毕业设计之变电站电压无功综合控制系统设计

＊＊**＊本科毕业论文变电站电压无功综合控制系统设计学生姓名学生学号：院（系

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二〇一一年五月

本科毕业论文

摘要摘要无功补偿是保证电力系统运行稳定线路损耗,提高经济效益和保证电压质量的基本条件.国内变电站配备有载调压变压器和并联电容器组过合理地调节变压器分接头和投切电容器组，可以很大程度上改善电网电压质量，实现无功功率合理补偿.变电站电压无功综合控制系统的目标是在保证电压合格功率基本平衡的基础上尽量减少调节次数。九区图划分的电压无功调节判据，实际运行时在临界区域容易造成振荡和装置动作频繁针对传统九区图控制策略的不足本文引入了基于变量计算的VQC策略，通过这种策略算法得出变压器分接头和电容器投切开关的动作方案。通过基于变量计算的策略与传统九区图VQC策略相比，前者在不降低电压无功控制效果，同时能够减少有载调压器分接头和并联电容器组的调节次数,提高了电气设备使用寿命。关键词:无功补偿，电压无功控制，变量计算策略I

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ABSTRACTReactivetothesystemreducelineloss,benefitensureconditionsofvoltageDomesticequippedwithon—loadchangerparallelcapacitorgroup，regulatingjointthrewcuttingcapacitorcanlargelyimprovethenetworkqualityrealizingreasonablecompensation.Voltagegoalqualified,ontoregulationfrequency.Nineareagraphpartition，actualincriticaleasilycausedeviceconventionalareadeficiencyofbasedvariable，VQCstrategy，calculatedbythattransformerjointalgorithmofcapacitorswitchingactionplan.theVQCstrategybasedwithtraditionalninechart，theformerVQCinlowerthanvoltagereactive—powercontroleffectalsocanonpressurepointjointparallelgroupof，theelectriclife.Key：powercompensation，voltagereactivecontrol,VQCstrategyII

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目录目

录摘要ABSTRACT................................................................................................................II1绪论.........................................................................................................................1。选背和义

..............................................................................................11.2国内研现。本主工

................................................................................................2.................................................................................................32无功偿控制理设计.........................................................................................42.1无功偿量算准2.2传统偿制据绍

............................................................................................................................................................................2.3九区电无控策

..................................................................................8。。1九图基本原理............................................................................................92.3.2九图不合理动作分析....................................................................................2.3.3九图控制策略其他缺陷2.4基于量算策略原

.......................................................................3系统件设计.......................................................................................................18。系功要

...............................................................................................18。控系硬结构

........................................................................................3.3电源路

.........................................................................................................20。模数采电路

........................................................................................。开量入出电

.....................................................................................224系统软件设...................................................................................................244.1系统主序程

...........................................................................................244.2数据块集序计

....................................................................................25。基变计VQC策判控

.................................................................27。运控模

...............................................................................................28。策略制果

........................................................................................30结论...........................................................................................................................参考文献...............................................................................................................35致谢...........................................................................................................................I

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绪论1

绪论11选题背景和意义电压是衡量电能质量的一个重要指标保证电压接近额定值是电力系统运行调整的重要任务之一。这是由于各种用电设备都有是按额定电压设计制造的，电压偏移过大不仅对用户的正常工作产生不利影响，还可使网络损耗增大，甚至危及系统运行的稳定性，经研究结果表明，造成电压质量下降的主要原因是系统无功功率不足或者无功率分布不合理,以电压调整问题主要是分布问题与无功功率的补偿。作为变电站调压的主要手段，一般都采用有载调压变压器和补偿电容器，有载调压变压器可以在带负荷条件下切换分接头。从而改变变压器的变比，可以起到调整电压降低损耗的作用，然而合理地配置无功功率补偿容量可改变网络中的无功潮流分布、改善功率因数、减少网络损耗和电压损耗，从而改善用户电压质量.上两种措施虽然都有调整电压的作用但其原理作用以及效果是不同的在利用有载调压变压器分接头进行调压时压措施本生不产生无功功率。因此在整个系统无功不足的情况下不可能用这种方法来提高全系统的电压水平.而利用补偿电容器进行调压,由于补偿装置本身产生无功功率此这种方式既能弥补系统无功的不足,又可以改变网络中的无功分布，然而在系统无功充足但由于无功分布不合理，而造成电压质量下降时，这种方式却又是无能为力的，因此只有将两者有机的结合起来，才有可能达到良好的控制效果，在传统的控制方式下,两种控制方式是运行人员根据系统调度部门下达的电压无功控制计划根据运行情况进行调整这不仅增加了值班人员的动强度,而且对双参调整难以达到最优的控制效果。电压是电能的主要质量指标之一电压质量对电网稳定运行及电力设备安全运行具有重大影电压无功和主变分接头是影响电压质量的两个主要因素,电无功的综合调节是提高电压合格率，减少变压器和线路损耗，提高电网安全性和经济性的必要手段,过去，变电站的电压和无功功率都是靠运行值班人员手动调节，手动调节的缺点是显而易见的：不能实时调节，调节效果难以保证。目前变电站的发展趋势是综合自动化和无人值班化，电压无功综合控制是适应这种发展趋势的随着蒙西电力系统规模的不断扩大，地区电网互联紧密度不断加强，系统复杂程度的不断提高，使得电压无功优化控制问题的规模越来越大，原来仅在变电站侧装设电压无功自动控制装置进行无功补偿已不能满足需要,因这种补偿只是局部控制，无法达到地区电网的全局最优。因此必须从整个地区电网角度进行综合电压无功控制，才能达到全网最优地改善各节点电压水平和减少网络损耗

