CN201956690U - 高性能无功补偿综合控制装置 - Google Patents

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黄益庄
吕恭祥
闫京良
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Abstract

本实用新型提供了一种高性能无功补偿综合控制装置，包括中央处理单元、电压输入单元、电流输入单元、A/D转换单元、开关电源和补偿电容器投切出口驱动单元，所述中央处理单元包括依次相连的数据接收模块、计算模块和判断模块，其判断模块包括电容器投切判断子模块、允许投切电压判断子模块、电容器组选择子模块、分补电容器组选择子模块、电容器闭锁状态判断子模块、电容器保护子模块、和控制子模块。该控制装置采用电网无功功率或电网功率因数作为控制电容器组投、切的判据、以电压作为约束条件，以无功功率的缺额或超额优选无功补偿策略和投切的电容器组，这样既能有效地提高了电网的功率因数，减低网损，又保证了电网的电压质量。

Description

高性能无功补偿综合控制装置
技术领域
本实用新型涉及一种电力技术领域的控制装置，特别涉及一种适用于配电变压器或24kV～220V的馈电线路的高性能无功补偿综合控制装置。
背景技术
在工业、农业和生活用电负载中，有很多是感性负载，比如：异步电动机、变压器、日光灯等，感性负载工作时除了消耗有功功率外，还需要从电网中吸收大量的无功功率，使功率因数很低。如日光灯负载的功率因数只有0.54左右，电扇、洗衣机、收录机、电冰箱等的功率因数约在0.65～0.85，工业小用户的功率因数更差，再加上输配电线路和变压器本身有一定的无功损耗，因此，整个低压配电网的功率因数都较低。低压电网消耗的无功功率主要靠上级电网远距离输送，由于大量的无功功率在电网中流动，造成线路电能损耗，电压降增大，影响了电能质量、降低了电网的经济效益和配电变压器的供电能力。
为了达到节能减损的目的，需要对配电网进行无功补偿。目前，最常采用的无功补偿设备为电容器。无功补偿电容器如何配置及对它是否能进行合理、优化控制，不仅关系其补偿效果，而且对提高电压合格率、提高电能质量、节能降耗都很有关系，也关系到电容器本身的安全和使用寿命。但是现有的无功补偿控制器功能比较简单，控制判据比较单一，不能实现对电容器的优化控制。
实用新型内容
为了克服现有的无功补偿控制器控制判据单一和功能简单的缺陷，本实用新型提供了一种高性能无功补偿综合控制装置，该控制装置采用电网无功功率或电网功率因数作为控制电容器组投、切的判据、以电压作为约束条件，并根据实测的三相总无功功率和各相无功功率的大小，优选最合适的补偿控制策略(三相共补或分补)和最优的补偿容量，以选择最合适的电容器组进行投、切控制，使输配电线路的无功功率交换最小，这样既能有效地提高了电网的功率因数，又避免了过补偿或欠补偿，并保证了电网的电压质量，还有利于节能降损。技术方案：
一种高性能无功补偿综合控制装置，包括中央处理单元、电压输入单元、电流输入单元、A/D转换单元、开关电源和补偿电容器投切出口驱动单元，其特征在于，所述开关电源与所述中央处理单元相连为所述高性能无功补偿综合控制装置供电；所述中央处理单元包括依次 相连的数据接收模块、计算模块和判断模块，所述电压输入单元包括电压互感器及信号处理电路，用于将输入的三相电压转换成A/D转换单元所需的弱电信号，弱电信号经所述A/D转换单元转换成数字量后输入给所述数据接收模块，所述电流输入单元包括电流互感器及信号处理电路，用于将输入的三相电流转换成A/D转换单元所需的弱电信号，弱电信号经所述A/D转换单元转换成数字量后输入给所述数据接收模块，所述数据接收模块接收的数字量包括三相电压数字量和三相电流数字量，所述数据接收模块将接收到的数字量输入所述计算模块；所述计算模块根据从数据接收模块输入的数字量计算出电网参数，所述电网参数包括三相电压、三相电流、三相功率因数、三相有功功率、三相无功功率、总功率因数、总有功功率和总无功功率，并将电网参数输入给所述判断模块；所述判断模块根据所述计算模块输入的电网参数进行判断，所述判断模块包括电容器投切判断子模块、允许投切电压判断子模块、电容器组选择子模块、分补电容器组选择子模块、电容器闭锁状态判断子模块和控制子模块，所述电容器投切判断子模块通过所述允许投切电压判断子模块分别与电容器组选择子模块和分补电容器组选择子模块相连，所述电容器组选择子模块和分补电容器组选择子模块分别与电容器闭锁状态判断子模块相连，所述电容器闭锁状态判断子模块与所述控制子模块相连，所述电容器投切判断子模块将电网无功功率或电网功率因数作为控制判据，判断是否需要投、切电容器组，当满足投、切条件时，所述电容器投切判断子模块将满足投、切条件的信息输入所述允许投切电压判断子模块，启动其做下一步判断，所述允许投切电压判断子模块收到满足投、切条件的信息后判断三相电压是否均处于允许投、切的范围内，若三相电压均满足允许投、切的条件时，所述允许投切电压判断子模块将允许投切的信息输入给电容器组选择子模块，若仅有某一相或两相电压满足允许投、切的条件时，所述允许投切电压判断子模块将允许投切的信息输入给分补电容器组选择子模块，所述电容器组选择子模块收到允许投切的信息后用于根据无功功率缺额值或超额值选择最接近的共补电容器组或者选择最接近的共补电容器组和分补电容器组用于投或切，所述分补电容器组选择子模块收到允许投切的信息后根据满足允许投、切条件的电压相的无功功率缺额值或超额值选择最接近的分补电容器组用于投或切，所述电容器组选择子模块或所述分补电容器组选择子模块将选择的电容器组的信息输入给所述电容器闭锁状态判断子模块，所述电容器闭锁状态判断子模块收到选择的电容器组的信息后判断所选择的电容器组是否处于闭锁状态，若处于闭锁状态则将重新选择电容器的指令输入给所述电容器组选择子模块或所述分补电容器组选择子模块，所述电容器组选择子模块或分补电容器组选择子模块接收所述重新选择电容器的指令后重新选择电容器组，若所选择的电容器组未处于闭锁状态，则所述电容器闭锁状态判断子模块将控制信息输入所述控制子模块，所述控制子模块将电容器组的投、切指令输入给补偿电容器投切出口驱 动单元；其中，所述电网无功功率包括三相无功功率和/或总无功功率，所述电网功率因数包括三相功率因数和/或总功率因数，所述补偿电容器投切出口驱动单元根据投、切指令控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切。
