基于網絡模塊化無功補償裝置的研究開發

歐劍

摘 要：針對電力系統無功消耗不確定，電能輸出不穩定的情況，本文設計研制出了一套多功能、高性能的智能型無功補償裝置。該裝置可直接并入末端的低壓動力網，為多個用電設備提供無功補償和諧波補償，能有效地降低了動力網的總用電功率。通過現場測試，它實現了實時無功補償和諧波補償，其功率補償值超過總功率的20%，單次補償時間小于2m，達到國際先進水平。

關鍵詞：無功補償；諧波檢測；PSO-DE；拉格朗日插值；復合開關；網絡化

1 引言

在電力系統中，由于大多數用電負載正常工作都需要消耗一定的無功功率，所以保證電網中無功平衡是必不可少的。如果這些無功功率都由發電中心提供并經過遠距離的傳輸，將會浪費大量的電能[1]，同時投入成本增大，電力系統的安全穩定運行和電能的使用質量降低。而目前由于我國對電力電子裝置的研究起步較晚，國產無功補償裝置還存在一些如技術還不夠完善，補償精度不高等缺點。因此，研究安裝方便、建設周期短、造價低、運行維護簡便、能夠動態補償的無功功率就地補償裝置對電網系統的穩定運行以及電力用戶，都有十分重要的意義[2]。

2 網絡模塊化無功補償裝置的設計思想

2.1 網絡模塊化無功補償裝置關鍵技術研究

無功補償裝置性能的好壞不僅會影響到電力系統中無功功率補償精度，甚至會影響整個電力系統的穩定運行。現有的無功補償裝置，按控制目標的不同，一般可以分為電壓控制、功率因數控制、無功電流控制、無功功率控制和多變量綜合控制[6]。

本文重點就是研制一種網絡模塊化智能無功補償裝置，對每臺電容器配置單獨的控制器與現場總線通信功能，各個補償裝置不僅能夠獨立工作，而且也能通過組網構成一個無功補償系統，不僅在配電柜中能采用積木式結構，加強了系統可靠性，而且通過總線把電網中各個節點的電網參數匯總，實現多模塊聯網運行時協調工作，能有有效提高系統的補償精度和補償效率，降低事故發生的的幾率。

針對單一用戶處于用電末端的用電設備相對集中，系統通信距離較近，本文設計無功補償裝置的網絡總線選用RS485。RS485采用差分傳送模式，抗干擾能力突出，且經濟成本較低，能夠使該裝置具有很強的市場競爭優勢。

2.2 總體方案設計

在整個系統中，為了使各個無功補償模塊能順利通信，每個補償裝置均設置了唯一的聯網通信地址。每個獨立的補償裝置都集成有能夠同時測量電網中A、B、C三相用電參數的數據采集模塊和數據處理模塊，整個補償系統可以通過對各個節點的用電參數進行分析，合理設計各個節點的電容器容量和補償方式，進行統一管理，能夠大大提高系統的無功功率補償精度。

2.3 網絡模塊化系統無功補償策略

系統中單個無功補償裝置通過RS485總線組成一個無功補償網絡系統，在該系統中能夠自主生成上位機控制器，各個節點的無功補償裝置把所測各個節點的電網節點參數傳送給上位機，由上位機對整個系統各個節點的無功進行分析，然后采用綜合電壓、無功功率的無功補償策略，根據系統中各個節點處所測無功功率情況、各節點處安裝電容器容量和電容器實時運行情況，向各節點處的無功補償裝置發送投切命令，以實現整個系統的無功補償最優化。

網絡模塊化系統無功補償策略只要按照電力系統所要求的統一管理、先投先切后投后切、不過補償、及時改變電容器投切狀態標識、不誤操作的原則，即可保證系統的安全性。

在電容器的投切動作設計時，電容器每次投入后，需要經過一定的時間才能再次投入，復合開關中磁保持繼電器也不能過于頻繁動作，否則會造成電容器和磁保持繼電器頻繁投切，影響電容器和復合開關的使用壽命。為了既保證無功補償的精確性又不造成電容器的頻繁投切動作，系統中無功功率補償的判據每隔數秒進行一次，無功補償的控制目標電壓和無功功率取幾次平均值求得。

3 網絡模塊化無功補償裝置的硬件設計

無功補償控制器是無功補償裝置的核心部件，具有舉足輕重的地位，控制器的硬件組成將直接影響無功補償控制器的整體性能。傳統的無功補償裝置多以8位單片機為控制核心，由于其硬件資源和數據處理能力有限，已不能滿足現代電力行業對無功補償控制器的功能需求，本文的控制器的設計采用了嵌入式結構，使用SOC平臺技術，以32位STM32處理器為核心，通過地址/數據總線搭載高精度專用電能計量芯片ATT7022D，利用硬件ADC緩存功能實現電量數據的快速采集，STM32處理器內置專用的FFT算法可以實現對電網中諧波進行分析，這使得系統的數據處理能力和控制精度大大提高，能夠更好的滿足無功補償的實時性及精確性要求。