［1]本科毕业论文［1]

绪论的目的。由于各种用电设备接入电网会消耗大量的无功功率，为了维持无功功率的平衡,七十年代以来级电网中都陆续安装了大量的无功功率电源,无功补偿电源的容量基本上与新增发电设备的容量相适应的电压水平不断得到改善。但是依然存在着一些问题，如一些电网在高峰负荷时电压偏低而在低谷负荷时电压却偏高的现象时有发生，局部地区的无功控制设备的动作次数超过设备的允许规定，严重影响了设备的使用寿命。究其原因主要是由于地区电网的电压无功调节手段运用不合理使得各无功补偿设备未能发挥应有的作用据统计:在电网负荷高峰期近60％的电容器组未能投入运行在低谷负荷时却有近％的电容器未能退出运行。可见，无功补偿的效果不仅取决于补偿设备的容量，而且与采取的控制方式和控制策略密切相关因此,如何进行地区电网电压无功的协调优化控制是现代电力系统经济运行应解决的主要问题之一从降低网络损耗的角度上讲,行地区电网的无功优化可有效降低网络损耗如果全国平均损率能下降1％每年就可以减少数十亿度的电能损耗，这对于我国并不十分充足的电力，其经济效益是非常可观的。因此，为了保证电能质,提高电网的电压合格率和尽量降低电力系统的网络损应增强对电压无功的调控能随着电力系统自动化程度的不断提高,压无功控制越来越得到人们的重视随着地区电网的不断发展，电网结构日趋复杂,功调节手段的数目日益增多对电能质量的要求也日益提高这些因素导致地区电网电压无功优化控制问题的规模越来越大，对其求解的要求也越来越高,统的电压无功优化控制方法已不能满足电力系统实际运行的需求。因此，采用一种新的控制原理和控制方法来解决地区电网电压无功协调优化控制问题具有重大的理论意义和工程实际意义。1国内外研究现状多年来国内外学者对于电压无功控制这一问题进行了大量的研究，并积累了一些运行经验,生了各种分析算法经历了由手工分别控制电压和无功，到基于单变电站的电压无功综合控制,再到多变电站的集中控制在已发展到基于分层分布式结构的协调控制阶段，同时许多电压无功控制装置也已经在不同国家、地区投入使用,得到了改进.在电网中无功功率补偿设备主要有以下几种：①同步发电机同步发电机是电力系统中唯一的有功电源同时也是电网中无功的基本源。②同步调相机:同步调相机是一种同步转速运转的不带机械负荷的同步电机，带有控制其励磁磁场以提供电压控制的控制电路当系统电压下降时，调相机进行过励磁运行，向系统提供感性无功功率来提高系统的电压当系统电压升高时,调

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绪论相机进行欠励磁运行，吸收系统中的感性无功功率来降低系统电压。有自动励磁调节装置的同步相机能根据装设地点电压的数值平滑的改变输出的无功功率从而对电压进行调节.这种装置多用于高压侧对电网进行集中补偿，但是由于它是旋转的电动机，运行中的损耗和噪声都比较大，同时运行维护复杂、响应速度慢故难以满足.③并联电容器组:并联电容器自动投切装置以电网中的无功功率的大小作为电容器开关投切的主要条件；当无功大于上限时电容器开关合闸；当无功小于下限时，电容器开关分闸。同时电容器开关又以母线电压作为投切辅助条件：当母线电压异常时，电容器开关闭锁；当母线电压大于上限整定值时,电容器切除；当母线电压小于下限整定值时，电容器投入。电容器是静止的无功补偿设备，具有结构简单、经济方便等优点,在调节效果相近的情况下，费用远远低于同步调相机,因而已大面积取代了同步调相机。④并联电抗器:并联电抗器的工作原理与并联电容器的工作原理正好相反，它属于负补偿,常用于补偿电网中电容作用。并联电抗器是高压长线路的重要补偿方式,在新建变电站的电容器装置中串联电抗器的选择要慎重不能任意组合，一定要考虑电容器接入、出的谐波因数。当电容器组容量变化比较大时，可选用与电容器同步调整分接头的电抗器或选择串联电抗器混合装置以防电容器投切时产生的过电压。⑤静止无功补偿器：随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，静止无功补偿器进入了无功补偿的舞台。静止无功补偿器是指将电容器或电抗器与大功率半导体装置相结合而构成的一种可控无功电源。由于此种装置在控制电路上采用大量的晶闸管，故能连续而迅速的控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的电网的节点电压同时此装置在投入能够减少过电压和涌流。但是由于国内受耐高压功率元件的限制，此种装置高压无功补偿方面还不能普遍的推广应用。1本文主要工作从降低网络损耗和提高变电站自动化水平着手，对地区电网电压无功控制应用方面的问题进行探讨，文主要针对传统补偿控制策略存在的一些问题进行分析，然后针对此种问题设计一种基于变量计算的控制策,能够较好的解决传统控制策略出现的问题.为此首先介绍了一些无功补偿的基础，如补偿的必要性，常用补偿的设备、补偿容量计算方法、补偿方案等。本文介绍了传统控制策略九区图控制原理的不足，分析了造成投切振荡的原因,提出基于变量计算策略的控制系统硬软件设计方案。

