動態無功采集裝置在風電場中的應用

張海濤　殷其輝　王敏

摘要：基于PC104工控機和FPGA的動態無功采集裝置采集風電場并網點和無功補償設備的電流電壓信號，在PC104和FPGA協同下，把采集的信號分析處理后傳輸到綜控中心，為綜控中心提供可靠、客觀的數據。該采集裝置已經在多個風力發電場中成功應用。

關鍵詞：動態無功采集裝置；同步采集；PC104；FPGA；風電場；綜控中心 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2015）27-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.036

電力系統的無功補償和平衡是保證電壓質量的基本條件，對保證電力系統的安全穩定與經濟運行起著重要的作用。由于大規模風電場接入電網，其無功補償對局部電網電壓的調節作用非常重要。對于風電場來說，動態無功補償裝置作為調節風電場無功平衡的最主要的電氣設備，對它運行狀態能否及時、有效、準確的監控和測量則顯得尤為重要。動態無功采集裝置采用PC104+FPGA方案，數據采集用FPGA和高速同步AD來實現，通過PCI總線與PC104實現雙向數據通信，在PC104上進行高速數據分析處理。該裝置監測電網接入點和無功補償設備的三相基波電壓、電流，分析無功補償設備的運行狀態，把運行數據傳輸到綜控中心，具有較強的實用性，已在多個風電場成功應用。

1 采集系統總體設計

采集卡選用PCI總線，以保證采集卡與主機間海量數據高速傳輸的可靠性。采用控制芯片PCI9054與PCI總線連接，該芯片符合PCI規范2.2版本，支持三種數據傳輸模式。采集卡的核心處理器件是FPGA，數據的實時采集由它控制完成。FPGA選用EPlC6Q240C8芯片，內嵌鎖相環，擁有充足的RAM單元，可以開辟較大的FIFO空間。由于數據采集要求高度同步，故選取TI的ADS8364芯片，是高速六通道同時采樣和轉換的16位模數轉換器。數據采集卡的硬件設計結構框圖如圖1所示：

1.1 PCI9054的功能設置

PCI9054采用PCI從方式與PCI總線進行數據傳輸。PC啟動時，PCI9054自動將EEPROM中的值載入對應寄存器，然后PC根據寄存器中的值為PCI9054分配中斷號、內存空間、I/0空間等系統資源。

1.2 FPGA電路的設計與實現

FPGA是整個系統的核心，控制數據采集、AD轉換以及數據的傳輸。HOLD被選通時啟動轉換，轉換完成后結果存在六個寄存器中并產生EOC信號。FPGA為ADS8364提供CLK和HOLD信號，接收EOC信號，讀取轉換數據，并用內部RAM組建FIFO，把采集的數據暫存于FIFO內，當FIFO內的數據達到一定數量后，向系統申請中斷。

1.3 采集卡驅動開發

Windows系統中應用程序對PCI硬件設備的訪問要通過驅動程序。采集卡的驅動選用WinDriver編寫，封裝為動態鏈接庫DLL文件。后續開發的軟件通過DLL驅動文件實現與數據采集卡的通信。

2 裝置總體設計

PC104是小型堆棧式結構的嵌入式控制系統，模塊的連接是通過上下層的針孔相互咬和相連，有極好的抗震性，且易于安裝擴展。本裝置采用的PC104是研華科技的PCM3362，具有PC104PLUS總線，PC104PLUS包括了PCI規范2.1版要求的所有信號，與PCI總線兼容，可以方便與數據采集卡對接。裝置采用標準的19英寸機箱，方便風電場的現場安裝，采集卡和PC104用疊層式安裝，信號調理電路用插卡式，方便擴展維護。

3 裝置系統軟件開發

采用Visual C++作為開發環境，通過調用驅動所提供的DLL文件對采集卡操作。當采集卡FPGA的FIFO中數據達到一定數量后，向PCI申請中斷，PC104接收到中斷信號后，響應中斷，把數據讀取到PC104的內存，進行數據處理，計算電壓、電流的大小、相位等信息，利用這些信息做進一步處理，可計算無功功率、有功功率等。所計算的結果可以通過數據庫在本地系統存儲管理，方便歷史數據查詢。

4 裝置在風電場中的應用

風電場的無功補償可以采用多種方案，一般采用三種方案：晶閘管控制電抗器TCR、磁控電抗器MCR、靜止無功發生器SVG。這三種設備各有自己的優缺點，風電場出于成本、占地面積等多方面考慮，也可能會采用融合方案。對于兩套設備分別接入的情況，風電場后臺監控顯示只能反映各自的工作狀態，無法直觀并準確地反映整套無功補償裝置的運行狀態，缺乏判斷整個風電場無功補償效果的確切數據。對于兩套設備并接情況，雖然主控臺數據反映的是整套無功裝置的實時數據，但存在很多問題，比如功率方向定義混亂；測量電流未考慮方向的區別、接線錯誤導致測量不準；現有測試儀器自帶的測量CT的實測精度難以達到對無功監控的要求。而風電場動態無功補償裝置正好彌補了這些不足。

動態無功采集裝置最多可以對四個補償裝置的高精度電流采樣，可以計算出整套無功補償裝置的總無功投入量和整套裝置的有功損耗等運行情況，把無功補償設備的運行參數上傳到監控中心，為監控中心控制無功補償設備提供客觀依據。下面以無功補償采用SVG和MCR融合方案為例，介紹動態無功采集裝置在風電場中的

應用。

4.1 動態無功采集裝置現場接線

無功補償采用SVG和MCR融合的方案時，無功補償裝置通過兩個高壓開關柜接入35kV母線，整套MCR設備包括TCR和FC電容兩條支路。為了全面監測整個風電場的無功情況，需要把高壓并網點的電壓電流信號、35kV母線的電壓電流信號和三條無功支路的電流信號分別接到動態無功補償裝置上。

4.2 動態無功采集裝置與綜控中心通訊

動態無功采集裝置與綜控中心的通訊采用Modbus協議。Modbus是工業領域全球最流行的協議，采用主從方式定時收發數據，在實際應用中如果某Slave站點斷開后，Master端可以診斷出來，故障修復后，網絡可自動接通。

動態無功采集裝置的Modbus支持遙信和遙測兩種指令，設備地址1-255可設置，遙信包括主變進線出線開關柜狀態、各無功補償設備的開關狀態等量，指令代碼0x01，起始地址為0x0000，范圍為0-15。

遙測包括各無功補償設備的電流、無功投入量、有功損耗、投入時長和可用率等運行狀態量，功能碼0x03起始地址為0x0000，地址范圍為0x00-0x30。

綜控中心通過動態無功采集裝置的遙信遙測指令，可以獲取無功柜開關狀態量和各無功補償設備的詳細運行狀態。

5 結語

動態無功采集裝置采用高精度的信號采樣和科學客觀的計算方法，保證了計算結果的準確客觀，可以為綜控中心提供詳細可靠的無功補償設備的運行狀態數據，為控制無功補償設備提供客觀依據。

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（責任編輯：黃銀芳）