CN105914760A - 一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法及装置。其控制方法是采用一种控制装置采集配电台区系统的三相电压值、电流值计算三相电流基波分量有效值、三相电压与电流畸变率值的变化量、合相有功与无功功率有效值、功率因数在常规无功补偿控制策略的基础上，增加利用电流基波分量有效值、谐波电压与电流畸变率值的变化范围辨识系统是否发生谐振的判断功能，并在谐振发生时通过快速切除一组电容器组以去除谐振条件来抑制谐振。其控制装置由电参量及开关量检测与调理单元、核心控制单元、通讯单元、人机交互单元和输出执行单元组成。本发明能“以软代硬”，有效克服常规无功补偿控制方法存在的无法抑制谐振的缺陷。

Description

一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法及装置

技术领域

本发明属于柔性交流配电系统或电力智能配电系统领域，涉及一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法及装置。

背景技术

对配电台区的无功进行有效补偿及控制，是提高台区变压器利用效率、减少线路电压损失和有功损耗、保证电能质量、增强系统运行安全性与经济性的基本手段。

利用本领域公知的功率因数法、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并联在配电台区系统中电容器，因结构简单、投资少、可靠性高、运行费用低，目前仍然是占据绝对主导地位且被广泛使用的配电台区无功补偿手段。但是近年来，随着非线性负荷的增加，谐波电流“污染”日益严重，某次谐波的集总容抗(系统等效容抗，主要为并联电容器组)与感抗(系统等效感抗)相等或接近的概率增大，导致无功补偿过程中电容器组和系统等效感抗之间的串联或并联谐振问题不断发生，直接危及配电台区系统的正常运行。当并联谐振发生时，电容器元件上的谐波电压幅值成倍增高、谐振回路电流变大，严重降低电容器组的安全性和使用寿命，同时也使配电台区系统产生谐波过电压，加速系统绝缘介质的老化和损坏；当串联谐振发生时，系统谐波电流放大，电容器自身损耗增加，产生异常发热、鼓肚甚至烧毁事故。显然，目前为本领域公知的补偿控制方法仅限于实现配电台区无功补偿控制，不能有效解决无功补偿过程中并联电容器组与系统等效感抗的谐振抑制问题，存在功能单一以及使用过程中有较大安全隐患等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法，同时提供一种采用该控制方法的配电台区无功补偿控制装置，本发明可利用配电台区既有无功补偿元件实现其无功补偿和谐振抑制的综合控制。

本发明所述的可抑制谐振配电台区无功补偿控制方法包括以下的实施步骤：

一、通过一种配电台区无功补偿控制装置分别采集配电台区系统的三相电压值u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)和进线回路的三相电流值i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，t为时间变量，根据电流、电压有效值、三相交流有功功率、无功功率、功率因数计算公式由配电台区无功补偿控制装置计算并存储三相电流有效值I_Arms、I_Brms、I_Crms，三相电压有效值U_Arms、U_Brms、U_Crms，三相有功功率有效值P、无功功率有效值Q、功率因数根据下列公式(1)计算并存储三相电流的基波分量有效值I_A1rms、I_B1rms、I_C1rms，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{A1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{i}_A\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{i}_A\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ I_{B1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{i}_B\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{i}_B\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ I_{C1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{i}_C\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{i}_C\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

根据下列公式(2)计算并存储三相电流的基波分量有效值在k个检测周期的平均变化量ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{A1}=\left|\frac{1}{k}\underset{n}{\overset{n+k}{\Σ}}\left(I_{A1{\mathrm{rms}}_{n+1}}-I_{A1{\mathrm{rms}}_n}\right)\right|\\ {\mathrm{\ΔI}}_{B1}=\left|\frac{1}{k}\underset{n}{\overset{n+k}{\Σ}}\left(I_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}-I_{B1{\mathrm{rms}}_n}\right)\right|\\ {\mathrm{\ΔI}}_{C1}=\left|\frac{1}{k}\underset{n}{\overset{n+k}{\Σ}}\left(I_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}-I_{C1{\mathrm{rms}}_n}\right)\right|\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据下列公式(3)计算并存储三相电压基波分量有效值U_A1rms、U_B1rms、U_C1rms，

