基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统及方法与流程
本发明涉及电能治理领域，特别涉及一种基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统及方法。
背景技术：
合理地设计电网结构是解决电压质量问题的根本措施，但受城市建筑物或街区市政规划等条件的限制，许多地方存在线路过长的问题，也因此导致了变电站线路长短不一。对于这种情况，在街区内插入变电站实现起来很困难，仅靠控制变电母线的电压，很难满足长线路用户对电压合格率的要求。
农村用户居住分散，造成供电半径大即线路较长，但每个用户的负荷又不是很大。在这种情况下，如果插入变电站或对电网进行改造，需要较大投资，因此选择电压调节装置在技术和经济上都具有优势。
目前国内外在配电室馈线端投入使用并且基本满足要求的电能质量控制补偿装置主要有：SVC、TSC、SVG和DVR等。这些装置是以补偿无功功率或有功功率来减少线路上电压损耗，从而提高负荷端电压；其中DVR是通过串接于线路中的变压器向系统注入幅值、相角和频率可控的电压，从而保证负荷端的电压质量，但其本质也是与系统之间交换有功和无功功率，并且需要进行整流、逆变以及使用IGBT来实现电压的动态调节，其电路复杂、要求处理速度极快且成本较高。并且这些装置大都是针对配电网电压低于额定值的情况采取调节措施，对于电压高于额定值的情况作用不大；另外，这些补偿装置在系统中投入或切除时都会引起电路中的暂态现象，给系统注入谐波，这都是很不利的方面。
对于农村电网，其不仅存在配变台区三相不平衡与功率因数偏低的问题，而且存在线路末端电压偏高或者偏低的问题，特别是农村偏远地区，在用电高峰时期(节假日，或者农忙灌溉季节)，变压器负荷很重，再加上农村低压电力线线径小，远离变压器台区的电力用户电压降很大，长期电压很低，低电压越限甚至低到160V以下，不仅电能质量差，网络损耗也大大增加，有些电器因电压低不能正常工作。但是，当负荷较轻时，因为了变压器的调压档位没有得到及时回调(为了应对末端电压过低时特意调高了档位)，导致出现首端，甚至于末端电压过高。
目前，针对农村配变台区三相不平衡与功率因数偏低的问题，以及首端/末端高、低电压问题，各供电公司采取了一系列措施。常见的方法是对负载重的相序进行换相，但是由于单相用电设备使用的同时较低，且受到不频繁的间断性和四季更替的用电性质的影响，使得用电客户每个月的用电存在较大差异，导致配电变压器的三相负荷更加不平衡，治理效果不理想。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、可实现配变三相不平衡以及线路首/末端高低压的综合治理的基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统，包括集中控制器；位于农网线路末端，用于治理线路首末端高低电压的低电压调节装置；位于农网线路首端，用于无功补偿及校正配变三项不平衡的三相不平衡及无功补偿控制装置，所述集中控制器分别与低电压调节装置、三相不平衡及无功补偿控制装置相连。
上述基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统中，所述集中控制器包括控制单元、时钟模块、存储模块、显示模块、通信模块、电源模块、采样模块和开入开出模块，所述控制单元分别与时钟模块、存储模块、显示模块、通信模块、电源模块和开入开出模块相连，所述采样模块的输入端与低电压调节装置相连，采样模块的输出端与控制单元相连。
上述基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统中，所述集中控制器还包括看门狗模块，看门狗模块与控制单元相连。
一种利用上述的基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统来控制电能电压平衡的方法，包括以下步骤：
