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摘 要 在解决电力无功补偿的设计方案中，有源电力滤波器（APF）采取了较为理想的无功补偿方法，对变化的无功以及频率、大小均变化的谐波都能够补偿。本文在研究解决电网谐波和无功补偿的智能有源电力滤波器原理的基础上，探究自动化监控技术，通过选用高性能DSP芯片作为控制核心，辅以信号采集子系统及显示等其他外围子系统等，最终完成电网监控与高次谐波和无功功率补偿，并实时地把反应电网系统运行状况的信息参数等显示在LCD上，系统运维人员通过键盘来完成人机交互，达到对电网系统实时监控的目的，通过对故障报警及通信保证了系统运行的安全与可靠性。
关键词 电力系统自动化；无功补偿；监控技术；有源滤波器
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0059-02
1 无功补偿在电力系统中的应用
在电网系统中，早期应用较多的是传统无源补偿装置。随着社会的发展，对电力的需求不断增加，电网传输所承受的压力呈现指数级增大，这种传统的装置已经不能满足当前电力系统对谐波以及无功功率进行快速动态补偿的要求。有源电力滤波器是一种新型电力电子装置，在电网系统中主要用于动态抑制谐波、补偿无功，实时补偿无功功率分量，抑制频率及大小均不断变化的谐波，在电力滤波技术领域得到快速的发展。
有源电力滤波器作为主动型电力电子补偿装置，其动态性、实时性能较好，可以实时、有效地对电网产生影响的谐波源进行抑制。下图1是电力有源滤波器的总体框架图。
依据滤波器接入电网的方式，可以把有源电力滤波器分为三类：串联、并联以及混合型。串联型滤波器可以等效为一个受控的电压源，通常用来消除电网系统运行中对敏感负载所产生的影响，主要包括：系统侧电压谐波、电压型谐波、电压波动。由于串联型有源电力滤波器相比并联型，具有较大的损耗，并且各种保护电路相对复杂，在工程实践中很少得到研究应用。在大多数电网系统构建设计中，通常运用混联型或者并联型，而串联型滤波器只是作为混合型的一部分。混联型的有源滤波器电路结构如下图2所示。
在混合型有源电力滤波器中，进行无功补偿的任务，主要依靠使用具有较大容量的无源L-C滤波网络来承担。完成消除低次谐波，大大降低有源滤波器的额定电压及电流值，而这种混合型方式的滤波器只能针对具有特定负荷的供电网络进行补偿，遇到电网系统负荷运行变化比较大的情况，就难以达到较好补偿的要求。并联型的有源滤波器电路结构如下图3所示。
并联型有源滤波器的技术较为成熟，具有较好的抑制谐波，进行无功补偿。在电网系统的构建中得到充分的研究，在工程实践中也得到较为广泛的应用，主要完成的应用场景包括：进行无功补偿、抵消电流源型非线性负载的谐波电流、平衡三相系统中的不平衡电流等。
2 无功补偿的原理
把电流I分解为及两个分量，分量的相位与电压U的相位相差90°，这就导致了无功功率的产生。为了补偿掉无功功率，由上图分析可知，需要在系统中产生一个与之具有相位相反的电流。在自动化电网系统监控中，首先进行监控数据的采集，并通过信号采集模块把采集的模拟数据信号进行A/D转换，然后进行FFT分解，从而得出基波电流分量，最终完成对无功功率分量的补偿。
3 自动化监控的主要技术环节
1）数据采集。监控系统设计中，对电网数据的采集是第一步，通过常规数据采集装置进行采集，包括反映电网运行状况的信息数据、告警及故障相关参数数据，即现场所有状态量、脉冲及模拟量，通过保护装置对保护动作信息、定值信息、运行及故障信息等。状态量数据主要包括：隔离开关、接地刀闸、断路器状态信息以及变压器分接头位置等。通过双位置接点对较为重要的状态量进行采集，即采用00、11分别表示两个状态，以确保能够精确无误地反映断路器的位置信息，防止由于继电器触点抖动或者失效引起误报。模拟量采集：对多段进、出线回路电流及功率、母线电压进行采样；目前电量采样参数在电力自动化监控系统中均通过交流采样，直接采集由电压、电流互感器产生的交流参数。脉冲量采集：主要是采集继电保护数据，包括对保护状态、动作信号、定值等脉冲数据的采集。
