CN202856360U - 可在线监测的智能高压无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可在线监测的高压无功补偿系统，包括后台服务器、至少一个电力综合测控仪和无线通讯单元，后台服务器与电力综合测控仪通过无线通讯单元连接，电力综合测控仪通过无线通信单元将电网测量数据传输给后台服务器，后台服务器将控制命令通过无线通信单元发送给电力综合测控仪。本实用新型将无线通讯技术应用到10/6KV配电网无功补偿装置中，实现对分布全国各地设备的实时监控和数据采集；本实用新型将无功潮流分析应用到10/6KV配电网无功补偿装置中，彻底解决了现有补偿装置频繁投切电容和向上倒送无功的顽疾，使得无功电流能够在系统中就地补偿，保证了无功潮流的最优化。

Description

可在线监测的智能高压无功补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种电力系统装置，尤其涉及一种可在线监测的智能高压无功补偿装置。 

背景技术

由于社会的发展对电力需求的持续增加，电力用户对电力企业提出了更高的要求，一方面要保证电网本身的安全性和可靠性，并尽可能降低无功损耗，提高电网运行经济性；另一方面，满足用户对电能高质量的要求。这种矛盾的存在必然要求引入新的技术以改善电能质量，提高电网本身的智能化水平。电力系统无功优化是保证系统安全性、稳定性、经济性、降低网络有功损耗、提高电能质量的重要措施。 

但是10/6kV电力系统中采用的现有高压无功补偿装置存在的主要问题： 

(1)现有保护装置缺少对电容器运行状态的实时监测，以及缺乏对电容器组的投切过程和故障跳闸过程的录波功能，以致对电容器装置运行状态分析，尤其是对电容器装置发生事故原因分析研究缺少基础依据。 

(2)不能达到全局最优：目前的自动补偿方式均针对采样点数据进行计算，因为控制器之间缺乏交流，采用的算法落后，控制器不能综合全网运行情况是无功潮流的分布趋于最合理，经济效益达到最佳，存在无功向配电网倒送现象，同时也不能实现对电网的遥测，不适于现代化电网的发展趋势。 

(3)控制器的抗干扰能力差：因为控制器的工作环境存在大电流、较强磁场等，经常出现误动作或死机现象，不适合(或不能够)在有谐波的系统中工作，控制器的功能比较简单，不能满足先进(需要多种保护功能)的补偿系统的控制要求。 

(4)成套装置的制作一般采用分离元、器件，柜体内部结构复杂，组装工艺难度大。 

(5)由于元器件分别在不同的生产厂家购买，而元器件质量水平参差不齐，各种元器件之间的参数配合(匹配)不准确或不合理，造成补偿设备运行不可靠，故障率高。 

实用新型内容

针对现有高压无功补偿装置的缺陷，本实用新型采用无线通讯实现了对分布全国各地的装置进行在线监测的目的，能在线实时获得各装置的状态数据，为电力系统的故障分析提供可靠的依据。 

本实用新型的技术方案为：一种可在线监测的智能高压无功补偿装置，包括后台服务器、 至少一个电力综合测控仪和无线通讯单元，后台服务器与电力综合测控仪通过无线通讯单元连接，电力综合测控仪通过无线通讯单元将电网测量数据传输给后台服务器，后台服务器将控制命令通过无线通讯单元发送给电力综合测控仪。 

所述后台服务器包括数据处理单元、数据管理单元、报表生成及管理单元和数据文件管理及回放单元，数据处理单元处理测量数据；数据管理单元将测量数据保存到数据库中并对数据库中的数据进行操作；报表生成及管理单元将测量数据的处理结果生成报表；数据文件管理及回放单元将测量数据的处理结果生成电力系统标准文件。 

所述电力综合测控仪包括DSP芯片、数据采集模块和继电器模块，数据采集模块采集电网信息数据，DSP芯片对采集的数据进行处理并控制继电器模块的输出。电网信息数据包括电压和电流数据。 

DSP芯片获得电压和电流数据后计算功率参数，比如有功功率、无功功率和功率因数等，根据改进九区逻辑图控制继电器的输出，通过继电器输出就可以控制电容器的投切，从而实现了自动无功补偿。电力综合测控仪既能单独完成电力参数测量与地区局部网络控制任务，又能作为一个有着交互功能的RTU工作于一个大型网络内，实现区域电网内的潮流主要是无功潮流的优化。 

所述信息采集模块包括测量芯片，测量芯片测量电网数据。 

所述测量芯片包括一增益放大器，两个Δ-∑模数转换器和功率计算模块，增益放大器通过寄存器方式获得被测量的电网信息数据，并将电网信息数据传输给Δ-∑模数转换器进行摸数转换后，再将数据传输到功率计算模块进行计算处理。 

