电力配网自动化系统配变终端电能质量综合治理功能设计探究.pdf

2023.7 下 EPEM 43电网运维Grid Operation电力配网自动化系统配变终端电能质量综合治理功能设计探究汇业（福建）电力有限公司 郭淋杰摘要：配变电终端在电力配网自动化系统中占据重要地位。用于监测配电网络系统，并进一步优化配电网络运行状态，由此可见，电力配网自动化系统的配电终端电能质量治理保障工作较为重要。通过文献研究实践总结分析可知，现阶段电力配网自动化系统配变电终端电能质量综合治理功能设计要点包括硬件设计、软件设计、核心APP设计三方面。需结合各设计要点加强数据计算，提升设计科学性。并通过仿真模拟对配变电终端综合治理功能效果进行检验。以便提升系统功能效果、优化电力配网自动化系统运行质量。关键词：电力配网自动化系统；配变电终端模块；软件设计；APP设计；仿真分析配电变压器数量庞大，在配电系统中发挥核心作用。研究配电终端主要是从软件硬件和核心功能出发进行有效设计，使配变电系统具备在线监测电能采集以及电能计量几方面功能，加强对整个系统运行状态的监控，满足运行维护人员对整个配变压器运行状态的监控需求。1 配网自动化系统配电终端硬件设计研究1.1 硬件总体设计硬件设计是整个系统有序运行的重要基础，对本文探讨的配网自动化系统配电终端设计工作来讲硬件设计要点包括以下几部分内容。一是主控 MCU模块设计。二是交采 MCU 模块设计。三是电源模块设计。四是采集模块设计。五是通信模块设计。六是存储模块设计1。其中，前两部分主控和交采模块设计应用嵌入式系统辅助芯片完成任务。调度运行操作运行管理以及电压电流信号采集与数据处理分析功能对于提高系统运行效率有重要作用。1.2 功能模块设计功能模块设计中，智能终端硬件设计需考虑芯片功能以及电源供应。在本文研究中，终端设备采用三相四线开关电源模式，可靠性更高。能够确保其中一项断开时，电源仍保持稳定运行状态。另外，此种电源模块设计方式电磁兼容性更好、功率消耗图1 电源模块电路设计图44 EPEM 2023.7 下电网运维Grid Operation更低。除此之外，采集模块也在功能模块设计中占据重要地位，其主要功能是实现配电参数采集。设计中，选择 ATT7022E 计量芯片完成数据采集模块设计任务2。在计算实践中，需要针对电流有效值、无功功率等多个参数进行计算。借助芯片功能读取缓冲采集数据，并完成数据发送。进一步实现对用户用电状态的保护与监测。除上述两方面基本硬件功能模块外，本文设计中，选取 NandFlash 相关设备设计存储模块，并提升通信模块智能化设计力度。图1为功能模块设计中的基础电源模块设计图。在整体设计工作开展中，主控 MCU、交采 MCU、采集模块等各类芯片以及功能模块电源都需要进行系统性设计。除电源模块外采集模块也在硬件设计中占据重要地位。由于采集信息多元性，因此采集模块电路设计复杂程度会相对有所提升。图2为采集模块电路设计图。2 配网自动化系统配电终端软件设计2.1 配电终端 APP 功能架构设计研究基础功能架构设计对于配电终端运行系统功能发挥有重要作用。在智能化设计背景下，本文实践设计主要基于智能终端基础平台，实现应用软件与硬件有效分离，以统一硬件与软件运行环境为基础，为保留软件功能发散性与拓展性提供支持3。在终端功能发挥时，主要借助各类型 App 做支持，表1为常见的几种 App 功能信息统计表。表1 常见终端 app 基本功能统计信息表序号 终端设备名称基本定义主要功能1采集监测 app设备基于电网设备运行数据进行采集的主要设备通过数据采集点表配置以及模型对口连接，为运维工作数据计算提供支持2基础管理 app设备实现定值、日志、台区、模型管理有效降低设备间数据管理，交互工作量，提高数据融合度3运维精细化app 设备结合电网设备控制算法进行研究有效扩展设备终端功能，实现本地控制与自我管理在实践设计中，要满足不同类型设备数据交互、数据上传处理两方面要点功能。