一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺的製作方法
2023-05-15 18:38:11
專利名稱：一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，屬電力系統控制與仿真技術領域。
背景技術：
無功功率補償器是現代電力系統中的一個重要的設備，主要有基於晶閘管的靜止無功補償器(SVC)，以及基於IGBT全控器件的靜止同步補償器(STATC0M)兩類。無功補償器對於穩定電力系統的電壓，保持電壓水平在允許的範圍內，提高電能質量，減少輸電線的傳輸損耗等方面都有重要的意義。目前在無功補償領域各種新型控制規律取得了不少理論研究的成果，同時新的控制方案裡無功補償裝置往往還承擔增加系統阻尼的額外的控制任務，但為了將這些理論研究的成果投入到實際的運行中時，僅僅通過純數值仿真來驗證這些控制方案不夠有說服力，往往希望能在實際的硬體裝置上實現這些控制算法。傳統一般都是通過製作基於DSP晶片的PCB控制板來實現這些算法。這種方法的主要缺點是自製硬體周期長，板卡穩定性、可靠性較差。另外，DSP由於計算能力的限制，一般都不能直接支持在數值仿真階段用來實現控制算法的高級語言，如Simulink或者LabVIEff,這樣就需要重新花費時間 和精力來編寫DSP程序，不僅耗時耗力，還容易出錯。自製PCB控制板的另一個缺點是，當控制器IO類型或數量需求有變化時，往往也需要重新設計和製作板子。另外，由於實際的電力系統為了安全和穩定的考慮，往往都不允許接入設備進行試驗。因此傳統一般都是通過動模試驗的方法來驗證無功補償控制器，即通過微縮的小功率物理原型來驗證控制器。但這樣的方法主要的局限在改變系統的參數和拓撲非常不方便，小功率物理原型系統的規模一般也比較小，同時做各種短路故障試驗也比較危險。
發明內容針對現有技術的不足，本實用新型的目的在於，提供一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，該平臺選用具有多核CPU和FPGA的工業控制器作為控制算法的實現平臺，選用基於計算機伺服器群的電力系統實時仿真器，同時控制器和實時仿真器都配有相應的IO板卡，通過真實的物理信號構成閉環。為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是:一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:包括工業控制器、控制器上位機、電力系統實時仿真器和仿真器工作站，所述的工業控制器與所述的控制器上位機通過乙太網相連接，所述的電力系統實時仿真器與所述的仿真器工作站通過網絡相連接。前述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的工業控制器包括多核CPU以及帶有FPGA晶片的底板，所述的多核CPU與所述的FPGA底板通過高速總線互聯。[0009]前述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的FPGA底板上設有IO板卡插槽，所述的FPGA底板與IO板卡互聯。前述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的電力系統實時仿真器由多個計算機伺服器組成，其中一個伺服器與IO板卡通過總線互聯，所述的伺服器之間通過網絡連接。前述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的工業控制器與所述的電力系統實時仿真器通過IO板卡交換信息，構成一個閉環系統。本實用新型的有益效果是:1.多核CPU具有比DSP強大許多的計算能力，使得其可以通過軟體直接運行用Simulink和LabVIEW這樣的高級語言編寫的控制算法；同時多核CPU上運行有實時作業系統，支持多線程多任務操作，使其在運行高優先級的控制算法時，還可以有一個低優先的通信線程和上位機通過乙太網進行通信，這樣可以非常便於算法的實時調參，系統的狀態監測，對提高系統的調試效率非常有幫助；2.配有帶FPGA的底板，FPGA底板與多核CPU通過總線連接，底板上帶有IO插槽，這樣一種底板加插卡的IO架構的優勢是可以根據需要靈活配置IO板卡，無論是SVC控制器還是STATC0M控制器，都需要控制器高速準確的控制這些電力開關(晶閘管，IGBT )的開通和關斷；FPGA的高速處理能力與高可靠性，使其非常適合於用來產生電力電子器件的控制脈衝，以及實現一些保護和互鎖的功能；
