CN103248058B - 一种磁控电抗器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁控电抗器控制系统，包括低压部分和高压部分，低压部分包括上位工控机、液晶触摸屏、主控制器、无线通信主站、继保装置，用于检测电压和电流信号，按控制目标完成控制功能，以无线通信的方式发送触发角数据给高压部分；高压部分包括励磁控制器A、励磁控制器B、和励磁控制器C，用于以无线通信方式接收低压部分发出的触发角指令，将故障信息及控制绕组电压上传到低压部分主控制器。本发明磁控电抗器控制系统高、低压部分绝缘安全可靠，易于实现，降低了设备成本和现场施工工作量；通过控制绕组提供同步信号提高了控制准确性和稳定性。在硬件平台基本不变的情况下，仅需选配少量的硬件及软件模块即可满足各种应用场合的需求。

Description

一种磁控电抗器控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其是涉及一种磁控电抗器控制系统。

背景技术

随着电力工业的高速发展，供电容量、电压等级、供电质量及可靠性的要求越来越高，如何提高电能质量，有效减小无功对电网的污染，保证电网的安全运行成为电气领域重要课题。磁控电抗器由主绕组和控制绕组组成，控制绕组通过晶闸管给主绕组提供一定大小的可控直流偏磁电流，直流偏磁电流产生的直流磁通使工作铁芯柱饱和，从而使磁控电抗器容量增大。调节晶闸管触发控制角α的大小就可以改变铁芯磁饱和度，从而达到控制电抗器容量的目的，由于磁控电抗器具有低电压、小电流控制高压绕组的优点，目前广泛应用到动态无功补偿、试验用感性负载、大电机软启动等系统中。

现有技术中磁控电抗器控制系统采用光纤隔离低压部分主控制器和高压部分励磁控制器，采用主控制器生成触发脉冲并转换为光信号，经光纤传送到励磁控制器，它通过光电转换，变成晶闸管的驱动触发脉冲。这种方案解决了高压绝缘问题，但所需光纤数量多，安装接线工作量大，当主控制器离磁控电抗器本体距离较远时，光纤及收发器件成本很高，光纤信号衰减严重，影响控制性能。对于户外应用的磁控电抗器，由于光纤受环境的影响容易受潮和老化，从而影响绝缘。

已有磁控电抗器控制系统一般都是通过主控制器进行采集电网电压作为同步电压信号，这在磁控电抗器三角形联接时不会存在问题。但是如果磁控电抗器作星形联接或者作软起动器运行时，由于中点电位漂移以及电机电压、电流的变化，此时电网电压相位与磁控电抗器控制绕组的电压相位就存在差异，此时仍以电网电压作同步电压就会带来误差，甚至引起系统振荡而不能稳定运行。这就需要额外布置电压PT测量磁控电抗器的相电压作为晶闸管触发同步信号，否则同步信号和磁控电抗器控制绕组的相位误差将影响控制性能。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种磁控电抗器控制系统，其特征在于，包括：

低压部分：检测电压和电流信号，按控制目标完成控制功能，以无线通信的方式发送触发角数据给高压部分；具体包括依次连接的上位工控机、液晶触摸屏、主控制器、无线通信主站、继保装置；

高压部分：以无线通信方式接收低压部分发出的触发角指令，将故障信息及控制绕组电压上传到低压部分主控制器；具体包括三个励磁控制组件，所述三个励磁控制组件分别包括励磁控制器A、励磁控制器B、励磁控制器C。

优选的，所述低压部分的主控制器包括CPU处理器，主控制器外围电路，模拟信号调理电路，主控制器电源变换电路，继电器隔离输出电路，光耦隔离输入电路及RS485通信接口电路； 所述主控制器外围电路、模拟信号调理电路、主控制器电源变换电路、继电器隔离输出电路、光耦隔离输入电路及RS485通信接口电路同时与CPU处理器连接。

优选的，所述低压部分的无线通信主站包括无线单片机、通信主站电源模块、熔断器、RS485通信接口、以及外置式天线；所述通信主站电源模块、RS485通信接口以及外置式天线与无线单片机连接；所述熔断器与通信主站电源模块连接。

