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电力系统电压质量

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发表于 2008-6-20 01:08:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
论文文献
标题: 电力系统电压质量
作者:
所属专业方向: 电气工程及其自动化
摘要: 电力系统电压质量在线监测与
控制系统的研究
关键字:
来源: 毕 业 论 文

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电力系统电压质量在线监测与7 i! R; e+ [* b: o' Z! x* V/ ^$ W
控制系统的研究  5 y& k8 o  Q$ n: V$ G
+ C/ T1 o; ]( j) n
3 w( i! I1 }5 X; C5 m; ^& C- x
一、本论文选题的目的及意义
2 n! H. i. f: `4 ?现代社会中,电能是一种使用最为广泛的能源,其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展,人类社会对电能的需求日益增加,同时对电能质量的要求也越来越高.
; ?" [% n! B% l* k5 b/ L+ S电压和频率是衡量电能质量的两个基本指标。质量合格的电压应该在供电电压偏移、电压波动和闪变、电网谐波和三相不对称度这四个方面都能满足有关国家标准规定的要求。
7 t% j) ?6 H' A0 E6 u% G电力系统中的电压水平和无功功率的状况密切相关。无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送,要产生电压损耗,高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率,输送的距离越远,中间环节越多,引起的电压降也就越大,负荷端的电压也就越低。合理配置无功电源,使无功功率就近平衡,不仅可以提高电压水平,而且可以减少电网中有功功率的损耗。
; Z5 H) ~  j: {充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用,实现电压无功综合控制对于提高电压合格率和降低网损有很大的作用,能带来经济效益和社会效益,但问题是如何实现电压和无功的综合控制。目前从整个电网考虑,在电网规划阶段,主要以电网投资和运行费用最小为目标对无功电源的位置和容量进行优化,实现无功电源的合理规划和配置,并根据电网的潮流分布情况确定电网的运行方式,减少无功功率在电网中的流动。在电网建成后主要以无功功率交换最少为目标对电网运行方式进行优化。从理论上讲,通过电网调度中心实施整个系统的电压、无功综合控制是最合理的方法。但限于我国目前电力系统的自动化水平,实现全系统的电压、无功控制困难较大,目前主要是以变电站为单位自动调节电压和无功功率就地平衡。( E& |' s2 V1 F$ c9 @; d
变电站电压无功控制目前主要是采用有载调压变压器和补偿并联电容器组,来实现调节电压合格和无功平衡的目的。但是在电压、无功功率双参数需要调节的情况下,靠人工调节往往难以做到准确判断和及时调节。人工调节不仅增加了运行人员的劳动强度,而且不能充分利用无功电源设备的补偿作用和保证电压合格率。因此,如何实现变电站电压、无功的自动控制是一个值得研究的问题。
0 N' z& X  [' G8 E+ H$ n二、国内外关于本课题的研究现状
# ^4 c3 n$ k% k! `+ }1 a  i5 }# K7 {近年来,国内外专家、学者提出许多基于新理论、新方法的电压无功综合控制装置,已有一些产品用于生产,取得了不少宝贵经验。概括起来讲,对变电站电压无功控制的研究主要有两个方面,即离线优化和实时监控。离线优化是根据专家经验或由计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷预测基础上进行优化计算,得出调节方案。调节方案一般以小时为间隔,很粗糙,而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基础的,当预测数据不准时调节方案就失去了意义。实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采样,一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组,将电压和无功控制在各自允许范围之内。2 t7 ~  D6 b3 F. i6 k3 U
就装置进行调节动作的判据来看,大致有以下几种:% {; a& C8 [) E2 T
a) 按功率因数控制,根据功率因数自动投切并联电容器组,该方法未考虑投切并联电容器组对母线电压的影响,存在动作频繁的问题。
: L, q+ P- g1 l$ |b) 按电压控制,当母线电压低于限值时自动投入补偿电容器组,电压高于限值时切除补偿电容器组,该方法未考虑无功功率平衡这一基本条件,因此也是不合理的。
0 I, _0 o3 f! B2 e# X: K) b+ vc) 根据电压、时间序列的复合控制。根据变电站的日负荷曲线以及不同负荷时段对电压和无功的要求对变压器分接头进行调节和投切并联电容器组。该方法适应性差,只适合于负荷较稳定的变电站,且负荷时段的划分必须随季节和负荷的变化进行调整。
' K! P$ L8 t+ E# Dd) 按电压、无功功率(功率因数)综合控制,根据母线电压和无功功率将运行情况分为9个区域,在不同的区域采取不同的控制策,综合利用调节有载调压变压器分接开关和投切并联电容器组两种手段将母线电压和无功功率控制在各自允许范围之内。该方法是目前采用最多的控制方法,但也存在动作过于频繁的问题,在有些情况下甚至会引起振荡。
: \! C- [6 @% N* k' P  ]9 m综上所述,变电站电压无功综合控制方式、方法虽然很多,但都有一定的局限性,如:准确性差,在某些临界情况下动作过于频繁;安装工作量大,抗干扰能力较差以及操作维护不方便等等。因此,有必要进行深入的研究。; b+ }9 p4 {  K, r! a) l; W
三、本论文的主要工作  E- T" V( P3 u8 N: w7 M
本文主要工作是研制了一种可靠、实用的电压质量在线监测与综合控制装置,该装置以工控机作为前台机,计算机作为后台机,以真空断路器作为执行元件,以并联电容器作为补偿元件。通过对母线电压、无功功率(功率因数)进行实时监测,兼顾电压合格和无功功率平衡自动调节有载调压变压器分接头位置和投切电容器组,实现变电站局部电压无功综合控制。! O6 K4 z) _- _1 i) `
另外,我以十一区理论为基础,摒弃了单纯以功率因数作为判据的不足,真正地实现了电压与无功的有机结合,把电压作为投切电容器和闭锁的条件之一。具体工作如下:; |0 W- x# p" P3 }
a)对过电压在线监测装置的硬件结构和软件工作流程进行了阐述
4 P% ]& @+ c! l- a b)对变压器有载调压和补偿并联电容器组的调压和补偿原理进行了分析,对两种手段的作用进行了比较。作为变电站电压无功综合控制装置开发研制的基础,本文根据实际需要和有关标准提出了装置应实现的基本功能。
# _9 m5 S; |8 H: v7 { c)依据控制功能和技术要求,摈弃常用的九区图控制算法而采用十一区控制算法,使装置动作过于频繁的缺点得以改善。8 l% w8 G4 j! B! n
d)针对应实现的功能和应达到的技术指标,本着提高装置的可靠性,提高可用性,方便运行人员和维护人员,尽力降低成本的原则,选择装置的硬件方案。针对目前大多数同类产品硬件过于复杂,成本较高,使用不便的缺点完了成一套可靠、简单、易用、易维护的硬件设计。
8 c0 D/ L+ P" |: U6 u8 f& Be)完成装置的样机制作,并根据有关国家标准和行业标准对其进性能指标满足变电站运行的需要,可以达到实用化要求。% q% A/ i8 }2 W. u( W9 X. p. p
四、参考文献
. j/ e) H7 K% q' a0 d[1]王世一  数字信号处理     北京理工大学出版社,   1999
6 F6 ~! e7 q$ q! l4 F[2]许业清   实用无功功率补偿技术  中国科学技术大学出版社. 1998 9 U" |- y/ s$ r6 @  s
[3]方瑜.   配电网过电压.北京:   中国电力出版社      1993  }3 \2 J" Z$ e7 h2 x
[4]杨秀、鲁铁成   10kV配电网内过电压在线监测装置的研制  华东电力 2001.55 E/ N, `; q3 d$ ~, C$ E
[5]何仰赞、温增银    电力系统分析   华中科技大学出版社   2002, Z! x) D" h1 I8 G- R
[6]包大恩、鲁铁成、吴高林  配电网电压质量在线监测装置的研制  高电压技术 2002.10# v- Y. F1 s) [$ S4 Q/ {- q
[7]BatesJ,TompkinsT,石祥生等译.   VisualC++6.0使用指南  北京:电子工业出版社,2000* t3 }: b( M0 [7 [0 Q" S
[8]刘建强、陈刚   配电网四种无功补偿技术方案比较    电力电容器    2003.33 q# B) E8 h8 r& o2 i8 T' i
[9]严浩军   变电站电压无功综合自动控制问题探讨      电网技术      2000.71 U1 @6 Z4 D0 x( x' z% X, X1 f1 f
[10 ] 夏文雄、刘勇、赵鸿    配电网电压控制方案的探讨   广东电力      2002.8
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摘   要
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现代社会中,电能是一种使用最为广泛的能源,其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展,人类社会对电能的需求日益增加,同时对电能质量的要求也越来越高。 电压和频率是衡量电能质量的两个基本指标,质量合格的电压应该在供电电压偏移、电压波动和闪变、电网谐波和三相不对称度这四个方面都能满足有关国家标准规定的要求。为了准确的监测与控制系统中的电压质量,我们设计研制了电压质量在线监测与控制系统。- X3 U5 ^2 ~9 A: D7 s% c
本系统的在线监测部分能自动检测配电网中产生的各种随机过电压并记录其波形等数据。而控制部分则能够根据测量到电压和无功数据进行分析,利用十一区控制理论,通过调节变压器分接头和控制投切电容器组实现局部电压无功综合优化。! u+ S/ R1 I4 u& U- W
该系统由工控机和高速数据采集卡PCL—1800构成前台机,以计算机作为后台机,以真空断路器作为执行元件、以并联电容器作为补偿元件,实现“循环投切”,形成一个具有数据采集、显示、判别、通讯、控制、执行的智能型无功补偿系统。2 c3 |$ w5 l# q/ U3 Q
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0 ~! x' h$ {8 |1 f3 n关键词   配电网   电压质量    在线监测    电压无功控制   无功补偿   十一区理论
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ABSTRACT
* p9 D2 ?% i% |4 c  d- {% k  I4 B3 X! ^% n
In the modern society, the electric energy is that one kind uses the most extensive energy, its application degree is one of the main signs of a national development level. With the development of science 、technology and national economy, the demand for the electric energy increases day by day, at the same time the requisition for electric energy quality is higher and higher. The voltage and frequency are two basic indexes of weighing electric energy quality. Generally speaking, voltage bias,flicker and wave shape distortion are the determinant criterion of voltage. In order to monitor and control the current voltage quality of power system, the on-line device for monitoring and controlling voltage quality has been designed.
4 U) z7 y' C' ~, JThe on-line device for monitoring voltage quality is a computerized digital recorder and linked up with voltage transducer of distribution system. According to the measured voltage, the part of controlling can analyze on the basis of eleven-area theory, through - Q' D% k; h5 `9 w$ J) r! R
adjusting transformer on load tap changer and shunt capacitors.9 x- d; x- `, |( S" b
The system uses industrial computer as secondary-computer and personal computer as host-computer. The equipment uses vacuum circuit breaker as executing components and use parallel capacitor banks as compensating components . The both are combined to constitute an intelligent reactive power compensation and controlled excution.
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Key  words   Distribution power system     Voltage quality      On-line monitoring      Voltage/reactive power control      Reactive power compensation       Eleven-area  theory/ [* z. Y0 a8 A# o
         # p& G& _, Q% w+ @2 V9 P
   
