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配变监测和电容器自动投切装置的设计


作者:张敏
摘要:配电网的发展需求使得配电变压器的监测和配电线路的无功补偿越来越重要。据此本文所述装置对变压器的各个参数进行实时监测,并自动进行无功补偿,以及电容器自动投切的控制策略。对电力用户来说,过多地从电网中吸取无功功率,会降低电能质量,影响生产过程中的加工精度。为了减少无功功率在电网中的流动,就需要进行无功补偿,以减少线损,改善电能质量,消除无功功率对系统带来的种种负面影响,采用并联电容器进行无功补偿是一种有效的补偿方式。
关键词:配变监测;无功补偿;电容器投切;控制策略
1、概述
在配电网自动化技术越来越重要的今天,如何改善供电质量、实时监测配电网运行情况变得尤为重要。为使供电部门了解配电运行状况,制定最经济、安全运行方案及设备增容等提供一套完整的科学依据,是配、用电管理自动化以及城网改造等方面的重要内容。
对输配电系统来说,无功功率是系统中的一个重要参数,它使系统中输送的总电流增加,使变压器的出力变小,使得设备及供电线路的有功功率损耗相应地增大,线路末端电压损失增加。对电力用户来说,过多地从电网中吸取无功功率,会降低电能质量,影响生产过程中的加工精度。为了减少无功功率在电网中的流动,就需要进行无功补偿,以减少线损,改善电能质量,消除无功功率对系统带来的种种负面影响,采用并联电容器进行无功补偿是一种有效的补偿方式。
因此,设计一种既可以对配电网运行状况进行监视又能进行就地无功补偿的配电运行综合测控装置显得十分必要。在以往经验的基础上,结合我国城乡电网实际运行情况,借鉴国内外同类产品的优点,制定了一种设计配变监测及无功补偿装置的方案。该装置适用于工频380V低压输配电电网,可广泛应用于户外台式变压器、室内配电站、箱式变电站及机械、矿山、铁道、化工等低压用户,对系统无功功率进行自动跟踪补偿和配电监测。
2、硬件设计
合理的硬件结构设计是有效的协调工作的基础。装置的硬件结构一般采用模块化的设计,这样的设计可以有效地把不同的任务类型作初步的划分。
装置分为电源模块、主机模块、信号及出口模块、交流变换模块、人机接口和通信模块等几部分。
该装置主机模块CPU采用80C196KB单片机,数据存储器为大容量的Flash,采用Flash芯片作为数据存储区,在掉电时数据不会丢失,可以保存数据以备上电后重新使用。逻辑选址单元采用GAL集成芯片G16V8,使系统的各个逻辑地址选择灵活方便,且使系统体积缩小,提高可靠性。特有的看门狗电路使单片机在系统异常情况下可以自动复位,使程序重新恢复运行。整个外围电路简单明了,抗干扰性强保证微机系统正常运行。交流变换模块部分模拟量采集采用集成运放电路对变压器低压侧的三相电流、三相电压进行滤波、整形放大等措施,再经过采样保持进入采样回路进行采样;为消除采样不同步和周期测量误差对测量精度的影响采用锁相倍频技术,用锁相环电路CD4046使采样频率fs对工频频率f的在线自动跟踪满足条件fs Ntimes;f,从而保证在一个工频周期内均匀采集N个点。信号及出口模块输出部分由CPU经光电隔离后对晶闸管发触发脉冲控制电容器组的投切。通信接口分为互为切换的RS-485和RS-232两种方式,可在就地调试和远传数据。
3、软件设计
软件结构采用模块化设计,这样调试方便,易于组合和集成。主要包括初始化自检模块、数据采集模块、数据处理模块、控制投切模块、通信模块、人机对话模块等。
数据采集和处理模块以及控制投切模块是整个程序的核心部分,也是装置能否正确投切电容器进行无功补偿的关键。数据采样在数据处理子程序中由定时器中断来进行,定时器的定时时间由f/N确定,连续采集4个周波的数据,然后关闭定时器中断。采集的数据放在存储区经过数字滤波后再进行快速傅立叶计算(FFT),计算出各个电力参数,电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等,其中电压和无功功率是两个重要的参数,根据电压和无功功率的大小可以制定无功补偿的控制策略,可有效地控制就地自愈式电容器的投切,自动跟踪负荷无功电流和电网电压,控制晶闸管投切低压电容器,减少总电流,降低网损。
控制策略是以最大限度保证电压合格率为原则,进行最优无功补偿。控制策略中的电压、无功或功率因数限值可根据实际需要在现场实时修改。控制策略采用电压/无功井字形控制:设过压值为UHH,欠压值为ULL,电压上限为UH,电压下限为UL,无功上限、下限分别为QH、QL(或功率因数上限CSH、下限CSL),则有:
电压低于ULL时不投,已投入的切除(欠压);
电压在ULL、UL之间时可强投,过补不切;
电压在UL、UH之间时,讨论如下:
若无功为感性且其值大于QH(或无功为感性且功率因数小于CSH),则投入电容器;
若无功为容性或其值大于QL(或无功为容性且功率因数小于CSL),则切除电容器。
电压在UH、UHH之间时闭锁,维持输出不变;
电压大于UHH时,全部切除电容器(过压)。
4、功能特点:
本装置对配电设备的运行情况进行实时监测,记录各种电力参数的值、每小时平均有功电度、无功电度,计算电压合格率,自动记录一年停电时间(小时数),各组电容器一年的投切次数及当前的投切状态等参数值。且带有相序检查功能并实时检测PT信号,当接错相序或PT断线时会闭锁投切电容器并报警。装置内采用特制电源,除非三相全断电或断线,否则装置都能工作。采用大功率固态继电器作为投切电容器的开关,无触点、过零投切,投切时无冲击,可频繁投切、寿命长。
5、结束语
本文从软硬件相结合的角度提出了一种配变监测和自动无功补偿装置的方案。该方案软硬件思路简单、调试方便、功能齐全,可以有效的改善电力系统配电的运行。
参考文献:
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