在上述的一种磁控电抗器控制系统，所述高压部分励磁控制器A、励磁控制器B、励磁控制器C分别与磁控电抗器的A相、B相、C相控制绕组抽头端子1、2、3、4相连接，通过高压瓷瓶绝缘子安装在磁控电抗器本体或者专用支架上；励磁控制器A、励磁控制器B、励磁控制器C物理特性完全一致，电气接口及机械结构相同，所连接的相由拨码开关的拨码位置标识。

优选的，所述励磁控制器A、励磁控制器B、励磁控制器C均包括无线通信从站、低通滤波电路、触发驱动电路、同步变压器、双半波整流电路、电源变压器、冷却风机及励磁电源模块；所述励磁电源模块、冷却风机以及电源变压器依次连接后与磁控电抗器连接；所述无线通信从站和同步变压器连接后与磁控电抗器连接；所述低通滤波电路、触发驱动电路以及双半波整流电路依次连接后与磁控电抗器连接；所述无线通信从站还分别与低通滤波电路、触发驱动电路连接。

优选的，所述励磁电源模块通过电源变压器匹配并连接到磁控电抗器的一个控制绕组，为励磁控制器所有电路供电。冷却风机通过电源变压器供电；励磁电源模块是宽输入电压范围的励磁电源模块，满足软启动工作模式时控制绕组的电压变化范围；双半波整流电路的同步信号通过同步变压器取自磁控电抗器的另一个控制绕组，该同步信号被无线通信从站检测，用以检测磁控电抗器的主电压。

优选的，所述励磁控制器无线通信从站包括励磁控制器电源变换电路、励磁控制器外围电路、PCB天线、无线单片机、光耦隔离输入/输出电路、拨码开关及信号调理电路；所述励磁控制器电源变换电路、励磁控制器外围电路、PCB天线、光耦隔离输入/输出电路、拨码开关以及信号调理电路同时与无线单片机连接。

因此，本发明具有如下优点：1.采用2.4GHz射频无线通信实现高、低压设备的电气隔离，绝缘安全可靠，易于实现；2.采用磁控电抗器控制绕组电压作为同步信号并检测电压，避免了电网电压与磁控电抗器电压的相位误差，提高了控制系统准确性和稳定性，省去了磁控电抗器电压PT，控制系统设备之间采用总线连接，接线简单，成本低，自动化程度高，便于设备现场调试和用户使用。。

附图说明

图1为本发明系统硬件连接示意图。

图2为本发明主控制器原理示意图。

图3为本发明无线通信主站原理示意图。

图4为本发明励磁控制器原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，本发明包括高压部分和低压部分，其中低压部分：检测电压和电流信号，按控制目标完成控制功能，以无线通信的方式发送触发角数据给高压部分；具体包括依次连接的上位工控机1、液晶触摸屏2、主控制器3、无线通信主站4、继保装置5；高压压部分：以无线通信方式接收低压部分发出的触发角指令，将故障信息及控制绕组电压上传到低压部分主控制器3；具体包括三个励磁控制组件，所述三个励磁控制组件分别包括励磁控制器A  6、励磁控制器B  7、励磁控制器C  8。控制系统所述工控机1是远程监视和控制设备，它通过以太网和液晶触摸屏2进行通讯，进行数据交换。它是选配设备，根据用户需求进行配备。

控制系统所述液晶触摸屏2采用WEINVIEW公司的MT8070iH触摸屏，液晶屏将主控制器3作为Modbus RTU从站设备进行管理，同时还具有以太网接口，可以扩展为上位工控机1的通信接口。液晶触摸屏2作为控制系统的就地操作面板是必配设备，具有详细的运行模式选择、参数设置，运行数据显示，故障报警、显示及保存、查询功能，液晶触摸屏2、主控制器3、继保装置5可以共同安装在一面控制柜内。

所述继保装置5采用标准产品，作为独立功能模块，与主控制器3没有控制逻辑关系，确保主控制器3故障情况下保护动作仍然可靠。

控制系统所述主控制器3包括CPU处理器11，主控制器外围电路14，模拟信号调理电路9，主控制器电源变换电路10，继电器隔离输出电路12，光耦隔离输入电路13及RS485通信接口电路15。实现的控制功能包括：手动运行模式和自动运行模式。手动运行模式用于试验调试时的手动给触发角运行。自动运行模式又包括功率因数自动运行模式、无功自动运行模式和软启动运行模式。运行模式及电压、电流变比、PI调节器参数、触发角限幅值、软启动控制等参数可以在所述低压部分的上位工控机1或者液晶触摸屏2设置。

