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作者:邵文权,刘重轩,刘毅力 来源:www.21chip.com 发布时间:2010-01-12 来源:中国工控网 繁体版
摘要: 针对现有变电站电压无功控制系统存在的问题,提出了一种应用DSP控制器实现电压无功综合控制的方案。 采用TI公司的TMS320LF2407 DSP 芯片作为主处理器,分别进行了变电站电压无功综合控制系统的硬件设计和软件
摘要: 针对现有变电站电压无功控制系统存在的问题,提出了一种应用DSP控制器实现电压无功综合控制的方案。 采用TI公司的TMS320LF2407 DSP 芯片作为主处理器,分别进行了变电站电压无功综合控制系统的硬件设计和软件设计。该系统充分利用了DSP控制器的高速的数字信号处理能力, 能提高控制系统的实时性和准确性。

关键词: 电压无功;综合控制;DSP;核心控制器

引言

电压是衡量电能质量的重要指标之一。 电能质量对于电力系统的安全经济运行,对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与使用寿命, 都有着重要的影响。 电力系统向用户提供的电能, 要求电压必须在允许的波动范围内。而电力系统的电压水平和无功功率状况密切相关。 充分利用各种调压手段和无功电源的补偿作用, 实现电压无功的综合控制,对于提高电压合格率和降低网损具有重要的意义。

目前,我国变电站普遍通过调节有载变压器分接开关和并联补偿电容器组来保证系统的电压质量和功率因数。 按其主控单元硬件可以分为基于单片机、工控机和可编程逻辑控制器(PLC)三种类型。 以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展,是我国变电站电压无功控制装置的主要形式。 通常是在单片机的基础之上设计成特殊形式的专用机, 其冗余模块少, 与外界联系简单, 生产成本低。 但由于其硬件多为自行设计制造, 生产工艺都受到限制,造成电压无功控制系统的可靠性降低,在运行中可能出现单片机死机, 使控制系统失灵, 严重影响变电站甚至是整个电力系统的安全稳定运行。 基于工控机的电压无功综合控制系统, 其硬件标准化程度较高, 软件资源丰富, 有实时操作系统支持, 图文显示方便, 但装置访问时间较长, 控制精度受到限制, 一般适合大型重要变电站。

基于PLC 的电压无功综合控制系统, 虽然提高了硬件的可靠性, 其实时性和测量精度也能较好地满足要求, 但不便于实现先进的智能控制策略。 研制一种在实时性、控制速度及精度等方面都能满足系统需要的电压无功综合控制装置, 对系统运行质量的提高具有重要意义。 本文提出了一种基于DSP的变电站电压无功综合控制系统的设计方案, 采用16 位高性能DSP芯片作为控制系统的核心控制器, 自动跟踪检测电网的无功功率和电压, 从而实现电压稳定和无功功率的就地平衡。

控制原理

变电站电压无功控制系统是一个多输入多输出(MIMO) 的闭环自动控制系统。 从控制理论的角度来说, 它又是一个多约束(电压上下限、无功功率上下限、调压变压器分接头动作次数、并联电容器投切次数等)、多目标(电压合格和无功平衡) 的最优控制问题。


图1 九区图

根据母线电压和无功功率将运行情况划分为如图1所示的9 个区域。 图1 中纵坐标为电压U , 横坐标为无功功率Q (功率因数cosH)。 U 0 为运行过程要求保持的目标电压。 为避免控制过程中频繁动作, 电压和无功(功率因数)都有一个允许的波动范围。 只有当电压或无功(功率因数)超出允许的上下限时才进行调节。 在不同的区域采取不同的控制决策, 综合利用有载调压器的自动电压调节和投切并联电容器组平衡无功功率这两种手段, 达到电压和无功都控制在系统允许的范围内。 显而易见, 对于图1 中的0区域电压无功均合格, 当运行状态落入该区域时就可以停止控制; 如果超出该区域进入其它8 区域时就要进行调节使其尽快回到0 区域。


图2 电压无功综合控制系统硬件结构图

控制系统硬件设计
图2 为基于DSP 控制器的变电站电压无功综合控制系统硬件结构示意图。 这里采用TI 公司的TMS320LF2407 芯片作为变电站电压无功综合控制系统的核心控制器, 可以充分利用该控制器的高速数字信号处理能力和先进的硬件体系结构完成对系统频率、电流、电压的快速检测和处理, 从而适时、有效地进行电压、无功率的联合控制。