: e: `; w1 E: Y, p: @. C7 A- @( N+ T: C
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! u8 W2 G3 W) Z4 d4 y目      录
9 i# ?  ?& B1 J1 _' b                    
0 O! a/ J1 o/ W9 d% q  第一章  绪论…………………………………………………………1
3 R0 o, V  B# V. B8 o1 Z: d& y        1 . 1  选题的目的和意义…………………………………………………………1, D: A- n7 o/ S
        1 . 2  国内外关于本课题的研究现状……………………………………………2. q4 N  n- Q3 Q4 Y
        1 . 3  论文的主要工作……………………………………………………………4( e  I3 C( w# L7 |+ z2 a; w
第二章 配电网内过电压……………………………………………5( K5 S; A  C6 m! u$ x7 X8 @
        2 . 1  配电网操作过电压…………………………………………………………5
' t% f/ G5 N7 D) v6 g% j4 G        2 . 2  配电网谐振过电压.………………………………………………………5
5 P; a# u3 \! S' o+ i        2 . 3  配电网内过电压的特性分析………………………………………………6& n! C) z! N, J3 Y4 Q
第三章        电压控制的基本知识 …………………………………  8
' ^% V& g, x& ?4 Y8 o9 J7 R        3 . 1  电压水平和无功功率平衡的关系…………………………………………8
! j0 |# y( W" E! n2 E/ h  m        3 . 2  电压调整的基本原理………………………………………………………9
5 {; S' E$ n6 _+ C3 _        3 . 3  电压调整的措施……………………………………………………………10
, {: F3 n1 Q# a( f        3 . 4  无功补偿的基本知识………………………………………………………124 p+ i  e# Z  @& A6 F/ j8 E
第四章        电压质量在线监测系统………………………  176 E6 Z0 l* `) t2 s- }5 B
        4 . 1  测量装置技术指标的确定…………………………………………………17: L, Y9 `6 s# k
          4 . 2  测量装置的构成……………………………………………………………17
* J$ }% L4 z  F! K* w5 |7 D5 W           4 . 3  测量装置的硬件部分………………………………………………………186 d" Q9 c# k% H0 E0 H+ N
          4 . 4  测量装置的软件部分………………………………………………………19
9 y' ?) O* ~7 G6 |! A, h* V5 C7 C! f        4 . 5  装置的调试 ………………………………………………………………214 i: r3 D8 J: r4 h1 D
第五章 电压无功综合控制系统……………………… 23
5 y6 }* |' \; P* n            5 . 1  电压无功综合控制系统中上下位机的通讯 ………………… 23$ o* Y. I1 `4 J. _" a' {: m) M
            5 . 2  电压无功控制原理……………………………………………………… 23. o* y5 [1 ~* \
            5 . 3  基本控制功能…………………………………………………………… 25' E# @7 B0 o0 x, Z+ v3 `
            5 . 4  电压无功综合控制策略………………………………………………… 25
6 {# \8 T$ K2 f. X第六章   电压无功综合监制装置的整体设计………………… 28! a+ c8 y) Z- Q7 I
           结论………………………………………………………  367 D# L, M0 E- E1 G
           参考文献…………………………………………………  37/ e, Y5 j3 R, e8 T5 C
           致谢……………………………………………………  38
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第一章  绪   论% s: ]3 i" W. U8 W
        1.1   选题的目的和意义' J+ r* l2 @- b  h  b; m5 S
现代社会中,电能是一种使用最为广泛的能源,其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。电能具有许多的优点,它可以方便的转化为别种形式的能,例如,机械能、热能、光能、化学能等;它的输送和分配易于实现;它的应用规模也很灵活。因此,电能被极其广泛的应用于工农业,交通运输业,商业贸易,通信以及人民的日常生活中。以作为动力,可以促进工农业生产的机械化和自动化,保证产品质量,大幅度提电高劳动生产率。还要指出,提高电气化程度,以电能代替其他形式的能量,是节约总能源消耗的一个重要途径。随着科学技术和国民经济的发展,人类社会对电能的需求日益增加,同时对电能质量的要求也越来越高。) `" L$ U  C& C  i1 R9 Q
电压和频率是衡量电能质量的两个基本指标。我国采用的额定频率为50赫兹,正常运行时允许的偏移为 0.2~ 0.5赫兹。用户供电电压的允许偏移对于35kV及以上电压级为额定值的 5%,10kV及以下电压级为  7% 。为保证电压质量,对电压正弦波形畸变率也有限制,波形畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值对基波有效值的百分比,对于6~10kV 供电电压不超过4%,0.38kV电压不超过5% 。& ?/ Q# |4 T; c+ I1 P; }
质量合格的电压应该在供电电压偏移、电压波动和闪变、电网谐波和三相不对称度这四个方面都能满足有关国家标准规定的要求。
  K+ i0 t  {% c, O2 o电压偏移过大对用电设备正常运行会有很大影响。当电压过低时,对于占电力负荷比重最大的异步电机来说,转差增大,绕组中电流增大,温升增大,效率降低,寿命缩短。而电动机转速的下降将影响用户产品的产量和质量。对于发电厂由于异步电动机转速的降低,风机、水泵的出力降低,直接影响锅炉、汽机的出力。电压过低还使电炉等电热设备的出力降低,白炽灯发光效率降低,各种电子设备不能正常工作。而当电压过高时,电气设备的绝缘会加速损坏,照明设备的寿命会明显缩短,如在电压偏高10%的情况下,白炽灯的寿命缩短一半。所以,提高电压合格率对于减少工业废品、提高电气设备的效率、延长电气设备的使用寿命都有明显的作用。
9 D. z8 r) K7 Z! U* m, g电力系统中的电压水平和无功功率的状况密切相关。无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送,要产生电压损耗,高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率,输送的距离越远,中间环节越多,引起的电压降也就越大,负荷端的电压也就越低。合理配置无功电源,使无功功率就近平衡,不仅可以提高电压水平,而且可以减少电网中有功功率的损耗。据1995年的数据估算,如果利用无功电源的补偿作用,将电网各元件加权功率因数由0.85提高到0.95,需要投资29亿元,可以节约240亿千瓦时电能,相当于400万千瓦火电厂的年发电量,而火电厂造价约300亿元,且每年需燃煤1200万吨,而且产生二氧化碳、二氧化硫等有害物质600万吨。由此可见,利用无功电源使无功功率达到就近平衡,避免无功功率的远距离传输传输,不仅可以节约大量的电能,也可以避免大量的投资和环境的污染。
& `- u8 @/ s( m, z3 a充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用,实现电压无功综合控制对于提高电压合格率和降低网损有很大的作用,能带来经济效益和社会效益,但问题是如何实现电压和无功的综合控制。目前从整个电网考虑,在电网规划阶段,主要以电网投资和运行费用最小为目标对无功电源的位置和容量进行优化,实现无功电源的合理规划和配置,并根据电网的潮流分布情况确定电网的运行方式,减少无功功率在电网中的流动。在电网建成后主要以无功功率交换最少为目标对电网运行方式进行优化。从理论上讲,通过电网调度中心实施整个系统的电压、无功综合控制是最合理的方法。但限于我国目前电力系统的自动化水平,实现全系统的电压、无功控制困难较大,目前主要是以变电站为单位自动调节电压和无功功率就地平衡。0 q" w8 e* V+ i" b6 d; Q& R! d
变电站电压无功控制目前主要是采用有载调压变压器和补偿并联电容器组,通过调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组来实现调节电压合格和无功平衡的目的。但是在电压、无功功率双参数需要调节的情况下,靠人工调节往往难以做到准确判断和及时调节。人工调节不仅增加了运行人员的劳动强度,而且不能充分利用无功电源设备的补偿作用和保证电压合格率。因此,如何实现变电站电压、无功的自动控制是一个值得研究的问题。
2 z) {+ F4 Q& _9 m0 g        1.2   国内外关于本课题的研究现状
! a, g) q' e' j/ q! j随着电力市场商业化运营的逐步推行,对电能质量的要求不断提高,以及节能降损的迫切需要,电压无功综合控制问题日益得到人们的广泛重视。近年来,国内外专家、学者提出许多基于新理论、新方法的电压无功综合控制装置,己有一些产品用于生产,取得了不少宝贵经验。概括起来讲,对变电站电压无功控制的研究主要有两个方面,即离线优化和实时监控。离线优化是根据专家经验或由计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷预测基础上进行优化计算,得出第二种调节方案。调节方案一般以小时为间隔,很粗糙,而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基础的,当预测数据不准时调节方案就失去了意义。实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采样,一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组,将电压和无功控制在各自允许范围之内。- Z3 L: G0 f& ?
就实时监控装置的实现方式来看大致可以分为两类:一类依靠遥测和遥信或由保护通过网络通信传送的信息进行控制,其优点是信息全(全站信息都可得到)适合变电站各种运行方式,装置简单(以软件为主)。其缺点是存在通信延时,实时性不好,而且其功能的实现依赖通信网络和其它相关设备的完好,独立性不强。另一类具有自己独立的数据采集系统和控制操作系统,其实时性和独立性好,但装置硬件系统复杂。
# ?% v  U. e4 p5 K/ g  `( d1 v! R就装置进行调节动作的判据来看,大致有以下几种:9 ^5 A3 X' N5 B
a) 按功率因数控制,根据功率因数自动投切并联电容器组,若功率因数低于下限则投入电容器组,高于上限则切除电容器组。该方法未考虑投切并联电容器组对母线电压的影响,而且当负荷较轻时较小的无功功率变化会引起功率因数较大的变化,存在动作频繁的问题。' X7 L0 P8 T- M) o! S% N) T  U8 c
b) 按电压控制,当母线电压低于限值时自动投入补偿电容器组,电压高于限值时切除补偿电容器组,该方法未考虑无功功率平衡这一基本条件,因此也是不合理的。
, f- S2 M: m& W% Ec) 根据电压、时间序列的复合控制。根据变电站的日负荷曲线,将每天分为多个负荷时段,根据不同负荷时段对电压和无功的要求对变压器分接头进行调节和投切并联电容器组。该方法适应性差,只适合于负荷较稳定的变电站,且负荷时段的划分必须随季节和负荷的变化进行调整。
4 v0 W" r$ I* d+ Y, Y. A- Q9 Sd) 按电压、无功功率(功率因数)综合控制,根据母线电压和无功功率将运行情况分为9个区域,在不同的区域采取不同的控制策,综合利用调节有载调压变压器分接开关和投切并联电容器组两种手段将母线电压和无功功率控制在各自允许范围之内。该方法综合考虑电压和无功功率,是目前采用最多的控制方法,但在某些情况下也存在动作过于频繁的问题,在有些情况下甚至会引起振荡,因此如何尽量减少动作次数是该方法要解决的主要问题。9 B; H8 G/ r; ?4 Q
综上所述,变电站电压无功综合控制方式、方法虽然很多,但都有一定的局限性。一些方法虽然理论上很新颖,但计算太复杂,对历史数据和硬件系统的要求较高,难以做到实用化。从对用户和市场的调查结果表明,目前使用的变电站电压无功综合控制装置不同程度地存在着一些问题,如:准确性差,不是总能对电压无功的运行情况作出准确判断和发出最合理的控制动作;在某些临界情况下动作过于频繁;安装工作量大,以至用户在购买后很长时间内不能投入使用置抗干扰能力较差以及操作维护不方便等等。因此,有必要进行深入的研究,在吸收同类产品成功经验的基础上解决存在的问题,使变电站电压无功综合控制装置达到更加实用。
) W; ~9 W2 J; F) U7 [- I& U7 O        1.3  论文的主要工作8 l. z" [& Z& _6 O! F
本文主要工作是研制了一种可靠、实用的电压质量在线监测与综合控制装置,该装置以工控机作为前台机,计算机作为后台机,以真空断路器作为执行元件,以并联电容器作为补偿元件。通过对母线电压、无功功率(功率因数)进行实时监测,兼顾电压合格和无功功率平衡自动调节有载调压变压器分接头位置和投切电容器组,实现变电站局部电压无功综合控制。
' w5 c' S; ~- C, j! c8 s- n- L& ?另外,我以十一区理论为基础,摒弃了单纯以功率因数作为判据的不足,真正地实现了电压与无功的有机结合,把电压作为投切电容器和闭锁的条件之一。随着自动化水平的提高,特别是变电站综合自动化系统的推广应用,该电压、无功控制装置可以作为变电站综合自动化系统的一部分来实现由调度中心实施的全系统电压、无功综合控制。具体工作如下:: Y8 g% _* G- T
a)对过电压在线监测装置的硬件结构和软件工作流程进行了阐述。1 M( \/ o# [% [, l/ P" y' q) B$ i. S
b)对变压器有载调压和补偿并联电容器组的调压和补偿原理进行了分析,对两种手段的作用进行了比较。作为变电站电压无功综合控制装置开发研制的基础,本文根据实际需要和有关标准提出了装置应实现.的基本功能。
3 B/ H6 b2 T# R/ ~7 N c)依据控制功能和技术要求,摈弃常用的九区图控制算法而采用十一区控制算法,使装置动作过于频繁的缺点得以改善。
4 C& K  ^9 E. w3 S7 |/ S) o d)针对应实现的功能和应达到的技术指标,本着提高装置的可靠性,提高可用性,方便运行人员和维护人员,尽力降低成本的原则,选择装置的硬件方案。针对目前大多数同类产品硬件过于复杂,成本较高,使用不便的缺点完了成一套可靠、简单、易用、易维护的硬件设计。
# t3 k4 m3 _3 P* ]' k* Oe)完成装置的样机制作,并根据有关国家标准和行业标准对其进性能指标满足变电站运行的需要,可以达到实用化要求。( U+ b( e! o+ K3 k$ n: h
& S6 c) f/ k: W" s+ @

