CN108418308A - 一种电网补偿与保护控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种电网补偿与保护控制系统，用于包括电源、电网变压器和负载的电网的补偿和保护控制，该系统包括：DSP主控制器、电网信号采集处理器、电网补偿控制器、系统保护控制器，电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置。电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置的输出均接入电网信号采集处理器。电源经电网保护开关与电网变压器连接，电网变压器经负荷隔离开关与负载连接，由电网变压器向负载供电，补偿保护开关设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上。系统保护控制器的3个输出端分别连接到电网保护开关、负荷隔离开关、补偿保护开关的控制驱动输入端。
Description
技术领域
本发明属于智能电网技术领域，特别涉及一种电网补偿与保护控制系统。
背景技术
随着钢铁铝金属冶炼工业与高速电车铁路的高速发展，金属冶炼系统采用的电弧炉或高频炉冶炼系统或电解冶炼系统，以及铁路电车频繁启动与调相变速运行，产生的大量的高次谐波与无功有害电力，对电网造成极大的冲击与干扰，严重的影响电网的安全与稳定性。因此提高电网检测监控与系统安全保护已成为现代电网中的重要课题。
专利文献CN102353831A，公开了一种保护电网安全运行的地磁暴检测预警系统,包括带中性线的变压器的电网,其特征在于它包括电流传感器、电流信号调理模块、数据采集卡、计算机、驱动单元、报警装置、保护装置和显示存储模块；其中所述驱动单元包括保护驱动装置和报警驱动装置；所述电流传感器的输入端采集变压器中性线上的电流信号,其输出端连接电流信号模块的输入端；所述计算机与数据采集卡呈双向连接,其输出端与显示存储模块的输入端连接；所述保护驱动装置和报警驱动装置的输出端分别连接保护装置和报警装置。但不能对高压电网与负载进行检测与保护。
专利文献201710859922公开了一种直流换流站控保系统CAN总线报文捕捉装置和方法,涉及一种直流换流站控保系统CAN总线捕捉装置和方法。目前国内在运的换流站中，采用MACH2系统的现场通信总线主要有CAN总线和TDM总线两种，故障分析手段主要依靠查阅软件逻辑、更换故障硬件、测量模拟量与开关量等方法。通过查阅软件逻辑、更换故障硬件、测量模拟量与开关量等手段仅能发现相关硬件故障或软件逻辑缺陷，在这些直流工程中，CAN总线故障通常不易确定故障原因，无法发现CAN总线网络过载或负载突变等缺陷。
专利文献201711128945，公开了一种真双极柔性直流输电工程的单极故障隔离系统，其包括送端换流站、受端换流站及其控制保护系统：其包括一故障隔离装置，所述故障隔离装置包括依次设置在由所述送端换流站和受端换流站内的极I的MMC下桥臂引出的中性母线上的电流互感器和中性母线区、由所述送端换流站和受端换流站内的极II的MMC下桥臂引出的另一中性母线上的另一电流互感器和极II中性母线区、以及设置在与两中性母线出口相连的金属回线上的中性线差动保护装置；但该专利不能对高压电网与负载进行检测与补偿与保护。
发明内容
根据国家电网、金属冶炼系统与电车铁路牵引电网的特殊性，本发明实施例中的高速DSP控制电网智能监测补偿与系统保护控制系统，目的是针对钢铁铝金属冶炼系统与高速电车铁路复杂动态瞬时变化电力系统与广域电网的远距离检测与监控，针对电网瞬时突变负荷所产生的冲击与电网波动的抑制，针对电网负荷产生的谐波与有害电力补偿，针对电网在超过极限状态的限定与异常或故障状态评定与电网系统保护，针对电网、通信系统与控制系统的干扰信号补偿、是目前电网与高速电车铁路技术中亟待解决的问题，提供一种多DSP控制智能电网检测监控补偿与保护控制系统。