[2］Y本科毕业论文[2］Y

无补偿控制原理设计2无功补控制策略为了改善电压质量和降低线路损耗许多变电站配置了无功补偿并联电容器组和有载调压器，根据负荷变化对有载调压器和补偿并联电容器设备进行综合自动调节。如何自动调节变压器设备和投切并联电容器组，目前国内没有统一的准则。传统的固定边界调节判据，存在一些问题，容易造成频繁投切而降低装置使用寿命，也容易造成过补和欠补等诸多问题，但是由于其控制判据具有成熟性和稳定性，因此目前在国内很多补偿装置中广泛地采.为此首先介绍和分析传统的补偿控制判据，分析传统九区电压、无功综合控制策略，说明其存在的问题和形成这些题的原因，提出了基于变量计算VQC策略的控制系统。2.1无功补偿容量计算标准在交流电力系统中，充足无功电源可维持电力系统的电压水平，保证电力系统稳定运行和用户的供电质量,并减少电网的电能损失。故在满足电能质量的条件下，如何配置系统的无功补偿容量是非常重要的。确定补偿容量的方法是多种多样的，但是其目的都是要提高配电网的某种运行指标，下面就来介绍几种确定补偿容量的方法.①从提高功率因数需要确定补偿容量如果电力网最大负荷月的平均有功功率偿前的功率因cosY功率因数，则补偿容量用下面公式计算：QP(tgtg)QtgC111或者写成Q(Y

,补偿后的式（2.1式（2.2有时需要提高到大于cos,小cos，则补偿容量应满足下述不等式:(Y

11(coscoscoscos1

式(2.3）式中

C

：所需无功补偿容量，kvar;：最大负荷日平均无功功率kvar；YP：最大负荷日平均有功功率，；Y

.1.1.2本科毕业论文.1.1.2

无补偿控制原理设计

最大负荷日平均功率因数，

定必须适合。通常，将功率因数以提到所需的补偿容量与将功率因数从提高到0.9所需的补偿容量相当。因此在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。这是因为在高功率因数下cos

线的上升率变小此提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。②从降低线损需求来确定补偿容量线损是电网经济运行的一项重要指标，在网络参数一定的条件下，其与通过导线的电流平方成正比如设补偿前电力网的电流I,其中有功分量为I和RI，则：IIjI式（2。4)lxx若补偿后，电力网的电流为I,其中有、无功分量I和I,则II2

2R

jI

2X

式(2。5)补偿前的线路损耗为：IRI/)211R1

式（2。6）补偿后的线路损耗为I2

22

RI

2

/

2

)

2

R

式（2。7）则补偿后线损降低的百分值为%)/a12

式（2。8）由于在补偿前后,电流的有功分量不变,故有：I

式（2。9）综合式（2.6）、（2。7)、(2.9）可将(2.8）化减为%(cosa

cos1

2

2

]

式（2。10)故在用此方法确定补偿容量时，首先根据要将的线损指标cos,由式(2.8）、（2。10）计算

，然后代入式（2。2）即可得到要补偿的容量。③从提高运行电压要求来确定补偿容量在一些重负荷、细导线的配电线路末端，其运行电压较,故需要加装补偿电容器，以提高其运行电压。这就产生了按提高电压的要求,选着多大的补偿电容是合理的问题。此外，在网络电压正常的线路中，装设补偿电容时，网络电压的升压不能越限，为了满足这一约束条件，也必须求出零补偿容量和电压增量之间的关系。补偿之前,网络电压表示如下UPR)/1

2

式(2.11）补偿之后，电源电U不变，母线电压升,则网络电压表示如下：3UPRQ)]/U1C

3

式（2.12）

。本科毕业论文。

无补偿控制原理设计则补偿后电压增量为3C

3所以需要补偿的容量为：U/C3式中：投入电容后母线电压值3：投入电压后母线电增量

式（2。13）则三相所需总容量：Q

U

33

L3

1ULL

式（2.14）式中U:线电压增量L：线电压3L故在用此指标来计算补偿容量时只需知道了补偿后的电压和电压增量就可计算补偿容量。④无功补偿方案配电网合理的无功补偿方式，能够有效地维持系统电压水平，降低网络损耗，提高网络输送容量,减少发电费用。本节将对配电系4种补偿方案进行技术比较，用户在使用时应根据配电网实际情况合理的选择补偿方案

［3］1）变电站集中补偿对于具有线路较短、负荷较集中、负载率较高，并以工业负荷为主的变电站，一般进符站内集中补偿.这样可以做到按无功需求就地进行平衡，即变电站的无功补偿容量可按照满足主变压器的励磁无功和漏抗无功损耗的要求进行确定，这样以减少输电线路输送无功功率引起的有功损耗。用此种方案进行补偿时，装置一般安装在变电站0kV母线上,具有管理容易、维护方便等优点,但是对降低配电网络损耗所起的作用比较小。2）低压集中补偿低压集中补偿是指在配电变压器80V侧进行集中补偿，利用微机控制的低压并联电容器柜,容量在几十至几百千法不等，根据用户负荷水平的波动投入相应容量的电容器进行跟踪补偿。此种补偿方案可以提高专用变压器用户的功率因数，实现无功的就地平衡，有助于降低配电网和配电变压器的损耗和保证用户的电能质量。3）杆上补偿方式此种补偿方案是指在l0kV架空线路的杆上安装户外并联电容器进行无功补偿以达到提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于在配电网中存在大量的公用变压器没有进行低压补偿，由此造成很大的无功缺口，这些需要变电站和发

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无补偿控制原理设计电厂来填补,同时大量的无功沿线传输也造成电能大量损耗因此为了提高效益和降低网络损耗,采用此种方案进行无功补偿是完全必要的。因为此种补偿方案是在户外远离变电站的杆上进行，因此容易出现保护不易配置、控制成本高、维护量大，受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题，所以进行杆上无功补偿时必须结合实际情况进行合理的设计。此种补偿方案主要是针对l0kV馈线上沿线的公用变压器所需无功进行补偿的，具有投资少、回收快、补偿效率高等优点，广泛的用于功率因数较低且负荷较重的长配电线路。4）用户终端分散补偿方式用户终端分散补偿方式是指对于一些容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷进行就地随机的补偿。在国内低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大,直接对用户末端进行就地随机的无功补偿，可以降低网络损耗和维护网络电压水平.此种补偿方案主要针对企业和厂矿中的电动机和一些小区用户终端。2.2传统补偿控制判据介绍①功率因数控制判据

