配电台区无功补偿柔性控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于柔性交流配电系统或电力智能配电系统领域，涉及一种配电台区无功 补偿柔性控制装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 配电台区作为电力系统电能输配送的最终环节，是智能电网建设的重要部分，对 其无功进行有效补偿和控制可以提高配电台区变压器的利用率、减少线路电压损失和有功 损耗、增强系统运行安全性与经济性。
[0003] 目前本领域公知的利用功率因数法、无功电流或无功功率法、九区图法等无功补 偿控制策略自动投切安装在配电台区系统中的并联电容器组，因具有性价比高、可维护性 强等优势，仍是现阶段广泛应用补偿配电台区无功的主流技术举措。但是近年来，随着社会 发展与进步，人们日常生活中经常大量使用时空分布不合理的重功率单相、三相不平衡电 气负载，致使台区配电系统的正常运行产生日益严重的非对称(三相负载不平衡）问题，造 成配电变压器和线路的损耗增加、配电变压器零序电流加大导致变压器局部温度过热、用 电设备运行安全性和电能计量准确性降低等危害。显然，上述公知的补偿控制方法仅限于 补偿配电台区无功，不能有效解决三相负荷不平衡调整和补偿问题，存在功能单一、柔性较 差的缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于对现有技术存在的上述问题加以解决，提供一种配电台区无功 补偿柔性控制装置，同时提供一种采用该控制装置的配电台区无功补偿柔性控制方法，本 发明可利用配电台区既有无功补偿元件实现其无功单独补偿或无功与三相负载不平衡同 时综合补偿的柔性控制。
[0005] 用于实现上述发明目的的技术方案如下所述。
[0006] -种配电台区无功补偿柔性控制装置，由运算控制环节和通讯与人机交互环节组 成，两者之间通过高速SPI总线交换数据；
[0007] 运算控制环节又包括配电台区系统电参量检测及调理单元、核心控制单元和输出 执行单元三个主工作单元，其中：
[0008] 配电台区系统电参量及调理单元由三相电压检测模块、三相电流检测模块、开关 合分状态检测模块、模拟信号调理电路模块、开关量信号调理电路模块组成，三相电压检测 模块及三相电流检测模块的输出端经模拟信号调理电路模块调理后接入核心控制单元内 的1号单片机系统模块的输入端，开关合分状态检测模块的输出端经开关量信号调理电路 模块处理与隔离后接至核心控制单元内CPLD逻辑与组合系统模块的输入端；
[0009]核心控制单元由1号单片机系统模块和CPLD逻辑与组合系统模块组成，1号单片机 系统模块通过通用并行输入/输出口与CPLD逻辑与组合系统模块相连，实际使用时，通过配 电台区无功补偿柔性控制装置中的1号单片机模块完成电参数实时读取、无功补偿柔性控 制算法的实现以及补偿控制指令的发出；
[0010] 输出执行单元由功率光电耦合器模块和无功补偿开出回路模块组成，核心控制单 元内CPLD逻辑与组合系统模块的输出端通过功率光电耦合器模块隔离后通至无功补偿开 出回路模块的输入端；
[0011] 通讯与人机交互环节又包括人机交互单元、运算与控制处理单元和通讯单元三个 主工作单元，其中：
[0012] 人机交互单元由键盘模块、液晶显示模块组成，在分别经磁耦合器模块隔离后通 过通用并行输入/输出口与运算处理单元内的2号单片机系统模块相连；
[0013] 运算与控制处理单元由2号单片机系统模块组成，通过高速SPI总线与1号单片机 系统模块相连，实际使用时，通过配电台区无功补偿柔性控制装置中的2号单片机模块完成 系统参数的设定、显示存储等人机交互与通信功能；
[0014]通讯单元由以太网通讯接口模块、RS232接口模块、RS485接口模块组成，它们的输 出端分别经磁耦合器模块隔离后依序与运算与控制处理单元内的2号单片机系统模块内嵌 的UART1、UART2串行口相连。
[0015]具体实施方案中，该装置内配电台区系统电参量检测及调理单元中的三相电压检 测模块采用三只并列的电压互感器，三相电流检测模块采用三只并列的电流互感器;开关 合分状态检测模块的输入直接来自配电台区无功补偿系统内补偿回路中各空气开关QF m(m =1、2、3、4)的辅助触点，对开关辅助触点的防抖动处理由开关量信号调理电路模块内置的 由钳位二极管、限幅稳压管、通用阻容器件构成的防抖调理电路来实现;输出执行单元中的 无功补偿开出回路模块采用十二只并列的控制继电器。