步骤一：所有的低电压调节装置读取各自输入端的电压、电流和输出端的电压、电流，记第j个低电压调节装置读取的输入端的电压、电流分别为Uj,i、Ij,i，输出端的电压、电流分别为Uj,0、Ij,0；三相不平衡及无功补偿控制装置读取其输入端的三相电压Ua，Ub，Uc；
步骤二：判断三相不平衡及无功补偿控制装置输入端的三相电压Ua，Ub，Uc是否越限，若是，则进入步骤三；若不是，则满足要求，进入步骤四；
步骤三：调节三相不平衡及无功补偿控制装置的无功出力，直到三相不平衡及无功补偿控制装置的输入端电压Ua，Ub，Uc不越限，然后进入步骤四；
步骤四：判断是否存在某个低电压调节装置的输入端电压Ui小于Umin，若是，则进入步骤五；若不是，则满足要求，进入步骤六；
步骤五：此低电压调节装置在满足其输出端电流Io小于Imax的条件下，增大输入侧的电压，直到其输入端电压Ui不小于Umin，然后进入步骤六；
步骤六：再次判断三相不平衡及无功补偿控制装置输入端的三相电压以及低电压调节装置的输入端电压是否都满足要求，若是，则程序结束；若不是，则返回步骤二。
上述电能电压平衡控制方法，所述步骤二中，越限的判断条件为Ua，Ub，Uc大于Umax或小于Umin，Umax为补偿点允许电压上限，Umin为补偿点允许电压下限。
本发明的有益效果在于：本发明设有低电压调节装置、三相不平衡及无功补偿控制装置；三相不平衡及无功补偿控制装置实时检测系统三相电流，并将电流信号送入集中控制器，集中控制器通过分析三相电流不平衡状态信息，得到零序及负序分量，利用IGBT功率变换器对三相回路的有功负荷进行再分配，以获得一个相对平衡的三相电流和负荷状态，从而实现三相有功平衡功能的补偿；三相不平衡及无功补偿控制装置对系统电压进行采样，并将电压信号送入集中控制器，集中控制器通过分析得到系统的无功功率，通过IGBT功率变换器产生容性或感性的基波电流，实现对负载无功功率的动态跟踪补偿；低电压调节装置的相线串接于低压末端线路，实时检测设备的输入电压与输出电压，当输入电压过低时，电压补偿模块根据实际电压的数值相应抬升电压，使得输出电压满足负载正常工作的要求，从而为用电端提供合格电压，解决低电压问题。本发明的集中控制器基于采集的线路首末两端的电流、电压信号，协调控制低电压调节装置、三相不平衡及无功补偿控制装置，实现整个台区的电能质量综合监测与治理。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中集中控制器的结构框图。
图3为本发明三相有功平衡补偿的原理图。
图4为本发明三相不平衡及无功补偿控制装置的电路原理图。
图5为本发明低电压调节装置的电路原理图。
图6为本发明控制方法的流程图。
图7为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统，包括集中控制器；位于农网线路末端，用于治理线路首末端高低电压的低电压调节装置2；位于农网线路首端，用于无功补偿及校正配变三项不平衡的三相不平衡及无功补偿控制装置1；所述集中控制器分别与低电压调节装置2、三相不平衡及无功补偿控制装置1相连。
如图5，低电压调节装置2包括串联变压器11、限流电抗器15、电流继电器14、熔断器13、双向晶闸管和两抽头的调压变压器12组成，所述串联变压器11位于电源侧，调整变压器12位于负载侧，调整变压器12的次级绕组包括第一绕组和第二绕组，第一绕组的一端引出第一抽头，第一绕组的另一端与第二绕组的一端相连并引出第二抽头，第二绕组的另一端引出第三抽头，双向晶闸管包括第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第五晶闸管T5、第六晶闸管T6，其中第一至第六晶闸管T6的基极都与集中控制器相连，第一、第三、第五晶闸管T5的集电极都经过一个熔断器13然后连接在一起，再经过一个电流继电器14后与串联变压器11初级绕组的一个抽头相连，第一、第三、第五晶闸管T5的发射极分别与第二、第四、第六晶闸管T6的集电极相连，第二、第四、第六晶闸管T6的发射极都连接在一起并与串联变压器11初级绕组的另一个抽头相连，调整变压器12次级绕组的第一、第二、第三抽头分别与第一、第三、第五晶闸管T5的发射极相连，所述串联变压器11初级绕组的两个抽头之间设有限流电抗器15和保护开关K。