专利名称：阶梯式电容器组投切装置及其投切方法
技术领域：
本发明涉及电力系统无功补偿的自控装置，特别涉及一种阶梯式电容器组投切装置及其投切方法。
背景技术：
近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，变电站负荷迅速增加，同时电动机、变压器等感性负载也迅速增加，无功补偿需要的容量及对电能高质量的需求也随之提高，而末端变电站负荷变化较大。在电力系统中装设无功补偿装置是保持电网高质量运行的一个主要措施，也是当今电力系统研究领域所面临的一个重大课题，是国内外广泛采用的补偿方法。我国在《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中对电能质量规定容性无功补偿装置的容量按主变压器容量的10% — 30%配置，并满足变压器最大负荷时功率因数不低于O. 95，主变压器最小负荷时功率因数不能高于O. 95。在负荷变动情况下，电容器根据负荷变动情况进行分组分相或分组整体投切是十分必要的，而无功补偿投切控制装置是保证最优无功补偿的关键。目前，无功补偿自动投切装置得到了广泛地研究与应用，现有的无功补偿投切控制装置及方法存在的问题I)主要是针对等容量的电容器组投切，无功补偿量变化比较大，经常处于过补偿或者欠补偿状态，对电网冲击较大；2)投切主要依据功率因数进行投切，轻载运行时，投切动作频繁，很难保证所需的无功量；3)整体投切、分相投切的投切方式不灵活，一旦选择后，在运行过程中无法改变，当选择整体投切时，传统投切装置无法适应三相电网负荷分布变化，无法改善电网的三相不平衡，甚至使电网的不平衡问题恶化；4)电能质量在线监测、无功补偿、故障诊断及远程通信与远程控制未能实现很好的结合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种阶梯式电容器投切装置及其投切方法，在实现按无功负荷需求变化规律优化配置阶梯式电容器组的基础上，对电能质量实时监测并进行无功投切控制，同时具有欠压、过压、过流、缺相等保护及电容器组、投切开关的故障诊断功能，该投切方法可避免频繁投切动作并尽可能地实现所需求的无功补偿，增加系统的可靠性。本发明的技术解决方案是
一种阶梯式电容器组投切装置，其特殊之处是
由电力参数读取单片机系统、投切控制单片机系统、故障诊断单片机系统及协调控制单片机系统构成，所述电力参数读取单片机系统由第一电压互感器、第一电流互感器、电能计量模块、电网故障状态指示系统、电网故障声光报警系统及电力参数读取单片机构成；所述故障诊断单片机系统由第二电压互感器、第二电流互感器、故障诊断单片机、投切开关的辅助触点、电容器组故障状态指示系统及电容器组故障声光报警系统构成；所述投切控制单片机系统由投切开关与投切控制单片机构成；所述协调控制单片机系统由协调控制单片机、液晶显示器、键盘、存储单元和与上位机通信的通信模块构成，四个单片机构成既能单独完成各自的任务，又能协同工作的具有主机-客机关系的子系统。一种阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特殊之处是:
1)对于主电路的电容器组采用三角接法时，采用整体投切，即电容器组Ca、Cb、Cc通过三相整体投切开关Qa、Qb> Qc接A、B、C相母线；
对于主电路的电容器组采用星形接法时，投切开关设置两套，一套为三相整体投切开关Qa、Qb、Q。，便于三相整体投切，另一套是分立投切开关Qal> Qa2> Qa3>Qbi>Qb2>Qb3> QclH便于分相投切；当通过上位机或协调控制单片机系统手动选择或由协调控制单片机系统自动选择整体投切时，由投切控制单片机控制中性点开关QfQbPQc^断开，再控制分立投切开关Qal、Qa2> Qa3> Qbi> Qb2> Qb3> Qd> Qc2> Qc3闭合，并作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当选择分相投切时，由投切控制单片机控制中性点开关QfQmQd闭合，再控制整体投切开关Qa、Qb、Qc闭合，并作为分立投切开关烧结故障时的备用开关；
