CN107230987A

CN107230987A - 一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统

Info

Publication number: CN107230987A
Application number: CN201710625354.9A
Authority: CN
Inventors: 林志超; 罗步升; 成佳富; 韦园清; 易小瞿; 张瑞嘉
Original assignee: Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2017-10-03

Abstract

本发明涉及电气工程的技术领域，更具体地，涉及一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统。采用远程后台系统计算区域电网无功最优分布，下发相应指令给就地混合无功补偿装置；就地装置接收指令后，根据内部就地控制策略实施无功补偿。远程协同控制系统根据各个装置上送的量测进行计算，得到区域配电网的无功需求，并下发至混合无功补偿装置上，由该装置根据其嵌入的就地混合无功补偿控制策略实施具体的无功补偿。本发明优化了配电网中的无功优化分布，提出了一种区域内配电网无功最优分配方式，实现对配电网地区内的多台该装置进行区域协同自动控制，满足电压、无功调节需求，提升配电网区域运行经济性。

Description

一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统

技术领域

本发明涉及电气工程的技术领域，更具体地，涉及一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统。

背景技术

一方面电力电子技术的发展，给社会生活带来了很大的便利，但是与此同时，由于电力电子等设备部分具有非线性、冲击性的特点，对电网的电能质量造成了较大的影响，例如会导致电网的电压偏离正常范围，引起电压波动、闪变等问题，同时由于部分用户为单相用户，还会造成三相不平衡等问题，这些问题会对电网的稳定、可靠、经济运行带来威胁；另一方面，由于用户的用电设备越来越精密，对电能质量也提出了更高的要求，比如某些重要的工业生产线上，电压如长期运行在低值或者高值，会对用电设备造成很大的损耗，影响用电设备的使用寿命。总的来说，当下电能质量问题对于电网具有非常重要的意义，研究电能质量控制技术及相应电能质量调节装置具有重大的现实意义。

现阶段，根据相关机构的统计，配电网无功治理、低电压问题是一个迫切需要关注、解决的问题，传统的配电网无功治理方面，以电容器补偿为主，少量配置动态无功补偿方式。这种传统的方式有较为明显的缺陷，电容器在户外情况下故障率较高、寿命较短，动态无功补偿方式如SVG装置造价较高。

由于配电网无功补偿往往是根据装置安装点无功最优，较少从区域最优的角度进行分析，由于无功补偿装置存在容量的限制，有些地区无功需求很大，变化较多，如果仅从满足最大无功需求去配置，会降低整体无功补偿的经济性，因此，可以考虑在小范围内进行无功传送控制策略，实现从装置安装点无功补偿最优方式，到区域无功最优补偿的转变。

综上，很有必要研制出一种装置，具备电容器与SVG的优点的装置，建立区域内无功协同控制系统，对小范围内的无功补偿装置进行控制，提出整体无功补偿装置的区域协同控制策略，实现配电网区域无功最优运行状态，实现区域电网运行最优状态。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，系统除满足安装点电压无功调节特性之外，实现对配电网地区内的多台该装置进行区域协同自动控制，满足电压、无功调节需求，自动智能提高电能质量，提升配电网区域运行经济性，同时减少电容器的投切次数，提升电容器的使用寿命。

本发明的技术方案是：一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，其中，包括以下步骤：

（1）在远程控制系统中增设各个就地混合无功补偿装置的量测量；其中，所述量测量包括：各个混合无功补偿装置的 SVG 投入状态信息、 FC 投入状态信息，各个 SVG 模块以及电容器模块的闭锁状态、当前无功出力值、当前无功可调节裕度、系统侧电压、电流等；

（2）在所述的配电网无功补偿区域协同控制系统中建立含各个就地混合无功补偿装置与网架信息的参数模型；其中，所述参数模型包括各个混合无功补偿装置 SVG 和 FC 的投入状态、闭锁状态及其对应的无功分配方式；

