CN201562972U - 电力无功补偿控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种电力无功补偿控制器，包括依次连接的采集单元、控制单元、通信单元以及与控制单元相连接的人机交互单元。其中，采集单元包括超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，控制单元包括数字处理芯片(DSP)，通信单元包括以太网控制芯片。超大规模现场可编程逻辑门阵列的输出接至数字处理芯片的输入，数字处理芯片的输出接至以太网控制芯片的输入。

Description

电力无功补偿控制器

技术领域

本实用新型有关于一种电力技术领域的控制装置，且特别是有关于一种电力无功补偿控制器。

背景技术

在供电系统中，为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行水平，经常采用各种无功补偿装置。然而，农村电网线路较长，负荷分布不均匀，需要安装的补偿点也较多。如果照搬变电站的无功补偿模式，势必造成投资大，补偿效果不明显，且安装维护不方便；如果采用固定地点安装固定容量的补偿方法，虽然投资较少，但由于未加任何保护，在运行条件恶劣的农网中常发生电容器烧毁事故，给电网运行造成安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供一种自动投切、保护动作可靠且安装方便的电力无功补偿控制器，非常适合农网线路长、补偿点多、运行条件恶劣的需要。

本实用新型提出一种电力无功补偿控制器，包括依次连接的采集单元、控制单元、通信单元以及与控制单元相连接的人机交互单元。其中，采集单元包括超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，控制单元包括数字处理芯片(DSP)，通信单元包括以太网控制芯片。超大规模现场可编程逻辑门阵列的输出接至数字处理芯片的输入，数字处理芯片的输出接至以太网控制芯片的输入。

进一步的，上述采集单元还包括电流采集电路、电压采集电路以及信号调理电路，电流采集电路与电压采集电路的输出端均连接至信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出接至超大规模现场可编程逻辑门阵列的输入。

进一步的，上述人机交互单元包括按键电路和显示电路，所述按键电路包括按钮、阻排和逻辑编程芯片，按钮通过阻排连接至逻辑编程芯片，所述显示电路包括并行通讯和串行通讯两种通讯方式。

进一步的，上述超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的型号是EP1C12Q240C8，数字处理芯片(DSP)的型号是TMS320F2812。

本实用新型的有益效果为，本实用新型提出的电力无功补偿控制器采用FPGA与DSP双芯片结构，两者之间可以互相配置。在本实用新型中，需要根据FPGA采集到的数据来判断投切电容量的多少以及模糊控制算法的实现。DSP可以根据模糊控制方式来选择不同的配置文件加载到FPGA中，实现自适应动态控制。另外，系统工作过程中，如果DSP在自检过程中发现功能异常，也可以请求FPGA重新配置自己，这样的系统具备一定的自我修复能力，更加智能化。

另外，本实用新型中采用具有高速数据通信能力和抗干扰能力的以太网，可以把所有现场的动作及保护信号实时发送到后台配合监控系统软件进行显示分析，显示线路的有功功率、无功功率、电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率及电容器三相电流等参量，实现遥测、遥信、遥控、遥调，保护定值设定及装置工作状态的查询。

附图说明

图1所示为根据本实用新型的电力无功补偿控制器的功能方块示意图。

图2所示为图1中FPGA的电源电路图。

图3所示为图1中的通信单元的电路原理图。

图4所示为图1中的按键电路的电路原理图。

图5所示为图1中的显示电路的电路原理图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1所示为根据本实用新型的电力无功补偿控制器的功能方块示意图。如图1所示，本实用新型提出的电力无功补偿控制器包括采集单元10，控制单元11，通信单元12以及人机交互单元13。其中，采集单元10、控制单元11和通信单元12依次连接，人机交互单元13与控制单元11相连接。

如图1所示，采集单元10包括电流采集电路100，电压采集电路101，信号调理电路102以及超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)103。具体来说，电流采集电路100与电压采集电路101分别包括电流互感器与电压互感器，可以采集直流线路上的电流量与电压量。采集电路采集的信号经过信号调理电路102调理后输出至FPGA103的输入端。信号调理电路102可以选用现有技术中能够实现信号调理功能的电路。

