基于無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的研究

【摘要】在電力系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，無(wú)功功率的產(chǎn)生是不可避免的。要解決電力無(wú)功補(bǔ)償，有源電力濾波器在變化的無(wú)功功率大小和頻率方面都能進(jìn)行很好的補(bǔ)償。本文通過(guò)論述無(wú)功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中的重要作用，對(duì)無(wú)功功率產(chǎn)生的原理闡述，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的主要技術(shù)環(huán)節(jié)及監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，為今后自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究及無(wú)功補(bǔ)償提供參考。

【關(guān)鍵詞】無(wú)功補(bǔ)償;電力系統(tǒng)自動(dòng)化;監(jiān)控技術(shù)

前言

由于人們的生產(chǎn)和生活對(duì)電力的需求量日益增大，那么對(duì)電力系統(tǒng)中的供電安全可靠以及電能的質(zhì)量都有了更高的要求。而點(diǎn)昂符合的增大和電源增加，在改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)也改變了原有的電源分布，導(dǎo)致系統(tǒng)的無(wú)功分布不合理。而電力系統(tǒng)無(wú)功的分布合理與否直接關(guān)乎到用戶用電的質(zhì)量，更加對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)和安全造成了影響。因此，解決好電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，對(duì)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)以及電網(wǎng)的安全運(yùn)行有著重大意義。

一、無(wú)功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

在早期的電力系統(tǒng)中多使用傳統(tǒng)式的無(wú)源補(bǔ)償裝置，由于時(shí)代進(jìn)步和科技生產(chǎn)生活，電力需求的增加帶動(dòng)了電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展。而由于當(dāng)前過(guò)大的用電需求，電網(wǎng)傳輸?shù)膲毫χ本€增加，傳統(tǒng)的無(wú)源補(bǔ)償式裝置已經(jīng)不能滿足無(wú)功率進(jìn)行的快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及對(duì)諧波的要求。

有源電力濾波器作為一種新型電力補(bǔ)償裝置，主要作用于電網(wǎng)中對(duì)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制，補(bǔ)償無(wú)功同時(shí)對(duì)無(wú)功功率分量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償能夠抑制大小頻率抑制在變化的諧波，因而在電力的濾波領(lǐng)域迅速使用和發(fā)展。有源電力濾波器作為一種主動(dòng)型的電力電子裝置，主要優(yōu)點(diǎn)是有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性，能夠?qū)嵭星矣行?duì)諧波進(jìn)行抑制。其總體框架如圖1所示：

圖1

將濾波器接入電網(wǎng)的方式進(jìn)行分類，可以講有源電力濾波器劃分為串聯(lián)、并聯(lián)及混合型。其中串聯(lián)等效于受控電壓源，主要作用于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中敏感負(fù)載的影響進(jìn)行消除，其中包括：電壓型諧波、系統(tǒng)側(cè)電壓諧波以及電壓波動(dòng)。由于采用串聯(lián)型的有源濾波器的損耗比并聯(lián)型更大，且其保護(hù)電路更為復(fù)雜，因而在實(shí)際中的研究運(yùn)用的并不廣泛。現(xiàn)階段的多數(shù)電網(wǎng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中常采用混合型或是并聯(lián)型，其中串聯(lián)型作為混合型的一部分應(yīng)用于電網(wǎng)中。

在混合型的有源電力濾波器中，主要通過(guò)使用容量較大的源L-C 濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行和承擔(dān)無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)。通過(guò)消除低次諧波，從而降低有源濾波的電流及電壓值。但這種工作方式的濾波器只能應(yīng)用于對(duì)特定負(fù)荷的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，如果電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷的運(yùn)行出現(xiàn)了過(guò)大變化時(shí)，這種方式不再適用于電網(wǎng)系統(tǒng)，難以達(dá)到補(bǔ)償需求。

而并聯(lián)型的有源濾波器采用較為廣泛且技術(shù)也較為成熟，其對(duì)諧波的抑制效果較好，能夠很好地額進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了充分的研究，后能夠很好的應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中。其主要作用的場(chǎng)景應(yīng)用包括：無(wú)功補(bǔ)償、對(duì)電流源型的分現(xiàn)行負(fù)載中的諧波電流進(jìn)行抵銷、同時(shí)對(duì)三相系統(tǒng)中出現(xiàn)的不平衡電流進(jìn)行平衡等。

二、無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?/p>

根據(jù)正弦電路中定壓和電流的定義，可以將其表示為：

u=√2U sinωt;

i=√2sin（ωt-φ）

=√2Icosφsinωt-√2Isinφcosωt

其中。U是均值電壓，I是均值電流，ωt是電壓和電流隨時(shí)間而變化的相位，φ是電流之后電壓的相角。有功功率P和無(wú)功功率Q表示為：

P=UIcosφ

Q=UIsinφ

當(dāng)電路中電壓電流同相位時(shí)，即cosφ=0，P最大，則Q為0。當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于存在感性或容性的負(fù)載，會(huì)使電壓電流相位發(fā)生變化，因而存在無(wú)功功率，有功功率不能達(dá)到最大，因此電網(wǎng)中需要對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)脑硇噪娐啡鐖D2所示：

