靜態無功補償試驗平臺負載模擬及檢測裝置的製作方法
2023-05-30 03:38:26
專利名稱：靜態無功補償試驗平臺負載模擬及檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於輸配電技術領域，特別涉及一種用於靜態無功補償試驗平臺的負載模擬及檢測裝置。
背景技術：
靜態無功功率對電力系統有很多不利影響，目前，對於輸配電系統靜態無功補償的研究有很多，主要集中在對於靜態無功補償裝置本體設計、靜態無功補償裝置控制策略和方法方面，但靜態無功補償裝置只有在應用中才能體現出其性能，而各類先進算法和理論一般都是停留在理論推導和計算機仿真階段，少數的能夠進行實地試驗，都需要進行大量的準備工作，並且代價十分昂貴，因此，通用的靜態無功補償試驗平臺將成為進行無功補償試驗合適的選擇，試驗平臺必須要有負載裝置才能夠實現其功能，由於靜態無功補償主要針對工業中的電弧爐，電焊機，電氣化鐵路等負載，這些負載能在短時間內對系統造成無功衝擊，或者造成系統的三相不平衡，在試驗平臺上模擬此類負載，需要可以快速，準確的控制負荷的變化，目前市售的電子負載類裝置主要用於對發電機及UPS的輸出功率和帶載能力的測試，檢測逆變器的工作特性等，並且價格極其昂貴，真正用於模擬像電弧爐負載的裝置還處於研究階段。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種用於靜態無功補償試驗平臺的負載模擬及檢測裝置，通過在裝置中添加模擬負載部分，以達到在試驗室環境對各種負載進行模擬，結構簡單，控制方便的目的。
本發明技術方案該裝置包括檢測與控制部分及模擬負載部分，檢測與控制部分包括互感器組、DSP模塊、採樣模塊、過零檢測模塊、鍵盤與顯示模塊、通信模塊和上位機；該互感器組包括電壓互感器和電流互感器；採集模塊是由放大器組成的跟隨器電路、放大電路和偏置電路；過零檢測模塊包括正弦波-方波變換電路和鎖相環倍頻電路；DSP模塊包括DSP晶片、電源電路、存儲器電路和復位與時鐘電路；鍵盤與顯示模塊包括鍵盤和液晶控制器。
電路連接電壓互感器和電流互感器連接採集模塊的輸入接口晶片，採樣模塊的電壓和電流輸出端連接DSP晶片的輸入端，採樣模塊的引出電壓信號端連接過零檢測模塊中正弦波-方波變換電路的輸入端，正弦波-方波變換電路的輸出端連接鎖相環倍頻電路的輸入端和DSP晶片的輸入端，鎖相環倍頻電路的輸出端連接DSP晶片的輸入端，電源電路連接DSP晶片，存儲器電路輸出端連接DSP晶片，復位與時鐘電路輸出端連接DSP晶片，鍵盤和液晶控制器輸入端連接DSP晶片，上位機通過通信模塊與DSP晶片相連。
模擬負載部分包括阻抗固定的主負載、附加負載和繼電器，附加負載包括阻性負載、容性負載、感性負載和導線，附加負載通過繼電器與阻抗固定的主負載並聯，檢測與控制部分的DSP晶片通過互感器組連接電網，模擬負載部分的繼電器連接檢測與控制部分的DSP晶片，模擬負載部分的阻抗固定的主負載連接電網。
模擬負載部分為三相三線制，採用星型連接方式，包括三相三線阻抗固定的主負載、三相三線附加負載和單相繼電器，三相三線附加負載包括三相三線阻性負載、三相三線容性負載、三相三線感性負載和三相三線導線，其中三相三線阻性負載分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯，三相三線容性負載分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯，三相三線感性負載分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯，三相三線導線分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯。
