CN106058892A - 微电网无功补偿柜 - Google Patents

Abstract

一种微电网无功补偿柜包括总控制器、以太网通信总线、功率总线、总控制器以及若干电容补偿支路，总控制器包括中央处理单元、显示器、通信接口以及通信转换接口，显示器、通信接口以及通信转换接口分别与中央处理单元连接；以太网通信总线与通信接口连接；若干电容补偿支路并联在功率总线上，电容补偿支路包括智能开关、双向晶闸管、电感以及电容，智能开关与双向晶闸管并联后与电感以及若干电容串联；智能开关还分别与功率总线以及以太网通信总线连接。上述微电网无功补偿柜，通过总控制器与电容补偿支路的连接，实现由总控制器统一实时调度各电容补偿支路，实现各个电容补偿支路的动态投切，从而有效地补偿了微电网中各节点的无功功率。

Description

微电网无功补偿柜

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，特别是涉及一种微电网无功补偿柜。

背景技术

目前电力系统无功补偿柜装置经历了同步调相机、开关投切固定电容、静止无功补偿器到静止无功发生器等不同阶段。考虑到技术实用性与经济成本，微电网中仍沿用电力系统的方法。但微电网容量小，系统稳定性低，负荷波动大且负荷无功占比大，这对微电网内的无功补偿柜设计提出了较高要求。

然而，由于微电网系统容量小，而无功负荷占比相对较大，为了提高电压质量，无功补偿是重要环节。传统的无功补偿的方法是将开关投切固定电容柜上，以固定电容器组的方式进行集中投切，以实现对微电网的无功补偿的目的。但是该方式的无功补偿的效果差，不能有效地消除微电网中的无功负荷。

发明内容

基于此，有必要针对如何有效补偿无功功率的技术问题，提供一种微电网无功补偿柜。

一种微电网无功补偿柜包括：总控制器，所述总控制器包括中央处理单元、显示器、通信接口以及通信转换接口，所述显示器、所述通信接口以及所述通信转换接口分别与所述中央处理单元连接，所述中央处理单元还用于与微电网连接；以太网通信总线，所述以太网通信总线与所述通信接口连接；功率总线，所述功率总线用于与微电网连接；电容补偿支路，若干所述电容补偿支路并联在所述功率总线上，所述电容补偿支路包括智能开关、双向晶闸管、电感以及电容，所述智能开关与所述双向晶闸管并联后与所述电感以及若干所述电容串联；所述智能开关还分别与所述功率总线以及所述以太网通信总线连接。

在其中一个实施例中，所述中央处理单元为数字信号处理器。

在其中一个实施例中，所述中央处理单元为单片机。

在其中一个实施例中，所述通信接口为数据转换器。

在其中一个实施例中，还包括配电网管理系统，所述通信转换接口与所述配电网管理系统连接。

在其中一个实施例中，所述配电网管理系统包括相互通讯连接的配电网管理控制器以及数据库，所述通信转换接口与所述配电网管理控制器连接。

在其中一个实施例中，所述显示器具有触控屏。

上述微电网无功补偿柜，由总控制器与电容补偿支路两部分构成，实现由总控制器统一实时调度各电容补偿支路，实现各个电容补偿支路的动态投切，从而有效地补偿了微电网中各节点的无功功率。

此外，上述微电网无功补偿柜可在传统的开关投切固定电容柜基础上增加通信模块与开关模块进行升级，即增加通信接口以及通信转换接口的通信模块，增加智能开关以及双向晶闸管的开关模块进行升级，从而减少翻新成本，大大提高了实用性。

附图说明

图1为一个实施例中微电网无功补偿柜的结构示意图；

图2为一个实施例中微电网无功补偿柜在微电网中应用的示意图；

图3为一个实施例中无功补偿柜的各电容补偿支路的电容投切与否计算的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1，其为一个实施例中微电网无功补偿柜10的结构示意图，一种微电网无功补偿柜10包括总控制器110、电容补偿支路120、以太网通信总线130以及功率总线140。

总控制器110包括中央处理单元111、显示器112、通信接口113以及通信转换接口。显示器112、通信接口113以及通信转换接口114分别与中央处理单元111连接，中央处理单元111还用于与微电网连接。

以太网通信总线130与通信接口113连接。

功率总线140用于与微电网连接。

电容补偿支路120并联在功率总线140上。

电容补偿支路120包括智能开关121、双向晶闸管122、电感123以及电容124，智能开关121与双向晶闸管122并联后与电感123以及电容124串联。本实施例中，电容124的一端接地。

如图1所示，本实施例中，包括电容补偿支路1、电容补偿支路2至电容补偿支路n。其中，电容补偿支路1包括智能开关K1、双向晶闸管ZK1、电感L1以及电容C1。电容补偿支路2包括智能开关K2、双向晶闸管ZK2、电感L2以及电容C2。电容补偿支路n包括智能开关Kn、双向晶闸管ZKn、电感Ln以及电容Cn。