2)通过电能计量模块检测到的电力参数作为电力参数读取单片机系统的电网故障状态的判断依据，由协调控制单片机系统 存储、显示及传输给上位机；设定过电压参考值=(10% 20%) X额定电压Un，设定欠电压参考值=_ (10% 20%) X额定电压Un，设定谐波电压参考值=5%额定电压Un，设定缺相保护电压为50V ;当电能计量模块检测到欠电压、过电压或谐波电压超过设定值或任意一相电压低于设定的缺相保护电压时，由电力参数读取单片机启动相应的电网声光报警系统，由投切控制单片机系统的投切开关完成相应的保护动作，同时由协调控制单片机系统中的存贮单元记录报警信息；
3)由协调控制单片机系统的存贮单元自动记录电力参数、有功电能、无功电能、状态信息，通过存储单元存储数据以供现场查询及处理，所述存贮单元采用地址分时缓冲和锁存输出并结合译码器译码方式实现存储单元的扩展，将电力参数、状态信息数据存储在存储单元中，通过串行口将实时数据由协调控制单片机系统的通信模块输出到上位机显示、处理、存储；
4)通过与每个电容器并联的放电线圈检测电容器组的残压及放电时间，如果残压满足投入条件，则投入；如果放电时间已经超过规定时间，同时残压还不满足要求，则放电线圈出现故障，故障诊断单片机系统通过投切开关做出退网与闭锁动作；
5)电容器组在运行过程中，故障诊断单片机系统通过第二电压互感器与第二电流互感器采集各相电容器组的电压数据与电流数据，故障诊断单片机由各相电压、各相电流计算各相电容器的容抗，按照公式:(计算容抗一原容抗)/原容抗，得到电容器组各相击穿程度值，一旦超过设定值，所述设定值在O — 0.3范围内可调，故障诊断单片机系统中故障诊断单片机做出闭锁决策，控制对应相的投切开关做保护动作，使对应的电容器组退网；退网动作发生后，故障诊断单片机系统检测投切开关是否断开，如果未断开，则判断为烧结故障，故障诊断单片机系统中故障诊断单片机启动备用投切开关执行退网动作；
电容器组及附属装置故障状态发生的同时，故障诊断单片机启动电容器及附属装置故障状态指示模块指示相应的故障类型及启动电容器故障报警模块进行声光报警；
所述电力参数指一次电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、电容电压、无功电度、有功电度，所述状态信息包括欠电压、过电压、谐波电压超限、缺相、电容器组击穿、放电线圈及投切开关故障信息。
当电力参数处理单片机系统监测到电网三相无功功率，按照公式3*各相无功功率/ (A相的无功功率+B相无功功率+C相无功功率)，得到三相电网的无功功率的平衡度，满足设定值时，所述设定值为O. 9—1. 2，投切控制单片机系统自动选择三相整体投切方式，分立投切开关闭合，由整体投切开关来执行电容器组的投切动作，同时分立投切开关作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当电力参数处理单片机系统监测到电网三相运行的无功功率平衡度超出设定值范围时，投切控制单片机系统自动选择分立投切方式，整体投切开关闭合，由分立投切开关执行电容器组的投切动作，同时整体投切开关作为分立投切开关烧结故障时的备用开关。当电力参数读取单片机系统监测到电网在大负荷情况下运行时，协调控制单片机系统传递给投切控制单片机系统信号使之选择按功率因数进行补偿投切；当电力参数处理单片机系统监测到电网的负荷在内部设定的小负荷范围内时，协调控制单片机系统传递给投切控制单片机系统信号使之选择按无功功率需求进行补偿投切。所述残压投入条件是指残压小于50V，放电规定时间为5s。所述大负荷是指超过O. 7*额定负荷。本发明的有益效果是
O电能质量在线监测与无功补偿实现一体化
该装置即实现了电能质量的在线监测，又实现了无功补偿的投切自动控制，增加了自动化程度，避免人工误操作，增加系统的可靠性，同时可以验证无功补偿的效果，监测的数据为电力系统的升级与改造、优化调度提供依据。2)电容器组及投切开关的故障诊断功能