所述判断模块还包括电容器组保护判断子模块和保护动作定时子模块，所述电容器组保护判断子模块通过所述保护动作定时子模块与所述控制子模块相连，所述电容器组保护判断子模块将所述计算模块输入的电网参数中的三相电压与电容器的过电压保护定值和电容器的欠电压保护定值进行比较，当满足任一相电压大于或等于电容器的过电压保护定值时、或者满足任一相电压小于或等于电容器的欠电压保护定值时；所述电容器组保护判断子模块将过电压或欠电压信息输入给所述保护动作定时子模块，所述保护动作定时子模块接收所述过电压或欠电压信息后启动并判断保护动作定时时间是否到，若定时时间已到，则将切除电容器组的指令输入给所述控制子模块，对于分补、所述控制子模块将切除该相已投入的分补电容器组的指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元，对于共补、所述控制子模块将切除所有已投入的共补电容器组的指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元；若定时时间未到，则将重新判断指令输入给所述电容器组保护判断子模块，所述电容器组保护判断子模块接收所述重新判断指令后重新进行判断。
所述补偿电容器投切出口驱动单元包括第一补偿电容器投切出口驱动子单元和/或第二补偿电容器投切出口驱动子单元和/或第三补偿电容器投切出口驱动子单元，所述第一补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第一光电隔离模块和用于驱动接触器的第一继电器输出驱动电路，所述第一光电隔离模块与所述中央处理单元相连，所述第一继电器输出驱动电路通过接触器控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切；
所述第二补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第二光电隔离模块和复合开关驱动电路，所述第二光电隔离模块与所述中央处理单元相连，所述复合开关驱动电路通过复合开关控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切，其中的第二光电隔离模块与所述第一光电隔离模块为同一光电隔离模块或不同的光电隔离模块；
所述第三补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第一电平转换电路和RS485通信模块，所述第一电平转换电路与所述中央处理单元相连用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信模块的电平，所述RS485通信模块用于通过智能复合开关控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切，所述智能复合开关带有RS485通信接口。
还包括与所述第一光电隔离模块或第二光电隔离模块相连的第二继电器输出驱动电路，所述第二继电器输出驱动电路可用于控制开关设备，所述开关设备包括变压器低压侧总开关和线路开关。
还包括与所述第一光电隔离模块或第二光电隔离模块相连的第二继电器输出驱动电路，所述第二继电器输出驱动电路可用于控制消谐设备和/或滤波设备；所述计算模块计算得出的电网参数还包括三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，所述判断模块对电网参数中的三相电压和三相电流的谐波含量进行判断，若某次谐波超过定值，则可通过第二继电器输出驱动电路控制相应的消谐设备和/或滤波设备投入。
所述中央处理单元还包括越限监视模块，所述越限监视模块与所述计算模块相连对三相电压和三相电流进行越限监视，若任一相电压越电压上限或电压下限，或任一相电流越电流上限，则记录越限信息并发出越限报警，所述越限信息包括越限值和越限时间。
所述计算模块还包括电压偏差计算子模块、电压合格率计算子模块、电压不平衡度计算子模块和电流不平衡度计算子模块，其中：
Figure BDA0000044065760000041
Figure BDA0000044065760000042
Figure BDA0000044065760000043
Figure BDA0000044065760000044
所述电压不平衡度计算子模块根据εU2＝(U2/U1)×100％计算得到电压不平衡度εU2、U1为三相电压正序分量的方均根值、U2为三相电压负序分量的方均根值；所述电流不平衡度计算子模块根据εI2＝(I2/I1)×100％计算得到电流不平衡度εI2、I1为三相电流正序分量的方均根值、I2为三相电流负序分量的方均根值。
所述高性能无功补偿综合控制装置还包括有相连接的开关、刀闸状态和门禁信号输入单元和第三光电隔离模块，所述开关、刀闸状态和门禁信号输入单元通过所述第三光电隔离模块与所述中央处理单元相连。
还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或通过USB转换模块与用于现场调试的笔记本电脑相连。
所述中央处理单元还包括存储模块，所述存储模块分别与所述数据接收模块、计算模块、判断模块和越限监视模块相连，用于存储所述数据接收模块接收的数据、所述计算模块计算得出的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度、和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，和所述越限监视模块得到的越限信息，以及所述判断模块的投、切指令，所述数据接收模块接收的数据包括三 相电流的数字量、三相电压的数字量。
