CN112290557B - 一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置及其方法，旨在解决现有技术无功功率补偿不准确的技术问题。其包括：无功数据管理器和无功补偿管理器，无功数据管理器采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，对电气数据进行数据处理获得无功数据，并通过数字链路将无功数据传输到无功补偿管理器；无功补偿管理器根据无功数据和电容投切逻辑进行无功功率补偿，并根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断本发明能够快速、准确的投切电容，进行无功功率补偿。

Description

一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置及其方法，属于电力系统无功补偿技术领域。

背景技术

电力系统的用电设备在使用时会产生无功功率，而且通常是电感性的，它会使电源的容量使用效率降低，造成电力损失。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，其可以衡量电气设备的效率高低：功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，增加了线路供电损失。在交流电路中，功率因数可以通过电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦来计算，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。

为了提高电力系统的效率，大部分供电系统引入了无功功率补偿系统，无功补偿系统可以通过接触器控制电容的投入和切除来达到调整功率因数的目的，进而降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率、改善供电环境。

但是现有的无功功率补偿系统存在以下几个问题：

1、无功补偿管理器需要读取安装在进线总柜的电流互感器来获取无功电气数据，但是无功补偿管理器和电流互感器之间距离一般较远，线路容易受到干扰，导致电气量测量不准确；

2、大部分投切式无功补偿系统只针对低压进线侧（380V）的无功数据来进行补偿，而并不能针对高压出线侧（10kV）的无功进线补偿，导致无功补偿柜没有办法对变压器消耗的无功进行精确补偿；

3、投切式无功补偿系统不会检测接触器的状态，当接触器发生故障时不能及时告知用户，而接触器故障会直接导致补偿效率低下、功率因数偏低，增加变压器的负担，并且可能引发安全问题；

4、投切式无功补偿系统不会关注电容的容量，无法做到精准投切，甚至会出现频繁投切的现象。

发明内容

为了解决现有技术中无功补偿系统存在的问题，本发明提出了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置及其方法，分别采集低压总柜和高压出线柜的电气数据，并通过数字链路进行数据传输，然后有选择的进行电容投切，实现无功补偿，并进行相应的故障分析，本发明可以避免电气干扰导致数据失真，确保电容投切的准确性。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置，包括：

无功数据管理器，用于采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，对电气数据进行数据处理获得无功数据，并通过数字链路将无功数据传输到无功补偿管理器；

无功补偿管理器，用于根据无功数据和电容投切逻辑进行无功功率补偿，并根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断。

结合第一方面，进一步的，所述无功数据管理器包括第一电压互感器、第一电流互感器、信号调理模块和第一主控芯片，其中，所述第一电压互感器和第一电流互感器分别用于采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电压、电流信号；所述信号调理模块用于对电压、电流信号进行滤波、升压处理；所述第一主控芯片用于对信号调理模块输出的电压、电流信号进行模数转换、数字信号处理和编码处理，获得无功数据帧，并通过CAN总线将无功数据帧传输到无功补偿管理器。

结合第一方面，进一步的，所述第一主控芯片还用于接收380V低压进线柜和10KV高压出线柜的开关信号，并根据开关信号控制继电器通断，实现继电保护功能；所述开关信号包括失压报警信号、合闸回路信号、分闸回路信号、刀闸信号。

结合第一方面，进一步的，所述无功补偿管理器包括第二电流互感器、第二电压互感器、第二主控芯片、接触器和电容柜，其中，所述第二电流互感器用于采集电容柜的总电流；所述第二电压互感器用于采集电容柜中各支路的电容电压；所述第二主控芯片一方面用于根据电容柜的电压、电流信号、无功数据和电容投切逻辑输出电容投切指令，另一方面用于根据电容柜的电压、电流信号和接触器状态进行无功补偿管理器故障判断，生成故障报警信号；所述接触器用于根据电容投切指令对电容柜中的电容进行投入、切除操作。

