配电自动化的电能质量集散控制研究

慕小斌，王久和，孙凯，郑成才

（1.北京交通大学电气工程学院，北京100044；2.北京信息科技大学自动化学院，北京100192；3.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学），北京100084）

配电自动化的电能质量集散控制研究

慕小斌1，王久和2，孙凯3，郑成才2

（1.北京交通大学电气工程学院，北京100044；2.北京信息科技大学自动化学院，北京100192；3.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学），北京100084）

为了提高终端用户配电系统运行的可靠性和供电电能质量，该文在传统低压终端配电自动化方案的基础上提出了一种电能质量集散控制系统方案。该控制系统方案的集中控制部分不仅继承了传统配电自动化的功能，而且将传统被动的电能质量监测分析功能增强为主动的电能质量控制功能；分散控制部分由集成在标准的抽屉式配电开关柜中的若干个电力电子变流器子模块组成，不仅能在终端配电支路处降低负荷间的电能质量影响，同时也改善了电网入口处的电能质量。最后，实验结果也证明了所提方案是可行的。

配电自动化；电能质量；集散控制；非线性控制

随着终端电能质量问题的日益突出，用户更加需要有效的配电监控管理方案以实现配电系统持续可靠、高效、低耗运行。如对工厂、建筑等低压终端用户的配电设备进行有效的自动化管理可提高配电系统运行的可靠性，对于事故实现提前预警，提高工作效率，并达到经济运行的目标[1-2]。

传统终端配电自动化的主要功能有系统运行监视和控制、电能质量监视和分析、功率因数监视和控制、高精度电能计量、电能消耗统计和分析、预防性电气火灾监视、报警和事件管理、报表管理、用户管理等[3-4]。以往为改善电能质量，在某些配电场合使用了有源电力滤波APF（active power filter）装置，但是多以自主运行的方式运行，而且装置多安装于总配电入口处，仅解决了馈入到上级电网的电流谐波及无功功率问题，这种方式有诸多缺点，容易和传统的无功补偿装置发生谐振[5-6]，不能很好地解决负荷之间的谐波干扰问题等，所以，传统配电自动化方案有待改进和完善。

集散控制系统也称为分布式控制系统DCS（distributed controlsystem），它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示及控制的4C技术，其特点为分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。本文借鉴集散控制系统的思想，在传统配电自动化方案的基础上提出了一种终端低压配电电能质量集散控制系统方案。该控制系统的集中控制部分不仅继承了传统配电自动化的主要功能，而且将传统被动的电能质量监测分析功能增强为主动的电能质量控制功能；分散控制部分由集成在标准的抽屉式配电开关柜中的若干个电力电子装置子模块组成，可从终端处解决相应的电能质量问题，不仅治理了对上级电网的电能污染、削弱了负荷间的电能质量影响，而且所形成的系统具有良好的稳定性。所以，所提出的集散控制系统不仅较好地改善了用户的电能质量，而且体现了较好的用户价值。将集散控制的思想应用到终端配电的电能质量优化控制中不仅改进了传统电能质量控制的不足，而且为主动式配电网提供了一种电能质量优化控制思路。

1 低压配电自动化系统结构

1.1 传统被动型结构

传统的低压配电自动化系统属于被动型监测管理系统，其结构如图1所示。图1中每个负载处及入口的无功补偿装置处都装设有检测节点，每个节点检测诸多电参量及相关物理量，且以通信的方式发送到配电自动化控制器，相关负荷节点也可响应控制器发过来的保护信号。此系统中配电自动化控制器只是被动地监测负载和无功补偿的运行数据，生成分析报表和预警等，或者简单地通过断开开关来保护负载支路。随着工厂、建筑等对配电系统的要求逐渐增高，尤其是对配电系统电能质量的主动治理等要求，所以此结构需进一步的升级和改进。