圖2

將電流分為兩個(gè)分量Icosφ，Isinφ，Isinφ的相位和電壓相位差90度，因而產(chǎn)生了無(wú)功功率。在自動(dòng)化的電網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控中對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)信號(hào)的采集模塊將金浩進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分解，得出基波電流的分量，完成無(wú)功功率的補(bǔ)償。

三、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)環(huán)節(jié)

1.數(shù)據(jù)采集

在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先是對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用常規(guī)的數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)包括反應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)、故障警告相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)、所有狀態(tài)欄和模擬量，采用保護(hù)裝置對(duì)保護(hù)的定值、運(yùn)行故障及動(dòng)作信息等。

（1）狀態(tài)量：主要包括隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘、斷路器狀態(tài)信息以及變壓器分接頭位置等。通過(guò)雙位置接點(diǎn)對(duì)較為重要的狀態(tài)量進(jìn)行采集，即采用00、11 分別表示兩個(gè)狀態(tài)，以確保能夠精確無(wú)誤地反映斷路器的位置信息，防止由于繼電器觸點(diǎn)抖動(dòng)或者失效引起誤報(bào)。

（2）模擬量：主要通過(guò)對(duì)多段進(jìn)、出線回路電路和功率及母線電壓采樣，直接對(duì)電流電壓產(chǎn)生的交流參數(shù)進(jìn)行采樣。

（3）脈沖量：采集繼電保護(hù)說(shuō)，包括采集動(dòng)作信號(hào)、保護(hù)狀態(tài)及定值等沖脈數(shù)據(jù)。

2.操作與控制閉鎖

控制閉鎖包括出口具有合閉鎖功能、控制屏幕及并發(fā)現(xiàn)控制閉鎖功能;根據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能夠?qū)Φ蛿嗦菲骱透綦x開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，調(diào)節(jié)操作變壓器的分接頭，通過(guò)電容器組的切換達(dá)到對(duì)斷路器進(jìn)行閉鎖操作。

3.事件記錄和故障錄波

根據(jù)電力系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求，可以選擇兩種方式對(duì)開(kāi)關(guān)跳合、保護(hù)動(dòng)作的采樣序列記錄集低電壓故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)告。第一，可以采用危機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)距的計(jì)算，將其數(shù)據(jù)結(jié)果和處理后的波形傳輸?shù)綄?shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)之中，完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和記錄。第二，使用專用的微機(jī)錄波器，對(duì)故障進(jìn)行計(jì)算，保證了系統(tǒng)的通訊暢通。

4.和遠(yuǎn)程調(diào)度中心通信

將所采集的、數(shù)字量、狀態(tài)量及繼電保護(hù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送到調(diào)度控制中心，接受從中性能發(fā)出的定值、調(diào)節(jié)或是控制操作命令。

四、自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

由于有源電力濾波器能夠有效動(dòng)態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，同時(shí)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，因而在電力工程中得到了廣泛的實(shí)踐及運(yùn)用。而在監(jiān)控系統(tǒng)中，硬件的設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其運(yùn)行穩(wěn)定和合理布局等參數(shù)的正確配置影響到整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行及監(jiān)控效果。硬件的良好時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行功能操作的重要前提，也對(duì)效率的優(yōu)化起到重大作用。

1.監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程

采用數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電流電壓進(jìn)行信號(hào)采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至采樣端口A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作處理，其過(guò)程主要包括A/D及FFT頻譜分析等，通過(guò)對(duì)幅值、相位的計(jì)算，算出基波無(wú)功電流值。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電壓補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，確保產(chǎn)生信號(hào)與原諧波的等幅值和等頻率的相位相差180度，將其數(shù)據(jù)結(jié)果返至電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。監(jiān)控系統(tǒng)的顯示模塊能夠?qū)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，操作人員可以對(duì)其其進(jìn)行操控。采用報(bào)警模塊能夠確保監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程PC間的數(shù)據(jù)交換。

2.控制核心部分

自動(dòng)化的監(jiān)控系統(tǒng)的信息具有實(shí)時(shí)性，包括了大量的數(shù)據(jù)且信號(hào)傳輸速度快，同時(shí)要完成大量的管理工作。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)處理器應(yīng)當(dāng)選擇高端數(shù)字信號(hào)處理器，其優(yōu)點(diǎn)在于將集微控制器和高性能的DSP合為一體，對(duì)信號(hào)的處理和功能控制，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控目標(biāo)。

3.數(shù)據(jù)采集部分

為了消除電網(wǎng)中所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，已歸檔對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。其中包括數(shù)據(jù)的采樣和變換及處理。當(dāng)被測(cè)信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。首先對(duì)電平進(jìn)行提升，同時(shí)采用精確時(shí)序捕捉過(guò)零，滿足DSP的采用需求。

五、結(jié)語(yǔ)

在解決電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)方面，由于傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)存在著缺點(diǎn)和不足，無(wú)法很好的滿足補(bǔ)償需求。而有源電力濾波器的無(wú)功補(bǔ)償方式較為理想，對(duì)變化的無(wú)功和頻率大小變化都能夠進(jìn)行很好的補(bǔ)償，因此在電力系統(tǒng)自動(dòng)化的監(jiān)控設(shè)計(jì)的項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，選用有源濾波器能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的裝置，能夠達(dá)到很好的抑制目的，完成無(wú)功補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：杜秀華（1963—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就職于四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院青峰嶺教學(xué)電廠，主要從事管理工作。