本發明的控制部分主要完成兩部分的工作，控制模擬負載的投切和檢測電氣量進行參數計算，流程圖見(附圖14)。
本發明的負載模擬與效果檢測方法包括以下步驟 步驟1開始； 步驟2實施採集三相相電壓和三相線電流； 步驟3參數計算子流程，此處參數包括三相相電壓和三相線電流瞬時值，三相相電壓有效值，各相有功功率，無功功率，視在功率，功率因數，總有功功率，總無功功率，總視在功率，總功率因數，三相電壓不平衡度，諧波失真度； 步驟4將數據存入存儲器，此處數據包括步驟3所計算的各參數，還有一定時間段內各相電壓、電流瞬時值，用以形成數據窗，在諧波分析中使用； 步驟5將參數送LCD顯示，顯示參數三相電壓有效值，各相有功功率，無功功率，視在功率，功率因數，總有功功率，總無功功率，總視在功率，總功率因數，三相電壓不平衡度，諧波失真度； 步驟6與上位機通信，通信數據為步驟3所計算各參數； 步驟7掃描鍵盤，此處的鍵盤操作一般用來控制負載的投切，即模擬負載的投入，稱由此觸發的投切控制子程序為「負載子程序」； 步驟8執行負載子程序； 步驟9結束。
在參數計算子流程中，採用三相瞬時功率理論計算各相的有功功率，無功功率，視在功率，功率因數和三相總有功功率，總無功功率，總視在功率，總功率因數。
傳統功率理論是建立在平均值的基礎上的，只適用於正弦穩態的情況，而瞬時功率理論是建立在瞬時值的基礎上的，它不僅適用於正弦穩態，而且適用於暫態的情況。本發明裝置因為要模擬各種負載，所以電路不可能是正弦穩態，故本發明應用三相瞬時功率理論，可根據三相瞬時電壓和電流計算出上述參數。
採樣到三相相電壓和三相線電流分別為ua、ub、uc、ia、ib、ic，經過a、b、c三相到α-β兩相的變換後，得到uα、uβ和iα、iβ。
式中 在α-β平面上將矢量
和
分別合成為(旋轉)電壓矢量
和電流矢量
式中u、i分別為矢量
的模，
分別為矢量
的相角。
將電流矢量
向電壓矢量
及其法線上投影，得到ip和iq，分別為三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流，(如圖16所示)。
式中
u與ip的乘積為三相電路瞬時有功功率，u與iq的乘積為三相電路瞬時無功功率。
p＝uip，q＝uiq (4) 把式(3)代入式(4)中得 式中 把式(1)代入式(5)中得 三相瞬時功率電流在α、β軸上的投影為α、β相的瞬時功率電流即
iαp、iβp為α、β相的瞬時有功電流，iαq、iβq為α、β相的瞬時無功電流。
α、β相的瞬時功率為該相的瞬時電壓和瞬時電流的乘積 通過進行αβ兩相向abc三相的變換可以由兩相功率電流得到三相電路各相的功率電流。
式中 將式(7)代入式(9)得 式中A＝(ua-ub)2+(ub-uc)2+(uc-ua)2 abc各相的瞬時功率為 要測量系統的諧波含量和電壓諧波失真度，需要對系統電壓進行諧波分析，本發明採用基於傅立葉變換的諧波分析法。
任何一個周期函數隻要滿足Dirichlet條件，就可以展開成傅立葉級數形式。在實際的電力系統中，電壓、電流的波形都是周期的不規則的畸變波形，對於周期為T的非正弦電壓u(t)，一般滿足Dirichlet條件，所以可分解為如下形式的傅立葉級數 式中ω為角頻率，a0為直流分量，am、bm分別為m次諧波的餘弦項係數和正弦項係數，m＝1，2，3，...。各次諧波的頻率已知，利用三角函數的正交性，可由上式得到a0、am、bm的計算式 在實際的諧波分析中，只有通過採樣得到一組離散的電壓值，用離散序列{u(n)}({u(n)}＝u0，u1，u2，...uN-1)來表示u(t)，N為每個周期採樣點數。設所要計算的u(t)的最高諧波次數為M，為了滿足採樣定理，N和M之間須有以下關係 N≥2M+1 (14) 將上述連續函數的傅立葉級數計算式相應轉換成離散形式的計算式，即可用軟體編程實現諧波分析的近似計算。
