CN115800300A - 一种低压无功补偿与配电监测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压无功补偿与配电监测控制装置，其装置包括：测量单元，用于采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；ARM处理器，用于基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；以及根据所述功率因数、预设功率因数门限、预设电压门限和预设电流门限向投切控制单元发出控制指令；投切控制单元，用于根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。本发明采用功率因数和电压、无功功率的投切控制判据，解决了补偿不平衡、补偿精度不佳的问题；采用“循环投切”的投切方式，减少了晶闸管投切开关的动作次数，延长了使用寿命。

Description

一种低压无功补偿与配电监测控制装置及方法

技术领域

本发明属于配电网控制与检测技术领域，具体涉及一种低压无功补偿与配电监测控制装置及方法。

背景技术

随着配电网中电力电子设备的投用越来越多，对电能的质量要求越来越高，电网的经济运行日益受到重视。

在有功功率保持一定的前提下，线路功率因数越小，在线路上流过的电流就越大，导致在线路上的压降以及损耗就越大。在严重情况下，会导致用户端电压达不到规定值。在电动机附近以及线路的适当位置并联安装适当容量的电容器，可以减少无功功率的输送，从而达到降低线损、提高负载端电压的目的。当然，并联电容的容量是有限制的，并联电容器容量过大，导致线路功率因数负值时，就会出现补偿点向电源端传送无功，这是不允许的。因此，应用在低压配电网中能根据负载中无功功率的变化自动投切补偿电容器、准确实现无功功率补偿的装置具有十分迫切的需求。

无功功率对电力系统的正常运行有着巨大的威胁，影响范围较广，因此，提高无功功率是维持电力系统安全运行的重要手段，解决这个问题的最有效的办法就是对电网进行无功功率补偿。按照就地补偿的原则，使用无功补偿装置在电网的各个环节对无功进行实时补偿。

常规的无功补偿控制器只能实现共补，而实际工业现场往往是三相不平衡负载，故需要针对某一相进行无功补偿，即分相补偿。常规的无功补偿控制器常规控制器普遍采用一种编码方式，存在延时时间设置短或过长，造成发送的指令不及时，即等电容循环投切，电网所要补偿的容性无功功率的数值往往是连续的不分等级，单只电容器容量可能过大，造成过或欠补，补偿精度欠佳。常规的控制器仅用于无功补偿控制，无法对配电台区的电参量进行监测和上传。

发明内容

为解决无功功率补偿控制器补偿不平衡、补偿精度不佳的问题，在本发明的第一方面提供了一种低压无功补偿与配电监测控制装置，包括：测量单元，用于采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；ARM处理器，用于基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；以及根据所述功率因数、预设功率因数门限、预设电压门限和预设电流门限向投切控制单元发出控制指令；投切控制单元，用于根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。

在本发明的一些实施例中，所述ARM处理器包括：第一控制单元，用于将实时采集量的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；第二控制单元，用于将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；第三控制单元，用于将实时采集的电流与预设电流门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令。

进一步的，将实时采集的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令：在整个投切延时时间内，将实时采集的功率因数与预设功率因数的投入门限和切除门限分别进行比较：若实时采集的功率因数小于投入门限，则投入一组电容器；若比较结果在投切门限以内，则不予动作；若比较结果大于切除门限或发现功率因数为负时，则：切除一组已投入的电容器。

进一步的，所述将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令包括：在投切过程中，若实时采集的电压值大于预设过压门限，则按组切除已投入的电容。

在本发明的一些实施例中，所述投切控制单元包括：过零检测电路，用于检测晶闸管的过零信号，并将其反馈给ARM处理器。

在上述的实施例中，通讯单元，其与测量单元和ARM处理器连接，用于记录和传输：目标低压配电网系统的多个参量数据、电容器组投切次数、故障记录，以及ARM处理器向投切控制单元发出控制指令。

本发明的第二方面，提供了一种低压无功补偿与配电监测控制方法，包括：采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；根据所述功率因数和预设的因数门限、电压门限和电流门限向投切控制单元发出控制指令；根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。

