无功补偿算法详细设计说明书20120625.doc

北开电气集团有限公司研发中心文 档 编 号版本号密级文档编号V1。0机密文档名称 无功补偿算法详细设计说明书日期2010-4-6无功补偿算法详细设计文档作者:王保荣日期：2010-46审 核：日期：批 准：日期:北开电气集团有限公司研发中心文档历史发放及记录序号变更（+/）说明作者版本号日期批准1创建王保荣V1.0201346-19文档简要功能及适用范围1. 文档的简要功能无功补偿是根据对无功功率、电压、电流、谐波含量、电容器容量、控制模式、手动/自动控制方式的综合判断，来控制电容器投切，达到配电网无功平衡,提高电能质量的一个功能。 2. 文档的适用范围本文档适用人员:算法组及BKDTU/TTU配电变压器监控终端系列产品的相关开发人员。本文档适用项目：BKDTU/TTU配电变压器监控终端系列产品无功补偿算法模块的项目。本文档适用领域：项目实现和维护参考.目 录1、 引言61。1 背景61.2 算法名称61.3 算法开发方式说明61。4 术语和缩略语71.5 参考资料72、 算法原理82。1 需求规定82.2 原理说明82.2。1 传统九区图法82。2。2 改进的九区图法93、 总体设计103.1 运行环境103。2 开发环境113.3 设计思想113。4 子模块划分123。5 子模块间关系123.6 处理流程123.6.1 无功补偿控制的基本流程123.6。2 模式内部处理流程143.6。3 模式0控制流程143。6.4 模式1控制流程153。6.5 模式2控制流程173。7 投切策略173.7。1 基本说明173.7.2 投切策略表183。8 功能实现与模块的关系214、 属性设计224.1 性能224。2 可靠性224。3 可维护性225、 仿真验证225。1 仿真环境225.2 验证方法235。3 验证结果235.4 遗留问题及改进建议236、 数据类型说明246。1 类型1246。2 类型2257、 函数说明267。1 函数1267.1。1 原型定义267。1。2 头文件267。1.3 功能和性能267.1.4 设计特点267.1。5 输入参数267.1.6 输出参数277。1。7 返回值277.1。8 算法277.1.9 逻辑流程277。1。10 与其他函数关系277。1。11 存储分配277.1。12 限制条件287.1.13 调试方法287。2 函数2281、 引言1.1 背景电能质量，就是电力生产的产品质量。随着社会的进步和人民生活水平的提高,电力用户对电能质量的要求越来越高。供电电压的质量是表征电能质量的重要指标，影响电压质量的一个重要原因是配电网无功消耗过多和无功潮流不合理。保证电压质量的重要条件是保持无功功率的平衡。即要求系统中无功电源所供应的无功功率等于系统中无功负荷与无功损耗之和。也就是使电力系统在任一时间和任一负荷时的无功总出力(含无功补偿）与无功总负荷(含无功总损耗）保持平衡,以满足电压质量要求。无功优化的目的是在满足电力系统安全和正常运行的条件下,使变电所内无功损耗降至最低，使电网处于安全、经济的运行状态。要提高电压质量，通常在变电所内采用投切电容器，来调节电网上的无功和变电所内的电压。投切电容器有多种方法，以下着重分析无功电压组合控制(VQC）方法进行变电所无功调节的方案。1.2 算法名称BK-DTU/TTU配电变压器监控终端无功补偿算法（无功补偿算法）。1.3 算法开发方式说明本算法为新开发算法，为满足特定用户的需求而研究。1.4 术语和缩略语缩略语/术语全 称说 明VQCVoltage Quality Control 无功电压组合控制1.5 参考资料SHTM00ABKDTU/TTU配电变压器监控终端无功补偿功能说明。2、 算法原理2.1 需求规定无功电压组合控制是编程序按照无功和电压相结合来控制电容器的投切和主变压器分接头的调整，是通过同时控制电容器投切和调节主变压器分接头两者，来提高电压质量和供电效率,无功电压组合控制通过有效地动态控制两者一的投切与升降,以求达到一个最优的平衡。