配電自動化的電能質量集散控制研究

慕小斌，王久和，孫凱，鄭成才

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京100044；2.北京信息科技大學自動化學院，北京100192；3.電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學），北京100084）

配電自動化的電能質量集散控制研究

慕小斌1，王久和2，孫凱3，鄭成才2

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京100044；2.北京信息科技大學自動化學院，北京100192；3.電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學），北京100084）

為了提高終端用戶配電系統(tǒng)運行的可靠性和供電電能質量，該文在傳統(tǒng)低壓終端配電自動化方案的基礎上提出了一種電能質量集散控制系統(tǒng)方案。該控制系統(tǒng)方案的集中控制部分不僅繼承了傳統(tǒng)配電自動化的功能，而且將傳統(tǒng)被動的電能質量監(jiān)測分析功能增強為主動的電能質量控制功能；分散控制部分由集成在標準的抽屜式配電開關柜中的若干個電力電子變流器子模塊組成，不僅能在終端配電支路處降低負荷間的電能質量影響，同時也改善了電網入口處的電能質量。最后，實驗結果也證明了所提方案是可行的。

配電自動化；電能質量；集散控制；非線性控制

隨著終端電能質量問題的日益突出，用戶更加需要有效的配電監(jiān)控管理方案以實現(xiàn)配電系統(tǒng)持續(xù)可靠、高效、低耗運行。如對工廠、建筑等低壓終端用戶的配電設備進行有效的自動化管理可提高配電系統(tǒng)運行的可靠性，對于事故實現(xiàn)提前預警，提高工作效率，并達到經濟運行的目標[1-2]。

傳統(tǒng)終端配電自動化的主要功能有系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制、電能質量監(jiān)視和分析、功率因數(shù)監(jiān)視和控制、高精度電能計量、電能消耗統(tǒng)計和分析、預防性電氣火災監(jiān)視、報警和事件管理、報表管理、用戶管理等[3-4]。以往為改善電能質量，在某些配電場合使用了有源電力濾波APF（active power filter）裝置，但是多以自主運行的方式運行，而且裝置多安裝于總配電入口處，僅解決了饋入到上級電網的電流諧波及無功功率問題，這種方式有諸多缺點，容易和傳統(tǒng)的無功補償裝置發(fā)生諧振[5-6]，不能很好地解決負荷之間的諧波干擾問題等，所以，傳統(tǒng)配電自動化方案有待改進和完善。

集散控制系統(tǒng)也稱為分布式控制系統(tǒng)DCS（distributed controlsystem），它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機、通訊、顯示及控制的4C技術，其特點為分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。本文借鑒集散控制系統(tǒng)的思想，在傳統(tǒng)配電自動化方案的基礎上提出了一種終端低壓配電電能質量集散控制系統(tǒng)方案。該控制系統(tǒng)的集中控制部分不僅繼承了傳統(tǒng)配電自動化的主要功能，而且將傳統(tǒng)被動的電能質量監(jiān)測分析功能增強為主動的電能質量控制功能；分散控制部分由集成在標準的抽屜式配電開關柜中的若干個電力電子裝置子模塊組成，可從終端處解決相應的電能質量問題，不僅治理了對上級電網的電能污染、削弱了負荷間的電能質量影響，而且所形成的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。所以，所提出的集散控制系統(tǒng)不僅較好地改善了用戶的電能質量，而且體現(xiàn)了較好的用戶價值。將集散控制的思想應用到終端配電的電能質量優(yōu)化控制中不僅改進了傳統(tǒng)電能質量控制的不足，而且為主動式配電網提供了一種電能質量優(yōu)化控制思路。