调整变压器变比为220:30，有两个抽头，电压分别为10V和20V，通过控制上下桥臂的对应晶闸管导通可以分级补偿±30V，±20V，±10V的电压。工作原理为：实时检测线路输出端的电压和电流，当端电压偏离额定值时，根据当前检测到的电压值U1与额定值U0(U0＝220V)的差值范围做出相应反应，通过集中控制器产生触发信号，控制对应档位的两个晶闸管导通，从而经串联变压器将电压差额ΔU补偿到输出端，以保证负荷端电压U2在额定值U0附近，即U2＝U1±ΔU≈U0。
如图4，三相不平衡及无功补偿控制装置1是由采用IGBT的三相全桥变流器组成，装置开启后，利用外接电流互感器(CT)实时检测系统电流，并将系统的电流信息发送给集中控制器。集中控制器通过分析三相电流不平衡状态信息，得到零序及负序分量，利用IGBT功率变换器对三相回路的有功负荷进行再分配，以获得一个相对平衡的三相电流和负荷状态。补偿电流根据系统的不平衡状态准确变化，可保证不会出现过补偿情况。另外，设备内部有过载保护功能，当系统的补偿量大于装置容量时，装置可以自动限制在额定容量输出，不会发生过载。装置对系统电压进行采样，并将电压信息传递给集中控制器。集中控制器通过分析得到系统的无功功率，通过IGBT功率变换器产生容性或感性的基波电流，最终实现对负载无功功率的动态跟踪补偿。当补偿点电压超过允许电压的上限(Umax)时，IGBT功率变换器产生感性电流，降低电压；当补偿点电压低于允许电压的下限(Umin)时，IGBT功率变换器产生容性电流，抬升电压。从源头上抑制无功潮流的流动，实现配电网的整体节能。无功补偿目标值可以通过操作面板设定，平滑补偿，不会产生对负载和电网的涌流冲击。
如图2所示，所述集中控制器包括控制单元、时钟模块、存储模块、显示模块、通信模块、电源模块、采样模块、看门狗模块、键盘、开入开出模块，所述控制单元分别与时钟模块、存储模块、显示模块、通信模块、电源模块、看门狗模块和开入开出模块相连，所述采样模块的输入端与低电压调节装置2相连，采样模块的输出端与控制单元相连。
控制单元采用STM32。
电源模块：交流输入电压范围：AC160V～250V，频率50Hz±5％；波形为正弦波，谐波含量小于10％。
时钟模块：实时时钟接口：SPI或者I2C；实时时钟格式：年、月、日、星期、时、分、秒，有后备电源，在设备断电的情况下能够准确走时。
存储模块：存储故障信息(故障时间，故障类别(过流，过温，短路等)等)；存储设备信息(设备型号，设备编号)；存储设置参数(CT,PT变比)。
显示模块：LCD显示屏：显示实时时间，本地电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数，以及SPQC-600装置和SLVR-600装置的运行参数及一些参数设置界面等；
键盘：通过按键可以设置时间，设置本地参数以及SPQC-600和SLVR-600的参数等等。
通信模块：默认通信接口方式为433M无线通信；至少有2路串口(485)通信接口。
采样模块：交流量采样电流输入标称值5A，电压输入等级220V；电压测量范围：0～300V，测量准确度不超过±1％；电流测量范围：0～60A，测量准确度不超过±1％；有功功率、无功功率、功率因数测量准确度不超过±1.0％；温度测量范围：-40℃～120℃；采集通道为1路三相电流+1路中性线电流，1路三相电压共7路采集通道。
开入开出模块：至少有4路开出信号；开出为继电器常开触点，容量为DC+24V，5A；开入数量：至少4个无源节点；输入回路：光电隔离；输入电压：DC24V；软件防抖动时间：5～60000毫秒可设。