（3）配电网无功补偿区域协同控制系统根据各个混合无功补偿装置的无功投入状态进行全网无功优化分布计算，得到各个装置的无功需求量；

（4）远程控制系统获取各个混合无功补偿装置的无功实时补偿值，根据无功分配方式分配无功调节量并下发至各个混合无功补偿装置；

（5）远程控制系统根据就地混合无功补偿装置的 SVG 和 FC 的运行状态，进行对应的最优无功分布计算。

进一步的，所述的根据各个混合无功补偿装置的无功投入状态进行全网无功优化分布计算，其计算模式如下：

（1）在混合无功补偿装置 SVG 模块或者 FC 模块为闭锁状态，自动将闭锁部分的装置无功补偿容量记为 0，由无功补偿参数模型继续进行无功优化计算，得到无功分布方案，并下发至对应装置；

（2）若装置检测到某装置点实际无功需求小于本地混合无功补偿装置可用容量，则将该无功需求直接下发至对应装置；

（3）若装置检测到某装置点实际无功需求大于或等于本地混合无功补偿装置可用容量，则对该装置下发无功容量全投的指令，同时进行最优无功分布计算，根据计算结果，对需要投入进行无功的混合无功补偿装置发送相应无功需求指令。

进一步的，所述的全网无功优化分布计算，是从多个方面进行考量最优效果，详述如下：

（1）尽量就地补偿原则；即：如果就地混合无功补偿装置容量足够，则直接从本装置中发出无功；

（2）如果就地混合无功补偿装置容量不足以满足本地无功需求，而相邻补偿点具备无功冗余，则可考虑从相邻装置输送无功功率以进行补偿，其中应当纳入无功补偿距离、电能损耗、电压降低等方面，这三者优先等级可以根据配电网实际情况进行排序，系统中内含相应选项。

进一步的，所述的混合无功补偿装置，包括如下：

（1）硬件结构上具备动态无功补偿与静态无功补偿相结合的方式，其中 SVG 配置容量等于单组 FC 容量，以满足在总容量范围内的动态、连续调节；

（2）该装置在控制策略上，对于采集的电压、电流等信号得到安装点的需求，但并不上送至远程控制系统，只用于与远程控制系统所算出的无功需求对比，以验证计算的精确性，也只有当两者误差在规定范围内，才发出相应的无功补偿指令；

（3）就地混合无功补偿装置根据远程控制系统所下发的无功需求，自动根据自身就地控制策略，实施动态无功补偿与静态无功补偿容量分配。

所述的就地补偿装置与远程控制系统之间通信采用公网传输方式，由就地装置内部远程通信模块与远程控制系统之间互联实现通信。

与现有技术相比，有益效果是：从装置本身来说，吸纳了传统动态无功补偿与静态无功补偿的优点，研制出一种更具备运行经济性、可靠性的无功补偿装置，并提出对应的就地混合无功补偿控制策略，该装置对比传统补偿方式，一方面降低了造价，另一方面提升装置的运行可靠性，并实现远程智能运维，降低电网工作人员的工作量，提升工作效率；并基于该装置，从上层算法提出了一种配电网区域协同控制系统，优化了特定区域电网内电压、无功调节，提高电压的稳定性和可靠性，实现配电网中无功就地化连续补偿，减少电网内无功的传输，降低电网的损耗，实现区域电网的从“点”最优无功经济运行到“面”最优无功经济运行的进化。

附图说明

图1 为混合无功补偿装置示意图。

图2 为就地控制系统示意图。

图3 为配电网区域协同控制系统。

图4 为控制流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

一种混合无功补偿装置（示意图详见附图1）：

1）该装置从结构上可以分为无功补偿模块、就地控制模块、远程通信模块、信号采集模块以及保护及显示模块；

2）补偿模块主要由 SVG 功能模块与固定电容器模块组成，根据相应指令动作，实现无功补偿，SVG 与电容器并联之后并接于配电网线路上，其中 SVG 模块包括 SVG 装置、快速熔断器（FU）、断路器与电抗器，电容器模块包括晶闸管部分、断路器和快速熔断器；

3）控制模块主要由 DSP 控制器构成，内嵌入混合无功补偿控制策略，其中对采集模块中的电流、电压信号根据预先设置的控制策略进行整合分析，并将保护所需要的相关信息传送过去，将远程控制系统需要的信息传送至远程通信模块；

4）远程通信模块实现混合无功补偿装置与远程控制系统之间的互联，采用公网传输方式，具体功能为从控制模块中接收电压、电流及无功信号，并将其传送至远程区域协同控制系统，同时接收远程协同控制系统所下发的动作指令，并将其传送至控制模块；