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{A1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{u}_A\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{u}_A\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ U_{B1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{u}_B\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{u}_B\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ U_{C1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{u}_C\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{u}_C\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在公式(1)、和(2)和(3)中，i_A(n)、i_B(n)、i_C(n)分别为电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)的第n个采样值，u_A(n)、u_B(n)、u_C(n)分别为电压u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)的第n个采样值，N为一个周期的采样点数，k为默认设定值，典型值为5；

二、以计算获得的三相电流基波分量有效值的变化量ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1作为配电台区无功补偿控制装置选择是否启动检测谐振的依据，若ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1的值大于I_N×d％，其中d％为谐波电流测量误差，典型值为0.5％，I_N为系统额定电流，此时认为系统中的负载发生改变，闭锁谐振检测；当ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1的值始终小于或等于I_N×d％时，则启动检测系统是否发生谐振子功能，通过配电台区无功补偿控制装置将已获得且存储的三相电流有效值、三相电流基波分量有效值代入式(4)计算求解并存储三相电流的总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_{i_A}=(\frac{I_{{\mathrm{Arms}}_{n+k}}-I_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{I_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{I_{{\mathrm{Arms}}_n}-I_{A1{\mathrm{rms}}_n}}{I_{A1{\mathrm{rms}}_n}}-1)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{i_B}=(\frac{I_{{\mathrm{Brms}}_{n+k}}-I_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{I_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{I_{{\mathrm{Brms}}_n}-I_{B1{\mathrm{rms}}_n}}{I_{B1{\mathrm{rms}}_n}}-1)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{i_C}=(\frac{I_{{\mathrm{Crms}}_{n+k}}-I_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{I_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{I_{{\mathrm{Crms}}_n}-I_{C1{\mathrm{rms}}_n}}{I_{C1{\mathrm{rms}}_n}}-1)\end{array}\right.---\left(4\right)$

将三相电压有效值、三相电压基波分量有效值代入式(5)可得三相电压的总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_{u_A}=(\frac{U_{{\mathrm{Arms}}_{n+k}}-U_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{U_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{U_{{\mathrm{Arms}}_n}-U_{A1{\mathrm{rms}}_n}}{U_{A1{\mathrm{rms}}_n}}-1)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{u_B}=(\frac{U_{{\mathrm{Brms}}_{n+k}}-U_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{U_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{U_{{\mathrm{Brms}}_n}-U_{B1{\mathrm{rms}}_n}}{U_{B1{\mathrm{rms}}_n}}-1)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{u_C}=(\frac{U_{{\mathrm{Crms}}_{n+k}}-U_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{U_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{U_{{\mathrm{Crms}}_n}-U_{C1{\mathrm{rms}}_n}}{U_{C1{\mathrm{rms}}_n}}-1)\end{array}\right.---\left(5\right)$

以为判断依据，当 中任意项大于等于默认设定值时(一般取为1.5)，或当中任意项大于等于默认设定值时(一般取为1.5)，则认为与之对应的相发生了谐振，谐波电压或电流畸变率的变化是因谐振发生时谐波电压或电流被严重放大引起，不满足此条件的情况均认为未发生谐振；

三、当配电台区无功补偿控制装置闭锁自身谐振检测功能或谐振检测功能开启但未检测到系统发生谐振时，则自动选取本领域公知的常规无功补偿控制策略，包括功率因数法、无功电流法、无功功率法或九区图法；当谐振检测功能开启且检测到系统发生谐振时，配电台区无功补偿控制装置输出切除电容组指令，控制配电台区系统中的复合开关快速切除其中一组补偿电容组，通过改变系统容抗实现谐振抑制：

a、当系统在n次谐波电流作用下发生串联谐振时，系统谐波感抗与谐波容抗相等，即nX_S＝X_C/n，X_S、X_C分别为当前时刻系统感抗、容抗，此时谐振支路注入系统的谐波电流I_sn可由下列公式(6)得到，

$I_{sn}=\frac{X_C/n}{\sqrt{R_S^2+{({\mathrm{nX}}_S-X_C/n)}^2}}{I}_n=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·X_C---\left(6\right)$

式中R_S为当前时刻系统阻抗，I_n为n次谐波电流，当配电台区无功补偿控制装置控制切除其中一组补偿电容组改变谐振条件后，谐振支路注入系统的谐波电流I_s′_n可利用下列公式(7)计算得到，

