基于网络模块化无功补偿装置的研究开发

欧剑

摘 要：针对电力系统无功消耗不确定，电能输出不稳定的情况，本文设计研制出了一套多功能、高性能的智能型无功补偿装置。该装置可直接并入末端的低压动力网，为多个用电设备提供无功补偿和谐波补偿，能有效地降低了动力网的总用电功率。通过现场测试，它实现了实时无功补偿和谐波补偿，其功率补偿值超过总功率的20%，单次补偿时间小于2m，达到国际先进水平。

关键词：无功补偿；谐波检测；PSO-DE；拉格朗日插值；复合开关；网络化

1 引言

在电力系统中，由于大多数用电负载正常工作都需要消耗一定的无功功率，所以保证电网中无功平衡是必不可少的。如果这些无功功率都由发电中心提供并经过远距离的传输，将会浪费大量的电能[1]，同时投入成本增大，电力系统的安全稳定运行和电能的使用质量降低。而目前由于我国对电力电子装置的研究起步较晚，国产无功补偿装置还存在一些如技术还不够完善，补偿精度不高等缺点。因此，研究安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、能够动态补偿的无功功率就地补偿装置对电网系统的稳定运行以及电力用户，都有十分重要的意义[2]。

2 网络模块化无功补偿装置的设计思想

2.1 网络模块化无功补偿装置关键技术研究

无功补偿装置性能的好坏不仅会影响到电力系统中无功功率补偿精度，甚至会影响整个电力系统的稳定运行。现有的无功补偿装置，按控制目标的不同，一般可以分为电压控制、功率因数控制、无功电流控制、无功功率控制和多变量综合控制[6]。

本文重点就是研制一种网络模块化智能无功补偿装置，对每台电容器配置单独的控制器与现场总线通信功能，各个补偿装置不仅能够独立工作，而且也能通过组网构成一个无功补偿系统，不仅在配电柜中能采用积木式结构，加强了系统可靠性，而且通过总线把电网中各个节点的电网参数汇总，实现多模块联网运行时协调工作，能有有效提高系统的补偿精度和补偿效率，降低事故发生的的几率。

针对单一用户处于用电末端的用电设备相对集中，系统通信距离较近，本文设计无功补偿装置的网络总线选用RS485。RS485采用差分传送模式，抗干扰能力突出，且经济成本较低，能够使该装置具有很强的市场竞争优势。

2.2 总体方案设计

在整个系统中，为了使各个无功补偿模块能顺利通信，每个补偿装置均设置了唯一的联网通信地址。每个独立的补偿装置都集成有能够同时测量电网中A、B、C三相用电参数的数据采集模块和数据处理模块，整个补偿系统可以通过对各个节点的用电参数进行分析，合理设计各个节点的电容器容量和补偿方式，进行统一管理，能够大大提高系统的无功功率补偿精度。

2.3 网络模块化系统无功补偿策略

系统中单个无功补偿装置通过RS485总线组成一个无功补偿网络系统，在该系统中能够自主生成上位机控制器，各个节点的无功补偿装置把所测各个节点的电网节点参数传送给上位机，由上位机对整个系统各个节点的无功进行分析，然后采用综合电压、无功功率的无功补偿策略，根据系统中各个节点处所测无功功率情况、各节点处安装电容器容量和电容器实时运行情况，向各节点处的无功补偿装置发送投切命令，以实现整个系统的无功补偿最优化。

网络模块化系统无功补偿策略只要按照电力系统所要求的统一管理、先投先切后投后切、不过补偿、及时改变电容器投切状态标识、不误操作的原则，即可保证系统的安全性。

在电容器的投切动作设计时，电容器每次投入后，需要经过一定的时间才能再次投入，复合开关中磁保持继电器也不能过于频繁动作，否则会造成电容器和磁保持继电器频繁投切，影响电容器和复合开关的使用寿命。为了既保证无功补偿的精确性又不造成电容器的频繁投切动作，系统中无功功率补偿的判据每隔数秒进行一次，无功补偿的控制目标电压和无功功率取几次平均值求得。

3 网络模块化无功补偿装置的硬件设计

无功补偿控制器是无功补偿装置的核心部件，具有举足轻重的地位，控制器的硬件组成将直接影响无功补偿控制器的整体性能。传统的无功补偿装置多以8位单片机为控制核心，由于其硬件资源和数据处理能力有限，已不能满足现代电力行业对无功补偿控制器的功能需求，本文的控制器的设计采用了嵌入式结构，使用SOC平台技术，以32位STM32处理器为核心，通过地址/数据总线搭载高精度专用电能计量芯片ATT7022D，利用硬件ADC缓存功能实现电量数据的快速采集，STM32处理器内置专用的FFT算法可以实现对电网中谐波进行分析，这使得系统的数据处理能力和控制精度大大提高，能够更好的满足无功补偿的实时性及精确性要求。