看门狗模块：采用STM32自带的看门狗模块或采用外部看门狗模块
集中控制器的功能有：
控制方式：自动运行模式。
信息采集：采集本地的电流、电压等。计算电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、温度等。
数据处理及传送功能：上传电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、温度等参数至主站；识别低电压调节装置2故障，并上报故障告警信息至主站。
遥控功能：远程控制低电压调节装置2补偿电压的档位和三相不平衡及无功补偿控制装置1的。
通信功能：与多台三相不平衡及无功补偿控制装置1和低电压调节装置2进行通信，将采集和处理的信息向上发送并接受主站的命令；采用433M无线通信方式与三相不平衡及无功补偿控制装置1和低电压调节装置2进行通信。
设置功能：时钟设置，可由本地或者主站远程设置时钟；参数设置，可设置电流、电压整定值等各种组态参数。
自诊断、自恢复：具有丰富的自诊断功能，及自恢复功能；具有上电软件及配置参数自检、自恢复功能；具有故障告警及上报功能。
本发明的工作原理如下：三相有功平衡功能的补偿过程：如图3所示，三相不平衡及无功补偿控制装置1开启后，利用外接电流互感器(CT)实时检测系统电流，并将系统的电流信号发送给集中控制器，集中控制器通过分析三相电流不平衡状态信息，得到零序及负序分量，利用IGBT功率变换器对三相回路的有功负荷进行再分配，以获得一个相对平衡的三相电流和负荷状态。补偿电流根据系统的不平衡状态准确变化，可保证不会出现过补偿情况。另外，设备内部有过载保护功能，当系统的补偿量大于装置容量时，装置可以自动限制在额定容量输出，不会发生过载。
动态无功补偿功能的补偿过程：如图4所示，三相不平衡及无功补偿控制装置1对系统电压进行采样，并将电压信号传递给集中控制器，集中控制器通过分析得到系统的无功功率，通过IGBT功率变换器产生容性或感性的基波电流，最终实现对负载无功功率的动态跟踪补偿。当补偿点电压超过允许电压的上限(Umax)时，IGBT功率变换器产生感性电流，降低电压；当补偿点电压低于允许电压的下限(Umin)时，IGBT功率变换器产生容性电流，抬升电压，从源头上抑制无功潮流的流动，实现配电网的整体节能。无功补偿目标值可以通过操作面板设定，平滑补偿，不会产生对负载和电网的涌流冲击。
低电压调节装置2的原理：如图5所示，低电压调节装置2的相线串接于低压末端线路，实时检测设备的输入电压Ui与输出电压Uo。当输入电压Ui过低时，低电压调节装置2根据实际电压的数值相应抬升电压，使得输出电压Uo满足负载正常工作的要求，从而为用电端提供合格电压，解决低电压问题。
一种利用基于实时潮流的农网台区电能电压平衡控制系统来进行电能电压平衡的方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤一：所有的低电压调节装置读取各自输入端的电压、电流和输出端的电压、电流，记第j个低电压调节装置读取的输入端的电压、电流分别为Uj,i、Ij,i，输出端的电压、电流分别为Uj,0、Ij,0；三相不平衡及无功补偿控制装置读取其输入端的三相电压Ua，Ub，Uc；
步骤二：判断三相不平衡及无功补偿控制装置输入端的三相电压Ua，Ub，Uc是否越限，越限的判断条件为Ua，Ub，Uc大于Umax或小于Umin，Umax为补偿点允许电压上限，Umin为补偿点允许电压下限，若是，则进入步骤三；若不是，则满足要求，进入步骤四；
步骤三：调节三相不平衡及无功补偿控制装置的无功出力，直到三相不平衡及无功补偿控制装置的输入端电压Ua，Ub，Uc不越限，然后进入步骤四；
步骤四：判断是否存在某个低电压调节装置的输入端电压Ui是否小于Umin，若是，则进入步骤五；若不是，则满足要求，进入步骤六；
步骤五：此低电压调节装置在满足其输出端电流Io小于Imax的条件下，增大输入侧的电压，直到其输入端电压Ui不小于Umin，然后进入步骤六；
