CN105958510A

CN105958510A - 一种电网监测与控制设备用soc芯片

Info

Publication number: CN105958510A
Application number: CN201610440783.4A
Authority: CN
Inventors: 王丹
Original assignee: NANJING CAIWEI AND SONG MDT INFOTECH Ltd
Current assignee: Xintang Xintong Zhejiang Technology Co ltd
Priority date: 2016-06-18
Filing date: 2016-06-18
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-06-18
Also published as: CN105958510B; CN105958510B8

Abstract

本发明公开了一种电网监测与控制设备用SOC芯片，包括自检信号源产生模块、信号源选择模块、三相电压互感模块、三相电流互感模块、采样控制模块、周期测量模块、北斗通信模块、电量参数计算模块、投切电容控制模块、复合开关模块、电容器组、存储模块以及自检模块。本发明的方法解决了电能质量监测自动化程度不高、谐波分析准确度不高、无功补偿控制精度低和补偿方案不灵活的问题，可以保证供电系统安全运行，减少电能损耗，节约电能。

Description

一种电网监测与控制设备用SOC芯片

技术领域

本发明涉及电网监测和控制技术领域，特别是一种电网监测与控制设备用SOC芯片。

背景技术

根据权威机构统计,在输电线路、高压配电网、低压用户的三个部分的线损中,低压用户线损最大,因此,降损节能应主要围绕低压380V用户进行。长期以来,我国低压配网网架薄弱、线径小、设施老化,负荷电流大,自然功率因数低,而且结构复杂,电压质量不易控制,无功功率靠上级电网远距离输送,得不到跟踪,降低了电网的经济效益。大量的非线性和冲击性负载接入电网,在运行时产生谐波、电压波动和闪变,造成电网电压波形畸变,三相负荷不平衡,供电质量下降,影响电网及用户设备安全和经济运行。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，许多用电器的功率因数很低，且不带补偿装置，给电网带来了很大的功率负担和额外线损，因此准确测量无功谐波等系统参量，并合理补偿和治理对于维护电力系统稳定，保证电能质量和安全运行具有重要的意义。

在目前国内外低压配电网无功补偿装置的实际应用中,存在着以下诸多问题：(1)采取的补偿目标(如以功率因数为补偿目标)不合理会产生投切振荡问题；(2)为了降低成本和提高运算速度，采取只采样一相电压电流信号，使得当三相负载不平衡时，很难准确测量无功功率，造成相过补或相欠补现象；(3)没有考虑到谐波对电容器的影响,大大地缩短电容器的寿命，甚至经常烧毁电容器；(4)补偿方案不能根据实际需要进行在线升级；(5)补偿速度慢,补偿精度不高。

发明内容

本发明的目的是解决电能质量监测自动化程度不高、谐波分析准确度不高、无功补偿控制精度低和补偿方案不灵活的问题，提出了一种电网监测与控制设备用SOC芯片，包括自检信号源产生模块、信号源选择模块、三相电压互感模块、三相电流互感模块、采样控制模块、周期测量模块、北斗通信模块、电量参数计算模块、投切电容控制模块、复合开关模块、电容器组、存储模块以及自检模块，所述自检信号源产生模块通过信号源选择模块分别和三相电流互感模块、三相电压互感模块相连接，所述三相电流互感模块、三相电压互感模块分别和采样控制模块、周期测量模块相连接，所述周期测量模块和采样控制模块相连接，所述采样控制模块通过电量参数计算模块和北斗通信模块、存储模块相连接，所述电量参数计算模块通过投切电容控制模块和复合开关相连接，所述复合开关和电容器组相连接。

所述自检信号源产生模块模拟产生电网的三相电压、三相电流信号，用于SOC芯片自检，检验采样控制模块、周期测量模块和电量参数计算模块的功能是否正常，信号源选择模块选择三相电压互感模块、三相电流互感模块是来自真实的电网三相电压、三相电流还是来自自检信号源产生模块产生电网的三相电压、三相电流信号。自检信号源产生模块产生三相电压和三相电流的算法如下：

