一种基于触摸屏、PLC与DSP综合控制动态无功补偿系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于触摸屏、PLC与DSP综合控制动态无功补偿系统及方法。该系统是由综合控制运算单元、TSC与HVC组成。该控制方法首先采集三相电网电压、电流并接收来自触摸屏的相关参数，然后依据瞬时无功理论计算出此时系统所需的无功容量，并利用PLC对目标功率因数进行校验，得到最合理的补偿回路组合方案，最后再运用晶闸管过零触发技术，控制相应的补偿回路进行投切。本发明有效地解决了以往补偿系统不能进行频繁投切、响应速度慢，补偿精度低等问题，同时也极大地提高了系统的稳定性、降低了运行成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种综合控制的无功补偿系统和方法，特别涉及一种基于触摸屏、PLC与DSP综合控制动态无功补偿系统及方法，属于柔性交流输电技术领域。

背景技术

近年来，我国电网的建设和运行中一直存在着无功补偿容量不足和配备不合理的现象，这种状况造成了系统电压波动、降低电气设备的使用寿命，同时还要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低输配电设备效率，而且增大了网损，严重影响供电质量和经济性。因此，为了提高功率因数、改善电能质量，保障电力系统安全、可靠运行，就必须对电网制定合理、有效的无功补偿方案。

采用静止型动态无功补偿装置SVC可以起到稳定系统电压、改善系统不平衡、提高负荷功率因数等作用，现已成功应用于冶金、采矿和电气化铁路等冲击性负荷的补偿上，而且还具有更加广泛的应用前景。其特点是：调节速度快，可连续、分相的进行无功功率调节、运行可靠、适用范围广等，因此对电力系统电压稳定和改善电能质量起到了明显的作用。它主要有两种形式：一种是晶闸管控制电抗器TCR，另一种是晶闸管投切电容器TSC。TCR是通过改变晶闸管导通角度，来控制流过电抗器的无功电流大小，从而控制无功功率。虽然其具有快速抑制电压波动，能平滑的控制无功负荷的允许波动，负荷稳定等优点，但由于晶闸管和电抗器处于同一相电压之下，电压高、功率大、占地面积大、晶闸管阀组冷却要求严格、价格高，TCR虽然可连续调整出力，但波形呈锯齿形，是一个很大的谐波源，而且还必须和FC同时运行，所以在某些工况中限制了它的发展。TSC是通过晶闸管的导通和关断控制电容器的投切，从而改变向系统发出无功功率的大小，同时使用串联电抗器可以有效抑制涌流和过电压的产生。TSC虽然不能像TCR连续可调，但可以一步投切到位，不会产生谐波，占地少，可靠性高，波形失真小，维护简单，另外，TSC的控制相对比较简单，响应速度也比较快，加之在同等容量下造价比较便宜，目前已被广泛用于功率补偿领域。由于大部分工矿企业的线路或负荷大多呈现为感性，需要容性无功功率，同时又是以保障生产线上的无功及功率因数为主要目的，从经济上考虑大多采用HVC(机械投切电容器)进行补偿，虽然HVC也可以分级自动调节电压、无功，补偿功率因数，但它最大的缺点是不能进行频繁投切，响应速度慢，易造成过补等。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种基于触摸屏、PLC与DSP综合控制动态无功补偿系统及方法，既能快速有效的补偿无功又可以以较灵活的积木式、模块化结构满足各种大容量无功场合，以最大程度降低电网损耗、设备投入和运行成本，同时提高设备的使用寿命，减少维护次数。