1 低壓配電自動化系統(tǒng)結構

1.1 傳統(tǒng)被動型結構

傳統(tǒng)的低壓配電自動化系統(tǒng)屬于被動型監(jiān)測管理系統(tǒng)，其結構如圖1所示。圖1中每個負載處及入口的無功補償裝置處都裝設有檢測節(jié)點，每個節(jié)點檢測諸多電參量及相關物理量，且以通信的方式發(fā)送到配電自動化控制器，相關負荷節(jié)點也可響應控制器發(fā)過來的保護信號。此系統(tǒng)中配電自動化控制器只是被動地監(jiān)測負載和無功補償?shù)倪\行數(shù)據(jù)，生成分析報表和預警等，或者簡單地通過斷開開關來保護負載支路。隨著工廠、建筑等對配電系統(tǒng)的要求逐漸增高，尤其是對配電系統(tǒng)電能質量的主動治理等要求，所以此結構需進一步的升級和改進。

1.2 主動型結構

在傳統(tǒng)被動型低壓配電自動化基礎上本文提出的主動型低壓配電自動化系統(tǒng)結構如圖2所示。在設計低壓配電系統(tǒng)時，通常除了需要進行配電容量的劃分之外，還要進行負荷屬性的劃分，所以在圖2所示的配電結構中將負載劃分為普通負載（如普通電動機、定頻空調、普通照明等）；一般非線性負載（如節(jié)能燈、計算機等）；大功率典型非線性負載（如變頻器、相控加熱裝置、現(xiàn)代弧焊電源等）。根據(jù)需要只在圖2中的大功率典型非線性負載處（通常有多個配電支路組成，可以采用每個支路加裝電流傳感器的方式匯總到控制器，即可等效為一個總負載支路）分散式安裝電力電子補償子模塊，子模塊中的控制器就近提取出非線性負載的電參量，從而分析出所需補償?shù)闹C波、無功等電流，補償量通過該電力電子變換器子模塊饋入負載，且此裝置集成在標準的抽屜式開關柜中，安裝靈活、使用方便。

另外，系統(tǒng)中可省去傳統(tǒng)的集中式無功補償柜，節(jié)約了安裝空間。集中控制器除了負責和各負荷節(jié)點進行通信、對外通信、精確計量、運行分析、保護、預警等以外，更重要的是通過光纖對各個分散控制器實時進行主動補償控制，所形成的網絡結構如圖3所示。

圖3系統(tǒng)的優(yōu)點：①在主要的大功率典型非線性負載終端處進行了無功補償和諧波抑制等，最大限度降低了線路的損耗和負載之間的諧波互擾，達到終端凈化電能的目的；②如果集中控制器檢測到總入口處含有因其他普通負載、一般性負載產生少量的無功、諧波時，集中控制器主動進行實時分析計算，計算后再結合各分散模塊此時的剩余容量和運行情況進行智能分配所需的補償電流，此時可通過光纖將補償信號高速發(fā)送至子模塊，以便子模塊能及時進行精確補償，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)的集中補償效果；③如果有子模塊出現(xiàn)故障，其他子模塊即可分擔故障子模塊的補償任務，如果集中控制器出現(xiàn)故障，子模塊可以獨立運行于本地補償狀態(tài)。不同于傳統(tǒng)的集中補償模式，所提方案大大提高了系統(tǒng)的可靠性，從整體上來看，整個補償系統(tǒng)是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結合的控制方式，不僅提高了補償效果，而且也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 控制系統(tǒng)介紹

2.1 集中控制器硬件結構

本文所提的主動型低壓配電自動化集中控制器硬件結構如圖4所示。首先通過信號調理電路提取相關模擬信號，再經模數(shù)轉換芯片AD7606轉換成數(shù)字信號送入1#-FPGA芯片（EP2C20Q240C8），此芯片將數(shù)據(jù)再送入ARM芯片（STM32F105）和DSP芯片（320F28335）進行分析和計算。ARM芯片主要負責對外通信、負載通信、人機交互、以及計算和分析所采集到的電參量信息從而實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、保護、預警等傳統(tǒng)配電自動化的功能；DSP芯片主要負責計算入口處的剩余諧波、無功、不平衡電流以及分析各分散控制器的運行數(shù)據(jù)，合理地決策出將剩余諧波和無功補償量分配給具有剩余容量的子模塊。2#-FPGA芯片（EP2C20Q240C8）負責光纖端口的擴展，與每臺分散控制器以串口的方式進行高速點對點通信，速度可達10Mb/s，將所需的補償量等數(shù)據(jù)及時發(fā)送至變流器子模塊。