智能开关还分别与功率总线140以及以太网通信总线130连接。本实施例中，智能开关K1、智能开关K2至智能开关Kn分别与功率总线140以及以太网通信总线130连接。

上述微电网无功补偿柜，通过总控制器110与电容补偿支路120的连接，实现由总控制器110统一实时调度各电容补偿支路120，实现各个电容补偿支路120的动态投切，从而有效地补偿了微电网中各节点的无功功率。

此外，上述微电网无功补偿柜可在传统的开关投切固定电容柜基础上增加通信模块与开关模块进行升级，即增加通信接口113以及通信转换接口114的通信模块，增加智能开关以及双向晶闸管的开关模块进行升级，从而减少翻新成本，大大提高了实用性。

一实施例中，中央处理单元111为数字信号处理器。

一实施例中，中央处理单元111为单片机。

一实施例中，通信接口113为数据转换器。

一实施例中，微电网无功补偿柜还包括配电网管理系统，通信转换接口114与配电网管理系统连接。进一步的，配电网管理系统包括相互通讯连接的配电网管理控制器以及数据库，通信转换接口114与配电网管理控制器连接。

本实施例中，显示器112具有触控屏。

为便于理解本实施例的微电网无功补偿柜，请参阅图2，其为一个实施例中微电网无功补偿柜在微电网中应用的示意图，下面进行进一步的说明。

如图2所示，本实施例中的无功补偿柜包括一个无功补偿总控制器与若干电容补偿支路两部分构成。总控制器与微电网中央控制器(MGCC)安装于一处，电容补偿支路分布安装在各个微电网补偿节点用于补偿节点处的无功功率。电容补偿支路通过智能开关接入微电网补偿节点，通过以太网接入系统通信网络。总控制器通过通信网络接收负荷功率信息与节点电压信息，通过智能算法计算各个节点补偿功率，再通过通信网络下发至电容补偿支路的智能网关，执行电容的投入或切除动作。

结合图1和图2，总控制器包括显示器即人机界面、中央处理单元，网络通信接口与通信转换接口几个部分组成。

显示器即人机界面为操作和维护人员提供实时数据显示、实时接入情况及故障情况信息，并提供接口可以设置补偿功率与补偿后功率因数限值。实时数据显示当前各节点连接的负荷功率、节点电压、节点功率因数、补偿无功功率等数据；实时接入情况显示各支路补偿电容是否接入补偿节点；故障记录显示当前各支路是否存在故障以及故障类型及是否恢复。因补偿算法需要，应设置可补偿的最大无功功率值与补偿后功率因数上下限值。

为了防止误操作，人机操作界面上可以选择远程屏蔽/允许功能，屏蔽/允许无功补偿总控制器的控制，防止发生误操作。当选择远程屏蔽时，仅能通过手动控制各支路智能开关进行支路电容器的投切。当选择远程允许时，允许无功补偿总控制器的控制，可以通过人机界面远程控制支路电容器的投切动作。

中央处理单元(MCU)通过通信网络采集微电网母线电压、母线电流、各个节点电压、支路电流、功率因数、负荷功率、节点功率等信息，通过粒子群算法，计算各节点应补偿的无功功率，得到每个支路补偿电容是否接入的开关信号，并通过通信网络下发至各个电容补偿支路。

网络通信接口是一个数据转换器，实现数据通信格式的统一转换，将中央处理单元的串行通信标准转换为基于TCP的Modbus协议，送入以太网中；或将从以太网中收集的数据转换为串行通信标准数据送入MCU进行分析处理。MCU单元常采用DSP或单片机作为主控芯片，基本不支持以太网络，为了利用高速稳定的以太网实现数据传输，必须配备通信接口进行数据转换。

通信转换接口将实时数据与故障记录进行通信格式转换，从而上传至外部网络，包括配电网管理中心以及外部数据库，由配电网管理中心进行数据监控，外部数据库进行数据存储与备份。配电网数据协议通常为IEC61850，外部数据库根据种类不同，可以有不同的通信要求。

电容补偿支路为三相结构，以补偿支路1为例，每相由智能开关K1并联双向晶闸管ZK1后串联电感L1以及电容C1接入微电网。为了使补偿更加灵活，一个支路可以接入数个不同电容值的补偿支路，使得接入电容组可以组合更多接入数值，增加了无功功率补偿范围。