优选的，FPGA103的型号为EP1C12Q240C8。在本实施例中，FPGA103作为采集单元10的辅助单元，对输入信号进行分析计算，得出线路的电压，电流，有功功率，无功功率，功率因数等参数，根据无功功率和功率因数核心控制参数，得到负载所需的无功功率，计算出线路所需的无功补偿容量，把计算得到的参数送给控制单元11，控制单元11按照模糊控制算法实现电容器的投切和保护控制等功能。

采集单元10采用支持并行和流水结构的FPGA103，可以通过多个处理单元(PE)的并行工作，能实现结构好、数据量大的算法和高性能的数字信号处理。其次，FPGA内部越来越多地内嵌了DSP乘法模块，这些模块是硬件模块，运行速度很高，特别适合那些需要大量乘法计算的算法。FPGA的乘法运算性能最高已经超过了100GMAC的水平，远超过通用的DSP芯片，接近了专用处理芯片(ASIC)的能力。另外，FPGA和其他所有可编程器件一样，具有非常好的灵活性。特别是某些型号的FPGA已经开始支持动态配置或者局部重构，为设计高智能型的信号处理设备提供了可能。

图2所示为图1中FPGA的电源电路原理图。如图所示，AS2380可以提供3A电流，线性电源，适用240管脚以下，30万逻辑门以下的FPGA。对于线性电源，输出电压的关系表达式为：Vout＝(1+RP3/RP2)*Vref，Vref为RP2两端电压，一般是1.25V，输入Vin为5V，输出为1.5V，RP2/RP3＝1/5，而RP3一般要求100～150欧姆，RP3＝100，RP2＝500。如果采用了固定电平输出的芯片，只需要把RP3接地，RP2不焊接即可。

控制单元11包括数字处理芯片(DSP)110，作为模糊控制算法和通讯的核心单元。优选的，DSP110的型号为TMS320F2812。无功补偿控制器的FPGA103输出参数给DSP110中，然后DSP110根据模糊控制理论，选择多种投切控制方式，主要有按时间控制型、按电压控制型、按时间/电压控制型、按功率因数控制型、按无功功率和电压综合控制型、远方遥控型、手动就地控制型，调整线路的感性无功功率和功率因数，完成电能质量的改善。

在本实施例中，由控制单元11实现投切电容器组的控制。优选的，投切开关选用真空永磁断路器，并由继电器连接真空永磁断路器。真空永磁断路器具有分合闸速度快，触头压力大、触头开距大、优异的灭弧性能，能开断大容量的电容装置而不发生重燃，同时真空断路器自身的功耗极小，无需特别考虑散热问题，并且采用的永磁操作机构是目前结构最可靠的一种操作机构，其所用的零件少，工作时主要运动部件只有一个，永久磁铁实现机构终端位置的保持功能，取代了传统的机械脱扣和锁扣装置。开关线圈仅在合闸或分闸操作时通以一个小的脉冲电流，线圈基本不发热，从根本上保证了线圈的寿命。因此采用永磁机构真空断路器非常适合于本系统的频繁投切电容器状态。

图3所示为图1中的通信单元的电路原理图，请一并结合图1。通信单元12包括以太网控制芯片120，具有高速数据通信能力和抗干扰能力。如图3所示，通信单元12采用跳线工作方式(即网卡的I/O和中断由跳线决定)，JP引脚接高电平，选择16位数据总线。

以太网控制芯片120的输入端接至DSP110的输出端，优选的，以太网控制芯片120采用Realtek公司第三代快速以太网控制芯片RTL8019，它支持EthernetII和IEEE802.3标准，内嵌16Kbit SRAM，可以通过以太网交换机在双绞线上实现10Mbps同时发送和接收数据，具有16位数据线接口和20位地址线接口，支持8位或16位的数据模式，支持跳线和免跳线两种模式，支持8条线路的中断请求，支持3种标准电源关闭模式。

如图3所示，DSP110通过4条地址线A0～A3选择RTL8019的寄存器地址和存储器地址，控制并实现数据的读取。指示网卡状态的引脚连接到Green/RedLED，便于直观判断以太网通讯状态。在本实施例中，通过可编程逻辑器件(PSD4235G2)对RTL8019的片选信号进行控制。由于以太网控制芯片120不能单独工作，在RJ-45接口和RTL8019之间还设置有网络变压器进行电平转换。

