单相线路电能质量治理装置间的协同控制技术

李恒宇 周天祥 王志鹏 康国庆 李贺

摘 要：低压配电系统中，同一台区供电范围内往往有多台不同的电能质量治理装置，但是不同的装置都是各自独立运行，不能进行协调控制，各自按照设备内置的自动控制策略进行动作，从全局来看，不能很好地起到改善台区电能质量的目标。针对这种情况，该文对电能质量治理装置间的协同控制策略进行研究，设计电能质量治理装置间的协同控制模块，使台区内各电能质量治理装置间能相互通信，优化动作秩序，在治理低压台区电能质量问题上相互协同控制，解决同一台区下各单相终端装置的协调动作难题，避免动作振荡，从而在总体上改善台区的电能质量。

关键词：单相线路；电能质量；治理装置；协同控制

中图分类号：TM714 文献标志码：A

0 引言

随着电力系统网络日趋复杂，单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，造成了低压单相电路的电压偏低，无功增大以及三相负荷不平衡问题比较严重。

目前，解决低压配电网单相线路电能质量问题的产品比较多，但多种装置之间不能进行协调控制，各自按照各自控制策略进行动作。从单个电能质量治理装置的治理效果来看，都能够实现改善电能质量的目标，但从全局来看，装置自动切换，造成优势相序的优势丧失，产生新的优势相序，进而再次触发新的动作，进入了恶性循环的调节振荡中。这种不能进行全局协调的电能质量的治理方式，不仅增加了电能质量治理装置的动作次数，还为低压台区电能质量治理带来了新的问题。追根究底，造成这种现象的主要原因是，各个电能质量治理装置间协同控制不足，缺乏相互协作。

为此，该文对电能质量治理装置间的协同控制策略进行研究，设计电能质量治理装置间的协同控制模块，使台区内各电能质量治理装置间能相互通信，优化动作秩序，在治理低压台区电能质量问题上相互协同控制，从总体上改善台区的电能质量。

1 电能质量治理装置协同控制总体思路

目前，大多的单相低压线路电能质量治理装置的控制模式包括自动控制和手动控制，总体功能包括电压双向调节、多级无功补偿、负荷选相以及大容量过载保护等。为了更好地进行电能质量治理，改变各个电能质量治理装置间协同控制不足，缺乏相互协作的现状，需要对治理装置的控制模块进行改进，主要包括：装置间负荷分级、相邻通信和动作闭锁机制的改进，实现同一台区下各单相电能质量治理装置的协调动作难题，避免动作振荡。

2 电能质量治理装置协同控制关键技术研究

2.1 相邻通信技术

为了解决同一台区下各电能质量治理装置间的协调动作问题，首先要使各装置间能够相互通信。由于电能质量装置安装于三相四线转单相供电的T节点处，实现台区内全部装置间进行相互通信成本相对较高，但实现相邻装置间的项目通信还是比較经济可行的。

目前，各装置的运行数据主要通过与配网控制系统做接口的方式获取，这种方式有3个方面的弊端：一是低压配网自动化系统厂家众多，且数据文件没有固定格式，目前装置内部仅可以解析南瑞配网自动化系统数据文件，从而获取同级装置运行数据。二是自动化系统数据文件外送频率较低，通常为5分钟一次，这对控制策略的分析制定造成了一定影响，三是控制策略通过自动化系统配置到相应装置，会出现延时问题。

为了克服上述通信方式的不足，还有用装置间以直接通信的方式获取数据的方法，此种方式虽然也需要与不同厂家不同类型装置做通信适配，但是直接解析报文相对简单，同时发送控制指令时序性较强。该文采用基于4G网络的通信模块，可以提供高速及时的数据通信，对整个系统运行提供了强有力的支持。

