基于DSP 的智能分布式无功补偿装置的设计.doc

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1、基于DSP 的智能分布式无功补偿装置的设计摘要: 从工程实际的角度出发，提出一种新型的基于DSP 的智能分布式无功补偿装置，能实现模拟量算法的采样计算和电容器在线监测及保护功能。与传统的分布式无功补偿装置相比，具有跟随负载无功需求进行动态补偿、电容器在线监测及谐波越限优化运行等特点。通过从投运前与投运后样机在现场的实时运行数据的数据对比可见，装置的补偿效果显著，且对谐波无明显放大作用。关键词: 智能分布式; 无功补偿; 在线监测; 模拟量算法随着工业、民用电器的高速发展，节能灯具及非线性、感性负荷的普遍应用，造成了大量无功消耗，致使电力系统电流增大、线路耗损严重、装机容量增加等一系列问题，而人

2、们对用电量需求又大幅增加。那么，如何减少无功损耗，使电能得到最大程度的利用。行之有效的办法是提高功率因数，对电网进行无功补偿。无功补偿装置在电力系统中承担着提高电网功率因数、降低输电线路损耗、提高系统供电效率、改善电能质量等作用。我国从20 世纪80年代起在分布式无功补偿领域进行了大量的研究和实践，取得了许多经验和很好的经济效益。但由于投切开关、自动控制器等电气设备技术方面的问题，阻滞了分布式无功补偿装置的推广应用。特别在10 kV 级高压供电系统中，快速、准确、高效的无功补偿技术并没有得到实质的应用，大多仍停留在简易型、非自动投切的水平上。其硬件结构中的内部处理器一般主要以16 bit 的单

3、片机为主要数据处理器，简单地按照电压、功率因数等参量控制投切电容器，且不能跟踪负荷无功需求的变化进行动态补偿。因此，高自动化水平、高可靠性的智能分布式无功补偿势在必行。本文提出一种基于DSP 的智能分布式无功补偿装置，适用于交流50 Hz、负载无功需求变化较大，额定电压在10 kV 及以下的供电系统中。1 智能分布式无功补偿装置的硬件设计智能分布式无功补偿装置的硬件主要由控制器、晶闸管、并联电容器、电抗器、过零触发模块、放电保护器件等组成。其整体结构示意图如图1所示。图1 智能分布式无功补偿装置的结构示意图装置能实时跟踪测量负荷的电压、电流、无功功率和功率因数，通过微机进行分析，计算出无功功率

4、，并与预先设定的定值进行比较，自动选择能达到最佳补偿效果的补偿容量发出指令，由过零触发模块判断双向晶闸管的导通时刻，实现快速、无冲击地投入并联电容器组。1.1 TMS320F2812 控制核心在该智能分布式无功补偿装置设计中，控制器采用两片32 bit DSP( TMS320F2812) 处理器，其中一片完成无功补偿算法，另一片完成对电容器运行参数的在线监测功能及保护控制功能。双处理器内部采用CAN 总线，实现数据的交换功能。TMS320F2812 数字信号处理器是32 bit 定点DSP控制器，是控制领域性价比最高的处理器之一，具有以下显著特点:( 1) 指令处理效率高，主频高达150 MH

5、z，大大提高了控制系统的芯片指令处理能力及运算速度。( 2) TMS320F2812 芯片集成基于C /C + + 的高效32 bit 内核，并提供浮点数学函数库( IQ Math) ，从而可在定点处理器上方便地实现浮点运算，且控制精度高。( 3) TMS320F2812 采用哈佛总线结构，具有统一的存储模式，包括4 M 线性可寻址程序空间和4M 线性可寻址数据空间; 同时，片内具有四个8 KB 16 bit 和六个16 KB 16 bit 的Flash 存储空间及18 KB 16 bit 的SRAM，大大改善了应用的灵活性。( 4) 丰富的外设资源，具有两个8 通道的12 bit A/D模块

