專利名稱：一種低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力技術(shù)領(lǐng)域中的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器，尤其適用于對無功補(bǔ)償性能要求較高的400V/50HZ低壓配電系統(tǒng)場合。
背景技術(shù)：
目前，針對用電過程中產(chǎn)生的無功功率缺額，系統(tǒng)需要提供足夠的無功以補(bǔ)償負(fù)荷正常工作所需的無功，否則無功缺額過大將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。對于400V的低壓系統(tǒng)，許多生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出無功補(bǔ)償控制器以及相應(yīng)的自動(dòng)無功補(bǔ)償成套裝置，在原理上都是無功補(bǔ)償控制器根據(jù)工況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)投切電容器組，以提高系統(tǒng)功率因數(shù)為目的，從而降低配電網(wǎng)線路功率損耗和提高相關(guān)變壓器的利用率。這一類低壓無功補(bǔ)償裝置產(chǎn)品中的一般控制算法是，根據(jù)控制物理量的不同，如功率因數(shù)、無功功率、電壓等，選擇不同的物理量作為控制目標(biāo)實(shí)行單一控制方式。最早期的控制方式以功率因數(shù)為控制目標(biāo)，這種控制方式在輕載情況下容易發(fā)生反復(fù)投切震蕩，而且該控制方式實(shí)時(shí)補(bǔ)償速度、補(bǔ)償效果不是很理想，也容易和系統(tǒng)發(fā)生諧振，只適用于對補(bǔ)償速度和效果要求不高的低壓配電網(wǎng)。目前應(yīng)用比較廣泛的無功補(bǔ)償控制器是以無功功率作為控制目標(biāo)， 直接根據(jù)負(fù)荷無功量作為判決，以功率因數(shù)、電壓作為約束條件來確定投入電容器組，該控制方式對控制器實(shí)時(shí)性要求高，控制計(jì)算比較復(fù)雜，由于僅采用無功功率作為判決量，可能出現(xiàn)電壓質(zhì)量和功率因數(shù)之間的矛盾問題，無法達(dá)到最佳的控制補(bǔ)償效果。然而隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、“兩網(wǎng)”改造的結(jié)束以及國家節(jié)能減排政策的實(shí)施開展，電網(wǎng)和用戶的情況均發(fā)生了很大的變化，因此，需要新型的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器，采用最優(yōu)化的投切控制方式，進(jìn)一步改善客戶功率因數(shù)，減少電網(wǎng)線路上的無功輸送容量，繼續(xù)降低電網(wǎng)中的功率損耗，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電壓水平、供電公司及用戶的經(jīng)濟(jì)效益。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器及其控制方法，針對現(xiàn)有無功補(bǔ)償控制器技術(shù)的不足和電網(wǎng)情況的改變，在用戶系統(tǒng)功率因數(shù)滿足初始設(shè)定值的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)二次優(yōu)化控制投切功能，電能質(zhì)量和功率因素達(dá)到最佳，且由配電用戶系統(tǒng)和自動(dòng)無功補(bǔ)償系統(tǒng)所組成的復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器，由信號檢測模塊、中央處理器以及外設(shè)模塊組成，中央處理器分別與信號檢測模塊、外設(shè)模塊相連。所述信號檢測模塊包括電壓測量變換電路、電流測量變換電路、信號調(diào)理電路、A/ D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。所述中央處理器包括功率因數(shù)控制模塊和模糊算法控制模塊。所述外設(shè)模塊包括輸出控制模塊、顯示模塊以及鍵盤輸出模塊。所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器的控制方法，包括如下步驟
a.中央處理器發(fā)出“工作開始”的指令，信號檢測模塊開始采集電壓電流信號，并將其處理后的電壓電流信號傳輸?shù)街醒胩幚砥鞯妮斎攵?；b.中央處理器發(fā)出功率因數(shù)控制模塊的啟動(dòng)命令，功率因數(shù)控制模塊按照以功率因數(shù)為判據(jù)的控制方式，當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定的基本功率因數(shù)值λ ^時(shí)，對電容器組進(jìn)行初次投入。一直到功率因數(shù)達(dá)到或超過設(shè)定的基本功率因數(shù)值λ。時(shí)，將“啟動(dòng)命令”傳輸?shù)侥：惴刂颇K；C.