第二方面，本发明提出了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，包括如下步骤：

步骤1、利用无功数据管理器采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，并对电气数据进行预处理；

步骤2、对预处理后的数据进行编码处理，获得无功数据帧，并通过数据链路将无功数据帧传输到无功补偿管理器；

步骤3、根据无功数据帧和电容投切逻辑，利用无功补偿管理器进行电容的投入或切除，实现无功功率补偿。

结合第二方面，进一步的，所述步骤1中的预处理包括滤波处理、升压处理、模数转换处理和数字信号处理。

结合第二方面，进一步的，所述步骤2的具体操作如下：

步骤201、根据无功数据管理器在配电系统中的属性，生成无功数据管理器的电气层级编码，所述电气层级编码包括无功数据管理器的管理电压等级、无功数据管理器所在机柜的类型、无功数据管理器上一级的编号和无功数据管理器本身编号；

步骤202、利用CAN的扩展帧的ID对无功数据管理器的电气层级编码进行封装，生成帧头；

步骤203、利用预处理后的无功电气数据作为帧的数据部分，与帧头组成完整的无功数据帧；

步骤204、通过数据链路将无功数据帧传输到无功补偿管理器。

结合第二方面，进一步的，所述步骤202中的电气层级编码的封装逻辑为：

扩展帧ID共有29位，定义扩展帧ID的最28位表示该数据帧的超级优先级，定义扩展帧ID的第27-20位为功能码，用于表示该数据帧的功能，定义扩展帧ID的第19-16位表示该数据帧发送者的管理电压等级，定义扩展帧ID的第15-12位表示该数据帧发送者所在的机柜的类型，定义扩展帧ID的第11-6位表示该数据帧发送者上一级的设备编号，定义扩展帧ID的第5-0位表示该数据帧发送者的设备编号，所述设备编号为自定义的、唯一的编号。

结合第二方面，进一步的，所述步骤3的具体操作如下：

步骤301、根据无功数据帧获取当前时刻的无功功率和功率因数；

步骤302、判断当前时刻的无功功率是否为正数，如果是正数，进入步骤303，否则，进入步骤309；

步骤303、从电容柜任选一个预备投入的电容，判断所选电容是否是首次投入电网，如果是首次投入，进入步骤304，否则进入步骤305；

步骤304、根据公式Q_作用=Q_额定*（U_实际/U_额定）计算所选电容的实际作用容量Q_作用，其中，Q_额定表示所选电容的标定容量，U_额定表示所选电容的标定电压，U_实际表示当前时刻所选电容所在支路的实际电压；

步骤305、获取所选电容上次投入电网后的电容残值Q_残值，根据公式Q_作用=Q_残值*（U_实际/U_额定）计算所选电容的实际作用容量Q_作用；

步骤306、根据步骤304或305计算的Q_作用，判断Q_作用是否大于当前时刻的无功功率，如果是，进入步骤307，否则返回步骤301，更新无功数据帧；

步骤307、判断电容投切延迟是否满足条件，所述条件为电容投切延迟大于预设的延时值，如果是，将所选电容投入电网，并进入步骤308，否则返回步骤301，更新无功数据帧；