: a! a& M2 X+ ^8 T
* {2 P/ e' Q1 x% s; B) ^& |  x' D" X' N& f4 B1 k3 X  Z' g
4 c/ U% G) N$ u7 o& j

8 V$ t- e/ Q/ q
" v# ^# ~; q) ?, W$ A' M" ~& L) q4 S! D1 r# k

9 ~* l( ]* E2 K, K  O% Y! ?- _" }- s3 s: M* C
第二章    配电网内过电压% f$ }6 g* Y/ x- |; g8 w6 N8 l
配电网通常是指63kV及以下电压等级,直接向广大用户馈电的电力网。内部过电压能量来源于电网本身,所以它的幅值与电网工频电压基本上成正比。一般将内部过电压幅值与电网最高运行相电压幅值之比,称为内部过电压倍数Kn。用此倍数表示内部过电压的大小。Kn与电网结构、系统中各元件的参数、中性点运行方式、故障性质及操作方式等因素有关。
0 ]; U& y% r& ~6 }$ L: R                配电网内过电压分为两大类:
2 E3 t" m5 q, k# ?4 k- K1.        因操作或故障引起的暂态电压升高,称为操作过电压。
7 X; o, s0 h  |+ G: V+ I2.        因系统的电容与电感参数配合,可能出现各种持续时间较长的谐振现象及其电压升高,称为谐振过电压。
. D" _2 _& z9 H0 C  ^  j2 y        2.1    配电网操作过电压
* T5 H( O8 W& i电力系统中的电容、电感元件均为储能元件。当有操作或故障使其工作状态发生变化时,将产生振荡性的过渡过程。在过渡过程中,由于电感元件中储存的磁场能会在某一瞬时转换为电场能,储存于电容元件中,产生数倍于电源电压的过渡过程过电压,即所谓操作过电压。这种过电压是衰减振荡波形,持续时间为几毫秒至几十毫秒。1 y6 P! z, t2 x- ~
形成操作过电压的能量来源于电力系统本身,因而这类过电压的幅值与系统额定电压大致成正比,通常用系统最高运行相电压幅值的倍数表示过电压的大小。操作过电压值的大小与电器设备特性,尤其是断路器的特性,以及系统结构、运行参数、操作或故障形式有关,具有明显的随机性。
$ {5 l' r/ L! S# e在非有效接地的系统中,操作过电压有间歇电弧接地过电压(弧光接地过电压)、开断感性负载过电压、投切容性负载过电压等。3 w" O9 G6 U  s) i
        2.2    配电网谐振过电压  s1 @, f! Y2 E: n. b
配电网总是存在着许多电感和电容元件,如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路电感等均可作为电感元件,而线路导线对地和相间电容,补偿用的并联和串联电容器组,高压设备的杂散电容均可作为电容元件。当系统进行操作或发生故障时,这些电感、电容元件可形成各种振荡回路,在一定能源作用下,会产生串联谐振现象,导致系统中的某些部分(或元件)出现严重的谐振过电压。
! Z# `0 N# h/ _) [2 B所谓谐振,是只振荡系统的某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态(或准稳态)现象,在这种周期性或准周期性的运行状态中,发生谐振的那个谐波的振幅会急剧上升。8 T3 W6 ~9 _. T7 J  V, Y
谐振过电压的持续时间要比操作过电压长得多,甚至可稳定存在,直到破坏谐振条件为止。在某些情况下,谐振现象并不能自保持,在发生一段短促的时间后,自动消失。. v# @# H% a6 D: ^
谐振是一种稳态的现象,谐振过电压的危害性既决定于其幅值的大小,也决定于持续时间的长短。当系统产生谐振过电压时,能危及电气设备的绝缘,也能因持续的过电流而烧毁小容量的电感元件设备(如电压互感器),还影响保护装置的工作条件,如避雷器的灭弧条件。
  r* _+ w& b3 r$ u8 r' d' n8 o1 J2 G2 p谐振回路包含有电感L,电容C和电阻R,通常认为系统中C和R是线性元件。而电感元件则有三种不同特性:线性电感,非线性电感,周期性变化的电感。根据电路中所含的不同电感,谐振可分为线性谐振,非线性谐振和参数谐振。) f& T, E7 m; Z7 u" E6 Y
        2.3   配电网内过电压的特性分析
( Z3 V7 T1 J6 ]! X: v: s通过分析,我们对配电网的各种内过电压有了以下的认识:
  \% J; i6 ?" Y2 I1、工频过电压。在中性点不接地系统中,过电压倍数一般不超过1.13  p.u;在中性点经消弧线圈接地系统中,过电压倍数一般不超过 p.u。
$ ~. k/ t) o  t; w8 U2、由断线引起的铁磁谐振,过电压的范围一般在2.0p.u ~ 3.0p.u之间。+ B" {. E% L  O# P: X* P% G
3、电压互感器饱和引起的工频位移过电压和高频振荡过电压的幅值很少超过3.0 p.u,分频谐振过电压一般不超过2.0 p.u。
7 I, w# k4 j) [+ ~4、切空线过电压一般不超过3.5 p.u,开断前系统已有单相接地故障时,其幅值可能超过4.0 p.u。
  G  u* b% o* \! J+ u4 G5、开断并联电容器组如断路器发生单相重击穿,电容器高压端对地过电压可能超过4.0 p.u,开断前电源侧有单相接地故障时,该过电压将更高。开断时,若发生两相击穿,电容器极间过电压可能超过2.52 UnC(UnC为电容器的额定电压);而合闸并联电容器组过电压一般不超过2.0 p.u。
/ F; F' \7 L" ~; I3 A. K6、开断高压感应电动机时过电压一般不超过2.5 p.u,开断启动过程中的感应电动机时,截流过电压和三相同时开断过电压一般不超过4.0 p.u,高频重复击穿过电压可能超过5.0 p.u。  F+ ]+ m3 h/ M, T, ^5 v0 ~
7、发生单相间歇性电弧接地时,过电压一般不超过3.5 p.u。& Q5 k" G7 c+ I$ O
综上所述,配网中操作过电压的持续时间一般在几个毫秒至几十个毫秒之间,而工频谐振过电压的持续时间较长。内过电压幅值不会超过5.0 p.u,频率范围一般在0~2000HZ之间。工频过电压的1.0p.u = Um / 3 ,谐振和操作过电压的1.0p.u = 2 Um / 3 ,Um为系统最高电压。( ^: X4 L+ y3 X% N/ e  a$ _