2.2 集中控制器的協(xié)調控制方法

采用額定輸出電流的有效值表示分散子模塊的補償容量，假設各子模塊的額定補償電流為a1，a2，…，an，剩余補償電流為b1，b2，…，bn，則

式中：a1q，a2q，…，anq為各子模塊補償本地負載需要輸出的基波無功電流有效值；a1h，a2h，…，anh為各子模塊補償本地負載需要輸出的諧波電流有效值。

集中控制器與子模塊的通信數(shù)據(jù)格式如圖5所示，在集中控制器的FPGA內模擬多個獨立的串行通信口，各子模塊作為通信主機每半個工頻周期發(fā)送一次本機的運行狀態(tài)和各種數(shù)據(jù)，包括本機是否補償正常、通信接收是否正常以及剩余容量、溫度數(shù)據(jù)、經DFT計算的本地負載各次諧波值、基波無功值等。集中控制器作為通信從機在接收到子模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)后應立即進行分析與計算，在半個工頻周期后將計算好的數(shù)據(jù)下發(fā)到對應的子模塊進行補償，發(fā)送的數(shù)據(jù)應包含本控制器運行是否正常、通信接收是否正常、補償參數(shù)、設置參數(shù)以及配電開關柜總入口處經DFT計算的需要對應子模塊補償?shù)母鞔沃C波、基波無功值等數(shù)據(jù)。

另外，在此定義為所有子模塊能接納的總補償電流容量，其中ηk=1（k=1，2，…，n）表示子模塊通信接收正常，ηk=0表示子模塊通信接收異常；σk=1（k=1，2，…，n）表示子模塊補償本地負載運行正常，σk=0表示子模塊補償本地負載運行異常；bk（k=1，2，…，n）為各子模塊的剩余補償電流容量。如果子模塊能接收到集中控制器發(fā)來的補償數(shù)據(jù)并且本子模塊運行正常，此時可輸出相應的補償容量，否則本子模塊不參與集中控制器的協(xié)調控制。

假設集中控制器檢測總入口處所需補償電流的有效值為is，其中包含基波無功電流有效值isq和諧波電流有效值ish，則

（1）如果I∑≤is，則所有模塊投入運行，且第k個模塊需要補償?shù)娜萘肯禂?shù)為

集中控制器將計算出的各次諧波有功/無功電流峰值Ishpm，Ishqm（m=2，3，…，j，j為所需補償?shù)闹C波最高次數(shù)）和基波無功電流峰值Isq1及φk發(fā)送至第k個子模塊，子模接收數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)合成，即本子模塊所需承擔的補償電流量為

優(yōu)先使用Δk較大的子模塊進行補償，如果此時沒有完全補償則繼續(xù)使用Δk次大的子模塊進行補償，直至完全補償，此時集中控制器發(fā)送的補償數(shù)據(jù)不變，但發(fā)送的φk有可能等于零。各子模塊所承擔的補償電流為

其中

（3）如果ηk=0，σk=1表示本子模塊接收集中控制器數(shù)據(jù)異常，但模塊補償本地負載正常運行，此時本子模塊不參與協(xié)調控制，只進行本地負載的補償。

（4）如果ηk=0，σk=0表示本子模塊接收集中控制器數(shù)據(jù)異常，模塊補償本地負載運行異常，此時本子模塊停止運行不參與任何控制。

（5）如果ηk=1，σk=0表示本子模塊接收集中控制器數(shù)據(jù)正常，模塊補償本地負載運行異常，此時令Δk=0，=0即可。

（6）如果ηk=1，σk=1表示本子模塊接收集中控制器數(shù)據(jù)正常，模塊補償本地負載運行正常，此時條件1）和2）運行即可。

2.3 分散子模塊的結構及控制算法

由電力電子變流器組成的分散式電能質量控制器子模塊如圖6（a）虛線框內結構所示。變流器采用三電平拓撲結構，與兩電平結構相比體積更小、功率密度更高，方便標準的抽屜式開關柜結構集成化。變流器的控制策略采用一種新型非線性控制方法來實現(xiàn)，控制框圖如圖6（b）所示，總補償電流指令值if（t）的計算如圖6（c）所示，其中isf（t）為本模塊需要承擔圖2所示總入口處的補償電流，isf（t-1）為上一個補償周期的isf（t）值，iLh（t）為補償本地負載的指令值，將誤差e=if（t）-io（t）進行精確控制即可完成補償。