步骤308、测量无功补偿柜的无功量变化值△Q，并根据公式△Q=Q_残值*（U_实际/U_额定）计算所选电容的电容残值Q_残值，返回步骤301；

步骤309、判断当前时刻的功率因数是否低于预设值，如果是，进入步骤310，否则返回步骤301，更新无功数据帧；

步骤310、判断电容投切延迟是否满足条件，如果是，从电网中切除一个电容，并返回步骤301，否则直接返回步骤301，更新无功数据帧。

结合第二方面，进一步的，所述方法还包括如下步骤：

步骤4、根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断，生成故障报警信号；

所述步骤4的具体操作如下：

步骤401、实时获取电容柜电气量和接触器状态信息；

步骤402、判断刀闸是否闭合，如果是，进入步骤403，否则生成刀闸未合报警信号；

步骤403、根据电容柜电气量依次判断A/B/C相电压是否超过预设的门限值，如果是，生成A/B/C相超压报警信号，否则进入步骤404；

步骤404、根据接触器的状态信息判断当前时刻是否有三路及三路以上的电容投入电网，如果是，进入步骤405，否则进入步骤409；

步骤405、根据电容柜电气量依次判断A/B/C相总电流是否大于1A，如果是，进入步骤406，否则进入步骤407；

步骤406、依次判断A/B/C相电压是否等于0V，如果是，生成A/B/C相电压测量失效报警信号，否则进入步骤408；

步骤407、依次判断A/B/C相电压是否等于0V，如果是，生成A/B/C相主熔管失效报警信号，否则生成A/B/C相电流互感器失效报警信号；

步骤408、根据电容柜电气量，依次判断已投入电网的各支路电容的A/B/C相电流是否大于1A，如果是，进入步骤409，否则生成故障支路A/B/C相熔管失效报警信号；

步骤409、根据接触器的状态信息，依次判断已投入电网的各支路电容的接触器信号是否为闭合，如果是，进入步骤410，否则生成故障支路接触器失效报警信号；

步骤410、判断当前时刻电容柜中的所有电容是否都已经投入电网，如果是，进入步骤411，否则结束故障分析判断；

步骤411、获取当前时刻的无功功率和功率因数，判断无功功率是否为负且功率因数是否低于预设值，如果是，生成满投不达标报警信号，否则结束故障分析判断。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置及其方法，设计了一款可以安装在低压总柜和高压出线柜上的无功数据管理器，分别采集低压侧和高压侧的电气数据，以便后续有选择性的、有针对性的进行无功功率补偿。采集到的电气数据经过处理后通过数字链路传输到无功补偿管理器，相比较现有技术中的线路直连方式，数字链路传输不容易受到干扰，可以确保无功数据的准确性。

本发明在每次投切之前，对每一路电容的真实容量进行计算，然后根据真实容量和无功数据判断是否投切，相比于现有技术中仅根据电网侧电气数据进行投切的方式，本发明的电容投切操作更准确可靠，不会出现无功过补或切除时功率因数不达标的问题，避免了频繁投切现象，无功补偿效果更好。

此外，本发明还会读取每一路接触器的状态，结合电容柜的电气数据综合判断每一个电容回路的故障，进行相应的故障报警，避免回路故障导致的无功补偿效率低下问题，确保无功补偿装置的正常运行。

附图说明

图1为本发明一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中无功数据管理器的示意图。

图3为本发明实施例中无功补偿管理器的示意图。

图4为本发明投切式无功补偿控制装置的应用场景图。

图5为本发明一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法的步骤流程图。

图6为本发明实施例中典型的无功数据管理器电气层级编码示意图。

图7为本发明实施例中CAN扩展帧ID的分配图。

图8为本发明实施例中根据无功数据帧和电容投切逻辑进行电容的投入或切除的步骤流程图。

图9为本发明实施例中故障分析判断流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制装置，如图1所示，包括无功数据管理器和无功补偿管理器，其中，无功数据管理器用于采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，对电气数据进行数据处理获得无功数据，并通过数字链路将无功数据传输到无功补偿管理器；无功补偿管理器用于根据无功数据和电容投切逻辑进行无功功率补偿，并根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断。

无功数据管理器主要包括第一电压互感器、第一电流互感器、信号调理模块和第一主控芯片，其中，第一电压互感器和第一电流互感器分别用于采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电压、电流信号；信号调理模块用于对电压、电流信号进行滤波、升压处理；第一主控芯片用于对信号调理模块输出的电压、电流信号进行模数转换、数字信号处理和编码处理，获得无功数据帧，并通过CAN总线将无功数据帧传输到无功补偿管理器。

如图2所示，第一主控芯片选用32位的内置高速AD（模数转换）单元和DSP单元的ARM架构单片机，输入单片机的电压、电流信号通过高速AD单元进行模数转换操作，然后经过DSP单元进行数据处理，获得各路电压、电流0-31次谐波的有效值（0次为直流分量，1次为基波分量）。DSP单元处理后的数据在经过编码后形成数据帧，通过单片机的CAN接口与其他管理器进行数据交换。