, g/ X3 l2 w, {8 [: J! d
# U* R- T7 ^) |$ m: Q2 Q第三章   电压控制的基本知识
2 @+ \# ?+ K- A3 ^: `0 n/ I5 C        3.1   电压水平和无功功率平衡的关系3 s! o$ |$ d3 A
在电力系统运行中,电源的无功功率(即无功电源)在任何时刻都同负荷的无功功率和网络的无功损耗之和(及总的无功负载)相等,也就是说无论何时电网中的无功总是平衡的,问题在于无功功率的这种平衡是在什么样的电压水平下实现的。* b- e) d% l) d( y; G0 a+ Q
系统总的无功电源包括发电机的无功功率和各种无功补偿设备的无功功率,同样,我们以电压作为横轴,无功功率作为纵轴,可作得无功电源与电压的关系曲线如图3-1中曲线1, 3,是一条向下开口的抛物线,而负荷的无功电压曲线如曲线2, 4。- c$ P: {$ G5 D2 N( O& o* m
如果此时系统的无功功率是平衡的(没有无功缺额),那么曲线1与曲线2的交点a,即为额定电压下的无功平衡点,对应的电压Ua就是额定电压Ue。当负荷增加时,负荷的无功——电压特性如曲线4,如果此时系统的无功电源没有相应的增加,电源的电压——无功特性曲线仍为曲线1,这时曲线1与曲线4的交点a,就代表了新的无功平衡点,并由此决定了负荷电压为 ,显然 < Ue,这说明负荷增加后,系统的无功总电源已不能满足在额定电压下无功平衡的需要,因此,只好降低电压运行,以取得在较低电压 下的无功功率平衡。如果此时系统内发电机又无充足的无功备用,我们只有通过投入无功补偿电容器,使系统的无功——电压特性曲线上移到接近曲线3,从而使曲线3与曲线4的交点b所确定的电压接近额定电压Ue。所以通过投切电容器补偿装置同样能调节电网电压。
+ w6 g2 A, F& o6 }' V+ N1 d
/ v& y) M/ ]4 s1 l( P, y     9 r* }& H# N  S' ?
                    图  3-1
$ m& H' H4 L2 n* Y通过调节变压器变比与投退电容补偿装置这两种调压措施,在系统正常运行中是如何合理应用和综合控制的呢?目前,电压调节及无功补偿综合自动化控制的核心是由计算机对电压、无功进行分区优化控制的。
5 Z1 {7 }. S8 a  {( m5 C; J* @&#61557;        3 . 2 电压调整的基本原理8 l# q, |  g1 X, J( B
现在以图3-2所示的简单电力系统为例,说明常用的各种调压措施所依据的基本原理。 
! ]: n  m6 a/ V$ z  r图 3-2 所示为发电机经升压变压器、输电线路和降压变压器向用户供电。要求调整负荷端的电压 Ub。为简单起见,略去线路的充电功率、变压器的励磁损耗和网络的功率损耗。变压器的参数已经归算到高压侧,用户处的电压Ub为:' @5 p5 t: t2 o2 E4 w
  7 A5 t1 d. l) c7 [. U$ Q
: |2 Z8 n4 g8 {" `* C7 A6 P
   图 3—2  电 压 调 整 原 理 解 释 图
; j& ]( |5 D% J) A, e            ( 3 – 1 )     ' c7 _6 \4 a% i9 f# ?
式中,Ue为高压电力网的额定电压; 和  分别为升压变压器的变比和降压变压器的变比;R和X为变压器和线路的总电阻和电抗;P和Q为负荷的有功功率和无功功率。5 z- Y( d* W0 x) F& j7 N
由式(3-1)可以看出,负荷端的电压 Ub随着负荷大小的变化而变化。为了保持用户电压的不变,需要采取以下的措施:% R# _5 x; b9 w% E9 K/ v# l& x4 b4 M
(1) 调节发电机的励磁电流以改变发电机的端电压   ;
6 C" ?: [5 ~# |; H( [7 }  {- w8 q# ^(2) 调节变压器的变比  和   ;" F3 |/ C+ y$ n! }" j
(3) 改变线路参数,如采用增加导线截面积的方法减小等值电阻 R ,或采用串联电容器补偿的方法来减小等值电抗 X ;" {5 Z0 s) y5 ~; s, y9 T
(4) 对原有电网进行升压改造,即提高 Ue ,这样可以大大的减少网络中的电压损耗和电能损耗。
' j: ~- ?! u6 e(5) 改变无功功率的分布,如在用户处实现就地无功补偿,以减少网络 中 传 输 的 无 功 功 率 Q ,从 而 减 少 网 络 中 的 电 压 损 失 和 电 能 损 耗,提 高 功 率 因 数 。6 _; X" x+ d' D6 o
这些措施将在下面分别进行比较详细的讨论。, H& {) W+ a9 T6 O8 O
在变电站进行电压调节常采用第(2)种方法和第(5)种方法,即调节有载变压器分接头和进行并联电容器的无功补偿。前者对电压的调节是显而易见的,后者对电压的改善和网损的降低阐述如下。
! Q+ S: C) q( x. Z当投入的补偿无功容量为 Qc 时,用户端的电压计算式由(3-1)式变成下式:  b, c, |) v0 V, T: o
       ( 3—2 )
2 j; t5 W6 @$ h4 u( [3 ?2 |上式表明增大 Qc ,可以使线路(包括变压器 )的压降  U 降低,从而提高用户端的电压。
7 C% ^: k) k( |- X' p6 O% c* B7 V下面分析网损的情况。投入 Qc 以后的网损为: 8 P' B6 x% f5 m$ }$ |
              ( 3—3 )
; ]) [# B" `. E# w; D$ t可见网损随 而变,在输送功率一定的条件下, 越小,网损越小。 
1 S& h5 A3 S" M7 A8 z( m" e&#61557;        3 . 3   电压调整的措施' B6 L7 I' x2 x: Z8 J: K) R
一、发电机调压
( w+ e9 J- B* Y7 e2 d/ H4 i现代同步发电机在端电压偏离额定值不超过 5%的范围内,能够以额定功率运行。大中型同步发电机都装有自动励磁调节装置,可以根据运行情况调节励磁电流来改变其端电压。对于不同类型的供电网络,发电机调压所起的作用是不同的。
- ?& J2 y( i, `2 a# e( P由孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网,因供电线路不长,线路上损耗电压不大,故改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求,而不必另外再增加调压设备。这是最经济合理的调压方式。* [, W" Q, S$ C- i  q# y' C
对于线路较长、供电范围较大、有多级变压的供电系统,从发电厂到最远的负荷点之间,电压损耗的数值和变化幅度都较大,而且更主要的是在于不同运行方式下电压损耗之差即变化幅度太大。因而单靠发电机调压是不能解决问题的。在上述情况下,发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量,发电机电压在最大负荷时提高5%,最小负荷时保持为额定电压,采取这种逆调压方式,对于解决多级变压供电系统的调压问题也是有利的,而在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。+ L5 E9 {7 U# w5 j9 i
二、改变变压器变比调压
& R/ W% ?5 H2 c改变变压器的变比可以升高或降低次级绕组的电压。为了实现调压,在双绕组变压器的高压绕组上设有若干个分接头以供选择,其中对应额定电压的称为主接头。三绕组变压器一般是在高压绕组和中压绕组设置分接头。变压器的低压绕组不设分接头。改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求适当选择分接头。" t7 l/ T* O, i. }) U9 b. j1 J; `  O) s
三、利用无功功率补偿调压
7 G* X  e- `$ E! ~" i- S! |% I: N无功功率的产生基本上不消耗能源,但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理的配置无功功率补偿容量,以改变电力网的无功潮流分布,可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗,从而改善用户处的电压质量。该方法使用较为广泛,其补偿方式、补偿原理以及补偿装置的基本功能和控制原则将在下面进行详细的叙述。7 n$ c6 J- P) Q9 R$ f3 C
四、线路串联电容补偿调压4 @& ?- u5 @5 q# j, C( _
在线路上串联接入静电电容器,利用电容器的容抗补偿线路的感抗,使电压损耗中QX/V分量减小,从而可提高线路末端电压。串联电容器提升的末端电压的数值随无功负荷大小而变,负荷大时增大,负荷小时减少,恰与调压的要求一致。这是串联电容器调压的一个显著优点。但对负荷功率因数高(cos  >0.95)或导线截面小的线路,由于PR/V分量的比重大,串联补偿的调压效果就很小。故串联电容器调压一般用在供电电压为 35kV或10kV 、负荷波动大而频繁、功率因数又很低的配电线路上。7 x7 ~; f1 ]* P8 h2 `  k
五、各种调压措施的合理应用
1 w8 a5 _$ |1 f. `3 y; U- ~利用发电机调压不需要增加费用,是发电机直接供电的小系统的主要调压手段。在多机系统中,调节发电机的励磁电流要引起发电机间无功功率的重新分配,应该根据发电机与系统的联接方式和承担有功负荷情况,合理的规定各发电机调压装置的整定值。利用发电机调压时,发电机的无功功率输出不应超过允许的限值。1 P8 T, p! [, b7 r+ U8 Y
当系统的无功功率供应比较充裕时,各变电所的调压问题可以通过选择变压器的分接头来解决。当最大负荷和最小负荷两种情况下的电压变化幅度不很大又不要求逆调压时,适当调整普通变压器的分接头一般就可以满足要求。当电压变化幅度比较大或要求逆调压时,宜采用带负荷调压的变压器。有载调压变压器可以装设在枢纽变电站,也可以装设在大容量的用户处。加压调压变压器还可以串联在线路上,对于辐射形线路,其主要目的是为了调压,对于环网,还能改善功率分布。装设在系统间联络线上的串联加压器,还可以起隔离作用,使两个系统的电压调整互不影响。0 E( u7 C6 h6 K) g) _& E
必须指出,在系统无功不足的条件下,不宜采用调整变压器分接头的办法来提高电压。因为当某一地区的电压由于变压器分接头的改变而升高后,该地区所需的无功功率也增大了,这就可能扩大系统的无功缺额,从而导致整个系统的电压水平更加下降。从全局来看,这样做的效果是不好的。& f7 ?4 M( j2 v6 T, R2 i' ]3 z
从调压的角度看,并联电容补偿和串联电容补偿的作用都在于减少电压损耗中的QX/V分量,并联补偿能减少Q,串联补偿则能减少。只有在电压损耗中QX/V分量占有较大比重时,其调压效果才明显。对于35kV或10kV的较长线路,导线截面较大,负荷波动大而频繁,功率因数又偏低时,采用串联补偿调压可能比较适宜。这两种调压措施都需要增加设备费用,采用并联补偿时可以从网损节约中得到抵偿。
6 [  Z/ ]+ [9 u) j: g$ y&#61557;        3 . 4  无功补偿的基本知识4 i7 g: x  Y/ \" a; k8 K
3 . 4 . 1 概述
0 s( i1 Z6 V9 @/ X一. 无功补偿的主要作用 ! O5 I. s: R1 E0 {; k
由于感性负载的存在,电网不可避免的要为感性负载提供无功功率,尤其是电弧炉等负荷,在其使用过程中将吸收大量变化的滞后无功,而这些无功功率的存在将对电网产生大量的影响,如占据系统容量、增加功率损耗、破坏供电系统的稳定性、影响供配电设备的高效安全运行。因此,增设无功补偿装置、降低电网传输的无功功率,是电力系统安全经济运行的重要保证。其主要作用如下: 
  H  b* l% T9 Z/ B) W/ s(1)提高供用电系统及负载的功率因数,降低设备容量,减小功率损耗。稳定受电端及电网的电压,提高供电质量;在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性,提高输电能力。 # b7 f1 }9 @6 _
(2)诸如电弧炉、电气化铁路等不对称的冲击负荷造成的电力系统三相严重不平衡,通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。 ) d3 }: g' R2 I7 @% Z' o+ {$ V% u
二 . 无功补偿的方式  
7 ?* w/ e8 V  ]0 P- x  @( 1 )  并联电容器补偿无功功率 ; i! I9 W; s0 i( ~8 t5 p& P5 U
并联电容器补偿无功功率是传统的方法,其结构简单、经济方便,所以国内外仍然使用很广泛。根据电容器安装位置的不同,有三种补偿方式: 2 q  C- w! j# X
a) 集中补偿:电容器组集中安装在降压变电所内,用来提高整个变电所的功率因数,使该变电所供电范围之内的无功基本平衡。可以减少高压线路的无功损耗。 
1 s! j  @. W9 b9 W9 m4 ^) Xb) 分组补偿:将电容器组分散安装在功率因数比较低的车间或村镇终端变电所内,其补偿效果优越于集中补偿,因此此种方式采用比较多。 
, M( k" b8 u% Ac) 就地补偿:将电容器或电容器组装在异步电动机或电感性负载附近,就地进行无功补偿,此种补偿方式对中小型设备非常实用。 # U" B, n8 W5 o- g
但是并联电容器补偿有着无法克服的缺点:因为阻抗是固定的,所以不能动态的更随无功的变化进行相应的补偿。 
8 {( a, y' L9 S' d0 D6 l, L( 2 )  同步调相机补偿无功功率   s' h+ \8 I- d
同步调相机也是传统的无功功率补偿装置之一。它是专门用来产生无功的同步电机。由于其是旋转电机,因此损耗和噪音都较大,运行维护复杂,且响应速度慢,故逐渐被淘汰了。 % b. p- c+ W# V9 N% P: B$ K' ?
( 3 )  静止无功补偿装置 ! L! ?5 j9 m, g2 I  q$ X1 Q
a)  饱和电抗器——SR(Saturated Reactor) 
( D  X, A& e9 V) w# @它具有静止型的优点,响应速度快;但由于其需要使铁心磁化到饱和状态,因而损耗和噪声都很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题。所以很少用。 8 f# i5 ?/ D# H. U: N! }
b)  晶闸管控制电抗器——TCR(Thyristor Controlled Reactor) 
$ E# K6 h, A, g( C9 t( V5 E3 a由于它是利用晶闸管移相触发导通的功能来改变装置的无功输出。因此,可以将现代控制理论用于无功控制领域,有着广阔的前景。随着我国电力电子技术的不断提高,它将会得到越来越广阔的应用。但是这种装置会产生较大的谐波。 
4 c9 [" g; s+ rc)  晶闸管投切电容器——TSC(Thyristor Switch Capacitor) ! J& Z0 a$ T- d0 m5 F" a
  每相由电容器组和一对反并联晶闸管以及一个小电抗器串联而成。电抗器的作用是防止电容器在突然投入时产生很大的冲击电流而破坏晶闸管。它需要选择合适的投入相角,用以减少冲击电流。   b; y" Q$ |  ^8 u
( 4 )  静止无功发生器——SVG(Static Var Generator)
1 U0 S" R; m5 Y" n4 V$ e& G是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。与传统的SVC装置相比,SVG的调节速度更快,运行范围更宽,而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可以大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是,SVG使用的电抗器和电容器元件远比SVC中的要小,这将使装置更为小型化。SVG具有如此优越的功能,显示了无功补偿装置发展的方向。但是它价格昂贵,控制复杂,目前较少使用,主要是在美国和日本得到一定的应用。 : p( @' x) g  {. r  O& K: t
3 . 4. 2 无功补偿的判断依据
& X, d) L) X" H# s! @/ u( i无功补偿装置应能自动检测系统的有关变量,并把所检测的量与参考值进行比较,产生相应的电容器的投切,以调节系统的无功功率。检测哪些量作为无功补偿的依据,取决于用户对补偿器功能的要求,一般来讲,有如下几个量:功率因数、无功电流、无功负荷、电压。用户可以选择其中的一个和多个。当然,控制中所需要的信号往往是反映这 些量的有效值或幅度大小的直流信号(如直流电压或直流电流),因此需要对所取的信号作一些处理,常用的有变送器或整流装置。 
( Z0 E! ]& @. h9 T1 F1 k2 G一 、 检 测 电 压 自 动 投 切  " k; W8 M+ |( k  W1 }; M8 Z
依据电压的变化作为检测信号,当电网电压降至给定下限的值时,控制器发出投入电容器的信号;当电网电压超过给定上限时,控制器发出切除电容器组的命令。通过这样自动投切电容器组就可以补偿系统所需的无功功率,改善系统的功率因数和电压质量。 0 Z* C5 l' {4 _3 |! Q/ F
二 、 检 测 无 功 功 率 自 动 投 切  
% t0 |( ^' f& I+ F检测电路的无功功率,当它超过投入的整定值时,投入电容器;而当系统的无功减少到切除的整定值时,切除电容器,从而把无功功率限制在整定的范围之内,达到我们控制的目的。 
2 h: x( r0 C4 f/ M) H% ?2 E三 、 检 测 功 率 因 数 自 动 投 切  
; P/ z$ n9 G" Y- W- z其投切原理与上述相同,这里就不再重复了。以上都是一些比较单一而传统的检测方法,没有综合考虑无功和电压的相互影响,往往只根据其中的某一个量,这样常常达不到理想的控制效果,而且会导致开关频繁的动作,不利于设备的保护,降低靠性和使用寿命。目前又产生了一些新的判断方法,如下所述。 : S! {& d) [) k6 M: u5 W, P
四 、 利 用 九 区 图 或 者 改 进 的 九 区 图 来 进 行 控 制  ' a2 _  a; L5 _- a5 @( X, g8 B
主要用于电压无功综合控制,即 VQC 装置。它是通过软件编程,确定控制的量在哪个区间里面,从而判断是调变压器分接头还是进行电容器组的投切。现在也有一些开始用模糊逻辑控制法及专家系统和线性规划相结合的方法来进行控制,但基本上还处于摸索阶段。 
# q8 e1 u% U' U% b" J五 、 根 据 瞬 时 无 功 理 论 进 行 信 号 检 测  9 [9 {3 D" O- M* g  t( |+ V9 G. C3 I0 d
三相电路瞬时无功理论首先于1893年由赤木泰文提出,此后该理论经不断研究逐渐改善。赤目最初提出的理论称为 pq 理论,仅仅阐述了瞬时实功率和瞬时虚功率,而没有对电流量进行定义。现在的瞬时无功理论逐渐发展成为以瞬时有功电流和瞬时无功电流为基础的理论体系,以及它与传统功率之间的关系。该理论的核心是突破了传统功率理论中用平均值表示功率量的局限性。它是基于 α—β 变换基础上求出所需的瞬时无功电流。采用瞬时无功理论所取得的直流分量能够很准确地反映; F# }  r, ~0 ]1 g0 ?8 N' h/ E
SVC控制所需的相应交流信号的基波有效值,具有良好的动态特性,而且各计算公式相似,容易实现计算机控制。 
) z; v# F( J( Z. u1 T3 . 4 . 3   无功控制装置的控制原则
2 `, ~8 F. u5 P2 Z采用无功补偿自动控制装置,可以根据用户的负荷状况和电网的实时运行参数,通过软件综合判断,确定最优的投切方案,以达到合理补偿和优化系统运行之目的。
9 |6 ?2 o) h; o' u一 . 补 偿 装 置 调 节 控 制 的 原 则1 ~- b; A8 n# v3 x. J
根据电力行业标准 DL/T672—1999 中规定“装置调节控制的原则是:“保证供电电压在允许变动(整定值)范围内的前提下,充分调节控制无功补偿装置,实现电网无功功率的就地平衡。”  
/ C, v' D! x  N' w+ Y& C二 . 基 本 控 制 功 能  , o/ e: T) a7 i% y4 f
控制装置的要求是:连续采样变电所运行时的无功功率,功率因数和电压等值,根据母线电压的高低、无功功率的需求状况通过软件综合判断,确定最优的方案,自动投切电容器组和调节分接头开关的档位,使系统无功就地平衡,电压始终处于合适的设定范围内,保证电压合格率。   Q, ~0 p" S3 }) b. m9 H7 v
无功控制装置应具有下列的基本控制功能: 
1 `4 E$ V& D& }: B5 w; h1.被控目标母线电压运行值在其允许(整定值)范围内时,装置应以控制投切并联电容器组为主,并应防止发生投切震荡; , w) H. L$ e1 P  G
2.当被控主变压器无功负荷小于与该主变压器相连母线上的每组电容器容量时,装置应以控制调节主变压器有载调压分接开关位置为主; % m' n* `) k2 Q/ b+ T# |# R1 S
3.当被控母线电压运行值超过允许变动范围,而主变压器有载调压分接开关位置已处在上限或下限时,装置应利用电容器组的的调压作用,对电容器组实行强行的投或切; 2 O& Z' L5 `+ ?/ y7 B) D7 g9 }6 e. d
4. 控制装置应有参数可设置性,控制参数设置应具有容错及密码锁定功能; 2 T- b" B! F( B
5.控制装置的基本功能应符合其他设计要求; 
2 m& M: \$ f+ v- n$ \6.此外还具有显示功能,闭锁功能,打印、统计功能、手动操作功能、远方遥控和通信功能,并且应该安全高效,稳定可靠、简单易用,环境适应性强等功能。 . _* ?( w9 U' ~! ]  v, c) `
三 . 控 制 原 则 : 使 系 统 处 电 压 合 格 , 无 功 损 耗 最 小  2 r! G0 c) `0 z( Q  c7 W, l3 c
1.电压优先调控原则;         6 F/ q3 f# A5 k3 r+ [9 e! j+ m' E
2.无功补偿控制原则(电压合格范围时的原则)无功欠补逐级投电容器组;无功过补逐级切电容器组;投电容器之前先探询是否投后电压超高限,再决定是否投电容器。  2 G+ L6 O: D$ k. d, L  Z# R
四.电 容 投 切 控 制 的 原 则 :以 最 少 的 动 作 次 数 获 得 最 高 的 效 率  
: i& G7 z' c% Z1.等容量投切:对于相同容量的补偿模块来说,按无功容量决定是否投切,按照动作次数的多少实现电容器组的均衡投切或按预定投切顺序进行,但两次电容器组控制操作之间应该有适当的延时。 1 I1 L  o0 y( `; o% z$ k
2.不等量电容器的投切:对于不同容量的补偿模块来说,按无功容量的需要自动选取合适电容器投切,并兼顾动作的次数,以最少的分组数来实现最精确的调节。不等容量分组一般按 1:2:4:8 来进行,这样有16种组合。当然也可以按实际的需要进行分组。它根据用户负荷状况和电网要求的运行参数来确定电容器的投切,从而形成多容量组合的一个成套装置。 7 |7 a" E5 {# \

