基于两路不等容编码投切实现户外高压无功自动补偿装置的设计
1. 引 言
功率因数和无功平衡是衡量电网质量的重要标志。我国农网普遍存在供电半径长、电压质量差、功率因数低的状况。如果无功能得到有效的平衡，不仅能大大降低电网的损耗，而且对提高电压质量具有重要的意义。但是，目前我国大部分城乡电网功率因数偏低，无功很不平衡。因此提高电网功率因数、平衡无功、提高电压质量、降低线损，是电力系统的一个重要课题。现今国内大部分的无功补偿装置都是并接电容器固定补偿，不能实现动态跟踪补偿。另还有一部分是一路动态跟踪补偿，级数太少，不能做到精补细补。因此，如何实现无功多路补偿，仍是国内外同行关注的热点。
本文设计了一种基于两路不等容编码控制投切的无功动态补偿装置，它能随电网无功的变化，实现四级补偿，基本能达到精补细补的目的，使得电网的无功平衡更科学合理，因而在农网中有着广泛的应用前景。
2. 设计思想
本文主要探讨基于两路不等容编码投切无功补偿装置的控制原理以及实现的方法。在动态跟踪无功补偿装置中，如果是单组的动态补偿，就可根据电网无功以及电压的状况进行投切;如果是多组等容量投切补偿，可根据循环投切的原理去设计控制策略;如果是多组不等容投切，其控制策略就要复杂得多。森宝公司之所以研发该产品，主要是以下两方面的原因：
1） 降低成本。众所周知，单组无功补偿装置不能做到精细补偿，而多组等容的装置虽能做到相对精细的补偿，但是其电容器的组数要多，每组电容器都要配备相应的开关和保护设备，这就大大增加了设备的成本，使节能降损的先期投入成本较大，也使节能降损的效益降低。如果使用不等容投切，就可大大减少设备成本，使用户的效益最大化。举例说明，要补偿300kvar的电容，级差为100kvar，如果采用等容投切，就需要3台电容器和3台开关，而如果采用不等容投切，采用补偿一个100kvar和一个200kvar的方法，就只需要两台电容器和两台开关，这就节省了1台开关和1套保护装置的费用，并且减少了故障点。
2） 使装置的体积减小，节省了空间，也减少故障点。高压电容器的体积相对比较庞大，而且对绝缘距离有一定的要求，电容器的组数越多，那么体积就会大大增加，这就增加了施工成本和施工难度。而且，组数越多，装置的故障点越多，使装置的维护成本增加。使用不等容投切就可以减少这些问题。
基于以上思考，本文设计了两路不等容投切的户外高压无功自动补偿装置。
图 1 系统工作原理图
如图1，控制柜内装有两台高压电容器和高压真空接触器，通过单片机控制高压真空接触器的开合，完成投切动作。采用高压熔断器为电容提供保护。PT采样高压电网的B、C相之间的线电压，除了提供电压信号，还为控制器和控制回路提供电源。CT采样线电流，为控制器提供电流采样信号。CT1-CT4采样电容器电流，电容器的过流保护和缺相保护提供硬件支持。控制器将采集到的线电压、线电流、电容器电流的信号进行分析、计算，经过判断，输出控制信号，控制真空接触器关合和开断。
4. 控制策略
在控制方式上，装置采用了按无功投切和按功率因数投切两种方式。用户可以根据需要来选择。单就补偿的最终目的而言，笔者推荐使用无功来控制比较科学合理。
两组电容器由于其容量不等，在投切时就要考虑两个电容器的协调问题，大致来说，分为如下几个情况：
1） 两组都未投入。那么则根据所选控制方式，根据实际参数量来投入合适的容量。
2） 小容量电容器已投入。如果过补，则切电容;如果需要投入的容量大于小电容器而小于大电容器，那么切电容器;如果需要投入的容量大于大电容器，那么投大电容器。
3） 大容量电容器已投入。如果过补，那么切电容器;如果需要投入的容量大于小电容器，那么投小电容器。
4） 两个都已投入。如果过补，那么根据过补的多少，来选择切除哪一组电容器。
