CN105743068B - 一种无功发生器保护系统 - Google Patents

Abstract

一种无功发生器保护系统，主保护模块包括故障仲裁器以及多个系统保护模块，故障仲裁器包括故障类型输出模块以及多个按照优先级依次工作的第一级故障判断模块，采样模块以及系统保护模块均与第一级故障判断模块连接，优先级最低的第一级故障判断模块与故障类型输出模块连接，故障类型输出模块与人机交互模块连接，第一级故障判断模块内设置有多个按照优先级依次工作的第二级故障判断模块。本发明将可能并发的故障通故障定位算法，精准地向用户提供故障类型报警，同时将故障类型以一定优先级排序。

Description

一种无功发生器保护系统

技术领域

本发明涉及无功补偿设备控制技术领域，尤其涉及一种无功发生器保护系统。

背景技术

SVG（Static Var Generator），又称为静止同步补偿器（Static SynchronousCompensator, 简称STATCOM）。其基本原理是利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一身，具有能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率的特点，能快速平滑地补偿感性无功和容性无功，保持电压稳定。

现有技术中对SVG的控制系统的保护却存在诸多问题，其中以故障判断不准确导致故障不能及时排除为先，以电压相关故障保护为例，与电压相关的故障保护有：电网电压过/欠压、电网频率超限、电网同步丢失。在主回路失电的情况下，电压欠压保护生效、电网频率低保护、电网同步丢失保护。但如果同时上报这三种故障，用户则无从准确地判定故障的来源，也就不从有效地排除真正的故障。

又如公开号为CN104901289A的中国发明专利一种自动监测运行故障的电路保护装置，包括接地故障保护单元和自我故障监测单元，接地故障保护单元实现对交流电源供电回路及用电器上发生的接地故障的检测和防护功能。自我故障监测单元采用二个延迟电路实现通电初期的故障监测和周期性的定时故障监测功能。接地故障保护电路和自我故障监测单元分时工作，实现不断电自我故障监测。但是该发明专利只能针对单一故障，当故障类型增多后该发明专利无法应对。

发明内容

针对现有技术的不足之处本发明提供一种无功发生器保护系统，本发明将可能并发的故障通故障定位算法，精准地向用户提供故障类型报警，同时将故障类型以一定优先级排序。

本发明的技术方案是提供一种无功发生器保护系统，其特征在于：包括主保护模块、存储模块、采样模块、上电模块、通讯模块以及人机交互模块，所述存储模块以及所述人机交互模块与所述通讯模块连接，所述采样模块、所述上电模块以及所述通讯模块均与所述主保护模块连击，所述主保护模块包括故障仲裁器以及多个系统保护模块，所述的故障仲裁器包括故障类型输出模块以及多个按照优先级依次工作的第一级故障判断模块，所述的采样模块以及所述系统保护模块均与所述第一级故障判断模块连接，优先级最低的所述第一级故障判断模块与所述故障类型输出模块连接，所述故障类型输出模块与所述人机交互模块连接，所述第一级故障判断模块内设置有多个按照优先级依次工作的第二级故障判断模块。

作为本发明的优选，所述的故障冲裁器包括用于连接多个所述第一级故障判断模块的第一循环控制环以及设置在所述第一级故障判断模块内用于连接多个所述第二级故障判断模块的第二循环控制环。

由此，这样就实现了各个保护模块之间的优先级处理以及工作循环和保护模块内的优先级处理以及工作循环互相不干涉，相辅相成提高判断准确性和效率。

作为本发明的优选，多个所述第一级故障判断模块为IGBT故障判断模块、电流相关故障判断模块、电压相关故障判断模块、运行相关故障判断模块以及通讯故障判断模块，所述IGBT故障判断模块、所述电流相关故障判断模块、所述电压相关故障判断模块、所述运行相关故障判断模块以及所述通讯故障判断模块的肯定侧与否定侧分别按照各自优先级顺序进行连接后再与所述故障类型输出模块连接形成所述第一循环控制环。

