CN202565027U

CN202565027U - 一种电能质量调节装置的控制系统

Info

Publication number: CN202565027U
Application number: CN2012201390754U
Authority: CN
Inventors: 刘隽; 何维国; 包海龙; 张宇; 朴红艳
Original assignee: Shanghai Municipal Electric Power Co
Current assignee: Shanghai Municipal Electric Power Co
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-04-01

Abstract

一种电能质量调节装置的控制系统，涉及一种用于交流干线或交流配电网络设备的控制系统，尤其是适用于高压交流电网电能调节装置的操作和运行状态的监视和控制，包括主控子系统和3n个调节控制器；调节控制器分别对应连接到电能质量调节装置的每个功率单元；主控子系统包括主控EtherCAT主站，PTCT输入单元、调节保护单元、开关量输入单元和开关量输出单元，PTCT输入单元通过主控EtherCAT网络连接到调节保护单元，开关量输入单元通过LVDS接口连接到调节保护单元；调节保护单元通过LVDS接口连接到开关量输出单元。该装置采用实时串行以太网总线技术，核心控制板采用高速专用芯片，增强了核心控制器的处理能力、控制器的扩展性能和适用性。

Description

一种电能质量调节装置的控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于交流干线或交流配电网络设备的控制系统，尤其是适用于高压交流电网电能调节装置的操作和运行状态的监视和控制。

背景技术

城市电网中现代工业、商业和居民用电设备，如高性能办公设备、精密实验仪器、变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等对电源特性变化敏感性负荷呈逐年上升趋势，对电能质量的要求不断提高。对敏感用户(如半导体制造企业)而言，几十毫秒的电压暂降就可能导致设备损坏、生产线停产，造成巨大经济损失。与此同时，分布式能源、冲击性和干扰性负荷的大量接入等因素都使得电网电能质量存在日趋恶化的趋势，严重威胁电力系统的安全运行和用电设备的正常工作。

针对敏感负荷电能质量控制问题，国内外开展了电能质量控制产品的研究制造。但是，电能质量控制装置还没有形成标准化的产品，并且主要停留在低压小容量范围，中国实用新型专利“低谐波电源质量控制系统”(实用新型专利号：ZL201020133972公开号：CN201656479)公开了一种低谐波电源质量控制系统。该低谐波电源质量控制系统包含检测装置、电力调整装置、阻性负载装置。检测装置接收来自于阻性负载装置的反馈信号。检测装置输出的控制信号可以用电压或电流为信号。电力调整装置接收到所述控制信号后，以比例方式输出驱动电压。所述比例方式为在连续输出时间间隔输出全功率驱动电压，并在连续不输出时间间隔停止输出全功率驱动电压。阻性负载装置接收驱动电压后，输出反馈信号到检测装置。以比例方式在连续输出时间间隔输出全功率驱动电压，并在连续不输出时间间隔停止输出全功率驱动电压，将能够有效的减少产生电力的谐波。但是该装置仅适用于小功率的阻性负载装置，不适用于高压大功率的电网电能质量控制，也没有解决电能质量调节装置的系统级监控的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种电能质量调节装置的控制系统，解决电能质量调节装置的系统级监控的技术问题，完成对电能质量调节装置主要电气量的测量，实现对设备的操作和运行状态的监视和控制，实现对主电路设备的保护。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种电能质量调节装置的控制系统，包括主控子系统和3n个调节控制器，其中n≥1；所述的电能质量调节装置包括3n个功率单元，分别连接到三相电网上，所述的调节控制器分别对应连接到电能质量调节装置的每个功率单元，其特征在于：

所述的主控子系统包括主控EtherCAT网络和主控EtherCAT主站，以及PTCT输入单元、调节保护单元、开关量输入单元和开关量输出单元；

所述的PTCT输入单元的交流电压信号输入端，通过电压互感器连接到三相电网，所述的PTCT输入单元的交流电流信号输入端，通过电流互感器连接到三相电网，所述的PTCT输入单元，通过主控EtherCAT网络，连接到调节保护单元；