7 }5 A* Q6 A" w0 c7 H- h' k7 `
. S! j6 g- r1 _$ o2 Y- j5 g+ B% l& w+ j' ^+ x. q

- v2 H" \! S9 w% F4 ]2 d& w3 h4 h1 v* ]7 z, `
第四章 电压质量在线监测系统
5 [3 ~; I0 x7 @3 u8 n2 x配电网过电压事故约占整个电力系统过电压事故的70%一80%,其中内过电压有相当比例。传统的过电压记录仪无法捕捉内过电压瞬态波形,测量精度或频率响应差。不能在线监测过电压。电力系统中的非线性负荷引起的谐波含量也因时、因地而异,分散性和随机性大,测量困难。目前的测量仪器虽能准确测量稳态谐波,但不能在线监测暂、动态谐波。为此研制了自动记录配电网系统运行或事故状态中随机过电压瞬变过程和波形的装置。
$ a- Z6 ?$ a" z# O& Z, X3 b. q&#61557;        4 . 1  测量装置技术指标的确定
  y7 D7 T7 Y6 B由前面的分析可知,我们对内过电压最关心的是其幅值和持续时间,因为这是危及电气设备和电网安全运行的两个重要因素,是过电压分析的重要依据。因此,设计的电压质量在线监测装置应充分考虑下列具体要求:1 g3 |7 ^0 E8 v- E! ?
1、10kV系统一般是双母线运行,并且系统中性点是不接地的,故装置应能提供8个测量通道同时监测两条母线的对地电压与系统中性点的电压。/ a7 ?# q/ F. M9 {1 D
2、监测产生过电压的过渡过程,装置应能记录系统从正常转变为异常的电压波形。记录20个工频周期时间内的波形,其中前两个工频周期时间为系统正常时间。
/ ~" X* O$ A/ Z9 h3 s4 M. m; E3、考虑系统内过电压的频率特性,装置每通道的采样频率为10kHZ。
  x$ j" ^/ e5 s4、考虑系统内过电压可能多次重复发生,装置应能记录多次触发事件。
# x, O" K  I' ~! X2 S$ m9 X5、装置测量精度要高,波形误差要小。
$ ?* j3 ^/ M1 K4 Q! N2 t: A4 [6、装置应能自动触发记录,形成8个测量通道测量数据。4 i2 ^. U) d- p8 _$ u( B
7、装置应有可靠与完善的通信功能,能将现场采集数据送至运行管理部门。
$ N, W- O" C# m# f8、装置的体积要小,工作可靠性高,不影响现场的运行。. x! o1 P, [2 W7 n% q7 t; A
9、考虑到系统的实际需要,谐波分析要达到50次,并计算出总谐波畸变率。
' G- M  _4 }  ?% Y&#61557;        4 . 2  测量装置的构成
/ X$ C4 S4 R: g8 D$ E0 M主要包括4个部分:8 B5 U# s- B" k+ Q, x% |& [
①电容分压器:采用电容分压器,其暂态响应特性好,系统额定电压下输出电压峰值20 V,分压器体积小,接线便利。
% I/ s' R" K5 E( T$ R②光电隔离型传感器、信号采集与处理部分:由高压电容分压器送来的信号经100/3.5 V电压传感器降低并隔离,再送至PCL—1800数据采集卡,经A/D转换,形成数据信号缓存,并由工控机管理,负责将电压数据信号送至后台机处理。, d1 b8 A4 U/ B4 ^7 @
③数据传送部分:工控机送出的过电压数据由计算机RS—232串口输出,考虑前后台机的距离可能较远,在输出口装设一个RS-232/RS-485总线转换器,然后数据信号经屏蔽电缆或光纤送至后台机上接的另一个RS-232/ RS-485转换器,进入后台机的数据管理系统。同时,该部分还负责接收后台机发送的命令字符,具有双向传输功能。
% m+ n/ C0 Z6 y* {# ~( I④数据信号处理部分:后台机将前台机发来的数据信号以文件形式存盘,并由程序自动生成电压波形图及一些相关的数据(如过电压产生的时间、最大值、过电压倍数等)。通过键盘的移动,还可显示各点的对应时刻和电压值。对于正常的电压数据,程序还可进行谐波分析,得到50次谐波含量和总的谐波畸变率。8 _1 n5 d6 v  Q! L/ B
&#61557;        4 . 3  测量装置的硬件部分) U0 O) y* j+ j8 Q9 @5 f6 [
除高压电容分压器外,硬件有3个主要部分:7 m# T$ D& q3 [+ N- U1 I! I2 W
(1)WBI21型隔离传感器,可直接与A /D转换接口相连,精度高、响应快、体积小、功耗低,能有效解决隔地、共地、共模干扰等问题。
7 o9 A7 [7 @/ ^) z' O# h% n(2)PCL-1800型数据采集卡,是该装置的核心部件。它是一种高速、高性能的插入式多功能数据采集卡,适用于各种通用的 PC机,与PC机的总线接口为ISA总线。它有一个330KHZ的12位模拟量到数字量的转换器,卡上集成有1k字采样FIFO(先入先出)缓冲器、16路单端或8路差分模拟量输入、2路12位D/A输出通道、16个数字量输入通道及一个16位计数器通道。% P( V/ B+ p" H3 J3 ~/ n
FIFO缓冲区对实时计算处理的高速数据采集十分重要。下面详细介绍FIFO的工作方式。& m9 A; B" h8 s) N3 ~0 U
PCL-1800的FIFO(先入先出)缓存能够使数据传输速率达到最高330kHZ,因此避免了在高速数据采集中可能造成的数据丢失。
) {$ w; k0 w3 J$ c- D: C$ E通常,PCL-1800每执行一次A/D转换,就将数据写入A/D数据输出寄存器,然后通过DMA或中断服务来传送数据。如果没有FIFO,每次A/D完成了一次转换,数据就覆盖了A/D数据输出寄存器中现有的数据,如果以前的数据在新数据到来之前还未取走,那么以前的数据就丢失了。4 O$ p, R* t* o: H3 h
而如果使用了FIFO,新数据仅仅置于FIFO缓存中下一个位置,并不影响最初的数据,后续的A/D转换数据就依次占据FIFO中其它位置,FIFO最高可容纳1024次A/D转换的数据。当需要将数据从FIFO中取走,只需要从数据输出寄存器读数,这将使最早进入FIFO中的数据被取出,FIFO中的下一个数据将占据它的位置,依此类推,其后续数据将依次向前移动一位。可以在任何时候从FIFO中取出数据,采集卡可以在取数时同步地将数据连续存入FIFO中,有效地防止了数据丢失。通常可以在FIFO为满或半满时然后将数据一次取完,这种方法大大提高了数据传送速度。8 @& F! J/ D1 ^, v: ]( d
同时PCL-1800有支持各项功能的函数库,用户可通过读写卡上功能寄存器完成所需功能,并支持C、VC、VB、DELPHI等计算机语言,大大提高编程的灵活性。2 g# z) ]7 i/ [2 d4 [$ N- |
(3)采集处理电压信号的前台机与数据保存分析的后台机。前台机屏蔽很好,能有效地减小外部信号干扰。信号线的屏蔽线和数据采集卡的地电位接工控机外壳后接地。/ W& d+ o) `$ i' p! O2 x) Y
&#61557;        4 . 4   测量装置的软件部分
+ t, V9 K$ z* m2 z1 T5 `# I7 Z4 v一.  前台机程序
0 ~" L( c' I) v0 J+ L7 H! g前台机程序使用Borland C编写,运行于Dos环境下,可同时采集8路电压信号,每路采样频率为10 kHz。开机后,数据采集卡不断轮采8路信号,每路信号数据刷新保留2个工频周期时间的数据,并以此为标准设定基准值以实时监测系统电压变化。当某一电压信号大于预设电压数值(该装置取1.5倍的基准值)时,前台机将过电压数据(过电压前2个周期的缓存数据和后续的18个工频周期数据)通过串口送至后台机。6 Q0 b0 [) ?$ X
此外,程序还有一中断处理模块负责监控串口。收到从后台机发送来的电压采集信号后即将缓存区2个周期及后续的18个周期的数据一起经串口发送到后台机。为有效监控过电压,这部分数据处理优先级低于过电压动作的优先级。2 C+ Z) [+ |5 D9 L! P
中断方式发送数据确保发送数据时不影响监测后续电压信号。每批数据有8个通道,持续20个工频周期,每周期采集200点共形成32000个整形数据,数据传送的波特率为9600 bit/s,发送一批数据需要2- 3 min。该程序流程见图4- 1 :) m$ B- d+ B& e# }' ?) z
二.后台机程序4 {, U) x- Y  e& {5 B1 I* N- x
后台机程序负责接收由前台机发送来的数据,并以文件形式存盘,误存于已创建的数据库中。用户可以从数据库中方便地提取数据,并观察由程序自动生成的波形及一些过电压信息,如过电压产生的时间、最大值、过电压倍数等。为了便于观察与比较,用户还可以方便地在一个窗口界面上观看多通道波形图,也可以只观看单通道波形图。程序运行于Windows9X环境下,用VC++6.0编写,程序流程图如图4-2。0 H; S1 Z% T  `+ z) b) [
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图4-1  前台机程序流程图* a2 O. R% Q$ ^7 m! f" o2 b1 p% `
% J7 R, b; D) i) Y3 j/ x2 U( X
                                  辅助线程
1 h3 M$ R) N+ n7 j* p; ~' t& r           主线程                  / m" @5 f7 Z6 p) o
               