6、; 两个事件管理器EVA、EVB 支持全双工异步串行通信的SCI 接口和PWM 发生器等外设资源。1.2 互感器板设计互感器板的设计主要采用电压互感器LV25P、电流互感器HX05-P、闭环电流传感器CSNA111及温度传感器TD4。互感器后采用RC 滤波电路进入主板运放，如图2 所示。图2 RC 滤波电路1.3 电容器在线监测功能设计电容器的老化、寿命与电容器的泄漏电流成正比，从而通过监测电容器泄漏电流的大小来实现电容器的在线监测。具体实施主要在电容器表面安装有“泄漏局放电流传感器”，对电容器泄漏电流进行监测和诊断，从而对电容器的老化、寿命进行在线实时监测。另外，电容器运行的实时温度也是实现

7、电容器在线监测的主要数据之一。电容器在实际工作中经常出现由于老化、击穿及过负荷造成的电容器实体温度升高，通过该特性来实现对电容器状态的实时监测。在电容器表面安装“运行温度传感器”，采样电容器实际运行的温度数据，计算出实时运行的温度值，并与无功控制器中设定的正常运行时的最大温度相比较，从而得出电容器运行的实时状态。温度传感器与泄漏电流传感器直接进入运放，如图3 所示。图3 运算放大电路由电容器局部放电与电容器实时温度组成的电容器在线监测功能对电容器的老化和寿命及运行状态进行实时监测，大大提升了高压无功补偿的智能化。1.4 主板设计主板设计主要采用两片32 bitTMS320F2812DSP 和两

8、个16 bit 6 通道A/D 转换器AD7656BST。其中，补偿电流Ia、Ib、Ic，补偿电压Ua、Ub、Uc，保护电流Ipa、Ipb、Ipc，剩余电流Ix。温度T 通过互感器板后，进入主板前置滤波运放电路中，然后在分别进两个A/D 转换器; 最后进入主芯片DSP，算出各个模拟量。主芯片采用CAN 总线实现数据交互功能。如图4 所示。图4 A/D 采样电路2 智能分布式无功补偿的性能分析及软件设计2.1 模拟量采用算法智能分布式无功补偿采用32 bit 定点( TMS320F2812) DSP 和16 bit 6 通道A/D 转换器AD7656BST，对电网电压、电流、频率等电量进行采集处

9、理。软件采用快速傅立叶算法，每通道每周波最少采用64 点，所有通道进行同时采样，并计算出三相有功、无功功率、功率因数、频率及各次谐波电流等模拟量参数。算法流程图如图5 所示。图5 算法流程图2.2 保护控制功能实现由于电网对无功需求具有实时性，需对无功进行动态实时补偿，因此装置应设有投入无功门限，即根据现场设置定值。当电网所需无功大于等于所设定的定值时，就闭合断路器，投入电容器，进行无功补偿; 同时还设有切除无功门限，即当电网无功过剩时要自动解除电容器，防止无功过剩给电网带来的影响。动作流程图如图6 所示。图6 无功自动投切框图电网用电设备产生的二次污染“谐波”容易导致电容器老化、击穿。针对系

10、统谐波对电容器的影响，智能分布式无功补偿装置在设计中增加了“谐波越限优化运行”程序设计，即 在谐波越限大值区域内直接退出运行; 在谐波越限警戒区域内定制运行和离线时间间隔，从而达到提高设备的使用寿命和抗谐波影响能力，增强装置的稳定性。其程序流程图如图7 所示。图7 谐波越限优化运行框图2.3 程序的容错与抗干扰由于装置一般安装在环境相当恶劣、电磁干扰相当严重的变电站或配电房，因此经常会发生程序跑飞的现象，导致装置死机、失效等，严重时会破坏RAM 区数据。为尽量减少程序跑飞带来的损失和影响，一般装置设计中都有软件和硬件的容错、抗电磁干扰等措施。为提高程序的容错和抗电磁干扰能力，分别采取以下措施。