本发明的实施例之一，一种电网补偿与保护控制系统，用于包括电源、电网变压器和负载的电网的补偿和保护控制，该系统包括：
主控制器，以DSP作为运算处理器；电网信号采集处理器，以DSP作为运算处理器；电网补偿控制器，以DSP作为运算处理器；系统保护控制器，以DSP作为运算处理器。
电网信号采集处理器的输出与主控制器的一个输入端连接，主控制器的一个输出端与电网补偿控制器的输入端连接，主控制器的一个输出端与系统保护控制器的输入端连接。
电网补偿与保护控制系统还包括：
电网检测装置，用于检测电网三相电压电流；负荷检测装置，用于检测负载电压电流；补偿检测装置，用于检测电网补偿控制器输出的电压电流。
电网检测装置设置在电源与电网变压器之间的连线上，负荷检测装置设置在电网变压器与负载之间的连线上，补偿检测装置设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上。
电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置的输出均接入电网信号采集处理器。
所述电网补偿与保护控制系统还包括：电网保护开关，用于电网变压器的保护隔离；负荷隔离开关，用于负载的保护隔离；补偿保护开关，用于电网补偿控制器的保护隔离。
电源经电网保护开关与电网变压器连接，电网变压器经负荷隔离开关与负载连接，由电网变压器向负载供电，补偿保护开关设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上。系统保护控制器的3个输出端分别连接到电网保护开关、负荷隔离开关、补偿保护开关的控制驱动输入端。
本发明实施例通过提出基于多DSP控制智能电网检测监控补偿与保护控制系统，增强了对电网实时监控与安全保护能力，提高电网远程检测与保护操作的高速实效性，通过补偿控制提高了电网稳定性与安全性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1本发明实施例中基于DSP的电网补偿与保护控制系统原理图。
图2本发明实施例中基于DSP的广域电网补偿与保护控制系统原理图。
图3本发明实施例中电网信号采集处理器的连接与组成原理图。
图4本发明实施例中电网补偿控制器的连接与组成原理图。
图5本发明实施例中系统保护控制器的连接原理图。
其中：
1——电源
2——电网变压器
3——负载
4-1——电网保护开关，4-2——负荷隔离开关，4-3——补偿保护开关5-1——电网检测装置，5-2——负荷检测装置，5-3——补偿检测装置6——电网信号采集处理器
6-1——多路信号采集可编程控制器，6-2——A/D转换器，6-3——部分特征要素PFE-FFT信号处理器(Part Feature Element-FFT)
7——电网补偿控制器
7-1——SPWM逆变器，7-2——补偿变压器
8——系统保护控制器
9——主控制器
10——数据显示器
11——通信报警装置
12——远程监控系统
具体实施方式
根据一个或多个实施例，如图1所示电网补偿与保护控制系统，电网包括电源、电网变压器和负载。电网补偿与保护控制系统包括，采用型号为TMS320F28335的DSP作为运算处理器的主控制器、采用DSP作为运算处理器的电网信号采集处理器、采用DSP作为运算处理器的电网补偿控制器、采用DSP作为运算处理器的系统保护控制器。在这里，电源是指由地区220KV电网，也包含钢铁铝冶炼厂自备的发电厂发的电并入220KV供电网后，共同向用电变压器供电，所以电源是指地区电网与自备发电厂和发电机的总称。而电网又指包含电源，变压器和用电负载的总称。
电网信号采集处理器的输出与主控制器的一个输入端连接，主控制器的一个输出端与电网补偿控制器的输入端连接，主控制器的一个输出端与系统保护控制器的输入端连接。
所述电网补偿与保护控制系统还包括：用于检测电网三相电压电流的电网检测装置、用于检测负载电压电流的负荷检测装置、用于检测电网补偿控制器输出的电压电流的补偿检测装置。