所述存储模块为铁电存储器。
所述高性能无功补偿综合控制装置还包括与所述中央处理单元相连的键盘输入单元和显示单元，所述键盘输入单元用于设定定值参数和/或查看所述计算模块计算得到的电压偏差、电压合格率、电流不平衡度和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，以及越限监视模块得到的越限信息和发出的越限报警，所述显示单元用于显示所述计算模块计算得出的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度、和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，和所述越限监视模块得到的越限信息，以及所述判断模块的投、切指令。
所述计算模块采用FFT算法计算得出电网参数。
所述中央处理单元为32位的DSP芯片或32位的ARM芯片。
技术效果：
本实用新型提供了一种高性能无功补偿综合控制装置，该控制装置能检测配电变压器或线路的三相电压(Ua、Ub、Uc)和三相电流(Ia、Ib、Ic)，并计算出三相电压(Ua、Ub、Uc)、三相电流(Ia、Ib、Ic)、三相的有功功率(Pa、Pb、Pc)、无功功率(Qa、Qb、Qc)、功率因数(COSφa、COSφb、COSφc)、总有功功率P∑、总无功功率Q∑和总功率因数COSφ∑。因此所控制的无功补偿电容器可设置为三相同时投切(简称共补)和三相分相投切(简称分补)，也可设置为共补和分补配合补偿(简称混合补偿)控制，解决了低压配电网经常出现三相负荷不平衡时的无功功率合理补偿的可行性问题，避免了只设置共补时，有的相发生过补偿，有的相欠补偿缺陷，有效的降低了三相电压、电流不平衡度，提高了电压合格率，提高了供电电压质量。
在控制电容器投切的控制判据方面，本实用新型既可采用三相总无功功率(对共补的电容器组)或按各分相的无功功率(对分补的电容器组)；也可采用三相总功率因数(对共补的电容器组)或各单相功率因数(对分补的电容器组)作为控制电容器组投、切的判据。对于设置混合补偿的情况，首先采用总无功功率或总功率因数，判断是否需要控制共补的电容器组投、切，然后再采用各相的无功功率或各相的功率因数，判断是否需要控制分补的某相电容器组投、切。但不论是采用无功功率或采用功率因数作控制判据，都以电压作为约束条件，这样既能有效地提高了电网的功率因数，又保证了电网的电压质量；同时不论采用何种控制判据，本装置都根据当前电网无功功率的缺额大小选择容量最接近的电容器投切，减少了配电网的无功功率交换，使输配电线路的电能损耗最小。避免了轻载时过补偿，重载时欠补偿 的缺陷。本装置的控制规律先进、合理，有利于降低网损和变压器的损耗。
为保证电容器组的安全，本实用新型设计了对电容器组的过电压和欠电压保护，当电压过高时，该高性能无功补偿综合控制装置便发出迅速切除电容器组的指令，将电容器组切除，保证电容器组的安全，延长电容器的使用寿命；当电网运行状况异常致使电压过低时，该装置也发出切除电容器组指令，以保证系统恢复正常时的安全。
本控制装置的补偿电容器投切出口驱动单元包括有三个子单元，第一补偿电容器投切出口驱动子单元对应于继电器节点输出、可控制电容器的接触器，第二补偿电容器投切出口驱动子单元对应于12VDC输出、可控制电容器的复合开关，第三补偿电容器投切出口驱动子单元对应于RS485输出、可控制电容器的智能复合开关，电容器的控制出口可根据实际工况任选其中的一个补偿电容器投切出口驱动子单元，以满足不同用户的需求，因此本高性能控制装置的适应性强，尤其是第三补偿电容器投切出口驱动子单元减少了与外部设备的连接线路，简化了电路、提高了可靠性。
本控制装置还具有控制开关设备的功能，比如控制变压器低压侧的总开关和线路开关。另外，本控制装置的计算模块可以计算三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，判断模块根据三相电压和三相电流的1～32次谐波含量，通过第二继电器输出驱动电路控制消谐设备和/或滤波设备来改善电能质量。
进一步地，高性能无功补偿综合控制装置的中央处理单元还包括有越限监视模块用于监视三相电压和三相电流是否越限，当某相电压大于Ug时、电压越电压上限，当某相电压小于Ud时、电压越电压下限；当某相电流大于Ig时、电流越电流上限，对三相电压和三相电流的越限监视和报警功能，有利于保证用电设备的安全。
为了提高配电网的电能质量，本实用新型设计了用于电能质量分析的计算模块，在完成对无功补偿最优控制期间，对供电质量进行计算分析和统计，计算统计电压偏差、电压合格率、电流不平衡度、电压不平衡度，对三相电压和三相电流进行谐波分析，为供电企业改善电能质量提供了科学的依据。
本控制装置的开关、刀闸状态和门禁信号输入单元可为用户提供自定义的应用条件，提高了装置的灵活性。
另外，本控制装置可以与上位机进行通信，通信方式可采用RS485直接与上位机通信。
本控制装置还包括有存储模块，优选地，存储模块为铁电存储器，其存储的参数和记录都可断电保持，便于查看和后期处理。
该控制装置还包括有键盘输入单元用于设定定值参数，如投入和切除的功率因数定值、无功功率门限、投入和切除延时、允许投、切的电压定值、电压合格范围(电压上限、电压 下限)、电流上限、过电压保护定值和欠电压保护定值、投入和切除闭锁时间、电流互感器变比等，还可通过键盘操作查看电能质量计算分析模块所计算的电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度、和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，越限信息和越限报警。该控制装置还包括显示单元，用于显示计算模块计算得出的电网参数、以及通过键盘查看的上述电网参数以及判断模块的投、切指令。使供电部门对电能质量进行实时监测，提高了科学管理水平。
