CN103701135A - 智能配网串联补偿装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明研制了一种智能配网串联补偿装置及其使用方法，该装置具有改善配电线路沿线电压分布、减小电压跌落和提高线路输送容量的作用，并具有负荷“自适应”电压调节和实时响应的特点。为达到所述效果，本发明智能配网串联补偿装置由电容器组、可控硅、控制器、一体化电抗/电阻器、断路器、接触器、隔离开关、传感器等组成。由于采用了所述技术方案，当系统正常工作时，在不加任何控制的情况下，串联电容器补偿的电压能够自动实时响应负荷电流的变化。当系统发生故障时，控制器通过对开关的操作能够实现装置的告警、短时旁路和保护。

Description

智能配网串联补偿装置及其使用方法

技术领域

本发明属于配电网电压质量控制领域，具体涉及一种用于10kV配电线路的智能配网串联补偿装置及其使用方法。

背景技术

众所周知，配网电压质量是衡量供电质量是否符合标准的一项重要指标，其质量的优劣直接关系到用电设备的安全经济运行和生产的正常运作，而且随着社会的发展，电网公司及电力用户对电压质量的要求日趋提高。然而，我国配电网建设相对输电网严重滞后，其网架薄弱，设施老化，线径小，线路长——尤其是山村线路——配电变压器数量多，甚至较多线路带有多台大容量的电动机或变化迅速的工业负荷，导致线路末端电压低、电压跌落严重。

以往采取的解决措施主要有：改变变压器分接头、更换线径更大的导线和采用分散式并联无功补偿。其中，第一种方法最为常用，但该方法可调范围小，不能解决整条长线路的电压问题；第二种方法的投资费用高且回收效益低，不适合解决配网低电压这一普遍性的问题；第三种方法采用的并联无功补偿装置往往数量多，维护量大，开关动作频繁，噪声大，响应速度慢，而且往往会引起“重载时电压低、轻载时电压高”的问题。

随着技术的发展，现有技术中开始采用串联补偿技术。交流输电系统的串联补偿技术是将电容器串接于输电线路中，通过电容器容抗补偿输电线路感抗的阻抗补偿方式缩短线路的等值电气距离，减少功率输送引起的电压降和功角差，从而提高电力系统稳定性，增大线路输送容量。串联补偿技术在输电网中能够显著提高输电线路利用效率，促进实现电力长距离、大容量、高效率传输；应用于电压较低的辐射状配电线路可改善电压分布情况、减小电压闪变。其结构和控制相对简单，十分适用于改善长距离配网线路末端电压偏低的情况。但串联补偿技术在配电线路中的实际工程应用存在下面几个问题：

（1）线路上的配电变压器和串联电容器之间有可能产生铁磁谐振，危害到配电线路上的电气设备安全。现有的解决方法是在电容器两端并联电阻器，然而该方法存在电阻器功耗过大的问题。

（2）现有配网串补装置的保护一般采用金属氧化物压敏电阻（MOV）和触发间隙的方式。然而该类保护设备实现复杂、体积较大、价格昂贵、维护困难。

（3）串补装置电容器组若有一只或若干只电容器损坏，会引起该相电压和电流的变化从而造成线路三相不平衡。该现象会造成诸如电能损耗增加、用电设备运行受影响等问题。

（4）线路充电时会产生配电变压器励磁涌流现象，该励磁涌流能达到变压器额定电流的6～10倍。配电线路的重合闸现象所造成的励磁涌流会引起串补电容器过压，从而影响设备的安全运行和使用寿命。