2）操作与控制闭锁。控制闭锁主要包含：出口具有跳、合闭锁功能，屏幕控制以及并发性控制闭锁的功能；依据实时上报的监控数据信息，可对断路器及隔离开关的分、合进行远程控制，调节操作变压器分接头，切换电容器组，以实现对断路器、刀闸操作闭锁功能。
3）事件记录以及故障录波。通常可以依据电力系统工程现场的实际需求，由两种可选方式来实现开关跳合、保护动作采样序列记录，对高电压变电站故障录波，对低电压变电站给出故障报告。①由微机保护装置同时进行测距计算与记录，然后把测距结果以及处理后的数字化波形传送到实时监控系统，由监控系统完成对数据的存储和打印的波形；②配备专用微机录波器，完成故障记录，确保与监控系统保持通讯畅通。
4）与远程调度控制中心通信。把采集的状态量、数字量、故障录波及其他继电保护信息实时地传输到调度控制中心，同时接受调度控制中心修改继电保护定值、调节与控制命令。
4 自动化监控系统关键设计
有源电力滤波器作为新型电力电子元器件装置快速发展，能够动态抑制电力系统产生的供电谐波、补偿无功功率，在电力工程实践中得到广泛应用。在自动化监控系统中，硬件设计部分作为系统的基础和框架，布局合理性、运行性能及稳定性、参数设置匹配度等直接对整个系统运行及监控效果产生影响。良好硬件电路是实现系统基本功能的前提，同时对后期系统的改造、效率提升等性能优化方面起到至关重要的作用。
监控系统的工作流程：通过数据采集模块对电压及电流信号进行采集，然后把这些带有电网运行信息的模拟信号数据传输到控制核心A/D采样端口，对信号进行数据处理，主要包括：A/D变换、FFT频谱分析等，计算主要高次谐相位、幅值，计算出基波的无功电流值。同时产生控制信号，驱动智能功率模块产生补偿电压信号，确保所产生的信号与原有各高次谐波等频率、等幅值，相位相差180度，将这种三相补偿电压信号反馈到电网系统，并补偿无功功率。监控系统显示模块对电网运行参数进行实时显示，运维人员可以通过键盘实现与系统的交互功能。通过报警模块实现故障报警功能，通过通信模块确保监控系统与远程PC机的信息畅通。 控制核心部分。由于自动化监控系统要确保电网运行远控的实时性，所要采集与处理大量现场数据，对信号传输的速度要求高，且需要完成对较多外围设备的管理工作。系统设计时控制核心要选用高端数字信号处理器，这类处理器集微控制器与高性能DSP功能与一身，具有强大的信号处理和控制能力，能够实现较为复杂的控制算法，从而实现对电力运行监控的实时性目标。
数据采集部分。为了消除电网运行中产生的主要谐波，同时补偿无功功率，要实时采集、传输原始电网信号，以获得各次高次谐波以及无功功率信息。数据采集主要包括：数据采样、数据变换、数据处理。由于被测信号通过传感器进入系统后，输出信号的电压范围为-5 V～+5 V，需要进行信号预处理，主要进行电平提升及比例调整，再通过精确的时序控制捕捉过零，以满足DSP的0 V～3 V的采样要求；由于采集的模拟信号通过ADC转换，产生增益误差或者非线性误差，需要进行数据分析与校正，然后对采样值进行FFT频谱分析，数字滤波等运算，将数据结果保存或输出到下一流程模块。
5 结束语
电力工程中通常采用的抑制谐波和无功补偿方法包括：安装隔离变压器、有源的谐波调节器、谐波滤波器。由于装置隔离变压器对系统整体的改动较大，而往往采用有源滤波器（APF）和谐波滤波器两种方案。由于传统的谐波抑制和无功补偿无源滤波技术存在一些难以克服的缺点，如只能对特定谐波进行滤波、对谐波次数常变化的负载滤波效果不好等，在电力系统自动化监控等大型工程项目的建设中，采用有源滤波器动态抑制谐波的装置，以达到较好地抑制谐波、进行无功补偿的目的。
参考文献
[1]孟祥忠，等.变电站微机监控与保护技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]张惠刚，等.变电站综合自动化原理及系统[M].北京：中国电力出版社，2004.
