基于SOPC的煤矿电力无功补偿系统的研究与设计

煤矿现代化2012年第5期总第110期1前言基于SOPC的煤矿电力无功补偿系统的研究与设计王文林。陈烨Z1晋煤集团寺河矿，山西晋城048205；2中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008摘要本文分析了煤矿电力无功补偿本文在研究了煤矿电力无功补偿系统的原理和硬件设计，对补偿信号的检测原理上，论述了煤矿供电线路数学模型，无功补偿装置的原理和无功补偿信号的提取算法、信号采集和数据存储结构及工作原理；论述了数据存储方式。与现有的煤矿无功补偿系统对比，具有比较好的性价比和极好的推广应用前景。关键词无功补偿；SOPC；FPGA中图分类号TM7L43文献标志码B文章编号10090797201205005L一04随着社会的发展和科学技术的进步，国家对煤矿供电质量和供电的安全性、可靠性及供电效率提出越来越高的要求。进一步降低电网损耗、提高电压质量及供电可靠性，从而实现煤矿社会效益和经济效益双丰收，是煤矿企业现代化管理的核心内容。在电力系统输送电能的过程中，无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；而对于煤矿电网来说，过多地从电网中吸取无功，不仅使电网电能质量下降，也影响自身的用电和生产，使煤矿效益下降，甚至招致罚款。因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功补偿。无功补偿最好的方式是就地补偿。采用并联电容器进行无功补偿是一种投资少、施工简单、见效快的补偿方式，它可以很方便地就地控制电容投切，以减少线损，消除无功馈乏给系统带来的负面影响。另外，负荷谐波较大时，将损害普通补偿设备的开关和电容。装置在谐波含量超高时，有针对性地配置滤波器，从而能够有效滤除谐波、延长设备寿命、提高补偿效果和电能质量。2煤矿供电线路数学模型如图1所示。C图1等效电路R、L串联电路是实际电动机的电路模型。其中IS是电压型电源的等效电流。在此情况下，发生并联谐振的条件为5L5WN面1IR、导其特征为1导纳丽RRS阻抗景Q2申流设II0谐振时电压3OIS0V，II0OYL面LISLOIY1L一1ICO0OYISL_01YZI手相量图图2矢量图由于LCR很大，导致电动机两端的电压很高，电流也很大，其接触器触头很可能因此而被烧损。事实证明，3次烧损的接触器都是304，是控制同一台电动机的接触器。因此，我们推测，该电动机的电磁参数恰好与所投人的电容器产生了谐振，过大的电流造成了接触器烧损。为了避免此类事故的发生，必须采取防止谐振的措施。煤矿现代化2012年第5期总第110期3无功补偿装置的设计31功率与功率因数的测量不对称三相电路的数字化功率测量是一件极其复杂的工作，必须高度重视。在三相三线制电路中，不论是否对称，三相功率可以使用两个功率表进行测量，称为二瓦计法，其接线方式如图3所示。一三相负载图3二瓦特法可以证明，图中两个功率表读数的代数和为三相三线制中右侧电路吸收的平均功率。设两个功率表的读数分别用P。、P表示，根据功率表的工作原理，有PIREIIAP2REUBCIB所以P1P2RE1JACIALIBCI因为【J觚TLATLTJBCTJBTJCIAIB一IC代人上式有P1P2REUAIA13BIB13CIC】RESASRSCRES】而REFSIJ表示右侧三相负载的有功功率。从以上求证的过程中可以看出，0ACID眦I，也就是说，三相电路的功率分别为PREIACIUBCIBQIMUACIAUBCIBS、COS据此，我们可以得出推论通过测量三相电路的2个线电压，2个线电流就可以计算出三相有功功率、无功功率、视在功率和平均功率因数。