3.電力系統實時仿真器由多個高性能的伺服器構成，具有強大的並行運算能力，能夠靈活的進行各種規模的系統仿真，同微縮的物理原型系統相比，能夠給控制器一個更接近實際電網的測試環境，同時數值仿真也便於測試包括故障在內的各種工況。
圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為具體實施例的無功補償系統拓撲圖；圖3為TCR與TSC的結構示意圖；圖4為具體實施例的控制算法框圖；圖5為具體實施例的SVC控制器各部分功能框圖。
具體實施方式
為進一步揭示本實用新型的技術方案，
以下結合附圖詳細說明本實用新型的實施方式:本實用新型以基於晶閘管的靜止無功補償器(SVC)的控制算法的實現和驗證為具體實施實例。圖1是本實用新型的結構示意圖。如圖1所示，一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，包括工業控制器、控制器上位機、電力系統實時仿真器和仿真器工作站，工業控制器與控制器上位機通過乙太網相連接，電力系統實時仿真器與仿真器工作站通過網絡相連接。無功補償控制器採用工業控制器NI 9082，其配有雙核1.33 GHz Intel 7CPU,以及Xillinx Spartan-6 LX150 FPGA的底板，CPU與FPGA通過高速總線連接。電力系統實時仿真器採用中國電力科院研究院的ADPSS (Advanced Digital Power SystemSimulator)，其由多個計算機伺服器組成，此系統具有強大的系統仿真功能，其一個CPU就可進行6臺發電機加30條線路的電力系統的實時仿真；或者能進行由多達48個晶閘管組成的電力電子系統的實時仿真；實時仿真系統中還有一個伺服器負責和外部控制器的IO接口 ；伺服器之間通過高速的網絡連接。仿真器工作站負責無功補償系統模型的搭建和仿真任務在各伺服器間的分配，其通過網絡與伺服器群通信。圖2是靜止無功補償器的系統拓撲圖(其中以單線連接來表示三相連線)。如圖2所示，此系統將通過實時仿真器來模擬，系統包括遠端電網，輸電線路，三相變壓器，負載，以及靜止無功補償器。其中靜止無功補償器由一組晶閘管可控電抗器(TCR)和三組晶閘管投切電容器(TSC)組成。圖3是TCR與TSC的具體結構示意圖。如圖3所示，TCR支路由反並聯晶閘管組、電感搭建而成，支路間三角形連接；TSC支路由反並聯晶閘管組、電容搭建而成，支路間三角形連接。整個SVC系統一共有24個晶閘管。TCR通過電感從電網中吸收無功功率的，TCR的晶閘管觸發角決定其吸收的無功功率的大小。TSC通過電容向電網發出無功功率的。對於SVC系統來說，TCR是始終投入工作的，而TSC是根據需要通過晶閘管進行投切。圖4是靜止無功補償器的控制算法框圖。如圖4所示，可以看到控制器的算法分為電壓的幅值相位測量環節，電壓幅度調節環節，無功功率分配環節，以及最終的脈衝發生環節。電壓幅度相位測量環節接收從實時仿真器傳來的電網電壓，對電壓的幅度和相位進行測量。電壓幅度調節環節輸出無功功率的指令，即當測量電壓低於參考電壓時，無功補償器需要發出無功功率來抬高電網電壓；當測量電壓高於參考電壓時，無功補償器需要吸收無功功率來降低電網電壓。當SVC需要發出無功功率的時候，無功功率分配環節將投入TSC或者減少TCR吸收的無功(即增大TCR的觸發角);當補償器需要吸收無功功率的時候，無功功率分配環節將切除 TSC或者增大TCR吸收的無功(即減小TCR的觸發角)。對於TCR，脈衝觸發環節將根據觸發角命令和電網電壓的相位來決定晶閘管的觸發脈衝，通過觸發脈衝控制TCR吸收的無功功率；對於TSC，脈衝觸發環節將根據接收到投切指令和電網電壓的相位來決定晶閘管的觸發脈衝，通過觸發脈衝來控制TSC的投入或切除。觸發脈衝將傳遞給電力系統實時仿真器。