11、( 1) 设置校验码，若程序跑飞，可以通过核对校验码是否正确，从而可以进行手动或自动复位，重新运行程序。( 2) 收留井法。当SP 指针失控造成程序跑飞时，有可能进入数据存取RAM 区，在数据存取RAM 区设置软件复位，强迫使其进入复位状态。( 3) 硬件设置看门狗电路。选用MAX708 芯片，在软件中定时给看门狗一个触发信号，芯片得到该信号，说明程序正常; 如果在一定时间内得不到这个信号，说明程序跑飞，此时给DSP 一个复位信号，强制DSP 复位，重新运行程序。3 现场实测数据分析智能分布式无功补偿装置由电容器在线监测回路、高压无功综合补偿控制器、保护回路等组成。可靠的投切开关设计，采用永磁

12、机构驱动的真空接触器，可以实现分相零电流控制，达到对电容器的柔性软开关操作。样机安装在佛山供电局、南海区、大冲虎头台区。得到低压计量点0.38 kV，功率因数0.7616，补偿前得到功率因数0.7616，智能无功补偿装置0.38 kV 馈线侧电流点测数据如表1 所示; 功率因数0.9804，智能无功补偿装置投运时，0.38 kV馈线测电流实测数据如表2 所示。表1 智能无功补偿柜切除时0.38 kV 馈线侧电流实测数据谐波次数基波电流/A3579111315A 相265.506.1011.002.501.603.902.600.50B 相273.201.6011.502.500.704.002

13、.100.20C 相332.1010.1014.601.800.503.902.500.70表2 智能无功补偿柜投运时0.38 kV 馈线侧电流实测数据谐波次数谐波次数基波电流/A3579111315A 相207.303.3017.203.802.0011.704.800.50B 相228.601.8014.802.503.2013.904.200.50C 相266.0010.2018.804.503.1011.505.400.40对比表1、表2 可知，投入智能分布式无功补偿装置前，功率因数为P = 0.761 6，基波电流分别为IA = 265.50 A，IB = 273.20 A，I C

14、= 332.10 A;但投入智能分布式无功补偿柜后，功率因数提高到P = 0.980 4，基波电流也分别下降为: IA =207.30 A，I B = 228.60 A，IC = 266.00 A。可见，在负荷相同的情况下投入无功补偿后，A 相基波电流减少58.2 A，B 相基波电流减少44.6 A，C 相基波电流减少66.1 A。因此降低了线路总电流，从而提高区域发电机系统的带负荷能力，减少了输电线路及变压器的损耗，效果显著; 且对比各次谐波，也无明显放大作用。4 结束语本文提出的智能分布式无功补偿技术主要具备以下优点: 无功补偿控制灵活; 综合监控能力强; 电容器在线监测功能; 易实现频繁

15、操作控制，控制可靠性高; 多重保护控制在线监测功能，设备的免维护性和可靠性大大提高等，因此，有效弥补了现有国内分布式无功补偿运行不足的缺陷。综合高性能指标的无功补偿技术，符合当前快速无功补偿技术的发展和应用。各性能指标的提高，对建设稳定、可靠、性能优质的电力能源系统都将起到积极的作用。参考文献1 邓家泽，王奔，黄崇鑫，等 基于晶闸管STATCOM的无功补偿控制J 电网技术，2009，33 ( 1)2 黄镔，许婧，程旻，等 220 kV 及以下电网感性无功补偿容量初探J 电网技术，2009，33 ( 19)3 卜京，江宁强 计及谐波抑制的不对称负荷动态无功补偿方法J 电网技术， 2010， 34( 7)4 杨建军，战红，鲁成杰 配电线路集中无功补偿优化的改进遗传算法J 电力系统保护与控制， 2010，385 赵美莲，赖业宁，刘海涛，等 实时无功优化研究及其在线实现J 电力系统保护与控制，2009，37( 23)6 詹厚剑，吴杰康，康海兵 静止同步补偿器的开关函数建模与仿真J 电力系统保护与控制， 2010， 38( 10)7 龚迪琛，方方，黄洪全 一种混合结构的无功补偿控制系统的设计J 电力系统保护与控制， 2009， 37( 13) .