(1)  模拟量输入单元 控制系统的检测量一次三相电流、电压值经电压互感器(PT)、电流互感器(CT) 变换、滤波后, 再经过两个8 选1 CMOS多路转换器对采集信号进行调理; 多路转换器的输出由电压跟随放大器驱动, 送入高速16 位A/D转换器换为数字量, 之后送入到主电路TMS320LF2407 分析处理。

(2)  数字量输入单元 了使采样时钟与电网频率严格保持同步, 采用锁相环技术跟踪电网频率,从而提高控制器抗干扰的能力。

(3)  输出驱动单元 采集信号经主控制器处理后作出相应的动作决策, 由16 路控制/字量输出,再由驱动单元控制复合开关, 通过调节变压器分接头的位置和投切电容器组达到电压无功综合控制的目的。 16 路控制/字量输出分为两组: 一组设定为12 个投切电容器的分/闸输出, 另一组设定为4 个相互独立的变压器有载开关接点开关量输出。 DSP 处理器按照一定的逻辑顺序选通硬件电路, 控制输出驱动器, 以保证操作的可靠性。

(4)  人机界面单元 为了便于现场的调试和控制, 通过主控制器DSP 模块的扩展, 接口模块接入操作面板控制单元和液晶显示单元(LCD) , 可以方便显示各主要检测量, 并根据需要控制参数的修改设定。

(5)  通信单元 主控制器通过CAN 总线与整个变电站的自动化系统监控主机进行通信, 通过监控主机监视整个变电站电压无功综合控制系统的运行状态并调整更新各种运行参数。

(6)  电源单元 电源模块带有220V?24V AC/DC开关电源, 为DSP 模块插板、液晶控制模块插板等提供工作电源。

控制系统软件设计

软件设计主要采用模块化设计方法, 按实现的功能划分出若干个软件功能模块。 各功能模块相互独立, 便于今后软件的扩展和维护。 通过对各功能模块的调用来完成软件功能。 本系统各主要软件模块如图3 所示。


图3 程序结构框图

这种结构化、功能化的程序设计思想使程序组织合理, 功能独立, 便于程序的调试和修改, 减少了程序代码的重复, 节省了程序存储空间。 初始化模块: 清零标志位, 启动时钟CP 信号, 设置脉冲输出, 设置通讯。 开关量处理模块: 检测开关量输入, 判别系统的运行方式、设备状态及保护动作信号。 运行参数读取模块: 与参数检测仪表进行通讯, 获得运行参数后更新运行参数存储区。 控制主程序模块: 运行参数更新后, 进行参数的校验、运行区域的判别及与模拟量有关的保护, 闭锁信号的处理。 根据以上的处理结果决定是否执行自动控制。 辅助处理模块: 分接头日调节次数复位, 切除后的电容器放电监测, 调档动作的校验及变压器过电流判定。


图4 软件的程序流程图

软件的程序流程图如图4 所示。 上电后,系统进行自检, 包括清零复位, 启动时钟CP信号, 设置脉冲输出。 之后显示当前系统主要控制参数, 根据运行需要进行设置调整, 确认存储新的控制参数。 系统投入运行之中, 采集信号经DSP 处理后保存于双口RAM, 并进行逻辑判断, 作出相应的电压、无功调整策略; 动作信号输出到驱动单元, 由驱动单元操作复合开关投切电容器和调节变压器的有载开关。 电压无功平衡后, 系统返回初始状态。期间, 可以进行中断、返回处理。

结束语

以DSP 芯片为核心控制器的新型变电站电压无功综合控制系统, 能够充分利用DSP控制器的快速的数字信号处理能力, 从而提高变电站电压无功综合控制系统动作的实时性和准确性, 进而提高供电质量, 提高电压合格率, 提高变电站的安全可靠性和系统的运行管理水平。 该系统可以缩小变电站占地面积, 降低造价, 减少总投资, 减少运行维护工作量, 节约变电站运行成本, 具有良好的应用前景和社会经济效益。

基于DSP的变电站电压无功综合控制系统的设计
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