式(13)中，即用離散點代替連續點；用{u(n)}代替u(t)，將a0規格化，歸入am中，得到傅立葉計算式的離散形式 這樣即可求出各次諧波的幅值和相位
電壓總諧波失真度 第m次諧波電壓含有量 三相電量的不平衡通常用三相不平衡度來表示，即三相相量的負序分量與正序分量的百分比，用符號ε表示為 式中A1、A2分別為三相相量正序分量和負序分量的均方根值。
任何一組不對稱的三相相量(如電壓、電流等)都可以分解為三組對稱的相量，即正序、負序和零序分量 一種較簡便的方法是，知道
的模A、C和它們之間的夾角β，由下式便可以計算出正序、負序分量的有效值
在本發明裝置中，要計算三相基波電壓的不平衡度，其中A、C相的基波電壓幅值UA1、UC1和相角
可以由諧波分析的過程中得到，代入式(21)，可得三相基波電壓不平衡度的表達式
參數計算子流程是按以下步驟執行的 步驟1、開始； 步驟2、接收數據並放入內存，接收數據為一定時間段內A/D轉換結果； 步驟3、計算三相電壓和三相電流的瞬時值，和電壓有效值； 步驟4、計算三相總瞬時有功功率p、總瞬時無功功率q、總瞬時視在功率s和總瞬時功率因數cosθ； p＝uaia+ubib+ucic 步驟5、計算a、b、c各相瞬時有功功率pa、pb、pc，瞬時無功功率qa、qb、qc，瞬時視在功率sa、sb、sc和瞬時功率因數cosθa、cosθb、cosθc； A相 B相 C相 式中A＝(ua-ub)2+(ub-uc)2+(uc-ua)2 步驟6、計算各次諧波電壓的幅值Um和相位
，電壓諧波含量HRUm，電壓諧波失真度THDU；
步驟7、計算電壓三相不平衡度ε；
步驟8、參數計算子程序結束。
負載子控制主要完成模擬負載的投切，並測量待檢測驗平臺靜態無功補償SVC裝置的響應時間，調節時間等動態指標。
設在負載投入前後，系統電壓呈現如下變化過程，在A點投入負載，之後，由於負載的不平衡或無功負荷的衝擊，系統電壓開始下降，我們以三相中電壓降最大(即UN-Ut值最大)那相電壓為監控對象，當電壓下降至B點，連接在系統的待檢測驗平臺靜態無功補償SVC裝置檢測到電壓變化，在B點開始進行無功補償，系統電壓開始回升，A、B兩點的時刻差t1為試驗平臺靜態無功補償SVC的響應時間；到C點，系統電壓已達到UN的95％～98％水平，B、C兩點的時間差t2為試驗平臺靜態無功補償SVC的調節時間；由於某次補償可能會失敗，或者補償效果達不到標準的C點水平，應設定一個時限，若超過了時限，系統電壓仍未到達C點水平，則直接開始計算穩態誤差。
負載子控制的流程見(附圖15) 負載子控制是按以下步驟進行的 步驟1、開始； 步驟2、數據存儲；此處數據包括各相電壓和電流的有效值，功率因數值，為了在補償之前和之後進行對比； 步驟3、執行負荷模擬子程序，記錄此時時刻t(A)； 步驟4、執行參數計算子程序； 步驟5、判斷電壓降最大的相是否已經確定是跳至步驟7；否，跳至步驟6； 步驟6、確定電壓降最大的相，跳至步驟7； 步驟7、判斷試驗平臺靜態無功補償SVC是否已經投入補償否，跳至步驟8；是，執行步驟10； 步驟8、判斷電壓是否開始上升否，跳至步驟4；是，跳至步驟9； 步驟9、置試驗平臺靜態無功補償SVC補償投入標誌，記錄時刻t(B)，t1＝t(B)-t(A)，跳至步驟4； 步驟10、判斷電壓是否上升至C點否，跳至步驟11；是，跳至步驟12； 步驟11、判斷是否超過時限否，跳至步驟4；是，跳至步驟13； 步驟12、記錄此時時刻t(C)，t2＝t(C)-t(B)； 步驟13、計算穩態誤差； 步驟14、數據存儲入庫，此處數據包括電壓和電流的有效值，功率因數值，試驗平臺靜態無功補償SVC的響應時間，調整時間，穩態誤差； 步驟15、結束。
