CN103744396A - 一种应用于svg、apf协调控制的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于SVG、APF协调控制的装置，包括工控机，其特征在于：所述工控机通过PCI插槽分别与三相电压采集装置、三相电流采集装置相连接，三相电压采集装置依次通过电压调理电路、PT连接至电网；三相电流采集装置依次通过电流调理电路、CT连接至电网；工控机与SVG、APF连接。本发明能够对SVG、APF等各种DFACTS设备之间进行协调控制，可以有效的解决各种DFACTS设备之间功能匹配的问题，最大程度的提高各自设备工作性能，极大的提升对瞬时电压中断、谐波电压电流、电压波动和闪变、电压不平衡等电能质量问题的综合补偿效果。

Description

一种应用于SVG、APF协调控制的装置

技术领域

本发明涉及电力系统电能质量和无功控制及治理技术领域，特别涉及一种应用于SVG、APF协调控制的装置。

背景技术

电能质量对电力系统的供电安全和供电质量有着重要的影响，由于大量的非线性和冲击性负荷并网运行、电网电力设备自身结构和特性因素、以及一些自然因素都造成了大量的谐波注入电网，以及电压不平衡、电压波动和闪变等现象，导致电网电能质量下降，并可能引起供电可靠性降低和电网事故等发生。

传统的SVG装置可以有效的解决系统动态电压质量问题，APF装置可以有效的解决动态电流问题，但两者控制相互独立，如果结合二者的优点，将两种装置进行协调控制，可以有效的解决两者之间的匹配问题，最大程度的提高两者的工作性能，实现对瞬时电压中断、谐波电压电流、电压波动和闪变、电压不平衡等电能质量问题的最佳综合补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对当前SVG、APF等DFACTS设备控制相互独立的问题，本发明的目的是提供了一种应用于SVG、APF等DFACTS设备之间协调控制的装置，实现对整个系统的电能质量和无功进行综合监控。

为解决上述技术问题,达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于SVG、APF协调控制的装置，包括工控机，其特征在于：所述工控机通过PCI插槽分别与三相电压采集装置、三相电流采集装置相连接，三相电压采集装置依次通过电压调理电路、PT连接至电网；三相电流采集装置依次通过电流调理电路、CT连接至电网；工控机与SVG、APF连接。

前述的应用于SVG、APF协调控制的装置，其特征在于：工控机通过PCI插槽与一光隔离开关量输入输出板连接，光隔离开关量输入输出板为PCI2310开关控制卡，用于与外部控制对象连接。

本发明所达到的有益效果：本发明的应用于SVG、APF等DFACTS设备之间协调控制的装置，可实现对整个系统的电能质量和无功进行综合监控，可以有效的解决各种DFACTS设备之间功能匹配的问题，最大程度的提高各自设备工作性能，极大的提升对瞬时电压中断、谐波电压电流、电压波动和闪变、电压不平衡等电能质量问题的综合补偿效果。

附图说明

图1为本发明的协调控制器的原理图；

图2为本发明的协调控制器的结构示意图；

图3为模拟量与采集卡的端子连接图；

图4为电流采样输入电路原理图；

图5a、图5b、图5c为电流采样调理电路原理图；

图6为电压采样输入电路原理图；

图7为电压采样调理电路原理图。

具体实施方式

本发明的应用于SVG、APF协调控制的装置，包括工控机，所述工控机通过PCI插槽分别与三相电压采集装置、三相电流采集装置相连接，三相电压采集装置依次通过电压调理电路、PT连接至电网；三相电流采集装置依次通过电流调理电路、CT连接至电网；工控机与SVG、APF连接。

本发明的协调控制的装置，通过采集装置采集到电网三相电压和三相电流数据，然后经过工控机将数据送入MCU单元进行计算处理，由于电压采集装置中二次侧电压最高为100V、电压采集装置中二次侧电流为5A，需要用CT把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流；需要用PT把数值较大的一次电压通过一定的变比转换为数值较小的二次电压，用来进行保护和测量。

下面分别对各部分进行说明：

PT：用于将输入电压变换为低电压等级的标准二次电压，综合方法通过外接连线连接到采集卡上，最后进行数据的采集、显示、计算等功能。

电压调理电路：将PT输出的电压变换成更低等级电压，并连接至电压采集装置。信号调理电路主要是将输入信号中的有用成分转换成能为负载或后电路所用的信号。

CT：把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，送至电流调理电路。

电流调理电路：是将输入信号中的有用成分转换成能为负载或后电路所用的信号。

三相电压采集装置或电流采集装置：采集电压调理电路和电流调理电路转换后的电压、电流信号，为后续计算使用；连续采集三相电压，采样频率高于12.8KHz，采样精度为0.2级，要求采集数据为15路；连续采集三相电流，并且采样频率高于12.8KHz，采样精度为0.2级，要求采集数据为30路。