3.1 無功補償裝置的基本原理與硬件總框圖

該控制器裝置的工作原理是通過ATT7022D實時對電網電壓、電流進行采樣，并將采樣得到原始數據傳送給STM32F103VE，由STM32F103VE對數據進行分析處理，并按照相應的數學模型計算出各項指標值，當電網需要投切電容時，STM32處理器發出控制命令，發出正負脈沖驅動電路動作復合開關，實現電容器的無涌流投切。該控制器主要有電壓互感器、電流互感器、ATT7022D電能計量芯片、復合開關、STM32F103VE、存儲器、LCD顯示屏、RS-485、電源等部分組成（圖略）。

3.2 無功補償裝置各個功能模塊的設計

該無功補償控制器的設計采用模塊化設計，主要包括數據處理控制模塊、數據采集模塊、復合開關模塊、數據存儲模塊、網絡化模塊、電源模塊、顯示模塊等。

STM32F103VE處理器使用高性能的 ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，而Cortex-M3采用ARM V7架構，不僅支持Thumb-2指令集，而且擁有很多新特性。

電源模塊采用了迪杰電氣公司生產的220V轉12V交流變壓器，然后經過整流濾波電路和LM7805及REG1117-3.3穩壓芯片分別得到5V、3.3V直流電壓。

數據采集模塊采用最新的專用高精度三相計量芯片ATT7022D作為電能參數采集芯片，相比較于傳統的利用采樣電路采集電網參數，具有測量精度高，性能穩定的優點，如圖3，其前置電壓和電流互感器將將電網電壓、電流轉換成有效值在1V以內的交流小信號，然后再將轉化后的小信號分別接到ATT7022D的電壓和電流相應的采樣通道中。

復合開關主要由晶閘管、磁保持繼電器、光電雙向可控硅驅動器MOC3083組成。既能實現電壓過零時刻導通和電流過零時刻，又能使磁保持繼電器在大部分時間承載電容器正常工作電流，具有工作穩定，投切時刻幾乎無諧波注入的優點。

通信模塊選用485通信，為滿足方便擴充補償容量的應用需求、動態補償無功功率， 實現了多個無功補償裝置模塊的聯網通信、協調工作。

溫度檢測模塊考慮到設計成本和本裝置對溫度檢測的設計需求，本應用采用10K的NTC熱敏電阻器來實現對電容器溫度的測量。該熱敏電阻器能夠把溫度的變化轉化為電阻阻值的變化，本裝置應用測量電路把阻值的變化轉換為電壓的變化，然后通過STM32的ADC采樣把模擬的電壓值轉換為數字信號進行分析，最終測量出NTC的阻值，再根據NTC熱敏電阻器的溫度-阻值表，測得電容器實際的溫度。

儲存模塊設定的參數應保證不會因掉電而丟失，最直接的保存設定參數的方法就是使用EEPROM器件，因此選用的是AT24C16。

4 網絡模塊化無功補償裝置系統軟件設計

軟件設計直接關系到無功補償裝置在電網中運行的穩定性和無功補償性能。本文采用C程序語言設計編寫控制程序，利用STM32豐富的庫函數，可以方便地通過操作相關外設寄存器對芯片進行配置，而不必對每個外設寄存器進行深入了解配置，大大地減少了編程程序的時間，壓縮了軟件的調試過程，加快了項目開發進度，降低了開發成本。

本文設計的無功補償裝置軟件部分采用模塊化設計，把復雜的軟件系統設計分成若干個小模塊，每個模塊實現特定的功能，然后在將所有的模塊組合成一個系統，從而完成對整個系統的設計。模塊化設計能夠大大提高代碼的可讀性和可修改性，便于后期調試，能夠降低系統的復雜性，大大縮短開發時間。

4.1 總體設計方案

無功補償裝置系統軟件設計主要由系統初始化模塊、讀取電網參數模塊、電容投切計算模塊、系統保護邏輯實現模塊、電網諧波檢測模塊、網絡化組網模塊等幾部分組成。

初始化設計后，三相專用電能計量芯片ATT7022D和STM32F103VE之間是通過SPI總線進行計量參數和校表參數通信的[12]，STM32在對ATT7022D進行讀取數據以前，需要對其進行校表操作，根據標準電能表讀數經過STM32軟件校表以后，ATT7022D測得的有功精度可達到0.5s，無功精度2級。

對連續電網信號進行頻譜分析時，首先要對其進行采樣，并且必須要滿足采樣定理（其中為采樣頻率，為信號最高頻率）才能得到全部頻譜，否則會發生頻譜混疊現象[13]。ATT7022D內部集成了一個240字節的原始采樣數據緩存區，采樣頻率為3.2kHz，完全滿足對電網中的30次以內的諧波進行測量。

為了驗證該無功補償裝置測得諧波的精度，采用輸入標準方波對該裝置進行測試，理論表明一個標準方波周期信號可以分解為若干個正弦波的組合。該裝置在測試中先采用美國Fluke公司的6100A電能功率標準源產生電壓幅值為100V頻率為50Hz的方波電壓信號，然后在用該裝置進行測量。