电网检测装置设置在电源与电网变压器之间的连线上，负荷检测装置设置在电网变压器与负载之间的连线上，补偿检测装置设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上。电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置的输出均接入电网信号采集处理器。负荷检测装置和补偿检测装置没有在图1中示出。
所述电网补偿与保护控制系统还包括：用于电网变压器的保护隔离的电网保护开关、用于负载的保护隔离的负荷隔离开关、用于电网补偿控制器的保护隔离的补偿保护开关。
电源经电网保护开关与电网变压器连接，电网变压器经负荷隔离开关与负载连接，由电网变压器向负载供电，补偿保护开关设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上。系统保护控制器的3个输出端分别连接到电网保护开关、负荷隔离开关、补偿保护开关的控制驱动输入端。
根据一个或多个实施例，电网补偿与保护控制系统还包括远程监控系统，该远程监控系统与主控制器直连或经通信装置连接。该系统还包括与主控制器直连的数据显示器和通信报警装置。
根据一个或多个实施例，如图2所示的广域电网补偿与保护控制系统，电网是包括多个电网变压器、多个负载的广域电网。2-1是第一个电网变压器，2-N是第N个电网变压器。3-1是第一个负载，3-N是第N个负载。5-1-1是第一个电网检测装置，5-1-N是第N个电网检测装置。4-1-1是第一个电网保护开关，4-1-N是第N个电网保护开关。4-2-1是第1个负荷隔离开关，4-2-N是第N个负荷隔离开关。补偿保护开关、负荷检测装置、补偿检测装置没有在图2中示出。电网补偿与保护控制系统对于每个电网变压器设置一个与之连接的电网补偿控制器，每个电网补偿控制器均接入主控制器，系统保护控制器连接接入每个负载。同时，在每个由变压器和负载组成的分电网中，均在对应的环节分别设有电网检测装置、负荷检测装置、补偿检测装置，以及电网保护开关、负荷隔离开关、补偿保护开关。
根据一个或多个实施例，如图3所示，电网补偿与保护控制系统中的电网信号采集处理器包括，可编程控制器、模拟/数字信号变换器和部分特征要素PFE-FFT信号处理器，电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置的输出端接入电网信号采集处理器的可编程控制器，经过模拟/数字信号变换器和部分特征要素PFE-FFT信号处理器后接入型号为TMS320F28335的DSP主控制器。
根据一个或多个实施例，如图4所示，电网补偿与保护控制系统中的电网补偿控制器包括SPWM逆变器、补偿变压器，主控制器连接电网补偿控制器的SPWM逆变器后经补偿变压器连接补偿保护开关，补偿保护开关与电网变压器连接。
根据一个或多个实施例，电网负荷信号由电网检测装置5送入到可编程控制器6-1，由可编程控制器6-1安时序分别把多路电网电压电流等物理信号切换输入到A/D变换器6-2，把模拟信号变换为数字信号，再由部分特征要素PFE-FFT信号处理器6-3，计算出电网各检测点的电压电流与电网运行参数与数据，计算分析出电网谐波频率相位幅值与相位、功率及功率因数、三相不平衡度等物理数据与参数。电网信号采集处理器DSP-PLC-A/D 6输出端与TMS320F28335-DSP主控制器9连接，把电网分析数据参数送入到TMS320F28335-DSP主控制器9。主控制器9根据电网信号与参数与电网操作规范计算出电网补偿控制器DSP-IAF 7与系统保护控制器DSP-SPC 8的控制指令与参数。
所述电网DSP-IAF补偿装置7根据主控制器9与监控系统12控制指令与电网设定规范与操作程序计算出补偿装置控制指令，对电网波动进行抑制，对电网谐波与无功有害电力进行补偿；当电网出现三相不平衡，由DSP-IAF补偿装置7进行调节与补偿。