电容器组及投切开关对于无功补偿系统来说是关键的部件，其故障未切除有可能带来灾难性的后果，该装置在电容器组投切之前与运行过程中，增加了相应的电容器组及附属装置(放电线圈、投切开关)故障诊断功能，判断故障类型，一旦发生故障，显示该组电容器的故障状态，将该组从系统中切除，并闭锁该组，不再投入运行。3)该装置可以根据负荷变化情况自动选择投切方式
当主电路采用星形接法，投切开关设置两套，一套是整体投切开关，一套是分立投切开关。当电力参数处理单片机系统监测到电网三相无功功率，按照公式3*各相无功功率/(A相的无功功率+B相无功功率+C相无功功率)，得到三相电网的无功功率的平衡度，满足设定值时，投切控制单片机系统自动选择三相整体投切方式，分立投切开关闭合，由整体投切开关来执行电容器组的投切动作，同时分立投切开关作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当电力参数处理单片机系统监测到电网三相运行的无功功率平衡度超出(O. 9-
1.2)范围时，投切控制单片机系统自动选择分立投切方式，整体投切开关闭合，由分立投切开关执行电容器组的投切动作，同时整体投切开关作为分立投切开关烧结故障时的备用开关。4)该装置可以根据负荷变化情况自动选择投切依据，避免投切开关频繁动作，避免了过补偿或欠补偿问题。5)多单片机系统的协同工作
各模块既有独立的任务，又有联系，本装置构建的多单片机系统的协同工作克服了单个单片机IO线数量不足的问题，并且使得整体效率最大化。
图1是本发明的系统框 图2是无功补偿系统(三角形接法)的主电路 图3是无功补偿系统(星形接法)的主电路 图4是投切方式手动选择的流程 图5是投切方式自动选择的流程 图6是本发明的投切控制流程 图7是电容器组及配套装置的故障诊断流程图。
具体实施例方式如图1所示，该阶梯式电容器组投切装置，由电力参数读取单片机系统、投切控制单片机系统、故障诊断单片机系统及协调控制单片机系统构成，所述电力参数读取单片机系统由第一电压互感器、第一电流互感器、电能计量模块、电网故障状态指示系统、电网故障声光报警系统及电力参数读取单片机构成；所述故障诊断单片机系统由第二电压互感器、第二电流互感器、故障诊断单片机、投切开关的辅助触点、电容器组故障状态指示系统及电容器组故障声光报警系统构成；所述投切控制单片机系统由投切开关与投切控制单片机构成；所述协调控制单片机系统由协调控制单片机、液晶显示器、键盘、存储单元和与上位机通信的通信模块构成，四个单片机构成具有主机-客机关系的子系统，即能单独完成各自的任务，又能协同工作。该阶梯式电容器组投切方法，具体步骤如下:
I)主电路由电容器组Ca、Cb、Cc和串联电抗器La，Lb，Lc组成，在每个电容器两端并联有放电线圈TV，放电线圈TV的放电时间应满足电容器组脱开电源后，在5s内将电容器组的剩余电压将至50V及以下，以满足自动投切电容器组停电后再次投入的要求；
如图2所示，对于主电路的电容器组采用三角接法时，采用整体投切，即电容器组Ca、Cb、Ce通过三相整体投切开关Qa、Qb> Qc接A、B、C相母线；
如图3所示，对于主电路的电容器组Ca、Cb、Ce采用星形接法时，投切开关设置两套，一套为三相整体投切开关Qa、Qb、Q。，便于三相整体投切，另一套是分立投切开关Qal、Qa2、Qa3、Qbl> Qb2> Qb3> Qd> Q c2> Qc3及中性点开关QaN、QbN、QeN，便于分相投切。如图4所示，由协调控制单片机系统判断手动选择投切方式，如果手动设置主电路不是星形接法，指示主电路为三角形连接方式，并由投切控制单片机系统选择整体投切方式，指示整体投切，中性点开关断开，分立投切开关闭合并作为备用开关；如果手动设置主电路是星形连接，协调控制单片机系统指示主电路为星形连接，如果手动设置分相投切，中性点开关闭合，投切控制单片机系统选择分相投切方式，指示分相投切，整体投切开关闭合并作为备用开关，如果手动设置不是分相投切，并由投切控制单片机系统选择整体投切方式，指示整体投切，中性点开关断开，分立投切开关闭合并作为备用开关。