基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統及方法與流程
本發明涉及電能治理領域，特別涉及一種基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統及方法。
背景技術：
合理地設計電網結構是解決電壓質量問題的根本措施，但受城市建筑物或街區市政規劃等條件的限制，許多地方存在線路過長的問題，也因此導致了變電站線路長短不一。對于這種情況，在街區內插入變電站實現起來很困難，僅靠控制變電母線的電壓，很難滿足長線路用戶對電壓合格率的要求。
農村用戶居住分散，造成供電半徑大即線路較長，但每個用戶的負荷又不是很大。在這種情況下，如果插入變電站或對電網進行改造，需要較大投資，因此選擇電壓調節裝置在技術和經濟上都具有優勢。
目前國內外在配電室饋線端投入使用并且基本滿足要求的電能質量控制補償裝置主要有：SVC、TSC、SVG和DVR等。這些裝置是以補償無功功率或有功功率來減少線路上電壓損耗，從而提高負荷端電壓；其中DVR是通過串接于線路中的變壓器向系統注入幅值、相角和頻率可控的電壓，從而保證負荷端的電壓質量，但其本質也是與系統之間交換有功和無功功率，并且需要進行整流、逆變以及使用IGBT來實現電壓的動態調節，其電路復雜、要求處理速度極快且成本較高。并且這些裝置大都是針對配電網電壓低于額定值的情況采取調節措施，對于電壓高于額定值的情況作用不大；另外，這些補償裝置在系統中投入或切除時都會引起電路中的暫態現象，給系統注入諧波，這都是很不利的方面。
對于農村電網，其不僅存在配變臺區三相不平衡與功率因數偏低的問題，而且存在線路末端電壓偏高或者偏低的問題，特別是農村偏遠地區，在用電高峰時期(節假日，或者農忙灌溉季節)，變壓器負荷很重，再加上農村低壓電力線線徑小，遠離變壓器臺區的電力用戶電壓降很大，長期電壓很低，低電壓越限甚至低到160V以下，不僅電能質量差，網絡損耗也大大增加，有些電器因電壓低不能正常工作。但是，當負荷較輕時，因為了變壓器的調壓檔位沒有得到及時回調(為了應對末端電壓過低時特意調高了檔位)，導致出現首端，甚至于末端電壓過高。
目前，針對農村配變臺區三相不平衡與功率因數偏低的問題，以及首端/末端高、低電壓問題，各供電公司采取了一系列措施。常見的方法是對負載重的相序進行換相，但是由于單相用電設備使用的同時較低，且受到不頻繁的間斷性和四季更替的用電性質的影響，使得用電客戶每個月的用電存在較大差異，導致配電變壓器的三相負荷更加不平衡，治理效果不理想。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供一種結構簡單、可實現配變三相不平衡以及線路首/末端高低壓的綜合治理的基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統。
本發明解決上述問題的技術方案是：一種基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統，包括集中控制器；位于農網線路末端，用于治理線路首末端高低電壓的低電壓調節裝置；位于農網線路首端，用于無功補償及校正配變三項不平衡的三相不平衡及無功補償控制裝置，所述集中控制器分別與低電壓調節裝置、三相不平衡及無功補償控制裝置相連。
上述基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統中，所述集中控制器包括控制單元、時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊、采樣模塊和開入開出模塊，所述控制單元分別與時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊和開入開出模塊相連，所述采樣模塊的輸入端與低電壓調節裝置相連，采樣模塊的輸出端與控制單元相連。
上述基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統中，所述集中控制器還包括看門狗模塊，看門狗模塊與控制單元相連。