单片机的EEPROM用来存储系统参数、用户配置参数和电量信息；外部flash用来存储告警信息、故障录波数据与保护定值数据以及材料清单数据；USB串口用来与上位机通讯； RS485接口用来与除湿器交换数据，以太网用来与服务器交换数据。

第一主控芯片不仅能够采集基本的电气数据，还能实现继电保护装置的功能。第一主控芯片接收380V低压进线柜和10KV高压出线柜的开关信号，并根据开关信号控制继电器通断，实现继电保护功能。开关信号包括失压报警信号、合闸回路信号、分闸回路信号、刀闸信号，其中，强电开关信号（例如失压报警信号以及合闸回路分闸回路信号）都是110V-220V之间的，需要经过限流电阻后驱动光耦来实现单片机对它们的通断检测；其余无源开关信号（例如刀闸手车等信号）直接控制光耦接通实现单片机对它们的检测。

无功补偿管理器主要包括第二电流互感器、第二电压互感器、第二主控芯片、接触器和电容柜，其中，第二电流互感器用于采集电容柜的总电流；第二电压互感器用于采集电容柜中各支路的电容电压；第二主控芯片一方面用于根据电容柜的电压、电流信号、无功数据和电容投切逻辑输出电容投切指令，另一方面用于根据电容柜的电压、电流信号和接触器状态进行无功补偿管理器故障判断，生成故障报警信号；接触器用于根据电容投切指令对电容柜中的电容进行投入、切除操作。

如图3所示，第二主控芯片同样选用32位的内置高速AD（模数转换）单元和DSP单元的ARM架构单片机，其对第二电流互感器和第二电压互感器采集的电压、电流信号进行处理，得到各路电压、电流0-31次谐波的有效值。开关信号（例如刀闸和接触器状态信号）直接控制光耦接通实现单片机对它们的检测，单片机对接触器的控制信号是通过控制设备内的继电器通断来实现的。第二主控芯片的CAN接口用于接收第一控制芯片传输的数据帧。

本发明投切式无功补偿控制装置在电网中的应用场景如图4所示，无功数据管理器安装在低压进线总柜或高压出线柜上，通过电压/电流互感器实时采集电力线的电压、电流信号，经过第一主控芯片处理后将无功电气数据通过CAN总线传输到无功补偿管理器；无功补偿管理器实时采集低压无功补偿柜的电压、电流信号，根据无功数据控制接触器的通断，进而实现电容的投切，与此同时，第二主控芯片还接受接触器、刀闸等反馈的信号，进行故障分析判断。

本发明还提出了一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤1、利用无功数据管理器采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，并对电气数据进行预处理，预处理包括滤波处理、升压处理、模数转换处理和数字信号处理。

步骤2、对预处理后的数据进行编码处理，获得无功数据帧，并通过数据链路将无功数据帧传输到无功补偿管理器；

步骤3、根据无功数据帧和电容投切逻辑，利用无功补偿管理器进行电容的投入或切除，实现无功功率补偿；

步骤4、根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断，生成故障报警信号。

步骤2的具体操作如下：

步骤201、根据无功数据管理器在配电系统中的属性，生成无功数据管理器的电气层级编码。为了确保管理器之间可以互相通信，需要建立一个合理的数据模型，本发明使用四位数字来表示每个无功数据管理器在整个配电系统中的属性，即电气层级编码，在同一个配电系统中每个无功数据管理器的编码都是唯一的。

电气层级编码的定义具体如下：定义第一位数字表示当前无功数据管理器的管理电压等级，定义第二位数字表示无功数据管理器所在机柜的类型，定义第三位数字表示无功数据管理器上一级的编号，定义第四位数字表示无功数据管理器本身编号，无功数据管理器上一级的编号和无功数据管理器本身编号是自定义的、唯一的编号，比如在同一个10千伏进线管理器后面接入两台出线管理器分别管理两个变压器，那么第一台出线管理器的编码为0，第二台的编码为1，以此类推。