工控机的MCU单元：计算电压、电流、频率、有功、无功、谐波2～50次、总畸变率等实时数据。

为了能有效的对SVG、APF等DFACTS设备起到控制作用，通过工控机连接到MCU来实现数据交互及信号的下发。控制原理是采用电压电流的双闭环原理，通过采集装置将直流侧的电压和交流侧的电流数据接收到工控机的MCU单元，然后进行电压外环和电流内环的处理来实现无功补偿的目的，通过微处理器将计算到的无功数据通过通讯端口发送到SVG，实现SVG自动控制功能。同时MCU将采集到的电网电流分离出电流基波和谐波，再将谐波分量作为指令电流信号，通过控制来驱动逆变器主电路产生与谐波电流方向相反幅值相等的补偿电流，送入电网抵消谐波电流，从而实现滤波的功能。

在控制方面，根据采集到的系统电压、电流值计算出当前需要下发的无功值和补偿电流，对SVG、APF等各种DFACTS设备之间进行协调控制，最大程度的提高各DFACTS设备工作性能，实时最优的补偿系统无功及谐波。

本发明中，为了实现多路采集同时精度较高的目的，在设计中采用了一款PCI总线的隔离高速模拟量输入的装置，提供了32路模拟量输入通道，采样频率高达100KS/s，在设计过程中为了保护PC及外设免受输入线上高电压的损害，采用了2500V（DC）的直流隔离保护，同时为了实现与外部设备进行同步采样，在设计中采用外部触发方式，通过该电路可以灵活的采集数据，经现场验证稳定性高。工控机通过PCI插槽与光隔离开关量输入输出板连接，光隔离开关量输入输出采用PCI2310开关控制卡，具有32路开关量输入和32路开关量输出，通过采集装置得到三相电压、三相电流，当装置过压、过流时可以将控制信号传递给输出端子，从而起到对SVG、APF等DFACTS设备控制。同时通过光隔离开关量的输入板可以将外部的信号反馈回装置中，便于用户实时查看装置的运行情况，起到很好的监控作用。

本发明中，在通信方面，可以进行光纤通信、网络通信、CAN通信以及串口通信，便于满足不同设备的通信需求。工控机通过PCI插槽与CAN扩展模块、串口扩展卡相连，所述串口扩展卡通过光电转换器与SVG、APF设备相连。对CAN扩展模块以及串口扩展模块都有成熟的产品，通过PCI插槽与工控机连接可以实现相应的功能，工控机具有超过10路的PCI插槽。

本发明的应用于SVG、APF协调控制的装置，实时数据刷新频率小于0.5秒，可以监测各个开关量输入节点，根据相应指标可以进行跳闸、告警等输出指令，并可以将数据反馈到电脑上并保存到数据库中，便于后续进行相关数据统计查找。

另外，工控机的供电方式采用交直流双用的做法，采用UPS和交流供电的方案，可有效的解决电源干扰问题，比如停电，高低电压，波形失真，频率不稳，突波保护等问题。

同时，装置具有自检功能，当装置自身发生错误及故障时，自动检测并告警，测试手段主要是软件自检和硬件保护。由于开关节点数较多，所以系统工作时要求所有的继电器开关均处于良好的工作状态。继电器开关故障，容易引起测量数据的错误，也可能造成对设备的损坏，因此，当协调控制器检测到设备出现错误及故障时，自动告警。对继电器的自检主要是通过运行自测程序，看是否能让继电器正常工作，对装置本体的模拟主要是通过断开带电回路，通过在触摸屏上模拟开关的闭合来查看继电器工作情况。

多路电压电流采集数据的具体实现方式如下：

模拟量与采集卡的端子连接见图3。

电流采样计算：

要求：外部输入电压最大值100V（有效值）；

调理关系：

输入为三相星接电压，输出为三相线/相电流；

原理图示意：

输入电路如图4所示；

调理电路如图5所示。

电压采样计算：

要求：外部输入电流最大值5A（有效值），

内部CT：5A/5mA

调理关系：

本例中，R选择为604欧姆；

原理图示意

输入电路如图6所示；

调理电路如图7所示。

电压电流采样计算：

电流采样输入5A（有效值）

$5A\×\frac{5\mathrm{mA}}{5A}\×604=3.02$

由于电流正弦变化，显示屏变化最大最小值为±4.27

电压采样输入50V（有效值）（三相星接）

$50V\×\frac{2K}{66K}=1.515V$

线电压为：

由于电压正弦变化，显示屏变化最大最小值为±3.710

为保障输入范围可见，将模拟量电流和电压通道输入范围设置为±10V。

工控机中MCU的数据处理包括：计算频率、电压、电流、有功、无功、总畸变率、谐波2～50次等实时数据，实时数据刷新频率小于0.5秒。

1)计算电压、电流的有效值X_Rms：

N为一个周期采样数，x_n为电压电流瞬时值，

通过实时的读取A/DA/D采样值，在计算时采用滑动窗的方式，每读一个点后就更新一下当前周期的平方和，即减去上一个周波同位置的点再加上当前点，也就是用当前点替换掉上一个周波同位置的点。由于有效值计算都采用了滑动窗的方式，为了避免累积误差，采用了周期定时更新的方式，即每个周期均都从零开始重新计算一个完整周期的值，并替换掉当前累积值。

