CN102891488B - 用于控制配电馈线上的电压的系统及方法 - Google Patents

用于控制配电馈线上的电压的系统及方法 Download PDF

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Abstract

用于控制配电馈线（106）上的电压的系统（100）包括多个能够与配电馈线连接或从其断开的电容器组（102a‑102n）。第一组配置成在第一电压低于第一下阈值时连接到配电馈线，以及在第一电压高于第一上阈值时从配电馈线断开。第一上阈值和第一下阈值基于操作设定值确定。该系统还包括配置成测量第一电压的传感器（109）和与多个电容器组进行可操作的通信的控制器（108），该控制器配置成确定第一电容器组和第二电容器组的操作状态，并基于第一电压向第一电容器组发送第一指令，第一指令导致电容器组改变操作设定值。

Description

用于控制配电馈线上的电压的系统及方法
技术领域
本文公开的主题涉及配电系统，并且特别涉及改变沿配电馈线的电容器组的操作特征。
背景技术
在不同的位置的公共设施需要将电力以基准电压加减一定比例输送给用户。例如，在美国，公共设施需要将电力以120伏加或减5％输送给住宅用户，这产生了114V到126V的范围。在欧洲，公共设施需要以230V加或减10％输送电力。众所周知，由于负载的积累，电压沿配电馈线逐渐降低。为了满足上述要求，一种方法是以126伏的电压从分站（substation）传输电力，以确保高峰负载期间在线上的最后的用户得到至少114伏的最低标准。这样的传输虽然有效的，但导致至少一些用户接收到高于所需的电压，这导致增加的能量成本和电气设备的寿命预期缩短。
此外，公共设施需要管理配电馈线上的无功功率。在一般情况下，无功功率是由无功负载（例如，含有电感或电容元件的负载）建立的“虚”功率。在负载中的能量存储导致在电压波形和电流波形之间的时间差。在每个AC电压周期中，除了负载消耗的任何能量之外的多余的能量，被暂时储存在电场或磁场的负载中，然后在周期中在一秒钟的一小部分之后返回到馈线。这个非生产性电力的“起伏”增加了馈线中的电流。增加的电流可以减少沿馈线的组件的使用寿命。
抵消无功功率的一种方法是沿馈线引入电容器（通常是用并联电容器组的形式）。也就是说，可用电容器组来减少整个系统中的电流。特别是，固定的和切换的电容器组被用作无功伏安（VAR）管理的装置。作为VAR管理的一部分，或作为单独的努力，电容器组也可以用来调整沿馈线的电压的电压分布。
电容器组能够以远程或本地的操作模式操作。在远程模式下，远程控制设备发布导致电容器组要从馈线断开（TRIP）或与馈线耦合（闭合）的TRIP（断开）或闭合命令。如果远程控制装置和电容器组之间出现通信丢失，则电容器组通常恢复到本地操作模式。在本地操作模式中，电容器组能够基于预定的准则（例如，在馈线上测量的电压、时间、VAR、电流、外界温度等）自动连接馈线或从馈线断开。这样的操作可能是可以接受的，但能够引起馈线上的电压改变。特别是，如果电容器之前以允许沿馈线的电压保持得尽可能低的方式被远程控制，则恢复到原来的设置意味着更高的电压，以及因此，又引入了上述的一个或多个问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于控制配电馈线上的电压的方法，配电馈线包括与电力线关联的多个电容器组，多个电容器组包括第一电容器组和第二电容器组，第一电容器组配置成在第一电压低于第一下阈值时连接到配电馈线，以及在第一电压高于第一上阈值时从配电馈线断开，第一上阈值和第一下阈值基于第一电容器组的操作设定值确定。这个实施例的方法包括：在计算设备处确定第一电容器组和第二电容器组的操作状态；用与第一电容器组关联的电压传感器测量第一电压；确定第一电容器组应该与配电馈线连接还是从其断开；以及向第一电容器组发送第一指令，第一指令导致第一电容器组改变其操作设定值。
根据本发明的另一个方面，公开了一个控制配电馈线上的电压的系统。这个方面的系统包括能够与配电馈线连接或从其断开的多个电容器组，多个电容器组包括第一电容器组和第二电容器组。在这方面，第一电容器组配置成在第一电压低于第一下阈值时连接到配电馈线，以及在第一电压高于第一上阈值时从配电馈线断开。第一上阈值和第一下阈值基于操作设定值确定。这个方面的系统还包括配置成测量第一电压的传感器，以及与多个电容器组进行可操作的通信的控制器，其中控制器配置成确定第一电容器组和第二电容器组的操作状态，并基于第一电压向第一电容器组发送第一指令，第一指令导致电容器组改变操作设定值。