将的表达式展开，有SJACIA【BCRBUACCOSUACJSINUACIACOSISINIAUBCCOSUBCJSINUBCIBCOSJSINMUACCOSUCIAC0SIAUACSINUACIASINIAJUACSINUBCIACOSIAUACCOSUACIASINIAUBCC0SUACIBCOSLAUBCSIN4UACIBSINLAJUBCSINTRSCIBCOSIAUBCCOSUACIBSINIAUACR水IARUACX木IAJUACR水IARUACX木IAUBCRIRRUBO1日JUBCRIBR十U呱IBX【UACRIMLUACXIAXUBCRI豫UB0IBX】JUACR术IUACX术IAXUBCR半IBR十UBO【木IBX因此，有功功率和无功功率分别可以通过电压、电流的实部、虚部进行计算PUACR木IARUACX卑LAXUBCR宰IBRU丰IRXQUACR木IARUACX木IAUBCR斗I腿UBCX术IBX从复视在功率的推导公式中继续运用三角函数的积化和差公式可得PRESUACIACOSU。一IUBCLBCOSUBCM1QIMSUACIASINUACNUBCLSSINUBCM2当三相电路对称时，线电压超前相电压300，通常用表示相电压与相电流的相位差，各相量间的关系如图4所示，则式1和2变为FPUACIACOS一30。UBCIBCOS30。【QUACLASIN一30。UBCIBSIN30。由于UACUBCUAB，IAIBIC，则以上两式可化简为P、3UABIACOS【Q、3UABIASIN这就是我们熟知的三相对称电路的计算公式，可见三相对称电路的功率测量是图4三相对称电路的相量图52煤矿现代化2012年第5期总第110期相不对称电路功率测量的特例。通过以上讨论以看出测量三相不对称电路的平均功率时，可以将任意一条相线定义为公共相，分别采集其它两条线的线电流以及这两条线对公共相的线电压即可；三相对称电路是不对称电路的特例，用式1和2计算功率完全可以包含对称情况；用傅氏算法分别求出这4个量的实部和虚部，不必求出幅值和相位，更不用求出相位差，即可计算出有功功率和无功功率P、Q；求出S，进一步求出功率因数PF或叫COS。应该指出，采用二瓦计法求算功率时，只能顾“全”，而无法求“局”，各相负载分别吸收的功率无法计算，此时，不同于真正物理意义上的功率因数角或阻抗角的概念，而仅仅表示在此三相电路中，有功功率占视在功率的系数，因此称PFPOWERFACTOR更确切。32硬件系统构成检测仪硬件系统由以下五部分构成信号调理电路对来自探测器的信号进行滤波、放大等信号调理后，满足AD9240的输入要求。AD9240转换器进行数据的转换、输出及采样功能；由FPGA提供AD9240转换器、采样率及SD存储功能模块，AD转换模块的电源及时钟信号和调理电路时钟信号由FPGA提供，并且该时钟信号同样控制ADC的采样和数据输出。FPGA为提高系统可靠性，本文选用的系统选用的FPGA芯片为ALTERA公司CYCLONE系列的EP2C35。该模块为该芯片为672管脚，含475个用户自定义IO接口、35个嵌入式乘法器和4个锁相环。模块内部的35000逻辑单元可充分满足系统需要，由于系统需要快速对数据响应，因此采用了HYNIX公司的型号为HY57V641620HG的高速SDRAM4BANKS1M16B1。SD卡SD卡存储方式是目前常用的设备数据存储方式，可长期可靠存储大量的数据，它基于半导体快闪记忆器技术，具有微型、低功耗、非易失性和保存数据无需消耗能量等特点。本文采用的是SANDISK公司的，容量为4G，存储格式为FAT16文件系统。液晶屏系统采用分辨率12864的点阵液晶面板，面板大小为6841MM，型号为型HZ12864D20，可全面兼容HZ12864D10。33信号采集和数据存储结构及工作原理本文研究了NIOSLI处理器平台上的SD卡嵌入式FATFS文件系统，并将此文件系统成功应用于基于软核处理器NIOSLI的杂散电流数据采集系统中。系统根据采集到的带向量信息的电流电压值经53过信号调理器的滤波、放大处理后，送入处理器中，经嵌入在处理器中的程序处理后，得到无功补偿数据，然后将执行信号送入外部的执行机构。本体电位极化电位昱SD卡SDRAMREADREADFIFO2FIFO2控制器LR11ILL一LLLI帧缓冲器ILFPGAII“M控制器LPIOIDATAIN_FIFOLPIONIOSIILAVALON总线IJTAGUASPI核LDMA控制器LCTI图5数据采集系统结构框图FPGA芯片包括NIOSLI内核、片内存储器、定时器、PIO控制器、SPI核、DMA控制器、ADC控制器。