根据设备运行需要或运行方式不同的要求，一般无功电压组合控制调节可设几种方案:如分接头按电压的定值调节,电容器不调节；电容器按无功定值投切，分接头不调节；分接头按电压的定值调节，电容器定时投切；电容器、分接头都不调节；电容器分接头按九区图调节等。这几种方案可以自由选择。2.2 原理说明2.2.1 传统九区图法传统的九区图法控制策略(见图1)是按照固定的电压和无功(或变电站进线端功率因数）上下限将电压一无功平面划分为9个区域。U是变压器低压侧母线电压，Q是变压器高压侧无功功率(见图1）。Q越下限（功率因数超前）表示变电站向电网倒送无功,Q越上限（功率因数滞后)表示电网无功不足，Q上下限之差应1组电容器容量。有载调压变压器和并联补偿电容器的基本调节规律为：变压器分接头上调（或下调)后，U变大(或变小),Q变大（或变小)，进线功率因数cos变小(或变大），一般调节分接头对无功的影响不大;投入(或切除）电容器后，Q变小（或变大）,U变大（或变小），cos变大（或变小）.图1 九区图法每个区域的控制方案为：9区：不调节；1区：投电容器，电压将升高，进一步破坏电压不合格的程度,应调分接头降电压；2区:考虑调整分接头进行降压;3区:如有可切的电容器，并切电容器后无功功率向合格的方向调节,则切电容器。否则调分接头升压;4区：如有可投的电容器，并投电容器后无功功率向合格的方向调节,则投电容器；5区：如有可切的电容器，并切电容器后无功功率向合格的方向调节，则切电容器;6区：如有可投的电容器，并投电容器后无功功率向合格的方向调节，则投电容器。否则调整分接头升压；7区：考虑调整分接头进行升压；8区：如切电容器，电压将降低,进一步破坏电压不合格的程度,应调分接头升电压。但是传统九区图法由于未考虑无功调节对电压的影响及电压调节对无功的影响，使用时会造成振荡、装置频繁动作的现象.2.2.2 改进的九区图法针对传统九区图法某些区对控制结果产生振荡现象以及装置频繁动作的缺陷，进行了改进，见图2,其中U为投切1组电容器引起的电压最大变化量.其各区的控制方案为：图2 改进的九区图法9区：不调节；1区:降压，如分接头调到底,强切电容；2区：如有电容可投，则先降压后再投电容,否则维持;3区:投电容，当可投电容全部投入时，则维持；4区：投电容，如可投电容全部投入后电压仍低于下限，强行升压；5区：升压,如分接头调到顶，则强投电容；6区：如有电容可切，则先升压后再切电容，否则维持;7区：切电容，如无电容可切，则维持；8区：切电容，如电容全部切除后电压仍高于上限，强行降压.3、 总体设计3.1 运行环境配电网无功补偿。开发环境与SHTM00ABK-DTU/TTU配电变压器监控终端开发环境基本相同。测试时需要模拟一个具有电容器及一定负载的小型配电网。该环境在公司内部不容易建立和模拟。可以将一个工厂的配电网作为试点测试对象实现现场测试工作较好.3.2 设计思想无功补偿控制策略是无功补偿控制投切控制的核心，现在无功补偿控制器采用的控制策略多是以功率因数和电压为判据决定是否投切电容器的。合理的控制策略应做到不发生过补偿、不发生投切振荡、充分应用电容器容量、响应快速。考虑到要使无功投切判断简单、安全，本算法的投切控制不以功率因数为判据，而是直接对补偿对象的无功功率进行采样和计算，自动跟踪补偿对象的无功功率需求量，并根据实际无功需求量来控制补偿电容器的多级投切。根据不同负荷水平来确定电容器的投切，可达到减小网络损耗、消除过载和改善电压分布的效果.在实际运行时，以各级共补无功补偿容量为判断标准，若实际3相无功需求均大于某一级的标准时，将该级二相电容器投入，若3相中任意一相或两相无功大于相补容量时投入相应的相补。在投入相补和共补时需考虑电压、电流、谐波等运行参数是否在常范围内；若实际无功过补时,则切除相应的电容器以保证实际无功不过补。同时，在运行过程中，电压、电流、谐波等若有一项不正常时，需要对相应的一路电容器快速切除。通过相补和共补的相互配合，可基本实现对补偿对象的自动补偿.实际使用时，由于负荷的快速变化或硬件上的实际误差会造成电容器的反复投切，这会降低晶闸管开关和电容器的使用寿命，并影响系统的稳定运行。