当通过上位机或协调控制单片机系统手动选择或由协调控制单片机系统自动选择整体投切时，由投切控制单片机控制中性点开关Qf QbN、Qc^断开，再控制分立投切开关Qal> Qa2> Qa3、Qbl> Qb2> Qb3、Qcl> Qc2> Qc3闭合，并作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当选择分相投切时，由投切控制单片机控制中性点开关QfQbpQd闭合，再控制整体投切开关Qa、Qb、Qc闭合，并作为分立投切开关烧结故障时的备用开关。如图5所示，主电路的接线方式通过手动设置来实现，如果主电路设置为三角形连接时，则运行过程中只有一种整体投切方式，与图4中的三角形连接时的部分相同，而当主电路设置为星形连接时，则运行过程中可以根据三相电网的不平衡度自动选择投切方式。投切方式自动选择过程:通过电力参数读取单片机系统监测并读取电网三相无功功率，按照公式:3*各相无功功率/ (A相的无功功率+B相无功功率+C相无功功率)，得到三相电网的无功功率的平衡度，满足设定值(0.9—1.2)时，投切控制单片机系统自动选择整体投切，中性点开关断开，分立投切开关闭合，由整体投切开关来执行电容器组的投切动作，同时分立投切开关作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当电力参数处理单片机系统监测到电网三相运行的无功功率平衡度超出设定值范围时，投切控制单片机系统自动选择分立投切方式，由分立投切开关执行电容器组的投切动作，指示分相投切方式，中性点开关闭合，整体投切开关闭合并作为备用开关。2)通过电能计量模块检测到的电力参数作为电力参数读取单片机系统的电网故障状态的判断依据，所述电力参数指一次电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、电容电压、无功电度、有功 电度，所述状态信息包括欠电压、过电压、谐波电压超限、缺相、电容器组击穿、放电线圈及投切开关故障信息。由协调控制单片机系统存储、显示及传输给上位机；
设定过电压参考值=(10% 20%) X额定电压Un，设定欠电压参考值=-(10% 20%) X额定电压Un，设定谐波电压参考值=5%额定电压Un，设定缺相保护电压为50V ;当电能计量模块检测到欠电压、过电压或谐波电压超过设定值或任意一相电压低于设定的缺相保护电压时，由电力参数读取单片机启动相应的电网声光报警系统，由投切控制单片机系统的投切开关完成相应的保护动作，同时由协调控制单片机系统中的存贮单元记录报警信息；
如图6所示，电力参数读取单片机系统采集、读取并监测电网视在功率参数，由协调控制单片机系统判断其视在功率是否小于设定值(0.7*额定负荷)，如果小于设定值(电网在小负荷情况下运行)，则投切控制单元选择按照无功功率方式进行投切；如果视在功率大于设定值(电网在大负荷情况下运行，所述大负荷是指超过0.7*额定负荷)，则投切控制单元选择按照功率因数方式进行投切。如果投切方式选择功率因数方式进行投切，通过电力参数读取单片机系统读取功率因数，协调控制单片机系统判断功率因数是否小于设定值，本实例为0.95，如果功率因数不小于0.95，则系统不进行投切；如果功率因数小于0.95，则系统进行投切，同时，由协调控制单片机计算系统所需的无功功率。本实例采用无功功率型方式进行投切，三组电容器容量(見、A、見)满足以下条件:
Qs <Qt <Qa +Qi <QC <Q +Qi < }+ ,
设定:用字母a、b、c分别表示各电容器投切逻辑变量，为I时表示投入，为O时表示分断。检测到所需求的无功功率用見表示(符号约定，感性无功功率为正，容性无功功率为负)，已补偿的无功功率硌二+b*Qi+c*Qc。投切规则如下:
权利要求