負荷模擬子控制 負荷模擬的過程即DSP控制繼電器動作的過程，在本發明中給出兩個負荷模擬子控制的示例。
負荷類型1無功衝擊型負荷 步驟1、開始； 步驟2、使繼電器RS3、RS7、RS11接通，其他繼電器關斷； 步驟3、延時t1，將所有繼電器關斷； 步驟4、結束。
負荷類型2三相不平衡負荷 步驟1、開始； 步驟2、使繼電器RS1、RS3接通，其他繼電器關斷； 步驟3、延時t2，將所有繼電器關斷； 步驟4、結束。
從鍵盤輸入指令投切負載，通過掃描鍵盤的結果得到負載子程序相關信息，在本實例中，負載子程序控制對應的I/O口GPIOB8、GPIOB12、GPIOF10輸出高電平，GPIOB6、GPIOB7、GPIOB9、GPIOB10、GPIOB11、GPIOB13、GPIOF8、GPIOB9、GPIOB11輸出低電平，就可將附加負載LA、LB、LC投入，加大了系統無功功率。
在試驗平臺靜態無功補償SVC投入補償後，開始對補償過程進行記錄，主要是對幾個關鍵點的判定，(如圖17所示)，負載投入點是A點；接著確定所要監控的相，即電壓降最大的那一相；通過du/dt的符號變化可確定B點；C點的確定分兩種情況一種是正常情況，試驗平臺靜態無功補償SVC能將降低的系統電壓補償至所要求標準，此時根據電壓值判斷C點的時刻；另一種補償失敗或者在規定時限內達不到所要求標準，此時認為補償失敗。
本發明的優點該裝置能通過編程實現各種負載的模擬，負載的結構簡單，控制方便，系統的A/D轉換通過鎖相倍頻後的電壓過零信號啟動，能保證同步採樣，提高參數計算的精度。
圖1本發明靜態無功補償試驗平臺負載模擬及檢測裝置總體結構圖； 圖2本發明模擬負載電原理圖； 圖3本發明繼電器與DSP晶片連接電原理圖； 圖4本發明檢測與控制部分框圖； 圖5本發明採樣電路電原理圖； 圖6本發明正弦波-方波變換三相電路電原理圖； 圖7本發明鎖相環倍頻電原理圖； 圖8本發明DSP晶片電原理圖； 圖9本發明供電電源電原理圖； 圖10本發明存儲器電原理圖； 圖11本發明復位與時鐘電原理圖； 圖12本發明鍵盤與顯示模塊電原理圖； 圖13本發明通信模塊電原理圖； 圖14本發明計算機控制流程圖； 圖15本發明負載子控制流程圖； 圖16本發明α-β坐標系中電壓、電流矢量圖； 圖17本發明負載投入後電壓變化曲線。
圖中1檢測與控制部分，2靜態無功補償SVC，3模擬負載部分，4互感器組，5採樣模塊，6過零檢測模塊，7DSP晶片，8通訊模塊，9鍵盤與顯示模塊，10上位機。
具體實施例方式 本發明靜態無功補償試驗平臺負載模擬及檢測裝置的詳細結構及工作原理結合實施例加以說明，實施例以實驗室110V靜態無功補償試驗平臺為例，該試驗平臺靜態無功補償SVC為TCR+FC型，開環和閉環控制算法，能針對靜態無功功率和三相不平衡進行補償。
本實施例中繼電器選用HS3100ZK，電壓互感器選用TR1140-1C，電流互感器選用TR0140-1C，鎖相環倍頻電路採用晶片74VHC4046MTC和CD4040BCSJ，DSP晶片採用TMS320F2812，電源電路採用晶片TPS767D318，存儲模塊採用晶片IS61LV12816，復位與時鐘模塊採用復位晶片MAX705，液晶控制器選用T6963C，通信模塊採用串行接口採用RS232協議 本發明裝置和試驗平臺靜態無功補償SVC按(附圖1)連接，裝置所要完成的任務依次是為試驗平臺靜態無功補償SVC提供負載，檢測系統各電力參數，對系統進行無功衝擊，檢測驗平臺靜態無功補償SVC補償效果的各項指標。