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2 |- P# K/ p, ~% W1 W5 A, A% U9 c7 S图4-2  后台机程序流程图
( W; p7 q, d% w- b/ [& f&#61557;        4 .5    装置的调试
4 h2 |9 u1 ~, V在PT谐振模拟试验回路中,采用10kV原型电磁式电压互感器,系统线路的分布电容用电容器的串并联模拟代替,试验接线如图4—3所示。
4 _7 H- u: `+ q+ U图4—3   PT谐振摸拟试验结线         
8 P* x6 Y7 e2 `; W+ a图中:   ——高压试验变压器操作台    型号:CT—15/0.2
8 U# a8 a5 |9 k# \8 C1 o1 e3 ^' f3 ~        T——高压试验变压器           型号:CQSB15/108 x( H3 O& ?6 q: a- p3 g' `
        ZK——10kV真空接触器       ——电容器
/ ?+ \; y& x$ N- O        PT——电压互感器           型号:JDZJ-10
" u. E+ R2 E. ]) x1 Q在模拟试验中,用接地棒人为造成一相接地并拉开,激发系统谐振,经过分压器后,用该装置与示波器测量三相对地电压及PT开口绕组两端的零序电压。得到实验波形如下:
& C2 F6 l* H3 q
+ k' I& Z+ ^4 a1 C1 I" l! x
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图 4-4  装置测量到的标准正弦波形
) j' A/ I& q3 D
' A) O- u- t, ~$ c6 g( J
4 q$ r( H3 X/ d  U                   : {. |4 \! P7 x: u
   图4-5  单相接地引起的过电压波形
* r. `4 W- ~# m: b/ j* f7 `/ ^' q; u% x/ m. I0 g* Q

5 x+ g5 G3 W: s6 V4 O
/ ?9 n5 b8 k  m/ Z$ p6 Y: N) J
+ k/ G. f8 r! u8 m/ f, ?. W第 五 章  电压无功综合控制系统
1 @  k- W1 Z+ a&#61557;        5 . 1 电压无功综合控制系统中上下位机的通讯8 g9 h" q2 W: F
计算机作为上位机可以提供良好的人机界面,具有强大的数据处理能力和图像显示能力,能够进行全系统的监控和管理,而工控机作为下位机能适应恶劣的工业环境,可靠性高,适合现场控制。因此,把工控机和PC 机结合起来能达到优势互补的作用。
1 S4 W  X6 o7 c! ^/ I  y&#61557;        5 . 2   电压无功控制原理7 ?- Y! D% l$ M1 o/ i
有载调压变压器和并联电容器组,由于其设备投资和运行费用都较低,所以是目前变电站中应用最广的电压无功调节设备,二者虽然都有调节电压的效果,但其作用和原理是不同的,电压无功自动控制装置就是综合利用这两种手段来实现调节电压合格和无功功率平衡的,下面对其原理进行简要分析。图2-3所示为某变电站一次接线的等值电路图,图中的 为系统中各点电压,K为变压器变比, 为补偿电容器发出的无功, 为负载所消耗的功率。
+ F- Z0 a+ K) u' t9 i3 t" R                                             0 l/ j) q! j- p( V" M7 k/ O+ L3 c
      
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                   图 5-1  某变电站一次接线$ {' L* _! n5 L8 d# g
在补偿电容器未投入之前,由负荷电流所引起的供电电压变与供电电压存在以下关系
( I6 F: L: o( s$ _' W* s   ( 5- 1)
# F3 f: h0 i8 y( K- ?% X一般 ,如果略去 ,则有
7 s* \1 \4 l3 B4 P+ N# k/ C$ G         ( 5- 2)
8 V9 ~& ~# m4 I9 d由此可见,随着负荷的变化,由变电站到用户的线路上电压损耗也随之改变(实际上还应考虑变压器和一次侧高压线路所产生的压降)。为了保持用户电压不变,必须调节 ,这有以下两种方法:4 s( S. o6 L" M3 e' ~7 T
a) 调整变压器变比K" m0 y  T- S; x8 M+ ~0 L8 J
因为                                                     ( 5- 3)所以当负荷增大, 增大时,应降低K以提高 ,反之若负荷减轻时,则应提高K以降低 :这可通过调节变压器分接头来达到。
0 V* w7 q( P1 C* ub)改变补偿电容器组发出的无功功率Qc。采用与上述同样的分析方法,Us与 有以下关系:
$ L1 M, p0 |/ P. x  F2 E                  ( 5- 4)  j+ s* X% x% L. `* z
若投入的电容器为Qc则
  f* p8 z3 Z& x3 I             ( 5- 5)这表明增大Qc可以使线路(包括变压器)上的压降降低,同样可以提高 .
" x/ d1 S  O5 I      下面分析网损的情况。投入Qc以后的网损为            ( 5- 6)       可见网损随 而变,在输送功率一定的条件下, 越小网损越小。6 w! N( V2 s$ @! }5 P3 Z& M
由以上的分析可以看出,调节变压器分接头可以提高或降低变电站低压侧母线的电压,但对无功分布和网损影响不大,而投切并联电容器,一方面可以调节电压,另一方面还可以改变无功分配,对降低网损有很大的作用。! k8 K: _) E9 ~- [
应当指出,变电站电压无功实时控制是一个多输入多输出的闭环控制系统的最优控制问题,但是要得到其最优解非常困难,因为此系统的输入即有开关量又有模拟量,输出也是不连续的,还有被控对象动作次数的约束条件。目前尚没有一种理论能完全解决此问题,因此只能得到满意解或可行解。
7 @1 x4 |' i4 P- s! ?&#61557;        5 . 3   基本控制功能) A- h) ?7 A7 J1 q- Y
对于变电站电压无功综合控制装置来说,最基本的功能是在保证母线电压合格的前提之下,充分利用低压母线上并联电容器的补偿作用,使变电站的无功功率达到就地平衡。具体来说,控制装置应具有下列基本控制功能:
# z5 k$ V1 @- W/ m1 ^, V3 ~    a)应适用于控制至少1台有载调压变压器((2卷或3卷),2段母线,4组电容器。要求能识别和适应变电站各种运行方式;
8 R* t5 Z3 K% g- N+ Hb)当被控目标母线电压运行值在其允许变动(整定值)范围内时,装置应以控制投切并联电容器组为主,并应防止发生投切振荡;, l2 I; |# U4 @5 ~
c)当被控主变压器无功负荷小于与该主变压器相连母线上每组电容器容量(或整定值)时,装置应以控制调节主变压器有载调压分接开关位置为主;) W- Y# B( u/ a5 t( B- p$ S
d)当被控母线电压运行值超过允许变动(整定值)范围,而主变压器有载调压分接开关位置已处在上限(或下限)时,装置应利用电容器组的调压作用,对电容器组实行强投或强切调节控制;
, w( K! k1 r/ d$ k" a e) 控制装置应能与多种有载调压调压机构相配合,能正确识别变压器分接头档位和保证变压器分接头调节每次只调一档,如果发生连调故障则发分接头调节急停动作,将调节机构的供电回路断开;% g7 S4 L% [, c8 m0 H! V  Y  c8 n
f) 对于电容器组,应每次只投或切一组。为使各组电容器的运行时间均衡,电容器组的投切应实行轮换原则,既最早投入的最先切除,最先切除的最先投入。通过手动操作投切的电容器组也应参与轮换排队;
* U" Q* y2 s. H/ qg)应设置RS-232和RS-485/422通讯串口与变电站综合自动化系统或其他设备进行通讯。
; w$ ~: T! s- t' w; b" i
8 K8 g& W- v. a&#61557;        5 . 4    电压无功综合控制策略
6 u* X4 f# U( e在电压无功控制中,最常用的是九区图及其改进算法。由于基本九区图控制算法存在许多不足之处,在此基础上提出了许多改进算法,如基于专家系统的控制算法、基于神经网络的控制算法、基于模糊控制理论的控制算法以及十一区图或十七区图控制算法等。基本九区图算法虽然控制性能较差(电压越线边界固定),但它原理清晰、便于实现(可用单片机实现)。而基于人工智能的九区图算法虽然控制性能好,但它加入复杂的控制算法(如神经网络、模糊推理等),使得调压控制算法的实现变得比较复杂,一般不能在硬件装置中实现,只能通过软件来实现。' }1 l9 [" W  P1 m% G
然而专家系统、神经网络、模糊推理等人工智能方法,虽然它们都有自己的优点,但只能解决某些方面的问题,并且算法复杂,较难控制,在配电系统中一般不采用,因此我选用十一区图控制算法。" _* X/ \0 ^; S0 R. @
从控制理论的观点来看,变电站电压无功控制系统是一个多输入、多输出的闭环自动控制系统。对于该系统,控制目标为:电压合格率最高和网损最小,约束条件有:变压器档位限制,电容器组数的限制。一般来说,根据控制目标函数、约束条件和状态方程就可以确定控制规律,但对于本系统,不是所有的条件都有精确的解析描述,所以只能寻找满足工程需要的控制规律。对于本系统,输出的控制变量有两个,即调节变压器分接头和投切并联电容器组,其对变电站电压无功的影响见表5—1:. x# L% m6 c9 ~3 s7 o
2 K' |+ J$ ~6 C
表   5 - 1" ?* g3 E  m9 U! Y2 V6 r, z- g
      动作类型             电压、无功变化
" J" m# M) e# S& L+ K3 a调分接头升压        电压升高,无功增加2 ?% A% L# y! {9 S) V7 H4 z* @( V
调分接头降压        电压降低,无功减少. V. o- x! [& S$ g" p+ V
      投电容器组        电压升高,无功减少; G; Z5 H) R, m
      切电容器        电压降低,无功增加5 h* O. z, ?* \$ Y7 r5 ?
       $ r3 v- Q# ?9 I6 O9 U' {) T
本电压无功综合控制装置的控制策略如下图:
$ k5 ]& a6 G! c8 j: t1 g* h# O    U
' W. w! U8 y+ V3 M- {                 Q
8 Z3 ~% i' a/ Q9 U- n1 n
, B9 h1 H: H% p, E; L& J图 5 - 2  十一 区 无 功 控 制 策 略 
4 _6 ?7 A: _$ K' R- C9 u  0区:电压、无功均合格,不动作;$ @) H2 X% l7 R! }* V# {
  1区:电压越下极限,系统无功偏低,调分接头升压,备用方案为投入电容器;( Q" m3 i8 R6 S$ T6 ^/ a/ Y
  2区:电压越下极限,无功合格,调分接头升压或投入电容器;
4 ?) H6 G& r" ~1 F, E! i7 h  3 区:电压越下极限,系统无功偏高,投入电容器,备选方案为调分接头升压;7 r3 e4 E  I$ |6 U2 |1 l- Q
  4 区:电压越下限,系统无功偏低,调分接头升压,备用方案为退出电容器;
" r8 B  v# e) L" a4 P7 F; R9 f  5 区:电压合格,系统无功偏低,切除电容器组;
& H- }. i) J! k, O3 m4 b4 _  a  6 区:电压合格,系统无功偏高,投入电容器组;" _3 _# K+ C" H* J, a$ [
  7 区:电压越上限,系统无功偏高,调分接头降压,备选方案为投入电容器;
, z, I4 }: P/ \1 J* E1 c4 w  8 区:电压越上极限,系统无功偏低,退出电容器,备选方案为调分接头降压;
) g( @" a. a$ [- r  9 区:电压越上限,无功合格,调分接头降压;
* B# ]% j- K7 m# e+ `8 u  10 区:电压越上极限,系统无功偏高,调分接头降压,备选方案为退出电容器。* w7 U+ }8 u0 @. O* F
采用该控制算法,不仅可以提高电压合格率,还可以减少装置的动作次数,从而有效地保护了变压器分接开关和控制电容器的真空断路器。- d, H" h. ?+ ^/ Y0 B- G! e1 \: q