圖5是SVC控制器的各部分功能框圖。如圖5所示，控制器上位機，負責控制算法的下載，以及系統波形實時顯示和控制參數在線調整的功能，上位機通過網絡與控制器通信來獲取系統數據和傳遞控制參數。多核CPU運行有高低有限級兩個線程，高優先級控制算法線程，負責控制算法框圖的前三個環節，即電壓測量環節，電壓調節環節，無功功率分配環節；多核CPU的低優先級的通信線程，負責與控制器上位機通過乙太網通信。控制器的上的FPGA除了 I/O功能外，還具體負責晶閘管觸發脈衝的算法，即控制框圖的最後一個環節。當整個系統閉環工作時，電力系統實時仿真器通過模擬輸出板卡將系統的電壓，電流等狀態量傳遞給無功補償控制器；無功補償控制器採集到系統狀態後，通過多核CPU與FPGA的聯合對控制算法進行處理，得出控制脈衝指令並通過數字輸出板卡將指令傳遞給電力系統實時仿真器。實時仿真器從數字輸入模塊得到脈衝指令後，根據指令決定晶閘管的開通和關斷，然後更新系統的數學模型，並根據最新的模型進行仿真計算，再將計算結果從模擬輸出板卡傳遞出去。這樣整個平臺就完成一個完整的控制與仿真閉環，通過這樣一種實時閉環的方式，可以對控制算法進行很有效的驗證。以上僅為本實用新型的一個具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍不僅局限與此，任何精通本領域的技術人員在本實用新型所述的技術範圍內，可對其中各個模塊或整體結構想到變化或者替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍內。因此本實用新型應以所述權利要求 的最大保護範圍為準。
權利要求1.一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:包括工業控制器、控制器上位機、電力系統實時仿真器和仿真器工作站，所述的工業控制器與所述的控制器上位機通過乙太網相連接，所述的電力系統實時仿真器與所述的仿真器工作站通過網絡相連接。
2.根據權利要求1所述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的工業控制器包括多核CPU以及帶有FPGA晶片的底板，所述的多核CPU與所述的FPGA底板通過高速總線互聯。
3.根據權利要求2所述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的FPGA底板上設有IO板卡插槽，所述的FPGA底板與IO板卡互聯。
4.根據權利要 求1所述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的電力系統實時仿真器由多個計算機伺服器組成，其中一個伺服器與IO板卡通過總線互聯，所述的伺服器之間通過網絡連接。
5.根據權利要求1所述的一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，其特徵在於:所述的工業控制器與所述的電力系統實時仿真器通過IO板卡交換信息，構成一個閉環系統。
專利摘要本實用新型公開了一種電力系統無功補償控制算法實現與驗證的平臺，包括工業控制器、控制器上位機、電力系統實時仿真器和仿真器工作站，所述的工業控制器與所述的控制器上位機通過乙太網相連接，所述的電力系統實時仿真器與所述的仿真器工作站通過網絡相連接。本實用新型的工業控制器具有計算能力強、支持高級語言搭建的控制算法、可以靈活配置IO、節省自製控制硬體的時間和精力的優點；同時電力系統實時仿真器能方便的模擬各種無功補償系統和拓撲，模擬包括故障在內各種運行工況；該平臺在電力系統無功補償設備的控制算法研發中能起到非常重要的作用。
文檔編號G05B19/418GK203117778SQ201320136220
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者周前, 張星, 汪新星, 汪成根, 趙靜波, 王峰, 王祥旭 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院, 中國電力科學研究院, 上海遠寬能源科技有限公司, 江蘇省電力公司