从以下的结合附图进行的描述中，这些和其它的优点和特征将更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结论的权利要求中被特别指出并明确要求保护。从以下的结合附图进行的详细描述中，本发明的前述的和其它的特征以及优点将更加明显，其中：
图1示出可以实现本发明的实施例的配电系统；
图2是图1的系统的电路图；
图3示出了沿图1的馈电线106的长度的两个电压分布的例子；
图4是示出了控制配电系统中的电容器组的方法的流程图；
图5是示出了根据一个实施例平坦化电压分布（voltage profile）的方法的流程图；
图6是示出了确定在单独的电容器组接通和切断时沿线的所有电容器组的最高电压和最低电压的方法的流程图；
图7是示出了降低在沿配电馈线的所有位置的电压的方法的流程图。
详细的说明以举例的方式参照附图解释了发明的实施例连同优势和特征。
具体实施方式
参照图1，示出了包括多个电容器组102a-102n的配电系统100的一部分。配电系统100还包括分站104。配电分站104从传输系统或子传输系统接收电力。然后以配电电压电平将电力提供给馈线106。正如下文将进一步讨论的，在馈电线106上的电压电平可以至少部分通过接通或切断一个或多个电容器组102与配电线106的电连接来进行调整。在某些情况下，决定特定的一个电容器组102是否接通或切断能够由控制器108做出。控制器108可以基于在沿馈线106的一个或多个位置测量的电气值和内部控制逻辑来做出这样的决定。因此，控制器108配置成接收来自沿馈线106定位的传感器109的测量（例如，电压测量）。如图所示，传感器109定位在电容器组102处或定位成接近电容器组102。在一个实施例中，传感器109位于电容器组102内。不管确切位置如何，一个或多个传感器109与相应的电容器组102关联。在一个实施例中，传感器109是电压传感器。在控制器108与传感器109以及电容器组102之间的通信能够是有线的、无线的或其某一组合。在一个实施例中，控制器108在一个或多个计算设备上实现。
根据一个实施例，控制器108调整电容器组102的设定值，并然后允许它们在本地模式下操作，而不是使得各个电容器组102接通或切断。在这种方式下，如果在控制器108和电容器组102之间的通信丢失，则本地的电容器控制器将具有适合馈线上的动态状况的设置而不是默认设置。因此，本发明的技术效果是，它提供了比传统的Volt/VAr管理方法更少受通信丢失影响的用于Volt/VAr管理的系统和方法。
以下解释涉及在120V的范围内提供电力。因此，在下面的描述中，假设分站104具有降低从传输分站或对分站馈电的子传输分站接收的电压（以及增加电流）的变压器。
根据一个实施例，以沿馈电线106的长度建立更平坦的电压分布的方式调整电容器组102的设定值。在电压分布已平坦化后，在分站104处的电压可以降低。在这种方式中，在电容器组102a处的电压能够更接近在电容器组102n处的电压，并且沿馈电线106的长度的电压降减小。普通技术人员将认识到，该电压可在分站104本身降低，或由带有有载分接开关（load tap changer）的变压器降低，或由设置在分站内或在沿线106的一些位置处的电压调节器111降低。
图2是图1所示的系统100的电路图。图2将参照图3讨论，它示出了沿图1的馈电线106的长度的两个电压分布300、302的一个例子。在图2中，馈电线106一般化地建模为区段106a-106n，其每一个都包括电阻组件Rx和电抗Xx。Rx和Xx的值当然依赖于所使用的导体的类型、配电线路设计和馈线区段106的长度。在这个例子中，电压Vca至Vcn是在离提供输入电压Vs的电源的距离DVcx处测量的。电压分布300和302表示在电容器Ca至Cn所在的位置处的沿馈线106的电压（Y轴）。当然，电压Vca至Vcn可在配电馈线106上的任何位置上测量。