（5）现有串补装置的运行工况缺乏实时获取信息的手段，包括投入/旁路、开关及电容器设备是否正常、二次设备是否正常等。

本发明涉及一种微电网与大电网高压智能柔性传输串联补偿装置及其控制方法。公开号为：CN103050972A的发明专利《微电网与大电网高压智能柔性传输串联补偿装置及其控制方法》中也公开了一种串联补偿装置，该发明主要是解决现有的并联补偿控制装置存在的在解决统一潮流、低电压穿越承受能力薄弱的技术问题。该发明的技术方案是：微电网与大电网高压智能柔性传输串联补偿装置，它包括微电网侧混合型有源电力动态滤波器电路、微电网侧参数检测电路、IGCT五电平开关拓扑电路、IGCT开关驱动电路、智能柔性传输串联补偿装置DSP控制电路等电路，其中：它还包括微电网侧和大电网侧双向晶闸管开关控制的串联补偿电容器电路。该控制方法是：依据从微电网侧和大电网侧检测得到的参数信息，形成有功功率调节控制量ΔP(t)=ΔPs(t)-ΔPr(t)和无功功率调节控制量ΔQ(t)=ΔQs(t)-ΔQr(t)，实现对柔性有功功率Ps(t)和柔性无功功率Qs(t)的控制。这样的装置效果不错，但是结构过于复杂。

发明内容

本发明的目的在于一种智能配网串联补偿装置及其使用方法，该装置具有改善配电线路沿线电压分布、减小电压跌落和提高线路输送容量的作用，并具有负荷“自适应”电压调节和实时响应的特点。

为了实现所述目的，本发明一种智能配网串联补偿装置，包括投切操作开关、传感器、电容器组、保护设备、光电转换系统和控制器，所述投切操作开关包括：投切断路器，所述投切断路器两端分别连接第一隔离开关和第二隔离开关；所述传感器包括连接在一起的线路电压互感器、电流互感器和电容器组电压互感器；所述电容器组为三相电容器；所述保护设备包括：三相高压可控硅阀、一体化阻尼电抗电阻器以及旁路接触器，所述光电转换系统包括光电转换器，并通过传输光纤连接到控制器，所述控制器包括可编程逻辑芯片，可编程逻辑芯片输入和输出端均连接电平转换器，其中输入端的电平转换器上连接有光电隔离和AD采样芯片，输出端的电平转换器连接光电隔离，控制器还连接到调度中心。

优选的，所述线路电压互感器安装靠近投切操作开关一端，电流互感器与电容器组串联，电容器组电压互感器与电容器组并联。

优选的，所述保护设备的三相高压可控硅阀每相的主体为一对反并联的可控硅，每相可控硅对外有两个电气连接排；一体化阻尼电抗电阻器分别于三相高压可控硅阀串联后，并联连接在电容器组的两端；旁路接触器属于实现保护的机械开关，同样并联连接在电容器组的两端。

优选的，所述一体化阻尼电抗电阻器采用高电阻率的铝镍铁合金导线绕制。这样的结构确保使一体化阻尼电抗电阻器既具有一定的电阻值，又具有一定的电抗值，用于限制可控硅导通时电容器放电电流的上升速率和峰值。

进一步的，本发明还包括智能配网串联补偿装置的使用方式，当第一隔离开关和第二隔离开关的隔离刀合闸，电容器组预投入线路时，控制投切断路器分闸，以取消电容器组的旁路状态从而使得电容器组投入线路运行；传感器由线路电压互感器、电流互感器、电容器组电压互感器组成；线路电压互感器用于测量配电线路的线电压并为UPS电源提供能量，电流互感器用于测量流经电容器组的电流，所述电容器组电压互感器与电容器组并联，用于测量电容器组两端的电压，还兼电容器组的放电电路；三相高压可控硅阀通过光电转换系统与控制器进行信息交互，控制器通过传输光纤发送可控硅触发信号并接收返回状态经从而采集可控硅两端电压状态以判断可控硅导通状态，光电转换单元将光信号转换为电信号以达到光电隔离的效果，防止电磁干扰、提高可控硅阀工作的可靠性以及绝缘性，控制器通过传感设备和光电转换系统接受模拟量和数字量信号，对系统进行计算，对机械开关合电力电子开关进行控制。

优选的，当控制器检测到线路电压为零时，立即发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令，以确保线路停电时电容器组被旁路。这样确保实现线路停电或故障断电保护功能