具体来说，不同类型设备之间的数据交互功能主要内容包括以下几种。一是要求要实现不同终端信息交互与数据交互。二是应当可通过采集App对实时库以及测定值进行有效设定并完成数据发布工作。三是针对数据信息要具备订阅功能。将订阅数据依托自主配置工具上传至App设备。2.2 核心App 功能设计研究2.2.1采集监测类核心 App 设计图2 采集模块电路设计图2023.7 下 EPEM 45电网运维Grid Operation需结合不同类别进行针对性有效设计。如在采集监测核心 App 中，又可细分为智能配电采集App、低压分路开关采集 App、用户采集 App。在智能配电采集 App 设计中，主要应用 SOC 计量芯片完成通讯和总线设计，总线选择 SPI 总线针对配电变压器运行数据实现实时采集。除此之外，还可通过对正反向有功、电量四象限有功与无功电量定时存储。正反向有功电量的有效计量形成固定时间段内电量负荷曲线以及日冻结电量数据信息。一系列数据信息均可通过 API 接口存储至相应数据库并随时输出应用。表2为终端实时数据状态信息统计表。表2 终端实时数据状态统计信息表编号数据类别采集频率储存周期上传频率1正反向有功与无功电能、四象限无功电量实时采集计量15min24h2三相电压电流以及有功无功功率、功率因数等1s/1次15min15min 或越死区上报3正反向有功与无功最大需求量以及发生时间数据1min1个月可召测4三相电压与电流谐波有效值1min-可召测5电流相位与三相电压数据1min-可召测6三相不平衡率数据1min15min15min7过电压或低电压警告1min实时变位上报在低压分路开关采集 App 中，其主要功能在于与低压智能断路器实现有效通信。以便对低压区域进行智能段路并完成实时数据采集、低压开关状态采集以及停电送电故障告警功能。在实践中，通信接口选择 RS485接口，通信规约为 DL/T645。在实时数据与状态数据采集与存储环节，主要通过API 接口向实时数据库传输存储。另外，在用户采集 App 中，主要功能集中在针对采集客户端智能监测单元进行运行数据和异常事件分析。在通讯方式方面，选择宽带电线载波通讯方式，通讯协议选择 DL/T645。随后，实时数据以及告警信息，通过API 接口完成向数据库的传输与保存。2.2.2基础管理类核心 App 设计具体来说，基础管理类核心 App 可细分为低压台区模型管理 App、对上通信管理 App、配电终端状态管理 App。其中，低压台区模型管理 App 主要功能是对配电台账、低压用户台账以及低压配电网电气接线联通数据进行有效管理。除此之外，基本台账管理工作也可基于相应功能单元实现数据分析采集。不同类型数据在传输和存储时可实时获取，也可按月度累计产生数据信息。而 对上通信管理 App 主要功能在于，通过MQTT 以及终端数据总线形成针对台区信息的相应描述文件，将上报数据在主站进行自动识别与注册。配电终端状态管理 App 则主要实现对设备状态实时管理监控这一目标，尤其是当硬件设备出现报警信号时，配电终端网状态管理 App 及针对异常情况，异常区域以及预警信息进行有效传输。并基于智能化自动化设备与功能对系统进行自主复位和温度越线预警。2.2.3运维精细化 App 设计运行维护精细化 App 在实践应用中主要需设计以下几方面功能。一是电能质量综合治理 App。二是低压故障主动抢修 App。三是低压台区线损综合管理 App。分别针对电能质量状态、低压故障问题以及线损现象采取措施进行管控。3 配电终端电能质量综合治理功能仿真分析3.1 无功优化功能算法分析与改进蜈蚣优化功能 App 运行过程中主要需借助九宫格算法并对基础算法进行改进为无功优化功能发挥流程推进提供支持。系统运行过程中补偿电容投切应当设置统一响应时间，在实践研究中，配电终端设置的响应时间一般为60s4。这一设置标准确认主要是由于以下几方面因素影响，一是由于 RC 时间常数，对电容放电时间具有决定性作用。具体表达式为 V0=E，Vu=0.