为达到上述目的，本发明提供一种基于触摸屏、PLC与DSP综合控制动态无功补偿系统及方法，一种触摸屏、PLC与DSP综合控制动态无功补偿系统，由综合控制运算单元、TSC与HVC组成，其特征在于HVC补偿回路在邻近负载侧与电网相连接，并通过滤波电抗器、真空接触器并联在电网上，补偿大容量无功；TSC补偿回路通过滤波电抗器、晶闸管阀组并联在电网上，进行无功细调。其中，所述的综合控制运算单元由触摸屏、PLC与DSP运算单元、触发脉冲、保护系统组成。所述的保护系统由触摸屏、PLC与DSP运算单元、触发脉冲形成电路、光电隔离电路、过零触发系统、故障检测系统组成。所述的HVC由固定电容器、滤波电抗器、断路器或真空接触器、继电控制组成。所述的TSC由并联电容器组、滤波电抗器、晶闸管阀组、过零触发系统组成。

基于上述动态无功补偿系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)A/D采集系统实时采集电网三相电压、电流瞬时值。

(2)在触摸屏中设置TSC与HVC的支路数和相应支路的补偿容量、目标功率因数，电压、电流、谐波报警限值等系统参数。

(3)DSP运算单元将A/D采集系统采样得到的电压、电流信号利用瞬时无功理论进行计算，得到基波有功和无功电流，再根据目标功率因数值计算出负荷所需要的无功容量，然后决定哪一路或多路TSC与HVC相结合投入，实现最优无功调节。

(4)触发脉冲形成电路将各支路TSC的脉冲触发信号送给过零触发系统，过零触发系统判断系统在过零时刻投入电容器组，可使电容器投切过程中无涌流冲击，同时由PLC控制相应支路的HVC进行投切。

(5)在已确定无功容量且具备投切条件时，PLC还要进行功率因数校验，即比较目标功率因数与实际功率因数，这样就可以做到补偿的快速响应，又避免了电容器的误投入，使电容器投切一次到位，有效的防止了电容器投切振荡，达到很好的补偿效果。

(6)保护系统实时监测TSC回路的工作情况和运行状态，并将TSC所有运行数据通过CAN总线传给单片机处理单元，单片机处理单元再将这些运行信息通过双口RAM送入DSP运算单元进行相应的处理。当TSC回路出现严重故障时保护系统还可以发出闭锁信号给输出单元以封锁TSC投切信号，保障了TSC回路的安全、可靠运行。

本发明的综合控制无功补偿系统和方法，其中TSC与HVC的支路数原则上可以任意设置，通常根据现场实际情况配置成特征谐波的滤波支路。综合控制系统由信号输入输出、信号处理、DSP运算单元、触发脉冲形成电路、光电隔离电路、过零触发系统、PLC及触摸屏等组成。

本发明的有益效果是：

(1)综合无功补偿控制系统由TSC与HVC构成联合补偿结构，由HVC进行大容量无功粗调，而TSC进行无功细调，实现了大容量、低成本的无功快速调节系统。

(2)可根据现场工况配置不同的补偿单元来满足补偿容量及补偿精度的要求。积木式结构，单元之间可利用母线夹任意搭接，安装、扩充容易，简单方便。

(3)综合控制系统确保晶闸管过零触发，使得投切电容器无冲击、无涌流、无过渡过程。既动态快速跟踪负荷变化，又克服了传统无功补偿器对电容器所产生的危害。

(4)通过远方操作接口可实现就地设备的联网，再与电网实时数据相结合，运用无功优化算法，得到各个设备的控制指令，可以分别对每个设备进行遥控操作，同时监测各个设备及系统的故障信息，并根据故障等级进行报警或切除故障回路，提高了系统可靠性。

(5)应用瞬时无功功率理论代替以往传统的控制理论，本质上就是利用瞬时值代替传统的有效值来分析三相电力系统，再结合触摸屏与PLC进行综合分析，最终控制补偿设备快速、精确投切。这种方法具有实时性好、精度高、理论成熟和概念清晰等特点，非常适合当前电力系统谐波检测和无功补偿的适应性、准确性的要求，是一种非常有前景的理论和控制方法。