当电网出现过电压或过电流、或过负荷过载时，则由系统保护控制器DSP-SPC 8根据TMS320F28335-DSP主控制器9控制指令与电网操作规程，计算出电网与负荷各隔离开关4-1～4-3控制指令，对电网负荷进行调节或断开操作，对电网系统进行保护控制操作。
当电网电压电流与负荷超过限定值，或出现异常与故障，则由系统保护控制器DSP-SPC 8根据电网操作规程，判别异常与故障的种类与级别，根据电网操作规程驱动电网保护隔离开关4-1～4-3，切离故障点，对电网进行保护，同时发出报警信号。
根据一个或者多个实施例，如图1与图2所示，220KV电网与多台220KV/106MW电解铝整流变压器与多台动力变压器，每台变压器可给多台负载供电，每台变压器配置检测装置5-1与电网变压器保护隔离开关4-1，每个输出负载配置1套负荷检测装置5-2与1台保护隔离开关4-2。
电网补偿与保护控制系统还包含DSP-PLC-A/D信号处理器6、GJ-IAF补偿装置7、DSP-SPC系统保护控制器8。主控TSM320F28335-DSP智能控制器9、数据显示装置10；高速通信装置11与远程监控系统12；每台变压器可给多个负荷供电，每台负荷配置1台检测装置5-2与隔离控制开关4-2，由TMS320F28335-DSP主控制器9控制多台从DSP信号处理控制器4～9，构成广域电网智能检测监控补偿与保护系统；电网检测装置5包含：电网检测装置5-1、变压器检测装置5-2、负荷检测装置5-3、补偿检测装置5-4；每个检测装置保护三相电压电流与温度压力等物理信号检测装置构成；DSP-PLC-A/D高速处理器6包含：DSP-PLC多通道可编程信号采集装置6-1和DSP-A/D变换器6-2与DSP-PFE-FFT高速信号处理器6-3构成电网信号保护与分析装置、每台变压器配置1套DSP-IAF智能有源滤波器7作为电网补偿装置，包含：DSP-SPWM逆变器7-1与高压并网补偿装置7-2；由DSP-SPC系统保护控制器8(DSP-systemprotection controller)与高压隔离开关4构成系统保护装置。
该实施例由A/D变换器与PLC可编程序控制器构成电网信号检测与数据采集系统、由智能有源滤波器构成电网谐波与无功有害电力补偿装置，由系统保护控制器与高压隔离开关构成保护系统，构成广域电网智能检测监控补偿与保护系统。
根据一个或多个实施例，在图1或2所示的方案中，由主TMS320F28335-DSP主控制器，同步并行控制多个从DSP信号处理控制器的实时选择、承担各DSP控制器的同步控制时序、优先权控制、各总线的选择控制，构成广域电网智能监控补偿与系统保护的多层控制拓扑结构；由高速TMS320F28335-DSP主控制器控制电网检测装置，把电网电压电流等物理信号送入DSP-PLC-A/D电网信号采集处理器6，由可编程控制器6-1，把多路电网检测信号按时序分别切换送入A/D变换器6-2，把电网模拟信号变换数字信号，再由PFE-FFT部分特征要素处理器6-3解析出电网电压电流的瞬时动态变化数据。根据电网规程计算出各控制指令，由电网补偿控制器DSP-IAF 7作为智能有源滤波器对电网谐波与无功有害电力进行补偿。由系统保护控制器DSP-SPC 8对电网进行安全监控与保护，构成多DSP同步并行控制电网远程检测监控与保护系统。
根据上述实施例获得的有益效果，具体来说包括：
1.实施例基于多DSP同步并行控制方式，由TMS320F28355-DSP智能控制器，控制多个从DSP处理控制器。主从DSP之间的数据通信采用双口RAM-PIO通信接口，电网信号送入电网信号采集处理器对电网信号进行变换与FFT处理分析，把电网信号分析数据分别送DSP-IAF补偿装置与DSP-SPC电网系统保装置，对电网进行同步高速检测、监控、补偿与保护。