假设电压分布300表示电容器Cb从馈电线106断开的情况以及电压分布302表示电容器Cb连接到馈电线106的情况。如果电容器Cb与馈电线106耦合，则它可以被认为是产生虚电流Icb的无功电源。这个电流在诸如106的径向馈线中以与电力输送相反的方向流动，并作用为减少在馈电线106内向下流动的电流的虚分量。在位置DVCb电压升高了一个值ΔVCb。ΔVCb值能够表示为如公式1所示那样：
作为一般的规则，在更远离源（例如，下游）的每一个位置上的电压变化将增加大约相同的值ΔVCb。在更接近源（例如，上游）的位置，电压增加将等于Icb乘以从该位置到源的电抗的总和。在图2和3的示例中，这能够从电压分布300和302之间在DVCa的位置处的差别ΔVca中看出，其可以表示为如公式2所示：
如上面简要介绍的那样，在某些情况下，沿馈电线106的长度平坦化电压分布可能是有益的。一个“更平坦”的电压分布是在出发点（例如，分站总线）和更远的位置（例如，DVCn）之间有更小的差异的电压分布。因此，如本文所用的，本文使用的术语“平坦化”是指调整电压分布以减少在两个不同的位置处的电压测量的差异的过程。在一个实施例中，这种平坦化可以发生在馈电线的长度上。
图4示出了控制配电系统中的电容器组的方法。方法开始于获得系统的当前状态的框402。在这个例子中，应假定系统包括至少一个配电馈线（线），其中配电馈线（线）包括可以与其耦合的两个或两个以上的电容器组。因此，框402能够包括收集系统上的电容器组的当前状态的电容器组状态收集过程404。如本文使用的，如果电容器组与配电耦合，则电容器组是“接通”的，如果电容器组被断开则是“切断”的。在一个实施例中，状态还可以包括电容器组的当前设定值。当然，因为如将在下面描述的那样，控制器发送了此信息，这样的信息可能已经被知道。应理解，图4所示的方法能够连续地或周期性地执行，所以在某些情况下，电容器组的状态可能已经被知道。然后，能够在过程406处测量沿着特定的线的当前电压。
在已采集系统的状态后，在框408处，能够改变电容器组的状态，以使沿线的电压分布平坦化。在一个实施例中，不是根据一个实施例通过发送命令造成电容器组连接或断开，电压分布能够通过调整电容器组的设定值来平坦化。例如，如果电容器组被关断，则设定值可以降低到小于目前在电容器组处经受的电压的值。因此，在本地控制下，电容器组将确定它要自己断开。应理解，在一个实施例中，在框408处平坦化电压分布能够包括迭代过程，并且如过程流连接409所示。在某些情况下，平坦化电压分布能够允许整个分布降低。例如，在某些情况下以及如框410所示，提供给系统的电压（例如，由图1的分站104提供的电压）可以降低。在一个实施例中，电压能够通过调整带有LTC的变压器或电压调节器来降低。
因为电压分布已经被平坦化，所提供的电压能够降低，而仍保证在线的末端的用户在接收具有超过上述的最低要求的电压的电力。
应理解，在框408处的平坦化电压分布的过程可以利用如上所述的公式1和2来确定切换特定的电容器组的影响。在一个实施例中，公式1和2可用于确定切换特定的电容器组将如何影响在沿线的一些或所有其它位置处的电压。根据一个实施例，改变可以事先确定并存储在如下面的表1所示的表中。这些电压变化也能够在每次电容器组接通到场中时直接测量并记录在诸如表1的表中。
表1
ΔVCa ΔVCb … ΔVCi … ΔVCn
Ca 0.5V 0.5V … 0.5V … 0.5V
Cb 0.75V 1.5V … 1.5V … 1.5V
… … … … … … …
Ci 0.5V 1.25V … 2.25V … 2.25V
… … … … … … …
Cn 0.75V 1.5V … 2.5V … 3.0V
在表1中，可以看出，例如接通或切断电容器Cb将在所有上游电容器（例如，电容器Ca）处的电压改变0.5V，以及将在所有下游电容器处的电压改变1.5V。在其它实施例中，改变可以每次计算。
图5示出了根据一个实施例平坦化电压分布的方法。如图4所示的方法可以包括在例如图4的框408中。在框502处确定沿线的电压的最大值和最小值。这可以例如通过从在图4的过程406测量的电压中提取最大值和最小值来完成。在框502处，能够基于最大值和最小值形成本文引作ΔVss的值。一般地，ΔVss将表示沿线的电压降，下降越大，电压分布的斜度越大。ΔVss能够以几种方法确定，包括例如（仅举几个例子）Vmax(line) – Vmin(line) 或 Vavg(line) – Vmin(line)。在前面的变量中的下标（line）表示那些值是在整个线上测量的最大值、最小值或平均值。