0 z3 v. D  W7 \7 m% M& }
% n: g( }( S4 e6 ^
/ V5 {3 C# ~6 o# t( e) A第六章  电压无功综合监控装置的整体设计1 E" a% N, t7 G" n4 y3 h1 W. t
一、        装置的基本原理和框图
. D: l- j% ^1 }6 [3 ]( |电压无功综合控制装置是以工控机作为前台机,通过光纤连接到后台pc机,进行过电压在线监测和电压质量的控制。监测方面,采用advantech的pcl-1800高速数据采集卡,每通道采样速率可达10kHz,完全满足电力系统内过电压监测的需求,并提供20个周期的录波,和谐波分析。控制方面,通过检测电压和功率因数的变化,以11区控制为策略,根据数据变化的情况,确定所在的区间,发出控制指令,来调节变压器的分接头或通过真空断路器投切电容器,使电压满足条件,而功率因数保持最佳的值,避免过补偿或欠补偿的不合理运行状态。其框图如下:% X; Z7 [; [! O* X" T

& {$ s8 A, r0 b0 H+ g0 k# ]) G3 A% k* u0 W, v# V/ B0 I  d; n
一次母线
/ ?! M6 g3 S) \, M: b0 u( Z                   负载/ {" @8 E) p# i$ v; V% K

% [- u, K$ g1 y! N# d0 u               无功补偿母线. D2 B" Y# J- M  k
                                                   ……0 s; S4 Q: D) r* u0 X( j
        3 e1 w( E0 U! z

" Y% M7 ~( ]/ L7 [: _. d
  f5 Z% J! l3 U  t# e( R! g+ ~% L8 W' v
                                                          ……                                                                       & L1 Y1 [7 r+ C8 i; ]+ H7 \$ H! @* [

3 c2 |, y2 u7 d6 e- B/ c3 c9 q5 X
3 P2 Z; y1 ^; h4 f4 o- e4 K# Q; `1 {4 Q# V3 S. @7 }' U0 G
                                              
- e4 r/ y/ j+ m) \  q0 ?2 q  
" b# B+ l8 M/ L# J! N4 Y5 y  }" U- D7 d6 F2 ~6 V

; b6 o3 P, o4 L5 j2 V- _' c! I          图 6-1  电压无功综合监控框图  & v/ T9 ^8 _  b8 N1 J' c
二、        本装置的工作过程
* m/ `' f4 B, S0 c9 j  H1 }1 s0 ^本监控装置的原理如下,一次母线上的电压信号经过主变压器以后,送到电容分压器,该分压器暂态响应特性好,体积小,接线便利,在系统额定电压下输出电压峰值为20 V。然后将该信号经100/3.5 V电压传感器降低并隔离,再送至PCL—1800数据采集卡,开机后,数据采集卡不断轮采8路信号,每路信号数据刷新保留2个工频周期时间的数据,并以此为标准设定基准值以实时监测系统电压变化。当某一电压信号大于预设电压数值(该装置取1.5倍的基准值)时,前台机将过电压数据(过电压前2个周期的缓存数据和后续的18个工频周期数据)通过计算机RS—232串口输出。考虑前后台机的距离可能较远,在输出口装设一个RS-232/RS-485总线转换器,然后数据信号经屏蔽电缆或光纤送至后台机上接的另一个RS-232/ RS-485转换器,进入后台机的数据管理系统。同时,该部分还负责接收后台机发送的命令字符,具有双向传输功能。
7 I. O& ~* H: S9 e. @此外,在前台机的程序中还有一中断处理模块负责监控串口。收到从后台机发送来的电压采集信号后即将缓存区2个周期及后续的18个周期的数据一起经串口发送到后台机。为有效监控过电压,这部分数据处理优先级低于过电压动作的优先级。中断方式发送数据确保发送数据时不影响监测后续电压信号。每批数据有8个通道,持续20个工频周期,每周期采集200点共形成32000个整形数据,数据传送的波特率为9600 bit/s,发送一批数据需要2- 3 min。
+ w1 X7 q, o4 o8 f! N2 t后台机负责接收由前台机发送来的数据,并以文件形式存盘,保存于已创建的数据库中。用户可以从数据库中方便地提取数据,并观察由程序自动生成的波形及一些过电压信息,如过电压产生的时间、最大值、过电压倍数等。为了便于观察与比较,用户还可以方便地在一个窗口界面上观看多通道波形图,也可以只观看单通道波形图。对于正常的电压数据,程序还可进行谐波分析,得到50次谐波含量和总的谐波畸变率。( t- n0 I7 h/ R3 x3 p& v% k5 ]
本装置在测量过电压的同时还有另一个功能就是可以测量功率因数。将电流、电压信号送入工控机,采用过零比较法,当两者瞬时值乘积为负时说明有一路信号已经过零,记下该采样数为y。继续采样,当两者的乘积为正时,说明另一路信号也已经过零,用此时的采样数x 减去y,该差值乘于采样周期0.1ms (采样频率为10kHz)即得到电压与电流的相角差所对应的时间。而工频为50赫兹,通过转化就可以得到相角差 ,再取余弦即为功率因数,无功功率为Q=UIsin .部分程序如下:
& I: ?6 C# Z" E2 n4 \2 w6 Mvoid main()
' H6 ]" \- \+ M{) [6 W0 {) h6 _0 j: n+ V% H
  int z,value,number,i,j,temp[1600];
8 h0 W/ @, p% P/ g' |  int far  *tempaddr[8];
& `% U5 g0 {8 z$ q" d* ?  int count[8],max1[8];8 G) o. O$ q- R: W/ U5 o0 ?/ c- q( A
  for(int q1=0;q1<3;q1++)+ \5 V/ Z% O/ }* C/ r
  {5 w" C: _4 Y+ U  }. j9 s  o& {
    for(int q=0;q<=7;q++)
( o; y! S* N: o5 W- W. `% {2 c7 s    {
, W' c& B( e( B# h! ^7 e      if((Buffer[q1][q]=(charfar*)farcalloc(20*1024,sizeof(char)))==NULL)0 ~3 Z# p: f2 f" \& O( L
                  printf("Insufficent memory");
8 z: I, R$ {& B" }' \, h. U: u      read[q1][q]=write[q1][q]=0; $ E8 h! ]! z: e5 [& G2 t" k& m
          read2[q1][q]=write2[q1][q]=0;. W5 K) ^1 l8 W; e) w3 [( N
    }
$ o9 q  q$ a6 g$ v3 u% A  }3 x0 S$ Y6 m+ c& q$ D
  if((pointarray[0]= (int far *)farcalloc(3200,sizeof(int)))==NULL) printf("pointarray allot invalid\n"); ) D$ [$ q" n+ q( W
8 @* n+ s! n+ K2 e
  pointarray[1]=pointarray[0]+400;
& S% ], W5 J9 [! A! d# ~$ S' W! k  pointarray[2]=pointarray[0]+800;) c, a- I. }$ {
  pointarray[3]=pointarray[0]+1200;8 C7 T1 `/ q0 G& J; i
  pointarray[4]=pointarray[0]+1600;# H# W; T# o" b8 N0 s
  pointarray[5]=pointarray[0]+2000;
+ `7 X- h9 ?% f6 Q0 x  V* k- `. P  pointarray[6]=pointarray[0]+2400;7 e3 }+ N! S, d( _. q& _; C4 V  ^( J
  pointarray[7]=pointarray[0]+2800; 7 U' S7 f6 E; r4 O' a  T3 ]1 }' X
  for(i=0;i<=7;i++)
1 m) B2 _+ s* X  {
; U8 ]  @! B9 Z    tempaddr=pointarray; 1 Z4 l) u1 L9 X
   // printf("pointarray[%d]=%Hx;%Hx\n",i,FP_SEG(pointarray),FP_OFF(pointarray));, @- c/ s% n- v3 H0 n- C- d
    count=0;5 g- O& {' [* s, e+ z% \! l  l
    max=0;# ~6 y* c4 A% ?1 v
    max1=0;
6 F3 L% T  O8 `" z/ ^3 {  }. Z) u8 Q0 ]6 J$ P3 L3 o( a) x
  iniCOM();/ Y5 j* t6 c! [. P" {8 V' w7 [
  pclini();  L0 Q+ g; w/ g
i=0;
" h1 x& E/ ~5 _ while(i<1600)
2 i) o$ I. E2 [& I; z1 R {
/ O# \  o& K# R+ \5 O. F2 W  if((inp(BASE+21)&0x20)==0x00)2 r$ p+ o, B/ Z% |
  {
4 A8 y) X% y& W" T) f9 |' W   temp=inport(BASE+0);
/ |$ g+ p  `8 A   i++;
: D! l5 ]0 f2 j) _5 n% C4 u  }% q, n8 P' C' e2 o5 h: g2 R
}
4 ^" A0 K- u! t4 v( Y9 W outp(BASE+30,0x01);
) j0 ]1 d- X; `) I- r2 i2 r outp(BASE+10,0x01);
9 X3 q9 Z  j: L. N% Y  r& l. P( q for(j=0;j<1600;j++)( e0 F; G$ @+ i
{
* `% S9 z1 n/ y7 ]) a" W4 B5 k2 l   number=temp[j]&0x000f; 3 o) |, q3 R9 w, ^( V  W' D3 n- o
   value=((temp[j]>>4)&0x0fff)-2047;7 \" R7 Z7 Q6 b* K+ t3 e! T7 m
   if(value>max[number])max[number]=value;
* M: ?% @) ^) ~1 E! R1 e }
2 Z8 a7 o. Z9 d for(i=0;i<=7;i++)
5 z  X: c; p1 q" m6 T0 {9 A7 d  f {, M; v3 v% v( _, u& X7 T( t
         fmax=10.0*(float)(max/4095.0);6 j! e' u/ O$ G; d( O
         printf("fmax[%d]=%5.3f\n",i,fmax); * x7 ]  P* I0 n% x/ O
}
- X, P5 i, c- B outp(BASE+10,0x00); * V7 O( e: _0 r" |- s; Q8 O% A8 ]

2 o9 K5 X2 w  p1 dy1: while(!kbhit()); d. d. B5 _6 S+ Z' z: C; |( I
{+ _% w1 F# q, {
i=0;* Y. t! A: q4 ~* P5 i: z
do{
% e% A! F$ N5 }& d5 I+ [2 N- q }while((inp(BASE+21)&0x08)!=0x08); ) r0 r; R3 I/ }: e7 E, D$ Q
while((inp(BASE+21)&0x20)==0x00) $ s! f( G! k( V, P  p: L8 K- M7 m
{6 w- O9 D# v7 L9 g

