CN104578110B - 分布式无功补偿***的无功补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无功补偿***的无功补偿控制方法，所述的分布式无功补偿***包括若干个基于总线连接的补偿模块，利用分布式无功补偿***中补偿模块的通信时延确定主模块和从模块，并构建无功补偿网络；由主模块控制所述的无功补偿网络对电网进行无功补偿，且在补偿过程中若主模块发生故障，则根据通信时延重新从所述补偿模块中确定主模块和从模块，并重新构建无功补偿网络。本发明的无功补偿控制方法采用一主模块带多个从模块的控制方法，由有主模块控制进行无功功率补偿，可以自动确定主模块和从模块，并组建无功补偿网络，且在主模块发生故障时，重新确定主模块和从模块，重新构建无功补偿网络，大大提高了***的可靠性。

Description

分布式无功补偿***的无功补偿控制方法

技术领域

本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种分布式无功补偿***的无功补偿控制方法。

背景技术

随着我国工业的发展，钢铁、冶金、化工行业中的轧钢机、电弧炉等大容量、冲击性的非线性负载大量的接入电网，产生了大量的谐波电流、无功功率，给电网带来了额外的负担，对电力***的运行稳定性和动态性能造成了严重的负面影响。

对于电网中无功功率的治理，合理的解决方法应该是在需要消耗无功功率的负载处产生无功功率，即无功功率的就地补偿。全国供用电规则规定：无功电力应就地平衡，并且达不到功率因数要求的用户将由供电部门对其进行罚款。

因此，对于安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便的分布式无功功率就地补偿装置，研究一种能够动态补偿，兼顾三相共补和三项分补，易于模块扩容，运行稳定可靠的无功补偿控制方法，对电网***的稳定运行以及电力用户，都有十分重要的意义。

用户现场无功功率补偿容量的需求是不确定的，而单个无功补偿模块的补偿容量有限。为满足方便扩充补偿容量的应用需求、动态补偿无功功率，在以上完整的无功补偿控制器设计的基础上，基于控制器中已有的通信接口，设计多模块联网运行时协调工作、补偿无功功率的方案，研究包含多个模块的分布式智能型无功补偿***，实现多个模块间的联网通信、协调工作以扩充无功补偿容量。

某些无功补偿应用场合需要兼顾就地补偿与集中补偿的需要，综合考虑整个配电***的无功功率平衡，要求某些负载就地补偿时适当地过补。显然，就地补偿自动运行补偿无功功率的工作方式不能够满足这种要求。这就提出了通过上位机控制各个就地补偿点的补偿容量的功能需求，即远程控制工作方式。

此外，配电网中还要求各就地补偿点上传无功补偿***运行情况、电能质量参数，即实现远程测量功能。

目前，大多数无功补偿电容器大多数由单组电容器或者一个控制带多组电容器工作，进行无功补偿，但是单组电容器无法根据现场武功变化进行合理的补偿，容易出现过补或者欠补的情况，而一个控制器带多组电容器的结构接线复杂，且一旦控制发生问题，***将不能工作，导致电网无功过大，甚至电网中其他装置无法正常工作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种分布式无功补偿***的无功补偿控制方法。

一种分布式无功补偿***的无功补偿控制方法，所述的分布式无功补偿***包括若干个基于总线连接的补偿模块，利用分布式无功补偿***中补偿模块的通信时延确定主模块和从模块，并构建无功补偿网络；由主模块控制所述的无功补偿网络对电网进行无功补偿，且在补偿过程中若主模块发生故障，则根据通信时延重新从所述补偿模块中确定主模块和从模块，并重新构建无功补偿网络。

本发明的无功补偿控制方法采用一主模块带多个从模块的控制方法，由有主模块控制进行无功功率补偿，***可以自动确定主模块和从模块，并组建无功补偿网络，且在主模块发生故障时，重新确定主模块和从模块，重新构建无功补偿网络，大大提高了***的可靠性。

