变电站电压无功控制系统的设计

龙源期刊网变电站电压无功控制系统的设计作者：李大鹏来源：《中国新技术新产品》2011年第23期摘要：设计了一个变电站电压无功控制系统，它通过检测电压电流计算出功率因数、无功电流、无功功率，按照一定的控制规律投切电容器组，实现电压无功控制，详细介绍了系统的硬件与软件设计,测试结果表明，该系统在电压无功控制方面取得了满意的实际应用效果。关键词：电压控制；无功补偿；电能质量；变电站中图分类号：TM74文献标识码：A前言电压是衡量电能质量的重要指标,电压过低、过高或偏离合格的范围会影响用电设备的寿命和效率，甚至会对电网的稳定和经济运行也会产生很大的危害;电力系统运行要求保证各母线电压水平稳定，而无功功率补偿是维持电压恒定的有效手段之一，无功功率的过大或不足都将引起系统电压的上升或下降，变电站是集中安装调压设备和无功补偿的主要场所，目前，无功电压的综合控制主要以变电站为基础进行，随着电网容量的增大，整个系统的电压无功调节变得更加复杂和困难，仅仅靠人工调节往往很难做到准确判断和及时调节电压无功，变电站电压无功控制(voltageandreactivepowercontrol,VQC)是自动电压控制系统的重要组成部分，在保证电力系统安全、可靠和经济运行都具有重要的意义。1、系统硬件设计传统变电站电压无功综合控制系统是以单片机作为控制器的系统，由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只能选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度，故本系统采用TI公司生产的TMS320LF2407DSP作为总控制器，完成采样、计算、触发、通讯等功能；系统以DSP控制系统为核心，通过扩展的并行口与外围电路相接，输入状态信号通过光耦隔离，输出控制信号由继电器与外部控制电路相接；输入模拟信号通过PT及CT与高压隔离，确保强电信号与弱电信号没有直接联系；外围电路有电容器投切控制板、分接开关控制板、模拟信号转接板、模拟信号调理板、液晶显示器附件板及数码管背板等。变电站电压无功综合控制装置控制器硬件原理如图1所示。图1系统硬件组成框图⑴DSP主控模块：根据从检测部分获得的有关信息，进行信号处理工作(包括系统电压，电流有效值的计算、系统有功及无功功率的计算等)，并在数据计算的基础上实现系统所需的龙源期刊网各种控制操作，例如保护/投切等，系统采用高性能的DSP(TMS320LF2407A)作为主处理器，，DSPTMS320LF2407A是美国TI公司生产的TMS320LF240x芯片的一款，是TMS320C2000TM平台下的一种定点DSP芯片，是专为控制设计的单片机，它配置了完善的外围设备，包括中断管理系统、A/D转换模块(ADC)、串行通信接口模块(SCI)、串行外设接口模块(SPI)、事件管理模块(EV)和系统监视模块。⑵模拟量输入电路：由霍尔电压电流传感器、隔离采样电路、可编程有源滤波芯片MAX26O电路、整流电路、过零点保持电路、ADC转换电路等环节组成。⑶开关量输入电路：由端子排接入本装置开入回路中，经由保护电路和光耦，最终把数据传至数据缓冲器，经由数据缓冲器与DSP相连。⑷控制输出部分：由隔离电路，驱动电路组成，隔离部分采用HCPL-314J光祸隔离驱动芯片，电容器组的投切电路选用的是Motorola公司的过零触发控制芯片MOC3061。⑸人机对话部分：包括或液晶显示、键盘，液晶模块是由深圳亚斌公司生产的型号为YB12832ZA的128*32的点阵LCD，键盘才用16按键矩阵式键盘接口；⑹通信模块：通信模块将运行状态等信息送往监控中心或调度主站，如电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数和功率上下限、电压上下限以及系统出现异常信息等，通信接口的稳定性和可靠性是,通信模块设计的重点，各通信接口均通过高速光电隔离，并且加入一些保护元件,RS232接口电路由DSP的UART接口扩展，RS485通信接口芯片选用MAX485芯片，CAN总线接口芯片选用PCA82C250芯片，GPRS无线通讯电路采用Wavecom公司的Q2403A系列GSM/GPRS模块。2、软件设计系统软件采用模块化设计，各功能模块相互独立，既方便连接和调试，也便于移植、维护和扩展，系统模块主要包括系统初始化、数据初始化、交流信号采样、电网参数读取模块、控制策略模块、PWM脉宽调制模块、系统保护模块、数据保存模块、液晶显示模块、通信模块、键盘控制模块、时钟操作模块等，各个模块之间相互独立编写方便，在系统运行中由主函数对其进行调用，下面详细介绍交流信号采样模块的设计。进行电压无功控制的首要条件是获得实时准确的电压及电流值,交流信号采样模块是通过模拟量及开关量数据采集通道将互感器PT、CT信号采集进来，然后通过电压电流互感器转变为满足AD转换器要求的标准信号，再通过AD转换器及前置运算放大器对信号进行数字化转换处理，再将转化处理后的数据传给控制系统，控制系统再利用傅里叶算法计算得到电压U、电流I、无功Q和有功功率P，然后根据这些计算结果和电网运行状态进行相应的控制。傅立叶算法设计的基本思路来自傅里叶级数，其假定被采样的模拟信号是一个周期函数，对于任意的周期性的模拟信号x（t）,都可表示为：，，式中：n表示谐波次数，龙源期刊网（n=0,1,2,…）,an，bn表示第n次谐波分量的实部和虚部模值，w1表示角频率；T为工频周期,根据傅氏级数原理，可以求出基波分量x(t)的正,余弦项的第n次谐波分量的实部和虚部模值,an，bn分别为：，，计算机处理时，对an，bn进行离散傅里叶变换（DFT）求得：，，其中,N为一周期采样点数，系统中N=24，x(i)为第i次采样值。采样过程可采用DSP的中断功能来完成，按照系统要求响应速度设置中断时间，系统采用DSP自带的10位A/D，对六个通道的模拟信号分别进行采样。这6个信号对应的A/D通道从ADCIN00～ADCIN05，顺序分别是：A相电流，B相电流，C相电流，A相电压，B相电压，C相电压，ComputerData()函数完成将采集到的数据进行相关计算，主要是电压U，I电流，视在功率S、无功功率Q和有功功率P和功率因数的计算，此函数首先得到一次转换的结果，然后判断是否第128次采样，如果是，则把每次的采集结果按照前面叙述的方法进行累加计算，分别得到电压U，I电流，视在功率S、无功功率Q和有功功率P，最后计算出功率因数。3、试验分析以某变电站为例，应用设计的电压无功控制系统进行电压无功控制测试，结果如表1所示,结果表明，系统在电压无功控制方面取得了满意的实际应用效果。表1试验结果结束语提出的一种变电站电压无功综合自动控制系统的设计方法，设计与开发了电压无功控制（VQC）硬件及软件系统，经过验证，该系统可以使电力系统震荡现象大大减少，电压水平达到标准要求，系统在优化电压质量、提高系统安全水平、降低网损等方面取得了满意的实际应用效果。参考文献[1]蒋建民,等编著.电力网电压无功功率自动控制系统[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2010年04月[2]李升编著，变电站电压无功控制理论与设计[M].北京：水利水电出版社，2009年04月[3]周志敏，等编著.无功补偿电容器配置、运行、维护[M].北京：电子工业出版社，2009年08月[4]靳龙章，等编著.电网无功补偿实用技术[M].北京：水利水电出版社，2008年10月龙源期刊网