單相線路電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)同控制技術(shù)

李恒宇 周天祥 王志鵬 康國(guó)慶 李賀

摘 要：低壓配電系統(tǒng)中，同一臺(tái)區(qū)供電范圍內(nèi)往往有多臺(tái)不同的電能質(zhì)量治理裝置，但是不同的裝置都是各自獨(dú)立運(yùn)行，不能進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，各自按照設(shè)備內(nèi)置的自動(dòng)控制策略進(jìn)行動(dòng)作，從全局來(lái)看，不能很好地起到改善臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量的目標(biāo)。針對(duì)這種情況，該文對(duì)電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)同控制策略進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)同控制模塊，使臺(tái)區(qū)內(nèi)各電能質(zhì)量治理裝置間能相互通信，優(yōu)化動(dòng)作秩序，在治理低壓臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量問題上相互協(xié)同控制，解決同一臺(tái)區(qū)下各單相終端裝置的協(xié)調(diào)動(dòng)作難題，避免動(dòng)作振蕩，從而在總體上改善臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗑€路；電能質(zhì)量；治理裝置；協(xié)同控制

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，單相用戶的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入以及單相負(fù)載用電的不同時(shí)性等，造成了低壓?jiǎn)蜗嚯娐返碾妷浩停瑹o(wú)功增大以及三相負(fù)荷不平衡問題比較嚴(yán)重。

目前，解決低壓配電網(wǎng)單相線路電能質(zhì)量問題的產(chǎn)品比較多，但多種裝置之間不能進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，各自按照各自控制策略進(jìn)行動(dòng)作。從單個(gè)電能質(zhì)量治理裝置的治理效果來(lái)看，都能夠?qū)崿F(xiàn)改善電能質(zhì)量的目標(biāo)，但從全局來(lái)看，裝置自動(dòng)切換，造成優(yōu)勢(shì)相序的優(yōu)勢(shì)喪失，產(chǎn)生新的優(yōu)勢(shì)相序，進(jìn)而再次觸發(fā)新的動(dòng)作，進(jìn)入了惡性循環(huán)的調(diào)節(jié)振蕩中。這種不能進(jìn)行全局協(xié)調(diào)的電能質(zhì)量的治理方式，不僅增加了電能質(zhì)量治理裝置的動(dòng)作次數(shù)，還為低壓臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量治理帶來(lái)了新的問題。追根究底，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，各個(gè)電能質(zhì)量治理裝置間協(xié)同控制不足，缺乏相互協(xié)作。

為此，該文對(duì)電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)同控制策略進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)同控制模塊，使臺(tái)區(qū)內(nèi)各電能質(zhì)量治理裝置間能相互通信，優(yōu)化動(dòng)作秩序，在治理低壓臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量問題上相互協(xié)同控制，從總體上改善臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量。

1 電能質(zhì)量治理裝置協(xié)同控制總體思路

目前，大多的單相低壓線路電能質(zhì)量治理裝置的控制模式包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，總體功能包括電壓雙向調(diào)節(jié)、多級(jí)無(wú)功補(bǔ)償、負(fù)荷選相以及大容量過(guò)載保護(hù)等。為了更好地進(jìn)行電能質(zhì)量治理，改變各個(gè)電能質(zhì)量治理裝置間協(xié)同控制不足，缺乏相互協(xié)作的現(xiàn)狀，需要對(duì)治理裝置的控制模塊進(jìn)行改進(jìn)，主要包括：裝置間負(fù)荷分級(jí)、相鄰?fù)ㄐ藕蛣?dòng)作閉鎖機(jī)制的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)同一臺(tái)區(qū)下各單相電能質(zhì)量治理裝置的協(xié)調(diào)動(dòng)作難題，避免動(dòng)作振蕩。

2 電能質(zhì)量治理裝置協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 相鄰?fù)ㄐ偶夹g(shù)

為了解決同一臺(tái)區(qū)下各電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)調(diào)動(dòng)作問題，首先要使各裝置間能夠相互通信。由于電能質(zhì)量裝置安裝于三相四線轉(zhuǎn)單相供電的T節(jié)點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)內(nèi)全部裝置間進(jìn)行相互通信成本相對(duì)較高，但實(shí)現(xiàn)相鄰裝置間的項(xiàng)目通信還是比較經(jīng)濟(jì)可行的。

目前，各裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)主要通過(guò)與配網(wǎng)控制系統(tǒng)做接口的方式獲取，這種方式有3個(gè)方面的弊端：一是低壓配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)廠家眾多，且數(shù)據(jù)文件沒有固定格式，目前裝置內(nèi)部?jī)H可以解析南瑞配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件，從而獲取同級(jí)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)。二是自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件外送頻率較低，通常為5分鐘一次，這對(duì)控制策略的分析制定造成了一定影響，三是控制策略通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)配置到相應(yīng)裝置，會(huì)出現(xiàn)延時(shí)問題。

為了克服上述通信方式的不足，還有用裝置間以直接通信的方式獲取數(shù)據(jù)的方法，此種方式雖然也需要與不同廠家不同類型裝置做通信適配，但是直接解析報(bào)文相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)發(fā)送控制指令時(shí)序性較強(qiáng)。該文采用基于4G網(wǎng)絡(luò)的通信模塊，可以提供高速及時(shí)的數(shù)據(jù)通信，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支持。

2.2 基于相鄰?fù)ㄐ诺难b置閉鎖技術(shù)