本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第二方面提供的低压无功补偿与配电监测控制方法。

本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明在第二方面提供的低压无功补偿与配电监测控制方法。

本发明的有益效果是：

本发明控制器采用功率因数结合电压、无功功率的综合投切控制判据，克服了投切判据单一的缺点；采用高精度专用计量芯片采集电网参数，简化了装置的硬件和软件设计，大大提高了装置的控制精度和速度；采用“循环投切”的投切方式，该投切方式使先投入运行的电容器组先退出，后投的后切除，从而使各组电容器及投切开关使用概率均等，减少了晶闸管投切开关的动作次数，延长了其使用寿命，减低了电容器组的平均运行温度，延长了使用寿命。本发明控制器选用了可靠性极高的元器件，在软件和硬件上采取先进的抗干扰技术，保证了低压智能无功功率补偿控制装置的可靠运行。

附图说明

图1为本发明的一些实施例中的低压无功补偿与配电监测控制装置的基本结构示意图；

图2为本发明的一些实施例中的低压无功补偿与配电监测控制装置的具体结构示意图；

图3本发明的一些实施例中的过零检测电路图；

图4本发明的一些实施例中的晶闸管投切触发驱动电路图；

图5为本发明的一些实施例中的低压无功补偿与配电监测控制方法的流程示意图；

图6为本发明的一些实施例中的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参考图1，在本发明的第一方面，提供了一种低压无功补偿与配电监测控制装置1，包括：测量单元11，用于采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；ARM处理器12，用于基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；以及根据所述功率因数、预设功率因数门限、预设电压门限和预设电流门限向投切控制单元发出控制指令；投切控制单元13，用于根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。

可以理解，上述低压配电网系统可以简称为低压配电网，每个低压配电网中至少包括一组电容器，电容器可以减少无功功率的输送，从而达到降低线损、提高负载端电压；电容器的状态数据至少包括电容器的容量、电流值、电压值、相位等。

参考图1与图2，在本发明的一些实施例中，低压无功补偿与配电监测控制装置1包括：电源单元、中央控制单元(ARM处理器12)、测量单元11、存储单元、投切控制单元13、人机接口管理单元和通讯单元七大部分。所述电源单元包含电源模块，将交流电源经变压、整流、滤波形成直流电源，给控制器内部其它系统提供电源；所述中央控制单元为控制器的核心，完成信号的处理、指令的运算等过程；所述测量单元11与所述中央控制单元相连，包含电压和电流采集模块、温度采集模块、电容器状态采集模块，完成系统电压、电流、温度和电容状态信息的采集；所述存储单元与中央控制单元相连，其包含内部存储系统和外部存储系统，用于实时记录数据，记录时效为60天；所述投切控制单元13与中央控制单元连接，用于根据控制电容器的投切策略，来作出相应的投切指令；所述人机接口管理单元与所述中央控制单元连接，其用于接收各种命令及数据，对投切控制单元进行相应的控制与管理；所述通讯单元与所述中央控制单元相连，其是低压无功补偿与配电监测控制装置1与外部进行交互连接的桥梁，用于实现电网电压、电流等历史运行数据，电容器组投切次数，系统故障记录及有关信息的上传和基本参数、控制命令等的接收。

可以理解，采用模块化设计，保证了无功补偿控制器系统的稳定性及抗干扰性，简化了软件设计，能实现对无功的自动跟踪和电容器组的自动循环投切。一些实施例中，所述电源单元包含电源模块，由交流经过变压、整流、滤波等过程形成直流电源，为低压无功补偿与配电监测控制装置1内部的其它模块或单元提供电源。