實驗結果表明各次諧波測量結果精度還是很高的，雖然隨著諧波次數的增加，諧波測量誤差越來越大，但所測諧波數據誤差均滿足國家標準要求。

4.2 投切模塊設計

這在整個無功補償裝置控制算法中，電容器投切控制算法是整個裝置的控制核心，投切控制算法的好壞不僅影響電網系統中無功補償精度，而且還影響補償設備在電網中運行的穩定性和可靠性。本文設計的無功補償裝置電容器投切控制算法采用模塊化設計，分為兩個部分：電壓、無功功率綜合投切判斷控制，電容器投切執行控制。電壓、無功功率綜合投切控制是根據數據采集模塊測量的電網中電壓和無功功率來計算出要投切的電容器容量。

4.3 無功補償系統網絡化設計

為了保證整個補償系統的補償效率和穩定性，本文一方面通過RS485總線把多個獨立的無功補償模塊裝置連接起來組成一個無功補償系統，另一方面采用主、從工作模式。系統工作時，各個從模塊補償裝置先把所處節點的電網檢測參數傳送給主模塊補償裝置，然后主模塊在對各個節點的電網參數進行綜合分析，最后根據電網中的無功功率情況，向最合適的從模塊無功補償裝置發送投入或切除電容器命令。這樣由主模塊綜合分析各個節點處的無功情況進行整體最優化控制，能夠大大提高無功補償的效率。在整個無功補償系統的控制過程中，如果主模塊發生故障退出運行時，系統會重新自動生成主模塊，保證系統仍能正常運行，提高補償系統的穩定性。

在整個無功補償系統中，主補償模塊是整個系統的的控制中心，它不僅要采集自己節點處的電網參數和接受系統各個節點處的電網參數，還要對各個節點的電網參數進行綜合分析，并根據電網中的無功功率情況，向最合適的從模塊無功補償裝置發送投入或切除電容器命令。

從模塊在聯網運行中執行以下功能：

（1）能夠接收主補償模塊的查詢命令并響應其查詢命令；

（2）能夠接收主補償模塊發送的投切命令，并結合當前自身裝置的運行情況（電容器是否滿足投切條件等）執行并聯電容器的投切動作；

（3）當一段時間后仍沒有接收到主模塊的查詢命令時，從補償模塊能夠重新聯網自動生成主補償模塊。

整個無功補償系統運行過程中主補償模塊每隔一定的時間就會依次向系統中的各個從補償模塊發送查詢命令，如果連續兩次查詢主補償模塊都沒有接收到從補償模塊的響應信號或者響應信號數據的 效驗碼錯誤，則認為從補償模塊無法正常和主補償模塊通信，主模塊則會將此從模塊從整個無功補償控制系統中去除。

4.4 實驗測試分析

為了證明本文設計的網絡模塊化無功補償裝置的可行性，最后本文通過現場實驗進行了驗證。實驗接線圖如圖（圖略）所示，整個實驗系統的感性負載有額定電壓380V、額定容量60kvar的三相電抗器來模擬。三相電抗器前面串聯一個三相調壓器，通過調節調壓器的輸出電壓值來動態的調節感性無功功率，以此來實現可調的無功功率負載。由于本實驗的電抗器容量有限且三相無功平衡，可以最多安裝7組容量10kvar的三相共補型的無功補償裝置。

在實驗中，通過調節感性負載的大小來改變系統中的感性無功功率，網絡模塊化無功補償裝置系統根據系統中無功功率的變化自動改變投切無功補償裝置的數目。

由此表可以看出，本文設計的網絡模塊化無功補償裝置能有效地補償系統中的感性無功功率。經過補償后，系統中的剩余無功功率較少，功率因數能夠維持在0.9以上。該實驗表明了本文設計的網絡模塊化無功補償裝置具有很高的補償精度。

5 結語

本文設計的是一套多功能、高性能的智能型無功補償裝置，它對每臺電容器配置單獨的控制器與現場總線通信功能，構成了網絡模塊化的無功補償裝置，該裝置采用復合開關技術控制投切電容器，能有效地減少電容器投切過程出現的涌流現象，延長電容器的使用壽命，抑制高頻諧波，同時對每臺電容器配置單獨的控制器與現場總線通信功能，構成網絡模塊化無功補償裝置，加強了系統可靠性。

整套裝置在綿陽XX電梯生產有限公司進行了現場測試，通過接入兩部高速電梯驅動電機的動力線路，實現了實時無功補償和諧波補償，其功率補償值超過總功率的20%，單次補償時間小于2ms，達到國際先進水平。

參考文獻

[1] 陳小貴.電力用戶無功補償原理及效益分析[J].廣西電業.2009.12期.

[2] 欒笛.加強無功管理提高功率因數降低電能損耗[J]能源與節能.2012.4期.

[3] 戴建剛.淺談低壓無功補償技術[J].中國科技博覽.2009.23期.