3.1 无功补偿装置的基本原理与硬件总框图

该控制器装置的工作原理是通过ATT7022D实时对电网电压、电流进行采样，并将采样得到原始数据传送给STM32F103VE，由STM32F103VE对数据进行分析处理，并按照相应的数学模型计算出各项指标值，当电网需要投切电容时，STM32处理器发出控制命令，发出正负脉冲驱动电路动作复合开关，实现电容器的无涌流投切。该控制器主要有电压互感器、电流互感器、ATT7022D电能计量芯片、复合开关、STM32F103VE、存储器、LCD显示屏、RS-485、电源等部分组成（图略）。

3.2 无功补偿装置各个功能模块的设计

该无功补偿控制器的设计采用模块化设计，主要包括数据处理控制模块、数据采集模块、复合开关模块、数据存储模块、网络化模块、电源模块、显示模块等。

STM32F103VE处理器使用高性能的 ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，而Cortex-M3采用ARM V7架构，不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多新特性。

电源模块采用了迪杰电气公司生产的220V转12V交流变压器，然后经过整流滤波电路和LM7805及REG1117-3.3稳压芯片分别得到5V、3.3V直流电压。

数据采集模块采用最新的专用高精度三相计量芯片ATT7022D作为电能参数采集芯片，相比较于传统的利用采样电路采集电网参数，具有测量精度高，性能稳定的优点，如图3，其前置电压和电流互感器将将电网电压、电流转换成有效值在1V以内的交流小信号，然后再将转化后的小信号分别接到ATT7022D的电压和电流相应的采样通道中。

复合开关主要由晶闸管、磁保持继电器、光电双向可控硅驱动器MOC3083组成。既能实现电压过零时刻导通和电流过零时刻，又能使磁保持继电器在大部分时间承载电容器正常工作电流，具有工作稳定，投切时刻几乎无谐波注入的优点。

通信模块选用485通信，为满足方便扩充补偿容量的应用需求、动态补偿无功功率， 实现了多个无功补偿装置模块的联网通信、协调工作。

温度检测模块考虑到设计成本和本装置对温度检测的设计需求，本应用采用10K的NTC热敏电阻器来实现对电容器温度的测量。该热敏电阻器能够把温度的变化转化为电阻阻值的变化，本装置应用测量电路把阻值的变化转换为电压的变化，然后通过STM32的ADC采样把模拟的电压值转换为数字信号进行分析，最终测量出NTC的阻值，再根据NTC热敏电阻器的温度-阻值表，测得电容器实际的温度。

储存模块设定的参数应保证不会因掉电而丢失，最直接的保存设定参数的方法就是使用EEPROM器件，因此选用的是AT24C16。

4 网络模块化无功补偿装置系统软件设计

软件设计直接关系到无功补偿装置在电网中运行的稳定性和无功补偿性能。本文采用C程序语言设计编写控制程序，利用STM32丰富的库函数，可以方便地通过操作相关外设寄存器对芯片进行配置，而不必对每个外设寄存器进行深入了解配置，大大地减少了编程程序的时间，压缩了软件的调试过程，加快了项目开发进度，降低了开发成本。

本文设计的无功补偿装置软件部分采用模块化设计，把复杂的软件系统设计分成若干个小模块，每个模块实现特定的功能，然后在将所有的模块组合成一个系统，从而完成对整个系统的设计。模块化设计能够大大提高代码的可读性和可修改性，便于后期调试，能够降低系统的复杂性，大大缩短开发时间。

4.1 总体设计方案

无功补偿装置系统软件设计主要由系统初始化模块、读取电网参数模块、电容投切计算模块、系统保护逻辑实现模块、电网谐波检测模块、网络化组网模块等几部分组成。

初始化设计后，三相专用电能计量芯片ATT7022D和STM32F103VE之间是通过SPI总线进行计量参数和校表参数通信的[12]，STM32在对ATT7022D进行读取数据以前，需要对其进行校表操作，根据标准电能表读数经过STM32软件校表以后，ATT7022D测得的有功精度可达到0.5s，无功精度2级。

对连续电网信号进行频谱分析时，首先要对其进行采样，并且必须要满足采样定理（其中为采样频率，为信号最高频率）才能得到全部频谱，否则会发生频谱混叠现象[13]。ATT7022D内部集成了一个240字节的原始采样数据缓存区，采样频率为3.2kHz，完全满足对电网中的30次以内的谐波进行测量。

为了验证该无功补偿装置测得谐波的精度，采用输入标准方波对该装置进行测试，理论表明一个标准方波周期信号可以分解为若干个正弦波的组合。该装置在测试中先采用美国Fluke公司的6100A电能功率标准源产生电压幅值为100V频率为50Hz的方波电压信号，然后在用该装置进行测量。