# Q; I; ~0 z& M* h! A+ c+ \   temp=inport(BASE+0);
. t! C- @  j* X7 d   i++;' H! b* S# A+ n1 W. j
}
: L8 b0 v& D7 I1 n. G
( ^) g* ?) w' C" J for(j=0;j<i;j++)
' x# H3 I; _* v7 K* c  {: H: p- q0 i/ k* q& a2 G
       if((number=temp[j]&0x000f)>7)continue 3 t' X# o# y' g+ ]3 s& n
       value=((temp[j]>>4)&0x0fff)-2047; 7 t8 C6 O/ A$ V+ q6 T* G8 h, L
       *tempaddr[number]=value; 8 i) Y; ^- \: o1 W. g
       if(value>max1[number])max1[number]=value; . P9 T* R6 V& O; p, g( L
       count[number]++;  [7 z: t$ V8 s# p* g" n
       if(count[number]==199)
* w8 m. x$ Y% T5 Q       {
1 `( }# }$ y. N# o6 p0 x# E! v) }         max[number]=max1[number];
* [. }6 |" @/ ^+ l$ g& V         max1[number]=0;
1 N  v0 n& m% m" G3 g: i         count[number]=0;
! O( Q- F# R! o       } 0 z  T* q; `( z" |
       if(((float)*tempaddr[number]>(float)(1.5*max[number])&&(*tempaddr[number]>100))||recom)
1 o" T9 J: L  k4 o% H: z7 H* b7 C       {, i' v+ Y7 O9 O$ t. a; c
                   maxpoint=10*(float)*tempaddr[number]/4095.0;
+ J3 K2 C' G5 U" N: C                   printf("*tempaddr[%d]=%5.3f\n",number,maxpoint);
, t* J( ^% h% n! d      
. ]- h1 O' A7 P: F# a0 e, {        if(blockfull[start]==FALSE)
2 E$ t- M/ h, N% w" {  e6 g        { storedata(start,tempaddr,j,i,temp); 9 H( G+ C; w; W, S! s; {0 e# ?
         while(x<strlen(u)-1)                                                      
6 p, r* _) k, v2 U! b7 h{                                                                         . f7 L4 b/ i, d% N% ?* B# U$ V
if(u[x]*u[x-1]<0)                                                         
/ J* j. r5 K2 E8 F7 B( M: i {                                                                 
# W  F+ `2 G" B% u; |  y=x;                                                         
1 t/ h) H! q7 f  }% ~" `! h* Z+ [6 {; j2 s6 l: M
   if(i[x]*i[x-1]<0)                                                        5 s% y2 F% U' u0 x# I( {1 [' K/ L* k
{
- Z- c. D0 t1 s8 I8 I1 k   a=
8 \/ s4 I( W) C; F  S& Q if (a<180)  : A1 H+ @, m- j. T; e/ P
  {         . j* s9 ~7 `% E1 C
     =a;  ! b1 F/ P% P7 i
}
7 I0 i+ j; u, E. v. I" ~& ^# [if (a>180)  / v( e% H7 _; U) c- s7 s% k
{
- s6 ?5 J' p. s5 `8 u, I+ d   =a-360;6 h7 \4 f/ J/ w% O) C
  }3 u; y6 \1 x- ^% O
break;  
% S( ]7 a: _( n" Z}) c8 [4 a; y3 S6 H1 b1 R0 a
z=cos(  );
9 @  Q! E# b8 M* A* gx++;. B+ l- i- D" T2 S2 m
}1 @$ \& [- i3 v* M
        recom=FALSE;
3 E# Z* S, @1 O2 s9 `2 L" ~- A: i          start++;
# J" n. p2 [. O! e$ x. j          if(start>2)start=0;; N5 A9 n: G, b" H1 B$ \. Z
          for(int k=0;k<=7;k++)  a9 [' y9 ]& E& @0 k
          {+ \+ R) f1 Q* C2 C& [
            count[k]=0;
# u' X* ~' Q( W  k9 O* C. o7 m. {            tempaddr[k]=pointarray[k];
' e8 I& O; @: M/ {9 i          }
- p2 p* W# E$ n: G          goto  y1;
1 u- F) u% y8 v  Z/ x5 X! J  y+ w9 z        }4 T! ]7 E& j$ W  |2 a' l
       }9 l1 H+ x: g3 y1 ^+ a- x5 K
       tempaddr[number]=tempaddr[number]+1;1 e& x' B" r2 P$ h* V& w: I0 C
       if(tempaddr[number]-pointarray[number]>399)tempaddr[number]=pointarray[number];
9 U% ^! \) t. w( K0 O9 x$ G  }7 u1 @. i% ]+ T. q* R  K& L# h% w
}3 u' l' r4 ]! H
commIntDisable();
' f5 U* V* A2 q! B$ q$ l1 \+ c$ S outp(BASE+30,0x01);2 J! u- D" v; t( \
outp(BASE+10,0x01);5 ]- G+ N' {# G/ A
farfree(pointarray[0]);3 g& p$ s7 ~+ H5 e3 R( G7 _
for(int s1=0;s1<=2;s1++)
2 n( F; y9 a4 p  {
  i9 q' a, P) X1 L. T1 u9 Q! N, ~1 R! i    for(int s=0;s<=7;s++)) H$ x4 g! s% q8 E
    {: \. S  t) K- e0 s
      farfree(Buffer[s1]); # c: z/ s& G) y$ h9 Y8 ^; Z: d
    }
) i5 s2 I7 o7 ?  }% K" R3 u8 [. h1 M9 I
}      $ x4 r; _+ C8 p) n5 ?* N. q
通过检测电压和无功功率的变化,以11区控制为策略,确定电压调整方案,发出控制指令,来调节变压器的分接头或通过真空断路器投切电容器,使电压满足条件,而功率因数保持最佳的值,避免过补偿或欠补偿的不合理运行状态。
2 [0 N6 |. X+ n& ~" `- d: {% A  z为了防止电容器因为干扰而频繁动作,我们没有立即根据所采集到的电压、功率因数而作出判断,而是延时一段时间(比如几秒钟),等到系统电压和功率因数变化趋于稳定后再发出动作与否的信号。另外当被控主变压器无功负荷小于与该主变压器相连母线上的每组电容器容量时,装置应以调节主变压器有载调压分接开关位置为主,以防止投切震荡。既要根据电压、无功选择电容器投入或切除的组数,又要兼顾电容器动作的次数,防止有的电容器组已经动作多次,有的还没有动作。这样会缩短频繁动作的断路器的使用寿命,降低设备的利用效率。所以可以通过顺序置位和复位的操作,使每组电容器在一个循环操作中都只有一次动作的机会。例如有六组电容器,因为功率因数偏低,系统所需无功较多,所以投入了第一、二、三组电容器。后来系统经过一个时间段以后,系统所需无功变少,功率因数偏高,则切除了第一、二组电容器。后又因为感性负载增多,无功损耗加大,需要投入一组电容器,考虑到第一、二、三组电容器已经动作,而第四、五、六组电容器尚未动作一次,故应投入第四组而不是第一组电容器。在切除一组电容器后,为了防止电容器的电压过高时重新投入,则应经过一个时间段,以保证电容器上的剩余压降降至50伏以下。$ F( M% F" m& X1 F

0 S* B! x. v3 h5 r2 e( N3 T
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: {  ]( ~' `  M                    结    论" p! d) u( Q2 A' s. q+ n" S! ]
通过上述对系统电压的分析,以及对电压质量在线监测与控制装置的设计与实际调试的检验,可以得到以下结论:) _3 f( ^" V1 f& {6 r  q7 s, ?, u
1. 10kV系统可能发生的内过电压幅值一般不超过5.0倍。频率范围一般在0~2000HZ之间。8 N7 C& }4 ~. Y: J- t2 L" j
2. 针对10kV系统内电压波动的特点,提出了电压质量监测与控制装置的整体设计方案。
* n1 A) ^4 l0 m$ H3. 监测装置由高压分压器、过电压信号采集与处理、数据传输、数据计算机处理四部分组成。装置可同时监测系统8路电压信号,并形成相应的数据文件储存于计算机中,供显示或打印波形用。
. t6 M, h3 Q2 ?4. 控制部分通过检测电压和无功功率的变化,以11区控制为策略,确定电压调整方案,发出控制指令,来调节变压器的分接头或通过真空断路器投切电容器,使电压满足条件。, f9 F! T9 }4 ^6 @+ i
5. 装置选用硬件设备优良,工作十分稳定,抗干扰能力强,能长时间可靠的运行。
' N) K0 E( ?# t. o% a$ K6. 装置的采样速率高,能精确的记录各种内过电压波形,能够完整地反映出系统的波形。8 g- w2 q4 D) ]' Q- v+ L; ?: s
7. 测量系统分析软件的工作平台为Window9x,操作方便,人机界面友好。7 M. I1 P3 T( p! Z1 y
8. 当被控目标母线电压运行值在其允许变动(整定值)范围内时,装置应以控制投切并联电容器组为主,并应防止发生投切振荡。" N- @& c& p& h0 b: Y
9. 当被控主变压器无功负荷小于与该主变压器相连母线上每组电容器容量(或整定值)时,装置应以控制调节主变压器有载调压分接开关位置为主。9 \2 U3 Y) K( }$ O. z* ^3 i
10 控制装置应能与多种有载调压调压机构相配合,能正确识别变压器分接头档位和保证变压器分接头调节每次只调一档,如果发生连调故障则发分接头调节急停动作,将调节机构的供电回路断开。2 d+ `& q% O) e* N5 y
11. 对于电容器组,应每次只投或切一组。为使各组电容器的运行时间均衡,电容器组的投切应实行轮换原则,既最早投入的最先切除,最先切除的最先投入。通过手动操作投切的电容器组也应参与轮换排队。
3 M$ H  K' L) X2 [2 \
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* X6 S, U; ^6 o
# Y) m- b3 Y0 N5 n/ S5 Q2 L+ G
参 考 文 献( s6 u/ |4 b7 d6 d: e
[1]王世一  数字信号处理     北京理工大学出版社,   1999
9 q/ b1 W+ o  ?! N# y4 f7 E- ?0 K[2]许业清   实用无功功率补偿技术  中国科学技术大学出版社. 1998 7 q! }# U2 V; m! a* A7 ~
[3]方瑜.   配电网过电压.北京:   中国电力出版社      19936 ^6 s! ]  ]" u6 Z4 \! A
[4]杨秀、鲁铁成   10kV配电网内过电压在线监测装置的研制  华东电力 2001.5
! D/ j  C2 y  F$ v[5]何仰赞、温增银    电力系统分析   华中科技大学出版社   2002
& |5 v6 ^- r: Y[6]包大恩、鲁铁成、吴高林  配电网电压质量在线监测装置的研制  高电压技术 2002.10( I, i& N6 l# d# j; d" k% _
[7]BatesJ,TompkinsT,石祥生等译.   VisualC++6.0使用指南  北京:电子工业出版社,2000
5 i# T! g; J3 z& e; j[8]刘建强、陈刚   配电网四种无功补偿技术方案比较    电力电容器    2003.3
, l* n. Q) U. }2 G7 J1 A[9]严浩军   变电站电压无功综合自动控制问题探讨      电网技术      2000.7
- T% m; i* a8 |' R8 i! u: z [10 ] 夏文雄、刘勇、赵鸿    配电网电压控制方案的探讨   广东电力      2002.8
8 z! n8 o  Z) t- _* a [11 ] 台湾研华公司  PCL—1800高速数据采集卡用户手册   2002
2 Y+ F9 l( r. B0 ]- F4 \& X. G [12 ] 谭浩强   C语言程序设计     清华大学出版社    1999
. Y+ z0 `" u1 f( z3 v' J( K [13] 解广润    电力系统过电压   水利电力出版社     1985
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发表于 2008-6-22 23:08:48 | 显示全部楼层
楼主全贴出来了呀~~~~~~~~~~~~
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发表于 2008-6-29 11:55:17 | 显示全部楼层
省钱了,呵呵。本来就缺下载量。
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发表于 2008-7-2 18:44:59 | 显示全部楼层

回复 3楼 haibei 的帖子

好东西,谢谢分享
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    真是够辛苦的,不知道有没人看
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    发表于 2008-7-9 23:40:57 | 显示全部楼层
    楼主都贴出来了~好文章,学到了不少东西,虽然有些地方看不懂,意思大概明白
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    发表于 2008-7-13 15:51:47 | 显示全部楼层
    做了不少工作,感谢楼主无私分享1
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    发表于 2009-1-13 00:38:05 | 显示全部楼层
    佩服!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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    发表于 2010-9-9 21:03:26 | 显示全部楼层
    感谢楼主无私分享1
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    发表于 2011-7-27 11:40:35 | 显示全部楼层
    感谢楼主的无私分享。
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