控制系统所述低压部分的无线通信主站4通过RS485通信接口17接收来自主控制器3的RS485通信接口电路15的触发角指令数据，并通过外置式天线19发送到无线通信从站21，同时外置式天线19接收来自无线通信从站21的励磁控制器报警及电压信号，通过RS485通信接口17上传到RS485通信接口电路15，并通过主控制器3读取处理。无线通信主站就地安装在磁控电抗器接线箱内，以确保无线通信效果。

所述的控制系统高压部分励磁控制器A 6、励磁控制器B 7、励磁控制器C 8分别与磁控电抗器43的A相、B相、C相控制绕组抽头端子1、2、3、4相连接，通过高压瓷瓶绝缘子安装在磁控电抗器43本体或者专用支架上；所述励磁控制器的供电电压取自磁控电抗器43的一个控制绕组，同步信号通过同步变压器24取自另一个控制绕组。励磁控制器A6、励磁控制器B7、励磁控制器C8物理特性完全一致，电气接口及机械结构相同，可以互换使用，所连接的相由拨码开关34的拨码位置标识。

所述励磁控制器在电压低于6kV时直接安装在磁控电抗器本体的绝缘子上，在电压高于6kV时通过专门的绝缘安装架安装。由于磁控电抗器采用晶闸管控制，而晶闸管是半控器件，在工频周期的负半周过零点才能关断，因此控制系统的最快控制周期是半个工频周期即10mS，由于现代计算机处理器的高速性能，控制系统设备之间采用总线通信传递控制信息，10mS的控制周期足以保证控制系统的实时性能。

如图2所示，所述的控制系统其低压部分的主控制器3包括CPU处理器11，主控制器外围电路14，模拟信号调理电路9，主控制器电源变换电路10，继电器隔离输出电路12，光耦隔离输入电路13及RS485通信接口电路15；所述主控制器外围电路14、模拟信号调理电路9、主控制器电源变换电路10、继电器隔离输出电路12、光耦隔离输入电路13及RS485通信接口电路15同时与CPU处理器11连接。主控制器电源变换电路10先通过开关电源模块将输入AC220V交流电源变换为DC24V和DC5V输出，DC24V电源给液晶触摸屏、指示灯、按钮等供电，并经一个开关电源模块变换为一路DC±5V电源供模拟信号调理电路9电源，DC5V通过线性电源芯片变换为两路DC3.3V和一路DC1.8V输出，一路DC3.3V供CPU处理器11数字系统电源，另一路DC3.3V供模拟系统，DC1.8V供CPU处理器核心电源。

 所述主控制器外围电路14主要是有源晶体振荡器、芯片编程接口及初始化需要的电阻电容等器件，有源晶振采用30MHz芯片，经CPU 5倍频为150MHz后供系统时钟信号。

所述CPU处理器11采用TI公司TMS320F2812 DSP芯片，完成控制系统的电压、电流采样，电感电压、无功及功率因数计算，与液晶触摸屏2及无线通信主站4的通信，接收用户的参数设置及运行模式设置，根据运行模式进行PI控制，计算出需要的晶闸管触发角，并下传到无线通信主站4。

所述模拟信号调理电路9具有运算放大器组成的比例变换及电位偏移电路，将正、负交变的输入信号调理成0～3V的电压信号送CPU处理器11处理。

所述电压、电流信号采用4重过采样取平均值方法滤波，每个采样时刻启动A/D转换器连续采4个数据计算得到一个采样数据，每个工频周期同步采样电压、电流获得2个128点数据序列，分别作128点FFT计算，获得电压、电流信号基波的正弦分量和余弦分量、谐波的幅值频谱。将基波无功和谐波功率作为无功，基波有功作为有功计算功率因数。

所述控制系统可以作为电网无功补偿、试验平台可调感性负载、高压电机软启动器等。

在作为电网无功补偿的应用场合，模拟信号调理电路9连接3路电网电压PT信号、3路电网电流CT信号，控制系统可运行在功率因数自动运行模式或无功功率自动运行模式，对电网功率因数和无功功率作闭环控制；在作为试验平台可调感性负载的应用场合，模拟信号调理电路9连接3路电感电流CT信号，电感电压由励磁控制器检测，控制系统运行在无功功率自动运行模式，对电感无功功率作闭环控制；在作为高压电机软启动器应用场合，模拟信号调理电路9连接3路电感电流CT信号、1路转速信号，电感电压由励磁控制器检测，控制系统运行在软启动运行模式，根据用户设定的启动模式，对电压、电流或转速作闭环控制。