所述的开关量输入单元，通过光耦或光纤隔离，连接到三相电网；所述的开关量输入单元，通过LVDS接口连接到调节保护单元；

所述的调节保护单元，通过LVDS接口连接到所述的开关量输出单元，并通过开关量输出单元的继电器连接到三相电网。

本实用新型的电能质量调节装置的控制系统的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的电能质量调节装置的控制系统还包括通讯耦合子系统，所述的主控子系统通过通讯耦合子系统分别连接到每个调节控制器；所述的通讯耦合子系统，包括连接在LVDS接口上的模块EtherCAT主站，以及至少一台EtherCAT耦合器，与EtherCAT从站互相连接构成模块EtherCAT网络；所述的各调节控制器构成EtherCAT从站，经由所述的EtherCAT耦合器，连接到模块EtherCAT网络，所述的调节保护单元通过光耦或者光纤隔离，连接到调节控制器。

本实用新型的电能质量调节装置的控制系统的一种更好的技术方案，其特征在于所述的EtherCAT耦合器包含3组端口，每一组包含1个入口端和1个出口端；EtherCAT主站和从站通过EtherCAT耦合器构成Y型结构的EtherCAT网络；在所述的3组端口之间，设有旁路通道，当一组端口连接的从站或下级耦合器发生故障或者断线时，所述的旁路通道自动将该组端口闭合。

本实用新型的电能质量调节装置的控制系统的一种改进的技术方案，其特征在于所述的主控子系统还包括连接在LVDS接口上的故障录波单元；所述PTCT输入单元通过主控EtherCAT网络，连接到故障录波单元；所述的各调节控制器经由EtherCAT耦合器，通过EtherCAT网络，连接到故障录波单元。

本实用新型的电能质量调节装置的控制系统的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的电能质量调节装置的控制系统还包括以太网接口，所述的主控子系统和通讯耦合子系统，通过以太网接口连接到本地或远程PC监控终端。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的电能质量调节装置的控制系统，采用实时串行以太网(EtherCAT)总线技术，传送速率高，可实现报文硬件校验，且无信息冲突；核心控制板采用高速专用芯片，大大增强了核心控制器的处理能力。

2.可实现各功率模块的分布式控制，控制系统采用分层分布式控制框架，易于实现控制器的模块化和软件程序的标准化，增强了控制器的扩展性能和适用性。

3.基于以太网通信技术、灵活拓扑结构和分层分布的控制框架，使本实用新型的电能质量调节装置的控制系统具有良好的扩展功能，并具有远程监控功能。

附图说明

图1是本实用新型的电能质量调节装置的控制系统的主电路图；

图2是本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入单元的结构框图；

图3是本实用新型的电能质量调节装置的开关量输出单元的结构框图；

图4是本实用新型的电能质量调节装置的主控EtherCAT主站电路图；

图5是EtherCAT耦合器构成Y型结构的EtherCAT网络的连接关系示意图；

图6是包括通讯耦合子系统的电能质量调节装置的控制系统的主电路图。

以上图中的各部件的标号：100-三相电源，800-电能质量调节装置，810-主控子系统，811-主控EtherCAT主站，812-PTCT输入单元，813-调节保护单元，814-故障录波单元，815-开关量输入单元，816-开关量输出单元，820-通讯耦合子系统，821-模块EtherCAT主站，822-EtherCAT耦合器，830-调节控制器，910-以太网交换机，920-PC监控终端，8111-数字信号处理器，8112～8114-以太网接口，8115～8116-EtherCAT从站控制器，8117-开关量输入输出接口。