优选的，当控制器检测到线路失电时将电容器组旁路；当线路重新带电时，控制器等待线路电流从较大的配变励磁涌流降低为正常负荷电流后再将装置投入运行。这样实现线路充电时躲避励磁涌流的保护功能

优选的，当控制器检测到电容器两端电压超过整定值时，或者流过电容器组的电流超过整定值时，立即发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令将电容器组旁路，从而实现电容器组过电压保护功能。这样实现电容器组过电压保护功能：

优选的，在装置正常运行时，电容器组的容值由电容器组两端电压和流经电容器组的电流来进行实时计算得到。当容值发生较小或较大偏差，控制器则会发出微小变化告警信号或电容器失效保护信号。这样实现电容器容值检测和告警功能。

优选的，控制器根据电容器组两端的电压来判断线路是否发生谐振，若发生谐振，则立刻发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令将装置旁路，当负荷过低时，容易造成配变和串联电容器的谐振现象，为降低谐振发生的概率，当控制器检测到线路电流低于整定值时，发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令使电容器组旁路，当线路电流恢复或高于整定值时，控制器自动将电容器组投入运行。

与现有技术相比，本发明的特点体现为：1）控制器能够实时监测装置的状态，包括电容器、保护单元、系统各模拟量和数字量等；2）可与调度控制中心进行实时通讯，传输指定信息并接受远方控制；3）配网串联电容器的保护采用可控硅与旁路接触器结合的方法，当线路或装置发生故障，控制器可触发可控硅导通从而将电容器瞬时旁路保护，该保护设计与MOV、触发间隙等串补保护相比实现简单、经济可靠、维护方便并具备可监控的优势；4）具备短时旁路功能，可自动旁路电容器组，等待设定时间后再自动投入电容器，可应用于多种情况，如躲避配变励磁涌流，从而基本消除不利现象对装置的影响；5）检测线路轻载状态并将串联电容器旁路，以减小谐振的可能性；6）实时检测电容器容值的变化，电容器故障时发出告警或保护信号；7）将阻尼电阻和阻尼电抗进行一体化设计。

附图说明

图1是本发明配网串联补偿装置整体结构的结构图；

图2是本发明配网串联补偿装置控制器的具体结构示意图；

具体实施方式

以10kV配网为例，如图1所示，一种智能配网串联补偿装置，包括投切操作开关1、传感器2、电容器组3、保护设备4、光电转换系统5和控制器6，其特征在于：所述投切操作开关1包括：投切断路器1.1，所述投切断路器1.1两端分别连接第一隔离开关1.2和第二隔离开关1.3；所述传感器2包括连接在一起的线路电压互感器2.1、电流互感器2.2和电容器组电压互感器2.3；所述电容器组3为三相电容器；所述保护设备4包括：三相高压可控硅阀4.1、一体化阻尼电抗电阻器4.2以及旁路接触器4.3，所述光电转换系统5包括光电转换器5.2，并通过传输光纤5.1连接到控制器6。如图2所示，所述控制器6包括可编程逻辑芯片6.1，可编程逻辑芯片6.1输入和输出端均连接电平转换器6.2，其中输入端的电平转换器6.2上连接有光电隔离6.3和AD采样芯片6.4，输出端的电平转换器6.2连接光电隔离6.3，控制器6还连接到调度中心7。所述线路电压互感器2.1安装靠近投切操作开关1一端，电流互感器2.2与电容器组3串联，电容器组电压互感器2.3与电容器组3并联。所述保护设备4的三相高压可控硅阀4.1每相的主体为一对反并联的可控硅，每相可控硅对外有两个电气连接排；一体化阻尼电抗电阻器4.2分别于三相高压可控硅阀串联后，并联连接在电容器组3的两端；旁路接触器4.3属于实现保护的机械开关，同样并联连接在电容器组3的两端。所述一体化阻尼电抗电阻器4.2采用高电阻率的铝镍铁合金导线绕制。

