CN104092214B - 多功能谐波优化智能控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能谐波优化智能控制器及其控制方法，控制器为：电量采集单元接收抽油机供配电系统的电压、电流采样信号，输出至电量计量单元，电量计量单元再将计量数据输入诊断单元；诊断单元与谐波优化单元通过通讯单元进行通讯连接；诊断单元通过输入单元输入开关量信号，通过输出单元输出控制信号至外部保护执行元件；方法为：系统上电后，启动多任务线程；各线程进行功能处理，包括电量采集任务线程、显示任务线程、谐波诊断线程、开关量输入及输出管理线程、通讯管理线程、保护处理线程以及分路计量保护控制管理线程。本发明在相关行业得到广泛的应用，有效提高了供配电保护的可靠性、消除谐波干扰、提高功率因数、计量准确，减少设备损坏。

Description

多功能谐波优化智能控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于抽油机供配电系统中的控制技术，具体的说是一种多功能谐波优化智能控制器及其控制方法。

背景技术

石油行业电网用电负荷中85％以上的负荷为感性负荷，如各种油泵、电机等，普遍存在功率因数低，线路损耗大的问题。近几年来，随着油田对节能工作提出了更高的要求，随着电力电子技术的发展，油田企业为了提高原油产量和综合经济效益，在油田设备中应用了大量具有非线性特性的节能装置，如变频器、可控硅调压装置、控制器等，这些电子设备带来节能效益的同时，也给油田电网注入大量谐波，严重污染着油田电网。“电力污染”问题不仅造成电能质量的恶化，给油田生产带来巨大的损失，还危及电力设备及电网的安全稳定运行。油田电网的谐波治理日趋重要，但已经实施的项目中大多采用无源滤波器，油田抽油机(俗称“磕头机”)上很少有使用APF(谐波优化)的成功案例。目前供配电系统无功补偿的主要手段是在35kV侧安装电容器补偿，对谐波治理作用甚微。

油田设备的功率因数很低，线路损耗较大，现采用的投切电容补偿方式，易产生补偿不足或过补偿，另外，电容器损坏率很高；

油田使用的配电柜一般采用多回路供配电方式，保护功能不完善，接地和漏电保护不可靠，漏电保护电流大且无法调整。

目前对现场用电设备的电量计量采用普通电表，计量数据单一，精确度不高。

发明内容

针对现有抽油机供配电设备存在接地和漏电保护不可靠、谐波消除和无功补偿效果差等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种有效提高供配电保护的可靠性、消除谐波干扰、提高功率因数且计量准确的多功能谐波优化智能控制器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是；

本发明多功能谐波优化智能控制器，安装于抽油机供配电系统中，包括：电量采集单元、电量计量单元、诊断单元、通讯单元、谐波优化单元、输入单元以及输出单元，其中电量采集单元接收抽油机主供电回路系统的电压、电流采样信号，输出至电量计量单元，电量计量单元再将计量数据输入诊断单元；诊断单元与谐波优化单元通过通讯单元进行通讯连接；诊断单元通过输入单元输入开关量信号，通过输出单元输出控制信号至外部保护执行元件。

本发明还具有分路控制单元，其包括电量采集子单元、电量计量子单元以及诊断子单元，其中电量采集子单元接收抽油机分路供配电回路的电压、电流采样信号，输出至电量计量子单元，电量计量子单元再将计量数据输入诊断子单元；诊断子单元输出控制信号至外部保护执行子单元；诊断子单元与诊断单元进行通讯连接。

所述分路控制单元为多路，各路内部均包括电量采集子单元、电量计量子单元以及诊断子单元，各子单元间的连接关系相同；各电量采集子单元分别接收不同分路供配电回路的电压、电流采样信号，各诊断子单元分别与诊断单元进行通讯连接。

本发明多功能谐波优化智能控制器的控制方法包括以下步骤：

系统上电后，启动多任务线程；

各线程进行功能处理，包括电量采集任务线程、显示任务线程、谐波诊断线程、开关量输入及输出管理线程、通讯管理线程、保护处理线程以及分路计量保护控制管理线程；

谐波诊断线程的控制流程为：

采集电流数据；

对上述电流数据进行FFT分析计算，得到各次谐波数据；

将上述谐波数据发送至任务邮箱。

所述分路计量保护控制管理的控制流程为：

判断分路供配电回路是否运行；

如果该分路供配电回路正在运行，则读取分路供配电回路的运行数据；

读取分路供配电回路的保护状态数据；

根据分路供配电回路的运行数据和保护状态数据进行保护处理；

处理结束后，经过延时，回到判断分路供配电回路是否运行步骤。

保护处理线程的控制流程如下：

根据主供电回路和分路供配电回路的运行数据和保护状态数据判断是否需要主供电回路过流保护、主供电回路缺相保护、主供电回路接地保护以及分路供配电回路保护所引起的主供电回路保护动作；

