一种电容器谐波谐振过电压保护装置及方法

说明书-1-一种电容器谐波谐振过电压保护装置及方法技术领域本发明涉及电力系统谐波技术领域，尤其涉及一种电容器谐波谐振过电压保护装置及方法。背景技术近年来，随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备在电力行业的应用日益普及，同时大量电弧设备和许多其他非线性负荷也被投入使用，而这些设备使得系统中电压和电流波形发生畸变失真，导致大量谐波产生，造成越来越多的谐波污染。谐波产生的一个主要危害是谐波谐振，电力公司为了补偿无功功率、改善功率因数而大量增加使用电容器组，引进的电容器以及系统中的电容器和感性元件可能造成局部谐振，谐振产生的过电压反过来又使电容器损坏。电力系统的并联谐振将引起过电压，串联谐振引起过电流，导致系统局部过热，使电容器局部电流电压放大，加速电气设备绝缘老化，对相关电气设备造成损害。当系统内含有接近谐振频率的谐波时，此谐波将被放大数倍至数十倍之多，以致于造成电容器组因过电压而被烧毁。目前，大量工作主要集中于谐波抑制装置的开发，比如无源滤波器，有源滤波器等，而忽略了系统内部电容组的保护，导致大量电容器因谐波损坏，影响了无功补偿装置的正常工作，以及无功补偿装置功率因数的设计，降低了工作效率。而现有的电容器过电压保护装置不能实时检测电容器谐波电压，中国专利CN02105002.3公开了一种电力谐振保护模组，主要技术方案为其中一电路具有分析、判读及计数功能，其撷取经分压后的电容器上的电压计算有效值；该电路利用电压的基波与非基波成分推算电容总体电流有效值；若判断出过电压或过电流时，该电路将电容器组/电感器组切离系统或改变阻抗特性，予以保护。该专利需要对系统内每个电容器设一个电力谐振保护模组，适用于简单的电力系统，对于复杂电力系统将费时费力，而且该保护装置只是针对单次谐波下的电容电压，而没有考虑总谐波下的电容电压。总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何在谐波谐振情况下找到一种工作全面，高效的装置保护电容器，避免电容器组损坏。发明内容本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电容器谐波谐振过电压保护装置及方法，说明书-2-它采用先进的硬件设备，并结合谐波谐振分析算法，对电容器进行可靠保护，它具有能实时检测谐波电压，结构设计合理，实用性强，成本低，工作效率高的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电容器谐波谐振过电压保护装置，主要包括主控制电路板，谐波采集与调理电路，电压跟随电路，多路转换开关电路，AD转换模块，FPGA控制模块，通信模块485通信电路和232通信电路，人机交互模块电路板，所述模拟量是通过电压互感器从电网采集的数据，经过谐波采集与调理电路、电压跟随电路、多路转换开关传送给AD，所述AD转换受FPGA控制，将转换后数据发送给FPGA，所述FPGA将数据通过SPI通信转发给主控制电路板，所述主控制电路板通过485通信获取电网当前拓扑结构，所述主控制电路板通过232通信获取人机界面用户设置，包括电压上下限值，越限时间上下限值，同时主控制电路板通过232通信将电网当前信息、历史动作信息通过人机交互传送给人机界面便于用户查询。所述主控制电路板的主处理器使用TI公司eZdspF2812最小系统。包括了TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存储器，JTAG仿真控制器、电源管理芯片、时钟电路、复位电路，接口单元。所述谐波采集与调理电路中的放大电路采用了AD620芯片，增益范围为1至10,000，最大电源电流仅1.3mA，所述电压跟随电路采用了AD797芯片，最大输入失调电压为80V,最大输出电流为50mA，所述多路转换开关电路采用ADG1404，所述AD转换电路采用AD7658芯片，所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，所述通信模块基于MAX487的485串口信号转换电路和基于SP3220EEA的232电平转换电路。