并联补偿电容器组的正常运行对于保证电压质量、提高电力系统运行的稳定性和安全性、降低网损具有重要意义。然而，随着非线性负荷比例的增大，系统中谐波含量增加，对各种电气设备尤其是并联补偿电容器组的正常、安全运行带来严重影响。无功补偿电容器在电网中可能引起谐波谐振，造成谐波电流放大。谐波会使电容器组的运行条件恶化，绝缘老化加快，电容器寿命缩短和损坏。有关资料表明，谐波是目前系统中使相当一部分并补电容器不能正常投运的主要原因，它使电容器损坏的比例约占电容器总损坏数的40％以上，是电力系统实现无功补偿和电压调整的主要障碍之一。
　　目前，抑制谐波的一种技术上和经济上合理可行的方法是，在接近谐波源负荷的变电站低压侧装设L－C交流滤波器。谐波滤波器兼顾滤波和无功补偿两大功能，并和无功补偿电容器组并联运行。于是，在这些装设有滤波器的变电站，其电压无功控制必须和滤波器控制结合起来考虑^［1］。滤波器要达到最佳滤波效果，其投切应根据现场实时检测到的谐波含量来决定^［2］。此外，常规保护及一般的计算机保护均不能正确反映谐波电量的作用^［3］，这对于工作在谐波环境中的滤波器、电容器组是不适合的，必须加以改进。
　　为此，研制了一种微机型变电站谐波滤波及电压无功综合控制装置。该装置集谐波实时测量、滤波器及电容投切控制、滤波器及电容器保护、变压器分接头调整等功能于一体，通用性强、可靠性高、成本低。该装置经动模试验后已投入现场运行。
1　装置结构
　　装置由多80C196单片机系统组成。每一单片机系统构成一功能相对独立的单元，如主控单元、测量与分接头调整单元、滤波器监控单元、电容器组监控单元。各单元功能明确，相互之间通过RS422串行通信总线联系，协调工作。测量与分接头调整单元测量谐波电流电压、变电站主变低压侧电压、功率因数或无功功率，并将测量数据传送给主控单元。此外它还根据主控单元下达的命令调整变压器分接头。滤波器监控单元和电容器组监控单元的功能是保护滤波器和电容器组，并根据主控单元的命令投切滤波器或电容器组。滤波器、电容器监控单元可根据变电站中滤波器及电容器组的支路数设置一个或多个。主控单元的功能是接收其它单元传送的测量数据及开关量信号，按照控制规则发变压器分接头调整及滤波器、电容器组的投切命令。装置结构见图1。

图1　装置结构示意图
Fig．1　Block diagram of device structure
　　各功能单元采用插件式结构。主控单元由CPU插件和人机对话板组成，备有专用串行接口可与上位管理机进行信息交换，以便与变电站自动化系统协调工作。其他单元由交流插件、A／D（模数转换）插件、CPU插件、IO（开关量输入输出）插件、继电器插件等组成。当变电站规模较大，受控对象多，运行方式复杂时，主控单元改用586工控机，配以RS422串行扩展卡及显示器等其他外设。
　　装置硬件结构紧凑，配置灵活，使用维护方便，可靠性高，成本较低。
2　谐波测量
　　谐波实时测量是滤波器投切控制的前提。为保证测量的精确度和快速性，采用了一些独特措施。
2．1　软件同步
　　FFT变换要求整周期截取信号，并严格等间隔采样，即采用同步采样，否则会产生较大的误差。现有谐波测量仪的同步多由硬件实现^［4］。本装置用软件方法实现同步采样，以便简化硬件结构，降低成本。具体作法是：先测量电压信号相邻过零点的时间间隔T，即基波周期；然后将T除以每周采样点数N，得到采样周期；再利用软件定时器实现中断定时采样。但是，由于CPU的中断响应时间具有一定的随机性，并且采样周期T／N的值很可能不是整数，T／N的小数部分软件定时器难以分辨。这两方面的原因都能使得实际采样周期与其理想值不完全一致，存在误差。虽然误差值可能很小，但由于谐波测量在一个基波周期内采样的点数较大（如256点），误差如果随着采样点数的增加而不断累积增大，则会引起采样时间不断偏离预定采样点，使谐波分析产生不能容忍的周期误差^［5］。
　　为消除误差累积问题，装置采取的方法有二：其一，在定时采样的中断服务程序中重置时间常数时，不采用常用的间接写HSO－TIME方法（ADDHSO－TIME，TIMER1，＃采样周期），而直接写HSO－TIME（LDHSO－TIME，＃采样时间，其中采样时间＝上次采样时间＋采样周期）；其二，在每次采样前对T／N的小数部分累加一次，当累积值达到或超过1时，送入HSO－TIME中的值加1。采用这些措施后，软件同步可以达到硬件（如同步锁相环电路）同步的精度。
2．2　计算方法及技巧
　　对于单片机，定点制运算比浮点制运算的计算量要小得多。为提高谐波测量速度，装置采用定点制运算。分析证明，采用4B定点制计算256点FFT，不会出现溢出现象，且能达到很高的计算精度，而且计算量大大减少。
　　FFT的基本运算是复数的乘法和加减法，尽可能减少运算次数是提高计算速度的关键。装置采用分裂基FFT算法^［6］，它比常用的基2算法复数乘法运算次数少了1／3还要多，而运算流程图与基2算法接近，编程简单，易于用单片机实现。
　　对于旋转因子，预先离线计算其值并存储在E－PROM中供实时计算时查用。另外，将两个实序列X（n）、Y（n）组合成复序列X（n）＋jY（n）进行FFT变换，一次FFT计算便可完成一对信号的谐波分析。
3　滤波器和电容器组的微机保护
3．1　保护设置
　　滤波器的保护设备可以参照电容器组的保护来进行。滤波器、电容器组可以设置的保护有：过压、失压、零序等电压保护，速断、过流、过负荷、零序等电流保护。具体采用哪几种保护则由用户根据现场实际情况决定。
　　3．2　保护算法