5）信号采集模块主要采集电网电压、电流，装置交流侧电压、电流，直流侧电压，具体实现是通过并接或者串接于电网系统和装置的电压、电流互感器完成，并将网侧电压、电流信号、装置电流、电压信号以及直流侧电压信号传送给控制模块；

6）保护及显示模块功能上具备保护与装置量测显示的功能。其中保护功能具备隔离故障、保护装置和电网稳定运行的功能。一方面，防止电网故障对装置造成损害；另一方面，防止由于装置本身故障对电网造成损害。显示模块是将装置运行状态在显示屏上展示的模块，其中显示的内容包括补偿前功率因数、补偿后功率因数、补偿点电压值、电流值以及设备运行状态（正常运行、告警及故障）。

上述步骤 3）所描述的混合无功补偿控制策略，是对装置内部 SVG 模块与 FC 模块动作方式的规定，示意图见附图 2 ，具体如下：

7）将 SVG 与 FC 两个模块由控制模块根据以下控制策略进行控制；

8）根据远程后台控制系统分配的总无功补偿容量，混合无功补偿装置接收到该分配命令后，对 SVG 和 FC 发出相应指令，从而相应动作；

9）当系统分配的无功补偿容量小于单组电容器额定容量时，利用 SVG 进行无功补偿；

10）当系统分配的无功补偿容量大于单组电容器时，SVG 瞬时动作，待系统无功波动趋于稳定时，根据需要投入电容器进行补偿；

11）当系统无功处于快速变化状态，无论系统分配无功容量多少，都只由 SVG 进行动态无功补偿，待无功变化处于规定范围内，再根据无功需求投入相应电容器组；

一种用于配电网区域协同控制系统，该协同控制方法以配电网一定区域范围内安装的SVG+FC 混合无功补偿装置为终端，根据区域配电网的运行状态进行无功最优分配，进而实现最优基于区域的最优无功补偿方式，实际构架如附图3所示，具体描述如下：

12）在远程设立基于 SVG+FC 混合无功补偿装置的远程后台，在后台中应该具有配电网特定区域各个混合无功补偿装置的具体量测；其中，具体量测需包括：各个混合无功补偿装置的 SVG 投入状态信息、FC 投入状态信息，各个 SVG 模块以及电容器模块的闭锁状态、当前无功出力值、当前无功可调节裕度、系统侧电压、电流等；

13）在所述的远程后台系统中建立配电网混合无功补偿系统的参数模型；其中，所述参数模型应该包括各 SVG+FC 混合无功补偿装置的运行状态及其对应的无功分配方式；

14）远程后台系统根据配电网中 SVG+FC 混合无功补偿装置的投入状态，对区域配电网进行无功最优化分布计算，得到各个装置安装点区域的无功需求；

15）远程后台系统获取各装置的无功需求量及当前无功实时值、稳态调节下限与上限值，并依据步骤 3）中所述的最优无功分配方式分配无功调节量并下发命令至各个补偿装置；

16）若远程后台系统计算得到的安装点无功需求小于安装点混合无功补偿装置容量，则根据上述 7）-11）步骤进行无功补偿；

17）若该装置可用容量小于步骤 4）中所描述的最优无功分配方式分配无功调节量，则以该装置最大无功出力进行，并重新对该区域配电网进行最优分布计算，再重复步骤 4），对各装置下发无功补偿量指令；

本发明提出的一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，具体控制流程见附图4。

本次发明从硬件结构上可以分为多组就地 SVG+FC 混合无功补偿装置与一个远程协同控制系统后台，用于对所属配电网区域内的混合无功补偿装置进行协同控制；从控制流程上来讲，本次发明嵌套两层控制方式，上层控制方式为远程区域无功协同控制系统，下层控制方式为就地混合无功补偿控制系统，两层控制方式互为补充，最终实现基于 SVG+FC 的配电网区域协同控制策略。具体参考附图，对一种基于 SVG+FC 混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统的实施方式进行阐述：

本次发明的基础硬件装置为 SVG+FC 混合无功补偿装置，该装置从功能上来说，具备SVG 动态补偿与 FC 静态补偿的优点，同时也具备与远程控制系统通信、保护的功能；下面从硬件结构上及功能上进行具体描述：