如果需要主供电回路过流保护，则进行主供电回路过流保护处理；

如果需要主供电回路缺相保护，则进行主供电回路缺相保护处理；

如果需要主供电回路接地保护，则进行主供电回路接地保护处理；

如果分路供配电回路有保护动作，则进行主供电回路保护处理；

结束一次保护处理线程。

所述通讯管理的控制流程如下：

判断是否有通讯事件；

如果有通讯事件，且事件是分路供配电回路通讯事件，则与分路供配电回路进行通讯；

发送数据或指令至分路供配电回路；

等待分路供配电回路回应，一次通讯管理过程结束，转至判断是否有通讯事件步骤。

所述通讯管理的控制流程如下：

判断是否有通讯事件；

如果有通讯事件，且事件是谐波优化单元通讯事件，则与谐波优化单元进行通讯；

发送数据或指令至谐波优化单元；

等待谐波优化单元回应，一次通讯管理过程结束，转至判断是否有通讯事件步骤。

所述电量采集的控制流程如下：

定时采集时间到后，判断电能测量芯片是否正常工作；

如果电能测量芯片正常工作，则采集电量信号；

对上述电量信号进行数据运算；

将上数据运算的结果发送至任务邮箱；

结束一次电量采集过程，返回等待定时采集时间到步骤；

如果电能测量芯片不能正常工作，则复位电能测量芯片，返回等待定时采集时间到步骤。

所述开关量输入及输出管理的控制过程如下：

当采样时间到后，进入采样输入状态；

对输入状态数据进行处理，将输入状态数据发送到任务邮箱；

对开关量输出状态数据进行处理，输出动作控制指令；

结束一次控制过程，返回等待采样时间步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在电力系统、通信、石化、钢铁冶炼、建筑、工矿、电气化铁路、冶金、化纤、机械、高精度自动化生产线等相关行业得到了广泛的应用，有效提高了供、配电保护的可靠性、消除了谐波干扰、提高了功率因数、计量准确，减少了设备损坏。

附图说明

图1为本发明谐波优化智能控制器结构框图；

图2为本发明方法控制流程图；

图3为本发明方法中电量采集控制流程图；

图4为本发明方法中开关量输入输出控制流程图；

图5为本发明方法中显示控制流程图；

图6为本发明方法中谐波诊断控制流程图；

图7为本发明方法中通讯管理控制流程图；

图8为本发明方法中分路计量保护控制管理流程图；

图9为本发明方法中保护处理控制流程图；

图10为应用于本发明中的谐波优化单元原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明多功能谐波优化智能控制器安装于抽油机供配电系统中，包括：电量采集单元、电量计量单元、诊断单元、通讯单元、谐波优化单元、输入单元以及输出单元，其中电量采集单元接收抽油机主供电回路系统的电压、电流采样信号，输出至电量计量单元，电量计量单元再将计量数据输入诊断单元；诊断单元与谐波优化单元通过通讯单元进行通讯连接；诊断单元通过输入单元输入开关量信号，通过输出单元输出控制信号至外部保护执行元件。

本发明智能控制器还具有分路控制单元，其包括电量采集子单元、电量计量子单元以及诊断子单元，其中电量采集子单元接收抽油机分路供配电回路的电压、电流采样信号，输出至电量计量子单元，电量计量子单元再将计量数据输入诊断子单元；诊断子单元输出控制信号至外部保护执行子单元；诊断子单元与诊断单元进行通讯连接。

所述分路控制单元为多路，各路内部均包括电量采集子单元、电量计量子单元以及诊断子单元，各子单元间的连接关系相同；各电量采集子单元分别接收不同分路供配电回路的电压、电流采样信号，各诊断子单元分别与诊断单元进行通讯连接。

本实施例中，谐波优化单元为有源电力滤波器(APF)，为市购产品SPAPF400V系列。APF的运行状态受控于本发明控制器，当谐波诊断结果超出谐波标准范围时，或需要无功补偿时，则通过通讯管理线程控制谐波优化单元投切，达到消除谐波的和无功补偿的效果。

如图10所示，有源电力滤波器(APF)是近年来针对无源滤波技术的上述缺点而提出的一种谐波治理新技术，通过实时检测负载的谐波与无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入到配电系统中，实现消除谐波、动态补偿无功的功能。APF有源电力滤波器是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术支撑的新型电力谐波治理专用设备。该装置采用矢量筛选技术，可对2～50次谐波之间进行有选择的(8个)补偿或者全部的谐波补偿。该装置集动态滤波、动态无功功率补偿于一体，性能优异，具有响应速度快，滤波精度高，不受系统参数影响等优点，是理想的谐波治理产品。