$I_{sn}^{\′}=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·\frac{(X_C-X_C^{\′})}{\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{nX}}_S-(X_C-X_C^{\′})/n}{R_S}\right)}^2}}---\left(7\right)$

式中X′_C为切除的补偿电容器组容抗，比较式(6)与式(7)可知，切除一组补偿电容组后注入系统的谐波电流I_s′_n相比谐振时的谐波电流I_sn将大大减小，即实现了串联谐振的抑制；

b、当系统在n次谐波电流作用下发生并联谐振时，系统谐波感抗与谐波容抗相等，即nX_S＝X_C/n，此时谐振支路两端的谐波电压U_sn可利用下列公式(8)计算得到，

$U_{sn}=\frac{(X_C/n)\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2}}{\sqrt{R_S^2+{({\mathrm{nX}}_S-X_C/n)}^2}}{I}_n=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·(X_C.\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2})---\left(8\right)$

当配电台区无功补偿控制装置控制切除其中一组补偿电容组改变谐振条件后，谐振支路两端的谐波电压U_s′_n可利用下列公式(9)计算得到，

$U_{sn}^{\′}=\frac{\left(\right(X_C-X_C^{\′})/n)\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2}}{\sqrt{R_S^2+{({\mathrm{nX}}_S-(X_C-X_C^{\′})/n)}^2}}{I}_n=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·\frac{(X_C-X_C^{\′})\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2}}{\sqrt{1+\frac{{({\mathrm{nX}}_S-(X_C-X_C^{\′})/n)}^2}{R_S^2}}}---\left(9\right)$

比较式(8)与式(9)可知，在切除一组补偿电容组后谐振支路两端的谐波电压U_s′_n相比谐振时的谐波电压U_sn将大大减小，即实现了并联谐振的抑制。

为实现上述方法而设计的可抑制谐振的配电台区无功补偿控制装置由配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元、核心控制单元、通讯单元、人机交互单元和输出执行单元五个主工作单元组成，其中：

配电台区系统电参量及开关量检测与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、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单片机系统模块，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；

核心控制单元由单片机系统模块和CPLD逻辑与组合系统模块组成，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；

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，它们分别经一个磁耦合器模块隔离后与核心控制单元内单片机系统模块内嵌的UART1、UART2串行口相连；

人机交互单元由键盘模块和液晶显示模块组成，键盘模块的输出端经一个磁耦合器模块隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块的输入端相连，CPLD逻辑与组合系统模块的显示输出端经另一个磁耦合器模块隔离后与液晶显示模块的输入端相连；

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，无功补偿开出回路模块通过功率光电耦合器模块隔离后与核心控制单元内CPLD逻辑与组合系统模块的输出端相连。

具体实施方案中，上述可抑制谐振的配电台区无功补偿控制装置中配电台区系统电参量及开关量检测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补偿回路中电容投切开关的辅助触点，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采用12只并列的控制继电器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下所述。

一、本发明所述的配电台区无功补偿控制方法既能利用本领域公知的常规无功补偿控制策略对配电台区无功进行有效补偿，又能解决补偿过程中并联电容器组与系统等效感抗的谐振抑制问题，克服了常规控制方法补偿无功时存在的电容器易烧毁等安全隐患。

二、采用本发明所述的无功补偿控制方法能充分利用现有补偿网络元件实现谐振的抑制，不需在配电台区系统上额外增加设备，“以软代硬”，适用范围大，性价比高，实用价值显著。

三、本发明所述的无功补偿控制装置功能区明显，强弱电隔离完善，容易升级，该装置设置了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

图1是是本发明所述可抑制谐振的配电台区无功补偿控制装置的电路原理图。

附图1中各标号名称分别为：A－配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元，B－核心控制单元，C－通讯单元，D－人机交互单元，E－输出执行单元；1－三相电压检测模块，2－三相电流检测模块，3－开关合分状态检测模块，4－模拟信号调理电路模块，5－开关量信号调理电路模块，6－单片机系统模块，7－CPLD逻辑与组合系统模块，8－键盘模块，9－液晶显示模块，10－第一磁耦合器模块，11－第二磁耦合器模块，12－第三磁耦合器模块，13－第四磁耦合器模块，14－第五磁耦合器模块，15－以太网接口模块，16－RS232接口模块，17－RS485接口模块，18－功率光电耦合器模块，19－无功补偿开出回路模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容做进一步说明。