［4］按功率因数大小进行补偿是电网进行无功控制的传统方法之一它是以功率因数作为控制信号来控制并联电容器的投切动作然而功率因数是无功与总功的比值，不能够具体的反映电网对无功功率的需求量。当负荷较轻时，功率因数可能较低,但此时无功的缺额并不是很大，较小的无功功率的变化就会引起功率因数较大的变化，因此会存在动作频繁的问题严重时甚至造成投切振荡。当负荷较重时，功率因数可能不会太低，但此时无功缺额比较的大因此造成无功不能及时的补偿.所以按功率因数进行无功补偿控制时,由于其不能具体的反映电网对无功的需求，存在电网对无功的过补和不能及时补偿的结果情况。②母线电压控制判据其原理是透过检测母线电压决定电容器的投切，在利用此种判据时要考虑电容器投切对电网电压的影响，否则会造成频繁投切现象。在电网中有功功率波动一般对电网电压影响较小，电压的波动主要是由于无功功率波动引起的。据此，某些对电压要求严格的枢纽变电站，仅以母线电压高低作为变电站无功自动调节的判据,而未考虑保持无功平衡的原则。这种控制策略比较简单，来考虑无功电力的消耗，因此难以作到无功功率的就地平衡.③母线电压及其昼夜时间复合控制判据其原理就是根据变电站的日负荷运行曲线，将日负荷划分为多个负荷时段，

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无补偿控制原理设计根据不同负荷时段对电压和无功的要求，编制合适的运行程,实现对变压器分接头的调节和对并联电容器投切控制。这种控制策略的优点在于：各个控制设备的动作次数可控,不需要专门的模拟测量软硬件开销。其缺点在于：这种控制手段只适合于日负荷规律比较稳定的变电站，且必须随季节和负荷量的改变，对时段的母线电压和无功功率补偿值进行调整。当由于季节和天气因素造成负荷随机变换时，还可能出现控制不当，导致负面影响。④母线电压及其功率因素复合控制判据其原理是通过检测变压器一次侧功率因数和母线电压，综合分析判断后决定对变压器分接头和并联电容器的调节。此种控制策略有两种判别方式：一是以母线电压为主，功率因数为辅。即只要电压合格就不考虑功率因数，当母线电压不合格时，根据母线电压和功率因数的性质综合判断做出调节动作.另一种是母线电压和功率因数作为两个并行的判据，即使电压在合格范围之内如果功率因数满足动作条件，也会向变压器分接头和并联电容器发出动作。第一种判据方法，尽管考虑了无功补偿效果,但是在某些运行状态下，缺无功补不上去，超无功又切不下来，致使无功补偿效果不佳;第二种判据方法，功率因数并不能反映无功，甚至偶尔两个并行判据互相矛盾,造成装置频繁动作的现象。⑤母线电压及其无功功率复合控制判据根据母线电压和无功功率将运行情况分为九个区域，在不同的区域采用不同的控制对策，综合利用调节有载调压变压器分接头和并联电容器投切手段，将母线电压和无功功率控制在各自允许的范围之内。但是由于采用的是固定边界，无法反映补偿动作对电压的影响，在某些情况下存在动作频繁的问题。综上所述，各种传统的控制策略都存在各自的优点和缺点，相对而言，电压无功综合控制能够在保证在电压合格范围内，同时实现无功基本平稳。故此控制策略广泛的应用于无功补偿装置，取得较好的补偿效果，但是此种控制策略在临界区域容易造成装置频繁动作，投切振荡的问题。2九区图电压无功控制策略变电站电压无功综合控制系统式一个复杂的双参数调节系统，因此合理的控制策略是VQC实际投用的基本要求之一.由于电站可看作室电力系统的一个元件，其电压水平和无功流动与系统式相互影响的，因此在控制策略上VQC除必须满足变电站调节电压和平衡无功的要求时还要尽量减少有载调压变压器分接头和电容器组的动作次数，另外还需服从系统运行的需要。为实现VQC的控制目标,期的VQC置都采用基于九区图的控制策略控制装置根据电压功、

LL本科毕业论文LL

无补偿控制原理设计时间、负荷率、开关信息、有载调压变压器分接头档位和电容器组投切开关状态等多因数进行综合判断，根据实时数据判断当前的运行区域，再按照一定的控制策略，闭环地控制站内并联电容器组的投切以及有载调压变压器分接头的调节，以最优的控制顺序和最少的动作次数使运行点进到正常工作区，使电压合格而无功功率尽量接近于0或功率因数尽量接近于。图2.1是九区图示意。超前

无功功率下限（功率因数上限PF）

无功功率上限PF（功率因数下限

H）

滞后

电压上限

U

H电压下限

U

L图2.1九图2.3区基原九区图控制策略师按照固定的电压和无功功率或功率因数上下限将电压—无功平面划分为九个区域。见图2.1示，取主变低压侧母线电，Q主变高压侧母线无功功率Q，构成电-功功率控制模式，也可取主变高压母线功率因数PF代Q构成电压-功率因数控制模式无功功率越下线或功率因数超1前越上限表示无功过剩,变电站向电网倒送无功功功率越上限或功率因数滞后越下限表示无功不足。为防止电容投切振荡，无功上下限之差应至少为投切组电容器所引起的无功最大变化量。一般取无功功率下限不大于或功率因数上限不小于1九区图中电压、无功功率以及功率因数上下限可分别用UU、、Q、HLHLPFPF表示。注意：电压率因数控制模式下，超前的功率因数一律按加2HL处理。根据控制要,将主变低压侧母线电压控制在规定的电压上下限之间，确保电压合格；同时尽量将无功功率或功率因数控制在规定的无功功率上下