在框504处，对沿线的每一个电容器组，将电容器组模拟为接通和切断来确定沿线的所有其它电容器组的最大电压和最小电压。例如对当前电压值加上或减去在上面的表1所示的值可以做出此决定。当然，也可以计算这些值，而不是利用表。
在框506处，在本文引作为ΔVci的差值能够从在框508处确定的最大值和最小值计算。ΔVci能够通过从在每一个电容器组处的最大电压值（Vmax）中减去在每一个电容器组处的最小电压值(Vmin)来得到。当然，其它的方法可以用来确定ΔVci。在框510处，选择具有最低的Δ = ΔVci- ΔVSS的电容器组（Ci）。
Δ小于零是指切换特定的电容器组会引起电压分布平坦化。因此，如果如在框512处确定的那样Δ小于零，则处理前进到框514，在那里将新的设定值发送给电容器组。下面进一步讨论框512。在框512之后，处理返回图4的框402。如果Δ大于零，则没有将导致更平坦的电压的改变。因此，并且如果需要，处理能够前进到使沿线的电压降低的框516。然而，在某些情况下，处理能够结束，而不是前进到框516。在下面更详细地讨论框516。
图6示出能够在框514发生的处理。特别是，在框602处确定新的设定值。这个设定值是将导致发生期望的切换的电压。例如，如果电容器组要接通，则新的设定值可选择为高于在电容器组的当前电压（以及高于当前设定值），如果期望相反的情况，则低于当前电压。在一个实施例中，每一个电容器组在设立上阈值和下阈值的设定值附近有带宽，以确定何时将接通/切断电容器组。因此，应理解，新的设定值可以考虑这个带宽来选择。在框604处，这些新的设置被发送到电容器Ci。在一个实施例中，设置还包括一个等于ΔVci的新带宽值。当然，带宽值可包括向其添加的常数。设置还可包括电容器组在切换前将延迟的延迟时间Td，以防止电容器切换太快而例如由瞬态或其它线路的干扰造成扰动。
在框606处，计算每一个其它电容器组的新设定值。这种计算可以包括例如基于切换Ci的状态的预计效果而向上或向下调整当前设定值。
在框608处，确定用于发送其它电容器组的新的设定值的顺序。发送设定值的排序是非常重要的，因为它减少了切换操作的数量并减少了沿馈线的电压变化。在一个实施例中，顺序基于公式（3）确定：
式中，QMAX为线上的最大电容器组的无功功率值，Q为线上的特定的电容器组的无功功率值；馈线长度是电压源（例如，图1中所示的分站104）和离电压源最远的电容器之间的距离；离分站的距离是特定电容器离电压源（即分站）的距离。
在框610处，按照递增因子k的顺序将新的设定值传送到电容器组。在一个实施例中，新的设定值包括等于Td加上一个值（例如15秒）乘以基于k值的电容器组的序数排列（ordinal ranking）的新时间延迟。这建立了在低k值的电容器组切换的情况下允许系统稳定的时间延迟。
图7示出了能够发生在图5的框516中的处理的一个例子。在框702处，确定减少对线的输入电压的量。在一个实施例中，电压能够减少使Vmin(line)高于所需的最低电压的量。应理解，如上所述，平坦化电压能够增加电压能降低的量。在一个实施例中，电压可以减少到约116或119伏。
在框704处，所有的电容器组都被发送防止它们切换的信号。然后，在框706处，确定每一个电容器的新设定值。在一个简单的例子中，新的设定值仅仅是减去电压降低量的现有设定值。新的设定值的顺序（以及时间延迟调整）可以基于如上所述的k值。在框708处，在所有的设定值都已发送后提供新的电压，并且然后，在框710处，电容器组被发送允许它们能够再次开始切换的信号。
尽管本发明已经结合仅仅有限数量的实施例做了详细描述，但应容易理解，本发明不限于这样的公开实施例。相反，本发明能够修改以并入至此未描述的、但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、改动、替换或等同布置。此外，尽管已描述了本发明的各个实施例，但可理解，本发明的方面可能只包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为由上述描述限制，而只由所附的权利要求的范围限制。
部件列表
100 配电系统
102 电容器组
102a-102n 电容器组
104 配电分站
106 馈线
108 控制器
109 传感器