实验结果表明各次谐波测量结果精度还是很高的，虽然随着谐波次数的增加，谐波测量误差越来越大，但所测谐波数据误差均满足国家标准要求。

4.2 投切模块设计

这在整个无功补偿装置控制算法中，电容器投切控制算法是整个装置的控制核心，投切控制算法的好坏不仅影响电网系统中无功补偿精度，而且还影响补偿设备在电网中运行的稳定性和可靠性。本文设计的无功补偿装置电容器投切控制算法采用模块化设计，分为两个部分：电压、无功功率综合投切判断控制，电容器投切执行控制。电压、无功功率综合投切控制是根据数据采集模块测量的电网中电压和无功功率来计算出要投切的电容器容量。

4.3 无功补偿系统网络化设计

为了保证整个补偿系统的补偿效率和稳定性，本文一方面通过RS485总线把多个独立的无功补偿模块装置连接起来组成一个无功补偿系统，另一方面采用主、从工作模式。系统工作时，各个从模块补偿装置先把所处节点的电网检测参数传送给主模块补偿装置，然后主模块在对各个节点的电网参数进行综合分析，最后根据电网中的无功功率情况，向最合适的从模块无功补偿装置发送投入或切除电容器命令。这样由主模块综合分析各个节点处的无功情况进行整体最优化控制，能够大大提高无功补偿的效率。在整个无功补偿系统的控制过程中，如果主模块发生故障退出运行时，系统会重新自动生成主模块，保证系统仍能正常运行，提高补偿系统的稳定性。

在整个无功补偿系统中，主补偿模块是整个系统的的控制中心，它不仅要采集自己节点处的电网参数和接受系统各个节点处的电网参数，还要对各个节点的电网参数进行综合分析，并根据电网中的无功功率情况，向最合适的从模块无功补偿装置发送投入或切除电容器命令。

从模块在联网运行中执行以下功能：

（1）能够接收主补偿模块的查询命令并响应其查询命令；

（2）能够接收主补偿模块发送的投切命令，并结合当前自身装置的运行情况（电容器是否满足投切条件等）执行并联电容器的投切动作；

（3）当一段时间后仍没有接收到主模块的查询命令时，从补偿模块能够重新联网自动生成主补偿模块。

整个无功补偿系统运行过程中主补偿模块每隔一定的时间就会依次向系统中的各个从补偿模块发送查询命令，如果连续两次查询主补偿模块都没有接收到从补偿模块的响应信号或者响应信号数据的 效验码错误，则认为从补偿模块无法正常和主补偿模块通信，主模块则会将此从模块从整个无功补偿控制系统中去除。

4.4 实验测试分析

为了证明本文设计的网络模块化无功补偿装置的可行性，最后本文通过现场实验进行了验证。实验接线图如图（图略）所示，整个实验系统的感性负载有额定电压380V、额定容量60kvar的三相电抗器来模拟。三相电抗器前面串联一个三相调压器，通过调节调压器的输出电压值来动态的调节感性无功功率，以此来实现可调的无功功率负载。由于本实验的电抗器容量有限且三相无功平衡，可以最多安装7组容量10kvar的三相共补型的无功补偿装置。

在实验中，通过调节感性负载的大小来改变系统中的感性无功功率，网络模块化无功补偿装置系统根据系统中无功功率的变化自动改变投切无功补偿装置的数目。

由此表可以看出，本文设计的网络模块化无功补偿装置能有效地补偿系统中的感性无功功率。经过补偿后，系统中的剩余无功功率较少，功率因数能够维持在0.9以上。该实验表明了本文设计的网络模块化无功补偿装置具有很高的补偿精度。

5 结语

本文设计的是一套多功能、高性能的智能型无功补偿装置，它对每台电容器配置单独的控制器与现场总线通信功能，构成了网络模块化的无功补偿装置，该装置采用复合开关技术控制投切电容器，能有效地减少电容器投切过程出现的涌流现象，延长电容器的使用寿命，抑制高频谐波，同时对每台电容器配置单独的控制器与现场总线通信功能，构成网络模块化无功补偿装置，加强了系统可靠性。

整套装置在绵阳XX电梯生产有限公司进行了现场测试，通过接入两部高速电梯驱动电机的动力线路，实现了实时无功补偿和谐波补偿，其功率补偿值超过总功率的20%，单次补偿时间小于2ms，达到国际先进水平。

参考文献

[1] 陈小贵.电力用户无功补偿原理及效益分析[J].广西电业.2009.12期.

[2] 栾笛.加强无功管理提高功率因数降低电能损耗[J]能源与节能.2012.4期.

[3] 戴建刚.浅谈低压无功补偿技术[J].中国科技博览.2009.23期.