 丘4 世l k2 彤j 五3 y 世l k q k 2 k 3 ，t r y ，矿：，一，rz x ，z j ( 2 一l5 ) f 2 ( v , ，v 2 ，- 一，v 2 ，2 j ， 即为采样滤波算法，式中v l 到n 2 为| ； 2 x + 2 个采样值。 在实际应用中，滤除直流分量和2 、3 、4 、5 、6 、7 次谐波分量，则令下式 为零。 一坐变奎兰二堡兰兰竺二堡二圣：一 ! ! = 2 。= = = ! ! ! = = = 一 塾= 争陋塾胁薹飙。砉撕5 2 薹矶2 薹幽2 。 按照前面的算法可得到： c w r 堡2x l j 加堡2 1j c 嬲r 簪m 1 j s 加r 堡7 1 ， n c r 丝2 1 4 j s f 塾2 1 4 ) 、 c o s ( 等7 1 4 j j 折，2 7 ( 7 1 4 j ( 2 一1 6 ) 求出a ，a ：，口v 一，m 后代入( 2 6 ) 式， 得到：v ：口。v i + a 2 , v ：+ + 舭v ；为了求出信号的实部和虚部，将式( 2 6 ) 的数 据窗向后移动一步得： 形= 口j vz + d 2 v 3 + 十o t t s v l 6 刑基波而言，根据式( 2 一1 3 ) 以及上面的v 各w ，解得： f 【，、= f ，( y ，：矿v ，矿、。) ih = ，( 矿t ，v z ，v z s ) 由值可算出电压和电流基波有效值的幅值和初相角， = | 此计算出功率因 数、有功和无功功率等参数： u ：浮b 浮 u sb 胁“妒”瓦翮卵2 i 尸= u l c o s q ，q = u 1 s i n p 妒= 钞一妒， 式中u ，i 表示电压、电流的有效值：妒。，p 1 表示电压和电流的初相角； 妒表示功率因数角；p ，q 表示有功、无功功率。 z 3 3 3 算法的仿真分析 2 3 3 3 1 采样点数的影响 当每周期采样点数取1 2 点，处理器采用4 位有效数字运算，a d