變流變壓器電壓無功綜合控制系統的研究

【摘 要】針對變流變電器電壓無功控制系統存在的問題，提出應用變流變壓器實現電壓無功綜合控制的方案。采用TM320LF2407變流變壓器芯片作為主處理器，分別進行了變流變電器電壓無功綜合控制系統的實時性和準確性。

【關鍵詞】變流變壓器；電壓無功；綜合控制；核心控制器

Converter transformer Voltage and Reactive Power Control System

Li Xue-rong

(Xi'an Siyuan University Xi'an Shanxi 710038) 

【Abstract】Rheology for variable voltage and reactive power control system， electrical problems， make application converter transformers to achieve voltage and reactive power integrated control program. Converter transformers using TM320LF2407 as the main processor chip， rheological changes were carried out electrical voltage and reactive power integrated control system in real time and accuracy.

【Key words】Converter transformer;Voltage and reactive power;Integrated control;Core controller

1. 概述

電壓是衡量電能質量的重要指標之一^［1］，電能質量對于電力系統的安全經濟運行，對保證用戶安全生產和產品質量以及電器設備的安全與使用壽命，都有著重要的影響，電力系統向用戶提供的電能，要求電壓必須在允許的波動范圍內，而電力系統的電壓水平和無功功率狀況密切相關。充分利用各種調壓手段和無功電源的補償作用，實現電壓無功的綜合控制對于提高電壓合格率和降低網損具有重要的意義。

變流變壓器是電力變流器的電源變壓器，它的任務是與整流元件一起，把交流電變為直流電，隨著硅整流元件、硅可控整流元件的迅速發展，大功率可控硅元件即平面型可控硅和雙向可控硅元件的開發及應用，使得變流器調壓方式更加方便和簡捷，但可控硅元件對變流變壓器提出了應具有大范圍調壓和無級調壓的特征，所以在設計制造變流變壓器時，就必考慮可控調壓對變壓器設計參數的影響。

目前，我國變流變壓器普遍通過調節有載變壓器分接開關和并聯補償電容器組來保證系統的電壓質量和功率因數，按其主控單元硬件可以分為基于單片機、工控機和可編程邏輯控制器（PLC）^［2］等類型，以單片機為主控單元的電壓無功控制系統得到很大發展，是我國變流變壓器電壓無功控制裝置的主要形式，通常是在單片機的基礎之上設計成特殊形式的專用機，其冗余模塊少，與外界聯系簡單，生產成本低。但由于其硬件多為自行設計制造，生產工藝都受到限制，造成電壓無功控制系統的可靠性降低，在運行中可能出現單機死機，使控制系統失靈，嚴重影響變流變壓器甚至是整個電力系統的安全穩定運行。基于工控機的電壓無綜合控制系統，其硬件標準化程度較高，軟件資源豐富，有實時操作系統支持，圖文顯示方便，但裝置訪問時間較長，控制精度受到限制，一般適合大型重要變電站。基于PLC的電壓無功綜合控制系統，雖然提高了硬件的可靠性，其實時性和測量精度也能較好地滿足要求，但不便于實現先進的智能控制策略。研制一種在實時性、控制速度及精度等方面都能滿足系統需要的電壓無功綜合控制裝置，對系統運行質量的提高具有重要意義。本文提出了一種基于能DSP的變流變壓器電壓無功綜合控制系統的設計方案，采用16位高性DSP芯片作為控制系統的核心控制器，自動跟蹤檢測電網的無功功率和電壓，從而實現電壓穩定和無功率的就地平衡，來滿足系統需要的電壓無功綜合性控制裝置。

2. 控制系統

變流變壓器電壓無功控制系統是一個多輸入多輸出(MIM0)的閉環自動控制系統。從控制理論的角度來說，它又是一個多約束(電壓上下限、無功功率上下限、調壓變壓器分接頭動作次數、并聯電容器投切次數等)、多目標(電壓合格和無功平衡)的最優控制問題^［3］。

根據母線電壓和無功功率將運行情況劃分為如下圖1所示的9個區域。

圖1中縱坐標為電壓U，橫坐標為無功功率Q(功率因數cos≈θ)。Uo為運行過程要求保持的目標電壓。為避免控制過程中頻繁動作，電壓和無功(功率因數)都有一個允許的波動范圍。只有當電壓或無功(功率因數)超出允許的上下限時才進行調節。在不同的區域采取不同的控制決策，綜合利用有載調壓器的自動電壓調節和投切并聯電容器組平衡無功功率這兩種手段，達到電壓和無功率控制在系統允許的范圍內。顯而易見，對于圖1中的0區域電壓無功均合格，當運行狀態落入該區域時就可以停止控制；如果超出該區域進入其它8區域時就要進行調節使其盡快回到0區域。