一種利用上述的基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統來控制電能電壓平衡的方法，包括以下步驟：
步驟一：所有的低電壓調節裝置讀取各自輸入端的電壓、電流和輸出端的電壓、電流，記第j個低電壓調節裝置讀取的輸入端的電壓、電流分別為Uj,i、Ij,i，輸出端的電壓、電流分別為Uj,0、Ij,0；三相不平衡及無功補償控制裝置讀取其輸入端的三相電壓Ua，Ub，Uc；
步驟二：判斷三相不平衡及無功補償控制裝置輸入端的三相電壓Ua，Ub，Uc是否越限，若是，則進入步驟三；若不是，則滿足要求，進入步驟四；
步驟三：調節三相不平衡及無功補償控制裝置的無功出力，直到三相不平衡及無功補償控制裝置的輸入端電壓Ua，Ub，Uc不越限，然后進入步驟四；
步驟四：判斷是否存在某個低電壓調節裝置的輸入端電壓Ui小于Umin，若是，則進入步驟五；若不是，則滿足要求，進入步驟六；
步驟五：此低電壓調節裝置在滿足其輸出端電流Io小于Imax的條件下，增大輸入側的電壓，直到其輸入端電壓Ui不小于Umin，然后進入步驟六；
步驟六：再次判斷三相不平衡及無功補償控制裝置輸入端的三相電壓以及低電壓調節裝置的輸入端電壓是否都滿足要求，若是，則程序結束；若不是，則返回步驟二。
上述電能電壓平衡控制方法，所述步驟二中，越限的判斷條件為Ua，Ub，Uc大于Umax或小于Umin，Umax為補償點允許電壓上限，Umin為補償點允許電壓下限。
本發明的有益效果在于：本發明設有低電壓調節裝置、三相不平衡及無功補償控制裝置；三相不平衡及無功補償控制裝置實時檢測系統三相電流，并將電流信號送入集中控制器，集中控制器通過分析三相電流不平衡狀態信息，得到零序及負序分量，利用IGBT功率變換器對三相回路的有功負荷進行再分配，以獲得一個相對平衡的三相電流和負荷狀態，從而實現三相有功平衡功能的補償；三相不平衡及無功補償控制裝置對系統電壓進行采樣，并將電壓信號送入集中控制器，集中控制器通過分析得到系統的無功功率，通過IGBT功率變換器產生容性或感性的基波電流，實現對負載無功功率的動態跟蹤補償；低電壓調節裝置的相線串接于低壓末端線路，實時檢測設備的輸入電壓與輸出電壓，當輸入電壓過低時，電壓補償模塊根據實際電壓的數值相應抬升電壓，使得輸出電壓滿足負載正常工作的要求，從而為用電端提供合格電壓，解決低電壓問題。本發明的集中控制器基于采集的線路首末兩端的電流、電壓信號，協調控制低電壓調節裝置、三相不平衡及無功補償控制裝置，實現整個臺區的電能質量綜合監測與治理。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為圖1中集中控制器的結構框圖。
圖3為本發明三相有功平衡補償的原理圖。
圖4為本發明三相不平衡及無功補償控制裝置的電路原理圖。
圖5為本發明低電壓調節裝置的電路原理圖。
圖6為本發明控制方法的流程圖。
圖7為本發明實施例的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，一種基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統，包括集中控制器；位于農網線路末端，用于治理線路首末端高低電壓的低電壓調節裝置2；位于農網線路首端，用于無功補償及校正配變三項不平衡的三相不平衡及無功補償控制裝置1；所述集中控制器分別與低電壓調節裝置2、三相不平衡及無功補償控制裝置1相連。