其中的中央处理单元采用32位的DSP(数字信号处理器)或ARM芯片，该芯片运行速度快、处理能力强。
附图说明
图1本实用新型一种高性能无功补偿综合控制装置的结构框图；
图2为图1中的中央处理单元的内部结构框图；
图3为图2中的判断模块的内部结构框图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，高性能无功补偿综合控制装置包括有电压输入单元、电流输入单元、A/D(模/数)转换单元、中央处理单元、开关电源、补偿电容器投切出口驱动单元等。其中的电压输入单元包括电压互感器和具有电平转换功能和滤波功能的信号处理电路，用于将输入的三相电压转换成A/D转换单元所需的弱电信号；其中的电流输入单元包括电流互感器和具有电平转换功能和滤波功能的信号处理电路，用于将输入的三相电流转换成A/D转换单元所需的弱电信号；其中的中央处理单元可以采用32位的DSP芯片或32位的ARM芯片，此时的A/D转换单元可以采用集成在DSP芯片上的A/D转换器，以减低成本、提高抗干扰能力和可靠性，也可采用独立的A/D转换器；其中的开关电源用于给本实用新型的高性能无功补偿综合控制装置供电。补偿电容器投切出口驱动单元控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切。中央处理单元见图2，包括彼此相连的数据接收模块、计算模块和判断模块，与计算模块相连的越限监视模块，与数据接收模块、计算模块、越限监视模块和判断模块分别相连的存储模块，其中的存储模块优选地可以采用铁电存储器。
其中，电压输入单元通过A/D转换单元与中央处理单元的数据接收模块相连，即电压输 入单元将输入的三相电压转换成弱电信号、弱电信号经A/D转换单元转换成数字量后输入给中央处理单元的数据接收模块；电流输入单元通过A/D转换单元与中央处理单元的数据接收模块相连，即电流输入单元将输入的三相电流转换成弱电信号后、弱电信号经A/D转换单元转换成数字量后输入给中央处理单元的数据接收模块。数据接收模块接收三相电压数字量和三相电流数字量，并将其输入给计算模块。计算模块根据数据接收模块的三相电压数字量和三相电流数字量采用FFT算法(快速傅里叶变换算法)计算各项电网参数，电网参数至少包括三相电压Ua、Ub和Uc，三相电流Ia、Ib和Ic，三相无功功率Qa、Qb和Qc，三相有功功率Pa、Pb和Pc，三相功率因数COSφa、COSφb和COSφc，总无功功率Q∑，总有功功率P∑和总功率因数COSφ∑。所述判断模块包括电容器投切判断子模块、允许投切电压判断子模块、电容器组选择子模块、分补电容器组选择子模块、电容器闭锁状态判断子模块和控制子模块，见图3，电容器投切判断子模块通过允许投切电压判断子模块分别与电容器组选择子模块和分补电容器组选择子模块相连，电容器组选择子模块和分补电容器组选择子模块分别与电容器闭锁状态判断子模块相连，电容器闭锁状态判断子模块与控制子模块相连，电容器投切判断子模块将电网无功功率或电网功率因数作为控制判据，判断是否需要投、切电容器组，当满足投、切条件时，所述电容器投切判断子模块将满足投、切条件的信息输入所述允许投切电压判断子模块，启动其做下一步判断，允许投切电压判断子模块收到满足投、切条件的信息后判断三相电压是否均处于允许投、切的范围内，若三相电压均满足允许投、切的条件时，允许投切电压判断子模块将允许投切的信息输入给电容器组选择子模块，若仅有某一相或两相电压满足允许投、切的条件时，允许投切电压判断子模块将允许投切的信息输入给分补电容器组选择子模块，电容器组选择子模块收到允许投切的信息后用于根据无功功率缺额值或超额值选择最接近的共补电容器组或者选择最接近的共补电容器组和分补电容器组用于投或切，分补电容器组选择子模块收到允许投切的信息后根据满足允许投、切条件的电压相的无功功率缺额值或超额值选择最接近的分补电容器组用于投或切，电容器组选择子模块或分补电容器组选择子模块将选择的电容器组的信息输入给电容器闭锁状态判断子模块，电容器闭锁状态判断子模块收到选择的电容器组的信息后判断所选择的电容器组是否处于闭锁状态，若处于闭锁状态则将重新选择电容器的指令输入给下发“选择的电容器组信息”的电容器组选择子模块或分补电容器组选择子模块，电容器组选择子模块或分补电容器组选择子模块接收所述重新选择电容器的指令后重新选择电容器组，若所选择的电容器组未处于闭锁状态，则电容器闭锁状态判断子模块将控制信息输入控制子模块，控制子模块将电容器组的投、切指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元；这里的电网无功功率包括三相无功功率Qa、Qb、Qc和总无功功率Q∑，这里的电网功率因数包括三相功率因数COSφa、COSφb、COSφc和总 功率因数COSφ∑。
所述判断模块还包括用于保护电容器组的电容器组保护判断子模块和保护动作定时子模块，见图3，电容器组保护判断子模块通过保护动作定时子模块与控制子模块相连，电容器组保护判断子模块将计算模块输入的电网参数中的三相电压与电容器的过电压保护定值和电容器的欠电压保护定值进行比较，当满足任一相电压大于或等于电容器的过电压保护定值时、或者满足任一相电压小于或等于电容器的欠电压保护定值时；所述电容器组保护判断子模块将过电压或欠电压信息输入给保护动作定时子模块，保护动作定时子模块接收过电压或欠电压信息后启动并判断保护动作定时时间是否到，若定时时间已到，则将切除电容器组的指令输入给控制子模块，对于分补、控制子模块将切除该相已投入的分补电容器组的指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元，对于共补、控制子模块将切除所有已投入的共补电容器组的指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元；若定时时间未到，则将重新判断指令输入给电容器组保护判断子模块，电容器组保护判断子模块接收所述重新判断指令后重新进行判断。以保证电容器组的安全、延长电容器组的使用寿命，以及出于对系统恢复正常时的安全考虑。