3. 硬件設計的控制系統

圖2為基于DSP控制器的變流變壓器電壓無功綜合控制系統硬件結構示意圖。這里采用T1公司的TMS320LF2407芯片作為變流變壓器電壓無功綜合控制系統的核心控制器，可以充分利用該控制器的高速數字信號處理能力和先進的硬件體系結構完成對系統頻率、電流、電壓的快速檢測和處理，從而適時、有效地進行電壓、無功率的聯合控制。

(1)模擬量輸入單元控制系統的檢測量一次三相電流、電壓值經電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)變換、濾波后，再經過兩個8選1CMOS多路轉換器對采集信號進行調理；多路轉換器的輸出由電壓跟隨放大器驅動，送入高速16位A／D轉換器換為數字量，之后送入到主電路TMS320LF~2407分析處理。

(2)數字量輸入單元為了使采樣時鐘與電網頻率嚴格保持同步，采用鎖相環技術跟蹤電網頻率，從而提高控制器抗干擾的能力。

(3)輸出驅動單元采集信號經主控制器處理后作出相應的動作決策，由16路控制／數字量輸出，再由驅動單元控制復合開關，通過調節變壓器分接頭的位置和投切電容器組達到電壓無功綜合控制的目的。16路控制／數字量輸出分為兩組：一組設定為12個投切電容器的分／合閘輸出，另一組設定為4個相互獨立的變壓器有載開關接點開關量輸出。DSP處理器按照一定的邏輯順序選通硬件電路，控制輸出驅動器，以保證操作的可靠性。

(4)人機界面單元為了便于現場的調試和控制，通過主控制器DSP模塊的擴展，接口模塊接入操作面板控制單元和液晶顯示單元(LCD)，可以方便顯示各主要檢測量，并根據需要控制參數的修改設定。

(5)通信單元主控制器通過CAN總線與整個變流變壓器的自動化系統監控主機進行通信，通過監控主機監視整個變流變壓器電壓無功綜合控制系統的運行狀態并調整更新各種運行參數。

(6)電源單元電源模塊帶有220V／24VAC／DC開關電源，為DSP模塊插板、液晶控制模塊插板等提供工作電源。

4. 軟件設計的控制系統

軟件設計主要采用模塊化設計方法，按實現的功能劃分出若干個軟件功能模塊。各功能模塊相互獨立，便于今后軟件的擴展和維護。通過對各功能模塊的調節來完成軟件功能。本系統各主要軟件模塊如圖3所示。

這種結構化、功能化的程序設計思想使程序組織合理，功能獨立，便于程序的調試和修改，減少了程序代碼的重復，節省了程序存儲空間。初始化模塊：清零標志位，啟動時鐘CP信號，設置脈沖輸出，設置通訊。開關量處理模塊：檢測開關量輸入，判別系統的運行方式、設備狀態及保護動作信號。運行參數讀取模塊：與參數檢測儀表進行通訊，獲得運行參數后更新運行參數存儲區。控制主程序模塊：運行參數更新后，進行參數的校驗、運行區域的判別及與模擬量有關的保護，閉鎖信號的處理。根據以上的處理結果決定是否執行自動控制。輔助處理模塊：分接頭C調節次數復位，切除后的電容器放電監測，調檔動作的校驗及變壓器過電流判定。

軟件的程序流程圖如圖4所示。通電后，系統進行自檢，包括清零復位，啟動時鐘CP信號，設置脈沖輸出。之后顯示當前系統主要控制參數，根據運行需要進行設置調整，確認存儲新的控制參數。系統投入運行之中，采集信號經DSP處理后保存于雙口RAM，并進行邏輯判斷，作出相應的電壓、無功調整策略；動作信號輸出到驅動單元，由驅動單元操作復合開關投切電容器和調節變壓器的有載開關。電壓無功平衡后，系統返回初始狀態。期間，可以進行中斷、返回處理。

5. 研究總結

以DSP芯片為核心控制器的新型變流變壓器電壓無功綜合控制系統，能夠充分利用DSP控制器的快速的數字信號處理能力，從而提高變流變壓器電壓無功綜合控制系統動作的實時性和準確性，進而提高供電質量，提高電壓合格率，提高變流變壓器的安全可靠性和系統的運行管理水平。

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參考文獻

［1］ 路文梅。變電站綜合自動化技術［M］。北京：中國電力出版社，2004。129-142.

［2］ 吳志宏，王瑞艷。應用PLC實現變電站電壓無功控制的系統設計［J］。東北電力技術，2004，25(4)：23-24.

［3］ 仝慶貽，顏鋼鋒。變電站電壓無功綜合控制的研究［J］。繼電器，2001，29(10)：22-25.

［4］ 莊侃沁，李興源。變電站電壓無功控制策略和實現方式［J］。電力系統自動化，2001，25(15)：48-50.

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［文章編號］1619-2737（2011）11-04-018