如圖5，低電壓調節裝置2包括串聯變壓器11、限流電抗器15、電流繼電器14、熔斷器13、雙向晶閘管和兩抽頭的調壓變壓器12組成，所述串聯變壓器11位于電源側，調整變壓器12位于負載側，調整變壓器12的次級繞組包括第一繞組和第二繞組，第一繞組的一端引出第一抽頭，第一繞組的另一端與第二繞組的一端相連并引出第二抽頭，第二繞組的另一端引出第三抽頭，雙向晶閘管包括第一晶閘管T1、第二晶閘管T2、第三晶閘管T3、第四晶閘管T4、第五晶閘管T5、第六晶閘管T6，其中第一至第六晶閘管T6的基極都與集中控制器相連，第一、第三、第五晶閘管T5的集電極都經過一個熔斷器13然后連接在一起，再經過一個電流繼電器14后與串聯變壓器11初級繞組的一個抽頭相連，第一、第三、第五晶閘管T5的發射極分別與第二、第四、第六晶閘管T6的集電極相連，第二、第四、第六晶閘管T6的發射極都連接在一起并與串聯變壓器11初級繞組的另一個抽頭相連，調整變壓器12次級繞組的第一、第二、第三抽頭分別與第一、第三、第五晶閘管T5的發射極相連，所述串聯變壓器11初級繞組的兩個抽頭之間設有限流電抗器15和保護開關K。調整變壓器變比為220:30，有兩個抽頭，電壓分別為10V和20V，通過控制上下橋臂的對應晶閘管導通可以分級補償±30V，±20V，±10V的電壓。工作原理為：實時檢測線路輸出端的電壓和電流，當端電壓偏離額定值時，根據當前檢測到的電壓值U1與額定值U0(U0＝220V)的差值范圍做出相應反應，通過集中控制器產生觸發信號，控制對應檔位的兩個晶閘管導通，從而經串聯變壓器將電壓差額ΔU補償到輸出端，以保證負荷端電壓U2在額定值U0附近，即U2＝U1±ΔU≈U0。
如圖4，三相不平衡及無功補償控制裝置1是由采用IGBT的三相全橋變流器組成，裝置開啟后，利用外接電流互感器(CT)實時檢測系統電流，并將系統的電流信息發送給集中控制器。集中控制器通過分析三相電流不平衡狀態信息，得到零序及負序分量，利用IGBT功率變換器對三相回路的有功負荷進行再分配，以獲得一個相對平衡的三相電流和負荷狀態。補償電流根據系統的不平衡狀態準確變化，可保證不會出現過補償情況。另外，設備內部有過載保護功能，當系統的補償量大于裝置容量時，裝置可以自動限制在額定容量輸出，不會發生過載。裝置對系統電壓進行采樣，并將電壓信息傳遞給集中控制器。集中控制器通過分析得到系統的無功功率，通過IGBT功率變換器產生容性或感性的基波電流，最終實現對負載無功功率的動態跟蹤補償。當補償點電壓超過允許電壓的上限(Umax)時，IGBT功率變換器產生感性電流，降低電壓；當補償點電壓低于允許電壓的下限(Umin)時，IGBT功率變換器產生容性電流，抬升電壓。從源頭上抑制無功潮流的流動，實現配電網的整體節能。無功補償目標值可以通過操作面板設定，平滑補償，不會產生對負載和電網的涌流沖擊。
如圖2所示，所述集中控制器包括控制單元、時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊、采樣模塊、看門狗模塊、鍵盤、開入開出模塊，所述控制單元分別與時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊、通信模塊、電源模塊、看門狗模塊和開入開出模塊相連，所述采樣模塊的輸入端與低電壓調節裝置2相連，采樣模塊的輸出端與控制單元相連。
控制單元采用STM32。
電源模塊：交流輸入電壓范圍：AC160V～250V，頻率50Hz±5％；波形為正弦波，諧波含量小于10％。
時鐘模塊：實時時鐘接口：SPI或者I2C；實時時鐘格式：年、月、日、星期、時、分、秒，有后備電源，在設備斷電的情況下能夠準確走時。
存儲模塊：存儲故障信息(故障時間，故障類別(過流，過溫，短路等)等)；存儲設備信息(設備型號，設備編號)；存儲設置參數(CT,PT變比)。
顯示模塊：LCD顯示屏：顯示實時時間，本地電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數，以及SPQC-600裝置和SLVR-600裝置的運行參數及一些參數設置界面等；
鍵盤：通過按鍵可以設置時間，設置本地參數以及SPQC-600和SLVR-600的參數等等。
通信模塊：默認通信接口方式為433M無線通信；至少有2路串口(485)通信接口。
采樣模塊：交流量采樣電流輸入標稱值5A，電壓輸入等級220V；電壓測量范圍：0～300V，測量準確度不超過±1％；電流測量范圍：0～60A，測量準確度不超過±1％；有功功率、無功功率、功率因數測量準確度不超過±1.0％；溫度測量范圍：-40℃～120℃；采集通道為1路三相電流+1路中性線電流，1路三相電壓共7路采集通道。