其中为三相电压信号，为三相电流信号，Z_AB、Z_CA、Z_BC分别为AB相、CA相、BC相之间的负载，w、θ分别为三相电压的角频率和初相，α为模拟的高斯噪声，w_d为模拟三相电压波动的角频率。

三相电压互感模块、三相电流互感模块将三相电压和三相电流转换为方波输入给周期测量模块，周期测量模块的工作频率高于方波的频率，周期测量模块通过测量方波的周期，实时调整采样控制模块的采样频率，采样频率的计算方法如下：

如果确定AD转换速率为N次/周期,通过检测两次正跳变的时间间隔测量出信号的周期T,计算出电网频率由此决定下一信号周期的采样周期为T/N.当周期测量模块的工作频率为16MHz时,工频信号的频率检测的误差仅为5×10^-5。

采样控制模块根据周期测量模块输出的调整采样频率信号完成对三相电压和三相电流采样，并将6路采样结果输入给电量参数计算模块。

电量参数计算模块用于完成对三相电压、三相电流的实时监测，计算出有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、电压谐波总畸变率、电流谐波总畸变率、三相电流和三相电压的有效值。其中一相电压和电流测量的具体计算方法如下：

1、对该相电压序列和电流序列进行加窗处理减小频谱泄漏。

采样N点电压序列{u(n)}和电流序列{i(n)}，二者构成复数离散时间序列y(n)＝u(n)+ji(n),n＝0,...,N-1，窗函数的形式为w(n)＝α₁-β₁cos(2πn/N),n＝0,...,N-1，其中为窗的参数α₁,β₁，通过选取不同的α₁,β₁，可以形成矩形窗、汉宁窗和汉明窗，加窗后的序列x(n)为y(n)和w(n)卷积的结果。

2、计算该相加窗后电压序列和电流序列的傅里叶变换。

计算加窗后序列x(n)的傅里叶变换，其傅里叶变换为得到电压序列和电流序列的频谱为X^*(N-K)是x(n)＝u(n)-ji(n),n＝0,...,N-1的傅里叶变换。

3、计算该相各次(0<K<N/2-1)谐波电压、电流的有效值(U(K)，I(K))、有功功率(P(K))、视在功率。

\{\begin{matrix} U (K) = \frac{1}{\sqrt{2} N} \sqrt{{X_{R} (K) + X_{R} (N - K)}^{2} + {X_{I} (K) - X_{I} (N - K)}^{2}} \approx α_{2} {Max}_{1} + β_{2} {Min}_{1} \\ I (K) = \frac{1}{\sqrt{2} N} \sqrt{{X_{R} (K) - X_{R} (N - K)}^{2} + {X_{I} (K) + X_{I} (N - K)}^{2}} \approx α_{2} {Max}_{2} + β_{2} {Min}_{2} \end{matrix}

P (K) = \frac{1}{N^{2}} {X_{R} (K) X_{I} (N - K) + X_{I} (K) X_{R} (N - K)}

其中Max₁,Min₁分别为{X_R(K)+X_R(N-K)},{X_I(K)-X_I(N-K)}最大绝对值和最小绝对值，Max₂,Min₂分别为{X_R(K)-X_R(N-K)},{X_I(K)+X_I(N-K)}最大绝对值和最小绝对值，X_R(K),X_I(K)分别为X(K)的实部和虚部，X_R(N-K),X_I(N-K)分别为X(N-K)的实部和虚部。

计算得到此相电压和电流的有效值为：

其中L,L<N/2-1代表谐波的阶数。

有功功率P、视在功率S分别为：

S＝UI,其中L,L<N/2-1代表谐波的阶数。

4、计算无功功率Q、功率因数cosφ和总谐波畸变率(THD_u,THD_i)。

无功功率为功率因数cosφ＝P/S，电压总谐波畸变率电流总谐波畸变率其中L,L<N/2-1代表谐波的阶数。

所述投切电容控制模块根据电量参数计算模块输出的无功功率和功率因数以及复合开关的状态信息，采用模糊最优控制算法完成对电容器组的投切控制，具体的投切控制算法如下：

1、首先选定最优控制目标。

最优控制的目标是使得电路功率因数最高，即使M＝cosφ最大，约束条件是Q_c'＝NΔQ_c,N＝0,1,2,3,...，其中,φ为负载功率因数角，N为投切电容器组数，Q_c',ΔQ_c分别为补偿电容器实际投切容量和单位分级电容容量。

