低壓無功補(bǔ)償模塊及其聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陶海軍，陳國柱

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，電網(wǎng)負(fù)荷急劇增大，越來越多功率因數(shù)低的工業(yè)用電設(shè)備接入到電網(wǎng)中，對電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量造成了極大的影響。無功功率對電網(wǎng)運(yùn)行的影響主要有[1-4]：①無功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率的增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加；②無功功率的增加，使線路總電流增大，因而使設(shè)備和線路中的損耗增加；③無功功率的增大，使線路和變壓器的壓降增大，尤其是沖擊性無功功率負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

以上問題的出現(xiàn)，使得無功補(bǔ)償裝置受到了越來越多的關(guān)注。無功補(bǔ)償裝置具有提高用電系統(tǒng)和負(fù)載功率因數(shù)、減少功率損耗、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、提高供電質(zhì)量等作用?；诓⒙?lián)電容器的低壓無功補(bǔ)償裝置由于其較低的成本，應(yīng)用十分廣泛，得到了深入的研究[5-9]。傳統(tǒng)的低壓無功補(bǔ)償裝置一般由傳感器、無功補(bǔ)償控制器、并聯(lián)電容器、投切開關(guān)、補(bǔ)償柜等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接線繁瑣，安裝較為復(fù)雜，補(bǔ)償容量固定，擴(kuò)充十分不便，且不適用于三相不平衡場合[10-12]。用戶現(xiàn)場迫切需要一種模塊化、體積小巧、易于容量擴(kuò)充、使用靈活方便且適用于三相不平衡負(fù)載補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方案。

本研究針對以上問題，將以上各組件構(gòu)成的無功補(bǔ)償裝置模塊化，構(gòu)建低壓無功補(bǔ)償模塊；利用RS485總線實(shí)現(xiàn)各模塊的交互通訊、構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)；并提出一種聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容運(yùn)行控制策略及兼容三相共補(bǔ)模塊和分相補(bǔ)償模塊的無功功率補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括低壓無功補(bǔ)償單一模塊的構(gòu)建以及多個(gè)模塊聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.1 低壓無功補(bǔ)償模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓無功補(bǔ)償模塊由：模塊控制器、并聯(lián)電容器、空氣開關(guān)組成，其中控制器由并聯(lián)電容器、復(fù)合開關(guān)、主控芯片及其系統(tǒng)、電壓電流采樣模塊、RS485 通訊模塊、顯示及按鍵操作模塊等構(gòu)成，其硬件框圖如圖1所示。

圖1 低壓無功補(bǔ)償模塊控制器硬件框圖

主控芯片采用ST 公司的STM32F103RDT6。該主控芯片是以Cortex-M3 為內(nèi)核的32-bit MCU，最大時(shí)鐘頻率72 MHz，包含384 KB 程序存儲(chǔ)器，多達(dá)16 通道的12 位A/D 轉(zhuǎn)換功能，內(nèi)部集成有64 KB 的SRAM，可以方便地設(shè)置和保存有關(guān)運(yùn)行配置參數(shù)。

并聯(lián)電容器采用低壓自愈式電力電容器，按照三相共補(bǔ)模塊和分相補(bǔ)償模塊分別有三角形接法和Y型接法兩種結(jié)構(gòu)，共補(bǔ)模塊的電容器有10 kvar、20 kvar、30 kvar 等補(bǔ)償容量，分相補(bǔ)償模塊的電容器有10 kvar、20 kvar 等補(bǔ)償容量。

復(fù)合開關(guān)由磁保持繼電器與一組反并聯(lián)的晶閘管并聯(lián)而成，以實(shí)現(xiàn)電壓過零時(shí)投入電容器、電流過零時(shí)切除電容器，杜絕涌流以及傳統(tǒng)繼電器投切觸點(diǎn)燒結(jié)情況。

RS485 接口用于實(shí)現(xiàn)本模塊與其他各模塊的聯(lián)網(wǎng)通信。采用帶隔離的增強(qiáng)型RS485 收發(fā)器ADM2483，該收發(fā)器允許最多256 個(gè)通訊模塊接入總線，最高傳輸速率可達(dá)500 kbps。

數(shù)碼管、LED 顯示的加入，可以方便地查看模塊運(yùn)行狀態(tài)，例如電容器投切狀態(tài)、模塊運(yùn)行情況、三相電量測量值等，并可通過按鍵手動(dòng)修改模塊配置參數(shù)，使用方便。

為縮小模塊體積，充分利用空間，模塊中各組件的布局經(jīng)過了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。從外部布局上來看，上層為模塊控制器及空氣開關(guān)，下層為并聯(lián)電容器；模塊控制器的PCB 板設(shè)計(jì)上采用多塊PCB 板拼接方式，利用多組并行插針連接各PCB 板并傳遞信號；同時(shí)為保證模塊工作穩(wěn)定性，本研究在元器件布局上充分考慮了強(qiáng)、弱電的隔離及安全間隙。設(shè)計(jì)完成后的PCB 板的高度僅為6.5 cm，使得整個(gè)模塊大部分的體積為不可縮小的并聯(lián)電容器，模塊結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧。