[3]程景伟.基于DSP的智能有源电力滤波器在电气化铁道中的应用[D].上海：上海交通大学，2007.
[4]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[5]陈志高.电网智能监控与电力有源滤波器关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2007.
作者简介
于庆武，男，北京人，广电总局中央广播电视塔高级工程师。
关键词 电力系统自动化；无功补偿；监控技术；有源滤波器
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0059-02
1 无功补偿在电力系统中的应用
在电网系统中，早期应用较多的是传统无源补偿装置。随着社会的发展，对电力的需求不断增加，电网传输所承受的压力呈现指数级增大，这种传统的装置已经不能满足当前电力系统对谐波以及无功功率进行快速动态补偿的要求。有源电力滤波器是一种新型电力电子装置，在电网系统中主要用于动态抑制谐波、补偿无功，实时补偿无功功率分量，抑制频率及大小均不断变化的谐波，在电力滤波技术领域得到快速的发展。
有源电力滤波器作为主动型电力电子补偿装置，其动态性、实时性能较好，可以实时、有效地对电网产生影响的谐波源进行抑制。下图1是电力有源滤波器的总体框架图。
依据滤波器接入电网的方式，可以把有源电力滤波器分为三类：串联、并联以及混合型。串联型滤波器可以等效为一个受控的电压源，通常用来消除电网系统运行中对敏感负载所产生的影响，主要包括：系统侧电压谐波、电压型谐波、电压波动。由于串联型有源电力滤波器相比并联型，具有较大的损耗，并且各种保护电路相对复杂，在工程实践中很少得到研究应用。在大多数电网系统构建设计中，通常运用混联型或者并联型，而串联型滤波器只是作为混合型的一部分。混联型的有源滤波器电路结构如下图2所示。
在混合型有源电力滤波器中，进行无功补偿的任务，主要依靠使用具有较大容量的无源L-C滤波网络来承担。完成消除低次谐波，大大降低有源滤波器的额定电压及电流值，而这种混合型方式的滤波器只能针对具有特定负荷的供电网络进行补偿，遇到电网系统负荷运行变化比较大的情况，就难以达到较好补偿的要求。并联型的有源滤波器电路结构如下图3所示。
并联型有源滤波器的技术较为成熟，具有较好的抑制谐波，进行无功补偿。在电网系统的构建中得到充分的研究，在工程实践中也得到较为广泛的应用，主要完成的应用场景包括：进行无功补偿、抵消电流源型非线性负载的谐波电流、平衡三相系统中的不平衡电流等。
2 无功补偿的原理
把电流I分解为及两个分量，分量的相位与电压U的相位相差90°，这就导致了无功功率的产生。为了补偿掉无功功率，由上图分析可知，需要在系统中产生一个与之具有相位相反的电流。在自动化电网系统监控中，首先进行监控数据的采集，并通过信号采集模块把采集的模拟数据信号进行A/D转换，然后进行FFT分解，从而得出基波电流分量，最终完成对无功功率分量的补偿。
3 自动化监控的主要技术环节
1）数据采集。监控系统设计中，对电网数据的采集是第一步，通过常规数据采集装置进行采集，包括反映电网运行状况的信息数据、告警及故障相关参数数据，即现场所有状态量、脉冲及模拟量，通过保护装置对保护动作信息、定值信息、运行及故障信息等。状态量数据主要包括：隔离开关、接地刀闸、断路器状态信息以及变压器分接头位置等。通过双位置接点对较为重要的状态量进行采集，即采用00、11分别表示两个状态，以确保能够精确无误地反映断路器的位置信息，防止由于继电器触点抖动或者失效引起误报。模拟量采集：对多段进、出线回路电流及功率、母线电压进行采样；目前电量采样参数在电力自动化监控系统中均通过交流采样，直接采集由电压、电流互感器产生的交流参数。脉冲量采集：主要是采集继电保护数据，包括对保护状态、动作信号、定值等脉冲数据的采集。
2）操作与控制闭锁。控制闭锁主要包含：出口具有跳、合闭锁功能，屏幕控制以及并发性控制闭锁的功能；依据实时上报的监控数据信息，可对断路器及隔离开关的分、合进行远程控制，调节操作变压器分接头，切换电容器组，以实现对断路器、刀闸操作闭锁功能。