在电容放电状态下，任意时刻 t 可通过以下公式进行计算，得到电容上电压公式以及放电时间。在实践分析中，配电终端对应投切电容时间常数 RC 设置为60。这时补偿电容放电即可满足整体电容50%的需求，符合正常运行标准，具体计算公式如下。Vt=E*exp（-t/RC）（1）t=RC*ln（E/Vt）（2）在计算时之所以设置60s，也与以往工程经验总结有直接关系，设置这一时间区间有利于防止线路出现频繁通断现象，影响谐波状态和系统运行。另外，采集过程中还有可能出现延时现象。因此，60s是综合考虑能够适应多方面实践要求并具有适宜性的响应时间。在确认判断结果成立的同时，可进一步确认三项无功功率满足实践运行需求，这时则不应当执行接入46 EPEM 2023.7 下电网运维Grid Operation断开电容的实际操作。数据采集，循环判断工作需进一步跟进。而若基础判断结果显示不成立，三项当中任意一项可能会出现显示为1的状态。做进一步确认三项状态中存在状态唯一的情况，则应当对执行投入电容动作进行延时，延时60s 后进一步继续进行判断。3.2 三相不平衡治理功能算法本次研究中涉及16个空间矢量，其在 abc 坐标参照系下能够构成一个完整的十二面体，坐标轴以上是为0的空间矢量，坐标轴以下是为1的空间矢量，计算16个面关系式的公式如下。（3）本次设计中，补偿装置直流侧电压开关矢量与坐标轴成0、180及45角，共存在6个平面。研究人员将空间多面体划分成24个四面体，并对每一个四面体进行编号。将补偿电压空间矢量设置为六个变量，其计算公式如下：（4）在公式（4）的基础上设置变量 K，其与 u、v、w、x、y、z 的等量关系为：K=u+v+w+x+y+z+1（5）公式（5）中，变量 K 的取值可以为24个四面体中的任意一个。3.3 综合治理功能优化仿真分析3.3.1合理设置仿真分析基础参数仿真分析中需设置的参数指标包括直流侧电容指标、直流侧电压指标、交流侧电感指标对称、负载指标不对称负载指标。在具体设计时，应结合设备运行基础条件合理设置上述指标数据，为建立仿真模型提供依据。3.3.2仿真模型构建分析本文探讨的仿真模型基于 Simulink 建立。模型构建完成后，会出现主电路补偿电压计算模型以及 SVPWM 模型几方面要素。模型构建完成后，需进一步基于整体框架模型构建计算模型。在构建模型时，需判断整体系统运行调制数据水平是否超出预期范围。将三项占空比求和并减去1，若结果显示大于0时，系统则处在超调状态下，需针对占空比指标进行修正调整。具体来说，0开关状态下空间矢量占空比可设置为 d0，计算模型如下d0=1-d1-d2-d3在计算过程中，d1、d2、d3分别为三项占空比阶段性数据。通过相减后得到 d0计算结果。随后再对开关导通顺序、各相开关桥臂导通时间进行计算。进一步为分析相关数据提供依据。如在针对低压台区工况进行分析时，可设置负载突变工况进行仿真结果观察。在系统运行时三相不对称补偿模块，可在0.1s 内接入系统，对功率因数变化情况进行观察。出现变化后，需经过1/2周期完成动态调整，实现单向功率返回至1附近的状态。综合本文实践分析可知，在电力系统实践运行中，配网自动化系统，配电终端电能质量综合治理功能设计需从软件、硬件、核心作用 App 等多方面实现全面设计。并且进一步通过数据仿真分析，对不同工况治理功能发挥作用进行检验。可见，在优化改良系统功能时，需注重仿真分析以及各细节环节设计。以便发挥出系统综合治理功能，优化电力配网自动化系统运行状态。参考文献1惠亮亮,张子麒,等.电气化铁路电能质量综合治理实验平台设计 J.电力电容器与无功补偿,2020,2.2 杨义,杨苹,等.兼具电能质量补偿功能的互联变换器统一控制策略 J.电力系统自动化,2021,15.3 倪伟东,武利会,等.基于自主安全芯片的配网自动化系统网络安全防护及硬件加速 J.电力科学与技术学报,2020,3.4 刘卓,尹忠东,等.计及多种扰动源的有源配电网电能质量区间