所述人机交互模块采用阿尔泰工业级嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019为ARM10处理器，PC104主板,WinCE5.0及驱动程序64MBSDRAM，256MBNandFlash，32MBNorFlash，支持RGB接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率。一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法：初始化后，具体工作步骤如下：步骤一：系统将限值通过串口传送给主控制电路板，同时系统采集模拟量数据、厂站监控数据分别通过SPI通信、串口通信传送给主控制电路板；步骤二：主控制电路板根据当前电网遥测数据并读取数据库中电网设备参数，进行模态分析和谐波潮流算法运算，根据设定保护限值作出最终保护方案；步骤三：主控制电路板判断用户设定系统运行方式，如果系统运行于离线状态，系统保护方案显示于客户界面，等待人工确定是否下发。如果系统运行于在线状态，那么直接将动作命令下发给主站。说明书-3-所述步骤二中的模态分析具体步骤为：（1）读取主控制电路板中采集的数据，设基准频率为初始频率；（2）分析装置在谐波下的阻抗；（3）根据主控制电路板中读取的网络拓扑结构形成相应的网络导纳阵；（4）对导纳阵进行模态处理；（5）判断频率是否超出最大频率限制，一般最高位50次，若超出了，则输出模态分析结果，若没有，则重复（2）之后的步骤。所述步骤二中的谐波潮流分析具体步骤为：（1）进行基波潮流分析；（2）判断频率是否与基波频率相等，若相等，将基波频率全部存储在监测器，若不相等，把基波频率赋给当前频率，判断基频解存储是否完成，若完成将基波频率存储在监测器，若没有直接退出。（3）获取需要的谐波列表；设初值为1i，判断i是否与要求解的谐波数目相等，若相等，直接退出，若i与要求解的谐波数目不相等，则将相应的频率列表赋给频率。（4）判断频率是否等于基波频率，若相等，则i+1，从i初始值开始循环，若不相等，则先使用直接法求解，然后i+1，再进行同样的循环。所述谐波潮流分析步骤（1）中的基波潮流分析具体步骤为：判断负载模型是否与相应的导纳阵相同，若相同，则使用直接法求解，然后结束，若不同，判断导纳阵是否发生了变化，若没有变化，则使用迭代法求解，若发生了变化，需要重新形成导纳阵，再使用迭代法求解。所述谐波潮流分析步骤（4）中的直接法具体步骤为：①判断系统导纳阵是否发生了变化，若没有发生变化，次数直接加1，若发生了变化，需重新建立导纳阵，次数再加1；②把注入电流清零，获取谐波源注入电流；③判断系统的求解是否完成，若没有，直接跳到迭代次数加1，最后解决方案是直接法，结束，若已完成，求解成功标志位为真且收敛标志为真，则迭代次数加1，最后解决方案是直接法为真，结束。本发明的有益效果：1本发明采用了模态分析法和谐波潮流算法分析谐波谐振过电压，为过电压分析的正确性提供了“双保障”，同时在两个算法结合分析的结果基础上进行过电压保护装置的开发，提说明书-4-高了保护装置的精确性。2本发明采用了人机交互能够设置保护限值、保护时间限值。3能够实现离线、在线两种方式运行。离线模式即对于当前的电网谐波状况给出相应的保护方案，不采取控制措施而是等待人工确认。在线模式即对于当前的电网谐波状况给出相应的保护方案，直接通过通信接口将动作命令下发进行调节。4能够存储电容器实时谐波电压与谐波电流、线路电压等信息。5能够保存历史动作、数据。附图说明图1为系统硬件架构。图2为系统软件架构。图3为系统软件执行流程图。图4为模态分析流程图。图5为谐波潮流主程序流程图。图6为基波潮流流程图。图7为直接法流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。如图1一种电容器谐波谐振过电压保护装置，主要包括主控制电路板，谐波采集与调理电路，电压跟随电路，多路转换开关电路，AD转换模块，FPGA控制模块，通信模块485通信电路和232通信电路，人机交互模块电路板，所述模拟量是通过电压互感器从电网采集的数据，经过谐波采集与调理电路、电压跟随电路、多路转换开关传送给AD，所述AD转换受FPGA控制，将转换后数据发送给FPGA，所述FPGA将数据通过SPI通信转发给主控制电路板，所述主控制电路板通过485通信获取电网当前拓扑结构，所述主控制电路板通过232通信获取人机界面用户设置，包括电压上下限值，越限时间上下限值，同时主控制电路板通过232通信将电网当前信息、历史动作信息通过人机交互传送给人机界面便于用户查询。