由于补偿电容器投切出口驱动单元根据投、切指令控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切，即可以通过控制三相并联补偿电容器组而选择采用三相共补的控制模式，也可以通过控制多组单相无功补偿并联电容器组而选择采用分补的控制模式，也可以设置部分电容器组为共补而另一部分为分补的控制模式(混合补偿控制模式)。采用混合补偿控制模式能够避免单纯采用共补方式而造成的某一相过补偿和另一相欠补偿的情况发生，有效的降低了三相电压、电流的不平衡度，提高了电压合格率，提高了供电电压质量。
各组电容器的容量可以相等，也可以不相等。当各组电容器的容量不相等时，判断模块根据无功功率缺额值或超额值选择相应的电容器组用于投或切；当各组电容器的容量相等时，判断模块自动选择循环投切的方式，做到对电容器组先投先切，后投后切，各组电容器投切次数均等，提高使用寿命和供电可靠性。本实用新型的电容器组还具有延时投切和闭锁功能，并设置有投切延时及闭锁时间，当某组电容器投入或切除后，进入闭锁状态，以防止对电容器的频繁投切，提高使用寿命和供电可靠性。
补偿电容器投切出口驱动单元包括有三个子单元、对应于控制装置的三个控制出口，可根据实际工况选择某个接口电路与电容器组相连。第一补偿电容器投切出口驱动单元包括相连的第一光电隔离模块和用于驱动接触器的第一继电器输出驱动电路，第一继电器输出驱动电路通过接触器控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切。第二补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第二光电隔离模块和复合开关驱动电路，复合开关驱动电路通过复合开关控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切，本实施例中的第二光电隔离模块即为 第一光电隔离模块，当然，第二光电隔离模块也可以独立于第一光电隔离模块。第三补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第一电平转换电路和RS485通信模块，第一电平转换电路与中央处理单元相连用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信模块的电平，智能复合开关上设置有RS485通信接口，RS485通信模块用于通过智能复合开关控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切。
本实用新型的高性能无功补偿综合控制装置还具备控制开关设备的功能，如图1所示，中央处理单元通过第一光电隔离模块与第二继电器输出驱动电路相连，第二继电器输出驱动电路可用于与外部的开关设备相连来控制开关设备，这里的开关设备可以为变压器低压侧总开关和/或线路开关。同时，本实用新型的高性能无功补偿综合控制装置还具备控制消谐或滤波设备的功能，如图1所示，中央处理单元通过第一光电隔离模块与第二继电器输出驱动电路相连，第二继电器输出驱动电路可用于与外部的消谐或滤波设备相连来控制消谐或滤波设备。中央处理单元的计算模块还具有对三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率的计算和分析功能。计算模块采用FFT算法计算各次谐波含量和总谐波含量及谐波总崎变率；并将计算、分析结果通过显示单元显示，同时通过RS485通信单元将结果上传给上位机，以及将三相电流和三相电压的1～32次谐波含量输入给判断模块。判断模块将三相电流和三相电压的谐波含量与定值进行比较，若超过定值，则通过第二继电器输出驱动电路控制消谐设备和/或滤波设备投入。各次电压谐波含量表示为：HRUn(n表示谐波次数，n＝1～32次)；各次电流谐波含量表示为：I RUn(n表示谐波次数，n＝1～32次)；电压和电流的谐波总畸变率，用百分数XX.XX％表示。
如图2所示，中央处理单元的越限监视模块分别与计算模块和存储模块相连，越限监视模块用于对计算模块计算得到的电网参数的三相电压和三相电流进行越限监视，当某一相电压越电压上限或某一相电压越电压下限或某一相电流越电流上限时，越限监视模块将包括越限时间和越限值的越限信息输入给存储模块，并通过显示单元发出越限报警，同时将越限信息和越限报警通过RS485通信单元上传给上位机。
优选地，本控制装置还具备电能质量分析功能，包括：1.电压偏差是指实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。 
Figure BDA0000044065760000101
2.电压合格率(Voltage gualification rate)是指实际运行电压偏差在限值范围内累计运行时间与对应的总运行统计时间的百分比。 
Figure BDA0000044065760000103
3.不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡程度。用U、I负序基波分量(分别用U2、I2表示)与正序基波分量(分别用U1、I1表示)的方均根值百分比表示，分别用εU2、εI2表示。电压不平衡度计算子模块根据εU2＝(U2/U1)×100％计算得到电压不平衡度εU2，U1为三相电压正序分量的方均根值、单位为伏(V)，U2为三相电压负序分量的方均根值、单位为伏(V)；4.不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡程度。用U、I负序基波分量(分别用U2、I2表示)与正序基波分量(分别用U1、I1表示)的方均根值百分比表示，分别用εU2、εI2表示。电流不平衡度计算子模块根据εI2＝(I2/I1)×100％计算得到电流不平衡度εI2，I1为三相电流正序分量的方均根值、单位为安(A)，I2为三相电流负序分量的方均根值、单位为安(A)。上述的电压偏差值、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度通过显示单元显示，同时通过RS485通信单元上传给上位机。