裝置進(jìn)行相鄰?fù)ㄐ乓院?，為?shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，需要對(duì)不需要?jiǎng)幼鞯难b置進(jìn)行短時(shí)間的閉鎖操作，以確保在各裝置協(xié)調(diào)有序進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，避免動(dòng)作震蕩。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）相鄰?fù)ㄐ殴δ軐?shí)現(xiàn)以后，MCU的控制策略傳達(dá)到各個(gè)裝置。

（2）此時(shí)，執(zhí)行動(dòng)作的裝置進(jìn)行切換動(dòng)作，不執(zhí)行動(dòng)作的裝置執(zhí)行動(dòng)作閉鎖。

其中閉鎖功能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是裝置動(dòng)作后，為避免其他同級(jí)裝置重復(fù)動(dòng)作而進(jìn)行的一定時(shí)間內(nèi)無(wú)動(dòng)作運(yùn)行。

（3）裝置的閉鎖控制，支持多種控制模式，可以采用預(yù)制控制策略手動(dòng)控制，也可以通過(guò)執(zhí)行實(shí)時(shí)控制策略進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.3 基于MCU的集中控制技術(shù)

現(xiàn)有電能質(zhì)量治理裝置大多集成了電壓、無(wú)功和不平衡3種調(diào)節(jié)模式，在MCU的集中控制下能夠自適應(yīng)線路工況運(yùn)行，任一模塊也可單獨(dú)工作，互不影響。

MCU的集中控制技術(shù)是一種數(shù)據(jù)處理、分析、控制技術(shù)。首先通過(guò)采集模塊采集線路上的電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)，其次，由MCU中相應(yīng)的處理模塊就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉分解計(jì)算，求出電壓、電流有效值；以電壓波動(dòng)最小、有功損耗最低為目標(biāo)，結(jié)合當(dāng)前固定時(shí)間周期內(nèi)負(fù)荷率，通過(guò)迭代算法得出電壓調(diào)整百分比、無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃?jí)以及是否需要換相操作。

為保證裝置自身易安裝特性，內(nèi)部采用高度集成的中央控制模塊MCU。其中嵌入式系統(tǒng)為高度定制的基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，其自帶的權(quán)限特性為控制器本身提供了非常高的安全性，同時(shí)也符合帶有通信、控制功能的電網(wǎng)裝置安全要求。

2.4 裝置間負(fù)荷分級(jí)技術(shù)

對(duì)電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)同控制策略進(jìn)行研究，不僅要協(xié)調(diào)控制臺(tái)區(qū)內(nèi)的電能質(zhì)量治理裝置，最大程度地提高臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量，同時(shí)，還考慮重要負(fù)荷的用電情況，以重要負(fù)荷的得到用電保證為前提。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50052—95《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的電力負(fù)荷分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合臺(tái)區(qū)同一線路下不同裝置控制區(qū)域間負(fù)荷的重要程度，將臺(tái)區(qū)負(fù)荷進(jìn)行分級(jí)分類，使裝置間在協(xié)調(diào)控制時(shí)，能優(yōu)先保證重要負(fù)荷的用電。

具體的做法是在電能質(zhì)量治理裝置中嵌入一套負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)，由負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)分析判斷臺(tái)區(qū)用戶的用電情況，也可以手動(dòng)進(jìn)行添加和刪減。然后電能質(zhì)量治理裝置根據(jù)其運(yùn)行參數(shù)確認(rèn)相應(yīng)的負(fù)荷情況，執(zhí)行優(yōu)先滿足負(fù)荷等級(jí)較高用戶所在線路的用電調(diào)整策略。

3 電能質(zhì)量治理裝置協(xié)同控制模塊設(shè)計(jì)

為了提高整個(gè)臺(tái)區(qū)的電能質(zhì)量治理效果，該文設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)調(diào)控制模塊，主要包括裝置間的相鄰?fù)ㄐ拍K、集中控制模塊（MCU）、負(fù)荷分級(jí)模塊以及相鄰閉鎖模塊。

其中：相鄰?fù)ㄐ拍K負(fù)責(zé)與外部相鄰的電能質(zhì)量治理裝置進(jìn)行通信，用于接收其治理線路的運(yùn)行參數(shù)，發(fā)送控制命令等。集中控制模塊（MCU）起到該線路同級(jí)裝置間協(xié)同控制作用；負(fù)荷分級(jí)模塊用于不同裝置間的協(xié)同控制，優(yōu)先滿足負(fù)荷等級(jí)較高用戶所在線路的用電；相鄰閉鎖模塊，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是裝置動(dòng)作后，為避免其他同級(jí)裝置重復(fù)動(dòng)作而進(jìn)行的一種閉鎖裝置，使其在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)法動(dòng)作運(yùn)行的操作。

電能質(zhì)量治理裝置間的協(xié)調(diào)控制模塊間各司其職，相互協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量裝置間的協(xié)同工作，提高臺(tái)區(qū)總體的電能質(zhì)量治理效果。

4 結(jié)語(yǔ)

電能質(zhì)量治理裝置協(xié)同控制技術(shù)的研制，讓裝置實(shí)際安裝后不但可以對(duì)一定區(qū)域的電能質(zhì)量治理起到作用，還能夠在臺(tái)區(qū)內(nèi)與同級(jí)的電能質(zhì)量治理裝置進(jìn)行通信，使不同裝置協(xié)同運(yùn)行，有效避免因電能質(zhì)量治理裝置的無(wú)序動(dòng)作產(chǎn)生調(diào)節(jié)動(dòng)蕩，從而實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境和條件下低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)化和調(diào)節(jié)，提高用戶用電滿意度，實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

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