1）信号采集模块通过电网 PT （电压互感器）、 CT （电流互感器）检测到实时电压、电流数据，并将其传送至 DSP 控制器，再有控制器传送至远程通信模块与保护及显示模块。此情况下，对于电网侧无功计算有两种模式，一种是就地无功计算模式，即通过 DSP 控制器对现场采集的电压、电流信号对无功情况进行计算，另一种是经过远程通信模块将其传送至远程协同控制系统进行计算（仅两者无功数值误差小于额定值时，认为此次无功计算有效，如无功计算无效，则装置告警，并将告警状态上送至远方后台，以便于运行人员查询）。

2） DSP 控制器物理上与信号采集模块、保护及显示模块互联，并对 FC 部分中的晶闸管模块与 SVG 的可控器件发出控制信号。DSP 控制器参与无功计算，但是该控制器计算值不作为无功补偿模块进行相应无功输出的依据。无功补偿模块应当根据远程协同控制系统所下发的无功调配量进行相应动作。另一方面，DSP 控制器需要根据保护与显示模块需要，将相关信号传送至该模块；

3）无功补偿模块包含 SVG 与 FC 两个部分（电容器容量分配方式为等额分配，SVG容量配置为单组电容器容量），其中 SVG 部分通过电感 L 与熔断器 FU₁~FU₃、断路器QF₁~QF₃与电容器部分通过 FU_3k+1~FU_3k+3与 QF_3k+1~QF_3k+3并联后并接于电网，示意图如附图 1所示，其中熔断器用于简单保护，当电流大于熔断器熔断电流时，相应部分自动断开与电网连接。断路器根据 DSP 控制器控制指令进行相应的动作，输出相应的无功；

4）保护与显示模块物理上与 DSP 控制器联系，接收控制器传送的相应数据，一部分用于保护逻辑，本发明装置中内涵常规过压、过流、欠压保护，因此该模块需要接收电压、电流信号。具体保护动作逻辑如下：

（1）当检测到系统无功处于正常运行范围内时（功率因数不小于 0.95 ），此时系统不需要额外无功补偿，自动断开 SVG+FC 混合无功补偿装置与系统连接的各个断路器（ QF₁~QF_3K+3），以减少设备运行功耗，提升设备使用效率；

（2）当检测到装置运行电压、电流大于过压、过流保护设定值或者小于保护设定的最小电压值时，自动断开 SVG+FC 混合无功补偿装置与系统连接的各个断路器（QF₁~QF_3K+3），实现装置的自保护，保护装置安全、稳定运行；

5）远程通信模块物理上与 DSP 控制器互联，主要将控制器传送过来的信号转换成公网传输所需要的信号，并将其传送至远程协同控制系统，并接收远程协同控制系统所下发的相关命令；

6）各个模块都具备相应的信号输入、输出接口。其中信号采集模块输入端为串、并联与电网系统的各电压、电流互感器，将其输出至控制模块当中；控制模块也具备信号输入、输出接口，其输入接口为接收信号采集模块的电压、电流信号与远程通信模块发送的相关控制命令，控制器将电压、电流信号转换成相应的无功量、保护动作信号、无功补偿模块动作信号等，输出至对应模块；保护及显示模块具有信号输入接口，输入端接收控制器输出的电流、电压及无功信号；远程通信模块具备信号输入、输出接口，输入为控制模块输出的相关电压、电流及无功的装置运行状态信号，将其转换成公网传输所需要的信号通过公网传送至远程协同控制系统；

本次发明的下层控制系统嵌入在 SVG+FC 混合无功补偿装置的 DSP 控制器中，该控制策略的无功需求来自于根据远程协同控制系统下发的无功分配需求，控制器自身所计算的无功需求只用于与远程系统计算的无功需求进行核对，以确定无功需求的正确性与精确性，具体控制模式结合附图4 进行描述：

7）接收远程协同控制系统发出的系统所需无功调剂量；

8）根据就地混合无功补偿分配策略，确定需要投入的 SVG 无功补偿容量与电容器无功补偿容量，具体动作方式如下所示：

（1）检测分配无功补偿容量，当无功补偿容量小于单组电容器无功补偿容量时，闭锁电容器组动作开关，直接由 SVG 输出对应无功补偿容量；

（2）检测分配无功补偿容量，当无功补偿容量大于或等于单组电容器无功补偿容量时，SVG 与电容器同时动作，由于SVG是动态瞬时补偿，电容器补偿速度较慢，SVG 只补偿分配无功补偿容量减去整组电容器的无功补偿容量的差值；