本实用新型的高性能无功补偿综合控制装置还包括有相连接的开关、刀闸状态和门禁信号输入单元和第三光电隔离模块，开关、刀闸状态和门禁信号输入单元通过第三光电隔离模块与所述中央处理单元相连，所述开关、刀闸状态和门禁信号输入单元可为用户提供自定义的空间，提高了本控制装置的灵活性。
本实用新型的高性能无功补偿综合控制装置还具有与上位机的通信功能，中央处理单元通过第二电平转换电路、RS485通信单元与上位机(远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑)相连，实现本实用新型的控制装置与上位机之间的通信，通信内容包括：①计算模块计算得到的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度，三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，越限模块得到的越限信息，各组电容器运行状态等；②下发和修改各类定值；③发出远方控制电容器命令；④召唤控制装置所采集和发生的事件信息。
如图2所示，中央处理单元还包括分别与所述数据接收模块、计算模块、判断模块和越限监视模块相连的存储模块，用于存储数据接收模块接收的数据，计算模块计算得出的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度、电流不平衡度，和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，越限监视模块得到的越限信息，以及判断模块的投、切指令，其中的数据接收模块接收的数据包括三相电流数字量和三相电压数字量。优选地，存储模块为大容量铁电存储器，其存储的参数和数据都可断电保持。
优选地，高性能无功补偿综合控制装置包括与中央处理单元相连的键盘输入单元，所有与定值有关的参数都可通过键盘输入单元设定，如投入和切除的功率因数定值、无功功率门限、投入和切除延时、允许投、切的电压定值、电压合格范围(电压上限、电压下限)、电流上限、过电压保护定值和欠电压保护定值、投入和切除闭锁时间、电流互感器变比等，还可 以通过键盘查看该装置所计算和分析的电网参数、和电能质量计算分析子模块计算分析的结果。高性能无功补偿综合控制装置还包括与中央处理单元相连的显示单元，用于显示计算模块计算得出的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度、和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，和越限监视模块得到的越限信息，以及判断模块的投、切指令，使供电部门对电能质量进行实时监测，提高了科学管理水平。
本实用新型提供的高性能无功补偿综合控制装置可作为供电企业(或供矿企业)节能降耗的智能设备，其能够对配电变压器的无功补偿设备进行智能控制、控制规律先进、合理，能根据配电变压器(或线路)的实时运行工况，选择最合适的无功补偿容量，更有利于降低网损和变压器的损耗。同时，本实用新型的控制装置能够适应智能电网发展的需求，其电能质量分析和计算功能，给供电企业提供了先进、实用、全面的电能质量分析和统计结果，适应智能电网发展的需要。另外，本实用新型的控制装置能够一表多用，性价比高，一台该控制装置既能作为无功补偿最优控制装置、又可作为配电变压器的远方测控终端、又可完成电容器的过压和欠压保护功能、又可对电能质量进行分析计算、还可根据谐波含有率控制相应的消谐和/或滤波设备投入以改善电能质量。

Claims (23)

1.一种高性能无功补偿综合控制装置，包括中央处理单元、电压输入单元、电流输入单元、A/D转换单元、开关电源和补偿电容器投切出口驱动单元，其特征在于，所述开关电源与所述中央处理单元相连为所述高性能无功补偿综合控制装置供电；所述中央处理单元包括依次相连的数据接收模块、计算模块和判断模块，所述电压输入单元包括电压互感器及信号处理电路，用于将输入的三相电压转换成A/D转换单元所需的弱电信号，弱电信号经所述A/D转换单元转换成数字量后输入给所述数据接收模块，所述电流输入单元包括电流互感器及信号处理电路，用于将输入的三相电流转换成A/D转换单元所需的弱电信号，弱电信号经所述A/D转换单元转换成数字量后输入给所述数据接收模块，所述数据接收模块接收的数字量包括三相电压数字量和三相电流数字量，所述数据接收模块将接收到的数字量输入所述计算模块；所述计算模块根据从数据接收模块输入的数字量计算出电网参数，所述电网参数包括三相电压、三相电流、三相功率因数、三相有功功率、三相无功功率、总功率因数、总有功功率和总无功功率，并将电网参数输入给所述判断模块；所述判断模块根据所述计算模块输入的电网参数进行判断，所述判断模块包括电容器投切判断子模块、允许投切电压判断子模块、电容器组选择子模块、分补电容器组选择子模块、电容器闭锁状态判断子模块和控制子模块，所述电容器投切判断子模块通过所述允许投切电压判断子模块分别与电容器组选择子模块和分补电容器组选择子模块相连，所述电容器组选择子模块和分补电容器组选择子模块分别与电容器闭锁状态判断子模块相连，所述电容器闭锁状态判断子模块与所述控制子模块相连，所述电容器投切判断子模块将电网无功功率或电网功率因数作为控制判据，判断是否需要投、切电容器组，当满足投、切条件时，所述电容器投切判断子模块将满足投、切条件的信息输入所述允许投切电压判断子模块，启动其做下一步判断，所述允许投切