要实现自动控制，通常的做法是利用微控制器或处理器对采集来的数据进行计算，判断，然后再对对象进行控制。在本设计中为了使采集数据更精确，软件编程更简洁，使用新型的智能电表芯片替代了传统的ADC和部分MCU的工作。在软硬件设计中注重了对动态电容器的保护，实现了10分钟保护、过流保护、缺相保护、延时保护等多种保护功能，使得系统工作更加稳定有效。
图2 硬件结构图
如图2，整体电路由AD，CPU，外围IC器件组成。使用专用测量芯片CS5460替代了原先的ADC和部分单片机的工作，通过芯片内的硬件算法得到Irms、Vrms、P。主CPU使用51系列芯片，其内部自带20K字节的FLASHROM和512字节的RAM，设计中，全部采用其内部的程序存储器和数据存储器。外围IC器件主要包括外部扩展的一片E2PROM存储器，它拥有32K字节的存储空间，用来存储参数设定值及历史数据;时钟芯片为系统工作提供时间参考;另外，人机接口模块选用了ZLG7289BP键盘显示管理芯片。该芯片可以同时管理8个数码管和64个按键，采用SPI总线接口，便于进行级联。系统设计还有RS-232串行通讯接口，可以上传下传数据，进行遥控遥测。
本装置主要是实现按实时无功来控制电容器的投切，具体软件流程图如3 所示 。
图3 控制器软件流程示意简图
6.1 功能实现。
软件必须做到以下功能：采集数据并传给CPU，然后进行算法运算并处理，发控制命令，另外还必须有显示，通信的功能。
1） 采集调理后信号，计算出线路电压、电流、功率因数、有功、无功。
2） 通过继电器控制真空接触器可按照无功的实时情况对补偿电容进行合理控制。控制器还具有过压、欠压、过流、速断、10Min、动作次数、缺相等保护;
3） 提供准确的时钟，并能存储必要的电量数据。
4） 数码管显示电量数据，并可通过按键调整参数。
5） 通过RS-232串口通信模块实现通信。通过无线通信能调出控制器中的实时数据和历史数据。其中历史数据包括近两个月的整点数据和近100次的动作记录。
6.2 算法实现
（1） 运算算法
运算算法结构如图4 所示。
图4
控制器只采集线路上的一个线电压和一个相电流来对线路的电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数进行计算。电压和电流的有效值由CS5460进行硬件计算。在线路的电压和电流都为三相对称的情况下，系统的无功功率为Q=3UaIasinφ其中φ为功率因数角。又因为 比 超前900，幅值相差 倍，所以可得
由上式可知，只要采集Ucb和Ia，并将它们送入CS5460里，按照有功功率的方法进行计算，再乘以 ，就得到实际线路的无功功率。有了无功功率，就可以求出系统的有功功率为
角的正负由无功功率的正负来判断，当Q》0时，φ》0，负载为感性;当Q（2） 保护算法
保护算法如图5所示，程序按顺序依次判断是否执行各保护。其中，过流保护和过流速断保护判断的是电容器的电流，当电容器中任一相电流超过保护设定值时，即启动保护。
过压保护和欠压保护以过压值和欠压值来判断是否需要启动保护。缺相保护是判断当有一相电容器电流为零时，就启动保护。当电容器进入保护状态时，装置推出控制。其中过流和缺相保护还设置了保护位，当保护位被人工清除时，装置才可重新进入控制状态。
图5 保护算法
7.结论
无功补偿是电力传输中一个永远的课题，从静态补偿到动态单路补偿再到动态多路补偿是一个必然的过程，而两路动态补偿正好可以成为单路到多路中间一道桥梁，它完全继承了单路补偿的所有优点，并且能够实现一定精度的细补，节省成本，因此，本装置对于现阶段10Kv电网的无功补偿来说，它是一套相对小成本、高效益的设备，对于农网节能降损具有相当的经济和社会效益。
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