2.实施例基于主从DSP控制器之间由双DSP/RAM-PIO通信，由主TMS320F28355-DSP智能控制器，控制电网信号DSP-PLC-A/D-FFT变换器，把电网检测装置输出的多路模拟信号变换为数字信号，然后对电网数字信号进行处理与分析，根据电网操作规程计算出DSP-IAF电网补偿控制器与DSP-SPC电网系统保护控制器的控制指令与参数，由DSP-IAF电网补偿控制器与DSP-SPC系统保护控制器对电网进行远距离电网检测控制与电网系统保护操作执行，有效的实现远程广域电网高速遥测遥控操作运行，对于高压电网与多变复杂的金属冶炼电网与高速电车牵引电网进行监控与保护操作，更具有高速性与实效性。
3.TMS320F28355-DSP智能控制器计算的控制指令送到DSP-IAF电网补偿装置，由DSP-IAF电网补偿装置对电网与瞬时突变负荷所产生的冲击进行抑制，把电网与负荷系统产生的谐波与无功有害电力转换为有功电力会送电网，节能减排，节约大量的电力电能。同时对电网与负荷系统产生的谐波与无功有害电力高速高精度进行补偿，消除电网的干扰与波动，提高电网稳定性与安全性，提高电网质量。
4.TMS320F28355-DSP智能控制器计算的控制指令送到DSP-SPC系统保护控制器，控制各隔离开关构成系统保护装置，对电网波动冲击与过电压和过电流状态进行调整、限定与保护，从而提高电网与电力系统的稳定性与安全性。同时利用通信装置把信号数据传送的远程监控计算机装置进行监控。当系统出现过负荷，由DSP-SPC系统保护控制器8根据电网操作规程进行电网负荷调节。
5.由于在实际钢铁电弧炉与高频炉冶炼系统、电解铝钛钼等金属冶炼生产负荷系统、电车铁路与高速电车牵引供电变压器各相负荷相差极大，根据现场变电所与变压器及负载的测量的数据表明，变压器在很多时间处于单相负荷运行状态，各相电压电流波动剧烈，造成电力供电系统严重不平衡。实施例利用DSP-SPC保护控制装置对三相不平衡负载进行调节，利用DSP-IAF电网补偿装置，对三相不平衡电压电流不平衡度进行调节与补偿。
6.当电网负荷系统超过设定极限与出现异常或故障，DSP-SPC系统保护控制器8控制电网与负荷隔离开关对负载进行保护隔离或切除，即时切除故障系统，使故障点脱离电网，保障电网系统的安全运行，同时发出报警信号。
7.实施例对电网进行远距离电网检测控制与电网系统保护操作执行，对于高压电网与多变复杂的金属冶炼电网，利用有效的实现高速操作控制方式，对于远程广域电网利用高速遥测遥控操作控制方式，如对远程高速电车与牵引电网的检测监控与系统保护操作，利用高速GPS通信技术或采用国际化PROFIBUS总线通信技术与开放式的通信协议标准，为变电站与远程电网监控系统提供了极其方便的数据通信形式和电网系统安全保护，更具有高速性与实效性。
8.在实际应用中，由于电网与负载系统所需采集信号数据量大，要求实时性高，为了提高电网信号采集与数据处理速度与电网实时跟踪控制能力，本系统采用多DSP同步并行运行模式，利用高速双口RAM-PIO通信接口进行DSP之间的数据传输及状态同步工作，不仅提高了DSP数据采集能力和处理速度，还克服了传统电网检测控制方案中多通道缓冲串行数据交换速度慢、同步延时等缺点。
实施例采用的TMS320F28335-芯片，采用高速双口静态RAM运算随机存储区,提供两个独立的控制信号线、VO地址线和数据线端口，具有双端口存取功能及标识器功能，提供了多种仲裁方式、中断、忙逻辑、信号标志器，来识别控制双端口RAM-PIO的主从DSP读写访问控制时，识别多DSP各自需求的写人和读出的期望值，解决了数据访问冲突问题与对数据访问的逻辑仲裁。本控制方式采用信号标志器仲裁方式，无需插人等待状态，提高了通信速度，最大限度的解决广域电网的高速通信方式与高速控制能力。