电压判断子模块收到满足投、切条件的信息后判断三相电压是否均处于允许投、切的范围内，若三相电压均满足允许投、切的条件时，所述允许投切电压判断子模块将允许投切的信息输入给电容器组选择子模块，若仅有某一相或两相电压满足允许投、切的条件时，所述允许投切电压判断子模块将允许投切的信息输入给分补电容器组选择子模块，所述电容器组选择子模块收到允许投切的信息后用于根据无功功率缺额值或超额值选择最接近的共补电容器组或者选择最接近的共补电容器组和分补电容器组用于投或切，所述分补电容器组选择子模块收到允许投切的信息后根据满足允许投、切条件的电压相的无功功率缺额值或超额值选择最接近的分补电容器组用于投或切，所述电容器组选择子模块或所述分补电容器组选择子模块将选择的电容器组的信息输入给所述电容器闭锁状态判断子模块，所述电容器闭锁状态判断子模块收到选择的电容器组的信息后判断所选择的电容器组是否处于闭锁状态，若处于闭锁状态则将重新选择电容器的指令输入给所述电容器组选择子模块或所述分补电容器组选择子模块，所述电容器组 选择子模块或分补电容器组选择子模块接收所述重新选择电容器的指令后重新选择电容器组，若所选择的电容器组未处于闭锁状态，则所述电容器闭锁状态判断子模块将控制信息输入所述控制子模块，所述控制子模块将电容器组的投、切指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元；其中，所述电网无功功率包括三相无功功率和/或总无功功率，所述电网功率因数包括三相功率因数和/或总功率因数，所述补偿电容器投切出口驱动单元根据投、切指令控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切。
2.根据权利要求1所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述中央处理单元为32位的DSP芯片或32位的ARM芯片。
3.根据权利要求1所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述计算模块采用FFT算法计算得出电网参数。
4.根据权利要求1至3之一所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述判断模块还包括电容器组保护判断子模块和保护动作定时子模块，所述电容器组保护判断子模块通过所述保护动作定时子模块与所述控制子模块相连，所述电容器组保护判断子模块将所述计算模块输入的电网参数中的三相电压与电容器的过电压保护定值和电容器的欠电压保护定值进行比较，当满足任一相电压大于或等于电容器的过电压保护定值时、或者满足任一相电压小于或等于电容器的欠电压保护定值时；所述电容器组保护判断子模块将过电压或欠电压信息输入给所述保护动作定时子模块，所述保护动作定时子模块接收所述过电压或欠电压信息后启动并判断保护动作定时时间是否到，若定时时间已到，则将切除电容器组的指令输入给所述控制子模块，对于分补、所述控制子模块将切除该相已投入的分补电容器组的指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元，对于共补、所述控制子模块将切除所有已投入的共补电容器组的指令输入给补偿电容器投切出口驱动单元；若定时时间未到，则将重新判断指令输入给所述电容器组保护判断子模块，所述电容器组保护判断子模块接收所述重新判断指令后重新进行判断。
5.根据权利要求4所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述补偿电容器投切出口驱动单元包括第一补偿电容器投切出口驱动子单元和/或第二补偿电容器投切出口驱动子单元和/或第三补偿电容器投切出口驱动子单元，所述第一补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第一光电隔离模块和用于驱动接触器的第一继电器输出驱动电路，所述第一光电隔离模块与所述中央处理单元相连，所述第一继电器输出驱动电路通过接触器控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切；
所述第二补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第二光电隔离模块和复合开关驱动电路，所述第二光电隔离模块与所述中央处理单元相连，所述复合开关驱动电路通过复合开关 控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切，其中的第二光电隔离模块与所述第一光电隔离模块为同一光电隔离模块或不同的光电隔离模块；
所述第三补偿电容器投切出口驱动子单元包括相连的第一电平转换电路和RS485通信模块，所述第一电平转换电路与所述中央处理单元相连用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信模块的电平，所述RS485通信模块用于通过智能复合开关控制共补电容器组和/或分补电容器组进行投或切，所述智能复合开关带有RS485通信接口。
6.根据权利要求5所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括与所述第一光电隔离模块或第二光电隔离模块相连的第二继电器输出驱动电路，所述第二继电器输出驱动电路可用于控制开关设备，所述开关设备包括变压器低压侧总开关和线路开关。
7.根据权利要求5所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括与所述第一光电隔离模块或第二光电隔离模块相连的第二继电器输出驱动电路，所述第二继电器输出驱动电路可用于控制消谐设备和/或滤波设备；所述计算模块计算得出的电网参数还包括三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，所述判断模块对电网参数中的三相电压和三相电流的1～32次谐波含量进行判断，若某次谐波超过定值，则可通过第二继电器输出驱动电路控制相应的消谐设备和/或滤波设备投入。