在本发明实施例中，无功数据管理器的管理电压等级共有4个，具体的，1表示380伏特的配电系统，2表示6千伏配电系统，3表示10千伏配电系统，4表示35千伏配电系统。无功数据管理器所在机柜的类型共有7类，具体的，0表示进线柜，1表示出线柜，2表示联络柜，3表示电容柜，4表示发电机柜，5表示压变柜，6表示隔离柜。假设某个无功数据管理器的电气层级编码为3.0.1.2，则表示该无功数据管理器是10千伏进线柜中编号为2的无功数据管理器。图6是典型的无功数据管理器电气层级编码示意图。

步骤202、利用CAN的扩展帧的ID对无功数据管理器的电气层级编码进行封装，生成帧头。如图7所示，电气层级编码的封装逻辑为：

扩展帧ID共有29位，定义扩展帧ID的最28位表示该数据帧的超级优先级，由于CAN总线的通信机制是抢占式发送，ID最小优先级越高，所以我们约定常规报文第28位是“1”，如果有特别紧急的报文需要优先于常规报文发送那么则将第28位设置为“0”；定义扩展帧ID的第27-20位为功能码，用于表示该数据帧的功能，功能码长度8个字节，可以容纳256种报文功能分配；定义扩展帧ID的第19-16位表示该数据帧发送者的管理电压等级，长度4个字节，可以容纳16种电压等级。定义扩展帧ID的第15-12位表示该数据帧发送者所在的机柜的类型，长度4个字节，可以容纳16种不同柜子类型；定义扩展帧ID的第11-6位表示该数据帧发送者上一级的设备编号，长度6字节，可以容纳64种不同编号；定义扩展帧ID的第5-0位表示该数据帧发送者的设备编号，设备编号为自定义的、唯一的编号。

由于CAN总线通信的特点，每台管理器可以随时向总线发起通信并且总线上所有的设备都可以接收到任意一个设备发出的数据，因此无功补偿管理器可以随时获取任意一个无功数据管理器发过来的无功数据。

步骤203、利用预处理后的无功电气数据作为帧的数据部分，与帧头组成完整的无功数据帧。CAN协议中数据帧长度不超过8个字节，下面提供一个具体的无功数据帧例子：

功能码3:

广播无功功率

data

byte[0]:QA_H (+-0.01KVar) -32768 +32768

byte[1]: QA_L (+-0.01KVar)

byte[2]: QB_H (+-0.01KVar)

byte[3]: QB_L (+-0.01KVar)

byte[4]:QC_H (+-0.01KVar)

byte[5]: QC_L (+-0.01KVar)

步骤204、通过数据链路将无功数据帧传输到无功补偿管理器。

本发明中的无功补偿管理器保留率电流互感器和电压互感器，以便采集电容柜的电压和电流信号，在实际运行过程中，每当投入一路电容后，无功补偿管理器计算电容柜总电流每相电流增量，然后根据电容的额定容量计算该路电容的实际作用容量，此外，考虑到电容随着工作时间积累会逐渐老化继而导致容量逐渐下降，所以每次投入之后无功补偿管理器会刷新电容的最新实际容量，下次投切电容前则根据电容的最新实际容量进行判断而不再是根据电容的额定容量进行判断。

如图8所示，步骤3的具体操作如下：

步骤301、无功补偿管理器通过CAN总线从无功数据管理器实时获取无功数据帧，然后根据无功数据帧获取当前时刻的无功功率和功率因数。

步骤302、判断当前时刻的无功功率是否为正数，如果是正数，说明需要进行无功补偿，进入步骤303；否则，无功功率为负，进入步骤309，无功功率为负说明电网侧的无功功率过剩，按照传统的相位控制的说法就是“电流超前”了，需要根据功率因数判断是否需要切除电容。

步骤303、从电容柜任选一个预备投入的电容，判断所选电容是否是首次投入电网，如果是首次投入，进入步骤304，否则进入步骤305。

步骤304、对于首次投入的电容，根据公式Q_作用=Q_额定*（U_实际/U_额定）计算所选电容的实际作用容量Q_作用，其中，Q_额定表示所选电容的标定容量，U_额定表示所选电容的标定电压，U_实际表示当前时刻所选电容所在支路的实际电压。