模糊算法控制模塊接收到功率因數(shù)控制模塊的啟動(dòng)命令后，在該模塊內(nèi)的 TMS320F2808PZ數(shù)字信號處理器DSP中，采用DFT算法實(shí)時(shí)計(jì)算出無功功率、功率因數(shù)，并結(jié)合系統(tǒng)電壓，運(yùn)行基于系統(tǒng)電壓、無功功率、功率因數(shù)三個(gè)量的模糊控制算法程序，得到實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量，對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化控制投切。所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器的二次優(yōu)化控制投切方法是在低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器以有功功率因素為判據(jù)進(jìn)行第一次控制投切之后，由模糊算法控制模塊將電壓偏差Δικ無功功率偏差A(yù)q、功率因數(shù)偏差A(yù)coscD模糊離散量化后，通過模糊控制規(guī)則推理和模糊判決處理得出實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量，再以實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量為依據(jù)對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化投切。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步在于采用功率因數(shù)控制方式初次投入電容器組之后，利用電壓、無功功率、功率因數(shù)三個(gè)量，運(yùn)用模糊控制算法，對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化控制投切。功能強(qiáng)大、響應(yīng)迅速、控制算法亦趨于簡單化、利于編制計(jì)算機(jī)程序、且計(jì)算所消耗時(shí)間有限，最關(guān)鍵的是能最大限度的提高低壓用戶系統(tǒng)的功率因數(shù)，解決了電壓質(zhì)量和功率因素的矛盾問題，同時(shí)還避免電容器的往復(fù)投切形成振蕩，使低壓無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行在最佳狀態(tài)。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明的功率因數(shù)控制模塊工作原理圖。圖3本發(fā)明的二次優(yōu)化投切工作原理圖。圖4是本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。對照圖1，實(shí)施例中低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器工作過程如下開啟控制器工作電源后，進(jìn)行程序初始化，中央處理器(2)發(fā)出“工作開始”的指令后，信號檢測模塊(1) 開始采集電壓電流信號，并將處理后的電壓電流信號傳輸?shù)街醒胩幚砥鱋)的輸入端，中央處理器(2)啟動(dòng)功率因數(shù)控制模塊G)，功率因數(shù)控制模塊(4)采用以功率因數(shù)為判據(jù)的控制方式，當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定的基本功率因數(shù)λ ^時(shí)，發(fā)出投入指令，對電容器組進(jìn)行初次投入，系統(tǒng)功率因數(shù)有所提高。當(dāng)功率因數(shù)達(dá)到或超過設(shè)定的基本功率因數(shù)時(shí)，功率因數(shù)控制模塊(4)將“啟動(dòng)命令”傳輸?shù)侥：惴刂颇K(5)，模糊算法控制模塊(5)接收到功率因數(shù)控制模塊(4)的啟動(dòng)命令后，在該模塊內(nèi)的TMS320F2808PZ數(shù)字信號處理器 DSP中，采用DFT算法實(shí)時(shí)計(jì)算出無功功率、功率因數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)電壓，運(yùn)行基于無功功率、電壓、功率因數(shù)三個(gè)量的模糊控制算法程序，得到實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量，對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化投切。電容器組的控制投切指令都通過輸出控制模塊(6)輸出，顯示模塊(7) 負(fù)責(zé)顯示中央處理器輸出的信息。鍵盤模塊(8)負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)或指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。圖2介紹了所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器功率因數(shù)控制模塊的實(shí)現(xiàn)方法， 功率因數(shù)控制模塊測量出電壓和電流的相位角Φ，并確定出電流相對于電壓的滯后或超前關(guān)系，假定滯后的功率因數(shù)為“ + ”，超前的功率因數(shù)為“-”，計(jì)算出COSCj5的值，取采樣時(shí)刻相鄰10次采樣點(diǎn)的平均值作為當(dāng)前系統(tǒng)的功率因數(shù)λ。將當(dāng)前功率因數(shù)λ和手動(dòng)設(shè)定的基本功率因數(shù)Xci相比較，本實(shí)施例中功率因數(shù)Xci設(shè)定為0.9，依照如下功率因數(shù)判據(jù)控制電容器組投入λ < λ ^，^SU彡UH，其中，U表示系統(tǒng)電壓值，隊(duì)表示設(shè)定的電壓下限值， 表示設(shè)定的電壓上限值。