在分布式无功补偿***中每个补偿模块均设置有相应的通信地址，不同通信地址处的补偿模块的通信路径延时不同，本发明中通过如下方法确定主模块和从模块：

通过如下方法确定主模块和从模块：

上电复位后各个补偿模块均向其他补偿模块发送主模块确认命令，若当前补偿模块在延时过程中接收到来自其他补偿模块的主模块确认命令，则认为当前补偿模块为从模块，否则，认为当前补偿模块为主模块。

对于任意补偿模块而言，其延时过程指该补偿模块从上电到向其他补偿模块发送主模块确认命令的等待过程。

本发明中通过通信时延确定主模块和从模块，如此可保证确定得到的主模块与从模块的通信时延最小，大大提高了通信的时效性，保证无功补偿的实时性。

由于主模块与从补偿的通信时延最小，因此采用主模块主动进行自身故障检测，能够及时发现故障。

主模块构建无功补偿网络时进行如下操作：

首先验证各个从模块的有效性，并按照预设的查询周期定时查询自身以及各个有效的从模块的模块信息，根据查询结果将自身与有效的从模块组建为无功补偿网络；

所述的模块信息包括该补偿模块的补偿容量、工作方式和各个补偿电容的工作状态。

其中，通过如下方法验证各个从模块的有效性：

主模块按照预设的查询周期按照各个从模块的通信地址依次向各个从模块发送查询信息，针对任意一个从模块：若连续n个查询周期未接收到该从模块返回的信息回复，则认为该从模块无效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息；若接收到该从模块返回的信息回复，则接收到的回复信息进行校验：若校验失败，则认为该从模块无效；否则，认为该从模块有效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息。作为优选，所述n的取值为2～5。

在无功补偿过程中通过如下方法确认主模块发生故障：

主模块按照所述的补偿周期定时向各个从模块发送主模块正常工作的确认信息，若所有从模块在均未接收到来自主模块的正常工作的确认信息，则认为所述的主模块发生故障。

在无功补偿过程中主模块按照所述的补偿周期定时向各个从模块发送主模块正常工作的确认信息后，对于任意一个从模块，若主模块未接收到该从模块的返回信息，则认为该从模块发生故障，主模块将该从模块从无功补偿网络中移除出无功补偿网络。

主模块通过如下操作控制所述的无功补偿网络对电网进行无功补偿：

(S1)主模块按照预设的补偿周期根据电网每一相的相电压和相电流分别计算每一相的无功功率和功率因数；

(S2)根据所述的无功功率和功率因数，以及所述无功补偿网络中各个补偿模块的模块信息形成投切指令，并发送给相应的补偿模块以控制该补偿模块中补偿电容的投切。

所述步骤(S2)中基于以下原则形成投切指令：

(a)不允许过补偿，允许适当的欠补偿；

(b)当电网三相均欠补时优先投入三相共补偿模块中的补偿电容，过补时优先切除分相补偿模块中的补偿电容；

(c)投切时，先投入的补偿电容先切除，后投入的补偿电容后切除；

(d)每次投切时仅改变一个补偿模块中补偿电容的投切状态，可以防止大量补偿电容同时投入电网或从电网切除时，引起电网冲击。

根据组成的无功补偿网络的实际情况形成投切指令，当三相均欠补偿的情况下，且无功补偿网络中存在未投入的三相共补偿模块时，判断是否存在满足(a)的三相共补偿模块，若满足，则从满足(a)的三相共补偿模块中选择容量最大，并将该三相共补偿模块中每一相的补偿电容都投入到电网中；若不存在为投入或满足(a)的三相共补偿模块，则针对每一相，针对欠补偿的容量最大的一相，在满足(a)的基础上从相应相的补偿电容未投入电网的分相补偿模块中选择该相上补偿容量最大的，并将该相上的补偿电容投入电网。

未作特殊说明，本发明中所述的查询周期和补偿周期均根据实际应用情况设定，且通常查询周期小于补偿周期。

本发明的分布式无功补偿***的无功补偿控制方法采用一主模块带多个从模块的控制方法，由有主模块控制进行无功功率补偿，***可以自动确定主模块和从模块，并组建无功补偿网络，且在主模块发生故障时，重新确定主模块和从模块，重新构建无功补偿网络，大大提高了***的可靠性。