具体实施方式

为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步详细描述。

图1是本实用新型的电能质量调节装置的控制系统的一个实施例主电路图，图6是包括通讯耦合子系统的控制系统的实施例主电路图，如图1和图6所示，本实用新型的电能质量调节装置的主控子系统810，包括主控EtherCAT网络和主控EtherCAT主站811，以及PTCT输入单元812、调节保护单元813、开关量输入单元815和开关量输出单元816；PTCT输入单元812的交流电压信号输入端，通过电压互感器(PT)连接到三相电网100，PTCT输入单元812的交流电流信号输入端，通过电流互感器(CT)连接到三相电网100，PTCT输入单元812，通过主控EtherCAT网络，连接到调节保护单元813。根据本实用新型的一个实施例，PTCT输入单元812包含两块PTCT板，每块PTCT板完成6路交流电压和6路交流电流的二次变换。电压和电流采样信号变换成电压信号后，经过二阶有源滤波电路实现低通滤波，再连接到AD转换器的输入端进行AD变换。AD采样数据送到EtherCAT从站控制器，同时启动EtherCAT主站的数据帧发送。6路电压和6路电流输入。AD芯片选用MAX125，并只用其A组转换，实现同步采样。

开关量输入单元815，通过光耦或光纤隔离，连接到三相电网100；开关量输入单元815，通过背板IO端口连接到调节保护单元813；开关量输入单元815的结构如图2所示，开关量输入单元815可以接入32个数字量输入信号，防抖滤波可防止受干扰的数据传送至系统中。所有输入信号可直接通过背板IO端口传送到主控子系统的各个单元，实现快速开入信号的传递，也可以通过EtherCAT网络打包传输。调节保护单元813，通过背板IO端口连接到开关量输出单元816，并通过开关量输出单元816的继电器连接到三相电网100。开关量输出单元816的结构如图3所示，可以实现14对继电器空节点的输出，用于三相电网100继电保护系统的控制断路器和指示灯。

如图6所示的包含通讯耦合子系统的控制系统的实施例，电能质量调节装置的控制系统包括主控子系统810、通讯耦合子系统820和3n个调节控制器830，其中n≥1；所述的电能质量调节装置800包括3n个功率单元(图中未表示)，分别连接到三相电网100上，所述的调节控制器830分别对应连接到电能质量调节装置800的每个功率单元，主控子系统810通过通讯耦合子系统820分别连接到每个调节控制器830。通讯耦合子系统820包括连接在LVDS接口上的模块EtherCAT主站821，以及至少一个EtherCAT耦合器822，与EtherCAT从站互相连接构成模块EtherCAT网络；调节控制器构成EtherCAT从站，经由EtherCAT耦合器，连接到模块EtherCAT网络，调节保护单元813通过光耦或者光纤隔离，连接到调节控制器830。

根据本实用新型的电能质量调节装置的实施例，EtherCAT耦合器822包含3组端口，每一组包含1个入口端和1个出口端；EtherCAT主站和从站通过EtherCAT耦合器构成Y型结构的EtherCAT网络；在所述的3组端口之间，设有旁路通道，当一组端口连接的从站或下级耦合器发生故障或者断线时，所述的旁路通道自动将该组端口闭合。数据通过EtherCAT耦合器的循环流向为1->2->3->4->5->6->，参见图5：主站发出的报文数据从1口进入EtherCAT耦合器，从2口送出，送到由EtherCAT耦合器引出的从站或下级耦合器，再从3口回到EtherCAT耦合器，然后从4口送出，送到后续的从站或下级耦合器，报文数据历经后续的从站或下级耦合器之后，从5口进入回到EtherCAT耦合器，再从6口送出，回到主站。当由EtherCAT耦合器第2-3组端口引出的从站或下级耦合器发生故障或者断线时，第2-3组端口的旁路通道自动将2口和3口闭合，数据流向变为1->4->5->6，主站过来的报文数据从1口进，当数据试图从2口送出时，不经过该从站而自动将报文数据送到端口4，历经后续的从站或下级耦合器之后，从5口进入回到EtherCAT耦合器，再从6口送出，回到主站。

在图1和图6所示的本实用新型的电能质量调节装置的实施例中，主控子系统810还包括连接在LVDS接口上的故障录波单元814；PTCT输入单元812通过主控EtherCAT网络，连接到故障录波单元814；调节控制器830经由EtherCAT耦合器822，通过模块EtherCAT网络，连接到故障录波单元814。当电力设备发生遥信变位，电力保护设备或智能电力仪表会自动记录下变位时间、变位原因等，形成事件顺序记录，以便于事后分析，一般简称为SOE(Sequence of Event)记录。故障录波单元814在故障发生或需要时及时记录各个电气量的变化情况，传输、存储和显示录波数据及相关内容，以备查询分析故障事件和系统状态。