開入開出模塊：至少有4路開出信號；開出為繼電器常開觸點，容量為DC+24V，5A；開入數量：至少4個無源節點；輸入回路：光電隔離；輸入電壓：DC24V；軟件防抖動時間：5～60000毫秒可設。
看門狗模塊：采用STM32自帶的看門狗模塊或采用外部看門狗模塊
集中控制器的功能有：
控制方式：自動運行模式。
信息采集：采集本地的電流、電壓等。計算電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、溫度等。
數據處理及傳送功能：上傳電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、溫度等參數至主站；識別低電壓調節裝置2故障，并上報故障告警信息至主站。
遙控功能：遠程控制低電壓調節裝置2補償電壓的檔位和三相不平衡及無功補償控制裝置1的。
通信功能：與多臺三相不平衡及無功補償控制裝置1和低電壓調節裝置2進行通信，將采集和處理的信息向上發送并接受主站的命令；采用433M無線通信方式與三相不平衡及無功補償控制裝置1和低電壓調節裝置2進行通信。
設置功能：時鐘設置，可由本地或者主站遠程設置時鐘；參數設置，可設置電流、電壓整定值等各種組態參數。
自診斷、自恢復：具有豐富的自診斷功能，及自恢復功能；具有上電軟件及配置參數自檢、自恢復功能；具有故障告警及上報功能。
本發明的工作原理如下：三相有功平衡功能的補償過程：如圖3所示，三相不平衡及無功補償控制裝置1開啟后，利用外接電流互感器(CT)實時檢測系統電流，并將系統的電流信號發送給集中控制器，集中控制器通過分析三相電流不平衡狀態信息，得到零序及負序分量，利用IGBT功率變換器對三相回路的有功負荷進行再分配，以獲得一個相對平衡的三相電流和負荷狀態。補償電流根據系統的不平衡狀態準確變化，可保證不會出現過補償情況。另外，設備內部有過載保護功能，當系統的補償量大于裝置容量時，裝置可以自動限制在額定容量輸出，不會發生過載。
動態無功補償功能的補償過程：如圖4所示，三相不平衡及無功補償控制裝置1對系統電壓進行采樣，并將電壓信號傳遞給集中控制器，集中控制器通過分析得到系統的無功功率，通過IGBT功率變換器產生容性或感性的基波電流，最終實現對負載無功功率的動態跟蹤補償。當補償點電壓超過允許電壓的上限(Umax)時，IGBT功率變換器產生感性電流，降低電壓；當補償點電壓低于允許電壓的下限(Umin)時，IGBT功率變換器產生容性電流，抬升電壓，從源頭上抑制無功潮流的流動，實現配電網的整體節能。無功補償目標值可以通過操作面板設定，平滑補償，不會產生對負載和電網的涌流沖擊。
低電壓調節裝置2的原理：如圖5所示，低電壓調節裝置2的相線串接于低壓末端線路，實時檢測設備的輸入電壓Ui與輸出電壓Uo。當輸入電壓Ui過低時，低電壓調節裝置2根據實際電壓的數值相應抬升電壓，使得輸出電壓Uo滿足負載正常工作的要求，從而為用電端提供合格電壓，解決低電壓問題。
一種利用基于實時潮流的農網臺區電能電壓平衡控制系統來進行電能電壓平衡的方法，如圖6所示，包括以下步驟：
步驟一：所有的低電壓調節裝置讀取各自輸入端的電壓、電流和輸出端的電壓、電流，記第j個低電壓調節裝置讀取的輸入端的電壓、電流分別為Uj,i、Ij,i，輸出端的電壓、電流分別為Uj,0、Ij,0；三相不平衡及無功補償控制裝置讀取其輸入端的三相電壓Ua，Ub，Uc；
步驟二：判斷三相不平衡及無功補償控制裝置輸入端的三相電壓Ua，Ub，Uc是否越限，越限的判斷條件為Ua，Ub，Uc大于Umax或小于Umin，Umax為補償點允許電壓上限，Umin為補償點允許電壓下限，若是，則進入步驟三；若不是，則滿足要求，進入步驟四；
步驟三：調節三相不平衡及無功補償控制裝置的無功出力，直到三相不平衡及無功補償控制裝置的輸入端電壓Ua，Ub，Uc不越限，然后進入步驟四；
步驟四：判斷是否存在某個低電壓調節裝置的輸入端電壓Ui是否小于Umin，若是，則進入步驟五；若不是，則滿足要求，進入步驟六；