本发明所述可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法的基本内容是通过配电台区无功补偿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三相电压u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)和进线回路的三相电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，经模拟信号调理电路模块4放大、限幅、滤波、I/V变换后，送入含有内置A/D转换器的单片机系统模块6，根据公知的电压有效值、电流有效值、三相交流有功功率、无功功率、功率因数计算公式由单片机系统模块6计算并存储配电台区系统三相电压有效值U_Arms、U_Brms、U_Crms和三相电流有效值I_Arms、I_Brms、I_Crms，三相有功功率有效值P、无功功率有效值Q、功率因数进一步根据前述发明内容节--方法实施步骤中的公式(1)、公式(2)分别计算获得三相电流基波分量有效值I_A1rms、I_B1rms、I_C1rms及其在k个(k为默认设定值，典型值为5)检测周期的平均变化量ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1,根据公式(3)计算获得三相电压基波分量有效值U_A1rms、U_B1rms、U_C1rms。

以ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1作为配电台区无功补偿控制装置选择是否启动检测谐振的依据，若ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1大于I_N×d％(d％为谐波电流测量误差，一般取0.5％，I_N为装置额定电流)，此时认为系统中的负载发生改变，闭锁谐振检测；当ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1始终小于或等于I_N×d％时，则启动检测系统是否发生谐振子功能，通过配电台区无功补偿控制装置中的单片机系统模块6将已获得且存储的三相电流有效值与三相电流基波分量有效值代入前述发明内容节——方法实施步骤中的公式(4)计算求解并存储三相电流的总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率将三相电压有效值、电压基波分量有效值代入前述发明内容节——方法实施步骤中的公式(5)获得三相电压的总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率以为判断依据，当中任意项大于等于(默认设定值，一般取为1.5)或中任意项大于等于(默认设定值，一般取为1.5)时，则认为与之对应的相发生了谐振，不满足此条件的情况均认为未发生谐振。。

当配电台区无功补偿控制装置闭锁自身谐振检测功能或谐振检测功能开启但未检测到系统发生谐振时，则自动选取本领域公知的常规无功补偿控制策略(如功率因数法、无功电流或无功功率法、九区图法)；当谐振检测功能开启且检测到系统发生谐振时，配电台区无功补偿控制装置输出切除电容组指令，控制配电台区系统中的复合开关快速切除其中一组补偿电容组，从而改变系统谐振条件实现谐振抑制，具体原理为：当系统在n次谐波电流作用下发生串联谐振时，系统谐波感抗与谐波容抗相等，即nX_S＝X_C/n，X_S、X_C分别为当前时刻系统感抗、容抗，此时注入系统的谐波电流I_sn可由前述公式(6)得到，当改变谐振条件即通过切除补偿电容器组改变系统容抗后注入系统的谐波电流I_s′_n可利用前述公式(7)计算得到，比较式(6)与式(7)可知，切除一组补偿电容组后注入系统的谐波电流I_s′_n相比谐振时的谐波电流I_sn将大大减小，即通过切除电容组实现了串联谐振的抑制；而当系统在n次谐波电流作用下发生并联谐振时则亦有nX_S＝X_C/n，此时谐振支路两端的谐波电压U_sn可由前述公式(8)得到，当切除补偿电容器组改变系统容抗后，谐振支路两端的谐波电压U_s′_n可利用前述公式(9)计算得到，比较式(8)与式(9)可知，切除一组补偿电容组后注入系统的谐波电压U_s′_n相比谐振时的谐波电压U_sn将大大减小，即通过切除电容组实现了并联谐振的抑制。

本发明所述可抑制谐振的配电台区无功补偿控制装置的一种实施例结构如附图1所示，它由配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元A、核心控制单元B、通讯单元C、人机交互单元D和输出执行单元E共计五个主工作单元组成。配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元A、通讯单元C、人机交互单元D和输出执行单元E分别通过相应接口同核心控制单元B相连。