（3）检测分配无功补偿容量，当检测到系统处于无功过剩状态，此时闭锁 FC 对应的断路器开关，向 SVG 发出控制指令，利用 SVG 双向调节特性，吸收无功，避免系统倒送无功，降低线路损耗；

（4）检测分配无功补偿容量，当此时存在无功缺额时，判断此时无功波动状态，当波动变化状态符合快速变化逻辑时，闭锁 FC 对应的断路器开关，通过 SVG 进行实时动态无功补偿，直至该变化在规定范围内时，FC 根据具体无功缺额进行相应动作，以避免 FC 进行频繁投切，延长装置使用寿命；

本次发明上层控制系统控制策略嵌入在远程后台上。该系统通过公网通讯接收各个混合无功补偿装置中远程通信模块所上送的具体量测量，具体量测量需包括：各个混合无功补偿装置的 SVG 投入状态信息、FC 投入状态信息，各个 SVG 模块以及电容器模块的闭锁状态、当前无功出力值、当前无功可调节裕度、系统侧电压、电流等。远程控制系统根据各个就地装置上送的信息，对区域内配电网各个装置安装点的无功缺额进行计算，其控制系统图如附图3和附图4所示，该系统具体动作方式如下所示：

9）根据各个混合无功补偿装置远程通信模块上送的系统电压、电流数据，对系统无功进行实时计算，建立配电网特定区域内无功补偿参数模型；

10）根据各个混合无功补偿装置远程通信模块上送的装置 SVG 投入状态信息、FC 投入状态信息及其闭锁信息，确定混合无功补偿装置可以提供的无功补偿容量；

11）根据上述建立的无功补偿参数模型，结合上送的系统电压、电流数据，对特定区域内的配电网进行最优无功分布计算，计算得到各个装置安装点所需的无功补偿容量；

12）将计算所得的无功补偿容量与步骤 10）提供的无功补偿容量进行对比：

（1）如果装置可以提供的无功补偿容量大于或等于装置安装点配网所需的无功补偿容量，则进行上述步骤7）~8）；

（2）如果装置可以提供的无功补偿容量小于装置安装点配网所需的无功补偿容量，则给该点混合无功补偿装置发送投入全部无功补偿的指令，再重复上述步骤7）~8）；同时，根据网架结构，基于无功补偿参数模型进行最优无功分布计算，对计算出来需要投入相应无功补偿量的混合无功补偿装置发送指令，进而实现特定区域无功最优分布方案；

（3）在混合无功补偿装置 SVG 模块或者 FC 模块闭锁时，若存在无功缺额，则将闭锁部分的装置无功补偿容量记为 0，由无功补偿参数模型继续进行无功优化计算，得到无功分布方案，并下发至对应装置。

上述实施例的技术方案，实现了基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，远程后台控制系统通过区域内配电网的无功分布优化计算，得到各个补偿点的无功需求，将无功需求按照最优无功分布的原则下发至各个混合无功补偿装置，再由混合无功补偿就地无功控制策略，协调相应 SVG 与 FC 出力，实现无功动态补偿与静态补偿的协同控制，最终实现特定区域内配电网无功补偿的最优化、无功补偿的动态连续性、经济性与成本，并提高装置的使用寿命。

本发明的技术方案，优化了特定区域内配电网无功补偿的控制方式，在考虑无功需求的基础上，有效降低了无功功率在电网中的流动性，实现对无功的连续、就地补偿，降低了电网的网络损耗。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，其特征在于：所述的根据各个混合无功补偿装置的无功投入状态进行全网无功优化分布计算，其计算模式如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，其特征在于：所述的全网无功优化分布计算，是从多个方面进行考量最优效果，详述如下：

4.根据权利要求2所述的一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，其特征在于：所述的混合无功补偿装置，包括如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于混合无功补偿装置的配电网无功补偿区域协同控制系统，其特征在于：所述的就地补偿装置与远程控制系统之间通信采用公网传输方式，由就地装置内部远程通信模块与远程控制系统之间互联实现通信。