CN106229977B - 基于wifi通讯的线路电能质量优化装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置、系统和方法，其中该系统包括控制器、WIFI通讯单元、智能终端、显示单元、SVG功率单元和电容器补偿单元，WIFI通讯单元和控制器实行无线通讯，控制器通过检测线路电压或电流控制SVG功率单元和电容器补偿单元对电能质量进行优化。本发明解决了低压线路三相不平衡、无功补偿精度不高、系统内谐波和稳定系统电压的问题；同时在安装现场能够满足装置数据交互及状态控制，使装置在线路杆下控制及调试更方便，更节约。

Description

基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置、方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统中低压线路电能质量优化领域，具体涉及一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置、方法及系统。

背景技术

随着国民经济的发展,对电能质量的要求也日益提高，但在配电线路的实际运行中，存在着较多的分支和繁杂的接线，其负荷是不规则分布的，并且存在着三相不平衡负荷，季节性与昼夜性变动大，非线性负载的存在，导致电网内存在大量谐波。各种存在的问题导致功率因数低、线路损耗及变压器损耗增加、存在电压闪变和波动，甚至有些用电设备不能正常运行。因此提高电网功率因数，滤除谐波，稳定电压，补偿三相不平衡，提高电能的传输效率，在电力系统中显得尤为重要。目前，现有的线路无功补偿中，分组投切电容器组，只能粗略地提供无功功率，对提高功率因数有一定局限性，补偿精度不高，不能精确平衡三相不平衡负荷，而且滤除特征次谐波时受系统阻抗影响比较大。此外，线路无功补偿装置安装在线路杆上，攀爬不方便，带电操作很容易出现伤亡事故，让每台无功补偿装置能在线路杆下进线控制及调试的方式势在必行，现有的设备往往采用手持式终端与装置的控制器进行通讯，每台装置必须配备一个手持终端，并且手持终端通用性不强，这样就会导致成本增加，造成浪费，而且不方便携带。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置、方法及系统，解决了低压线路三相不平衡、无功补偿精度不高、系统内谐波污染和稳定系统电压的问题；同时在安装现场能够满足装置数据交互及状态控制，使装置在线路杆下控制及调试更方便，更节约。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置，包括：

控制器，包括电流检测电路、电压检测电路和指令电流运算电路，电流检测电路和电压检测电路均与补偿线路连接，电流检测电路检测该线路的谐波电流、无功电流和不平衡电流中的至少一种，电压检测电路检测该线路的电压，所述指令电流运算电路与电流检测电路和电压检测电路相连，用于根据电流检测电路和电压检测电路检测到的谐波电流、无功电流、不平衡电流和电压计算得到补偿电流并输出指令信号；

SVG功率单元，包括电流跟踪控制电路、驱动电路和PWM变流器，电流跟踪控制电路一端与所述指令电流运算电路相连，另一端与驱动电路相连。电流跟踪控制电路根据电流运算电路的指令信号和实际补偿电流的相互关系，向驱动电路输出不同的PWM信号，驱动电路根据不同的PWM信号控制PWM变流器向线路负载端输出谐波补偿电流、无功细调补偿电流、平衡调节电流和电压调节电流；以及

WIFI通讯单元，与所述控制器相连。

所述控制器可以工作在无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先、只补无功、只补不平衡、只滤谐波或只补电压模式，其中无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先这四种模式中任一种工作模式均可兼容另外三种模式。

所述线路电能质量优化装置设置电容器补偿单元，包括电容器和电容器投切用开关，电容器投切用开关分别与指令电流运算电路、电容器和线路负载端连接，所述电容器投切用开关根据电流运算电路的指令信号控制电容器补偿单元向补偿线路输出大容量补偿电流，用于无功补偿的粗调和线路三相低电压的补偿。

在所述SVG功率单元和线路之间设置保护器件。

在所述电容器补偿单元和线路之间设置保护器件。

一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统，还包括智能终端，所述WIFI通讯单元与智能终端进行无线通讯，智能终端接收来自控制器的信号，并发送信号给控制器。

一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)智能终端通过WIFI通讯与控制器连接；

(2)控制器通过检测电压或电流，判断线路需要何种优化方式；

(3)智能终端向控制器发送命令，控制器根据所发送的命令向SVG功率单元和电容器补偿单元做出指令；

(4)SVG功率单元和电容器补偿单元根据指令可以对线路做出三相不平衡优化、稳定电压、补偿无功或滤除谐波的优化方式。

所述三相不平衡优化的具体方法是：控制器通过检测三相电压、电流，从中分离出基波负序电流，同时计算达到平衡状态时所需要的补偿电流，然后下发指令给SVG功率单元产生电流，使电流从大的相转移到小的相，实现流入电网的三相电流平衡。