作为本发明的优选，所述第一循环控制环包括停机分闸控制环以及非停机分闸控制环，

由此，可以有效率的进行故障保护，如果对于没有必要停机的故障也进行停机处理，那么第一反向增加系统启动次数，对系统本身稳定性不好，第二使得系统工作的实际效率降低。

作为本发明的优选，所述的故障仲裁器还包括故障停机分闸模块，所述的IGBT故障判断模块、所述电流相关故障判断模块、所述电压相关故障判断模块以及所述运行相关故障判断模块的肯定侧与所述通讯故障判断模块的肯定侧以及故障类型输出模块顺序连接，且否定侧顺序连接后与所述故障停机分闸模块连接，所述故障停机分闸模块与所述故障类型输出模块连接后形成所述停机分闸控制环；所述的通讯故障判断模块的肯定侧与所述通讯故障输出模块连接，且否定侧直接与所述故障类型输出模块连接形成所述非停机分闸控制环。

由此，进一步明确了需要停机的故障类型以及不需要停机的故障类型。

作为本发明的优选，系统保护模块包括与IGBT故障判断模块连接的IGBT故障保护模块以及IGBT过温保护模块、与所述电流相关故障判断模块连接的SVG过流保护模块、与所述电压相关故障判断模块连接的电网电压过欠压保护模块以及母线过压保护模块、与所述运行相关故障判断模块连接的电网频率超限保护模块以及电网同步丢失保护模块以及算法DSP死机告警模块以及存储器故障告警模块、与所述通讯故障判断模块连接的通讯故障保护模块。

由此，进一步明确各个保护模块的实际优先级。

作为本发明的优选，所述第一循环控制环以及所述第二循环控制环均按照优先级顺序对故障类型进行输出。

由此，使得故障输出时一目了然，不会存在不明确的情况。

作为本发明的优选，所述的故障类型输出模块以及所述的第二级故障判断模块的优先级按照相应故障对系统的输出影响程度制定。

由此，优先级才有实际意义，这样制定的优先级能有机的为系统服务。

本发明具有以下有益效果：

本发明具有准确地判定故障的来源，有效地排除真正的故障的优点。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的故障冲裁器流程框图；

图3为本发明的IGBT故障保护模块流程框图；

图4为本发明的IGBT过温保护模块流程框图；

图5为本发明的SVG过流保护模块流程框图；

图6为本发明的电网电压过欠压保护模块流程框图；

图7为本发明的母线过压保护模块流程框图；

图8为本发明的电网频率超限保护模块流程框图；

图9为本发明的电网同步丢失保护模块流程框图；

图10为本发明的算法DSP死机告警模块流程框图；

图11为本发明的第二循环控制环电压相关故障判断流程框图；

图12为本发明的上电模块结构框图；

图13为本发明的通讯模块结构框图；

图中，1-IGBT故障判断模块；2-电流相关故障判断模块；3-电压相关故障判断模块；4-运行相关故障判断模块；5-通讯故障判断模块；6-故障类型输出模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例包括主保护模块、存储模块、采样模块、上电模块、通讯模块以及人机交互模块。保护模块为保护DSP软件的主要功能，实现了对电网电压、SVG电流、母线过压、IGBT故障保护、IGBT过温保护、电网频率超限保护、电网同步丢失告警、存储器故障告警及算法DSP死机告警；采样模块通过对本DSP采样的读取，并计算出电网各项参数相关电参数的有效值，以备保护模块及通讯模块使用；上电模块控制在SVG设备启动时的各项时序及状态的控制；通讯模块实现了对上位机(人机界面)的通讯及对算法DSP的通讯；存储模块实现了关键运行参数的存储，以备再次启动时取用；通讯模块实现了对保护DSP的数据通讯。其中特别实现了对运行状态变量的缓存并通过保护DSP上传至上位机。