所述无线通讯单元为GPRS通讯单元。 

配电网无功优化系统通过独立的无功补偿装置监控系统采集全网各节点运行电压、无功功率有功功率等在线数据，并依据全网历史资料，以配电网区域电能损耗最少、设备动作次数最少为约束条件，运行优化算法，形成相应控制策略，对无功补偿设备进行控制，从而实现地区电网电压无功优化运行。 

将GPRS无线通讯技术应用到配电线路电压无功优化补偿系统中，实时监控用户设备使用状态及系统参数向用户提供远程服务，达到供、用双方互赢效果。无线通讯可实现与设备的定时召唤各种电力参数，修改控制参数，远程操控电容组的投切，满足供电企业改善用电线路电压质量，提高功率因数、降低线损，提高效益的需求。 

无功补偿装置采用积木式结构，使整套装置组装模块化、标准化和规范化，各柜体之间通过母线系统任意，便于用户容量的扩充和检修维护，在最大程度上“用规范的产品解决不规范的系统”。 

解决好配电网络无功补偿的问题，有效避免大量无功的远距离传输，降低线损，增加电量，提高电网企业的经营效益。 

能够有效地维持系统电压水平，增强系统的电压稳定性，提高电网企业的服务水平。 

具有“四遥”功能。 

利用无线通讯系统，实时监控用户设备使用状态及系统参数，向用户提供远程服务。 

选用体积小、寿命长、分断能力强的CEMCS型永磁式电容器专用投切开关。 

整套装置一次器件安装位置固定，一次连接铜排都是标准尺寸；控制线采用装用的插接件连接，这样可以提前预生产，大大减少了供期，组装维护方便。 

本实用新型的有益效果： 

1、将无线通讯技术应用到10/6KV配电线路电压无功优化补偿系统中，实现对分布全国各地设备的实时监控和数据采集，是电力系统实现智能化的先进产品。利用通讯功能借助后台数据管理系统可以获得前面板所不能显示的许多信息，如波形采集、事件记录、极值记录等数据。同时能够在需要进行故障分析的时候调出故障前后的录波数据， 

2、本系统将无功潮流分析应用到10/6KV配电线路电压无功优化补偿系统中，彻底解决了现有补偿装置频繁投切电容和向上倒送无功的顽疾，使得无功电流能够在系统中就地补偿，保证了无功潮流的最优化。 

3、采用系统主站管理，首次实现通过远程无线网络远程控制补偿电容器组的投切，分段补偿线路的电压降，改善了线路末段的电压质量，解决了长期以来让供电部门头疼的线路首段电压太高，而末段电压又太低的矛盾。 

4、本装置的微机测控单元，不仅集电网信息采集、数据通讯、数据存储、补偿控制于一体，还特别增加了完善的电容器保护功能，保证了补偿系统的安全、可靠、长期稳定运行。 

5、装置为积木式结构，是整套装置组装模块化、标准化和规范化，各柜之间通过母线系统任意，便于容量的扩充和检修维护。可根据用户补偿容量及补偿精度的需要选择若干标准容量的投切柜。 

附图说明

图1是本实用新型的高压无功补偿装置的结构示意图； 

图2是后台服务器结构图； 

图3是后台服务器对数据的操作方法流程图； 

图4是本实用新型系统软件界面示意图； 

图5是高压无功补偿装置中的电力综合测控仪结构示意图； 

图6是改进的电容器投切九区逻辑图 

图7是数据无线通讯收发示意图； 

图8是电力综合测控仪的数据处理流程图； 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述。 

一种可在线监测的智能高压无功补偿装置，包括后台服务器、至少一个电力综合测控仪和无线通讯单元，后台服务器元与电力综合测控仪通过无线通讯单元连接，后台服务器获取电力综合测控仪传输的测量数据。 

具体系统的组成可见图1。 

1.后台服务器设计 

后台服务器的工作是管理系统的核心，主要负责采集实时信息，整体上对无功补偿装置配进行监视和控制，分析无功补偿装置的运行状态及向用户提供远程服务，实现与无功补偿装置的定时召唤各种电力参数，修改控制参数，远程操控电容组的投切。 

后台服务器中包括数据处理单元、数据管理单元、报表生成及管理单元和数据文件管理及回放单元。详见图2通过这四个单元实现了友好界面地数据管理和对用户的远程服务，能够根据测量数据和用户要求对电容组投切进行远程操控，最终实现在线的高压无功补偿。 