若系統(tǒng)處于低功率因數(shù)階段且電流滯后于電壓即系統(tǒng)功率因數(shù) 0< λ <0.9，則按照上述的功率因數(shù)控制算法投切規(guī)律發(fā)出初步投切指令，經(jīng)過輸出控制電路到脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行電容器組投入。當(dāng)系統(tǒng)功率因數(shù)λ已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的基本功率因數(shù)即λ >0.9時(shí)，則啟動(dòng)模糊算法控制模塊，自動(dòng)切換到快速補(bǔ)償二次優(yōu)化投切模式， 采用無功補(bǔ)償模糊控制方式控制投切電容器組。一旦檢測到系統(tǒng)功率因數(shù)λ <0時(shí)，即功率因數(shù)超前為“_”，系統(tǒng)的無功功率過補(bǔ)償，則立即啟動(dòng)控制模糊控制算法發(fā)出優(yōu)化投切控制指令，快速切除電容器組，使系統(tǒng)功率因數(shù)恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，得到合理的電壓質(zhì)量和無功功率，同時(shí)消除電容器組的往復(fù)投切振蕩現(xiàn)象。圖3介紹了所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器二次優(yōu)化控制投切的工作原理。 模糊控制算法模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)二次優(yōu)化控制投切功能，由模糊化接口、模糊推理機(jī)、解模糊接口三部分組成，工作原理是(1)模糊化接口對電壓偏差Δικ無功功率偏差A(yù)q、功率因數(shù)偏差△ cos。這三個(gè)偏差量(即輸入變量)在各自的論域范圍內(nèi)進(jìn)行離散量化 {-7，-6，-5，-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4，5，6，7}，將偏差量均描述成語言值，并分成五檔{正大，正小，零，負(fù)大，負(fù)小}，形成偏差量的模糊集；模糊化接口也對Δ U、Δ q、Δ οο8Φ對應(yīng)的無功補(bǔ)償量增量 Δ Vu' , AVq'，Δ V/ 進(jìn)行離散量化{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2, 3，4，5，6，7}，分成七檔{正大，正中，正小，零，負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小}。選取符合人類思維特點(diǎn)的三角形狀隸屬函數(shù)，按照隸屬函數(shù)曲線，得出偏差量、無功補(bǔ)償量增量模糊集中各個(gè)子集的隸屬度值；(2)模糊推理機(jī)主要包括模糊規(guī)則推理、模糊判決。結(jié)合上述各子集的隸屬度值，模糊規(guī)則推理根據(jù)電容無功補(bǔ)償控制規(guī)律和人工經(jīng)驗(yàn)推理出一系列模糊控制語言規(guī)則并得出偏差量與無功補(bǔ)償量增量之間的控制狀態(tài)表之后，將由語言值表達(dá)的控制狀態(tài)表轉(zhuǎn)換為矩陣形式，分別構(gòu)成電壓量偏差、無功功率偏差、功率因數(shù)偏差的推理規(guī)則模糊關(guān)系矩陣Α、B、C ；模糊判決將三個(gè)輸入變量模糊集與所得到的模糊關(guān)系矩陣Α、B、C進(jìn)行模糊合成規(guī)則運(yùn)算，得出Au、Aq、AC0Sc5的輸出模糊集ΔνΛ AVq*, Δ V/，用控制表描述出它和三個(gè)輸入量模糊集的對應(yīng)關(guān)系，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，從這三個(gè)控制表中查詢出控制量值， 乘以相應(yīng)的比例因子，即為電壓、無功功率、功率因數(shù)這三個(gè)量進(jìn)行模糊控制的實(shí)際輸出值 Δ Vu, Δ Vq, Δ νφ ； (3)解模糊接口將三個(gè)實(shí)際輸出值進(jìn)行加權(quán)和即K1 Δ Vu+K2 Δ Vq+K3 Δ V4l (加權(quán)因子Kp K2, K3由系統(tǒng)具體工況和模糊控制算法程序確定)，得到一個(gè)決定控制器二次優(yōu)化控制投切的無功功率補(bǔ)償控制量Δν，模糊控制算法模塊根據(jù)△ V和電容器組的容量值， 發(fā)出電容器組二次優(yōu)化投切指令，使系統(tǒng)功率因數(shù)提高到最理想狀態(tài)。圖4介紹了所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器的控制方法的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。