摘要：為了提高終端用戶配電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和供電電能質(zhì)量，該文在傳統(tǒng)低壓終端配電自動化方案的基礎(chǔ)上提出了一種電能質(zhì)量集散控制系統(tǒng)方案。該控制系統(tǒng)方案的集中控制部分不僅繼承了傳統(tǒng)配電自動化的功能，而且將傳統(tǒng)被動的電能質(zhì)量監(jiān)測分析功能增強(qiáng)為主動的電能質(zhì)量拉制功能;分散控制部分由集成在標(biāo)準(zhǔn)的抽屜式配電開關(guān)桓中的若干個電力電子變流器子模塊組成，不僅能在終端配電支路處降低負(fù)荷間的電能質(zhì)量影響，同時也改善了電網(wǎng)入口處的電能質(zhì)量。最后，實(shí)驗結(jié)果也證明了所提方蒙是可行的。

關(guān)鍵詞：配電自動化;電能質(zhì)量;集散控制;非線性控制

1 前言

電能的實(shí)用性在世界各個領(lǐng)域的發(fā)展中都起到舉足輕重的作用，清潔能源在電能的使用中主要體現(xiàn)在電壓電流的諧波、頻率、無功及不平衡度等指標(biāo)上。對于公用電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，電力電子設(shè)備及各種類型的非線性負(fù)載的投切會產(chǎn)生大量的電能污染，可導(dǎo)致停電、電能利用率低及損壞精密儀器和設(shè)備等問題，對人們的生活產(chǎn)生不利影響并可能帶來經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)重?fù)p失。因此，電能質(zhì)量的分析和研究對生活工作及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各方面均有著重要意義。

2 電能質(zhì)量的定義

電能質(zhì)量就是對電網(wǎng)中電壓、電流品質(zhì)的衡量，對于正常情況下供配電系統(tǒng)中存在的電壓、電流的頻率均為50Hz，為對稱的三相正弦波形，理想狀態(tài)下電壓、電流波形均為平滑的正弦曲線，三相電流或電壓的幅值相等。電壓或電流曲線的平滑程度、幅值平衡程度及相位對稱程度等指標(biāo)決定了電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

3 控制系統(tǒng)介紹

3.1集中控制器硬件結(jié)構(gòu)

首先通過信號調(diào)理電路提取相關(guān)模擬信號，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入1#FPGA芯片(EP2C20Q240C8)，此芯片將數(shù)據(jù)再送入ARM芯片(STM3F105)和DSP芯片(320F2835) 進(jìn)行分析和計算。ARM芯片主要析所采集到的電參量信息從而實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、保護(hù)、預(yù)警等傳統(tǒng)配電自動化的功能;DSP芯片主要負(fù)責(zé)計算入口處的剩余諧波、無功、不平衡電流以及分析各分散控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，合理地決策出將剩余諧波和無功補(bǔ)償量分配給具有剩余容量的子模塊。2#FPGA芯片(EP2C20Q240C8)負(fù)責(zé)光纖端口的擴(kuò)展，與每臺分散控制器以串口的方式進(jìn)行高速點(diǎn)對點(diǎn)通信，速度可達(dá)10Mbs，將所需的補(bǔ)償量等數(shù)據(jù)及時發(fā)送至變流器子模塊。

3.2集中控制器的協(xié)調(diào)控制方法

采用額定輸出電流的有效值表示分散子模塊的補(bǔ)償容量，集中控制器與子模塊的通信數(shù)據(jù)格式，在集中控制器的FPGA內(nèi)模擬多個獨(dú)立的串行通信口，各子模塊作為通信主機(jī)每半個工頻周期發(fā)送一次本機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和各種數(shù)據(jù)，包括本機(jī)是否補(bǔ)償正常、通信接收是否正常以及剩余容量、溫度數(shù)據(jù)、經(jīng)DF計算的本地負(fù)載各次諧波值、基波無功值等。集中控制器作為通信從機(jī)在接收到子模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)后應(yīng)立即進(jìn)行分析與計算，在半個工頻周期后將計算好的數(shù)據(jù)下發(fā)到對應(yīng)的子模塊進(jìn)行補(bǔ)償，發(fā)送的數(shù)據(jù)應(yīng)包含本控制器運(yùn)行是否正常、通信接收是否正常、補(bǔ)償參數(shù)、設(shè)置參數(shù)以及配電開關(guān)柜總?cè)丝谔幗?jīng)DF計算的需要對應(yīng)子模塊補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波、基波無功值等數(shù)據(jù)。如果子模塊能接收到集中控制器發(fā)來的補(bǔ)償數(shù)據(jù)并且本子模塊運(yùn)行正常，此時可輸出相應(yīng)的補(bǔ)償容否則本子模塊不參與集中控制器的協(xié)調(diào)控制。

3.3分散子模塊的結(jié)構(gòu)及控制算法

由電力電子變流器組成的分散式電能質(zhì)量控制器子模塊。變流器采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與兩電平結(jié)構(gòu)相比體積更小、功率密度更高，方便標(biāo)準(zhǔn)的抽屜式開關(guān)柜結(jié)構(gòu)集成化。關(guān)于有源濾波器的控制器設(shè)計已經(jīng)有諸多研究，如比例諧振控制、重復(fù)控制、無差拍控制、魯棒控制、無源控制等。其中無源控制本質(zhì)上是一種非線性控制，其控制思想是一種基于能量的控制方法，具有物理含義明確、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)但是傳統(tǒng)的控制存在收斂誤差等缺點(diǎn)，為此，本文提出一種基于無源控制的新型控制方法。