步驟五：此低電壓調節裝置在滿足其輸出端電流Io小于Imax的條件下，增大輸入側的電壓，直到其輸入端電壓Ui不小于Umin，然后進入步驟六；
步驟六：再次判斷三相不平衡及無功補償控制裝置輸入端的三相電壓以及低電壓調節裝置的輸入端電壓是否都滿足要求，若是，則程序結束；若不是，則返回步驟二。
整個平衡方法通過分析線路首末端的電壓、電流信息，采用基于指標判定的多階段協調控制算法，協調控制線路末端SLVR裝置的檔位以及首端SPQC的無功功率出力，實現整個臺區的潮流優化與電壓治理。SLVR支持自適應控制與遠程集中控制(優先采用遠程集中控制，未收到集中控制信號時，滿足一定條件下，切換為自適應控制)，SPQC支持集中控制。
集中控制器主要負責收集并存儲線路首末兩端的電壓、電流信號及相關開關狀態量等信息，并可通過遠程通信方式發送至后臺或手持終端設備。本系統采用公網GPRS無線通信方式完成數據上傳，GPRS通信系統具有接入響應快、組網簡單靈活、按流量計費(采用包月包流量計費方式)、通信鏈路由運營商維護(可免除鏈路維護的后顧之憂)、防雷擊等特點。
目前常用的通信方式有微功率無線組網通信(433MHz透傳)、低壓電力線載波通信、光纖通信和工業WiFi等。各通信方式的特點如下。
低壓電力線載波通信：該通信方式成本低廉，通過就地接入電力線即可延伸到各個SLVR裝置，是唯一不需要線路投資的有線通信方式，從而降低了建設成本。但其通信速率低，上下行的帶寬不一致，而且因為依靠電力線為傳輸媒介，一旦停電，通信即會中斷，更為突出的問題是其易受雷電干擾，通信距離受限等。
光纖通信：該通信方式的主要特點是傳輸容量大、通信速率高、傳輸距離長、抗干擾性強、絕緣性能好等，考慮到本系統的安裝位置需根據線路的實際情況而定，具有隨機性、分散性等特點，如采用光纖通信勢必會帶來施工難度大、建設成本高等問題。
工業WiFi：該通信方式具有通信速率高、組網簡單靈活、無需額外布線，不增加額外建設成本，但其通信距離短(一般在100m左右)，覆蓋范圍小，如應用在農網臺區，需增加多級中繼才能完成組網。
433MHz無線射頻通信：該通信方式具有通信距離遠(可達3km)、無需申請頻段、傳輸過程衰減小、信號穿透繞射能力強，能應對農網臺區地形復雜的特點，且特別適合多發一收的無線數據傳輸系統。
實施例
標準S11型變壓器，額定容量315kVA，繞組電阻Rf＝0.0149Ω，低壓側總功率209.104kW，A相87.78kW，電壓228.2V；B相69.41kW，電壓255.2V；C相51.9kW，電壓244.9V。線路長0.5km，線路型號LGJ-50(0.65Ω/km)，臺區接線方式如圖7。
1)線路損耗：由變壓器的功率可得，低壓線路的三相不平衡電流為Ia＝394.66A，Ib＝271.97A，Ic＝211.92A，中性線電流為In＝112.69A，若中性線電阻為相線電阻的2倍，導線電阻為RL＝0.5Ω，則這條線路的有功損耗為：
當三相負荷電流平衡時，每相電流為(Ia+Ib+Ic)/3，中性線電流In＝0，這時線路有功損耗為:
三相不平衡帶來的線路損耗為：
ΔPL＝ΔP1-ΔP2 (3)
將參數代入(1)-(3)式可得：ΔPL＝21.3745(kW)；
2)配變損耗：三相平衡與不平衡之間，變壓器的鐵損相差不大，可以忽略；需要考慮的配變的銅耗，也就是繞組損耗，計算如下：
將參數代入(4)式可得：ΔPf＝0.2585(kW)；Rf表示繞組電阻。
3)SPQC以及SLVR的裝置的額外增加的損耗：需要安裝SPQC-610一臺，假設安裝SLVR-620三臺，裝置的效率為98％，則需要額外增加的損耗為：
ΔPe＝160×(1-98％)＝3.2(kW) (5)
所以，農網臺區安裝SPLC-600系統后，減小的功率損耗為ΔP：
假設農網配變年不平衡小時數占全年的65％，電費取0.63元，則一個典型農網配變臺區8年的節能降耗收益為W：
即安裝一套使用年限為8年的SPLC-600系統后，8年內臺區系統的節能降耗收益為53萬元。
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