CN101707352B - 一种用于svc系统的故障检测/保护方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于SVC系统的故障检测/保护方法及其装置，涉及一种动态无功补偿系统及其方法。本发明的装置由信号采集单元、单片机控制单元、CAN通信单元、故障检测保护及触发脉冲驱动单元、晶闸管阀组与光电隔离单元组成。本发明的检测/保护方法通过采集单元将电压、电流送入CPU处理单元，发出触发脉冲，再通过光电隔离单元接收数据，判断为严重故障时封锁触发脉冲、保护晶闸管阀组及其它高压设备；CAN总线也欠压、BOD、超温等故障报警上传给CPU处理单元。本发明的检测/保护方法及其装置有效地解决了以往系统保护不及时、故障信号指示不准确、系统误动作等问题，同时节约了成本，减少现场安装工作量，极大地提高了系统运行的稳定性和安全性。

Description

一种用于SVC系统的故障检测/保护方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种动态无功补偿系统，属于柔性交流输电技术领域，具体涉及一种用于SVC系统的故障检测/保护方法及其装置。

背景技术

近年来，随着大功率非线性负荷的不断增加，电网的无功冲击和谐波污染呈不断上升的趋势，造成电压、电流的畸变或三相不平衡、功率因数偏低等问题。为了解决上述问题可以安装静止型动态无功补偿装置(SVC)，目前SVC装置已成功应用于冶金、采矿和电气化铁路等冲击性负荷的补偿上，其特点是：调节速度快，并可连续、分相的进行无功功率调节、运行可靠、适用范围广，因此对电力系统电压稳定和改善电能质量起到了明显的作用。然而，由于SVC的工作电压等级较高，一般为10KV、27.5KV或35KV，其中的电力电子装置要承受很高的电压，而且电力电子装置又是整个SVC中的关键器件，决定了整套SVC装置能否安全有效的运行，因而，对于电力电子装置的实时、快速的故障检测和保护也就显得尤为重要。

目前常用的晶闸管的电压等级最高为7000V，而晶闸管的串并联又使得TCR的主电路和控制电路更加复杂，以往的故障检测方法是通过光纤直接将晶闸管阀组的各种报警信号与CPU控制板进行连接，由CPU统一接收并判断是哪一类故障信号，然后做出相应的动作，封锁脉冲、切断主回路或只是进行简单的报警指示。它的弊端是连接线和光纤使用很多，特别是在高电压、大容量的SVC装置中，往往需要多达300根以上的光纤，无形中增加了很大一部分成本，而且给现场安装人员带来了很大的工作量，很多时候由于线号标识的问题造成回传信号误接，使系统故障信号指示不准确，系统误动作，阀组保护不及时或错误保护，严重时烧毁主回路和功率器件；另一方面，由于接口端过多，需要加入CPLD或FPGA等器件协助CPU工作，也就相应的增加了其硬件成本和故障点，而且由于占用CPU的资源过多，使得CPU工作量加大、系统处理速度变慢，不仅如此，由于所有的故障都是由CPU自行判断后再进行处理，导致保护信号延时，出现保护不及时的现象，使得系统长时间安全、稳定运行变得困难。

发明内容

针对上述技术问题以及现有技术的缺陷和不足，本发明旨在提供一种用于SVC系统的故障检测/保护方法及其装置，当发生系统故障时，故障检测保护系统自动进行故障诊断和定位，并立即通过CAN总线上传具体故障信息，发出警报，在判断出严重故障后，发出保护信号，可直接切除主回路电力电子装置或其它高压设备；该装置既能快速地检测到系统故障，又能及时地进行有效的保护，大大缩短了SVC设备的停机时间，提高了工作效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种用于SVC系统的故障检测/保护装置，由信号采集单元、单片机控制单元、CAN通信单元、故障检测保护及触发脉冲驱动单元、晶闸管阀组与光电隔离单元组成，单片机控制单元与CAN通信单元电信号连接，CAN通信单元与故障检测保护及触发脉冲驱动单元电信号连接，故障检测保护及触发脉冲驱动单元与晶闸管阀组、光电隔离单元电信号连接，其特征在于A/D采样板与采集单元、DSP运算单元电信号连接，DSP运算单元电信号连接控制移相触发板；移相触发板经光电隔离单元电光转换后再电信号连接故障检测保护及触发脉冲驱动单元；所述故障检测保护及触发脉冲驱动单元经驱动后连接到对应的高电位板中驱动晶闸管阀组。其中，所述高电位板还将欠压报警信号和BOD报警信号电信号连接到故障检测保护及触发脉冲驱动单元，并将其上传到单片机控制单元(CPU处理单元)。