本发明还有这样一些技术特征：所述的DSP芯片为TI公司新一代芯片，其数据总线宽度为32位，地址总线宽度为24位，速度跃升到150M，同时具有丰富的外设。而双口RAM采用的是CYPRESS公司研制，该芯片是高速具有两套相互独立、完全对称的地址总线、数据总线和控制总线，为2K×16CMOS双端口静态RAM，采用68脚PLCC封装形式，最大访问时间可以为25/35/55ns。A/D采集电路为AD7864，是一个4通道、12位高速A/D转换器。所述的另一单片机电路为AT90CAN128，是Atmel公司的一款8位单片机，内部带有一个8通道单端或差分输入的10位高速A/D转换器，并具有1个符合2.0A或2.0B的CAN控制器接口，是一款高性能单片机。PLC西门子公司生产的，该系列PLC以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能，多年来一直应用于各行业中的监测及控制的自动化系统中。触摸屏采用MCGS的一款嵌入式一体化工控机，其配置了高亮度TFT液晶显示屏，四线电阻式触摸屏(分辨率4096×4096)，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统WinCE.NET(中文版)和MCGS嵌入式组态软件，是一款性价比极高的人机界面。

附图说明

图1是综合控制无功补偿系统结构示意图；

图2是综合控制无功补偿系统的控制框图；

图3是DSP运算框图；

图4是DSP算法流程图。

具体实施方式

具体实施例一：

结合附图1～4对本发明进行进一步说明：一路TSC与两路HVC的综合控制无功补偿系统，其中TSC补偿回路、HVC补偿回路在邻近负载侧与电网相连接。HVC补偿回路通过滤波电抗器、真空接触器并联在电网上，补偿大容量无功。TSC补偿回路通过滤波电抗器、晶闸管阀组并联在电网上，进行无功细调。综合控制保护系统由触摸屏、PLC与DSP运算单元、触发脉冲形成电路、光电隔离电路、过零触发系统、故障检测系统组成。当系统需要容性无功时，DSP运算单元计算出所需无功容量，控制HVC回路投切，并在系统过零时触发晶闸管，投入TSC补偿回路，TSC补偿回路弥补了HVC补偿回路不能进行快速调节的缺点，结合HVC补偿回路可提供较大容量无功的优点，从而实现了大容量、低成本的无功快速调节。