所述稳定电压的具体方法是：控制器检测系统电压，当低压线路负荷侧某相电压正常，其他两相偏高或偏低时，控制SVG功率单元对电压偏低的相补偿容性电流来降低线路阻抗引起的压降，对电压偏高的相补偿感性电流来增大线路阻抗引起的压降；当低压线路负荷侧电压三相普遍偏低时，控制电容器补偿单元和SVG功率单元同时提供容性电流降低线路阻抗引起的压降。

所述无功补偿的具体方法是：控制器通过检测三相电压、电流，从中分离出基波正序无功电流，然后对其进行反变换，即可得到无功补偿电流。指令下发给电容器补偿单元，实现大容量容性无功功率的粗调，同时也下发命令给SVG功率单元控制PWM变流器产生所需的容性无功功率，实现小容量容性无功功率的细调。

所述滤除谐波的具体方法是：控制器通过检测三相电压、电流，从中分离出基波正序有功电流、基波正序无功电流，然后和输入的三相电流相减，得到除基波正序分量外的、谐波和基波负序、零序电流的总和，即为要抑制的电流量。通过电流跟踪控制电路和驱动电路，向PWM变流器送出驱动脉冲，生成反向等值补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消。

本发明的有益效果：

(1)基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置有效解决了低压线路三相不平衡负荷问题，保证流入电网的三相电流平衡；

(2)可以精确地对线路进行无功功率补偿(感性或容性)，并且输出的无功功率连续可调，提高功率因数；

(3)稳定受电端电压，加强系统电压稳定性，抑制电压波动和闪变，改善用电环境。

(4)有效滤除负载3、5、7、11等特征次谐波；

(5)基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置可以实现智能终端访问并控制装置的功能，利用WIFI热点可以连接手机、笔记本，用户只需要用手机或者笔记本就可以在线路杆下，现场调试及随时查看设备运行情况，较其他无线终端的通讯方式节约了成本、提高了工作效率、更加保证了人身安全。使用WIFI通讯方式智能化水平高，使用灵活，功能齐全，质量可靠，适时性、可靠性、容量可扩性和可维护性好，易标准化和规范化管理。

附图说明

图1为本发明电气原理图

图2为本发明SVG功率单元原理图

图3为本发明控制器示意图

图4为本发明三相不平衡负荷补偿原理图

图5为本发明电压支撑原理图1

图6为本发明电压支撑原理图2

图7为本发明无功补偿原理图

图8为本发明有源滤波原理图

图9为本发明WIFI通信方框图

其中，1-控制器，2-WIFI通讯单元，3-显示单元，4-保护器，5-SVG功率单元，6-保护器，7-电容器投切用开关，8-电抗器，9-电容器

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1给出了本发明的电气原理图，包括控制器1、WIFI通讯单元2、智能终端、显示单元3、SVG支路和电容器支路。SVG支路包括保护器4和SVG功率单元5，SVG功率单元(如图2所示)，包括PWM变流器、驱动电路和电流跟踪控制电路。电容器支路包括保护器6、电容器投切用开关7(包括TSC投切开关、电容器投切用接触器、复合开关等)、电容器9、电抗器8(可选配)。

控制器(如图3所示)通过检测电压、电流，根据所选不同工作模式，做出不同响应。电压检测的三个输入端分别接入被补偿的低压线路的A、B、C三相，其检测结果送入控制器电压采样输入端。电流检测的输入端接在分别串联在被补偿低压线路的A、B、C三相的电流互感器二次侧，送入控制器电流采样输入端。控制器具有有无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先、只补无功、只补不平衡、只滤谐波、只补电压8种工作模式，在无功优先、谐波优先、电压优先四种模式下，任一种补偿模式均可兼容另外三种方式。当控制器处于无功优先工作模式时，计算所需的无功功率，指令下发给电容器补偿单元，实现大容量容性无功功率的粗调，同时也下发命令给SVG功率单元控制逆变器产生所需的容性无功功率，实现小容量容性无功功率的细调。当控制器处于不平衡优先工作模式时，通过电流传感器检测系统电流，分析判断系统是否处于不平衡状态，同时计算达到平衡状态时所需要的补偿电流，控制SVG功率单元产生电流，使电流从大的相转移到小的相，最终保证流入电网的三相电流平衡。当控制器处于谐波优先工作模式时，控制SVG功率单元生成与谐波电流等值反相补偿电流并注入电网，达到滤除特征次谐波的目的。当控制器处于电压优先工作模式时，通过补偿容性或感性电流的方法来降低或增大线路阻抗来引起的压降，达到提升或降低负荷侧电压的目的。