工作时，当第一隔离开关1.2和第二隔离开关1.3的隔离刀合闸，电容器组3预投入线路时，控制投切断路器1.1分闸，以取消电容器组3的旁路状态从而使得电容器组3投入线路运行；线路电压互感器2.1用于测量配电线路的线电压并为UPS电源提供能量，电流互感器2.2用于测量流经电容器组的电流，所述电容器组电压互感器2.3与电容器组3并联，用于测量电容器组3两端的电压，还兼电容器组3的放电电路；三相高压可控硅阀4.1通过光电转换系统5与控制器6进行信息交互，控制器6通过传输光纤5.1发送可控硅触发信号并接收返回状态经从而采集可控硅两端电压状态以判断可控硅导通状态，光电转换单元5.2将光信号转换为电信号以达到光电隔离的效果，防止电磁干扰、提高三相高压可控硅阀工作的可靠性以及绝缘性，控制器6通过传感设备2和光电转换系统5接受模拟量和数字量信号，对机械开关合电力电子开关进行控制。

所述控制器部分，其功能具体包括：装置的自动投切、线路停电或故障断电保护、线路充电时躲避励磁涌流的保护、电容器组过电压保护、电容器组容值监测、谐振检测和保护、轻载检测和保护、发送状态信息和告警/保护信号、与调度中心7的数据互通。

装置的故障类型分为告警、短时旁路、保护三类。其中，告警表示该事件不影响装置运行，例如电容器容值微小变化、线路正常原因失电、隔离开关的辅助触点变动等，控制器6仅给出信号提示不做实际操作；短时旁路表示该故障产生时需要将电容器组进行一定时间的旁路——可设置时间整定值——后再自动投入运行，以保护设备安全，例如线路失电、谐振、线路轻载等，当控制器6检测到装置工况满足短时旁路发生条件后，控制旁路接触器4.3合闸以将电容器组3旁路，随后延时时间T——可设置，最小1秒，当T时间后再判断是否达到再投入条件，若满足则控制旁路接触器4.3分闸以投入电容器组，若不满足则继续判断直到系统满足投入条件后再投入电容器组，如此可躲避重合闸或者谐振所产生的冲击电流和过电压对装置的影响。保护表示该故障程度严重，已影响装置正常工作，对电容器组3进行旁路操作，等待工程人员进行检修排除故障，例如电容器失效、可控硅触发异常等，可控硅触发、旁路接触器、投切断路器都具有旁路电容器的功能，一般情况下操作流程为触发可控硅导通后合闸旁路接触器和投切断路器。对保护单元本身的保护，通过三相高压可控硅阀4.1，旁路接触器4.3，投切断路器1.1按既定的控制流程实现保护。

通过电容器组电压互感器2.3和电流互感器2.2采集通过电容器组的电流和电容器组两端的电压，控制器根据数据实时计算电容器组的容值并进行监测。若电容器损坏造成容值变化，根据变化幅度控制器输出告警或保护信号。控制器具有RS485为接口的基于Modbus协议的通信模块，装置通过光缆与监控中心互通，可与监控中心或后台进行实时数据传输以获取装置的运行状态、模拟量和数字量等参数，又可接收远程的投切命令。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.智能配网串联补偿装置，包括投切操作开关（1）、传感器（2）、电容器组（3）、保护设备（4）、光电转换系统（5）和控制器（6），其特征在于：所述投切操作开关（1）包括：投切断路器（1.1），所述投切断路器（1.1）两端分别连接第一隔离开关（1.2）和第二隔离开关（1.3）；所述传感器（2）包括连接在一起的线路电压互感器（2.1）、电流互感器（2.2）和电容器组电压互感器（2.3）；所述电容器组（3）为三相电容器；所述保护设备（4）包括：三相高压可控硅阀（4.1）、一体化阻尼电抗电阻器（4.2）以及旁路接触器（4.3），所述光电转换系统（5）包括光电转换器（5.2），并通过传输光纤（5.1）连接到控制器（6），所述控制器（6）包括可编程逻辑芯片（6.1），可编程逻辑芯片（6.1）输入和输出端均连接电平转换器（6.2），其中输入端的电平转换器（6.2）上连接有光电隔离（6.3）和AD采样芯片（6.4），输出端的电平转换器（6.2）连接光电隔离（6.3），控制器（6）还连接到调度中心（7）。 