附图说明

图1是本实施例的分布式无功补偿***的结构示意图；

图2是本实施例的补偿模块的结构示意图；

图3是本实施例中确定有效从模块的方法；

图4是本实施例的主模块在一个补偿周期T内的通信时序图；

图5是本实施例的无功补偿策略的示意图；

图6是本实施例的无功补偿实验***。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明方法进行详细说明。

本实施例的无功补偿基于如图1所示的分布式无功补偿***实现，该分布式无功补偿***由电网供电，包括：

上位机控制模块(即工业PC机)，用于对无功补偿模块进行远程监控；

电网电流采样模块，用于采集电网的相电流；

通常电网电流采样模块还需要将采集到的相电流进行转化为小电压信号，使其输出的相电流信号能够直接被单片机处理(即可以理解为电网电流采样模块输出的不是相电流本身，而是携带相电流消息的小电压信号)。

本实施例中电流采样模块包括网侧CT(即位于电网一侧的电流互感器)和二次CT，电网电流经网侧CT后在二次CT并在取样电阻上形成电压信号，***各补偿模块采样根据该电压信号作为母线电流信息(即电网相电流信息)。

电网电流采样模块与电网直接相连，且如图1所示，要形成电流电网带有一定的负载。

N个无功补偿模块(本实施例中N＝32)，包括三相共补偿模块(即工作方式为三相共补)和分相补偿模块(即工作方式为分相补偿)，其中三相共补偿模块有三个补偿电容，每一相的补偿电容的补偿容量相同，且三相只能同时补偿(即三个补偿电容的投切状态相同)；分相补偿模块有三个补偿电容，每一相的补偿电容的补偿容量可以相同或不同(通常相同)，且三相可以单独补偿(即三个补偿电容的投切状态可以不同)。

32各个补偿模块之间通过RS485总线联网形成分布式补偿***，在该分布式补偿***中每个无功补偿子***配置有唯一的联网通信地址。根据用户补偿需求选取不同容量，不同补偿方式(三相共补或分相补偿)的模块，以满足容量，兼容三相不平衡补偿的需求。

且为实现上位机通过通信指令控制分布式无功补偿***工作的远程控制及远程监测功能，各个无功补偿子***采用RS485转以太网通信接口，结合通信协议和通信内容的设计，实现上位机与无功补偿***的通信。

如图2所示，每个无功补偿模块针对电网中的每一相包括：

补偿电容，在投入电网时对电网进行无功补偿；

与补偿电容对应的电容温度采集模块和电容电流采样模块，其中电容温度采集模块用于采集对应的补偿电容的温度信号，电容电流采样模块用于采集流经补偿电容的电流信号；

电网电压采样模块，用于采集电网中每一相的相电压信号，通常在补偿模块内设置用于采集电网电压的电压互感器实现。

控制电路，用于接收电网的相电流信号和相电压信号，以及补偿电容的电容电流信号和电容温度信号，计算电网的无功功率和功率因数以形成投切指令，并根据形成的投切指令、以及自身(即该控制电路对应的补偿模块)的模块信息(包括该补偿模块的补偿容量、工作方式和各个补偿电容的当前工作状态)输出相应的开关控制信号；

本实施例中输出的开关控制信号根据公开号为103972902A的中国专利申请提供的无功补偿控制方法实现。

复合开关模块，用于根据电流信号和电压信号控制补偿电容的投切状态以进行无功补偿。利用过零触发芯片进行过零投切，过零触发芯片接收到投切控制信号后在下一个过零点进行投切。

本实施例中复合开关由两个反并的晶闸管和一个磁保持继电器组成，由控制电路给出的开关信号控制复合开关的投切，复合开关综合了晶闸管的过零投切优点和磁保持继电器稳定，载流能力强的优点：在投入时在电压过零瞬间晶闸管出发，稳定后再将磁保持继电器吸合导通，切除时先将磁保持继电器断开，晶闸管延时到电流过零时断开，实现无功补偿电容器的过零投切。