请参阅图3，其为一个实施例中无功补偿柜的各电容补偿支路的电容投切与否计算的步骤流程图。

每个周期的工作流程如下所述：

步骤一：采集实时数据。

具体的：所述实时数据包括各节点连接的负荷功率、节点电压、节点功率因数、相邻节点间的相角差。

步骤二：计算补偿无功功率。

具体的：根据人机界面设置的最大补偿无功功率与补偿后无功功率上下限值，来计算各支路节点的无功补偿功率值。无功功率计算应满足以下关系式(1)～(4)。

(1)潮流方程约束：

P_is和Q_is分别是节点i注入的有功和无功功率。U_i为节点i的电压幅值，δ为节点电压相角差，j∈i表示所有与节点i之间相连的节点。

$\begin{array}{c}{P}_{is}-U_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\δ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\δ}}_{ij})=0\\ Q_{is}-U_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\δ}}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\δ}}_{ij})=0\end{array}---\left(1\right)$

(2)节点电压约束：

U_{i min}≤U_i≤U_{i max} (2)

(3)支路传输功率约束：

S_j≤S_{j max}

Q_j≤Q_{j max} (3)

(4)补偿无功功率限值：

其中Q_c为节点补偿无功功率，为补偿前功率因数，为补偿后最小功率因数，为补偿后最大功率因数。

上述四式中，节点电压上下限值应符合电力系统标准，支路传输最大视在功率值由线路容许的最大传输容量与变压器容量决定，支路传输最大无功功率由总控制器设置。补偿前后的最大功率因数与最小功率因数由总控制器设置。如此，根据上述约束条件，总控制器通过智能算法求得各支路补偿无功功率的最优解。

步骤三：投切开关状态判断。

具体的：各个补偿节点由数组补偿电容支路接入，其能补偿的无功功率值并不是连续值，而是一个无功补偿功率的集合，求得各支路的无功功率补偿值后应根据各节点可补偿的无功功率值，计算投入哪些电容支路，使其实际投入的电容支路能补偿的无功功率数值最接近总控制器计算出的数值。

投切状态判断按下述公式(5)～(7)进行。

(5)补偿支路对应电抗计算：

其中ΔU_i为补偿前后节点电压差，X为补偿值对应的支路总电抗。

$X=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_i\×U_i}{Q_c}---\left(5\right)$

(6)每支路电抗值计算：

$X_i=j({\mathrm{\ωL}}_i-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_i})---\left(6\right)$

(7)各支路接入状态判断：

s_i代表电容支路接入状态。s_i＝0表示该支路不接入，s_i＝1表示该支路接入。由于每个节点各支路之间是并联关系，各支路实际电抗值应满足并联计算公式。当补偿值对应支路总电抗值与各支路实际接入电抗值之间偏差最小时，实际补偿无功功率接近计算值。采用式(7)计算平方和最小时对应的开关状态，作为控制依据。

$\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{1}{X}-\frac{1}{X_i{s}_i})}^2---\left(7\right)$

步骤四：下发开关状态指令。

具体的，通过以太网发送开关状态指令至各个智能开关，以使得各个智能开关根据下发的开关状态指令执行对应的投切操作。

步骤五：故障判断。

具体的：补偿电容投入后应判断是否正常运行，如果产生故障，将故障信息上传至人机交互界面交予维护人员维护。

本实施例的优点在于：

1、采用集中优化算法合理分布投切电容，能在有效补偿无功功率的同时，保证各个节点电压合理分布。

2、本实施例可在传统的开关投切固定电容柜基础上增加通信模块与开关模块进行升级，从而减少翻新成本，大大提高了实用性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种微电网无功补偿柜，其特征在于，包括：

总控制器，所述总控制器包括中央处理单元、显示器、通信接口以及通信转换接口，所述显示器、所述通信接口以及所述通信转换接口分别与所述中央处理单元连接，所述中央处理单元还用于与微电网连接；

以太网通信总线，所述以太网通信总线与所述通信接口连接；

功率总线，所述功率总线用于与微电网连接；

电容补偿支路，若干所述电容补偿支路并联在所述功率总线上，

所述电容补偿支路包括智能开关、双向晶闸管、电感以及电容，所述智能开关与所述双向晶闸管并联后与所述电感以及若干所述电容串联，且所述电容的另一端接地；

所述智能开关还分别与所述功率总线以及所述以太网通信总线连接。

2.根据权利要求1所述的微电网无功补偿柜，其特征在于，所述中央处理单元为数字信号处理器。

3.根据权利要求1所述的微电网无功补偿柜，其特征在于，所述中央处理单元为单片机。

4.根据权利要求2或者3任一所述的微电网无功补偿柜，其特征在于，所述通信接口为数据转换器。

5.根据权利要求4所述的微电网无功补偿柜，其特征在于，还包括配电网管理系统，所述通信转换接口与所述配电网管理系统连接。

6.根据权利要求5所述的微电网无功补偿柜，其特征在于，所述配电网管理系统包括相互通讯连接的配电网管理控制器以及数据库，所述通信转换接口与所述配电网管理控制器连接。

7.根据权利要求1所述的微电网无功补偿柜，其特征在于，所述显示器具有触控屏。