[0016] 采用该控制装置的配电台区无功补偿柔性控制方法包括以下的实施步骤：
[0017] 一、通过配电台区无功补偿柔性控制装置的三相电压检测模块（1)和三相电流检 测模块(2)分别采集配电台区系统的三相瞬时电压值UA(t)、UB(t)、U C(t)和配电变压器进线 回路的三相瞬时电流值14(0、4(0、4(0，根据公知的瞬时无功理论和三相交流有功功 率、无功功率、功率因数计算定义公式计算获得配电台区系统三相有功功率有效值P、各相 有功功率有效值?4、？8、？^三相无功功率有效值〇、各相无功功率有效值以、〇8、〇^三相功率 因数⑶躍以及各相功率因数casw、（：〇環 9、ms收，并将其存储到配电台区无功补偿 柔性控制装置中的1号单片机系统模块(6)中；根据下列公式（1)对采集到的三相电流瞬时 值iA(t)、i B(t)、iC(t)作对称分量变换，得到当前时刻三相电流的零序i〇、正序h、负序分量 i2，
⑴，
[0019]式中的算子a = d12()°，之后按下列公式(2)计算获得电流瞬时负序不平衡度
(2)；
[0021]二、以计算获得的气值作为配电台区无功补偿柔性控制装置选择不同补偿控制策 略的依据，当巧5小于装置默认设定值0.2时自动选取本领域公知的无功补偿控制策略，当 42大于等于0.2时则选取综合补偿控制策略，即通过配电台区无功补偿柔性控制装置将已 获得且存储的各相有功和无功功率?4、？8、？^〇 4、〇8、0以戈入下列公式（3)，求取中间变量 Qxmin，式中Qxl、QX2、Qx3、Qx4、Qx5、Qx6均为中间变量，Qxmin为这些中间变量的最小值；
[0023]若Qxmin有解则将其代入公式(4)，进一步分别求得Y接线补偿回路电容器组理想容 量值化、g、成和a接线补偿回路电容组理想容量值ei、ei、
[0025] 若Qxmin无解则按:气小于0.2情况处理；
[0026] 三、配电台区无功补偿柔性控制装置依据选定的补偿控制策略在线进行补偿算法 运算，输出投切指令控制配电台区系统中的各个复控开关?1^ 11(1]1=1、2、3、4，11 = 1、2、3)合/ 分动作改变补偿电容器组的组合方式结构以进行相应补偿：当选择的补偿控制策略为本领 域公知的控制策略时，通过复控开关FK mn使电容器组配置成常规的共补和分补组合方式并 入系统，实现对系统无功的补偿；当选择的补偿控制策略为综合补偿控制策略时，通过复控 开关FM吏电容器组配置成Y接线补偿回路和A接线补偿回路组合方式，并把组合容量值最 接近理想容量值01、gl、的电容器组并入系统，实现对系统无功 与三相负载不平衡的同时补偿。
[0027]与现有技术相比，本发明的有益效果如下所述。
[0028] (1)、本发明所述的方法适用于各类负载工况的配电台区（三相三线制负载、三相 四线制负载、三相三线与三相四混合制负载），集配电台区无功补偿与三相负载不平衡调补 于一体，适用范围大、鲁棒性强。
[0029] (2)、采用本发明所述的方法能根据配电台区自身运行工况灵活自动改变补偿控 制策略，通过不同的控制策略改变电容器组的组合结构，能充分利用现有补偿网络元件， "以软代硬"，实现对配电台区无功的单独补偿或无功与三相负载不平衡的同时补偿，其柔 性好、性价比高、实用价值显著，适用各类负载工况，有效克服了常规控制方法存在的仅能 补偿无功、不能调补三相不平衡负载的功能单一缺陷。
[0030] (3)、本发明装置采用双CPU(两个单片机系统模块)结构，功能区明显，容易升级， 设置专有通讯与人机交互环节，可直接无缝融入智能化配电台区管控平台。
【附图说明】
[0031] 附图1是配电台区无功补偿系统的主回路示意图。
[0032] 附图2是本发明所述配电台区无功补偿柔性控制装置的电路原理图。
[0033] 附图2中各标号名称分别为：1 一运算控制环节，n-通讯与人机交互环节，m-变 压器(进线）回路，IV -无功补偿回路(3路A补偿+1路Y补偿），V-出现回路；I-A-配电台 区系统电参量检测及调理单元，I-B-核心控制单元，I-C一输出执行单元，n-A-人机交互 单元，n-B-运算与控制处理单元，n-c-通讯单元；1-三相电压检测模块（电压互感器）， 2-三相电流检测模块(电流互感器），3-开关合分状态检测模块，4 一模拟信号调理电路模 块，5 -开关量信号调理电路模块，6- 1号单片机系统模块，7 - CPLD逻辑与组合系统模块， 8