因此一般在投切控制上可以采用两种办法：一是设定投切延时，延时时间可通过键盘或通讯程序设定；一是设定投切死区，将原有共补各级投入标准改为各级共补无功容量乘上一个比例系数（大于1)，相补投入标准也同样处理，这个比例系数也可以通过键盘或通讯程序设定,切除判据仍然是无功不过补。由于第一种方法容易实现，故采用第一种方法。其投切延迟时间作如下设置：畸变率越限切除延迟时间：60秒灵敏度越限切除延迟时间：30秒电压越上限切除延迟时间:30秒，如果“投切延迟设置小于30秒按照该参数设置延迟动作,如果大于30秒按30秒延迟动作。电压越下限切除延迟时间：2秒，如果“投切延迟”设置小于2秒按照该参数设置延迟动作，如果大于2秒按2秒延迟动作。无功功率越限投入延迟时间：根据“切投延迟设置,单位：秒。无功功率越限切除延迟时间：根据“投切延迟设置，单位:秒。3.3 子模块划分用图表列出本模块内的每个项(包括子模块、子程序和函数）的名称、标识符和它们之间的层次结构关系3.4 子模块间关系说明各子模块、子程序、函数之间的控制、顺序、消息传递等耦合关系,并简要说明有关的重要数据结构或对象在这些耦合关系中所起的作用。3.5 处理流程3.5.1 无功补偿控制的基本流程无功补偿控制的基本流程如图3所示:图 3 无功补偿基本处理流程图中，模式0:遵循“需量优先，先投先切的原则”.安装方式为：1 8全部为三相电容器.模式1:遵循三相无功控制优先,A、B、C三相次之；A、B、C各相根据A相、B相、C相的顺序抢占优先权,即如果某相抢占到动作优先权后，直到动作完成或该相进入保持区释放控制权。安装方式为：15为三相电容器，6、7、8分别为A、B、C单相电容器。模式2：运行同模式1。安装方式为:12为三相电容器,3、4、5分别为A、B、C单相电容器,6、7、8分别为A、B、C单相电容器。3.5.2 模式内部处理流程三相补偿控制与A、B、C单相补偿控制处理流程如图4所示： 图4 运行模式内部处理流程上图中包含了0、1、2三种补偿模式的补偿控制流程。3.5.3 模式0控制流程模式0控制流程如图5所示；图 5 模式0控制流程3.5.4 模式1控制流程模式1控制流程如图6所示： 图6 模式1控制流程3.5.5 模式2控制流程和模式1相同，只是外部为两组共6路单相电容器。3.6 投切策略3.6.1 基本说明投切策略“#”字图如下所示：图 7：“”字投切策略图注意:：1)三相共补:无功上限、无功下限分别指终端设置的“无功功率上限”、“无功功率下限”；2）分相补偿：无功上限、无功下限分别指终端设置的“无功功率上限”、“无功功率下限”的三分之一。3.6.2 投切策略表电容器基本投切策略如下表:表格 1：电容基本投切策略表电压值电流值无功值畸变率投切控制Va、Vb、Vc至少一相电压大于V3每相电流大于灵敏度（200mA）任意无功小于切除限已投入的电容器按“需量优先，先投先切”原则，分组切除，间隔时间最大为30S，“投切延时”设置如果小于30S,则间隔T0（投切延迟) 时间，只要条件满足，切除动作继续,直到电容器全部切除.Va、Vb、Vc至少一相电压小于V0每相电流大于200mA任意无功小于切除限已投入的电容器按“需量优先,先投先切”原则,分组切除，间隔时间最大2S，“投切延时”设置如果小于30S,则间隔T0（投切延迟） 时间，只要条件满足，切除工动作继续,直到电容器全部切除。任意电压Ia、Ib、Ic至少一相电流小于200mA任意无功小于切除限已投入的电容器按“需量优先，先投先切”原则,分组切除，间隔时间为30S，只要条件满足，切除工作一直进行，直到电容器全部切除。Va、Vb、Vc均在区间【V0，V3】之间每相电流大于200mAQ位于区间【Q0，Q1】之间小于切除限电容器状态保持Va、Vb、Vc均在区间【V0，V3】之间，且至少一相电压位于区间【V0,V1】之间每相电流大于200mAQQ0小于切除限电容器状态保持Va、Vb、Vc均在区间【V0，V3】之间，且至少一相电压位于区间【V2，V3】之间每相电流大于200mAQQ1小于切除限电容器状态保持Va、Vb、Vc均在区间【V1，V3】之间每相电流大于200mAQQ0小于切除限电容器每隔T0秒按照“需量优先，先投先切”原则，切除一组，只要条件满足,切除工作一直进行,直到电容器全部切除。