構(gòu)建完成的低壓無功補(bǔ)償模塊具有以下功能：

（1）完整地檢測系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流及計(jì)算無功功率的功能；

（2）電壓過零時(shí)投入電容器、電流過零時(shí)切除電容器，補(bǔ)償無功功率并實(shí)現(xiàn)電容器的安全投切；

（3）RS485 通訊功能，實(shí)現(xiàn)模塊之間的通訊；

（4）按鍵功能和數(shù)碼管顯示功能。

由上述可知，低壓無功補(bǔ)償模塊可以單獨(dú)地補(bǔ)償無功功率，也可以由多個(gè)模塊經(jīng)RS485 通訊交互通訊構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償容量的擴(kuò)充。

1.2 低壓無功補(bǔ)償模塊聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)由1～32 個(gè)低壓無功補(bǔ)償模塊通過RS485 總線聯(lián)網(wǎng)組成，每個(gè)模塊配置有該系統(tǒng)中唯一的聯(lián)網(wǎng)通訊地址（地址可在0x00～0x1F 之間進(jìn)行設(shè)置）。根據(jù)用戶現(xiàn)場的補(bǔ)償需求，可選取不同容量、不同補(bǔ)償方式的模塊（三相共補(bǔ)或分相補(bǔ)償），以滿足容量擴(kuò)充、三相不平衡補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于系統(tǒng)通訊距離較近且速率要求不高，圖2 中RS485 總線采用屏蔽雙絞線即可穩(wěn)定工作。

2 RS485 通訊協(xié)議

目前，RS485 通訊在國內(nèi)有著非常廣泛的應(yīng)用，而采用不同應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)備之間并不能直接相互通訊，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用多功能電能表通訊規(guī)約（DL/T645-1997）。該規(guī)約是一個(gè)在RS485 實(shí)際應(yīng)用中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在電表應(yīng)用中廣泛采用，其通訊字節(jié)格式和幀格式分別如表1、表2所示。

表1 通訊字節(jié)格式

表2 通訊幀格式

表1 中，0 為起始位，D0～D7 為8 位數(shù)據(jù)，P 為奇偶校驗(yàn)符，1 為停止位。表2 中，幀起始符為0x68；地址域用于確認(rèn)每一通訊模塊的唯一地址；命令碼用于確認(rèn)需要執(zhí)行的操作（讀取數(shù)據(jù)或是寫入數(shù)據(jù)）；校驗(yàn)碼采用CRC 校驗(yàn)碼，即循環(huán)冗余校驗(yàn)碼；結(jié)束符為0x16，代表一幀信息的結(jié)束。

3 聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制策略

3.1 主、從模塊聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行

3.1.1 主、從模塊的自動(dòng)形成

系統(tǒng)上電后，首先自動(dòng)形成主、從模塊。聯(lián)網(wǎng)通訊地址最小的模塊自動(dòng)成為主模塊，其余模塊自動(dòng)成為從模塊。

主、從模塊形成的原理為：

（1）系統(tǒng)通電后，所有模塊統(tǒng)一上電復(fù)位；每一模塊因?yàn)樽陨砺?lián)網(wǎng)通訊地址不同而延時(shí)不同的時(shí)間發(fā)送主模塊確認(rèn)命令（以下簡稱確認(rèn)命令）；

（2）如果模塊在延時(shí)過程中接收到確認(rèn)命令，則模塊成為從模塊且不再發(fā)送主模塊確認(rèn)命令；

（3）如果模塊在延時(shí)過程中沒有收到其它模塊發(fā)送的主模塊確認(rèn)命令，則模塊成為主模塊，并向其余模塊發(fā)送確認(rèn)命令。

主、從模塊形成流程圖如圖3 所示，圖中Address即為該模塊的聯(lián)網(wǎng)通訊地址。

圖3 主、從模塊形成流程圖

3.1.2 聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行中主、從模塊功能

主模塊在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行中功能流程圖如圖4 所示，其說明如下：

（1）主模塊形成后，查詢聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中從模塊的聯(lián)網(wǎng)通訊地址，若查詢某地址時(shí)沒有信息回復(fù)，說明系統(tǒng)中沒有配置該聯(lián)網(wǎng)通訊地址的模塊；

（2）查詢從模塊補(bǔ)償容量、工作方式（三相共補(bǔ)或分相補(bǔ)償）、當(dāng)前工作狀態(tài)等信息，完成聯(lián)網(wǎng)過程；

（3）檢測三相電壓、三相母線電流，計(jì)算得到三相無功功率；

（4）按照無功補(bǔ)償算法向從模塊發(fā)送投切動(dòng)作指令，控制系統(tǒng)中所有模塊的運(yùn)行，補(bǔ)償無功功率；

（5）主模塊每隔一段時(shí)間向從模塊發(fā)送確認(rèn)命令，向從模塊確認(rèn)主模塊的正常工作。

圖4 主模塊功能流程圖

從模塊在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行中執(zhí)行以下功能：

（1）接收主模塊查詢命令并回復(fù)信息幀；

（2）接收主模塊發(fā)送的投切動(dòng)作指令，根據(jù)命令并結(jié)合當(dāng)前自身運(yùn)行狀態(tài)（包括是否處于切除狀態(tài)、上次投入運(yùn)行后放電是否完成、是否存在故障保護(hù)等）控制自身并聯(lián)電容器的投切；