1.2 主动型结构

在传统被动型低压配电自动化基础上本文提出的主动型低压配电自动化系统结构如图2所示。在设计低压配电系统时，通常除了需要进行配电容量的划分之外，还要进行负荷属性的划分，所以在图2所示的配电结构中将负载划分为普通负载（如普通电动机、定频空调、普通照明等）；一般非线性负载（如节能灯、计算机等）；大功率典型非线性负载（如变频器、相控加热装置、现代弧焊电源等）。根据需要只在图2中的大功率典型非线性负载处（通常有多个配电支路组成，可以采用每个支路加装电流传感器的方式汇总到控制器，即可等效为一个总负载支路）分散式安装电力电子补偿子模块，子模块中的控制器就近提取出非线性负载的电参量，从而分析出所需补偿的谐波、无功等电流，补偿量通过该电力电子变换器子模块馈入负载，且此装置集成在标准的抽屉式开关柜中，安装灵活、使用方便。

另外，系统中可省去传统的集中式无功补偿柜，节约了安装空间。集中控制器除了负责和各负荷节点进行通信、对外通信、精确计量、运行分析、保护、预警等以外，更重要的是通过光纤对各个分散控制器实时进行主动补偿控制，所形成的网络结构如图3所示。

图3系统的优点：①在主要的大功率典型非线性负载终端处进行了无功补偿和谐波抑制等，最大限度降低了线路的损耗和负载之间的谐波互扰，达到终端净化电能的目的；②如果集中控制器检测到总入口处含有因其他普通负载、一般性负载产生少量的无功、谐波时，集中控制器主动进行实时分析计算，计算后再结合各分散模块此时的剩余容量和运行情况进行智能分配所需的补偿电流，此时可通过光纤将补偿信号高速发送至子模块，以便子模块能及时进行精确补偿，从而实现传统的集中补偿效果；③如果有子模块出现故障，其他子模块即可分担故障子模块的补偿任务，如果集中控制器出现故障，子模块可以独立运行于本地补偿状态。不同于传统的集中补偿模式，所提方案大大提高了系统的可靠性，从整体上来看，整个补偿系统是开环控制和闭环控制相结合的控制方式，不仅提高了补偿效果，而且也提高了系统的稳定性和可靠性。

2 控制系统介绍

2.1 集中控制器硬件结构

本文所提的主动型低压配电自动化集中控制器硬件结构如图4所示。首先通过信号调理电路提取相关模拟信号，再经模数转换芯片AD7606转换成数字信号送入1#-FPGA芯片（EP2C20Q240C8），此芯片将数据再送入ARM芯片（STM32F105）和DSP芯片（320F28335）进行分析和计算。ARM芯片主要负责对外通信、负载通信、人机交互、以及计算和分析所采集到的电参量信息从而实现有效的数据统计、保护、预警等传统配电自动化的功能；DSP芯片主要负责计算入口处的剩余谐波、无功、不平衡电流以及分析各分散控制器的运行数据，合理地决策出将剩余谐波和无功补偿量分配给具有剩余容量的子模块。2#-FPGA芯片（EP2C20Q240C8）负责光纤端口的扩展，与每台分散控制器以串口的方式进行高速点对点通信，速度可达10Mb/s，将所需的补偿量等数据及时发送至变流器子模块。

2.2 集中控制器的协调控制方法

采用额定输出电流的有效值表示分散子模块的补偿容量，假设各子模块的额定补偿电流为a1，a2，…，an，剩余补偿电流为b1，b2，…，bn，则

式中：a1q，a2q，…，anq为各子模块补偿本地负载需要输出的基波无功电流有效值；a1h，a2h，…，anh为各子模块补偿本地负载需要输出的谐波电流有效值。

集中控制器与子模块的通信数据格式如图5所示，在集中控制器的FPGA内模拟多个独立的串行通信口，各子模块作为通信主机每半个工频周期发送一次本机的运行状态和各种数据，包括本机是否补偿正常、通信接收是否正常以及剩余容量、温度数据、经DFT计算的本地负载各次谐波值、基波无功值等。集中控制器作为通信从机在接收到子模块发来的数据后应立即进行分析与计算，在半个工频周期后将计算好的数据下发到对应的子模块进行补偿，发送的数据应包含本控制器运行是否正常、通信接收是否正常、补偿参数、设置参数以及配电开关柜总入口处经DFT计算的需要对应子模块补偿的各次谐波、基波无功值等数据。