其中，数据主要通过Access数据库进行保存、查询、修改、删除等工作，进而实现数据回放、波形重现功能。 

1、软件设计与实现 

后台服务器中的四个单元的功能如下： 

数据处理单元：对测量数据进行分析处理 

数据库管理单元：应用LabSQL与Access数据库链接技术，实现LabIEW数据链接，并实现数据的保存、显示、修改、删除等操作。 

报表生成及管理单元：利用RGT生成Excel报表技术，实现Excel报表生成和数据报表生成，并对其进行管理操作。 

数据文件管理及回放单元：采用ActiveX引用节点技术，对采集及故障录波的各种数据进行保存，转化成为电力系统标准文件，并进行管理。 

2、数据的具体操作 

后台服务器中四个单元进行数据操作的方法参见图3： 

1)监控模块启动后对DNS配置初始化； 

2)监控模块接收电力综合测控仪采集的数据； 

3)数据库管理单元应用LabSQL与Access数据库链接技术，实现LabIEW数据链接，将测量数据保存到数据库中，并对数据库中的数据进行保存、显示、修改、删除等操作： 

4)数据处理模块调用相应的数据文件进行处理分析； 

5)报表生成及管理单元将数据处理分析后的结果生成Excel数据报表； 

6)数据文件管理及回放单元采用ActiveX引用节点技术，根据用户需要将采集的数据及处理分析后的结果生成电力系统标准文件。即采集及故障录波的各种数据进行保存，转化成为电力系统标准文件，并进行管理。 

3、后台服务器的用户使用 

通过后台服务器用户可以通过界面对系统进行操作，其具体界面分为4级，参见图4。 

用户登录后，可以通过实时监控、电能质量、历史曲线和设备管理四级目录获得相应的数据，并能对这些数据进行操作。如图4所示。 

2.电力综合测控仪设计 

电力综合测控仪的核心部件为高速数据处理器DSP，采用交流采样技术，经过网络拓扑分析、潮流计算和无功优化计算，电力综合测控仪综合分析线路全段的无功潮流和电压质量，发出动作指令，控制补偿单元电容器的投切，实现线路电压全线合格，无功就地补偿，无功潮流最优化运行的目的。 

2.1测量单元设计 

电力综合测控仪包括单片机、数据采集模块和继电器。它控制继电器的输出，从而实现电容器的投切。参见图5。 

DSP56F807数字信号处理器，最主要的原因是它与其他的通用DSP相比具有更丰富的I/O口和多种外围设备以及丰富的存储单元，它在单一的DSP芯片上集成了通用的I/O模块GPIO，2个异步通讯模块SCI，1个同步串行外设模块SPI，1个控制器局域网CAN2.0B，4×4路A/D变换模块，实现了完全的单片化。应用中采用灵活的设计方法，根据实际控制的要求，某些模块被当作简单的I/O使用。另外，它的片内程序在本装置应用中完全实现了总线不出芯片的设计思路，使得装置整体运行具有极高的可靠性和稳定性。 

2.2信号采集 

系统的数据采集部分主要以下几部分组成：电压互感器、电流互感器、精密电阻、测量芯片。电压互感器测量电网电压信息，电流互感器获得电网电流信息后将电压和电流信息输送到信号放大电路进行放大后输送到电平提升电路后输入到滤波电路进行信号过滤在输入到测量芯片，即将电压互感器和电流互感器二次输出电压、电流模拟量经过上述环节处理成大 小与输入量成正比、相位不失真的模拟量，输入到DSP的A/D转换通道进行采样，将其转化为计算机能接受与识别的数字量。测量芯片集成了一个可编程的增益放大器(PGA)，两个24位的Δ-∑模数转换器等部分。使用他可以通过寄存器方式获得被测量的电压电流瞬时值和电压电流有效值(Imax、Umax)及有功功率。Δ-∑ADC又被称为过采样A/D转换器，使用这种技术用较低的成本实现了高分辨率、高输入宽带、低噪音、抗干扰能力强的AD转换，且使用该技术的数模转换器是最容易被集成进各种用途的集成电路中。 

2.3软件总体结构 

在单片机软件设计中采用了结构化和模块化的设计方法，初始化程序中，除了对寄存器赋值，还要读取E²PROM中的数据判断电容器在上次掉电前是否发生故障，入存在故障则不进行控制。单片器采集数据，是从测量芯片中读取计算好的电压、电流、有功等有效数据。为保证电容器切后充分放电，设计了10分钟保护函数，在此间不进行控制。在程序设计时，侧重电容器的保护，实现的保护功能有：欠压保护、过压保护、过流保护、缺相保护。从软件上保证了装置的安全运行。 