［5]本科毕业论文［5]

无补偿控制原理设计限之间；若不能使电压、无功功率同时满足要,优先保证电压合格。九区图各区域具体的控制策略如下1区：电压越上限，无功功率合格，先升档降压至电压合格；分接头档位已上调至最高档，而电压仍高于上限,则强行切除部分并联电容器组。2：电压越上限，无功功率越上限先升档降压至电压合格；若分接头档位已上调至最高档，而电压仍高于上限,则强切电。3:电压正常，无功功率越上限，投入并联电容器组；若无电容器组可投，则维持。4：电压越下限，无功功率越上限，先投入并联电容器组使无功功率合格若无电容可投或电容器组投完后而电压仍低于下限，则再降档升压至电压合格5区：电压越下限，无功功率合格，降档升压至电压合格；若分接头档位已调至最低档，而电压仍低于下限，则强行投入并联电容器组。6区：电压越下限，无功功率越下限，降档升压至电压合格；若分接头档位已调至最低档,电压仍低于下限，则强投电容。7：电压合格，无功功率越下限，切除并联电容器组；若无电容器组可切，则维持.8区：电压越上限，无功功率越下限，先切除并联电容器组；若无电容可切或电容器组切完后而电压仍高于上限，则再升档降压至电压合格9：电压、无功均合格，为不动作区，是控制的目标区域。九区图的电压、无功上下限一般在某个负荷时段取固定值，并按逆调压原则自动调整电压下限值。变电站如何越大、电压下限值越高，即在高峰负荷时适当提高运行电压，将电压下限值提高;同理，在低谷负荷时候适当降低运行电压，将电压下限值降低。图2.2给出了九区图各区域控制策略示意。

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无补偿控制原理设计

··

··

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·

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··

图。2九图各区域控策略九区图控制策略不区分变电站负荷的电压静态特性,对恒定功率负荷和恒定阻抗负荷时通用的。基于九区图策略的VQC在一定程度上提高了主变低压侧母线电压的合格率，实现了无功就地平衡，改善了变电站的功率因数和减少了电网的功率损耗，在一定程度上能够满足变电站的运行要求2.3。2九图合动分由于电压、无功上下限都是固定值未充分考虑电压、无功的相互协调关系，某些区域的控制策略不能使电压、无功同时满足要求只能使运行点进入相邻区域，而不能够直接进入9区，从而增加了受控设备的动作次数如图（a）所Q，变电站负荷取恒定阻抗模.6采用的降档升压L策略，在提高电压的同时却使无功功率在一定程度上受到恶化，因此运行点进去7区而不可能直接进入区。当运行点位于5区中无功功率为负值的小区时，降档可能会使无功功率越下限,运行点进入7或6又如4采用的辅助策略降档升压，在提高电压的同时会使感性无功功率数值增大，因此运行点将进入区。

3本科毕业论文3

无补偿控制原理设计L81

H

2

HQ76

954

UU

HL

24

UU

H（

恒定阻抗负荷模型

Q（b）

恒定功率负荷模型Q

H()H

PFL

a

U

H

min

min

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（c）

振荡动作示意图。3九图不合理动示意如图2.3（所示，，L

umin

为调节档分接头所引起的无功功率最小变化量，变电站负荷取恒定功率模型。2区和区采用的调档策略在改善电压的同时均会使无功功率在一定程度上恶化运行点只能进入区和区.如当运行点位于1区中S小区时降压会使无功功率越上限运行点进如3区2区；当运行点位于5中S小区时，降档升压会使无功功率越下限，运行点进入区或6.比较图（a对于ZIP荷模型，区采用的降档升压策略总会使运行点进入7。由于调档对无功功率的影响极小，这些区域的调档策略基本符合VQC的控制目标，但增加了分接头和电容器组的动作次数在没有其他更为合适的策略的情况下，这些区域只能采用调档措施。九区图的某些区域对于控制的结果还可能会产生振荡动作的现象。所谓“振

［6]本科毕业论文［6]

无补偿控制原理设计荡动作是指在调档和投切电容时,不能使运行点直接进入目标区域而是进入控制前所在区域的邻近区域，在邻近区域控制策略的作用下，又使运行点回到控制前区域的现象振荡动作现象会增加分接头和电容器组的动作次数对设备的使用寿命产生不利的影响并使系统受冲击次数增多因此在控制策略上应加以避免。如图所示Q0L