該裝置(如圖1所示)，包括檢測與控制部分和模擬負載部分，檢測與控制部分(如圖4所示)，包括互感器組、DSP模塊、採樣模塊、過零檢測模塊、鍵盤與顯示模塊、通信模塊和上位機，互感器組包括電壓互感器和電流互感器，採集模塊(如圖5所示)，包括放大器TL084，過零檢測模塊包括正弦波-方波變換電路(如圖6所示)和鎖相環倍頻電路(如圖7所示)，DSP模塊包括DSP晶片(如圖8所示)，電源電路(如圖9所示)，存儲器電路(如圖10所示)和復位與時鐘電路(如圖11所示)，鍵盤與顯示模塊(如圖12所示)包括鍵盤和液晶控制器，電壓互感器和電流互感器連接採集模塊的輸入接口J1晶片，採集模塊的電壓和電流輸出端ACVA、ACVB、ACVC、ACCA、ACCB、ACCC連接DSP晶片的ADC輸入引腳2、3、4、174、173、172，檢測機控制部分。
電路工作過程為系統三相相電壓和線電流經過電壓互感器TR1140-1C和電流互感器TR0140-1C二次互感變換後，採樣模塊將經過電壓、電流互感器變換後的信號經過由放大器TL084組成的跟隨器電路、放大電路和偏置電路，調理成0～+3.3V範圍的電壓輸入到DSP進行A/D轉換，A/D轉換將這些信號轉換為數據量，DSP晶片根據這些數據量，經過一定的方法，計算出試驗平臺靜態無功補償SVC補償效果的各項指標；採樣模塊的引出電壓信號端ACVA_IN、ACVB_IN、ACVC_IN輸出信號經由放大器TL084組成的跟隨器電路、RC濾波器電路、由放大器TL084組成的放大電路、偏置電路和光耦TLP521連接過零檢測模塊中正弦波-方波變換電路的輸入端ACVA_IN、ACVB_IN、ACVC_IN，將採集的正弦波電壓信號轉換為與正弦波電壓信號同相的方波信號，正弦波-方波變換電路的輸出端OVER_0_A、OVER_0_B、OVER_0_C連接DSP晶片的輸入端OVER_0_A、OVER_0_B和OVER_0_C，正弦波-方波變換電路的輸出端OVER_0_A同時連接鎖相環倍頻電路的輸入端OVER_0_A，跳線裝置JPLL1可以實現輸入信號64倍頻和128倍頻的切換，鎖相環倍頻電路的輸出端PLL連接DSP晶片的輸入端151號引腳，用於啟動DSP晶片的AD轉換，電源電路連接DSP晶片，供電電壓為DC+5V，輸出+1.8V和+3.3V的直流電壓，滿足DSP內核和I/O的供電需求；存儲器電路輸出端41、17、6號引腳連接DSP晶片的42、84、33號引腳，數據存儲器除了存儲系統設置的各項參數外，還記錄一定時段內的各相電壓、電流、功率因數、電壓基波不平衡度和電壓總諧波失真度；復位與時鐘電路輸出端7號引腳連接DSP晶片的復位引腳，對DSP晶片進行復位；鍵盤的輸入端連接DSP晶片的45、46、47、48、49、50號引腳，液晶控制器輸入端10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21號引腳連接DSP模塊中的DSP晶片92、93、94、95、40、41、34、35、155、157、87、89號引腳；通訊模塊(如圖13所示)，採用串行接口採用RS232協議，上位機通過通信模塊MAX232的引腳11、10與DSP晶片155、157引腳相連，232插口通過232電纜與上位機串口相連，實現數據的傳輸，通信模塊將系統的電壓、電流、功率因數等參數傳給上位機，可以在上位機上通過相應軟體，觀察相應的波形，或者把數據保存至上位機的本地硬碟；鍵盤輸入指令和系統的相關參數。模擬負載部分包括阻抗固定的主負載、附加負載和繼電器，附加負載包括阻性負載、容性負載、感性負載和導線，附加負載通過繼電器與阻抗固定的主負載並聯；檢測與控制部分的DSP晶片通過互感器組連接電網，採集並計算電網電壓和電網電流值；模擬負載部分的繼電器連接檢測與控制部分的DSP晶片的I/O，DSP晶片控制繼電器通斷，來改變負載數值；模擬負載部分的阻抗固定的主負載連接電網。