　　目前，常规的电压电流继电器不能正确反映电压电流中的高次谐波成分，而微机保护中的保护算法也主要是针对基波来设计的。在流过滤波器的电流中，谐波成分可能占到50％甚至更高。因此，对于滤波器和电容器组的保护，特别是电流保护，必须有高次谐波成分的保护算法。
对于非正弦周期电流i（t），其有效值为　I＝

计算出电流有效值的平方值后，与整定电流的平方值进行比较，即可判断电流是否越限。这种算法的计算精度与采样点数N、信号中谐波次数及含量等因素有关。采样点数N越大，计算精度越高；谐波次数高或谐波含量增大，计算精度降低。
　　为同时满足保护快速性和可靠性的要求，装置采用了启动算法和出口算法。启动算法中N取16，出口算法中N取64，启动算法的越限电流取值比出口算法小。正常情况下采用计算量小的启动算法，便于快速发现故障；当启动算法发现电流越限后，采用较精确的出口算法，以判断是否发生故障。
4　综合控制方法
　　谐波滤波及电压无功综合控制，将谐波滤波与无功补偿和电压调整结合起来，通过滤波器电容器组投切和变压器分接头调整，使变电站谐波含量、电压和功率因数限制在允许范围内。这是一复杂的多输入多输出多约束的实时控制系统。装置采用了运行状态辨识、控制量估计、临界控制等控制策略^［1］，从而既避免了运行中装置频繁操作，又防止装置反应过于缓慢，取到了较好的效果。在须同时投切多组滤波器时，为避免出现谐波放大现象，采用了这样的投切顺序：投入时先投低次滤波器，后投高次滤波器；切除时则顺序相反。
5　现场运行

    该装置多次发生误动。该装置投入运行后，电压无功控制恢复正常，滤波器滤波效果良好，解决了电气化铁道谐波电流造成的不利影响。
　　湖南省某谐波源电力用户10／0．4kV配电变电站于1997年11月采用该装置，减小了该用户向电网输入的谐波电流，解决了其并联电容器不能正常工作、电压和功率因数长期偏低和谐波引起电动机频繁烧坏等问题。
6　结论
　　（1）变电站谐波滤波、电压、无功综合控制装置，集谐波实时测量、滤波器及电容器组投切控制、滤波器及电容器组保护、变压器分接头调整于一体，功能齐全，通用性强。
　　（2）装置采用多CPU结构，每一CPU系统构成一功能单元。结构简单合理，可靠性高，成本低，易于扩展和维护。
　　（3）在FFT计算中采用了一些独特的方法和技巧，在不影响计算精度的前提下，有效地提高了谐波测量速度。微机保护算法根据滤波器、电容器组工作特点设计，能正确反映谐波电量的作用，并使保护的快速性和可靠性要求同时得到满足。控制策略采用运行状态辨识、控制量估计、临界控制等技术，使谐波含量、电压水平和功率因数控制在允许范围内。
　　（4）现场运行结果表明，装置性能优良，是变电站谐波滤波、电压、无功综合控制的有效工具。

［1］　左辰，黄纯，周铁强．变电站谐波滤波、电压、无功综合控制［J］．湖南大学学报，1998，25（3）．
［2］　黄纯，左辰，周有庆．用8位单片机实现电力谐波在线测量［J］．湖南大学学报，1997，24（5）．
［3］　伍叶凯，邹东霞．单片机电容器组保护的研究［J］．电力电容器，1996，3．
［4］　曹孝宁，等．高性能电网谐波分析仪［J］．电力系统自动化，1996，20（12）．
［5］　徐霞，等．谐波分析仪器中采样截断误差的分析及抑制［J］．电测与仪表，1990，2．
［6］　邹理和．数字信号处理［M］．北京：国防工业出版社，1985．