通过电力综合测控仪获得的电压和电流数据，计算功率参数，对继电器进行控制从而控制电容器的投切，其补偿无功功率，提高功率因数；增加电网的传输能力，提高设备利用率；降低线路损耗和变压器损失；减少设备容量；改善电压质量。 

电力综合测控仪对电容器组的控制是按照以下改进的九区逻辑图策略进行的(参见图6，其中，图中的ΔU是指投切一组电容器所引起10kV的电压变化量)： 

1区：无功大于无功上限，电压低于电压下限，投电容器； 

2区：无功大于无功上限，电压合格，投电容器； 

3区：无功大于无功上限，电压大于电压上限，保证电压合格，强切电容器； 

4区：无功合格，电压大于电压上限，保证电压合格，强切电容器； 

5区：无功低于无功下限，电压大于电压上限，切电容器； 

6区：无功低于无功下限，电压合格，切电容器； 

7区：无功低于无功下限，电压低于电压下限，保证电压合格，强投电容器； 

8区：无功合格，电压低于电压下限，保证电压合格，强投电容器； 

9区：无功合格，电压合格，无动作； 

10区：无功大于无功上限，电压合格，但是投一组电容器以后，电压将大于电压上限，无动作； 

11区：无功小于无功下限，电压合格，但是切一组电容器以后，电压将低于电压下限，无动作； 

12区：电压大于过压限值，并达到整定时间，全切电容器； 

13区：电压小于欠压限值，并达到整定时间，全切电容器。 

软件采用了C语言和汇编混合编程，在软件设计中采用了定时中断存储历史数据，串行口通信中断上传，下传实时数据及历史数据，硬件中断结构键盘命令查看参数或修改参数。 

3.无线通讯单元 

无线通讯单元为GPRS通讯单元，后台服务器利用“GPRS无线通讯网络”召唤电力综合测控仪测量的信息数据。此单元实现系统达到四遥(遥测、遥信、遥调、遥控)、无人值守，对分布全国各地设备的实时监控和数据采集，使产品实现智能化。 

3.1GPRS网络数据包的收发 

终端设备通过串行方式接到电力综合测控仪上并与GSM基站通信。GPRS数据分组是从基站发送到SGSN节点，SGSN与网关支持节点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络，见图7。 

来自Internet、标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。电力综合测控仪工作时，用户上位系统向其发送工作指令和数据，数据由IP模块进行TCP/IP协议转换，打成IP数据包，再由MC35模块以GPRS数据包的形式发送到SGSN。 

由于GPRS网络工作方式是以IP地址寻址为基础的，所以目标服务器端只需要简单接入Internet，并具备公网分配的IP地址即可。同时，因为GPRS终端产品本身由网络提供商动态地分配IP地址，在未进入连接待机状态时，其本身是不具备IP地址的。因此必须先将控制测量单元进行相应初始化，并由设备终端主动向服务器发送数据，进行连接，目标服务器才能对终端设备及电力综合测控仪进行控制。 

电力综合测控仪上电复位后，首先对MAX232进行初始化，完成与外接模块协商处理，如波特率、是否有奇偶校验等。接着，通过串口1对MC35模块进行初始化，检查诸如SIM卡情况、GPRS网络覆盖情况、信号情况等。接下来，进行中断扫描，监控是否有数据到来。有关数据时，如果是外部数据，就启动数据打包处理过程；如果是GPRS数据，就启动数据解包处理过程。如果没有数据，系统则进入节电模式。在数据打包处理过程中，如果检测到系统的信号不好，网络连接不畅通，或者不是GPRS网络覆盖区，将进行数据发送缓存处理，同时将数据放进发送队列等待发送。如图8所示。 

Claims (4)

1.一种可在线监测的智能高压无功补偿装置，其特征在于，包括后台服务器、至少一个电力综合测控仪和无线通讯单元，后台服务器与电力综合测控仪通过无线通讯单元连接，电力综合测控仪通过无线通讯单元将电网测量数据传输给后台服务器，后台服务器将控制命令通过无线通讯单元发送给电力综合测控仪。

2.如权利要求1所述的可在线监测的智能高压无功补偿装置，其特征在于，所述电力综合测控仪包括DSP芯片、数据采集模块和继电器模块，数据采集模块采集电网信息数据，DSP芯片对采集的数据进行处理并控制继电器模块的输出。

3.如权利要求2所述的可在线监测的智能高压无功补偿装置，其特征在于，所述信息采集模块包括测量芯片。

4.如权利要求1所述的可在线监测的智能高压无功补偿装置，其特征在于，所述无线通讯单元为GPRS通讯单元。 

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