本实施例分布式无功补偿***中每个补偿模块均设置控制电路，使每个补偿模块都具有完整的电网无功功率分析的功能。

取样模块连接至电网(即三相电网，为负载供电，每相电压为u_g，且设有电感L_s)。

本实施例中电网电流采样模块采集到的相电流信号总线方式传输至各个补偿模块。

考虑到兼容三相不平衡补偿需求，检测的有三相电流，加上RS485通信的A、B通信线，共需六根通信线，故此时选用8芯网线，并采用RJ11接口即可简单的实现多模块互联，且接线方便。

本实施例的分布式无功补偿***的无功补偿控制方法如下，在分布式无功补偿***上电复位后根据通信时延确定从所述补偿模块中确定主模块和从模块，并构建无功补偿网络；由主模块控制所述的无功补偿网络对电网进行无功补偿，且在补偿过程中若主模块发生故障，则根据通信时延重新从所述补偿模块中确定主模块和从模块，并重新构建无功补偿网络。

该无功补偿控制方法包括如下步骤：

步骤1：基于通信时延确定主模块和从模块；

在所有补偿模块均无故障的条件下，首先确定联网通信地址最小的自动成为主模块，其余补偿模块成为从模块，原理如下：

***通电后，所有补偿模块统一上电复位，每一补偿模块因为自身联网通信地址不同而延时不同时间后向其他补偿模块发送主模块确认命令。

如果当前补偿模块在延时过程中接收到来自其他补偿模块的主模块确认命令，则认为当前补偿模块成为从模块，且不再发送确认命令，如果在延时过程中没收到其他补偿模块的主模块确认命令，则当前补偿模块成为主模块并向其他补偿模块发送确认命令。

步骤2：主模块进行如下操作构建无功补偿网络：

(2-1)确定有效从模块，具体如图3所示：

按照预设的查询周期依次向各个通信地址发送查询信息，并根据该通信地址的回复信息确定：

主模块按照所述的查询周期(本实施例中查询周期为25ms)按照各个从模块的通信地址依次向各个从模块发送查询信息，针对任意一个从模块(通信地主j)：若连续2个查询周期未接收到该从模块返回的信息回复(数据帧)，则认为补偿***中没有配置该通信地址的补偿模块或者该从模块发生故障无法通信，即该从模块无效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息(即向下一个通信地址的从模块发送查询信息)；若接收到该从模块返回的信息回复，则接收到的回复信息进行校验(本实施例中为CRC校验)：若校验失败，则认为该从模块无效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息；否则，认为该从模块有效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息，直至j＝N时停止。

(2-2)查询各个有效从模块的补偿容量、工作方式(三相共补或分相补偿)、补偿电容器的当前工作状态(是否已经投入电网)，完成联网过程得到无功补偿网络。

(2-3)主模块根据电网中每一相的相电压、母线电流(即该相的相电流)并分别计算三相中每一相的无功功率和功率因数。

(2-4)按照无功补偿算法结合无功补偿网络中所有补偿模块的模块信息形成投切指令，并发送给相应的补偿模块控制相应的补偿补偿中补偿电容的投切状态，以协调分布式无功补偿网络对电网进行无功功率补偿。

在补偿过程中，主模块还进行如下操作：

按照补偿定时向从模块发送主模块正常工作的确认信息，以确定主模块和查询从模块的故障信息、工作状态(即该补偿模块中各个补偿电容是否投入电网)，。

在补偿过程中，从模块执行以下操作：

接收主模块的确认信息后，向主模块返回相应的回复信息；接收主模块发送的投切动作指令，根据命令并结合当前自身运行状态控制模块中电容器的投切。

对于任意一个从模块，若主模块未接收到该从模块的返回信息，则认为该从模块发生故障，主模块将该从模块从无功补偿网络中移除出无功补偿网络。

若所有从模块在均未接收到来自主模块的正常工作的确认信息，则认为所述的主模块发生故障，从有效的从模块中重新确定主模块和从模块。

本实施例的无功补偿控制方法中将补偿模块分为主模块和从模块，其中主模块数量为1，即采用一主模块带多从模块工作模式，该结构每个补偿模块均具有完整的电网无功功率分析的功能，故如果主模块发生故障退出运行，可以在从模块中形成一个新的主模块，维持***的正常运行。