图2所示为综合控制无功补偿系统的控制框图，它包括信号采集调理模块、单片机及DSP运算处理模块、输出单元、保护单元、过零触发系统、PLC及触摸屏。

信号采集调理模块负责采集三相电压、电流信号，并将采集到的信号经过隔离放大器隔离后送入A/D转换器进行转换，再将转换结果送入DSP运算单元，与此同时，操作人员可以在触摸屏上分别设置TSC和HVC补偿回路的路数、容量数值及目标功率因数等，所有参数设置完毕的同时也下传给了DSP运算单元，DSP运算单元根据电网参数计算出当前电网的瞬时无功功率，再结合触摸屏下设参数，决定投入哪一路或多路TSC与HVC补偿回路，并将投切控制信号送入输出单元，输出单元包括触发脉冲形成电路和光电隔离电路，由触发脉冲形成电路产生高频脉冲，再经光电隔离电路进行电光转换后，通过光纤传送入到过零触发系统中。过零检测技术是TSC补偿系统中的重要技术环节，是决定TSC补偿系统性能优劣的关键因素。一般来说，为避免电容器投入时涌流的产生，选择投切时刻时，应保证电源电压与电容器残压幅值和方向相同，而电容器的残压往往不易被检测出来，所以选择电压过零点作为投入时刻。此时，晶闸管电压与电源电压均为零，可避免涌流，保证晶闸管平稳导通。本发明的过零触发系统就是根据上述原理，通过检测晶闸管两端电压的过零点来决定投入电容器组的时刻并发出触发脉冲。触发脉冲采用电磁触发方式，即触发电路的信号是通过脉冲隔离变压器进行传输的，实现了一次系统和二次系统完全隔离，并同时可对数十个晶闸管同时进行触发导通、关断，一致性高，同时具有很高的可靠性和安全性，达到国际先进水平，既避免了对系统造成冲击，还可以尽快将电容器投入到系统中，提高了TSC的响应速度。另外，过零触发系统在收到切除命令时，停止发出触发脉冲，晶闸管在电流过零时自动断开，直到下次再有触发信号时才会在电压过零点时刻重新投入。HVC补偿回路的投切则是依靠PLC系统对其进行控制，PLC在接到DSP运算单元的投切指令后，对相应的HVC补偿回路进行投切操作，同时，还要将目标功率因数与实际功率因数进行比对，再结合总的补偿容量，确定一种最接近又不过补的组合方式，使电容器组一次投切到位，解决了投切振荡的问题，又提高了补偿的响应速度。主回路的工作状态和故障情况可以传回PLC，由PLC进行相应的处理，同时PLC将HVC所有的状态信息实时传送给触摸屏进行显示，触摸屏也具备手动投切HVC的功能，方便了现场的调试。TSC补偿回路有专门的保护单元，具有过压、过流、超温、可控硅故障、电容器故障等报警，同时对开关元件的工作状态实时监测、判断。一旦串联晶闸管阀组中的晶闸管元件发生5个以上故障，保护电路控制输出单元立刻封锁触发脉冲，使三相晶闸管阀组停止导通，防止其它元件受到损坏。另外，保护单元还要将三相晶闸管阀组的运行信息、报警状态通过CAN总线传给单片机处理单元，经CPU转换处理后，再将所有这些TSC补偿回路信息经双口RAM传送给DSP，由DSP进行统一处理，随后DSP将这些系统信息由串口传送给触摸屏进行显示、存储。触摸屏具有远方通信功能，可与上位机进行远距离通信，由上位机进行统一管理，遥控操作各个本地设备、记录系统运行情况，为各设备正常工作提供强有力的保障。

图3、图4所示为DSP运算框图和DSP算法流程图，采用TMS320F2812型的DSP运算单元，以C语言为编程语言，基于瞬时无功理论实现了无功功率的快速运算与补偿。

首先将采集到的三相电压、三相电流信号由a、b、c三相坐标轴变换到α-β两相正交的坐标系上进行分析，然后再经d-q坐标轴变换，变为旋转坐标系参量，将谐波分量滤除掉，并通过计算模块的算法得到实时的无功功率。假设电网三相电压、三相电流瞬时值分别为u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c，其中电压瞬时值可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_a=U_m\sin \mathrm{\omega t}\\ u_b=U_m\sin (\mathrm{\omega t}-2\pi /3)\\ u_c=U_m\sin (\mathrm{\omega t}+2\pi /3)\end{array}\right)$

上式中，U_m为电压幅值，ω为角频率。那么三相电网的瞬时无功功率就是电压向量的模和三相电网瞬时无功分量的乘积，可以表示为：

$q=\sqrt{3}/3[(U_b-U_c)i_a+(U_c-U_a)i_b+(U_a-U_b)i_c]$

由以上两式可以推导出另一公式：

q＝-U_m[i_acosωt+i_bcos(ωt-2π/3)+i_ccos(ωt+2π/3)]

由此可知，只要采集某一时刻的系统电压、电流值，就能快速的计算出有功功率和无功功率，同时为了避免现场的一些干扰，可以在一个周波内采集多点数据来计算有功和无功功率，再对计算结果取平均值，以提高计算精度。

DSP运算单元同时接收由触摸屏设置的补偿回路的路数和容量，结合系统当前的无功功率，得到最佳的投切组合方式并控制相应的支路进行投切操作。

本发明已完成了样机的生产并已投入运行，试验证明，它有效地解决了以往补偿装置响应速度慢、计算精度低、结构复杂等难题。具有响应快、精度高、易操作、低成本、运行安全可靠等特点。

以上实施方式仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，作出各种等同变换或变化的技术方案属于本发明的保护范畴，由各项权利要求限制。