3）事件记录以及故障录波。通常可以依据电力系统工程现场的实际需求，由两种可选方式来实现开关跳合、保护动作采样序列记录，对高电压变电站故障录波，对低电压变电站给出故障报告。①由微机保护装置同时进行测距计算与记录，然后把测距结果以及处理后的数字化波形传送到实时监控系统，由监控系统完成对数据的存储和打印的波形；②配备专用微机录波器，完成故障记录，确保与监控系统保持通讯畅通。
4）与远程调度控制中心通信。把采集的状态量、数字量、故障录波及其他继电保护信息实时地传输到调度控制中心，同时接受调度控制中心修改继电保护定值、调节与控制命令。
4 自动化监控系统关键设计
有源电力滤波器作为新型电力电子元器件装置快速发展，能够动态抑制电力系统产生的供电谐波、补偿无功功率，在电力工程实践中得到广泛应用。在自动化监控系统中，硬件设计部分作为系统的基础和框架，布局合理性、运行性能及稳定性、参数设置匹配度等直接对整个系统运行及监控效果产生影响。良好硬件电路是实现系统基本功能的前提，同时对后期系统的改造、效率提升等性能优化方面起到至关重要的作用。
监控系统的工作流程：通过数据采集模块对电压及电流信号进行采集，然后把这些带有电网运行信息的模拟信号数据传输到控制核心A/D采样端口，对信号进行数据处理，主要包括：A/D变换、FFT频谱分析等，计算主要高次谐相位、幅值，计算出基波的无功电流值。同时产生控制信号，驱动智能功率模块产生补偿电压信号，确保所产生的信号与原有各高次谐波等频率、等幅值，相位相差180度，将这种三相补偿电压信号反馈到电网系统，并补偿无功功率。监控系统显示模块对电网运行参数进行实时显示，运维人员可以通过键盘实现与系统的交互功能。通过报警模块实现故障报警功能，通过通信模块确保监控系统与远程PC机的信息畅通。 控制核心部分。由于自动化监控系统要确保电网运行远控的实时性，所要采集与处理大量现场数据，对信号传输的速度要求高，且需要完成对较多外围设备的管理工作。系统设计时控制核心要选用高端数字信号处理器，这类处理器集微控制器与高性能DSP功能与一身，具有强大的信号处理和控制能力，能够实现较为复杂的控制算法，从而实现对电力运行监控的实时性目标。
数据采集部分。为了消除电网运行中产生的主要谐波，同时补偿无功功率，要实时采集、传输原始电网信号，以获得各次高次谐波以及无功功率信息。数据采集主要包括：数据采样、数据变换、数据处理。由于被测信号通过传感器进入系统后，输出信号的电压范围为-5 V～+5 V，需要进行信号预处理，主要进行电平提升及比例调整，再通过精确的时序控制捕捉过零，以满足DSP的0 V～3 V的采样要求；由于采集的模拟信号通过ADC转换，产生增益误差或者非线性误差，需要进行数据分析与校正，然后对采样值进行FFT频谱分析，数字滤波等运算，将数据结果保存或输出到下一流程模块。
5 结束语
电力工程中通常采用的抑制谐波和无功补偿方法包括：安装隔离变压器、有源的谐波调节器、谐波滤波器。由于装置隔离变压器对系统整体的改动较大，而往往采用有源滤波器（APF）和谐波滤波器两种方案。由于传统的谐波抑制和无功补偿无源滤波技术存在一些难以克服的缺点，如只能对特定谐波进行滤波、对谐波次数常变化的负载滤波效果不好等，在电力系统自动化监控等大型工程项目的建设中，采用有源滤波器动态抑制谐波的装置，以达到较好地抑制谐波、进行无功补偿的目的。
参考文献
[1]孟祥忠，等.变电站微机监控与保护技术[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2]张惠刚，等.变电站综合自动化原理及系统[M].北京：中国电力出版社，2004.
[3]程景伟.基于DSP的智能有源电力滤波器在电气化铁道中的应用[D].上海：上海交通大学，2007.
[4]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[5]陈志高.电网智能监控与电力有源滤波器关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2007.
作者简介
于庆武，男，北京人，广电总局中央广播电视塔高级工程师。