所述控制系统的启动和停机等操作可以在光耦隔离输入电路13通过按钮实现。

所述控制系统的运行和故障等状态可以在继电器隔离输出电路12通过指示灯显示。光耦隔离输入电路13和继电器隔离输出电路12使CPU处理器11的引脚与外部输入和输出电路电气隔离，确保运行稳定可靠。

所述RS485通信接口电路15内部与CPU处理器11串行通信控制器A、B的收、发引脚连接，外部与液晶触摸屏2和无线通信主站4的RS48通信接口连接。液晶触摸屏2和主控制器3通过标准Modbus RTU通信协议通信，液晶触摸屏2作为主站，主控制器3作为从站。主控制器3和无线通信主站4传输层按自定义协议通信。

如图3所示，所述无线通信主站4包括无线单片机20、通信主站电源模块16、熔断器18、RS485通信接口17及外置式天线19；所述通信主站电源模块16、RS485通信接口17、以及外置式天线19与无线单片机20连接；所述熔断器18与通信主站电源模块16连接。无线单片机20采用Nordic公司nRF24LE1D芯片，采用16MHz无源晶体振荡器供给时钟信号。RS485通信接口17采用电源一体化的磁耦合隔离芯片。无线通信主站4与无线通信从站21传输层采用无线单片机20自带协议通信。

如图4所示，所述励磁控制器包括无线通信从站21、低通滤波电路22、触发驱动电路23、同步变压器24、双半波整流电路25、电源变压器26、冷却风机27及励磁电源模块28。所述励磁电源模块28、冷却风机27以及电源变压器26依次连接后与磁控电抗器43连接；所述无线通信从站21和同步变压器24连接后与磁控电抗器43连接；所述低通滤波电路22、触发驱动电路23以及双半波整流电路25依次连接后与磁控电抗器43连接；所述无线通信从站21还分别与低通滤波电路22、触发驱动电路23连接。

励磁控制器通过双半波整流电路25与磁控电抗器43每相的两个控制绕组直接连接，形成双半波整流，得到的直流电源将磁控电抗器43每相的上、下部分的主绕组作为负载。

励磁电源模块28通过电源变压器26匹配并连接到磁控电抗器43的一个控制绕组，为励磁控制器所有电路供电。冷却风机27通过电源变压器26供电。励磁电源模块28是宽输入电压范围的电源模块，满足软启动工作模式时控制绕组的电压变化范围。双半波整流电路25的同步信号通过同步变压器24取自磁控电抗器43的另一个控制绕组，该同步信号同时被无线通信从站21检测，用以检测磁控电抗器43的主电压。

无线通信从站21模块包括励磁控制器电源变换电路29、励磁控制器外围电路30、PCB天线31、无线单片机32、光耦隔离输入/输出电路33、拨码开关34及信号调理电路42；所述励磁控制器电源变换电路29、励磁控制器外围电路30、PCB天线31、光耦隔离输入/输出电路33、拨码开关34以及信号调理电路42同时与无线单片机32连接。无线通信从站21通过无线通信接收来自无线通信主站4的励磁触发角数据，并将数据通过无线单片机32变换为频率为10KHz，占空比随触发角线性变化的PWM信号。无线单片机32通过光耦隔离输入/输出电路33检测故障输入信号，同时通过信号调理电路42检测同步信号电压，并将故障及电压数据回传给无线通信主站4。

所述无线单片机32采用Nordic公司32脚封装的nRF24LE1E芯片，采用16MHz无源晶体振荡器供给时钟信号。励磁控制器电源变换电路29采用DC5V供电。

低通滤波电路22包括RC低通滤波环节35、36、加法器37、反相器38及低通滤波电路电源变换电路39。低通滤波电路22起到D/A转换器的作用，将无线单片机32输出的PWM信号变换成与晶闸管触发角成线性关系的DC1～10V的电压信号。