存储模块以及人机交互模块与通讯模块连接，采样模块、上电模块以及通讯模块均与主保护模块连击，主保护模块包括故障仲裁器以及多个系统保护模块，故障仲裁器包括故障类型输出模块6以及多个按照优先级依次工作的第一级故障判断模块，采样模块以及系统保护模块均与第一级故障判断模块连接，优先级最低的第一级故障判断模块与故障类型输出模块6连接，故障类型输出模块6与人机交互模块连接，第一级故障判断模块内设置有多个按照优先级依次工作的第二级故障判断模块。故障类型输出模块6以及第二级故障判断模块的优先级按照相应故障对系统的输出影响程度制定。

故障冲裁器包括用于连接多个第一级故障判断模块的第一循环控制环以及设置在第一级故障判断模块内用于连接多个第二级故障判断模块的第二循环控制环。第一循环控制环以及第二循环控制环均按照优先级顺序对故障类型进行输出。如图11所示，本发明实施例的第二循环控制环以电压相关故障保护为例。与电压相关的故障保护有；电网电压过/欠压、电网频率超限、电网同步丢失。在主回路失电的情况下，电压欠压保护生效、电网频率低保护、电网同步丢失保护。但如果同时上报这三种故障，用户则无从准确地判定故障的来源，也就不从有效地排除真正的故障。而在第二循环控制环中，优先级由高到低是过压判断高于欠压判断高于电网同步丢失保护判断高于电网频率判断，然后每一级判断最终输出的结果均依次进行电压相关故障输出，如果全部正常则该流程循环至采样部分重新进行下一周期的判断工作以此保证故障的排序检测以及上报

如图2所示，本发明实施例的多个第一级故障判断模块为IGBT故障判断模块1、电流相关故障判断模块2、电压相关故障判断模块3、运行相关故障判断模块4以及通讯故障判断模块5，IGBT故障判断模块1、电流相关故障判断模块2、电压相关故障判断模块3、运行相关故障判断模块4以及通讯故障判断模块5的肯定侧与否定侧分别按照各自优先级顺序进行连接后再与故障类型输出模块6连接形成第一循环控制环。第一循环控制环包括停机分闸控制环以及非停机分闸控制环，故障仲裁器还包括故障停机分闸模块，IGBT故障判断模块1、电流相关故障判断模块2、电压相关故障判断模块3以及运行相关故障判断模块4的肯定侧与通讯故障判断模块5的肯定侧以及故障类型输出模块6顺序连接，且否定侧顺序连接后与故障停机分闸模块连接，故障停机分闸模块与故障类型输出模块6连接后形成停机分闸控制环；通讯故障判断模块5的肯定侧与通讯故障输出模块连接，且否定侧直接与故障类型输出模块6连接形成非停机分闸控制环。

故障冲裁器按照优先级顺序处理故障报警，在上一级故障已处理后，方可处理下一级故障。以此流程循环执行，直到所有故障都处理完毕，则所有故障均以优先级的顺序排序上报至用户。

其中，还有一类故障不需要停机/分闸的，例如通讯故障，在故障输出前，则无需经过故障停机/分闸模块处理。

本发明的系统保护模块包括与IGBT故障判断模块1连接的IGBT故障保护模块以及IGBT过温保护模块、与电流相关故障判断模块2连接的SVG过流保护模块、与电压相关故障判断模块3连接的电网电压过欠压保护模块以及母线过压保护模块、与运行相关故障判断模块4连接的电网频率超限保护模块以及电网同步丢失保护模块以及算法DSP死机告警模块以及存储器故障告警模块、与通讯故障判断模块5连接的通讯故障保护模块。