qmin

为投切组电容器所引起的电压最小变化量，变电站负荷取恒定阻抗模型。图2。3（）中，当系统运行于3区小区中的任意一a点时根据3区的VQC略，将投入1组电容器进行无功补偿，引起电压升高，无功功率减小，功率因数增大，则投电容后运行点将可能进入区或2而非9;此后应该按1或2的策略动作，分以下两种情况。①投电容后运行点进入1区若分接头有足够的档位可上调，则VQC行升档动作，电压降低,率因数不变无功功率数值减小且性质不变功功率不会越下限不管是何种控制模式运行点都可以进去9区。若分接头已调至最高档或分接头达日最大调节次数而闭锁,则执行强切电容动作，使运行点又回到原先的a点；VQC再按区的策略投电容如此就产生电容投切振荡现象。②投电容后运行点进入2区若分接头有足够的档位可上调，则VQC执行升档动作，电压降低，功率因数不变无功功率数值减小且性质不变在电压—无功功率控制模式下,于调档对无功功率的影响很小，因此运行点可能进入不了9而是又进入小区，从q而产生振荡动作现象电压-功率因数控制模式下调档对功率因数无影响，运行点又回到小区，产生振荡动作现象。q若分接头已调至最高档或已被闭锁则VQC执行强切电容动作，产生电容投切振荡现象。b情况和a类似，当变电站负荷取恒定功率模型时，也可作类似分析.应注意到，九区图策略对控制设备的动作次数使无限制的，而变电站对分接头的日调节次数由严格的限制，一旦分接头达到日最大调节次数或检修最大调节次数将会被闭锁，由此可能会产生振荡动作现象另外如果无功功率上下限之差设置偏小造成电容器组的投切振荡现象。2.3。3九图制略他陷由于九区图的分区控制策略师基于理想的情况的电压无功控制实际控制中除会出现振荡动作现象外还存在着其他一些问题：①九区图的电压、无功上下限是随季节、峰谷、时段而变,易调整；由于

...本科毕业论文...

无补偿控制原理设计调档和投切电容对变电站的电压无功均有影响,当某些区域对两类设备的控制都起作用时，难以区分哪一类效果更好，因此九区图对于现场运行人员而言是比较难以掌握的。②由于九区图各区域控制策略都是依据实时电压和无功进行的，因此在电压越限、无功不越限的情况下，基本控制策略师调节有载调压变压器分接头。而实际上个变电站每天的有功和无功负荷的变化有一定的规律性，当无功负荷曲线上出现由谷转峰的变化趋势时，则会先出现电压越下限，紧接着又出现无功越上限的情况.区图的控制过程为先由5区调节分接头进去区，紧接着又进去区，则再投电容又恢复进去9区。如果VQC能够判定电压越限是由无功迅速变化引起的则完全可以在电压和无功不越限时就直接提前投切电容器从而减少分接头的调节次数并提高电压合格率.③由于实时系统电压、有功和无功负荷变化的随机性，九区图对电压波动的控制适应性差。④对于主变低压侧母线在多路用户负荷下要求按逆调压原则调压，九区图很难实现。⑤九区图中调档的策略对某些区域的控制可能会造成系统电压失稳。综上所述当装置采用传统的九区图电压、无功控制策略时，当系统运行到临界区域容易造成系统振荡,装置的频繁动作这样造成电气设备的损坏和降低其使用寿命.此本文设计了基于变量计算的VQC略.2.4基于变量计算的VQC策略原理基于变量计算的VQC策略原理是通过基本潮流方程获得VQC控制所需电容器组数和分接头档位.如图2。4示，设变电站共有m组等容电容器。变电站综合负荷取恒定功率模型VQC的基本控制目标是使主变低压侧母线电压处于规定的电压上下限值之间，高压侧功率因数尽量近于

:1

LD

jX

LD

RjXT

TjQC

G本科毕业论文G图。4系等值电路设变比k不变，为维持主变低压母线电压在规定的U（

2C

无补偿控制原理设计，由式215)得式k

U

RQB2)XXQU2)LDSCS]SC2S]22UU2B

QXLDU2C

S2S

U

2Z(U2CS

/k

2

P)ZRLDLDCSUZ22C

式(）ZXSSSS

GL

XS

Xk

GL2

X

电容器应投入组数为nj

C0

2）式中：为组电容器电纳0由于电容器组数n为非负整数，因此需要对式计算值进行取整处理，分以下3情况讨论：若n，则n0，此时B0jC,n按小方向取整处理，此nB。jC，则n，。jC按上述方法求取的电容器组数仅是从保证主变低压侧母线电压合格的角度出发的,不能保证主变高压侧功率因数满足规定的要求一般要求主变高压侧功率因数PF应满足～，考虑到调档对高压侧功率因数的影响甚微，因此可在计算变化前增加一个无功判据：0.9PF

（218）PFsign1

Q1)]cos(arctan)11

式（2.19）式中：sign表示取正负符号运算。

UU本科毕业UUQ和P的计算式为：1

无补偿控制原理设计PQUQnBU2)LDLD2C1LD2C22QnBU)2PPLDLD01LDT2

)

2

X

T

式（2.20）按式(2。17计算并按取整方法求取电容器组数n后，应根据式(。18所示的判据进行校验。若满足式2.18)，维持原值：PF小于0.9则n增加：PF小于0则n应减少n增加或减少时，每次组变化量进行直到满足式217无电容器组可增减为止确定电容器组数n后，再考虑分接头的调节。将式（）整理成关于变比k的方程（nBUC0

2

：Ak

Bk

0

式（2.21）式中，A

C

2U

C

[R(QT

nBU

C

)]LD

nB

C

)](

X

)

[LD

Q

LD

nBU

C

)X

]LD

Q

LD

nBU

C

)2RT

)

C

U

GC2

](RX20GL由式2。20可得计算变k的求取公式如下：jkj

2

（2）按式(）得到的计算变比应按接近的实际变比进行选取。主变低压侧母线电压一般都有一个允许变化范围电压处U(U下限）LU

（U上限）之间都被认为是合格的.在假设已有变比k不变的情况下，可按式（2。15（

2

UU2L

2

U

2H

分别计算求取对应n,LH再将

2

U2LL

2C

U

2H

分别代入式（222）计算求取对应的实H际变。LH

C本科毕业论文C

无补偿控制原理设计根据变压器变比定义，可按式2.23将计算变转化为计算档tap:jjtapkj

j

T2NTN

/

式223)式中

TN

为主分接头电压U

2

为变压器低压绕组额定电压为变压器分接头相邻两档的档距。为保证电压在允许变化范围内按照变比k越（越小)低压母线电U越低（越高）的基本规律，选k(tap)k()原则是:LLHHk(tap)ULL