步骤305、对于已经投入过电网的电容，需要获取所选电容上次投入电网后的电容残值Q_残值，根据公式Q_作用=Q_残值*（U_实际/U_额定）计算所选电容的实际作用容量Q_作用；

步骤306、根据步骤304或305计算的Q_作用，判断Q_作用是否大于当前时刻的无功功率，如果是，说明该电容投入后不会造成无功功率小于0，进入步骤307，否则返回步骤301，更新无功数据帧，重新选取电容。

步骤307、在每次完成电容投切操作后，为了防止功率因数频繁变化导致电容频繁投切进而引起对电网的冲击，需要等待一段时间后再进行下一次电容投切，所以此处需要进行延迟判断。判断电容投切延迟是否满足条件，条件为电容投切延迟大于预设的延时值，延时值可以根据实际情况进行设置，一般情况下默认延时值为20秒。如果电容投切延迟满足条件，将所选电容投入电网，并进入步骤308，否则返回步骤301，更新无功数据帧，重新选取电容。

步骤308、电容投入后，无功补偿管理器所在的无功补偿柜会发生无功功率变化，测量无功补偿柜的无功量变化值△Q，并根据公式△Q=Q_残值*（U_实际/U_额定）计算所选电容的电容残值Q_残值，返回步骤301，重新获取电网侧的无功数据帧。

步骤309、判断当前时刻的功率因数是否低于预设值，如果是，进入步骤310，否则返回步骤301，更新无功数据帧。在步骤309中，预设值是人工设置的，一般情况下预设值为0.98，即要求功率因数高于0.98，当其低于0.98时，就需要进行电容切除。

步骤310、判断电容投切延迟是否满足条件，如果是，从电网中切除一个电容，一般按照先投先切除的原则去切除电容，并返回步骤301，否则直接返回步骤301，更新无功数据帧。

通过本发明中的电容投切逻辑可以将电网侧的无功功率补偿到接近0的程度，尽可能的减少从电网消耗的无功电能，此外，每次投入后计算电容残值，可以帮助用户及时知晓电容的健康情况，必要时更换电容。

本发明还具有采集电容柜电气量、接触器状态，实现故障分析判断的功能，本发明能够判断的故障类型主要有：刀闸未合到位、过电压、满投不达标、主熔管失效、电流互感器故障、电压采集失效、支路熔管失效和接触器失效。

如图9所示，步骤4的具体操作如下：

步骤401、无功补偿管理器循环刷新电容柜电气量和接触器状态，包括电容柜的三相电压数据、总电流数据、各个支路的电流增量、各个接触器的状态信息、刀闸信息等，其中，即时电压电流是通过本机的互感器测得，各支路三相电流是当电容投入后，通过对比电容柜总电流变化量来获得的。

步骤402、根据刀闸信息判断刀闸是否闭合，如果是，进入步骤403；否则生成刀闸未合报警信号，告警刀闸未合到位。

步骤403、根据电容柜三相电压数据依次判断A/B/C相电压是否超过预设的门限值，如果是，生成A/B/C相超压报警信号，并且管理器会强行切除所有已经投入的电容；否则进入步骤404。

步骤404、根据接触器的状态信息判断当前时刻是否有三路及三路以上的电容投入电网，如果是，进入步骤405，否则进入步骤409。

步骤405、根据电容柜总电流数据依次判断A/B/C相总电流是否大于1A，如果是，进入步骤406，否则进入步骤407。

步骤406、根据电容柜三相电压数据依次判断A/B/C相电压是否等于0V，如果是，说明电压取样部分出故障了，生成A/B/C相电压测量失效报警信号；否则进入步骤408；

步骤407、根据电容柜三相电压数据依次判断A/B/C相电压是否等于0V，如果是，生成A/B/C相主熔管失效报警信号，否则生成A/B/C相电流互感器失效报警信号。

步骤408、根据电容柜各个支路的电流增量，依次判断已投入电网的各支路电容的A/B/C相电流是否大于1A，如果是，进入步骤409，否则生成故障支路A/B/C相熔管失效报警信号。