所述SVC系统的故障检测/保护方法由下述步骤实现：

(1)A/D采集系统实时采集电网三相电压、电流瞬时值，并将转换结果送入单片机控制单元(CPU处理单元)，CPU处理单元计算出系统当前基波有功和无功电流并发出触发脉冲，实现最优无功调节。

(2)晶闸管阀组上面的温度传感器定时将温度数据送入故障检测及保护系统，由其判断阀组是否超温，同时，高电位板将欠压报警信号和BOD报警信号也实时地送到故障检测及保护系统中，由该系统判断故障类型及具体的故障支路。

(3)故障检测及保护系统首先通过光电隔离单元接收全部故障信号，再利用CAN总线将这些报警信号及阀组的实时数据通过固定格式的通信协议传送到CPU处理单元上，由CPU处理单元进行相应的报警或封锁脉冲的处理。另外，故障检测及保护系统还具有CAN总线自诊断功能，当CAN总线出现异常时，CPU处理单元发出复位信号，重新启动CAN总线。

(4)故障检测及保护系统同时还接收CPU处理单元发出的触发脉冲并通过自身的驱动电路放大后送入高电位板以触发晶闸管阀组。当触发脉冲异常时，故障检测及保护系统会立即将该故障信息通过CAN总线上传给CPU处理单元，同时，保护系统发出闭锁信号封锁触发脉冲。另外，故障检测及保护系统进行实时故障巡检，当阀组出现严重问题，如过流、晶闸管击穿等故障时，保护系统也会封锁触发脉冲，同时发出开关信号，控制I/O单元切除主回路高压设备，从而很大程度的提高了SVC系统的安全运行系数。

所述的CAN总线是一种架构开放的、广播式的、能有效支持分布式控制和实时控制的新一代网络通信协议，它具有传输速度快、自动解决总线竞争、实时性好、可靠性高、纠错能力强、连接方便的和性价比高等诸多优点，另外，CAN总线可以多方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之间可设置优先级，因而通信方式灵活；CAN总线采用了非破坏性位仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，根据优先级顺序传输数据，节省了总线冲突仲裁时间，而且在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。

由于采用了CAN总线技术，节约了大量的光纤，同时减少了故障率，提高了数据传输速度，从根本上提高了整个SVC设备的可靠性。

本发明还有这样一些技术特征：所述的单片机电路为AT90CAN128，是Atmel公司的一款8位单片机，内部带有一个8通道单端或差分输入的10位高速A/D转换器，并具有1个符合2.0A或2.0B的CAN控制器接口，是一款高性能单片机。CAN收发器采用飞利浦公司的PCA82C251，支持CAN2.0A及CAN2.0B，带有2个独立CAN通道，至少可以连接110个节点，高速传输可达1Mbps，每个端口有传输/接收状态LED指示，对电磁干扰有较高的抗干扰性。光纤驱动电路采用TI公司的SN75451，具有低阻抗、高电流速率的特点，避免产生长的拖尾现象。

本发明的技术效果在于：

(1)故障检测及保护系统可以接收全部的故障量和阀组较为重要的实时数据，并可根据数据信息和报警限值进行故障解析。具备过流、欠压、BOD、超温、丢脉冲等故障报警解析功能，同时还具有CAN总线故障自我诊断功能，为系统长期运行提供了强大的安全保障。

(2)故障检测及保护系统在接收、解析系统故障的同时，也将所有报警数据通过CAN总线以数据包的形式上传给CPU处理单元，用一条双绞线替代了以往上百根的光纤，大大地节约了成本，减少了现场安装的工作量，相应地也减少了故障率，使SVC系统稳定运行变得更加容易。