图4所示为图1中的按键电路的电路原理图，图5所示为图1中的显示电路的电路原理图，请一并参考图1。如图1所示，人机交互单元13包括按键电路130与显示电路131。

如图4所示，按键电路130包括按钮132、阻排133与逻辑编程芯片134。优选的，阻排133为9针4.7kΩ阻排，逻辑编程芯片134选用型号为GAL20V8B。利用GAL20V8B实现83译码功能，减少按钮连接到DSP110(见图3)的引脚，节约单片机资源。通过阻排133和VCC电源实现上拉功能，当按下按钮132时实现高电平到低电平的跳变，单片机扫描出各按钮状态，实现按钮对应功能。例如，当按钮没有按下时单片机的输入端口是高电平；当按钮按下时，输入端口是低电平。单片机可以通过读端口的高低电平来判断按钮是否按下，从而执行每个按钮的功能。

如图5所示，显示模块SMG240128A与TMS320F2812接口采用8位数据线并行输入输出和8条控制线，将RD、WR通过逻辑组合生成读写使能信号。将A0、A1分别连接到CS1、CS2引脚，将四个控制信号映射到TMS320F2812的地址空间上，方便程序的编写。此处也可以用74HC138生成片选信号，方便以后扩充其他外围芯片。优选的，液晶显示芯片采用矽创公司的ST7920液晶显示芯片，此液晶显示芯片含有汉字库，加快液晶程序的编写，可以实现显示字母、数字符号、中文字型及自定义图像。如图所示，通过20kΩ可调电阻P11可实现液晶亮度和对比度的调节，输出类型可实现点阵输出、文本输出、图形输出。

在本实施例中，显示电路131有串行通讯和并行通讯两种通讯方式。采用并行方式时，所占用的I/O口资源多，但是响应速度快，可以实时跟踪信号的显示。

本实用新型工作时，在设计流程中增加了功能划分环节。这个环节的主要目的就算将系统功能进行分解，然后分配给FPGA和DSP去执行。在本实用新型中，功能划分的基本原则就是把数据密集，算法简单、重复性高的功能放在FPGA上执行，即电压、电流，有功功率，无功功率因数，功率因数等参数计算放在FPGA上实现。把算法复杂，重复性低的功能分配给DSP实现。FPGA负责采集线路中电压和电流，采集到的数据经过快速傅立叶变换计算线路中当前的电压、电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数等参数，把计算得到的参数送给DSP，DSP按照模糊控制算法实现电容器的投切和保护控制等功能。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims (5)

1.一种电力无功补偿控制器，其特征在于，包括依次连接的采集单元、控制单元、通信单元以及与控制单元相连接的人机交互单元，其中采集单元包括超大规模现场可编程逻辑门阵列，控制单元包括数字处理芯片，通信单元包括以太网控制芯片，所述超大规模现场可编程逻辑门阵列的输出接至数字处理芯片的输入，数字处理芯片的输出接至以太网控制芯片的输入。

2.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征在于，所述采集单元还包括电流采集电路、电压采集电路以及信号调理电路，电流采集电路与电压采集电路的输出端均连接至信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出接至超大规模现场可编程逻辑门阵列的输入。

3.根据权利要求1或2所述的电力无功补偿控制器，其特征在于，所述人机交互单元包括按键电路和显示电路，所述按键电路包括按钮、阻排和逻辑编程芯片，按钮通过阻排连接至逻辑编程芯片，所述显示电路包括并行通讯和串行通讯两种通讯方式。

4.根据权利要求1或2所述的电力无功补偿控制器，其特征在于，超大规模现场可编程逻辑门阵列的型号是EP1C12Q240C8，数字处理芯片的型号是TMS320F2812。

5.根据权利要求3所述的电力无功补偿控制器，其特征在于，超大规模现场可编程逻辑门阵列的型号是EP1C12Q240C8，数字处理芯片的型号是TMS320F2812。

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