在图1和图6所示的本实用新型的电能质量调节装置的实施例中，还包括以太网接口，主控子系统810和通讯耦合子系统820，通过以太网接口和以太网交换机910，连接到本地或远程PC监控终端920。

在图4所示的本实用新型的电能质量调节装置的主控EtherCAT主站的实施例中，数字信号处理器8111为T1公司的TMS320F28335型数字信号处理器，该处理器具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为T1特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。在该实施例中，以太网接口8112～8114采用多功能网络接口芯片W3150；EtherCAT从站控制器8115～8116采用EtherCAT从站控制器集成电路ET1100。通过ET1100将以太网的物理接口转为LVDS，直接接入主控子系统内部的LVDS信号线。每片ET1100剩余的两个端口可以作为耦合器，通过光纤收发器AFBR-5803ATZ转换成光信号实现不同子系统之间的连接。开关量输入输出接口8117采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)，预留16个IO口接入背板，用于子系统内部个单元之间的IO通讯，比如来自PTCT输入单元812从站、用于启动EtherCAT主站发送数据的信号，EtherCAT主站启动其它从站单元接收EtherCAT数据的信号等。主站提供两个光入光出用于和其它子系统的IO信号连接。此外，DSP还预留一个232接口和一个CAN接口备用。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种电能质量调节装置的控制系统，包括主控子系统和3n个调节控制器，其中n≥1；所述的电能质量调节装置包括3n个功率单元，分别连接到三相电网上，所述的调节控制器分别对应连接到电能质量调节装置的每个功率单元，其特征在于：所述的主控子系统包括主控EtherCAT网络和主控EtherCAT主站，以及PTCT输入单元、调节保护单元、开关量输入单元和开关量输出单元；

所述的PTCT输入单元的交流电压信号输入端，通过电压互感器连接到三相电网，

所述的PTCT输入单元的交流电流信号输入端，通过电流互感器连接到三相电网，

所述的PTCT输入单元，通过主控EtherCAT网络，连接到调节保护单元；

2.根据权利要求1所述的电能质量调节装置的控制系统，其特征在于所述的电能质量调节装置的控制系统还包括通讯耦合子系统，所述的主控子系统通过通讯耦合子系统分别连接到每个调节控制器；所述的通讯耦合子系统，包括连接在LVDS接口上的模块EtherCAT主站，以及至少一台EtherCAT耦合器，与EtherCAT从站互相连接构成模块EtherCAT网络；所述的各调节控制器构成EtherCAT从站，经由所述的EtherCAT耦合器，连接到模块EtherCAT网络，所述的调节保护单元通过光耦或者光纤隔离，连接到调节控制器。

3.根据权利要求2所述的电能质量调节装置的控制系统，其特征在于所述的EtherCAT耦合器包含3组端口，每一组包含1个入口端和1个出口端；EtherCAT主站和从站通过EtherCAT耦合器构成Y型结构的EtherCAT网络；在所述的3组端口之间，设有旁路通道，当一组端口连接的从站或下级耦合器发生故障或者断线时，所述的旁路通道自动将该组端口闭合。

4.根据权利要求1所述的电能质量调节装置的控制系统，其特征在于所述的主控子系统还包括连接在LVDS接口上的故障录波单元；所述PTCT输入单元通过主控EtherCAT网络，连接到故障录波单元；所述的各调节控制器经由EtherCAT耦合器，通过EtherCAT网络，连接到故障录波单元。

5.根据权利要求2或3所述的电能质量调节装置的控制系统，其特征在于所述的电能质量调节装置的控制系统还包括以太网接口，所述的主控子系统和通讯耦合子系统，通过以太网接口连接到本地或远程PC监控终端。