所述的模擬負載部分(如圖2所示)，為三相三線制，採用星型連接方式，包括三相三線阻抗固定的主負載ZA、ZB、ZC三相三線附加負載和單相繼電器如圖3所示，三相三線附加負載包括三相三線阻性負載RA、RB、RC，三相三線容性負載CA、CB、CC，三相三線感性負載LA、LB、LC和三相三線導線lA、lB、lC，其中三相三線阻性負載RA、RB、RC分別通過單相繼電器RS1、RS5、RS9與三相三線阻抗固定的主負載ZA、ZB、ZC並聯；三相三線容性負載CA、CB、CC分別通過單相繼電器RS2、RS6、RS10與三相三線阻抗固定的主負載ZA、ZB、ZC並聯；三相三線感性負載LA、LB、LC分別通過單相繼電器RS3、RS7、RS11與三相三線阻抗固定的主負載ZA、ZB、ZC並聯；三相三線導線lA、lB、lC分別通過單相繼電器RS4、RS8、RS12與三相三線阻抗固定的主負載ZA、ZB、ZC並聯。
權利要求
1、一種靜態無功補償試驗平臺負載模擬及檢測裝置，該裝置包括檢測與控制部分和模擬負載部分，其特徵在於模擬負載部分包括阻抗固定的主負載、附加負載和繼電器，附加負載包括阻性負載、容性負載、感性負載和導線，附加負載通過繼電器與阻抗固定的主負載並聯，電路連接是檢測與控制部分的DSP晶片通過互感器組連接電網，模擬負載部分的繼電器連接檢測與控制部分的DSP晶片，模擬負載部分的阻抗固定的主負載連接電網。
2、按權利要求1所述的靜態無功補償試驗平臺的負載模擬及檢測裝置，其特徵在於所述的模擬負載部分為三相三線制，採用星型連接方式，包括三相三線阻抗固定的主負載、三相三線附加負載和單相繼電器，三相三線附加負載包括三相三線阻性負載、三相三線容性負載、三相三線感性負載和三相三線導線，其中三相三線阻性負載分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯；三相三線容性負載分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯；三相三線感性負載分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯；三相三線導線分別通過單相繼電器與三相三線阻抗固定的主負載並聯。
全文摘要
本發明涉及一種靜態無功補償試驗平臺負載模擬及檢測裝置，屬於輸配電技術領域，該裝置包括檢測與控制部分和模擬負載部分，模擬負載部分包括阻抗固定的主負載、附加負載和繼電器，附加負載包括阻性負載、容性負載、感性負載和導線，附加負載通過繼電器與阻抗固定的主負載並聯，電路連接是檢測與控制部分的DSP晶片通過互感器組連接電網，模擬負載部分的繼電器連接檢測與控制部分的DSP晶片，模擬負載部分的阻抗固定的主負載連接電網。本發明的優點為能通過編程實現各種負載的模擬，負載的結構簡單，控制方便。系統的A/D轉換通過鎖相倍頻後的電壓過零信號啟動，能保證同步採樣，提高參數計算的精度。
文檔編號G01R31/00GK101533053SQ20091001127
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者孫秋野, 張化光, 董豔博, 越 邱, 羅豔紅, 珺 楊, 楊東升, 紅 辛 申請人:東北大學