为了提供克服了投切判据单一的缺点，投切判据包括功率因数、无功功率和有功电能、电压、电流等，因此，在一些实施例中，所述测量单元13包含测量MCU模块、电压互感器模块、电流互感器模块、温湿度传感器模块、I/O输入输出模块，能够采集系统电压、电流信号和温湿度信号，实现系统线电压、相电压、线电流、相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、有功电能及温湿度的实时在线监测，还能通过I/O模块采集电容器组的状态信号。测量单元实现从电网中检测电网电压、电流并计算得出功率因数、无功功率和有功电能等参数，并将这些参数信号转换成中央控制单元能接收的信号，传送给中央控制单元，由中央控制单元作出投切决策。

在本发明的一些实施例中，所述ARM处理器12包括：第一控制单元，用于将实时采集量的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；第二控制单元，用于将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；第三控制单元，用于将实时采集的电流与预设电流门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令。

进一步的，将实时采集的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令：在整个投切延时时间内，将实时采集的功率因数与预设功率因数的投入门限和切除门限分别进行比较：若实时采集的功率因数小于投入门限，则投入一组电容器；若比较结果在投切门限以内，则不予动作；若比较结果大于切除门限或发现功率因数为负时，则：切除一组已投入的电容器。

具体地，以快速傅里叶变换计算得到的基波功率因数和基波无功功率的值作为控制电容投切的依据，判断电容是否投入的依据为：ΔQ>α*Q₁，cosθ<cosθ₁，即当满足上述条件时需要投入电容，而投入的补偿电容为

电容切除判据为ΔQ>β*Q₁，cosθ>cosθ₂。其中ΔQ表示电网需要补偿的基波无功容量，cosθ₁表示所需要的功率因数，cosθ₂表示切除的功率因数，cosθ表示电网当前的功率因数，Q₁表示第一路电容器的容量，0.6≤α≤2.5，0.6≤β≤2.5)，来作出相应的投切指令；所述人机接口管理单元与所述中央控制单元连接，其用于接收各种命令及数据，对控制器进行相应的控制与管理；所述通讯单元与所述中央控制单元相连，其是控制器与外部进行交互连接的桥梁，用于实现电网电压、电流等历史运行数据，电容器组投切次数，系统故障记录及有关信息的上传和基本参数、控制命令等的接收。

进一步的，所述将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令包括：在投切过程中，若实时采集的电压值大于预设过压门限，则按组切除已投入的电容。

参考图2与图3，在本发明的一些实施例中，所述投切控制单元包含过零检测电路、投切控制模块、时钟电路、复位电路和保护检测电路。投切控制单元接收到投切命令后，通过投切开关控制电容器组的投切，完成无功功率补偿任务。

具体地，采用在电压过零点投入电容器组。本发明采用从晶闸管的阳极和阴极取得过零信号，在设计电路中用到两片NE555P芯片来得到电压过零信号，利用RC组成滤波器，可以将电路中的高次谐波滤掉，避免出现误动作。通过过零检测电路，使得晶闸管在过零时触发导通将电容器组并联到电网上。

当过零检测电路检测到电压过零时，控制器发出脉冲，导通晶闸管，晶闸管两端电压迅速变为零，将电容器组并接到电网中。本发明过零检测电路，在电压过零触发时，电流冲击最小，可以有效的保护晶闸管。

由于单片机刚上电或复位时，管脚默认为高电平输出，需要在设计时让管脚低电平输出来触发电路动作，这样不至于单片机在刚上电或复位时，输出有误动作。

有鉴于此，参考图4，在管脚输出与光耦之间加入一个NPN型开关管来提高驱动能力。由于电信号传输具有单向性，光耦合器输入输出间相互隔离，具有很好的电绝缘能力和抗干扰能力，本发明在单片机的控制信号与晶闸管的强电部分之间加入一个光耦隔离器，使得传输效率高，工作更稳定。电路中隔离放大部分将控制信号进行功率放大，使其满足晶闸管触发的要求。电容C7与电阻R9组成RC滤波电路，用来吸收高频信号，可以防止电路被误触发，提高系统的稳定性。通过NPN型三极管Q3的发射极与晶闸管的门极G1相连，当晶闸管收到来至单片机发送过来的投切命令时，门极打开，晶闸管进行快速、准确的投切。