当畸变率小于等于切除限时，T0=正常切除延迟时间;当畸变率大于切除限时，T0=畸变率切除延迟时间；Va、Vb、Vc均在区间【V0，V2】之间每相电流大于200mAQQ1小于闭锁限电容器每隔T1秒按照“需量优先，先投先切”原则,投入一组，只要条件满足，投入工作一直进行,直至电容器全部投入。Va、Vb、Vc均在区间【V0，V2】之间每相电流大于200mAQQ1大于等于闭锁限;小于切除限保持任意任意任意大于等于切除限逐路切除；T0=畸变率切除延迟时间。表中各参数含义如下：切除电压上限(V3）；闭锁电压上限（V2);闭锁电压下限(V1)；切除电压下限（V0）；无功上限（Q1）、无功下限（Q0）；切投延时（T1）、投切延时（T0）；3.7 功能实现与模块的关系用如下矩阵图说明各项功能需求的实现同各模块的分配关系：模块1模块2模块n功能需求1功能需求2功能需求n4、 属性设计4.1 性能 说明对于该算法的性能要求，如：算法适用范围，误差允许范围，算法运算时间。4.2 可靠性算法实现的程序软件的可靠性指在硬件稳定的条件下，经过长时间运行和各种误操作输入(不含硬件误操作)情况下的稳定程度，其中主要包括故障处理能力、边界值处理能力和误操作屏蔽能力等。说明设计中保证可靠性的设计方案。4.3 可维护性 说明为了系统维护的方便而在程序内部设计中作出的安排,包括在程序中专门安排用于系统的检查与维护的检测点和专用模块。可维护性包括可移植性、可修改性、可扩充性等.可移植性是指在不同的硬件或软件平台上移植的方便程度;可修改性指软件的可读程度和软件出现问题时修改的方便性；可扩充性指软件对外接口和内部功能扩展的灵活性。说明保证软件可维护性的设计措施.5、 仿真验证5.1 仿真环境简要说明所使用的仿真软件功能及特点。5.2 验证方法详细说明对本算法的验证方法，建模环境，采样频率，仿真时间等要明确给出5.3 验证结果通过图表的形式体现试验结果，给标准值,计算结果，以及相对误差，以此说明算法的可行性，并要对结果加以解释说明5.4 遗留问题及改进建议说明算法或所设计的程序依然存在且目前无法修改的问题，以及今后需要改进的方向及建议。6、 数据类型说明给出本算法使用的每一个公共数据结构的类型定义、存储方式,以及其内部各元素项的类型定义、初始取值、可能取值范围及相应的含义，必要的话应说明具体的操作方法。如果是面向对象的设计，应详细阐述所有类和对象的外部行为特征和内部实现细节，还有所有类继承关系和多态性实现，以及其他有关的对象设计细节.6.1 类型1类型定义：头文件：含义：存储方式：初始取值：可能取值范围及含义：6.2 类型27、 函数说明7.1 函数17.1.1 原型定义7.1.2 头文件7.1.3 功能和性能说明对该函数的全部功能和性能（包括精度、灵活性和时间特性等）的要求7.1.4 设计特点说明本函数的特点（如，是常驻内存还是非常驻？是可重入的还是不可重入的？有无覆盖要求?是顺序处理还是并发处理等）.7.1.5 输入参数逐个说明每一个输入参数的特性，包括名称、标识、数据的类型和格式、数据值的有效范围、参数值的意义、输入的形式、特殊取值的定义（如跟硬件相关的取值）。7.1.6 输出参数给出对每一个输出参数的特性，包括名称、标识、数据的类型和格式、数据值的有效范围、参数值的意义、输出的形式等。7.1.7 返回值返回值的说明，成功、失败类型的定义7.1.8 算法详细说明本函数所选用的算法，具体的计算公式和计算步骤。7.1.9 逻辑流程用图表辅以必要的说明来表示本函数的逻辑流程。7.1.10 与其他函数关系说明本函数与其他函数之间的关系，说明参数赋值和调用方式，说明与本函数相直接关联的数据结构。7.1.11 存储分配根据需要，说明本函数的存储分配.7.1.12 限制条件说明本函数运行中所受到的限制条件。7.1.13 调试方法说明对本函数进行调试的基本方法.7.2 函数2类似函数1，说明函数2的设计考虑要点。