配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元A由三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、开关合分状态检测模块3、模拟量信号调理电路模块4及开关量信号调理电路模块5组成。三相电压检测模块1和三相电流检测模块2的输出分别与模拟信号调理电路模块4相连，开关合分状态检测模块3的输出端经开关量信号调理电路模块5隔离后接至核心控制单元B中的CPLD逻辑与组合系统模块7。工作时，配电台区系统的三相电压通过直采方式送入三相电压检测模块1、三相电流通过配电台区既有的电流互感器变换后送入三相电流检测模块2，经模拟信号调理电路模块4处理后得到配电台区系统瞬时电压值u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)和瞬时电流值i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)；配电台区系统中无功补偿回路投切开关(复合开关)的辅助触点信号直接接入开关合分状态检测模块3。具体实例的结构设计上，三相电压检测模块1采用三只并列的电压互感器(如HPT304A、HRPT-1),三相电流检测模块2采用三只并列的电流互感器(如HCT255A、HRCT-1)，模拟信号调理电路模块4由I/V转换及放大电路(如RVC420、LM324及外围辅助元件)、钳位二极管(如IN4148)、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现，开关合分状态检测模块3由通用光电耦合器(如TLP521-X)组成的隔离电路实现，开关量信号调理电路模块5采用由钳位二极管(如IN4001)、限幅稳压管、通用阻容器件构成的典型限幅、防抖电路实现。

核心控制单元B由单片机系统模块6和CPLD逻辑与组合系统模块7组成。单片机系统模块6通过通用并行输入/输出口与CPLD逻辑与组合系统模块7相连并与其进行数据交换。具体实例结构设计上，单片机系统模块6可采用内置多路A/D的数字信号处理器(如Dspic30F6014A),CPLD逻辑与组合系统模块7可采用MAX7000系列器件(如EPM7128)。

通讯单元C主要由以太网接口模块15、RS232接口模块16和RS485接口模块17组成，它们分别经第三磁耦合器模块12、第四磁耦合器模块13、第五磁耦合器模块14隔离后同核心控制单元中单片机系统模块6的UART总线相连。以太网接口模块15可由18F66J60、HR911105A器件构成或直接选用以太网专用模块(如HV2002D-TX),RS232接口模块16选用集成接口芯片(如MAX232),RS485接口模块17选用集成接口芯片(如MAX485)，三个磁耦合器模块(12、13、14)需选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。

人机交互单元D主要由键盘模块8和液晶显示模块9组成，在分别经第一磁耦合器模块10和第二磁耦合器模块11隔离后与核心控制单元B中的CPLD逻辑与组合系统模块7相连。具体实例实施结构上，键盘模块8采用普通通用的独立按键，液晶显示模块9采用通用LCD器件(如LM3033、LM6066、NS12864)，两个磁耦合器模块(10、11)需选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。

输出执行单元E由功率光电耦合器模块18和无功补偿开出回路模块19组成，无功补偿开出回路模块19通过功率光电耦合器模块18隔离后与核心控制单元B内CPLD逻辑与组合系统模块7的输出端相连。具体实施结构上，无功补偿开出回路19采用12只并列的通用控制继电器(如JQX-14)或固态继电器SSR(如S310ZK)，功率光电耦合器模块18则采用12只并列驱动能力较大的光耦器件(如TLP127)。

实际工作中，该配电台区无功补偿控制装置内人机交互单元D中的键盘模块8为用户提供参数设置以及功能选择接口，与液晶显示模块9共同完成人机交互功能；核心控制单元B中CPLD逻辑与组合系统模块7接受经第一磁耦合器模块10隔离后的键盘模块8产生的按键信息，进行逻辑运算与处理形成控制指令或控制参数后直接送至核心控制单元B中的单片机系统模块6，以对补偿工作过程进行人工干涉控制和运行参数设定；核心控制单元B中的单片机系统模块6将已获得且存储的各相电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、谐波畸变率及其变化率等参量传给核心控制单元B中的CPLD逻辑与组合系统模块7缓冲转接后，进一步经磁耦合器模块11隔离送至液晶显示模块9显示；同时单片机系统模块6也将上述参量经通讯单元C中的三个磁耦合器模块(12,13,14)隔离后，通过以太网接口模块15或RS232接口模块16或RS485接口模块17传至上位机，完成与上位机进行通信的功能。单片机系统模块6输出切除一组电容器组指令，送入CPLD逻辑与组合系统模块7进行逻辑运算，经功率光电耦合器模块18隔离与驱动，再送至无功补偿开出回路模块19进一步控制配电台区系统中的复控开关动作切除一组电容器组，以改变系统谐振条件，达到抑制谐振的目的。

