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摘要：随着经济建设突飞猛进地发展和人民生活水平日新月异地提高，城市配电网正日益面临着提高供电可靠性的迫切要求。拔地而起的高楼大厦、办公设施的现代化、生活用品的电气化以及生产过程的自动化都无法忍受任何理由的哪怕是很短时间的停电。为了提高终端用户配电运行的可靠性和供电电能质量的稳定性，本文在传统低压终端配电自动化方案的基础上提出了一种电能质量集散控制系统方案。该控制系统的集中控制部分不仅继承了传统配电自动化的功能，而且将传统被动的电能质量监测分析功能增强为主动的电能质量控制功能。
关键词：配电自动化；电能质量；集散控制
1 引言
随着用电负荷的持续增长，各种非线性负载不断涌现，用户和售电部门更加关注电能质量问题，同时对节能减排也提出了更高要求。用户需要更加有效的配电监控管理方案来应对上述变化带来的挑战，以实现配电系统持续可靠、高效、低耗的运行。例如对工厂、建筑等低压终端用户的配电设备进行有效的自动化管理可提高配电系统运行的可靠性，对于事故实现提前预警，提高工作效率，并达到经济运行的目标。
2 主动型低压配电自动化结构
在主要的非线性负载处分散式安装了多个电力电子补偿装置，装置中的控制器就近提取出非线性负载的电参量从而分析出所需补偿的谐波、无功及不平衡电流，补偿量通过该电力电子变换器装置馈入负载，此装置集成在标准的抽屉式开关柜的抽屉中，安装灵活、使用方便。另外，系统中可省去传统的集中式无功补偿柜，节约了安装空间。集中控制器除了负责和各负荷节点进行通信、对外通信、精确计量、运行分析、保护、预警等以外，更重要的是通过光纤对各个分散控制器实时进行主动补偿控制。此系统的优点是在主要的非线性负载终端处进行了无功和谐波补偿，进一步降低了线路的损耗和负载之间的谐波互扰；另外，如果集中控制器检测到总入口处含有少量其它普通负荷产生的谐波和无功时，集中控制器主动进行实时分析计算，再结合各分散子模块的剩余容量和安装位置进行智能分配所需的补偿电流，之后通过光纤将补偿信号高速发送至子模块，以便子模块能在本次PWM开关周期内进行精确补偿。
3 控制系统介绍
3.1 集中控制器硬件结构
首先通过信号调理电路提取相关模拟信号，再经模数转换芯片AD7606转换成数字信号送入1#-FPGA芯片（EP2C20Q240C8），此芯片将数据再送入ARM芯片（STM32F105）和DSP芯片（320F28335）进行分析和计算。ARM芯片主要负责对外通信、负载通信、人机交互、以及计算和分析所采集到的电参量信息从而实现有效的数据统计、保护、预警等传统配电自动化的功能；DSP芯片主要负责计算入口处的剩余谐波、无功、不平衡电流以及分析各分散控制器的运行数据，合理地决策出将剩余谐波和无功补偿量分配给具有剩余容量的子模块。2#-FPGA芯片（EP2C20Q240C8）负责光纤端口的扩展，与每台分散控制器以串口的方式进行高速点对点通信，速度可达10Mb/s，将所需的补偿量等数据及时发送至变流器子模块。
3.2 分散控制器
由电力电子变流器组成的分散式电能质量控制器如图1虚线框内结构所示。变流器采用三电平拓扑结构，与两电平结构相比体积更小、功率密度更高，方便标准的开关柜抽屉式结构集成化。变流器的控制策略采用一种非线性控制结合重复控制来实现，总入口处需要补偿的电流，i’Sh为上个补偿周期的补偿值，因集中控制器采集的是网侧的电流值，所以总入口处的补偿量为iSH=（iSh/k）+i’Sh，k为对应的子模块剩余容量系数，iLh为补偿就近非线性负载所需的补偿值，总的补偿值为iLh+iSH，iO为变流器的输出反馈值，将误差e=iLh+iSH-iO进行相应的控制即可完成补偿。
图1 分散控制器控制结构
4 提升电能质量的措施
4.1 供配电系统设计
随着人们生活与工业生产对于用电量的需求越来越大，使得电网中的总电流不断增加，这样一来就促使供配电系统中的变压器、电器设备以及导线等元件的容量越来越大，而且用户端电器启动控制设备、电量测量仪器的规格以及尺寸也要随之增大，所以也就使初期的投入成本相应升高。在传输同样的有功功率越多将会使总电流增大，从而增加了线路以及设备的损耗以及线路以及变压器的电压损失。电网的无功功率不足，会造成负荷端的供电电压降低，但如果电网中的无功功率过盛，则会使供电电压过高。对于供配电系统来说，如果用电额突然出现大幅度的增加，电网频率将会明显降低，导致供配电系统不能正常运行，这时就需要通过采取一些有效措施使供配电系统的频率得到有效地恢复。
4.2 电压波动
电压波动的产生是由于用户端波动性负荷造成电网电压发生变动，电压波动的程度是由用电波动频率以幅度来决定的。当用户端波动性负荷在系统阻抗上将引起电压波动时，系统的阻抗就会增大，从而增加电网电压的损耗使供配电系统的电压出现异常并最终影响电能质量。电压波动的有效抑制措施包括：采用合理的接线方式，对负荷变化剧烈的大型设备使用专用线路或者专用的变压器进行专向供电；在系统运行的过程中，还可以在电压出现严重波动时，减小甚至切断引起电压强烈波动的负荷；一些大型电弧炉或者中频、高频的加热设备利用专用的变压器进行单独供电；对于大型冲击性负荷可以配备能够吸收冲击无功功率的静止无功补偿装置，这种静止无功补偿装置是由特殊的电抗器以及电容器组成，用并联方式连接的无功功率发生器和吸收器。
4.3 电动机起动时的电压降
电动机启动方式包括全压启动和降压启动两种，当设备能够承受电动机全压启动时所产生的冲击转矩时才可以选择这种方式。由于全压启动会造成配电线路上强烈的电压降，而且启动电流也很大，容易对设备造成损伤，但是全压启动具有安全、经济、可靠以及启动简单等优点；降压启动是利用星三角启动器或者自耦变启动器进行启动。星三角启动器可以通过手动或者自动的方式来控制降压启动，它的操作非常简单，采用这种方式时电流的性能稳定，但是转矩特性较差，所以只适用于无载或者轻载起动的场合。自耦变启动器又称补偿器，通常在额定电压为220/380的三相笼型感应电动机中应用，利用自耦变启动器进行降压启动，不仅能够满足各种负载的启动需求，而且还能够获得比星三角启动时更稳定的转矩，而且自耦变启动器还附有热继电器和失电压脱扣器，能够完善过载和失电压保护等功能所以适用范围更广。
5 结束语
通过配电网监测系统所采集数据进行分析、挖掘，形成所需要的数据、报表和图形，构建适合于运行管理、线损管理、可靠性管理、负荷管理、业扩工程管理、电能质量管理的决策支持系统，通过与调度自动化系统、地理信息系统的集成，可以构建一个可视的数字化电网，实现配电管理由经验型向科学型转变。为供电企业安全生产、经济运行、优质服务提供技术保障，从而通过精细化管理、集约化发展实现企业价值最大化。
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论文作者:孙镜凯
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/25
标签：电压论文; 电能论文; 控制器论文; 负载论文; 启动器论文; 电流论文; 变流器论文; 《基层建设》2017年第12期论文;