其中自定义模块ADC控制器用来控制AD9240的采集、转换和数据读出，对数据的读取采用乒乓结构。系统的数据输入输出控制时序由FPGA内部提供的”输入数据选择单元”控制，为提高系统数据的响应速度，本文采用双IO口的缓存模块DPRAM交替存放从ADC读人的数据，首先从RAM1或RAM2输出的数据由DMA控制器存入SDRAM，然后由NIOSII内核处理器对数据做滤波和时频域变换后按存储规约将杂散电流数据存入SD卡中。经处理后的电流数据以文本形式存储到SD模块中，各测点对应一个文本文件，文件名称为”WGNTXT”其中N为测点编号，测点存储规约为地点WGNN为测点编号结果I电流序号【数据】【相位单位1112位长时间】结果V电压1【序号】【数据1相位单位12位长时间】结果P补偿结果序号【数据相位】单位【12位长时间】END本系统由于设计先进，可对多路装置进行无功补偿，具有较好的通用性、扩展性和灵活性。设计的补偿装置具备了NIOS软核处理优点，设计的装置体积小，可用于采集和存储多路装置的补偿信号，而且只要调整控制器的采样率、时序等相关参数，便可实现补偿的精度和时间。同时根据需要，可以方便的在本系统中移植UCOSII或者UCLINUX嵌入式操作系统，大大提高系统的处理能力【6。4结束语煤矿现代化2012年第5期墨篁旋风分离器的设计方法郭建军，刘文生1贵州鑫晟煤化工有限公司，六盘水553000；2中煤科工集团南京设计研究院，南京210031摘要旋风分离器是广泛应用于能源、食品、医药、化工以及冶金等行业的气固分离设备。在总结多种旋风分离器设计方法的基础上，提出一种简易的设计方法。关键词旋风分离器；压降；筒体直径；临界粒径中图分类号TQ0518文献标志码B文章编号10090797201205005402旋风分离器是利用旋转的含尘气流所产生的离心力，将固体颗粒从气流中分离出来的一种气固分离设备。由于其操作费用低，结构简单、维护方便而被广泛应用于能源、食品、医药、化工以及冶金电力等行业中【2_。旋风分离器的分离、捕集过程是一种极为复杂的三维、二相湍流运动过程，理论研究还很不完善嘲。各种旋风分离器的设计工作往往依赖于经验设计和大量的工业试验，因此，如何提高旋风分离器设计计算精度及效率，降低设计成本就显得十分重要。本文在综合多种设计方法的基础上，总结了一种简易的设计方法。旋风分离器的设计受分离效率、压降和流量三个特性参数相互制约，必须同时满足要求。一般流量为给定初始值，设计思路主要分为三种一种是根据流量和压降设计旋风分离器尺寸，采用分离效率进行校核；另一种是根据流量和分离效率设计尺寸，采用压降进行校核；最后一种是根据流量和旋风分离器入口速度设计尺寸，对压降和分离效率进行校核。由于第一种方法校核方便，试算成功率比较高，故本文采用第一种方法。1根据压降和流量，确定筒体直径压力损失是旋风分离器的主要性能参数，直接关系到能量消耗和风机的选型，对低压操作的旋风分离器，压力损失指标尤其重要，因此必须给予重点考虑。旋风分离器的压力损失主要有下列几个方面进口管的摩擦损失；气体进入旋风分离器内，因膨胀或压缩而造成的能量损失；气体在旋风分离器中与器壁的摩擦所引起的能量损失；旋风分离器内气体因旋转而产生的能量耗散；排气管内摩擦损失，气体因同时进行旋转运动和直线运动需要消耗更多的能量；排气管内气体旋转时的动能转化为静压能的损失【”。A一分离器入口高厦，MIH分离器入口宽度，M；D分离器直径，M；DC一排气管直径，M；D一分离器排灰口直径，M；HC一排气管插入浓度，M；H分离器简体高，M；H一分离器总高，M。图1典型旋风除尘器结构简图产生压力损失的原因众多，要详尽计算旋风分离器各部分的压力损失很难。通常，压力损失的表达式用进口速度头表示较为方便。为减少压力损失和人口气流对筒体内气流的撞击、干扰以及其内旋转气流的涡流，进口形式大多从切向进口直入式改为本文在研究了煤矿电力无功补偿系统的原理和硬件设计，对补偿信号的检测原理