2

U时，选取(tap)应略小()2LLLjj求k(tap)H

2

U时，选取的(tap)略大)。2Hjj显然上述计算电容器组和变的公式较为繁琐对于110kv电网，在jj不计电压降落横分量和全网电阻的情况下，可按式（。24）推导nk的近jj似计算公式如式(2。25)式（）U()LD2SkQ1G22jB

式(）2）kj

UUU2CGCG2CU22C

U2)X](Q0CTU2)X]0CT

LD

nBU2)X02

GL

式(）

：本科毕业论文：

系硬件设计3系统硬设计3系统功能要求智能控制器是集数据测量、故障分析、事件记录、装置保护、数据通信等功能一体的核心单元.为此它必须具有较好的可操作性，可以通过入机界面来查询和监测线路的运行情况和方便设置装置的整定参数；同时作为装置的控制单元它必须具有较高的可靠性和抗干扰性，为此给出一些控制器功能要求

［7］①电参数采集与计算功能：测量系统电压、电流、电容器的电流，计算系统的无功功率、功率因数等参数.②控制功能：根据采集和计算的电参数，通过改进后的电压无功控制策略，然后输出相应开关量信号驱动电容器投切继电器和变压器档位动作继电器。注意输出的开关量信号必须进行光电隔离.③数据记录功能:能够最近60天日最高、最低电压、电流、功察因数及其出现时间：最近60天整点电压、电流、无功、功率因数；动作前、动作后当前运行数据;电容器运行时间累计；停电和上电时间记录。④保护功能；具有系统保护和电容器保护功能系统保护包括过电压保护和过电流保护;电容器保护包括过电流保护、速断保护、缺相保护、开口电压保护。⑤人机交互功能：由显示器和键盘组成，通过键盘对整定数据进行设置，确保正常运行；通过显示器来查看装置的各种运行参数。⑥数据通信功能：提供当前运行数据下载；整点运行数下载日最高最低数据下载；整定数据下载和上传；具有遥控投，遥控切等操作。3.2控制系统硬件结构智能控制器是装置的控制中心，根据系统功能所提出的控制器要,所设计控制硬件结构框图如图3.1所示。

［8本科毕业论文［8

系硬件设计

图控制统框图在本系统中CPU采用Cygnal公司C8051F的系列单片机C8051F是8051系列单片机的兼容单片机。Cygnal公司的C8051F对8051做了一些重要的技术发展,如下：①提高了指令的运算速度.C8051F废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位,平均每个时钟可以执行一条单周期指令。因此与051相比,在相同时钟周期下，单指令运行速度为原来的12倍.②I/O从固定方式到交叉开关配置C8051F的网络开关以硬件方式实现/O端口的灵活配置，这样通过内部的输入输出电路单元，把相应配置寄存器控制的交叉开关配置到所选着的端口上。③为单片机提供了一个完善的时钟系统.C8051F在片内集成了一个可编程的时钟振荡器，可一共2、4、8、16Mz的时钟编程设定同时外部振荡器也有4种选着方式。在运行时可以实现内外时钟的切换。④从传统的仿真调试方式到基于TAG接口的系统调试C8051F配置了标准的JTAG接口。这样C8051不仅支持FLASHROM的读写操作及非侵入式的在线调试，而且还为系统测试提供了边界扫描功能。⑤从引脚复位到多源复位.C8051F提供了上电复位、调电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、WDT复位和引脚等复位方式。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活等带来了极大好处。

［8］2VinC81010本科毕业论文［8］2VinC81010

系硬件设计从技术上看C8051F对8051进行了改造，同时能使熟悉8051的用户可以快速的转到C8051F上来。在本系统中选用C8051F022号单片机。3电源电路在本电路中涉及到三种电源，、5V、3。3V.12V电源对继电器进行单独供电，主要为了防止继电器动作时对电路的干扰5V电源主要对除CPU之外芯片进行供电；3.3V电源主要对CPU进行供电。电源电路如图。2所示.0.1nF470/u16v

2Vout1

GND

Vin

GND

470/u16v0.1nF3GNDGND

470/u16vGND

3

VoutVin1

GND

0.1nFC9VoutGND470/u16vD10D9

GND

GNDGND

0.1nFC70.1nF

D8

D7

D6

D5

0.1nFC6

0.1nFC5

0.1nFC4

0.1nFC3

D4

D3

D2D1

GND0.1nFC2

0.1nFC1111315111415

161718192020T19876

5

429876

542120.22n/275v

0.2k/3wR2

0.2k/3wR11

X2220-

X2220+图3.2电源电路

[9]本科毕业论文[9]3.4模拟数据采集电路

系硬件设计模拟量输入包括系统电压、系统电流和电容器电流。其中系统电压、电流用于测量线路的有效电压、有效电流和无功功率、功率因数，这些电参数用于控制策略的输入,直接影响最终的补偿动作；电容器电流用于对系统电容器的保护，防止电容器毁坏和装置烧毁。模拟量取样和采集主要完成强电信号到弱电信号、数字信号的变换，最后转化成适合CPU处理的信号。该电路包括互感器转换电路和信号采集电路.电路中互感器采用的是北京星格测控技术有限公司。其中电流互感器的型号是SCT254其变比为5A/2。5mA，非线性度<0.1系统将来自CT的交流信号通过互感器,用户在其副边加上适当的电阻或者放大电路来获取信号；电流互感器的型号为SPT204，其变比为l，额定入为mA/2mA，非线性度<0.1％,用户在互感器加上合适的电阻或者放大电路就可得到所需的电压。电流互感电路如图4.3所示，电压互感电路如图.4所示.输入电流