關于有源濾波器的控制器設計已經有諸多研究，如比例諧振控制[7-8]、重復控制[9-10]、無差拍控制[11-12]、魯棒控制[13]、無源控制[14-15]等。其中無源控制本質上是一種非線性控制，其控制思想是一種基于能量的控制方法，具有物理含義明確、控制簡單等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的控制存在收斂誤差等缺點，為此，本文提出一種基于無源控制的新型控制方法。

由圖6（a）可知，如果將補償子模塊在三相abc坐標系上的數(shù)學模型通過變換矩陣將其變換到兩相同步旋轉dq坐標系中，可得其在dq坐標系下的數(shù)學模型為

式中：Sd、Sq，id、iq，ud、uq，ued、ueq分別為開關函數(shù)、電流、輸出電壓、電網電壓在dq軸上的分量；L為交流輸出的電感；R為等效的線路阻抗；C為直流側的電容容量；udc為電容兩端電壓。

將式（9）寫成歐拉-拉格朗日方程形式

其中，

現(xiàn)定義誤差變量xe為

由式（10）和式（12）可得系統(tǒng)的誤差動態(tài)方程為

對式（14）進行求導，則

由于（R+r）正定，根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性可知He＞0，＜0，即輸出誤差xe是漸進收斂的。在傳統(tǒng)無源控制器設計方案中僅僅增加了恒定的阻尼項Δ，收斂速度恒定，可能存在靜態(tài)誤差。

在此提出一種新的無源控制器設計方法，為便于將表達式（15）中的誤差變量表達為完整的變量形式xe（t），則

式中，tN為滾動時間周期，在每個滾動周期的零時刻開始滑動，末尾時刻結束本次滑動。則

由此可見，在所提出的新型無源控制器設計方案中加入了滾動阻尼項Δ，改變了傳統(tǒng)無源控制器設計方案中恒定阻尼的控制方法，使控制目標的收斂軌跡更短，收斂速度更快，穩(wěn)定性能更好，從而使系統(tǒng)具有更好的動靜態(tài)特性。

x*為濾波器期望輸出的電流，即圖6（b）中的if。綜上，選系統(tǒng)控制中的擾動項

可得控制律為

3 實驗

根據(jù)上述方案設計思路，搭建了如圖7所示的實驗平臺。圖7（a）中1#抽屜式開關柜中接入兩組非線性負載，用于模擬圖2中的普通負載產生的電能質量問題。2#和3#抽屜式開關柜中分別接入一個主要的非線性負載和一個分散控制器。圖7（b）對應的是實驗平臺實物圖。

步驟1進行分散式控制，在此情況下分散控制器可以獨立運行，集中控制器不下發(fā)集中補償指令。①投入1#非線性負載時B點的總諧波電壓電流畸變率如圖8所示，投入1#分散控制器后B點對應的總諧波電壓電流畸變率（THD u，THD i）如圖9所示。由圖9可見1#分散控制器對本地的1#非線性負載諧波補償效果良好，THD u從3%左右下降到1.9%以下，THD i從25%左右下降到5%以下。②投入2#非線性負載時C點的電壓電流波形及THD u和THD i如圖10所示，投入2#分散控制器后C點對應的電壓電流波形及THD u和THD i如圖11所示。由圖11可見2#分散控制器對本地的2#非線性負載諧波補償效果良好，THD u從2.8%左右下降到2.0%左右，THD i從20%左右下降到5%以下。以上兩步獨立進行測試，由實驗數(shù)據(jù)可知，分散式補償控制效果良好。