8.根据权利要求7所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述计算模块采用FFT算法计算得出三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率。
9.根据权利要求5所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述中央处理单元还包括越限监视模块，所述越限监视模块与所述计算模块相连对三相电压和三相电流进行越限监视，若任一相电压越电压上限或电压下限，或任一相电流越电流上限，则记录越限信息并发出越限报警，所述越限信息包括越限值和越限时间。
10.根据权利要求9所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述计算模块还包括电压偏差计算子模块、电压合格率计算子模块、电压不平衡度计算子模块和电流不平衡度计算子模块，其中：
Figure DEST_PATH_FDA0000044369120000031
Figure DEST_PATH_FDA0000044369120000033
所述电压不平衡度计算子模块根据εU2＝(U2/U1)×100％计算得到电压不平衡度εU2、U1为三相电压正序分量的方均根值、U2为三相电压负序分量的方均根值；所述电流不平 衡度计算子模块根据εI2＝(I2/I1)×100％计算得到电流不平衡度εI2、I1为三相电流正序分量的方均根值、I2为三相电流负序分量的方均根值。
11.根据权利要求5所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述高性能无功补偿综合控制装置还包括有相连接的开关、刀闸状态和门禁信号输入单元和第三光电隔离模块，所述开关、刀闸状态和门禁信号输入单元通过所述第三光电隔离模块与所述中央处理单元相连。
12.根据权利要求1至3之一所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
13.根据权利要求10所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述中央处理单元还包括存储模块，所述存储模块分别与所述数据接收模块、计算模块、判断模块和越限监视模块相连，用于存储所述数据接收模块接收的数据、所述计算模块计算得出的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度、和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，和所述越限监视模块得到的越限信息，以及所述判断模块的投、切指令，所述数据接收模块接收的数据包括三相电流的数字量、三相电压的数字量。
14.根据权利要求13所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述存储模块为铁电存储器。
15.根据权利要求10所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，所述高性能无功补偿综合控制装置还包括与所述中央处理单元相连的键盘输入单元和显示单元，所述键盘输入单元用于设定定值参数和/或查看所述计算模块计算得到的电压偏差、电压合格率、电流不平衡度和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，以及越限监视模块得到的越限信息和发出的越限报警，所述显示单元用于显示所述计算模块计算得出的电网参数、电压偏差、电压合格率、电压不平衡度和电流不平衡度、和三相电压和三相电流的1～32次谐波含量、谐波畸变率和谐波总含量、谐波总畸变率，和所述越限监视模块得到的越限信息，以及所述判断模块的投、切指令。
16.根据权利要求4所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485 通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
17.根据权利要求5所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
18.根据权利要求6所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
19.根据权利要求7所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
20.根据权利要求8所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
21.根据权利要求9所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。 
22.根据权利要求10所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。
23.根据权利要求11所述的高性能无功补偿综合控制装置，其特征在于，还包括相连接的第二电平转换电路和RS485通信单元，所述中央处理单元通过所述第二电平转换电路和RS485通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连，所述第二电平转换电路用于将电平从中央处理单元的电平转换成RS485通信单元的电平，所述RS485通信单元，其通过外部的无线通信单元或光纤或载波通信单元与远方监控主机或用于现场调试的笔记本电脑相连。 
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