本发明***通信中，包含主模块与从模块的通信，主模块通过通信接口与上位机的通信，故主模块为主节点，协调整个***的通信过程，防止出现总线竞争情况。

本实施例中通过设计通信时序防止出现命令冲突，图4所示为主模块在一个补偿周期T(本实施例中补偿周期T为5s)内的通信时序：

第一时间段内(即t1时间内)，主模块向从模块和自身发送投切指令，

第二时间段内t2时间内，主模块执行投切指令，从模块接收到投切命令并执行，

第三时间段内(即t3时间内)，完成主模块与上位机通信的过程，此过程中主模块向上位机汇报***运行的电压，功率因数以及***中所有模块运行状态、故障信息；

第四时间段内(即t4时间内)，主模块查询从模块的投切命令执行情况与从模块的故障信息。

本实施例中智能组网无功补偿方法中基于功率因数、无功功率和***电压的确定无功补偿策略，并兼容三相共补偿模块和分相补偿模块。

形成补偿指令时遵循以下补偿原则：

a.不允许过补偿，允许适当的欠补偿；

b.三相均欠补时，从未投入中选择补偿容量最大、且不会超过需要补偿的无功补偿功率当前投入补偿电容，投入第一组能够运行的、容量最大的且不会使任意一相发生过补偿的共补电容器，若容量最大的电容器组已投入，则投入容量第二大的电容器组，以此类推。若任意一组可供投入的共补电容器均大于欠补容量或已投入，则分ABC三相进行分补；

c.每次无功判断仅改变一组共补电容器的投切状态，或者之多同时改变ABC三相每相一组分补电容器的投切状态，防止大量电容器同时投切引起较大的冲击，每次投切状态改变后进行下一次无功检测和判断，进行新一轮的投切动作；

d.欠补时优先考虑能否投入共补电容器，再分析能否投入分补电容器，而过补时优先考虑能否切除某相分补电容器，再分析能否切除共补电容器；

e.***投切时，先投入的电容器先切除，后投入的电容器后切除。

设***中三相共补偿模块中有三种补偿容量M1(20kVar)>M2(15kVar)>M3(10kVar)，两种分相补偿模块，容量为m1(10kVar)>m2(5kVar)。无功补偿策略流程图如图5，包括如下步骤：

S1.若三相欠补容量均大于M1(20kVar)，且补偿容量为M1的子模块可以投入(即此时投入状态为未投入电网)，则投入一组补偿容量为M1的共补电容(即三相共补偿模块中的补偿电容)，否则进入步骤S2；

S2.若三相欠补偿容量均大于M2(15kVar)(但不是所有相均小于M1)，且补偿容量为M2的子模块可以投入，则投入一组补偿容量为M2的共补电容，否则进入步骤S3；

S3.若三相欠补偿容量均大于M3(10kVar)(但不是所有相均小于M2)，且补偿容量为M3的子模块可以投入，则投入一组补偿容量为M4的共补电容，否则进入步骤S4；

S4.若三相中有一相(欠补偿容量最大的相)欠补偿容量大于m1(10kVar)，且对应该相补偿容量为m1的子模块可以投入，则投入一个补偿容量为m1的分补电容，否则进入步骤S 5；

S5.若三相中有一相(欠补偿容量最大的相)欠补偿容量大于m2(5kVar)，且对应该相补偿容量为m1的子模块可以投入，则投入一个补偿容量为m2的分补电容(即分相补偿模块中的补偿电容)，否则不进行投切动作。

为更好说明本发明所述的智能组网分布式无功补偿***的组网方法和实际工作效果，设计了接线如图6的实验***进行验证。

如图6所示，阻感负载接于调压器副边，分布式无功补偿***接于调压器的原边并检测调压器入线的电流(i_s)。调节调压器副边的输出电压值即可动态调节感性无功功率，以此模拟动态变化的无功功率负载。调压器输出电压由低到高缓慢调节。智能组网分布式无功补偿***由四组20KVar的并联电容器组成，调价调压器副边电压，得到不同的补充策略以及补充结果，具体如表1所示。