在上述实施例中，所述存储单元采用铁电存储器FM3164，用来存储系统数据，其包括整点数据、报警动作数据、电容器动作前后数据、实时电力参数。

实施例2

参考图5，本发明的第二方面，提供了一种低压无功补偿与配电监测控制方法，包括：S100.采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；S200.根据所述功率因数和预设的因数门限、电压门限和电流门限向投切控制单元发出控制指令；S300.根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。

在本发明的一些实施例中步骤S200中，所述基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；以及根据所述功率因数、预设功率因数门限、预设电压门限和预设电流门限向投切控制单元发出控制指令包括：S201.将实时采集量的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；S202.将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；S203.将实时采集的电流与预设电流门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令。

实施例3

参考图6，本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第一方面的方法。

电子设备500可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的程序或者从存储装置508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理装置501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

通常以下装置可以连接至I/O接口505：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置506；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置507；包括例如硬盘等的存储装置508；以及通信装置509。通信装置509可以允许电子设备500与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图6示出了具有各种装置的电子设备500，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图6中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置509从网络上被下载和安装，或者从存储装置508被安装，或者从ROM 502被安装。在该计算机程序被处理装置501执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD－ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、Python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。需要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压无功补偿与配电监测控制装置，其特征在于，包括：

测量单元，用于采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；

ARM处理器，用于基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；以及根据所述功率因数、预设功率因数门限、预设电压门限和预设电流门限向投切控制单元发出控制指令；

投切控制单元，用于根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。

2.根据权利要求1所述的低压无功补偿与配电监测控制装置，其特征在于，所述ARM处理器包括：

第一控制单元，用于将实时采集量的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；

第二控制单元，用于将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；

第三控制单元，用于将实时采集的电流与预设电流门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令。

3.根据权利要求2所述的低压无功补偿与配电监测控制装置，其特征在于，所述将实时采集的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令：

在整个投切延时时间内，将实时采集的功率因数与预设功率因数的投入门限和切除门限分别进行比较：若实时采集的功率因数小于投入门限，则投入一组电容器；若比较结果在投切门限以内，则不予动作；若比较结果大于切除门限或发现功率因数为负时，则：切除一组已投入的电容器。

4.根据权利要求2所述的低压无功补偿与配电监测控制装置，其特征在于，所述将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令包括：

在投切过程中，若实时采集的电压值大于预设过压门限，则按组切除已投入的电容。

5.根据权利要求1所述的低压无功补偿与配电监测控制装置，其特征在于，所述投切控制单元包括：

过零检测电路，用于检测晶闸管的过零信号，并将其反馈给ARM处理器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的低压无功补偿与配电监测控制装置，其特征在于，还包括

通讯单元，其与测量单元和ARM处理器连接，用于记录和传输：目标低压配电网系统的多个参量数据、电容器组投切次数、故障记录，以及ARM处理器向投切控制单元发出控制指令。

7.一种低压无功补偿与配电监测控制方法，其特征在于，包括：

采集目标低压配电网系统的多个参量数据以及一组或多组电容器的状态数据，所述参量数据包括电流、电压、功率、功率因数和相位；

基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；根据所述功率因数和预设的因数门限、电压门限和电流门限向投切控制单元发出控制指令；

根据ARM的控制指令对目标低压配电网中的电容器进行投切。

8.根据权利要求7所述的低压无功补偿与配电监测控制方法，其特征在于，所述基于所述多个参量数据和电容状态数据，实时计算功率因数；以及根据所述功率因数、预设功率因数门限、预设电压门限和预设电流门限向投切控制单元发出控制指令包括：

将实时采集量的功率因数与预设功率因数的投入门限、切除门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；

将实时采集的电压与预设电压门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令；

将实时采集的电流与预设电流门限进行比较，以对相应的电容器发出投入或切除指令。

9.一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求7至8任一项所述的低压无功补偿与配电监测控制方法。

10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7至8任一项所述的低压无功补偿与配电监测控制方法。

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