经多次实验，实施例中提供的电网监控系统通过对电网信号检测、数据分析建立故障模型。利用数理统计、模式识别等技术对电网运行状态与故障进行判别与监控。据故障统计，电力系统故障约有60％是各种不同的短路故障，约10％为断路故障，8％为干扰信号引起，15％因系统波动冲击引起，约10％为过负荷造成的过电流线路烧损或断路器跳闸事故等。本实施例的控制方式与系统为变电站与远程电网检测与监控系统提供了极其方便的数据检测通信形式和高速电网安全保护控制方式，同时也使系统构成更为简洁安全与可靠。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (7)
1.一种电网补偿与保护控制系统，用于包括电源、电网变压器和负载的电网的补偿和保护控制，其特征在于，该系统包括：
主控制器，以DSP作为运算处理器；
电网信号采集处理器，以DSP作为运算处理器；
电网补偿控制器，以DSP作为运算处理器；
系统保护控制器，以DSP作为运算处理器；
电网信号采集处理器的输出与主控制器的一个输入端连接，
主控制器的一个输出端与电网补偿控制器的输入端连接，
主控制器的一个输出端与系统保护控制器的输入端连接，
所述电网补偿与保护控制系统还包括：
电网检测装置，用于检测电网三相电压电流；
负荷检测装置，用于检测负载电压电流；
补偿检测装置，用于检测电网补偿控制器输出的电压电流；
电网检测装置设置在电源与电网变压器之间的连线上，
负荷检测装置设置在电网变压器与负载之间的连线上，
补偿检测装置设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上，
电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置的输出均接入电网信号采集处理器，
所述电网补偿与保护控制系统还包括：
电网保护开关，用于电网变压器的保护隔离；
负荷隔离开关，用于负载的保护隔离；
补偿保护开关，用于电网补偿控制器的保护隔离；
电源经电网保护开关与电网变压器连接，
电网变压器经负荷隔离开关与负载连接，由电网变压器向负载供电，
补偿保护开关设置在电网变压器与电网补偿控制器之间的连线上，
系统保护控制器的3个输出端分别连接到电网保护开关、负荷隔离开关、补偿保护开关的控制驱动输入端。
2.根据权利要求1所述的电网补偿与保护控制系统，其特征在于，电网信号采集处理器包括，可编程控制器、模拟/数字信号变换器和PFE-FFT信号处理器，电网检测装置、负荷检测装置和补偿检测装置的输出端接入电网信号采集处理器的可编程控制器，经过模拟/数字信号变换器和PFE-FFT信号处理器后接入主控制器。
3.根据权利要求1所述的电网补偿与保护控制系统，其特征在于，电网补偿控制器包括SPWM逆变器、补偿变压器，主控制器连接电网补偿控制器的SPWM逆变器后经补偿变压器连接补偿保护开关，补偿保护开关与电网变压器连接。
4.根据权利要求1所述的电网补偿与保护控制系统，其特征在于，该系统还包括远程监控系统，该远程监控系统与主控制器直连或经通信装置连接。
5.根据权利要求1所述的电网补偿与保护控制系统，其特征在于，该系统还包括与主控制器直连的数据显示器。
6.根据权利要求1所述的电网补偿与保护控制系统，其特征在于，该系统还包括与主控制器直连的通信报警装置。
7.根据权利要求1所述的电网补偿与保护控制系统，所述的电网是包括多个电网变压器、多个负载的广域电网，其特征在于，该系统对于每个电网变压器设置一个与之连接的电网补偿控制器，每个电网补偿控制器均接入主控制器，
系统保护控制器连接接入每个负载，同时，
在每个由变压器和负载组成的分电网中，均在对应的环节分别设有电网检测装置、负荷检测装置、补偿检测装置，以及电网保护开关、负荷隔离开关、补偿保护开关。
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| CN107294109A (zh) * | 2017-06-21 | 2017-10-24 | 上海广吉电气有限公司 | 钢铁冶炼智能电网节能补偿系统 |
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