APF还可专门用于无功功率补偿，实现动态快速补偿无功功率波动的性能。其性能特点：并联接入，便于安装与维护；动态实时跟踪补偿，响应速度快；滤波效果不受电网阻抗影响；可单独治理谐波，亦可同时补偿谐波与无功；全数字化控制，电路简单可靠，能精确快速的提取负荷无功和谐波分量；采用矢量筛选技术，可对2～50次谐波之间进行有选择的(8个)补偿或者全部的谐波补偿；可根据负荷变化，自动合理限制补偿电流，既具有良好的补偿性能，又可保证装置安全可靠工作。

如图2所示，本发明多功能谐波优化智能控制器的控制方法，包括以下步骤：

系统上电后，启动多任务线程；

各线程进行功能处理，包括电量采集任务线程、显示任务线程、谐波诊断线程、开关量输入及输出管理线程、通讯管理线程、保护处理线程以及分路计量保护控制管理线程；其中谐波诊断线程的控制流程如图6所示：

采样电流数据；

对上述电流数据进行FFT分析计算，得到各次谐波数据；

将上述谐波数据发送至任务邮箱。

该线程是为了检测供配电系统中是否有谐波含量，如果有谐波含量超标，则投切谐波优化单元进行滤波处理。同理，配合硬件部分，需要无功补偿时，则通过通讯管理线程控制谐波优化单元投切，达到消除谐波的和无功补偿的效果。

如图8所示，所述分路计量保护控制管理的控制流程为：

判断分路供配电回路是否运行；

如果该分路供配电回路正在运行，则读取分路供配电回路的运行数据；

读取分路供配电回路的保护状态数据；

根据分路供配电回路的运行数据和保护状态数据进行保护处理；

处理结束后，经过延时，回到判断分路供配电回路是否运行步骤。

本发明为抽油机供配电系统提供多分路配电系统，在主回路基础上，加设分路计量保护控制，如图1所示，在一个配电柜中设置三路分路供配电回路，还可以根据需要配置更多个回路，每个回路通过通讯单元与主回路中的诊断单元进行通讯。各回路均采用同样的方式进行控制管理。

如图9所示，保护处理线程的控制流程如下：

根据主供电回路和分路供配电回路的运行数据和保护状态数据判断是否需要主供电回路过流保护、主供电回路缺相保护、以及主供电回路接地保护以及分路供配电回路保护所引起的主供电回路保护动作；

如果需要主供电回路过流保护，则进行主供电回路过流保护处理；

如果需要主供电回路缺相保护，则进行主供电回路缺相保护处理；

如果需要主供电回路接地保护，则进行主供电回路接地保护处理；

如果分路供配电回路有保护动作，则进行主供电回路保护处理；

结束一次保护处理线程。

设置本线程的目的在于对分路供配电回路的过流、缺相、接地以及外部供配电的保护状态进行监控处理，对整个系统提供进一步的保护措施，使系统运行更安全。

如图7所示，所述通讯管理的控制流程如下：

判断是否有通讯事件；

如果有通讯事件，且事件是分路供配电回路通讯事件，则与分路供配电回路进行通讯；

发送数据或指令至分路供配电回路；

等待分路供配电回路回应，一次通讯管理过程结束，转至判断是否有通讯事件步骤。

或者，通讯管理的控制流程如下：

判断是否有通讯事件；

如果有通讯事件，且事件是谐波优化单元通讯事件，则与谐波优化单元进行通讯；

发送数据或指令至谐波优化单元；

等待谐波优化单元回应，一次通讯管理过程结束，转至判断是否有通讯事件步骤。

上述两个通讯管理流程在同一些时间段内只能根据事件的优先择一运行，目的是向分路供配电回路和APF发送指令及数据，并读取数据和工作状态，对相关数据进行处理，进行运算、显示等。

如图3所示，所述电量采集的控制流程如下：

定时采集时间到后，判断电能测量芯片是否正常工作；

如果电能测量芯片正常工作，则采集电量信号；

对上述电量信号进行数据运算；

将上数据运算的结果发送至任务邮箱；

结束一次电量采集过程，等待定时采集时间到步骤。

如果电能测量芯片不正常工作，则复位电能测量芯片，返回等待定时采集时间到步骤。

本线程从进线端采集电量数据，经数据运算，得到相关电量信息，这些信息用于电量累计和保护处理。

如图4所示，所述开关量输入及输出管理的控制过程如下：

当采样时间到后，进入采样输入状态；

对输入状态数据进行处理，将输入状态数据发送到任务邮箱；

对开关量输出状态数据进行处理，输出动作控制指令；

结束一次控制过程，返回等待采样时间步骤。

本线程用于检测外部输入信息，如启停设备操作控制等。根据其他线程产生的保护状态，输出控制动作，用于控制外部执行部件的动作响应。

上述所有线程的控制过程贯穿于整个工作流程，线程间进行通讯、同步及数据交换，使本发明能够及时、有效的完成各项任务，如计量、消除谐波、诊断、分配、保护以及分路控制，减少了设备损坏。