(3)控制器中的CPU处理单元直接接收故障检测及保护系统分解后的故障信息，不需要加入其它辅助器件帮助CPU解析故障信息，减少了相应的硬件成本，同时也避免了占用CPU过多资源，减少了CPU的工作量，加快了系统的处理速度，使得SVC系统控制精度和可靠性大为提升。

(4)故障检测及保护系统具有自我判断保护功能，当判断出系统过流或晶闸管击穿等严重故障时，可以发出闭锁信号封锁触发脉冲，并发出控制信号控制I/O单元切除主回路高压设备，同时，通过CAN总线上传具体的故障信息，其通信速率最高可达1Mbps，而且误码率极低，真正做到了系统的快速响应和保护。

附图说明

图1是SVC系统控制原理框图；

图2是故障检测保护单元电路连接图；

图3是故障检测保护单元程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，首先信号采集单元将系统电压、电流信号通过AD采样板采样转换后，送入DSP运算单元进行运算，DSP运算单元根据电网参数计算出当前电网的瞬时无功功率，并发出控制信号给移相触发板；移相触发板首先形成高频脉冲，再将三相触发信号经光电隔离电路进行电光转换后，通过光纤传送到故障检测保护及触发脉冲驱动单元中，该单元将触发脉冲经过驱动后送入到对应的高电位板中以驱动三相晶闸管阀组，而阀组上面的温度传感器会将温度值送入故障检测保护单元，由该单元自行判断是否超过限定温度值，同时高电位板将欠压报警信号和BOD报警信号通过光纤也送入到故障检测保护单元中，故障检测保护单元通过板上的CAN总线并接在一起后，一同将这些报警信号及温度值传到CPU处理单元中，CPU处理单元还要与开关量输入、输出单元进行连接，执行相应的I/O控制以及接收TCR电流信号和液晶键盘信号等操作，此外CPU处理单元还提供远方操作接口，以便将现场各种实时数据传给上位工控机。

故障检测保护及触发脉冲驱动单元(如图2)首先接收来自移相触发板的光脉冲触发信号TP+、TP-，经反相电路74HC04反相后，形成多路触发信号，每路触发信号再经过光纤驱动电路SN75451驱动后，经光纤发送器HFBR1533送出，以驱动各路高电位板触发三相晶闸管阀组，同时单片机AT90CAN128还要对这三相触发信号进行实时监测，若出现触发脉冲异常或缺失时，单片机AT90CAN128会发出丢脉冲报警信号，并与其它故障信号一同上传给CPU处理单元，同时封锁触发脉冲，防止晶闸管回路损坏；另一方面故障检测保护单元经光纤接收器HFBR1521接收来自晶闸管阀组的各路温度值和各路高电位板的欠压、BOD报警信号，单片机AT90CAN128会根据温度限值判断出哪一相阀组超出温度范围，同时利用固定的通信协议解析出具体的故障支路及故障类型，最后将这些具体的故障信息经过高速光耦6N137进行光电隔离后，通过CAN收发器PCA82C251，送入到CPU处理单元的CAN总线上，从而节约了大量的光纤和CPU资源，而且CAN总线传输速率高、误码率低，大大地加快了系统的运算和处理速度。不仅如此，若故障检测保护单元判断出系统过流、晶闸管击穿等严重故障时，会自行封锁触发脉冲，同时将高压切除信号经过驱动电路74LS245驱动放大后，送入开关量输出单元，以切除主回路高压设备，极大地提高了系统的可靠性。

故障检测保护单元CPU采用Atmel公司的AT90CAN128，其内部带有CAN控制器，以C语言为编程语言，结合自定义的通信协议，实现了报警数据的快速解析与传输。

(如图3所示)程序首先进行上电初始化，初始化单片机内部资源和CAN控制器，然后等待上位CPU处理单元发送召唤故障指令，若收到阀组巡检指令，则上传晶闸管阀组的实时状态，若收到故障检测工作指令，系统则进行欠压、BOD、超温、丢脉冲等故障的检测，并要判断出三相具体的故障支路，反之，若收到上位机的停止故障检测指令，则关闭欠压、BOD、超温、丢脉冲检测功能。

当故障检测保护单元检测到来自高电位板的故障反馈信号时，进行延迟判断，以便解析出具体的故障类型，若经过延时后，故障信号仍然为低电平，则认为是欠压故障报警，并将此故障信息上传给上位CPU处理单元；若故障信号变为高电平，则认为是BOD故障报警，系统也会将此故障信息上传给上位CPU处理单元。