4 供配電系統(tǒng)智能監(jiān)控及治理

4.1系統(tǒng)化監(jiān)測

電能質(zhì)量的監(jiān)測點(diǎn)分布在電力系統(tǒng)的不同區(qū)域，選擇相應(yīng)的測量點(diǎn)以獲取不同的測量信息及數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程通信發(fā)送到中轉(zhuǎn)處理中心進(jìn)行集中處理。不同的電能質(zhì)量特性采用不同的監(jiān)測裝置，用上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置不同的采集和計算模式，以便更快速地獲取現(xiàn)場的電能狀態(tài)，并及時做出合理反應(yīng)。電壓閃變及不平衡度處理對電力系統(tǒng)產(chǎn)生短時的干擾和影響，可能存在非周期性，無法提前以智能控制訓(xùn)練獲取相應(yīng)的變化趨勢，需要設(shè)定直接返回指令以面對不同區(qū)域的不同數(shù)據(jù)信息。諧波及無功的變化治理是根據(jù)負(fù)載的長期穩(wěn)定運(yùn)行得到的，根據(jù)負(fù)載現(xiàn)場的運(yùn)行特性，采用系統(tǒng)化的歸類和治理方案選取自動匹配不同特性的供配電系統(tǒng)，以滿足不同指標(biāo)的用電需求，提用電可靠性和穩(wěn)定性。此外，故障特性及數(shù)據(jù)整理將自動存儲到用戶端，以便查看不同時刻的用電情況。

4.2就地監(jiān)測由于諸多客觀因素的制約，部分區(qū)域無法實(shí)時處理在線數(shù)據(jù)，需要對電能質(zhì)量進(jìn)行就地監(jiān)測治理。電能質(zhì)量的治理需要現(xiàn)場的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析，才能得出最為合適的治理方案。便攜式測量裝置能直接到現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測量，這樣使數(shù)據(jù)的提取變得十分便捷并能與現(xiàn)場的供配電情況相結(jié)合，綜合地反饋到治理中心進(jìn)行處理或經(jīng)驗積累，以備后續(xù)進(jìn)行綜合電能質(zhì)量治理。這種方式適用于各個供配電范疇，對于系統(tǒng)化治理的電能質(zhì)量問題也可結(jié)合局部就地監(jiān)測治理，按照月或季的方式進(jìn)行重新擬合，以獲得最佳的治理效果。這種方式的治理是針對負(fù)載特性較穩(wěn)定的場合，需要對負(fù)載的變化進(jìn)行定時間的測量后進(jìn)行類推治理，對實(shí)時性要求高或負(fù)載變化非周期性情況不適合。

5 提高電能質(zhì)量的方法

電能質(zhì)量問題的處理決定了用電設(shè)備的使用效率和安全性，必須采取有效、穩(wěn)定的治理方案才能達(dá)到理想效果，主要分為以下幾種:

5.1電壓偏差治理

控制樞紐的調(diào)控決定了電壓的整體趨勢，在源頭處進(jìn)行調(diào)整會起到直接作用。中樞點(diǎn)的調(diào)壓方式一般分為逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓三種。發(fā)電幅值的調(diào)節(jié)在不同變壓器輸出端口進(jìn)行分壓處理，改變相位即調(diào)整功率因數(shù)，或使用無功補(bǔ)償裝置。

5.2頻率偏差治理

電力系統(tǒng)的頻率很難去改變，調(diào)速器可對電網(wǎng)頻率進(jìn)行校準(zhǔn)。

5.3諧波治理

諧波治理主要分為以下幾種：(1)對于非線性負(fù)載或其他諧波發(fā)生裝置的內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)，減少諧波的輸出。(2)無源濾波處理，采用電容和電抗器等裝置對諧波進(jìn)行吸收，為諧波提供吸收通路，減少流人到用電端的諧波含量。(3)有源濾波處理，如有源電力濾波器(APF SREAPF是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償。在諧波源處就近安裝有源電力濾波器，是在諧波源設(shè)備已經(jīng)確定的情況下防止諧波電流注入電網(wǎng)的有效措施。靠近諧波源吸收諧波電流，是安裝濾波器的基本原則。有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波。

5.4無功和三相不平衡治理

無功和不平衡的治理均可采用無源的方式，但由于無源治理方式無法治理動態(tài)變化的環(huán)境，采用靜止無功發(fā)生器及電能質(zhì)量綜合治理裝置進(jìn)行治理，以達(dá)到精度和響應(yīng)速度的治理需求，為智能建筑的推進(jìn)提供保障。

6 結(jié)束語

配電自動化的目的是綜合運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)和管理手段提高配電系統(tǒng)的可靠性，保障供電連續(xù)性，監(jiān)視并分析電能質(zhì)量問題，降低故障風(fēng)險，通過有效的診斷分析故障原因，提高電力系統(tǒng)管理效率，降低運(yùn)行成本。現(xiàn)代配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題不僅會引起高耗能，而且會導(dǎo)致諸多事故和隱患，所以結(jié)合配電自動化解決好電能質(zhì)量問題具有深遠(yuǎn)的意義。

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