（3）當(dāng)一段時(shí)間沒有接收到主模塊的確認(rèn)命令后，從模塊自動(dòng)開始再一次的聯(lián)網(wǎng)過程，產(chǎn)生新的主模塊。

3.1.3 主、從模塊間信息交互

主模塊與從模塊之間的信息交互過程對于聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。下面以主模塊對系統(tǒng)中所有從模塊的地址查詢過程為例說明主模塊與從模塊信息交互過程。主模塊連續(xù)兩次向某地址發(fā)送查詢地址命令，如果兩次均沒有信號幀回復(fù)或回復(fù)的信號幀CRC 校驗(yàn)錯(cuò)誤，則認(rèn)為系統(tǒng)中沒有配置有此地址的從模塊或此從模塊無法正常通訊，將此地址退出聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。上述流程如圖5 所示。

圖5 主模塊查詢系統(tǒng)中從模塊地址流程圖

3.2 無功補(bǔ)償策略

主模塊檢測當(dāng)前被補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率總量，以各相無功功率總量為主要判據(jù)，綜合當(dāng)前各模塊投切狀態(tài)以及模塊的補(bǔ)償容量、補(bǔ)償方式、工作狀態(tài)等信息，計(jì)算系統(tǒng)中所有模塊電容器投切的目的狀態(tài)。無功補(bǔ)償策略有以下幾點(diǎn)：

（1）檢測三相電壓、母線電流并計(jì)算出當(dāng)前系統(tǒng)各相的無功功率，采取取平補(bǔ)齊的策略實(shí)現(xiàn)三相共補(bǔ)和分相補(bǔ)償[13-15]。根據(jù)欠補(bǔ)（過補(bǔ)）的容量以及當(dāng)前各模塊電容器投切狀態(tài)、補(bǔ)償容量，采用逐臺(tái)投入（切除）的方法投入電容器；

（2）投入（切除）電容器后，再次檢測得到被補(bǔ)償實(shí)時(shí)無功功率，形成下一次的投切動(dòng)作；

（3）系統(tǒng)中每一模塊均檢測自身模塊信息，當(dāng)模塊發(fā)生過（欠）電壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)時(shí)，切除該模塊投入的電容器或使電容器保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

4 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置，低壓無功補(bǔ)償模塊聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)功能及特點(diǎn)主要有以下幾項(xiàng)：

（1）低壓無功補(bǔ)償模塊與傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置相比，結(jié)構(gòu)緊湊，接線方便，工作安全可靠，實(shí)現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)；

（2）模塊有三相共補(bǔ)模塊和分相補(bǔ)償模塊兩種結(jié)構(gòu)，且均有多種補(bǔ)償容量。每一模塊均具有完整的獨(dú)立運(yùn)行補(bǔ)償無功功率、電壓過零時(shí)投入電容器、電流過零時(shí)切除電容器及多種故障保護(hù)功能；

（3）模塊中加入了RS485 通訊模塊以實(shí)現(xiàn)與其他模塊的通訊互聯(lián)、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；

（4）多個(gè)模塊聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容組成系統(tǒng)后，系統(tǒng)可自動(dòng)形成一主模塊，其余模塊作為從模塊運(yùn)行；主模塊根據(jù)無功補(bǔ)償算法控制向系統(tǒng)中從模塊發(fā)送投入或切除指令；主模塊發(fā)生故障后，自動(dòng)退出聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并由從模塊中形成一新的主模塊，保證聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性；

（5）系統(tǒng)控制策略的靈活設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)兼容共補(bǔ)模塊和分相補(bǔ)償模塊以實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償三相不平衡負(fù)載的補(bǔ)償；允許多種補(bǔ)償容量的模塊接入系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)無功補(bǔ)償精度；補(bǔ)償容量擴(kuò)充僅僅需要增加模塊數(shù)量并重新上電，系統(tǒng)能夠自動(dòng)重新聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，擴(kuò)容方便，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)構(gòu)建了低壓無功補(bǔ)償模塊，并基于RS485 通訊構(gòu)建了低壓無功補(bǔ)償模塊聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)容系統(tǒng)，系統(tǒng)目前已用于工業(yè)化生產(chǎn)。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，各項(xiàng)功能運(yùn)行正常：主、從模塊自動(dòng)形成以及主模塊自動(dòng)重新產(chǎn)生過程穩(wěn)定可靠；RS485 網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通信正常；系統(tǒng)補(bǔ)償容量擴(kuò)充方便靈活，無功補(bǔ)償效果良好，適用于三相不平衡負(fù)載的補(bǔ)償，達(dá)到了改善電能質(zhì)量、降低電能損耗的目的。

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