步骤409、根据接触器的状态信息，依次判断已投入电网的各支路电容的接触器信号是否为闭合，如果是，进入步骤410，否则生成故障支路接触器失效报警信号。

步骤410、判断当前时刻电容柜中的所有电容是否都已经投入电网，如果是，进入步骤411，否则结束故障分析判断。

步骤411、获取当前时刻电网侧的无功功率和功率因数，判断无功功率是否为负且功率因数是否低于预设值，如果电网侧的无功功率大于0并且功率因数低于预设值，说明目前电容柜的补偿能力已经达不到要求，生成满投不达标报警信号，否则结束故障分析判断。

本发明的故障分析判断、故障报警功能，可以在电容柜里的回路出现问题时及时通知用户，让用户尽早修复故障确保无功补偿柜的效能，也可以避免安全事故。

本发明可以对低压侧和高压侧都进行无功功率补偿，当用户采用高供高计的计量方式是，能够确保用户的补偿效果（月均功率因数）与供电部门的要求高度接近，无功补偿效果更好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，其特征在于，所述方法基于一种投切式无功补偿控制装置实现，所述装置包括：

无功数据管理器，用于采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，对电气数据进行数据处理获得无功数据，并通过数字链路将无功数据传输到无功补偿管理器；

无功补偿管理器，用于根据无功数据和电容投切逻辑进行无功功率补偿，并根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断；

所述无功数据管理器包括第一电压互感器、第一电流互感器、信号调理模块和第一主控芯片，其中，所述第一电压互感器和第一电流互感器分别用于采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电压、电流信号；所述信号调理模块用于对电压、电流信号进行滤波、升压处理；所述第一主控芯片用于对信号调理模块输出的电压、电流信号进行模数转换、数字信号处理和编码处理，获得无功数据帧，并通过CAN总线将无功数据帧传输到无功补偿管理器；

所述第一主控芯片还用于接收380V低压进线柜和10KV高压出线柜的开关信号，并根据开关信号控制继电器通断，实现继电保护功能；所述开关信号包括失压报警信号、合闸回路信号、分闸回路信号、刀闸信号；

所述无功补偿管理器包括第二电流互感器、第二电压互感器、第二主控芯片、接触器和电容柜，其中，所述第二电流互感器用于采集电容柜的总电流；所述第二电压互感器用于采集电容柜中各支路的电容电压；所述第二主控芯片一方面用于根据电容柜的电压、电流信号、无功数据和电容投切逻辑输出电容投切指令，另一方面用于根据电容柜的电压、电流信号和接触器状态进行无功补偿管理器故障判断，生成故障报警信号；所述接触器用于根据电容投切指令对电容柜中的电容进行投入、切除操作；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、利用无功数据管理器采集380V低压进线柜和10KV高压出线柜的电气数据，并对电气数据进行预处理；

步骤2、对预处理后的数据进行编码处理，获得无功数据帧，并通过数据链路将无功数据帧传输到无功补偿管理器；

步骤3、根据无功数据帧和电容投切逻辑，利用无功补偿管理器进行电容的投入或切除，实现无功功率补偿；

所述步骤2的具体操作如下：

步骤201、根据无功数据管理器在配电系统中的属性，生成无功数据管理器的电气层级编码，所述电气层级编码包括无功数据管理器的管理电压等级、无功数据管理器所在机柜的类型、无功数据管理器上一级的编号和无功数据管理器本身编号；

步骤202、利用CAN的扩展帧的ID对无功数据管理器的电气层级编码进行封装，生成帧头；

步骤203、利用预处理后的无功电气数据作为帧的数据部分，与帧头组成完整的无功数据帧；

步骤204、通过数据链路将无功数据帧传输到无功补偿管理器。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，其特征在于，所述步骤1中的预处理包括滤波处理、升压处理、模数转换处理和数字信号处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，其特征在于，所述步骤202中的电气层级编码的封装逻辑为：