Claims (9)

1.一种多功能谐波优化智能控制器，其特征在于：安装于抽油机供配电系统中，包括：电量采集单元、电量计量单元、诊断单元、通讯单元、谐波优化单元、输入单元以及输出单元，其中电量采集单元接收抽油机主供电回路系统的电压、电流采样信号，输出至电量计量单元，电量计量单元再将计量数据输入诊断单元；诊断单元与谐波优化单元通过通讯单元进行通讯连接；诊断单元通过输入单元输入开关量信号，通过输出单元输出控制信号至外部保护执行元件；

还具有分路控制单元，其包括电量采集子单元、电量计量子单元以及诊断子单元，其中电量采集子单元接收抽油机分路供配电回路的电压、电流采样信号，输出至电量计量子单元，电量计量子单元再将计量数据输入诊断子单元；诊断子单元输出控制信号至外部保护执行子单元；诊断子单元与诊断单元进行通讯连接。

2.按权利要求1所述的多功能谐波优化智能控制器，其特征在于：所述分路控制单元为多路，各路内部均包括电量采集子单元、电量计量子单元以及诊断子单元，各子单元间的连接关系相同；各电量采集子单元分别接收不同分路供配电回路的电压、电流采样信号，各诊断子单元分别与诊断单元进行通讯连接。

3.按权利要求1所述的多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

系统上电后，启动多任务线程；

各线程进行功能处理，包括电量采集任务线程、显示任务线程、谐波诊断线程、开关量输入及输出管理线程、通讯管理线程、保护处理线程以及分路计量保护控制管理线程；

谐波诊断线程的控制流程为：

采集电流数据；

对上述电流数据进行FFT分析计算，得到各次谐波数据；

将上述谐波数据发送至任务邮箱。

4.按权利要求3所述多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于：所述分路计量保护控制管理线程的控制流程为：

判断分路供配电回路是否运行；

如果该分路供配电回路正在运行，则读取分路供配电回路的运行数据；

读取分路供配电回路的保护状态数据；

根据分路供配电回路的运行数据和保护状态数据进行保护处理；

处理结束后，经过延时，回到判断分路供配电回路是否运行步骤。

5.按权利要求3或4所述多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于：保护处理线程的控制流程如下：

根据主供电回路和分路供配电回路的运行数据和保护状态数据判断是否需要主供电回路过流保护、主供电回路缺相保护、主供电回路接地保护以及分路供配电回路保护所引起的主供电回路保护动作；

如果需要主供电回路过流保护，则进行主供电回路过流保护处理；

如果需要主供电回路缺相保护，则进行主供电回路缺相保护处理；

如果需要主供电回路接地保护，则进行主供电回路接地保护处理；

如果分路供配电回路有保护动作，则进行主供电回路保护处理；

结束一次保护处理线程。

6.按权利要求3所述多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于：所述通讯管理线程的控制流程如下：

判断是否有通讯事件；

如果有通讯事件，且事件是分路供配电回路通讯事件，则与分路供配电回路进行通讯；

发送数据或指令至分路供配电回路；

等待分路供配电回路回应，一次通讯管理过程结束，转至判断是否有通讯事件步骤。

7.按权利要求3所述多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于：所述通讯管理线程的控制流程如下：

判断是否有通讯事件；

如果有通讯事件，且事件是谐波优化单元通讯事件，则与谐波优化单元进行通讯；

发送数据或指令至谐波优化单元；

等待谐波优化单元回应，一次通讯管理过程结束，转至判断是否有通讯事件步骤。

8.按权利要求3所述多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于：所述电量采集任务线程的控制流程如下：

定时采集时间到后，判断电能测量芯片是否正常工作；

如果电能测量芯片正常工作，则采集电量信号；

对上述电量信号进行数据运算；

将上述数据运算的结果发送至任务邮箱；

结束一次电量采集过程，返回等待定时采集时间到步骤；

如果电能测量芯片不能正常工作，则复位电能测量芯片，返回等待定时采集时间到步骤。

9.按权利要求3所述多功能谐波优化智能控制器的控制方法，其特征在于：所述开关量输入及输出管理线程的控制过程如下：

当采样时间到后，进入采样输入状态；

对输入状态数据进行处理，将输入状态数据发送到任务邮箱；

对开关量输出状态数据进行处理，输出动作控制指令；

结束一次控制过程，返回等待采样时间步骤。