表1

在实际的工业化现场母线上装配了智能组网分布式无功补偿***，***包含2组20kVar共补模块(即三相共补偿模块)，4组5kVar共补的模块，4组5kVar分补模块(分相补偿模块)，***能够长期稳定运行，补偿后功率因数维持在0.9以上，不发生过补情况，显示了***较好的无功补偿效果。

由实验和工业现场运行的分布式无功补偿***的运行情况看，本实施例分布式无功补偿***的无功补偿控制方法具有以下优点：

(a)满足用户现场方便扩充补偿容量的需求，扩大***补偿容量仅需要增加子模块数量并重新上电，***能够自动重新联网运行，接线简单，且当主模块出现故障时，重新产生新主模块保证***继续正常工作；

(b)采用综合考虑无功功率和功率因数的无功补偿策略，兼容三相共补偿模块和分相补偿模块，可实现对三相不平衡负载的补偿，允许多种补偿容量的模块的接入，提高了无功补偿精度；

(c)加入了与上位机通信，通过网络实现了远程控制盒、远程测量功能。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种分布式无功补偿***的无功补偿控制方法，所述的分布式无功补偿***包括若干个基于总线连接的补偿模块，其特征在于，利用分布式无功补偿***中补偿模块的通信时延确定主模块和从模块，并构建无功补偿网络；由主模块控制所述的无功补偿网络对电网进行无功补偿，且在补偿过程中若主模块发生故障，则根据通信时延重新从所述补偿模块中确定主模块和从模块，并重新构建无功补偿网络；

通过如下方法确定主模块和从模块：

上电复位后各个补偿模块均向其他补偿模块发送主模块确认命令，若当前补偿模块在延时过程中接收到来自其他补偿模块的主模块确认命令，则认为当前补偿模块为从模块，否则，认为当前补偿模块为主模块；

所述主模块构建无功补偿网络时进行如下操作：

首先验证各个从模块的有效性，并按照预设的查询周期定时查询自身以及各个有效的从模块的模块信息，根据查询结果将自身与有效的从模块组建为无功补偿网络；

所述的模块信息包括该补偿模块的补偿容量、工作方式和各个补偿电容的工作状态；

通过如下方法验证各个从模块的有效性：

主模块按照所述的查询周期按照各个从模块的通信地址依次向各个从模块发送查询信息，针对任意一个从模块：若连续n个查询周期未接收到该从模块返回的信息回复，则认为该从模块无效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息；若接收到该从模块返回的信息回复，则接收到的回复信息进行校验：若校验失败，则认为该从模块无效；否则，认为该从模块有效，并查询下一个通信地址的从模块发送查询信息；所述n的取值为2～5；

在无功补偿过程中通过如下方法确认主模块发生故障：

主模块按照所述的补偿周期定时向各个从模块发送主模块正常工作的确认信息，若所有从模块在均未接收到来自主模块的正常工作的确认信息，则认为所述的主模块发生故障；

在无功补偿过程中主模块按照所述的补偿周期定时向各个从模块发送主模块正常工作的确认信息后，对于任意一个从模块，若主模块未接收到该从模块的返回信息，则认为该从模块发生故障，主模块将该从模块从无功补偿网络中移除出无功补偿网络；

所述主模块通过如下操作控制所述的无功补偿网络对电网进行无功补偿：

(S1)主模块按照预设的补偿周期根据电网每一相的相电压和相电流分别计算每一相的无功功率和功率因数；

(S2)根据所述的无功功率和功率因数，以及所述无功补偿网络中各个补偿模块的模块信息形成投切指令，并发送给相应的补偿模块以控制该补偿模块中补偿电容的投切；

所述步骤(S2)中基于以下原则形成投切指令：

(a)不允许过补偿，允许适当的欠补偿；

(b)欠补时优先投入三相共补偿模块中的补偿电容，过补时优先切除分相补偿模块中的补偿电容；

(c)投切时，先投入的补偿电容先切除，后投入的补偿电容后切除；

(d)每次投切时仅改变一个补偿模块中补偿电容的投切状态。