所述触发驱动电路23包括晶闸管控制芯片40、隔离驱动电路41及外围电路。晶闸管控制芯片40采用SIEMENS公司的TCA785芯片，将反相器38输出的控制电压变换成对应触发角的移相触发脉冲，经隔离驱动电路41放大隔离后驱动双半波整流电路25。双半波整流电路25的两只晶闸管Q1、Q2采用共阴极连接，公共的阴极作为双半波整流电路25输出的正极，磁控电抗器43的两个控制绕组的公共端点3作为双半波整流电路25输出的负极，由此形成双半波整流直流电源。磁控电抗器43上、下部分的主绕组分别作为负载，交叉连接在端点4、3，并与双半波整流直流电源的正、负极连接，主绕组通过双半波整流直流电源获得一定量的励磁直流电流。二极管D1反并联在双半波整流直流电源的正、负极，起到续流的作用。调节晶闸管的触发角，改变主绕组中励磁直流电流，这样就调节了磁控电抗器43每相铁芯的饱和度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1. 一种磁控电抗器控制系统，其特征在于，包括：

低压部分：检测电压和电流信号，按控制目标完成控制功能，以无线通信的方式发送触发角指令给高压部分；具体包括依次连接的上位工控机（1）、液晶触摸屏（2）、主控制器（3）、无线通信主站（4）、继保装置（5）；

高压部分：以无线通信方式接收低压部分发出的触发角指令，将故障信息及控制绕组电压上传到低压部分主控制器（3）；具体包括三个励磁控制组件，所述三个励磁控制组件分别包括励磁控制器A（6）、励磁控制器B（7）、励磁控制器C（8）；

所述高压部分励磁控制器A（6）、励磁控制器B（7）、励磁控制器C（8）分别与磁控电抗器（43）的A相、B相、C相控制绕组抽头端子1、2、3、4相连接，通过高压瓷瓶绝缘子安装在磁控电抗器（43）本体或者专用支架上；励磁控制器A（6）、励磁控制器B（7）、励磁控制器C（8）物理特性完全一致，电气接口及机械结构相同，所连接的相由拨码开关（34）的拨码位置标识；

所述励磁控制器A（6）、励磁控制器B（7）、励磁控制器C（8）均包括无线通信从站（21）、低通滤波电路（22）、触发驱动电路（23）、同步变压器（24）、双半波整流电路（25）、电源变压器（26）、冷却风机（27）及励磁电源模块（28）；所述励磁电源模块（28）、冷却风机（27）以及电源变压器（26）依次连接后与磁控电抗器（43）连接；所述无线通信从站（21）和同步变压器（24）连接后与磁控电抗器（43）连接；所述低通滤波电路（22）、触发驱动电路（23）以及双半波整流电路（25）依次连接后与磁控电抗器（43）连接；所述无线通信从站（21）还分别与低通滤波电路（22）、触发驱动电路（23）连接。

2. 根据权利要求1所述的一种磁控电抗器控制系统，其特征在于，所述低压部分的主控制器（3）包括CPU处理器（11），主控制器外围电路（14），模拟信号调理电路（9），主控制器电源变换电路（10），继电器隔离输出电路（12），光耦隔离输入电路（13）及RS485通信接口电路（15）； 所述主控制器外围电路（14）、模拟信号调理电路（9）、主控制器电源变换电路（10）、继电器隔离输出电路（12）、光耦隔离输入电路（13）及RS485通信接口电路（15）同时与CPU处理器（11）连接。

3. 根据权利要求2所述的一种磁控电抗器控制系统，其特征在于，无线通信主站（4）包括无线单片机（20）、通信主站电源模块（16）、熔断器（18）、RS485通信接口（17）以及外置式天线（19）；所述通信主站电源模块（16）、RS485通信接口（17）、以及外置式天线（19）与无线单片机（20）连接；所述熔断器（18）与通信主站电源模块（16）连接。

4.按权利要求1所述的一种磁控电抗器控制系统，其特征在于，所述励磁控制器无线通信从站（21）包括励磁控制器电源变换电路（29）、励磁控制器外围电路（30）、PCB天线（31）、无线单片机（32）、光耦隔离输入/输出电路（33）、拨码开关（34）及信号调理电路（42）；所述励磁控制器电源变换电路（29）、励磁控制器外围电路（30）、PCB天线（31）、光耦隔离输入/输出电路（33）、拨码开关（34）以及信号调理电路（42）同时与无线单片机（32）连接。