步骤六：再次判断三相不平衡及无功补偿控制装置输入端的三相电压以及低电压调节装置的输入端电压是否都满足要求，若是，则程序结束；若不是，则返回步骤二。
整个平衡方法通过分析线路首末端的电压、电流信息，采用基于指标判定的多阶段协调控制算法，协调控制线路末端SLVR装置的档位以及首端SPQC的无功功率出力，实现整个台区的潮流优化与电压治理。SLVR支持自适应控制与远程集中控制(优先采用远程集中控制，未收到集中控制信号时，满足一定条件下，切换为自适应控制)，SPQC支持集中控制。
集中控制器主要负责收集并存储线路首末两端的电压、电流信号及相关开关状态量等信息，并可通过远程通信方式发送至后台或手持终端设备。本系统采用公网GPRS无线通信方式完成数据上传，GPRS通信系统具有接入响应快、组网简单灵活、按流量计费(采用包月包流量计费方式)、通信链路由运营商维护(可免除链路维护的后顾之忧)、防雷击等特点。
目前常用的通信方式有微功率无线组网通信(433MHz透传)、低压电力线载波通信、光纤通信和工业WiFi等。各通信方式的特点如下。
低压电力线载波通信：该通信方式成本低廉，通过就地接入电力线即可延伸到各个SLVR装置，是唯一不需要线路投资的有线通信方式，从而降低了建设成本。但其通信速率低，上下行的带宽不一致，而且因为依靠电力线为传输媒介，一旦停电，通信即会中断，更为突出的问题是其易受雷电干扰，通信距离受限等。
光纤通信：该通信方式的主要特点是传输容量大、通信速率高、传输距离长、抗干扰性强、绝缘性能好等，考虑到本系统的安装位置需根据线路的实际情况而定，具有随机性、分散性等特点，如采用光纤通信势必会带来施工难度大、建设成本高等问题。
工业WiFi：该通信方式具有通信速率高、组网简单灵活、无需额外布线，不增加额外建设成本，但其通信距离短(一般在100m左右)，覆盖范围小，如应用在农网台区，需增加多级中继才能完成组网。
433MHz无线射频通信：该通信方式具有通信距离远(可达3km)、无需申请频段、传输过程衰减小、信号穿透绕射能力强，能应对农网台区地形复杂的特点，且特别适合多发一收的无线数据传输系统。
实施例
标准S11型变压器，额定容量315kVA，绕组电阻Rf＝0.0149Ω，低压侧总功率209.104kW，A相87.78kW，电压228.2V；B相69.41kW，电压255.2V；C相51.9kW，电压244.9V。线路长0.5km，线路型号LGJ-50(0.65Ω/km)，台区接线方式如图7。
1)线路损耗：由变压器的功率可得，低压线路的三相不平衡电流为Ia＝394.66A，Ib＝271.97A，Ic＝211.92A，中性线电流为In＝112.69A，若中性线电阻为相线电阻的2倍，导线电阻为RL＝0.5Ω，则这条线路的有功损耗为：
当三相负荷电流平衡时，每相电流为(Ia+Ib+Ic)/3，中性线电流In＝0，这时线路有功损耗为:
三相不平衡带来的线路损耗为：
ΔPL＝ΔP1-ΔP2 (3)
将参数代入(1)-(3)式可得：ΔPL＝21.3745(kW)；
2)配变损耗：三相平衡与不平衡之间，变压器的铁损相差不大，可以忽略；需要考虑的配变的铜耗，也就是绕组损耗，计算如下：
将参数代入(4)式可得：ΔPf＝0.2585(kW)；Rf表示绕组电阻。
3)SPQC以及SLVR的装置的额外增加的损耗：需要安装SPQC-610一台，假设安装SLVR-620三台，装置的效率为98％，则需要额外增加的损耗为：
ΔPe＝160×(1-98％)＝3.2(kW) (5)
所以，农网台区安装SPLC-600系统后，减小的功率损耗为ΔP：
假设农网配变年不平衡小时数占全年的65％，电费取0.63元，则一个典型农网配变台区8年的节能降耗收益为W：
即安装一套使用年限为8年的SPLC-600系统后，8年内台区系统的节能降耗收益为53万元。
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