输出信号输入压

GND图3.3电互感器电路SPT204

输出压信GND图。4电互感器电路模拟电参量的采集电路采用美国irrusLogic公司生产的CS5460A片CS5460是带有串行接口的单相双功率、电能计量集成电路芯.它片内包含两个高速模数转换器，同时在片内集成了一个可编成放大器、两个通过数字滤波器、校准单元、

+5本科毕业论文+5

系硬件设计有效值计算模块等.它能同时测量线路电流、电压有效值和有功功率，与C8051F022的接口电路如图3。5所示.30P30PY1S1c30

R140.51KR150.51KC310.01U

GND

1281822212091016151112

XOUTCPUCLXMODENCEDIREDOUTINTVIN+VIN-Lin-Lin+VREFOUTVREFIN

0645SC

XINCSSCLKSDISDORESVD+DGNDPPMONVA+VA-

24752361934171413GND

0.1UC33

R135.1K+5GND

C320.1UGND图与接口电路3开关量输入输出电路开关量输入主要是电容器的位置信号和变压器档位信号、闭锁信号，用于指示电容器和变压器工作状态.这些开关信号都是由强电电器产生，在电平和驱动控制上与CIO口有很大的区别，为此为了防止控制器受到强电的干,两者之间利用光电进行隔离。输入开关量电路如图3.6示

本科毕业论文

系硬件设计+50.52K

1K

TLP521GND图.6开量输入电路开关量输出包括电容器投切操作信号、变压器档位操作信号和保护输出信号，这些信号用于指示装置的电容器、变压器等电气设备的具体动作。同样为了防止这些电气设备动作造成对控制器的影响，为此这些开关量输出进行了光电隔离,然后通过驱动电路来驱动相应的继电器。开关量输出电路如图。7。+5V2.2K

U7

NI

输P3.4

+12VTLP521

2K图3开量输出电路

N2

本科毕业论文

系软件设计4系统的件设计系统软件可以分为两大部分一部分是控制器板上芯片驱动程序；另一部分是系统功能程序。其中芯片的驱动程序完成板上各个芯片的初始化和读写操作；系统功能程序主要是完成数据采集和计算模块、模糊推理及其控制模块、参数设置和显示模块、存储数据模块和通信模块。数据采集及其计算模块主要完成对电网电压、电流、电容器各项电流及其开口电压等电参数进行采,同时根据采集的参数计算出电网的运行无功功率、有功功率及其功率因数；存储数据模块主要任务是将各种采集数据和运行数据存到指定的存储器位置中去通信模块主要完成和上位机的通信，以便人们更方便的了解电网的运行情况和对控制器运行的监控。综上所述控制器的系统软件结构图如图.1所示。系统程序外围芯片驱动程序

数据采集及计算模块

VQC策略及控制模块

参数设置及显示模块

数据存储模块

通讯模块图4.1控系统程序结构图4系统的主程序流程系统主程序流程主要完成各个系统运行初始化，和组织整个程序的运行顺序和运行方式,其流程图如图4。2所示.

［10本科毕业论文［10

系软件设计系统初始化读取当前值置延时0钟标运行显示参数采集及计算电容器投切、变器档位控制复位图.2主序流程图4数据模块采集程序设计本模块完成控制器所需各项原始数据的采集，主要是对功率能量芯CS5460A的处理.对CS5460A的控制是通过与微机接口部分的串行口来完成的，在执行命令之前需要对串行口进行初始化，端口初始化序列包括个（或更多）SYNCl命令字节（0xFF跟着一个SYNC0命令字节(0xFE初始化结束后，串行口为命令模式执行写寄存器的命令后必须向相应寄存器写3个字节的数据。执行读寄存器的命令后必须紧接着从相应寄存器读取l或3个字节的数据。读取数据的命令可以和其他

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系软件设计命令连接在一起(在读取数据时，一个新的命令可以从DI写入，也可以在原来的读取操作结束前执行这样就可以实现命令连操作程序控制流程如图4.3所示。开始CS5460A复写同步命令电压、电流偏置寄存处置初值电压、电流增益寄存处置初值电流增益寄存处置初值功率偏移寄存处置初值配置寄存处置初值中断寄存处置初值周期计数寄存处置初值启动转化转换结束

NY对测得数据进行处理图.3数采集流程图另外，CS5460A在进行测量前，必须对其进行校准。被设计成对电压

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系软件设计和电流通道分别执行直流偏移量、交流偏移量和增益校准这6个寄存器用于为采样的电压和电流提供加法和乘法修正因子。在直流偏移量、交流偏移量均为零，当加入满度信号(150mV)，执行增益校准时，增益应为。000(400000H若加入的校准信号

cal

（mV),执行增益校准,则增益为:(150x400000H)/U

cal

.实际电路中，直流偏移量、交流偏移量不可能均为零,实际增益与上述值有一定的偏差，特别是直流偏移量对它的影响更大。为了在较大的模拟信号输入范围内，保证线性度和变化量之和为0.1%，通常取校准信号有效值为150mV。在校准前，应使CS5460A停止A/D转换,处于准备接收有效命令状态，并清除状态寄存器的DRDY位。校准顺序如下：错误将合适的校准信号分别加到电压和电流通道的输入端。一般来说，在执行偏移量校准时，应加入零信号；在执