控制器与WIFI通讯单元进行通讯，WIFI通讯单元再与智能终端(手机或笔记本等)进行无线通讯，从而实现了智能终端于控制器之间的交互，使电能质量优化装置和智能终端构成一体化系统。智能终端可以方便使用者利用WIFI无线通讯单元，对装置进行运行方式、目标功率因数、目标不平衡度等参数进行设置，保证装置的可靠运行；可以对装置故障报警及工作状态变化等历史数据进行记录，方便使用者对装置运行状态分析；还可以利用WIFI无线通讯单元，在现场对装置进行投入及切除的状态控制，方便在安装过程中对装置进行调试。

显示单元为液晶屏，具有通讯功能，实现与控制器的信息交互。能够实时显示电源电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、负载电流、补偿电流及波形等；显示电容器运行状态、SVG功率单元总体状态，当出现异常运行情况时，提示信息并闪动；具有手动、自动运行方式；具有谐波分析功能；能够对目标功率因数、补偿模式、目标不平衡度进行设置。

基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置可以解决低压线路三相不平衡负荷问题，三相不平衡负荷补偿原理(如图4所示)：控制器通过电流传感器实时检测系统电流，分析判断系统是否处于不平衡状态，同时计算达到平衡状态时所需要的补偿电流，并控制SVG功率单元产生电流，使电流从大的相转移到小的相，最终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供电电能质量。假设A相电流为25A，B相为20A，C相为15A，控制器控制SVG功率单元，使电流从A相移到C相，从而使三相电流趋于平衡，解决负载不平衡问题。

基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置可以维持低压线路受电端电压。当低压线路负荷侧某相电压正常，其他两相偏高或偏低时，对偏低的相采用补偿容性电流的方法来降低线路阻抗引起的压降，达到提升负荷侧电压的目的；对偏高的相采用补偿感性电流的方法来增大线路阻抗引起的压降，达到降低负荷侧电压的目的(如图5所示)。当低压线路负荷侧电压三相普遍偏低时，采用电容器补偿单元和SVG功率单元同时提供容性电流的方法来降低线路阻抗引起的压降，达到提升负荷侧电压的目的(如图6所示)。

基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置可以补偿无功功率。控制器通过检测电压、电流，根据实际功率因数及目标功率因数，判断分析低压线路是否需要无功补偿，是需要容性无功还是需要感性无功。当线路需要容性无功功率时(如图7所示)，控制器通过控制投切电容器及SVG功率单元的容性电流输出量，实现感性负载的补偿，电容器实现容性无功容量的粗调，SVG功率单元实现细调；当线路需要感性无功功率时，控制器通过控制SVG的感性电流的输出量来实现对容性负载的补偿。

基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置可以滤除谐波，控制器实时监视负载电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入内部的高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将基波无功电流和谐波电流提取，得到指令电流，SVG功率单元可以开启部分滤波容量，实现有源滤波功能。SVG功率单元通过电流跟踪控制电路和驱动电路，以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动PWM变流器，生成反向等值补偿电流注入电网，从而实现对负载无功电流和谐波电流的动态、快速、彻底治理(如图8所示)。

基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置的WIFI通讯功能，电能质量优化装置通过安装加WIFI通讯单元与控制器进行通讯，实现控制器与智能终端(手机或笔记本等)的数据交互，使电能质量优化装置和智能终端构成一体化系统(如图9所示)。智能终端可以方便使用者利用WIFI无线通讯单元，对装置进行、运行方式、目标功率因数、目标不平衡度等参数进行设置，保证装置的可靠运行；可以对装置故障报警及工作状态变化等历史数据进行记录，方便使用者对装置运行状态分析；还可以利用WIFI无线通讯单元，在现场对装置进行投入及切除的状态控制，方便在安装过程中对装置进行调试。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置，其特征在于包括：

控制器，包括电流检测电路、电压检测电路和指令电流运算电路，电流检测电路和电压检测电路均与补偿线路连接，电流检测电路检测该线路的谐波电流、无功电流和不平衡电流中的至少一种，电压检测电路检测该线路的电压，所述指令电流运算电路与电流检测电路和电压检测电路相连，用于根据电流检测电路和电压检测电路检测到的谐波电流、无功电流、不平衡电流和电压计算得到补偿电流并输出指令信号；