2.如权利要求1所述的智能配网串联补偿装置，其特征在于：所述线路电压互感器（2.1）安装靠近投切操作开关（1）一端，电流互感器（2.2）与电容器组（3）串联，电容器组电压互感器（2.3）与电容器组（3）并联。 

3.如权利要求1所述的智能配网串联补偿装置，其特征在于：所述保护设备（4）的三相高压可控硅阀（4.1）每相的主体为一对反并联的可控硅，每相可控硅对外有两个电气连接排；一体化阻尼电抗电阻器（4.2）分别与三相高压可控硅阀串联后，并联连接在电容器组（3）的两端；旁路接触器（4.3）属于实现保护的机械开关，同样并联连接在电容器组（3）的两端。 

4.如权利要求1所述的智能配网串联补偿装置，其特征在于：所述一体化阻尼电抗电阻器（4.2）采用高电阻率的铝镍铁合金导线绕制。 

5.如权利要求1所述的智能配网串联补偿装置的使用方法：其特征在于：当第 一隔离开关（1.2）和第二隔离开关（1.3）的隔离刀合闸，电容器组（3）预投入线路时，控制投切断路器（1.1）分闸，以取消电容器组（3）的旁路状态从而使得电容器组（3）投入线路运行；线路电压互感器（2.1）用于测量配电线路的线电压并为UPS电源提供能量，电流互感器（2.2）用于测量流经电容器组的电流，所述电容器组电压互感器（2.3）与电容器组（3）并联，用于测量电容器组（3）两端的电压，还兼电容器组（3）的放电电路；三相高压可控硅阀（4.1）通过光电转换系统（5）与控制器（6）进行信息交互，控制器（6）通过传输光纤（5.1）发送可控硅触发信号并接收返回状态经从而采集可控硅两端电压状态以判断可控硅导通状态，光电转换单元（5.2）将光信号转换为电信号以达到光电隔离的效果，防止电磁干扰、提高三相高压可控硅阀工作的可靠性以及绝缘性，控制器（6）通过传感设备（2）和光电转换系统（5）接受模拟量和数字量信号，对机械开关合电力电子开关进行控制。 

6.如权利要求5所述的智能配网串联补偿装置的使用方法，其特征在于：当控制器（6）检测到线路电压为零时，立即发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令，以确保线路停电时电容器组被旁路。 

7.如权利要求5所述的智能配网串联补偿装置的使用方法，其特征在于：当控制器（6）检测到线路失电时将电容器组（3）旁路；当线路重新带电时，控制器等待线路电流从较大的配变励磁涌流降低为正常负荷电流后再将装置投入运行。 

8.如权利要求5所述的智能配网串联补偿装置的使用方法，其特征在于：当控制器（6）检测到电容器两端电压超过整定值时，或者流过电容器组的电流超过整定值时，立即发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令将电容器 组旁路，从而实现电容器组过电压保护功能。 

9.如权利要求5所述的智能配网串联补偿装置的使用方法，其特征在于：所述电容器组（3）的容值由电容器组（3）两端电压和流经电容器组（3）的电流来进行实时计算得到，当容值发生较小或较大偏差，控制器则会发出微小变化告警信号或电容器失效保护信号。 

10.如权利要求5所述的智能配网串联补偿装置的使用方法，其特征在于： 

控制器根据电容器组（3）两端的电压来判断线路是否发生谐振，若发生谐振，则立刻发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令将装置旁路，当负荷过低时，容易造成配变和串联电容器的谐振现象，为降低谐振发生的概率，当控制器检测到线路电流低于整定值时，发出可控硅触发信号和旁路接触器的合闸命令使电容器组旁路，当线路电流恢复或高于整定值时，控制器（6）自动将电容器组投入运行。 

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