2、具体的控制算法实现如下：

根据电压偏差eu和功率因数偏差eφ查模糊控制表，得出所需要投切的电容器组数N，当N>1时，以较小的时间间隔投切N-1电容器，等待一个控制周期后，计算电网各参数，再由最优控制器判断是否需要投切一组电容器，如果查表得出所需要投切的电容器组数N<1，则直接使用最优控制器判断是否需要投切一组电容器。

所述存储模块用于存储投切次数和投切时间、故障记录数据，电量参数计算模块的无功功率、功率因数，可供现场和远程查阅。

所述北斗模块用于上报电量参数计算模块计算的有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、电压谐波总畸变率、电流谐波总畸变率、三相电流和三相电压的有效值信息，并接收远程的电容器组人工投切控制信息。

本发明的有益效果：解决了电能质量监测自动化程度不高、谐波分析准确度不高、无功补偿控制精度低和补偿方案不灵活等问题，可以保证供电系统安全运行,减少电能损耗,节约电能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片结构示意图。

图2是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片工作流程图。

图3是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片中投切电容控制模块的结构示意图。

图4是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片中投切电容控制模块的算法流程图。

表1是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片中模糊控制规则表。(表中NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，PS表示正小，PM表示正中，PB表是正大，0表示零)。

具体实施方式

图1是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片结构示意图。基于复合传感实现路情实时识别和危险判断的汽车智能盒子包括：包括自检信号源产生模块、信号源选择模块、三相电压互感模块、三相电流互感模块、采样控制模块、周期测量模块、北斗通信模块、电量参数计算模块、投切电容控制模块、复合开关模块、电容器组、存储模块以及自检模块，所述自检信号源产生模块通过信号源选择模块分别和三相电流互感模块、三相电压互感模块相连接，所述三相电流互感模块、三相电压互感模块分别和采样控制模块、周期测量模块相连接，所述周期测量模块和采样控制模块相连接，所述采样控制模块通过电量参数计算模块和北斗通信模块、存储模块相连接，所述电量参数计算模块通过投切电容控制模块和复合开关相连接，所述复合开关和电容器组相连接。

图2是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片工作流程图。系统初始化后，系统判断自检是否通过，系统自检时输入的信号来自自检信号源产生模块，当自检通过时，信号源选择模块选择真实电网的三相电压、三相电流信号。

自检信号源产生模块模拟产生电网的三相电压、三相电流信号，用于SOC芯片自检，检验采样控制模块、周期测量模块和电量参数计算模块的功能是否正常，信号源选择模块选择三相电压互感模块、三相电流互感模块是来自真实的电网三相电压、三相电流还是来自自检信号源产生模块产生电网的三相电压、三相电流信号。自检信号源产生模块产生三相电压和三相电流的算法如下：

5、对该相电压序列和电流序列进行加窗处理减小频谱泄漏。

6、计算该相加窗后电压序列和电流序列的傅里叶变换。

7、计算该相各次(0<K<N/2-1)谐波电压、电流的有效值(U(K)，I(K))、有功功率(P(K))、视在功率。

\{\begin{matrix} U (K) = \frac{1}{\sqrt{2} N} \sqrt{{X_{R} (K) + X_{R} (N - K)}^{2} + {X_{I} (K) - X_{I} (N - K)}^{2}} \approx α_{2} {Max}_{1} + β_{2} {Min}_{1} \\ I (K) = \frac{1}{\sqrt{2} N} \sqrt{{X_{R} (K) - X_{R} (N - K)}^{2} + {X_{I} (K) + X_{I} (N - K)}^{2}} \approx α_{2} {Max}_{2} + β_{2} {Min}_{2} \end{matrix}