扩展帧ID共有29位，定义扩展帧ID的最28位表示该数据帧的超级优先级，定义扩展帧ID的第27-20位为功能码，用于表示该数据帧的功能，定义扩展帧ID的第19-16位表示该数据帧发送者的管理电压等级，定义扩展帧ID的第15-12位表示该数据帧发送者所在的机柜的类型，定义扩展帧ID的第11-6位表示该数据帧发送者上一级的设备编号，定义扩展帧ID的第5-0位表示该数据帧发送者的设备编号，所述设备编号为自定义的、唯一的编号。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作如下：

步骤301、根据无功数据帧获取当前时刻的无功功率和功率因数；

步骤302、判断当前时刻的无功功率是否为正数，如果是正数，进入步骤303，否则，进入步骤309；

步骤303、从电容柜任选一个预备投入的电容，判断所选电容是否是首次投入电网，如果是首次投入，进入步骤304，否则进入步骤305；

步骤304、根据公式Q_作用=Q_额定*（U_实际/U_额定）计算所选电容的实际作用容量Q_作用，其中，Q_额定表示所选电容的标定容量，U_额定表示所选电容的标定电压，U_实际表示当前时刻所选电容所在支路的实际电压；

步骤305、获取所选电容上次投入电网后的电容残值Q_残值，根据公式Q_作用=Q_残值*（U_实际/U_额定）计算所选电容的实际作用容量Q_作用；

步骤306、根据步骤304或305计算的Q_作用，判断Q_作用是否大于当前时刻的无功功率，如果是，进入步骤307，否则返回步骤301，更新无功数据帧；

步骤307、判断电容投切延迟是否满足条件，所述条件为电容投切延迟大于预设的延时值，如果是，将所选电容投入电网，并进入步骤308，否则返回步骤301，更新无功数据帧；

步骤308、测量无功补偿柜的无功量变化值△Q，并根据公式△Q=Q_残值*（U_实际/U_额定）计算所选电容的电容残值Q_残值，返回步骤301；

步骤309、判断当前时刻的功率因数是否低于预设值，如果是，进入步骤310，否则返回步骤301，更新无功数据帧；

步骤310、判断电容投切延迟是否满足条件，如果是，从电网中切除一个电容，并返回步骤301，否则直接返回步骤301，更新无功数据帧。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字链路的投切式无功补偿控制方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

步骤4、根据电容柜电气量和接触器状态进行故障分析判断，生成故障报警信号；

所述步骤4的具体操作如下：

步骤401、实时获取电容柜电气量和接触器状态信息；

步骤402、判断刀闸是否闭合，如果是，进入步骤403，否则生成刀闸未合报警信号；

步骤403、根据电容柜电气量依次判断A/B/C相电压是否超过预设的门限值，如果是，生成A/B/C相超压报警信号，否则进入步骤404；

步骤404、根据接触器的状态信息判断当前时刻是否有三路及三路以上的电容投入电网，如果是，进入步骤405，否则进入步骤409；

步骤405、根据电容柜电气量依次判断A/B/C相总电流是否大于1A，如果是，进入步骤406，否则进入步骤407；

步骤406、依次判断A/B/C相电压是否等于0V，如果是，生成A/B/C相电压测量失效报警信号，否则进入步骤408；

步骤407、依次判断A/B/C相电压是否等于0V，如果是，生成A/B/C相主熔管失效报警信号，否则生成A/B/C相电流互感器失效报警信号；

步骤408、根据电容柜电气量，依次判断已投入电网的各支路电容的A/B/C相电流是否大于1A，如果是，进入步骤409，否则生成故障支路A/B/C相熔管失效报警信号；

步骤409、根据接触器的状态信息，依次判断已投入电网的各支路电容的接触器信号是否为闭合，如果是，进入步骤410，否则生成故障支路接触器失效报警信号；

步骤410、判断当前时刻电容柜中的所有电容是否都已经投入电网，如果是，进入步骤411，否则结束故障分析判断；

步骤411、获取当前时刻的无功功率和功率因数，判断无功功率是否为负且功率因数是否低于预设值，如果是，生成满投不达标报警信号，否则结束故障分析判断。

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