如图3所示，IGBT故障保护模块的IGBT故障信号是由硬件功率单元送入保护DSP的。出于尽量消除外部数据电平信号可能受到干扰的目的，在DSP读入8路IGBT故障告警电平后(A/B/C/N相上下桥臂，共8路)，DSP与其下控制的CPLD联合处理，对电平信号作了延时滤波处理，以保证系统不会对IGBT工作产生误报警。在判断有故障时，送入故障仲裁中心函数中，产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图4所示，IGBT过温保护模块同IGBT故障保护。软件对过温保护电平信号作了延时滤波处理，在判断有故障时，送入故障仲裁中心函数中，产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图5所示，SVG过流保护模块由于SVG过流对于本设备属于严重故障，仅三个采样点连续过流即判断为过流的逻辑。同电网电压保护一样，在判断有故障时，送入故障仲裁中心函数中，产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图6所示，电网电压过欠压保护模块在采样得到一个工频周期的电网电压瞬时值缓冲值，送入FFT计算模块；得到基波电网电压的有效值；送入故障仲裁中心函数中，判断连续10次过、欠压，即产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图7所示，母线过压保护模块由于母线过压对于本设备也属于严重故障，连续10个采样点过压即判断为过压的逻辑。同电网电压保护一样，在判断有故障时，送入故障仲裁中心函数中，产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图8所示，电网频率超限保护模块的频率超限判断是通过对两次同步过零点之间的计数值比较得出的。在正常情况下，频率在50Hz±5Hz区间内，会对应计数器值的上下限。在两次同步过零后，可得计数器值，与正常区间比较。若连续10次超出或低于正常区间，即产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图9所示，电网同步丢失保护模块的同步丢失保护在两个中断中实现。同步中断完成对此保护计数器的清零功能，在时间周期中断中，完成对其的累加功能。每当同步信号正常到来时，保护计数器正常按时清零，不至于在时间中断将计数器值累加到丢失保护的门限值。若判断累加超出门限值，即产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

如图10所示，算法DSP死机告警模块的死机信号的判断分为同步高电平及同步低电平两部分。在进入同步中断后，算法DSP即向保护DSP发送高电平，同时保护DSP检测其发出的高电平是否到达。若正常检测到，视为高电平正常。同理，在同步到来后，时间中断计数到半个工频周期后，算法DSP即向保护DSP发送低电平，保护DSP检测其发出的低电平是否到达。若正常检测到，视为低电平正常。若连续10次异常，即产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

存储器故障告警模块中的存储器故障，是在存储器读写时，EEPROM芯片驱动读写时序异常时，产生的异常电平信号。若判断异常，即产生保护动作。此为一类故障，保护动作包括：停机、分闸、向上位机告警。

通讯故障保护模块的保护原理如下，算法/保护/上位机之间均有通讯模块进行数据交换。当通讯超时时，保护模块以算法DSP向保护DSP报警、保护DSP向上位机报警的顺序发出报警。由于系统正常运行不依赖于通讯，所以当通讯故障发生时，仅向上位发出报警，不需要执行停机分闸保护动作。

本发明实施例的采样模块工作流程如下：

1、由DSP向CPLD发出一个采样起始信号，即向CPLD地址指定地址发送采样启动信号，启动CPLD读取采样芯片功能；

2、在CPLD读取控制采样芯片完成AD转换后自行通知CPLD，再由CPLD产生向DSP一个转换完成中断，即向DSP的对应I/O引脚发送中断脉冲；

3、DSP在接收到采样转换完成中断后，产生采样数据处理中断，进行采样数据读取。读取从DSP的指定地址开始，向后读取若干个数据。数据读取顺序与硬件设计方案对应。

如图12所示，本发明实施例的本发明上电模块主要实现在算法投入运行之前，保证建立起正常无功补偿的运行环境。

1、人机界面下达启动的指令。软件先令缓启电阻投入到主回路中，以减小设备投入的电流，减少对电网的冲击影响；

2、延时3秒钟，等待母线上电容及设备电抗电压电流相对稳定后，此时母线电压有且必大于400V(此时在不受控整流中)；

3、投入主回路，切掉缓启电阻。准备正式投入SVG设备；

4、延时1秒，以避免主回路合闸时，对设备产生的信号干扰；

5、使能SVG过流保护，并向算法DSP发出启动指令，设备正式投入运行。

如图13所示，本发明实施例的通讯模块主要完成的功能如下：

1、保护DSP与人机界面的通讯：在人机界面通讯中，主控板为从机，面板为主机。由主机每间隔一段时间向从机发送数据查询帧，主控板在接收到查询帧并校验通过后，解析处理相应功能，并准备向主机反馈相应的返回数据帧，发送返回的数据帧；