111 电压调节器
300 电压分布
302 电压分布
402 框
404 电容器组状态收集过程
406 过程
408 框
409 过程流连接
410 框
502 框
504 框
506 框
508 框
510 框
512 框
514 框
516 框
602 框
604 框
608 框
610 框
702 框
704 框
706 框
708 框
710 框

Claims (10)

1.一种用于控制配电馈线(106)上的电压的方法，所述配电馈线(106)包括与所述配电馈线(106)关联的多个电容器组(102a-102n)，所述多个电容器组(102a-102n)包括第一电容器组和第二电容器组，所述第一电容器组配置成在第一电压低于第一下阈值时连接到所述配电馈线(106)，以及在所述第一电压高于第一上阈值时从所述配电馈线断开，所述第一上阈值和第一下阈值基于所述第一电容器组的操作设定值确定，所述方法包括：
在计算设备处确定所述第一电容器组和第二电容器组的操作状态；
用与所述第一电容器组关联的电压传感器测量所述第一电压；
确定所述第一电容器组应该与所述配电馈线(106)连接还是从其断开；以及
向所述第一电容器组发送第一指令，所述第一指令导致所述第一电容器组改变其操作设定值。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述操作状态是连接或不连接中的一个。
3.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述第一电容器组应该与配电馈线(106)连接还是从其断开包括：
确定操作状态是连接；以及
确定断开所述第一电容器组将平坦化所述配电馈线(106)的电压分布，所述平坦化是调整电压分布以减少在两个不同的位置处的电压测量的差异的过程。
4.如权利要求3所述的方法，发送包括发送所述第一指令，使得它导致所述第一电容器组增加其操作设定值。
5.如权利要求2所述的方法，其中确定所述第一电容器组应该与配电馈线(106)连接还是从其断开包括：
确定操作状态是断开；以及
确定连接所述第一电容器组将平坦化所述配电馈线(106)的电压分布(300，302)，所述平坦化是调整电压分布以减少在两个不同的位置处的电压测量的差异的过程。
6.如权利要求5所述的方法，其中，发送包括发送所述第一指令，使得它导致所述第一电容器组降低其操作设定值。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在向所述第一电容器组发送所述第一指令以使它改变其操作设定值后，向所述多个电容器组(102a-102n)的一个或多个发送不允许它们改变操作状态的保持指令；
为配电馈线(106)确定较低的输入电压；以及
向所述第一电容器组发送第二指令以降低其操作设定值。
8.一种用于控制配电馈线(106)上的电压的系统(100)，所述系统(100)包括：
能够与所述配电馈线(106)连接或从其断开的多个电容器组(102a-102n)，所述多个电容器组(102a-102n)包括第一电容器组和第二电容器组，所述第一电容器组配置成在第一电压低于第一下阈值时连接到所述配电馈线(106)，以及在所述第一电压高于第一上阈值时从所述配电馈线(106)断开，所述第一上阈值和第一下阈值基于操作设定值确定；
配置成测量所述第一电压的传感器(109)；以及
与多个电容器组(102a-102n)进行可操作的通信的控制器(108)，其配置成确定所述第一电容器组和所述第二电容器组的操作状态，并基于所述第一电压向所述第一电容器组发送第一指令，所述第一指令导致所述电容器组改变所述操作设定值。
9.如权利要求8所述的系统(100)，其中所述控制器(108)配置成基于确定所述第一电容器组的操作状态是连接的以及确定断开所述第一电容器组将平坦化所述配电馈线(106)的电压分布(300，302)，来确定所述第一电容器组应该与所述配电馈线(106)连接还是从其断开，所述平坦化是调整电压分布以减少在两个不同的位置处的电压测量的差异的过程。
10.如权利要求9所述的系统(100)，其中所述控制器(108)配置成发送所述第一指令，使得它导致所述第一电容器组增加所述操作设定值。
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