当故障检测保护单元检测到来自阀组的故障反馈信号时，首先判断温度测量值是否处于不正常范围值之内，若温度值超过系统设定限值时，则认为是超温故障报警，将此故障信息上传给上位CPU处理单元，同时将单片机计数器清零。随后系统上传具体温度值。

故障检测保护单元接收来自移相触发板的光脉冲触发信号，驱动高电位板触发三相晶闸管阀组，并对三相触发信号进行实时监测，若出现触发脉冲异常或缺失时，将丢脉冲故障报警信息上传给上位CPU处理单元，并解析出具体的故障回路。

当故障检测保护单元检测到丢脉冲、欠压、BOD报警等严重的故障时，一方面封锁触发脉冲并将具体故障信息上传给上位CPU处理单元，另一方面，发出控制信号，控制I/O单元切除主回路高压设备，保护电气设备，防止晶闸管回路损坏。

本发明有效地解决了以往SVC装置保护不及时、故障信号指示不准确、系统误动作等问题，同时极大地节约了硬件成本，减少了现场安装工作量，具有报警准确度高、保护响应快、低成本、运行安全可靠的特点。

以上实施方式仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神及范围的情况下，作出各种等同变换或变化的技术方案属于本发明的保护范畴，由各项权利要求限制。

Claims (5)

1.一种用于SVC系统的故障检测/保护装置，由信号采集单元、单片机控制单元、CAN通信单元、故障检测保护及触发脉冲驱动单元、晶闸管阀组与光电隔离单元组成，其特征在于单片机控制单元与CAN通信单元电信号连接，CAN通信单元与故障检测保护及触发脉冲驱动单元电信号连接，故障检测保护及触发脉冲驱动单元与晶闸管阀组、光电隔离单元电信号连接；其中，A/D采样板与采集单元、DSP运算单元电信号连接，DSP运算单元电信号连接控制移相触发板；移相触发板经光电隔离单元电光转换后再电信号连接故障检测保护及触发脉冲驱动单元；所述故障检测保护及触发脉冲驱动单元经驱动后连接到对应的高电位板中驱动晶闸管阀组。

2.根据权利要求1所述的一种用于SVC系统的故障检测/保护装置，其特征在于所述高电位板还将欠压报警信号和BOD报警信号电信号连接到故障检测保护及触发脉冲驱动单元，并将其上传到单片机控制单元。

3.一种用于SVC系统的故障检测/保护方法，包括以下步骤：

(1)A/D采集板采集电网三相电压、电流瞬时值，将转换结果送入CPU处理单元，CPU处理单元计算出系统当前基波有功和无功电流后发出触发脉冲；

(2)晶闸管阀组上面的温度传感器定时将温度数据送入故障检测及保护系统中，由其判断阀组是否超温；同时，高电位板将欠压报警信号和BOD报警信号也实时送到故障检测及保护系统中，由该系统判断故障类型及具体的故障支路；

(3)故障检测及保护系统通过光电隔离单元接收全部故障信号，利用CAN总线将这些报警信号及阀组的实时数据传送到CPU处理单元上，由CPU处理单元进行相应的报警或封锁脉冲的处理；

(4)故障检测及保护系统同时接收CPU处理单元发出的触发脉冲，通过自身驱动电路放大后送入高电位板以触发晶闸管阀组，当触发脉冲异常时，故障检测及保护系统会立即将该故障信息通过CAN总线上传给CPU处理单元，再由故障检测及保护系统发出闭锁信号封锁触发脉冲。

4.根据权利要求3所述的一种用于SVC系统的故障检测/保护方法，其特征在于步骤(3)中的故障检测及保护系统还具有CAN总线自诊断功能，当CAN总线出现异常时，CPU处理单元发出复位信号，重新启动CAN总线。

5.根据权利要求3所述的一种用于SVC系统的故障检测/保护方法，其特征在于步骤(4)中故障检测及保护系统也进行实时故障巡检，巡检时当阀组出现严重问题，故障检测及保护系统也会封锁触发脉冲，并发出开关信号，控制I/O单元切除主回路高压设备。

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