本发明装置进行在线进行无功补偿和抑制谐振的工作过程如下：

一、系统上电、自检、初始化；

二、根据实际运行要求进行相应控制参数的设置及修改；

三、检查本发明装置自身系统是否有故障，有故障时转入相应处理程序，给出故障诊断提示信息，无故障时向下步执行；

四、不断采集配电台区系统的三相电流、电压瞬时值；

五、实时计算存储配电台区系统的P、Q、I_A1rms、I_B1rms、I_C1rms，ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1以及

六、判断ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1是否大于I_N×d％(d％为谐波电流测量误差，一般取0.5％，I_N为装置额定电流)，若大于则闭锁谐振检测，直接执行后面的步骤8)；若ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1小于或等于I_N×d％时，启动系统检测谐振是否发生子功能，执行后面的步骤七；

七、比较与默认设定值(一般取1.5)的大小，比较与默认设定值(一般取1.5)的大小，当中任意项大于等于或中任意项大于等于时则与判定其对应的相发生谐振，发出命令控制复控开关动作切除一组电容器组，以改变系统谐振条件，达到抑制谐振目的，然后直接执行后面的步骤九；不满足上述条件的情况均认为未发生谐振，执行后面的步骤八；

八、按常规无功补偿控制策略(如功率因数法、无功电流或无功功率法、九区图法)进行控制；

九、实时显示配电台区系统的各种主要实时参数P、Q、及I_A1rms、I_B1rms、I_C1rms、ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1、 等，并传给上位机进行远程监控；

十、重复执行步骤三。

通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明方法及装置的精髓所在——通过实时监测配电台区系统三相与分相电参量获得系统此时刻三相基波电流分量有效值在k个检测周期中的变化范围，三相电压总谐波畸变率、三相电流总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率，以三相电流基波分量有效值为依据判断是否进行谐振检测，以三相电压总谐波畸变率、三相电流总谐波畸变率的变化率为依据判断系统是否发生谐振，当谐振发生时，通过控制各相补偿电容器容量实现配电台区无功补偿过程中的谐振抑制。但本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制方法，其特征在于包括以下的实施步骤：

1.1、通过一种配电台区无功补偿控制装置分别采集配电台区系统的三相电压值u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)和进线回路的三相电流值i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)，t为时间变量，根据电流、电压有效值、三相交流有功功率、无功功率、功率因数计算公式由配电台区无功补偿控制装置计算并存储三相电流有效值I_Arms、I_Brms、I_Crms，三相电压有效值U_Arms、U_Brms、U_Crms，三相有功功率有效值P、无功功率有效值Q、功率因数根据下列公式(1)计算并存储三相电流的基波分量有效值I_A1rms、I_B1rms、I_C1rms，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{A1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_A\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_A\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ I_{B1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_B\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_B\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ I_{C1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_C\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_C\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

根据下列公式(2)计算并存储三相电流的基波分量有效值在k个检测周期的平均变化量ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{A1}=\left|\frac{1}{k}\underset{n}{\overset{n+k}{\Σ}}(I_{A1{\mathrm{rms}}_{n+1}}-I_{A1{\mathrm{rms}}_n})\right|\\ {\mathrm{\ΔI}}_{B1}=\left|\frac{1}{k}\underset{n}{\overset{n+k}{\Σ}}(I_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}-I_{B1{\mathrm{rms}}_n})\right|\\ {\mathrm{\ΔI}}_{C1}=\left|\frac{1}{k}\underset{n}{\overset{n+k}{\Σ}}(I_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}-I_{C1{\mathrm{rms}}_n})\right|\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据下列公式(3)计算并存储三相电压基波分量有效值U_A1rms、U_B1rms、U_C1rms，

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{A1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_A\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_A\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ U_{B1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_B\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_B\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\\ U_{C1rms}=\frac{2}{N}\sqrt{{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_C\left(n\right)\·\sin \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2+{\[\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_C\left(n\right)\·\cos \left(n\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在公式(1)、和(2)和(3)中，i_A(n)、i_B(n)、i_C(n)分别为电流i_A(t)、i_B(t)、i_C(t)的第n个采样值，u_A(n)、u_B(n)、u_C(n)分别为电压u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)的第n个采样值，N为一个周期的采样点数，k为默认设定值，典型值为5；