2.2 基于相邻通信的装置闭锁技术

装置进行相邻通信以后，为实现统一协调控制，需要对不需要动作的装置进行短时间的闭锁操作，以确保在各装置协调有序进行电能质量调节，避免动作震荡。具体的实现过程如下：

（1）相邻通信功能实现以后，MCU的控制策略传达到各个装置。

（2）此时，执行动作的装置进行切换动作，不执行动作的装置执行动作闭锁。

其中闭锁功能，简单来说就是装置动作后，为避免其他同级装置重复动作而进行的一定时间内无动作运行。

（3）装置的闭锁控制，支持多种控制模式，可以采用预制控制策略手动控制，也可以通过执行实时控制策略进行远程控制。

2.3 基于MCU的集中控制技术

现有电能质量治理装置大多集成了电压、无功和不平衡3种调节模式，在MCU的集中控制下能够自适应线路工况运行，任一模块也可单独工作，互不影响。

MCU的集中控制技术是一种数据处理、分析、控制技术。首先通过采集模块采集线路上的电压、电流信号数据，其次，由MCU中相应的处理模块就会对数据进行处理，包括对电压、电流信号进行傅里叶分解计算，求出电压、电流有效值；以电压波动最小、有功损耗最低为目标，结合当前固定时间周期内负荷率，通过迭代算法得出电压调整百分比、无功补偿等级以及是否需要换相操作。

为保证装置自身易安装特性，内部采用高度集成的中央控制模块MCU。其中嵌入式系统为高度定制的基于Linux内核的操作系统，其自带的权限特性为控制器本身提供了非常高的安全性，同时也符合带有通信、控制功能的电网装置安全要求。

2.4 装置间负荷分级技术

对电能质量治理装置间的协同控制策略进行研究，不仅要协调控制台区内的电能质量治理装置，最大程度地提高台区的电能质量，同时，还考虑重要负荷的用电情况，以重要负荷的得到用电保证为前提。

根据国标GB50052—95《供配电系统设计规范》中规定的电力负荷分级标准，结合台区同一线路下不同装置控制区域间负荷的重要程度，将台区负荷进行分级分类，使装置间在协调控制时，能优先保证重要负荷的用电。

具体的做法是在电能质量治理装置中嵌入一套负荷跟踪系统，由负荷跟踪系统分析判断台区用户的用电情况，也可以手动进行添加和删减。然后电能质量治理装置根据其运行参数确认相应的负荷情况，执行优先满足负荷等级较高用户所在线路的用电调整策略。

3 电能质量治理装置协同控制模块设计

为了提高整个台区的电能质量治理效果，该文设计了电能质量治理装置间的协调控制模块，主要包括装置间的相邻通信模块、集中控制模块（MCU）、负荷分级模块以及相邻闭锁模块。

其中：相邻通信模块负责与外部相邻的电能质量治理装置进行通信，用于接收其治理线路的运行参数，发送控制命令等。集中控制模块（MCU）起到该线路同级装置间协同控制作用；负荷分级模块用于不同装置间的协同控制，优先满足负荷等级较高用户所在线路的用电；相邻闭锁模块，简单来说就是装置动作后，为避免其他同级装置重复动作而进行的一种闭锁装置，使其在一定时间内无法动作运行的操作。

电能质量治理装置间的协调控制模块间各司其职，相互协同，共同实现台区电能质量装置间的协同工作，提高台区总体的电能质量治理效果。

4 结语

电能质量治理装置协同控制技术的研制，让装置实际安装后不但可以对一定区域的电能质量治理起到作用，还能够在台区内与同级的电能质量治理装置进行通信，使不同装置协同运行，有效避免因电能质量治理装置的无序动作产生调节动荡，从而实现不同环境和条件下低压配电网电能质量的优化和调节，提高用户用电满意度，实现低压配电网的稳定、安全、经济性运行。

参考文献

[1]刘伟，徐志伟，侯秀梅.低压配电网三相不平衡治理措施[J].建筑电气，2017（11）：58-63.

[2]吴骏.智能配电网电能质量问题简析[J].电力电容器与无功补偿， 2016，37（6）：35-39.

[3]王维权.电能质量矫正装置在低压配电网中的应用研究[J].能源与环保，2017（9）：70-76.

[4]冯兴田，孙添添，马文忠.配电网电能质量调节装置集散配置策略[J]. 电力系统保护与控制， 2015， 43（24）：33-39.