首先程序接到開始命令后，進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)定，主要包括基本功率因數(shù)值，電壓上限、下限，電容器組容量值，以及離線已經(jīng)計(jì)算好的輸入、輸出量化表空間地址，模糊規(guī)則控制狀態(tài)表、總控制表的首地址設(shè)定等，然后運(yùn)行保護(hù)校驗(yàn)子程序，以確保工作正常，若數(shù)據(jù)校驗(yàn)不正確則重新開始；若正確進(jìn)入下一步，通知信號檢測模塊實(shí)時(shí)采集電壓電流信號，在功率因數(shù)模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出功率因數(shù)，并進(jìn)行功率因數(shù)判定，在這里主程序產(chǎn)生分支，若0< λ < λ。則運(yùn)行功率因數(shù)模塊的控制程序，輸出指令返回，若λ ^ λ。或λ。彡0，則進(jìn)入模糊控制算法模塊的控制程序，輸出指令返回。 本控制器優(yōu)點(diǎn)是在傳統(tǒng)功率因數(shù)控制方式基礎(chǔ)上加入了無功補(bǔ)償模糊優(yōu)化控制的方法，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，可使無功功率補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償功能雙重化，可靠性好，成本低， 性價(jià)比高，可安全替代目前大部分低壓自動(dòng)無功補(bǔ)償控制器。
權(quán)利要求
1.低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器，其特征在于該控制器由信號檢測模塊、中央處理器以及外設(shè)模塊組成，中央處理器分別與信號檢測模塊、外設(shè)模塊相連，所述信號檢測模塊包括電壓測量變換電路、電流測量變換電路、信號調(diào)理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述中央處理器包括功率因數(shù)控制模塊和模糊算法控制模塊，所述外設(shè)模塊包括輸出控制模塊、顯示模塊以及鍵盤輸出模塊。
2.權(quán)利要求1所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步驟a.中央處理器發(fā)出“工作開始”的指令，信號檢測模塊開始采集電壓電流信號，并將其處理后的電壓電流信號傳輸?shù)街醒胩幚砥鞯妮斎攵?；b.中央處理器發(fā)出功率因數(shù)控制模塊的啟動(dòng)命令，功率因數(shù)控制模塊按照以功率因數(shù)為判據(jù)的控制方式，當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定的基本功率因數(shù)值λ ^時(shí)，對電容器組進(jìn)行初次投入，一直到功率因數(shù)達(dá)到或超過設(shè)定的基本功率因數(shù)值λ ^時(shí)，將“啟動(dòng)命令”傳輸?shù)侥：惴刂颇K；c.模糊算法控制模塊接收到功率因數(shù)控制模塊的啟動(dòng)命令后，在該模塊內(nèi)的 TMS320F2808PZ數(shù)字信號處理器DSP中，采用DFT算法實(shí)時(shí)計(jì)算出無功功率、功率因數(shù)，并結(jié)合系統(tǒng)電壓，運(yùn)行基于系統(tǒng)電壓、無功功率、功率因數(shù)三個(gè)量的模糊控制算法程序，得到實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量，對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化控制投切。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器的控制方法，其特征在于， 所述對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化控制投切是在低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器以有功功率因素為判據(jù)進(jìn)行第一次控制投切之后，由模糊算法控制模塊將電壓偏差Δικ無功功率偏差 Δ q、功率因數(shù)偏差A(yù)coscD模糊離散量化后，通過模糊控制規(guī)則推理和模糊判決處理得出實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量，再以實(shí)際需要的無功補(bǔ)償控制量為依據(jù)對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化投切。
全文摘要
一種低壓無功補(bǔ)償優(yōu)化投切控制器及其控制方法，由信號檢測模塊、中央處理器以及外設(shè)模塊組成，中央處理器分別與信號檢測模塊、外設(shè)模塊相連。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于采用功率因數(shù)控制方式初次投入電容器組之后，利用電壓、無功功率、功率因數(shù)三個(gè)量，運(yùn)用模糊控制算法，對電容器組進(jìn)行二次優(yōu)化控制投切，能使系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到最佳值。適用于解決400V低壓配電網(wǎng)無功功率最佳補(bǔ)償問題。
文檔編號H02J3/18GK102427237SQ20121000144
公開日2012年4月25日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者卿柏元, 周毅波, 孫藝敏, 曾博, 李偉堅(jiān), 李俊健, 李剛, 楊有賢, 蔣雯倩, 陳俊 申請人:廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院