1.2、以计算获得的三相电流基波分量有效值的变化量ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1作为配电台区无功补偿控制装置选择是否启动检测谐振的依据，若ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1的值大于I_N×d％，其中d％为谐波电流测量误差，典型值为0.5％，I_N为系统额定电流，此时认为系统中的负载发生改变，闭锁谐振检测；当ΔI_A1、ΔI_B1、ΔI_C1的值始终小于或等于I_N×d％时，则启动检测系统是否发生谐振子功能，通过配电台区无功补偿控制装置将已获得且存储的三相电流有效值、三相电流基波分量有效值代入式(4)计算求解并存储三相电流的总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_{i_A}=\left(\frac{I_{{\mathrm{Arms}}_{n+k}}-I_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{I_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{I_{{\mathrm{Arms}}_n}-I_{A1{\mathrm{rms}}_n}}{I_{A1{\mathrm{rms}}_n}}-1\right)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{i_B}=\left(\frac{I_{{\mathrm{Brms}}_{n+k}}-I_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{I_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{I_{{\mathrm{Brms}}_n}-I_{B1{\mathrm{rms}}_n}}{I_{B1{\mathrm{rms}}_n}}-1\right)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{i_C}=\left(\frac{I_{{\mathrm{Crms}}_{n+k}}-I_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{I_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{I_{{\mathrm{Crms}}_n}-I_{C1{\mathrm{rms}}_n}}{I_{C1{\mathrm{rms}}_n}}-1\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

将三相电压有效值、三相电压基波分量有效值代入式(5)可得三相电压的总谐波畸变率在k个检测周期中的变化率

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_{u_A}=\left(\frac{U_{{\mathrm{Arms}}_{n+k}}-U_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{U_{A1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{U_{{\mathrm{Arms}}_n}-U_{A1{\mathrm{rms}}_n}}{U_{A1{\mathrm{rms}}_n}}-1\right)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{u_B}=\left(\frac{U_{{\mathrm{Brms}}_{n+k}}-U_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{U_{B1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{U_{{\mathrm{Brms}}_n}-U_{B1{\mathrm{rms}}_n}}{U_{B1{\mathrm{rms}}_n}}-1\right)\\ {\mathrm{\ΔT}}_{u_C}=\left(\frac{U_{{\mathrm{Crms}}_{n+k}}-U_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}{U_{C1{\mathrm{rms}}_{n+k}}}/\frac{U_{{\mathrm{Crms}}_n}-U_{C1{\mathrm{rms}}_n}}{U_{C1{\mathrm{rms}}_n}}-1\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

以为判断依据，当 中任意项大于等于默认设定值时，取为1.5，或当 中任意项大于等于默认设定值时，取为1.5时，则认为与之对应的相发生了谐振，谐波电压或电流畸变率的变化是因谐振发生时谐波电压或电流被严重放大引起，不满足此条件的情况均认为未发生谐振；

1.3、当配电台区无功补偿控制装置闭锁自身谐振检测功能或谐振检测功能开启但未检测到系统发生谐振时，则自动选取本领域公知的常规无功补偿控制策略，包括功率因数法、无功电流法、无功功率法或九区图法；当谐振检测功能开启且检测到系统发生谐振时，配电台区无功补偿控制装置输出切除电容组指令，控制配电台区系统中的复合开关快速切除其中一组补偿电容组，通过改变系统容抗实现谐振抑制：

1.3.1、当系统在n次谐波电流作用下发生串联谐振时，系统谐波感抗与谐波容抗相等，即nX_S＝X_C/n，X_S、X_C分别为当前时刻系统感抗、容抗，此时谐振支路注入系统的谐波电流I_sn可由下列公式(6)得到，

$I_{sn}=\frac{X_C/n}{\sqrt{R_S^2+{({\mathrm{nX}}_S-X_C/n)}^2}}{I}_n=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·X_C---\left(6\right)$

式中R_S为当前时刻系统阻抗，I_n为n次谐波电流，当配电台区无功补偿控制装置控制切除其中一组补偿电容组改变谐振条件后，谐振支路注入系统的谐波电流I′_sn可利用下列公式(7)计算得到，