为了尽可能保证精度，程序中计算时电压以kV为单位，电流以10A为单位，无功以100kVar为单位；显示时电压以kV为单位，电流以A为单位，无功以10kVar为单位。

2)利用以下公式计算无功功率Q：

N为一个周期采样数u(n)，电压瞬时值；i(n)：电流瞬时值；n:当前采样点；

利用以下公式计算有功功率P：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)*i\left(n\right),$ N为一个周期采样数

根据有功功率和无功功率计算功率因数，有功功率和无功功率每周波计算一次。

3)计算总谐波畸变率:采用快速傅立叶变换计算出所有全部谐波含量均方根值，之后与基波均方根值相比得到总谐波畸变率（THD）计算方法如下：

${\mathrm{THD}}_I=\frac{\sqrt{\underset{h=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_h^2}}{I1}\×100\%$

上式中I₁为基波，I_h为各次谐波，THDI为电流总谐波畸变率；h为谐波次数；M为最大谐波次数。

本发明具备20个开关量输入接口,根据要求监测各个开关量输入节点的状态，并根据要求显示输入的开关量分合位置。20个开关量输出接口，输出为无源节点信号，带载能力为220VAC/0.5A,220VDC/2A；输出开关量要能根据指标要求发出告警、跳闸等指令信号。

采用PCI2310光隔离输入输出板，具有32路开关量隔离输入和32路开关量隔离输出。用于控制接触器的启停功能，当系统上电后，通过开出节点，控制接触器线圈得电，从而使得整个系统工作，当外界有信号变化反馈到继电器时，通过隔离板，可以将信号量反馈回工控机，通过显示界面给客户以直观的认识。

为了便于对装置的故障进行记录，将所有事件进行了充分考虑，通过信息获取装置，将外界检测到的信息转换成能被电脑识别的可处理和存储的信息，将所感测到的事件既可以手动触发存储也可以自动存储并且将信息写入到电脑上，对于数据可以自动的形成图表并且以标准数据存储到电脑上。

本发明具备多路通信的功能，包括：光纤通信、网络通信、CAN通信、串口通信等功能。在设计中增加了光纤通信的板卡，光纤通信速率达到100M速度，扩展了接口；针对光纤通信，采用自主研发的光纤通信的模块，可以实现将数据通过光纤传输到设备中，在现场成功验证。

本发明整机采用抽屉式玻璃门控制柜，在不用打开柜门的情况下便于查看主界面的重要数据。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于SVG、APF协调控制的装置，包括工控机，其特征在于：所述工控机通过PCI插槽分别与三相电压采集装置、三相电流采集装置相连接，三相电压采集装置依次通过电压调理电路、PT连接至电网；三相电流采集装置依次通过电流调理电路、CT连接至电网；工控机与SVG、APF连接。

2.根据权利要求1所述的应用于SVG、APF协调控制的装置，其特征在于：工控机通过PCI插槽与一光隔离开关量输入输出板连接，光隔离开关量输入输出板为PCI2310开关控制卡，用于与外部控制对象连接。

3.根据权利要求1所述的应用于SVG、APF协调控制的装置，其特征在于：工控机中MCU的数据处理步骤包括：

1)计算电压、电流的有效值X_Rms：

N为一个周期采样数，x_n为电压电流瞬时值，

通过实时的读取电压采集装置、电流采集装置中的A/D转换电路输出值进行计算，在计算时采用滑动窗的方式，每读一个点后就更新一下当前周期的平方和，即减去上一个周波同位置的点再加上当前点；

2)利用以下公式计算无功功率Q：

N为一个周期采样数，u(n)：电压瞬时值；i(n)：电流瞬时值；n:当前采样点；

利用以下公式计算有功功率P：

$P=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)*i\left(n\right),$ N为一个周期采样数；

根据有功功率和无功功率计算功率因数，有功功率和无功功率每周波计算一次；

3)计算总谐波畸变率:采用快速傅立叶变换计算出所有全部谐波含量均方根值，之后与基波均方根值相比得到总谐波畸变率THD计算方法如下：

${\mathrm{THD}}_I=\frac{\sqrt{\underset{h=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_h^2}}{I1}\×100\%$

上式中I₁为基波，I_h为各次谐波，THD_I为电流总谐波畸变率；h为谐波次数；M为最大谐波次数。

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