SVG功率单元，包括电流跟踪控制电路、驱动电路和PWM变流器，电流跟踪控制电路一端与所述指令电流运算电路相连，另一端与驱动电路相连，电流跟踪控制电路根据电流运算电路的指令信号和实际补偿电流的相互关系，向驱动电路输出不同的PWM信号，驱动电路根据不同的PWM信号控制PWM变流器向线路负载端输出谐波补偿电流、无功细调补偿电流、平衡调节电流和电压调节电流；以及

WIFI通讯单元，与所述控制器相连；

控制器具有无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先、只补无功、只补不平衡、只滤谐波、只补电压8种工作模式，在无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先四种模式下，任一种补偿模式均可兼容另外三种模式；

当控制器处于无功优先工作模式时，计算所需的无功功率，指令下发给电容器补偿单元，实现大容量容性无功功率的粗调，同时也下发命令给SVG功率单元控制逆变器产生所需的容性无功功率，实现小容量容性无功功率的细调，从而使装置以最少的损耗及最低成本达到最优输出，实现无功优化及成本降低；当控制器处于不平衡优先工作模式时，通过电流传感器检测系统电流，分析判断系统是否处于不平衡状态，同时计算达到平衡状态时所需要的补偿电流，控制SVG功率单元产生电流，使电流从大的相转移到小的相，最终保证流入电网的三相电流平衡；当控制器处于谐波优先工作模式时，控制SVG功率单元生成与谐波电流等值反相补偿电流并注入电网，达到滤除特征次谐波的目的；当控制器处于电压优先工作模式时，通过补偿容性或感性电流的方法来降低或增大线路阻抗来引起的压降，达到提升或降低负荷侧电压的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置，其特征在于：所述线路电能质量优化装置设置电容器补偿单元，包括电容器和电容器投切用开关，电容器投切用开关分别与指令电流运算电路、电容器和线路负载端连接，所述电容器投切用开关根据电流运算电路的指令信号控制电容器补偿单元向补偿线路输出大容量补偿电流，用于无功补偿的粗调和线路三相低电压的补偿。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置，其特征在于：在所述SVG功率单元和线路之间设置保护器件。

4.根据权利要求2所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置，其特征在于：在所述电容器补偿单元和线路之间设置保护器件。

5.一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统，其特征在于，包括权利要求1所述的基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置，还包括智能终端，所述基于WIFI通讯的线路电能质量优化装置的WIFI通讯单元与智能终端进行无线通讯，智能终端接收来自控制器的信号，并发送信号给控制器。

6.一种基于权利要求5所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)智能终端通过WIFI通讯与控制器连接；

2)控制器通过检测电压或电流，判断线路需要何种优化方式；

3)智能终端向控制器发送命令，控制器根据所发送的命令向SVG功率单元和电容器补偿单元做出指令；

4)SVG功率单元和电容器补偿单元根据指令可以对线路做出三相不平衡优化、稳定电压、补偿无功或滤除谐波的优化方式。

7.根据权利要求6所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统的优化方法，其特征在于：所述三相不平衡优化的具体方法是：控制器通过检测系统电流，分析判断系统是否处于不平衡状态，同时计算达到平衡状态时所需要的补偿电流，然后下发指令给SVG功率单元产生电流，使电流从大的相转移到小的相，实现流入电网的三相电流平衡。

8.根据权利要求6所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统的优化方法，其特征在于：所述稳定电压的具体方法是：控制器检测系统电压，当低压线路负荷侧某相电压正常，其他两相偏高或偏低时，控制SVG功率单元对电压偏低的相补偿容性电流来降低线路阻抗引起的压降，对电压偏高的相补偿感性电流来增大线路阻抗引起的压降；当低压线路负荷侧电压三相普遍偏低时，控制电容器补偿单元和SVG功率单元同时提供容性电流降低线路阻抗引起的压降。

9.根据权利要求6所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统的优化方法，其特征在于：所述无功补偿的具体方法是：控制器计算所需的无功功率，指令下发给电容器补偿单元，实现大容量容性无功功率的粗调，同时也下发命令给SVG功率单元控制PWM变流器产生所需的容性无功功率，实现小容量容性无功功率的细调。

10.根据权利要求6所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统的优化方法，其特征在于：所述滤除谐波的具体方法是：控制器检测负载中的谐波电流，得到指令电流，通过电流跟踪控制电路和驱动电路，向PWM变流器送出驱动脉冲，生成反向等值补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消。

11.根据权利要求6所述的一种基于WIFI通讯的线路电能质量优化系统的优化方法，其特征在于：所述控制器工作在无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先、只补无功、只补不平衡、只滤谐波或只补电压模式，其中无功优先、不平衡优先、谐波优先、电压优先这四种模式中任一种工作模式均可兼容另外三种模式。