步驟2進行集中控制，在此情況下兩分散控制器運行的同時集中控制器下發(fā)集中補償指令。首先將3#非線性負載（模擬配電系統(tǒng)中普通負載）投入運行，此時3#非線性負載處的電壓電流波形及THD u和THD i如圖12所示，進行集中補償前A點的電壓電流波形及THD u和THD i如圖13所示（此時1#和2#分散控制器處于運行狀態(tài)，只補償各自對應的非線性負載），通過集中控制后，1#和2#分散控制器響應集中控制器下發(fā)的3#非線性負載諧波電流的補償值，補償后的電壓電流波形及THD u和THD i如圖14所示，THD u由2.6%左右下降到2.4%左右，THD i由10%左右下降到5%以下。

步驟3進行分散子模塊的動態(tài)響應試驗。此時不投入1#、2#和3#負載，且1#和2#分散控制器處于運行狀態(tài)，此時突加/突減4#負載（4#負載由兩個支路組成，其中一個支路固定投入，另一個支路裝設有開關可靈活投切），圖15為對應的A點電流波形（圖中上）和D點波形（圖中下），由圖可知分散控制器能在半個工頻周期內響應補償，動態(tài)補償過程平穩(wěn)、無明顯沖擊、無振蕩現(xiàn)象，動態(tài)響應效果較好。

綜上可知本文所提的方案行之有效，使傳統(tǒng)配電自動化具有了主動控制電能質量的功能。實驗數(shù)據(jù)對比如表1所示。采用此方案可有效降低線路損耗和負載之間的諧波互擾，達到了終端凈化電能的目的；如果總入口處有剩余諧波和無功也可通過子模塊進行補償，起到了傳統(tǒng)單一的APF補償方案的功能；集中控制器與子模塊協(xié)調運行，相互補充運行資源，使系統(tǒng)運行更可靠。

4 結語

配電自動化的目的是綜合運用先進技術和管理手段提高配電系統(tǒng)的可靠性，保障供電連續(xù)性，監(jiān)視并分析電能質量問題，降低故障風險，通過有效的診斷分析故障原因，提高電力系統(tǒng)管理效率，降低運行成本?，F(xiàn)代配電網中電能質量問題不僅會引起高耗能，而且會導致諸多事故和隱患，所以結合配電自動化解決好電能質量問題具有深遠的意義。

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Distributed Control Technology of Power Quality Based on Distribution Automation

MUXiaobin1，WANG Jiuhe2，SUN Kai3，ZHENGChengcai2
（1.SchoolofElectricalEngineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Schoolof Automation，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China；3.State Key Laboratory ofControland Simulation ofPower System and Generation Equipment（Tsinghua University），Beijing100084，China）

In order to improve the reliability of terminal distribution system and the power quality，a distributed control system scheme for power quality is proposed on the basis of traditional low voltage distribution automation scheme.The central control partof the control system notonly inherits the function of traditional distribution automation technology，but also upgrades the traditional passivemonitoring-and-analysis function to become an active power quality control function.The decentralized control part，which consists ofa number of power electronic converter submodules integrat?ed in the drawer of standard draw-out type switchgear，can weaken the impact on power quality due to low load at the terminal distribution branch，aswellas improve the power quality at the entrance of power grid.Experimental result in?dicates that the proposed scheme is feasible.

distribution automation；powerquality；distributed control；nonlinear control

TM461

A

1003-8930（2017）03-0096-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.016

慕小斌（1986—），男，博士研究生，研究方向為電能質量控制技術、分布式發(fā)電與變流器現(xiàn)代控制技術。Email：muxb2009@126.com

2016-08-29；

2016-11-22

王久和（1959—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電能變換器非線性控制、電能質量控制、微電網等。Email：wjhyhrwm@163.com

孫凱（1977—），男，博士，副教授，研究方向為電能變換器、微電網、電能質量控制等。Email：sun-kai@mail.tsinghua. edu.cn