1.一种阶梯式电容器组投切装置，其特征是:由电力参数读取单片机系统、投切控制单片机系统、故障诊断单片机系统及协调控制单片机系统构成，所述电力参数读取单片机系统由第一电压互感器、第一电流互感器、电能计量模块、电网故障状态指示系统、电网故障声光报警系统及电力参数读取单片机构成；所述故障诊断单片机系统由第二电压互感器、第二电流互感器、故障诊断单片机、投切开关的辅助触点、电容器组故障状态指示系统及电容器组故障声光报警系统构成；所述投切控制单片机系统由投切开关与投切控制单片机构成；所述协调控制单片机系统由协调控制单片机、液晶显示器、键盘、存储单元和与上位机通信的通信模块构成，四个单片机构成既能单独完成各自的任务又能协同工作的具有主机-客机关系的子系统。
2.一种采用如权利要求1所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是: (1)对于主电路的电容器组采用三角接法时，采用整体投切，即电容器组Ca、Cb、Ce通过三相整体投切开关Qa、Qb> Qc接A、B、C相母线； 对于主电路的电容器组采用星形接法时，投切开关设置两套，一套为三相整体投切开关Qa、Qb、Q。，便于三相整体投切，另一套是分立投切开关Qal> Qa2> Qa3>Qbi>Qb2>Qb3> QclH便于分相投切；当通过上位机或协调控制单片机系统手动选择或由协调控制单片机系统自动选择整体投切时，由投切控制单片机控制中性点开关QfQbPQc^断开，再控制分立投切开关Qal、Qa2> Qa3> Qbi> Qb2> Qb3> Qd> Qc2> Qc3闭合，并作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当选择分相投切时，由投切控制单片机控制中性点开关QfQmQd闭合，再控制整体投切开关Qa、Qb、Qc闭合，并作为分立投切开关烧结故障时的备用开关； (2)通过电能计量模块检测到的电力参数作为电力参数读取单片机系统的电网故障状态的判断依据，由协调控制单片机系统存储、显示及传输给上位机；设定过电压参考值=(10% 20%) X额定电压Un，设定欠电压参考值=_ (10% 20%) X额定电压Un，设定谐波电压参考值=5%额定电压Un，设定缺相保护电压为50V ;当电能计量模块检测到欠电压、过电压或谐波电压超过设定值或任意一相电压低于设定的缺相保护电压时，由电力参数读取单片机启动相应的电网声光报警系统，由投切控制单片机系统的投切开关完成相应的保护动作，同时由协调控制单片机系统中的存贮单元记录报警信息； (3)由协调控制单片机系统的存贮单元自动记录电力参数、有功电能、无功电能、状态信息，通过存储单元存储数据 以供现场查询及处理，所述存贮单元采用地址分时缓冲和锁存输出并结合译码器译码方式实现存储单元的扩展，将电力参数、状态信息数据存储在存储单元中，通过串行口将实时数据由协调控制单片机系统的通信模块输出到上位机显示、处理、存储； (4)通过与每个电容器并联的放电线圈检测电容器组的残压及放电时间，如果残压满足投入条件，则投入；如果放电时间已经超过规定时间，同时残压还不满足要求，则放电线圈出现故障，故障诊断单片机系统通过投切开关做出退网与闭锁动作； (5)电容器组在运行过程中，故障诊断单片机系统通过第二电压互感器与第二电流互感器采集各相电容器组的电压数据与电流数据，故障诊断单片机由各相电压、各相电流计算各相电容器的容抗，按照公式:(计算容抗一原容抗)/原容抗，得到电容器组各相击穿程度值，一旦超过设定值，所述设定值在O — 0.3范围内可调，故障诊断单片机系统中故障诊断单片机做出闭锁决策，控制对应相的投切开关做保护动作，使对应的电容器组退网；退网动作发生后，故障诊断单片机系统检测投切开关是否断开，如果未断开，则判断为烧结故障，故障诊断单片机系统中故障诊断单片机启动备用投切开关执行退网动作。