所述主控制电路板的主处理器使用TI公司eZdspF2812最小系统。包括了TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存储器，JTAG仿真控制器、电源管理芯片、时钟电路、复位电路，接口单元。所述谐波采集与调理电路中的放大电路采用了AD620芯片，增益范围为1至10,000，最大电源电流仅1.3mA。说明书-5-所述电压跟随电路采用了AD797芯片，最大输入失调电压为80V,最大输出电流为50mA。所述多路转换开关电路采用ADG1404，为两路控制信号控制四路开关的导通，同时能够保证信号的准确性。所述AD转换电路采用AD7658芯片。AD7658是ADI公司制造的，高集成度、6通道16-bit逐次逼近(SAR)型ADC，内含1个2.5V基准电压源和基准缓冲器。AD7658具有6个转换通道分为3组两通道。可以通过CONVST-A/B/C管脚或控制寄存器的VA/VB/VC字段来控制具体使用哪几对AD转换通道。读取数据次数要根据AD转换的通道数量设置。所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，FPGA在设计上使用了逻辑单元阵列的概念，内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。FPGA组合逻辑靠查找表实现，查找表与D触发器的输入端相连接，再由触发器驱动别的逻辑电路或者I/O，这样构成的逻辑单元模块既能够实现逻辑功能与时序逻辑功能，模块之间、模块与I/O之间使用金属线连接。FPGA向内部的静态存储单元加载编程数据以实现其逻辑功能，这些逻辑单元决定了FPGA能够实现的功能，FPGA允许无限次的编程。所述SPI由Motorola公司开发，在中央处理单元或DSP与其他芯片之间提供的一款通信接口。SPI工作方式为一个主机连接单个或多个从机的主-从机模式。SPI接口一般有四种信号：串行移位时钟信号SCLK、数据输出信号、数据输入信号、低电平有效的从使能信号线。所述通信模块设计了基于MAX487的485串口信号转换电路和基于SP3220EEA的232电平转换电路。所述人机交互模块采用阿尔泰工业级嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019为ARM10处理器，PC104主板,WinCE5.0及驱动程序64MBSDRAM，256MBNandFlash，32MBNorFlash，支持RGB接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率，支持4线电阻式触摸屏主USBx1，从USBx1全部2.0标准，RS232接口x2，RS485接口x1，支持CF卡。如图3一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法：初始化后，具体工作步骤如下：步骤一：系统将用户界面设置限值通过串口传送给主控制电路板，同时系统采集模拟量数据、厂站监控数据分别通过SPI通信、串口通信传送给主控制电路板；步骤二：主控制电路板根据当前电网遥测数据并读取数据库中电网设备参数，进行模态分析和谐波潮流算法运算，根据设定保护限值作出最终保护方案；步骤三：主控制电路板判断用户设定系统运行方式，如果系统运行于离线状态，系统保护方案显示于客户界面，等待人工确定是否下发。如果系统运行于在线状态，那么直接将动作说明书-6-命令下发给主站。如图4所述步骤二中的模态分析具体步骤为：（1）读取主控制电路板中采集的数据，设基准频率为初始频率；（2）计算装置在谐波下的阻抗；（3）根据主控制电路板中读取的网络拓扑结构形成相应的网络导纳阵；（4）对导纳阵进行模态处理；（5）判断频率是否超出最大频率限制，一般最高位50次，若超出了，则输出模态分析结果，若没有，则重复（2）之后的步骤。所述模态分析即为特征值分析，假设根据频率扫描法得知系统在频率f处发生并联谐振。这就意味