2、保护DSP与算法DSP的通讯：此通讯属于内部通讯，由未经电平转换的SCI硬件或RS232或RS485或CAN总线或SPI通讯模块实现，包括由保护DSP向算法DSP下发各项运行参数(如，PI参数等)、由算法DSP向保护上传内部运行状态数据等；

3、CPLD与两DSP之间的通讯：实现了对两DSP之间电平通讯的滤波、锁存功能，也完成IGBT故障滤波同时快速保护功能。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种无功发生器保护系统，其特征在于：包括主保护模块、存储模块、采样模块、上电模块、通讯模块以及人机交互模块，所述存储模块以及所述人机交互模块与所述通讯模块连接，所述采样模块、所述上电模块以及所述通讯模块均与所述主保护模块连接，所述主保护模块包括故障仲裁器以及多个系统保护模块，所述的故障仲裁器包括故障类型输出模块（6）以及多个按照优先级依次工作的第一级故障判断模块，所述的采样模块以及所述系统保护模块均与所述第一级故障判断模块连接，优先级最低的所述第一级故障判断模块与所述故障类型输出模块（6）连接，所述故障类型输出模块（6）与所述人机交互模块连接，所述第一级故障判断模块内设置有多个按照优先级依次工作的第二级故障判断模块；多个所述第一级故障判断模块为IGBT故障判断模块（1）、电流相关故障判断模块（2）、电压相关故障判断模块（3）、运行相关故障判断模块（4）以及通讯故障判断模块（5），所述IGBT故障判断模块（1）、所述电流相关故障判断模块（2）、所述电压相关故障判断模块（3）、所述运行相关故障判断模块（4）以及所述通讯故障判断模块（5）的肯定侧与否定侧分别按照各自优先级顺序进行连接后再与所述故障类型输出模块（6）连接形成第一循环控制环；系统保护模块包括与IGBT故障判断模块（1）连接的IGBT故障保护模块以及IGBT过温保护模块、与所述电流相关故障判断模块（2）连接的SVG过流保护模块、与所述电压相关故障判断模块（3）连接的电网电压过欠压保护模块以及母线过压保护模块、与所述运行相关故障判断模块（4）连接的电网频率超限保护模块以及电网同步丢失保护模块以及算法DSP死机告警模块以及存储器故障告警模块、与所述通讯故障判断模块（5）连接的通讯故障保护模块。

2.根据权利要求1所述的一种无功发生器保护系统，其特征在于：所述的故障仲裁器包括用于连接多个所述第一级故障判断模块的第一循环控制环以及设置在所述第一级故障判断模块内用于连接多个所述第二级故障判断模块的第二循环控制环。

3.根据权利要求1所述的一种无功发生器保护系统，其特征在于：所述第一循环控制环包括停机分闸控制环以及非停机分闸控制环。

4.根据权利要求3所述的一种无功发生器保护系统，其特征在于：所述的故障仲裁器还包括故障停机分闸模块，所述的IGBT故障判断模块（1）、所述电流相关故障判断模块（2）、所述电压相关故障判断模块（3）以及所述运行相关故障判断模块（4）的肯定侧与所述通讯故障判断模块（5）的肯定侧以及故障类型输出模块（6）顺序连接，且否定侧顺序连接后与所述故障停机分闸模块连接，所述故障停机分闸模块与所述故障类型输出模块（6）连接后形成所述停机分闸控制环；所述的通讯故障判断模块（5）的肯定侧与通讯故障输出模块连接，且否定侧直接与所述故障类型输出模块（6）连接形成所述非停机分闸控制环。

5.根据权利要求2所述的一种无功发生器保护系统，其特征在于：所述第一循环控制环以及所述第二循环控制环均按照优先级顺序对故障类型进行输出。

6.根据权利要求1所述的一种无功发生器保护系统，其特征在于：所述的故障类型输出模块（6）以及所述的第二级故障判断模块的优先级按照相应故障对系统的输出影响程度制定。