另外，在此定义为所有子模块能接纳的总补偿电流容量，其中ηk=1（k=1，2，…，n）表示子模块通信接收正常，ηk=0表示子模块通信接收异常；σk=1（k=1，2，…，n）表示子模块补偿本地负载运行正常，σk=0表示子模块补偿本地负载运行异常；bk（k=1，2，…，n）为各子模块的剩余补偿电流容量。如果子模块能接收到集中控制器发来的补偿数据并且本子模块运行正常，此时可输出相应的补偿容量，否则本子模块不参与集中控制器的协调控制。

假设集中控制器检测总入口处所需补偿电流的有效值为is，其中包含基波无功电流有效值isq和谐波电流有效值ish，则

（1）如果I∑≤is，则所有模块投入运行，且第k个模块需要补偿的容量系数为

集中控制器将计算出的各次谐波有功/无功电流峰值Ishpm，Ishqm（m=2，3，…，j，j为所需补偿的谐波最高次数）和基波无功电流峰值Isq1及φk发送至第k个子模块，子模接收数据后进行数据合成，即本子模块所需承担的补偿电流量为

优先使用Δk较大的子模块进行补偿，如果此时没有完全补偿则继续使用Δk次大的子模块进行补偿，直至完全补偿，此时集中控制器发送的补偿数据不变，但发送的φk有可能等于零。各子模块所承担的补偿电流为

其中

（3）如果ηk=0，σk=1表示本子模块接收集中控制器数据异常，但模块补偿本地负载正常运行，此时本子模块不参与协调控制，只进行本地负载的补偿。

（4）如果ηk=0，σk=0表示本子模块接收集中控制器数据异常，模块补偿本地负载运行异常，此时本子模块停止运行不参与任何控制。

（5）如果ηk=1，σk=0表示本子模块接收集中控制器数据正常，模块补偿本地负载运行异常，此时令Δk=0，=0即可。

（6）如果ηk=1，σk=1表示本子模块接收集中控制器数据正常，模块补偿本地负载运行正常，此时条件1）和2）运行即可。

2.3 分散子模块的结构及控制算法

由电力电子变流器组成的分散式电能质量控制器子模块如图6（a）虚线框内结构所示。变流器采用三电平拓扑结构，与两电平结构相比体积更小、功率密度更高，方便标准的抽屉式开关柜结构集成化。变流器的控制策略采用一种新型非线性控制方法来实现，控制框图如图6（b）所示，总补偿电流指令值if（t）的计算如图6（c）所示，其中isf（t）为本模块需要承担图2所示总入口处的补偿电流，isf（t-1）为上一个补偿周期的isf（t）值，iLh（t）为补偿本地负载的指令值，将误差e=if（t）-io（t）进行精确控制即可完成补偿。

关于有源滤波器的控制器设计已经有诸多研究，如比例谐振控制[7-8]、重复控制[9-10]、无差拍控制[11-12]、鲁棒控制[13]、无源控制[14-15]等。其中无源控制本质上是一种非线性控制，其控制思想是一种基于能量的控制方法，具有物理含义明确、控制简单等优点，但是传统的控制存在收敛误差等缺点，为此，本文提出一种基于无源控制的新型控制方法。

由图6（a）可知，如果将补偿子模块在三相abc坐标系上的数学模型通过变换矩阵将其变换到两相同步旋转dq坐标系中，可得其在dq坐标系下的数学模型为

式中：Sd、Sq，id、iq，ud、uq，ued、ueq分别为开关函数、电流、输出电压、电网电压在dq轴上的分量；L为交流输出的电感；R为等效的线路阻抗；C为直流侧的电容容量；udc为电容两端电压。

将式（9）写成欧拉-拉格朗日方程形式

其中，

现定义误差变量xe为

由式（10）和式（12）可得系统的误差动态方程为

对式（14）进行求导，则

由于（R+r）正定，根据Lyapunov稳定性可知He＞0，＜0，即输出误差xe是渐进收敛的。在传统无源控制器设计方案中仅仅增加了恒定的阻尼项Δ，收敛速度恒定，可能存在静态误差。