P (K) = \frac{1}{N^{2}} {X_{R} (K) X_{I} (N - K) + X_{I} (K) X_{R} (N - K)}

计算得到此相电压和电流的有效值为：

其中L,L<N/2-1代表谐波的阶数。

有功功率P、视在功率S分别为：

S＝UI,其中L,L<N/2-1代表谐波的阶数。

8、计算无功功率Q、功率因数cosφ和总谐波畸变率(THD_u,THD_i)。

图3是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片中投切电容控制模块的结构示意图。所述投切电容控制模块根据电量参数计算模块输出的无功功率和功率因数以及复合开关的状态信息，采用模糊最优控制算法完成对电容器组的投切控制，具体的投切控制算法如下：

1、首先选定最优控制目标。

2、具体的控制算法实现如下：

表1是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片中模糊控制规则表。(表中NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，PS表示正小，PM表示正中，PB表是正大，0表示零)。根据电压偏差eu和功率因数偏差eφ查模糊规则表，得出所需要投切的电容器组数N，当N>1时，以较小的时间间隔投切N-1电容器，等待一个控制周期后，计算电网各参数，再由最优控制器判断是否需要投切一组电容器，如果查表得出所需要投切的电容器组数N<1，则直接使用最优控制器判断是否需要投切一组电容器。图4是本发明的一种电网监测与控制设备用SOC芯片中投切电容控制模块的算法流程图。

存储模块用于存储投切次数和投切时间、故障记录数据，电量参数计算模块的无功功率、功率因数，可供现场和远程查阅。

北斗模块用于上报电量参数计算模块计算的有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、电压谐波总畸变率、电流谐波总畸变率、三相电流和三相电压的有效值信息，并接收远程的电容器组人工投切控制信息。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

表1一种电网监测与控制设备用SOC芯片中模糊控制规则表

Claims

1.一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于包括自检信号源产生模块、信号源选择模块、三相电压互感模块、三相电流互感模块、采样控制模块、周期测量模块、北斗通信模块、电量参数计算模块、投切电容控制模块、复合开关模块、电容器组、存储模块以及自检模块，所述自检信号源产生模块通过信号源选择模块分别和三相电流互感模块、三相电压互感模块相连接，所述三相电流互感模块、三相电压互感模块分别和采样控制模块、周期测量模块相连接，所述周期测量模块和采样控制模块相连接，所述采样控制模块通过电量参数计算模块和北斗通信模块、存储模块相连接，所述电量参数计算模块通过投切电容控制模块和复合开关相连接，所述复合开关和电容器组相连接。

2.根据权利要求1所述的一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于：所述自检信号源产生模块模拟产生电网的三相电压、三相电流信号，用于SOC芯片自检，检验采样控制模块、周期测量模块和电量参数计算模块的功能是否正常，信号源选择模块选择三相电压互感模块、三相电流互感模块是来自真实的电网三相电压、三相电流还是来自自检信号源产生模块产生电网的三相电压、三相电流信号。

3.根据权利要求1所述的一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于：所述三相电压互感模块、三相电流互感模块将三相电压、三相电流转换为数字信号输入给采样控制模块以及周期测量模块，周期测量模块实时测量出三相电压、三相电流的频率，然后用实测的三相电压和三相电流频率自适应地改变采样控制模块的采样频率。

4.根据权利要求1所述的一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于：所述电量参数计算模块用于完成对三相电压、三相电流的实时监测，计算出有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、电压谐波总畸变率、电流谐波总畸变率、三相电流和三相电压的有效值。

5.根据权利要求1所述的一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于：所述投切电容控制模块根据电量参数计算模块输出的无功功率和功率因数以及复合开关的状态信息，采用模糊最优控制算法完成对电容器组的投切控制。

6.根据权利要求1所述的一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于：所述存储模块用于存储投切次数和投切时间、故障记录数据，电量参数计算模块的无功功率、功率因数，可供现场和远程查阅。

7.根据权利要求1所述的一种电网监测与控制设备用SOC芯片，其特征在于：所述北斗模块用于上报电量参数计算模块计算的有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、电压谐波总畸变率、电流谐波总畸变率、三相电流和三相电压的有效值信息，并接收远程的电容器组人工投切控制信息。