3.根据权利要求2所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是:三组电容器容量H、見满足以下条件:Qt<Oi<QIS+Qi<Qc<Q3+Qc<Gi+Qc<9a+Ql+Qc 设定:用字母a、b、c分别表示各电容器投切·逻辑变量，为I时表示投入，为O时表示分断；检测到所需求的无功功率用€表示,并约定感性无功功率为正,容性无功功率为负，已补偿的无功功率弘=仏+b*g}+c^,投切规则如下:1)Qs+€[-€o Sa)，a = 0 i = 0,c7 = O2)￠: +^o €，a = \,h = OiCr= 03)Q1 + € +Ci) , a = 0 =l,c.= 04)Q1 +Q0 e[￠, +K) > a = 1,. = 1 C=O5) Μ+β0 e[ScMa+ec) , a = 0,A = 0,c*= I 6)61, €) , a—\b — ^c—\7)￠, + €+61i + A)，a = 0,i = l_,c = I8 )見 + Sg € + +if, +00)，s = I ￡i = ￠- = I。
4.根据权利要求2所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是:电容器组及附属装置故障状态发生的同时，故障诊断单片机启动电容器及附属装置故障状态指示模块指示相应的故障类型及启动电容器故障报警模块进行声光报警。
5.根据权利要求2所述的阶梯式电容器组投切方法，其特征是:所述电力参数指一次电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、电容电压、无功电度、有功电度，所述状态信息包括欠电压、过电压、谐波电压超限、缺相、电容器组击穿、放电线圈及投切开关故障信息。
6.根据权利要求2所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是:当电力参数处理单片机系统监测到电网三相无功功率，按照公式:3*各相无功功率/ (A相的无功功率+B相无功功率+C相无功功率)，得到三相电网的无功功率的平衡度，满足设定值时，所述设定值为0.9 —1.2，投切控制单片机系统自动选择三相整体投切方式，分立投切开关闭合，由整体投切开关来执行电容器组的投切动作，同时分立投切开关作为整体投切开关烧结故障时的备用开关；当电力参数处理单片机系统监测到电网三相运行的无功功率平衡度超出设定值范围时，投切控制单片机系统自动选择分立投切方式，整体投切开关闭合，由分立投切开关执行电容器组的投切动作，同时整体投切开关作为分立投切开关烧结故障时的备用开关。
7.根据权利要求2所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是:当电力参数读取单片机系统监测到电网在大负荷情况下运行时，协调控制单片机系统传递给投切控制单片机系统信号使之选择按功率因数进行补偿投切；当电力参数处理单片机系统监测到电网的负荷在内部设定的小负荷范围内时，协调控制单片机系统传递给投切控制单片机系统信号使之选择按无功功率需求进行补偿投切。
8.根据权利要求2所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是:所述残压投入条件是指残压小于50V，放电规定时间为5s。
9.根据权利要求7所述的阶梯式电容器组投切装置的投切方法，其特征是:所述大负荷是指超过0. 7*额定负荷。
全文摘要
一种阶梯式电容器投切装置及其投切方法，可对电能质量实时监测并进行无功投切控制，同时具有电容器组、投切开关的故障诊断功能，增加系统的可靠性。它由电力参数读取单片机系统、投切控制单片机系统、故障诊断单片机系统及协调控制单片机系统构成，所述电力参数读取单片机系统由第一电压互感器、第一电流互感器、电能计量模块、电网故障状态指示系统、电网故障声光报警系统及电力参数读取单片机构成；所述故障诊断单片机系统由第二电压互感器、第二电流互感器、故障诊断单片机、投切开关的辅助触点、电容器组故障状态指示系统及电容器组故障声光报警系统构成；四个单片机构成具有主机-客机关系的子系统，即能单独完成各自的任务，又能协同工作。
文档编号H02J13/00GK103078331SQ20121059140
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者巫庆辉, 于忠党, 于震, 丁硕, 杨友林, 杨祯山, 韩建群, 刘闯, 张博 申请人:渤海大学