在此提出一种新的无源控制器设计方法，为便于将表达式（15）中的误差变量表达为完整的变量形式xe（t），则

式中，tN为滚动时间周期，在每个滚动周期的零时刻开始滑动，末尾时刻结束本次滑动。则

由此可见，在所提出的新型无源控制器设计方案中加入了滚动阻尼项Δ，改变了传统无源控制器设计方案中恒定阻尼的控制方法，使控制目标的收敛轨迹更短，收敛速度更快，稳定性能更好，从而使系统具有更好的动静态特性。

x*为滤波器期望输出的电流，即图6（b）中的if。综上，选系统控制中的扰动项

可得控制律为

3 实验

根据上述方案设计思路，搭建了如图7所示的实验平台。图7（a）中1#抽屉式开关柜中接入两组非线性负载，用于模拟图2中的普通负载产生的电能质量问题。2#和3#抽屉式开关柜中分别接入一个主要的非线性负载和一个分散控制器。图7（b）对应的是实验平台实物图。

步骤1进行分散式控制，在此情况下分散控制器可以独立运行，集中控制器不下发集中补偿指令。①投入1#非线性负载时B点的总谐波电压电流畸变率如图8所示，投入1#分散控制器后B点对应的总谐波电压电流畸变率（THD u，THD i）如图9所示。由图9可见1#分散控制器对本地的1#非线性负载谐波补偿效果良好，THD u从3%左右下降到1.9%以下，THD i从25%左右下降到5%以下。②投入2#非线性负载时C点的电压电流波形及THD u和THD i如图10所示，投入2#分散控制器后C点对应的电压电流波形及THD u和THD i如图11所示。由图11可见2#分散控制器对本地的2#非线性负载谐波补偿效果良好，THD u从2.8%左右下降到2.0%左右，THD i从20%左右下降到5%以下。以上两步独立进行测试，由实验数据可知，分散式补偿控制效果良好。

步骤2进行集中控制，在此情况下两分散控制器运行的同时集中控制器下发集中补偿指令。首先将3#非线性负载（模拟配电系统中普通负载）投入运行，此时3#非线性负载处的电压电流波形及THD u和THD i如图12所示，进行集中补偿前A点的电压电流波形及THD u和THD i如图13所示（此时1#和2#分散控制器处于运行状态，只补偿各自对应的非线性负载），通过集中控制后，1#和2#分散控制器响应集中控制器下发的3#非线性负载谐波电流的补偿值，补偿后的电压电流波形及THD u和THD i如图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。

步骤3进行分散子模块的动态响应试验。此时不投入1#、2#和3#负载，且1#和2#分散控制器处于运行状态，此时突加/突减4#负载（4#负载由两个支路组成，其中一个支路固定投入，另一个支路装设有开关可灵活投切），图15为对应的A点电流波形（图中上）和D点波形（图中下），由图可知分散控制器能在半个工频周期内响应补偿，动态补偿过程平稳、无明显冲击、无振荡现象，动态响应效果较好。

综上可知本文所提的方案行之有效，使传统配电自动化具有了主动控制电能质量的功能。实验数据对比如表1所示。采用此方案可有效降低线路损耗和负载之间的谐波互扰，达到了终端净化电能的目的；如果总入口处有剩余谐波和无功也可通过子模块进行补偿，起到了传统单一的APF补偿方案的功能；集中控制器与子模块协调运行，相互补充运行资源，使系统运行更可靠。

4 结语

配电自动化的目的是综合运用先进技术和管理手段提高配电系统的可靠性，保障供电连续性，监视并分析电能质量问题，降低故障风险，通过有效的诊断分析故障原因，提高电力系统管理效率，降低运行成本。现代配电网中电能质量问题不仅会引起高耗能，而且会导致诸多事故和隐患，所以结合配电自动化解决好电能质量问题具有深远的意义。

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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，研究方向为电能质量控制技术、分布式发电与变流器现代控制技术。Email：muxb2009@126.com

2016-08-29；

2016-11-22

王久和（1959—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电能变换器非线性控制、电能质量控制、微电网等。Email：wjhyhrwm@163.com

孙凯（1977—），男，博士，副教授，研究方向为电能变换器、微电网、电能质量控制等。Email：sun-kai@mail.tsinghua. edu.cn