$I_{sn}^{\′}=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·\frac{(X_C-X_C^{\′})}{\sqrt{1+{\left(\frac{{\mathrm{nX}}_S-(X_C-X_C^{\′})/n}{R_S}\right)}^2}}---\left(7\right)$

式中X′_C为切除的补偿电容器组容抗，比较式(6)与式(7)可知，切除一组补偿电容组后注入系统的谐波电流I′_sn相比谐振时的谐波电流I_sn将大大减小，即实现了串联谐振的抑制；

1.3.2、当系统在n次谐波电流作用下发生并联谐振时，系统谐波感抗与谐波容抗相等，即nX_S＝X_C/n，此时谐振支路两端的谐波电压U_sn可利用下列公式(8)计算得到，

$U_{sn}=\frac{(X_C/n)\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2}}{\sqrt{R_S^2+{({\mathrm{nX}}_S-X_C/n)}^2}}{I}_n=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·(X_C\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2})---\left(8\right)$

当配电台区无功补偿控制装置控制切除其中一组补偿电容组改变谐振条件后，谐振支路两端的谐波电压U′_sn可利用下列公式(9)计算得到，

$U_{sn}^{\′}=\frac{\left(\right(X_C-X_C^{\′})/n)\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2}}{\sqrt{R_S^2+{({\mathrm{nX}}_S-(X_C-X_C^{\′})/n)}^2}}{I}_n=\frac{I_n}{{\mathrm{nR}}_S}\·\frac{(X_C-X_C^{\′})\·\sqrt{R_S^2+{\left({\mathrm{nX}}_L\right)}^2}}{\sqrt{1+\frac{{({\mathrm{nX}}_S-(X_C-X_C^{\′})/n)}^2}{R_S^2}}}---\left(9\right)$

比较式(8)与式(9)可知，在切除一组补偿电容组后谐振支路两端的谐波电压U′_sn相比谐振时的谐波电压U_sn将大大减小，即实现了并联谐振的抑制。

2.一种可抑制谐振的配电台区无功补偿控制装置，其特征在于由配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元(A)、核心控制单元(B)、通讯单元(C)、人机交互单元(D)和输出执行单元(E)组成，其中：

配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元(A)由三相电压检测模块(1)、三相电流检测模块(2)、开关合分状态检测模块(3)、模拟信号调理电路模块(4)、开关量信号调理电路模块(5)组成，三相电压检测模块(1)、三相电流检测模块(2)的输出端经模拟信号调理电路模块(4)调理后接入核心控制单元(B)内单片机系统模块(6)，开关合分状态检测模块(3)的输出端经开关量信号调理电路模块(5)处理与隔离后接至核心控制单元(B)内CPLD逻辑与组合系统模块(7)的输入端；

核心控制单元(B)由单片机系统模块(6)和CPLD逻辑与组合系统模块(7)组成，单片机系统模块(6)通过通用并行输入/输出口与CPLD逻辑与组合系统模块(7)相连；

通讯单元(C)由以太网通讯接口模块(15)、RS232接口模块(16)、RS485接口模块(17)组成，它们分别经一个磁耦合器模块隔离后与核心控制单元(B)内单片机系统模块(6)内嵌的UART1、UART2串行口相连；

人机交互单元(D)由键盘模块(8)和液晶显示模块(9)组成，键盘模块(8)的输出端经一个磁耦合器模块(10)隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块(7)的输入端相连，CPLD逻辑与组合系统模块(7)的显示输出端经另一个磁耦合器模块(11)隔离后与液晶显示模块(9)的输入端相连；

输出执行单元(E)由功率光电耦合器模块(18)和无功补偿开出回路模块(19)组成，无功补偿开出回路模块(19)通过功率光电耦合器模块(18)隔离后与核心控制单元(B)内CPLD逻辑与组合系统模块(7)的输出端相连。

3.根据权利要求2所述的可抑制谐振的配电台区无功补偿控制装置，其特征在于配电台区系统电参量及开关量检测与调理单元(A)中的三相电压检测模块(1)采用三只并列的电压互感器、三相电流检测模块(2)采用三只并列的电流互感器；开关合分状态检测模块(3)的输入直接来自无功补偿回路电容投切开关的辅助触点，输出执行单元(E)中的无功补偿开出回路模块(19)采用12只并列的控制继电器。