（电路与系统专业论文）基于dspic的无功补偿网络控制系统的设计与开发.pdf

硕士学也论文 摘要 无功补偿是提高电网功率因数和降低电网损耗的有效手段，但国内 传统无功补偿以分立补偿控制器为主，不能对整个补偿系统进行整体监 控管理，且运算能力不高，不能满足现代电力自动化要求。本文针对此 现状设计和开发了一种基于d s p i c 的无功补偿网络控制系统。 ( 1 ) 通过分析无功补偿的研究现状和发展趋势，指出传统无功补偿方 法的局限性，阐述了d s p i c 在无功补偿网络控制系统中的优势。 ( 2 ) 研究了无功补偿网络控制系统的相关技术基础：无功补偿的电压 控制方式和无功功率控制方式等四种控制策略、f f t ( 快速傅立叶变换) 采 样和c a n 总线应用，并给出了网络的总体设计结构，以及下位机节点和 上位机平台的实现功能。 ( 3 ) 根据无功补偿网络控制系统下位机实现的功能，设计了下位机节 点的硬件和软件，给出了下位机的信号检测和处理模块、c a n 通信模块、 复合开关输出等模块的硬件设计结构，以及下位机软件流程图，并重点 研究了采用无功功率和电压相结合的改进投切控制策略，同时指出在使 用中，根据不同潮流分布优化选择不同的下位机补偿节点位置。 ( 4 ) 结合无功补偿上位监控系统功能实现的要求，设计了上位监控系 统的各个组成结构，包括人机界面、遥测和遥控通信模块、s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库的入库和查询等，实现了无功补偿的网络化。 ( 5 ) 通过构建测试平台，对整个系统进行了保护动作测试和挂网在线 测试，给出了测试结果并对测试数据进行了详细地分析，同时指出了系 统的软硬件误差。 测试结果表明，所设计的系统实现了缺相、欠压和过压等保护，提 高了电网的功率因数和配电的负荷能力，降低了电网损耗，并实现了无 功补偿的远程通信和数据显示，达到了预期的设计目标。 关键字：无功补偿；网络控制系统；d s p i c ；c a n 总线 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni se f f e c t i v eo ni m p r o v i n gt h ep o w e r f a c t o ra n dr e d u c i n gl i n e d e p l e t i o n ，b u t t h et r a d i t i o n a lr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c e si nc h i n aa r ed i v i d e d t h e yc a nn o tm o n i t o ro rc o n t r o l t h ew h o l es y s t e m ，o rm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp o w e r - a u t o m a t i o nw i t ht h e l o wa r i t h m e t i cc a p a b i l i t y ar e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nn e t w o r kc o n t r o l s y s t e mb a s e do nd s p i ci sd e s i g n e di nt h ep a p e rt o s o l v et h o s ep r o b l e m s - f i r s t l y ，b ya n a l y z i n g t h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a l t e n d e n c yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，t h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a l r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n da d v a n t a g e so fu s i n gd s p i co nr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nn e t w o r kc o n t r 0 1s y s t e ma r ep r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n n e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c h e d 。s u c ha sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n c o n t r o lb y v o l t a g eo r r e a c t i v ep o w e r ，a n do t h e rt w os t r a t e g i e s ，f f t s a m p l i n ga n dc a nb u s t h e nt h e s t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e ma n dt h e d e s i g no fs l a v en o d e sa n dh o s tc o m p u t e rp l a t f o r ma r ep r o p o s e d t h i r d l y ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs l a v ec o m p u t e ri sp r e s e n t e d ， a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi ti sa n a l y z e di nd e t a i l t h es i g n a l d e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l e 、c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dc o m p l e x s w i t c he x p o r tm o d u l ea r eg i v e n s o f t w a r ef l o wc h a r to fs l a v ec o m p u t e ri s p r o p o s e da n dt h ei m p r o v e dc o n t r o ls t r a t e g yw i t hr e a c t i v ep o w e r f a c t o ra n d v o l t a g ei sa n a l y z e di nd e t a i l t h e nt h eo p t i m u mp o s i t i o no fs l a v ec o m p u t e r d e v i c e si nd i f f e r e n tt i d a lc u r r e n td i s t r i b u t i o ni sp o i n t e do u ti nu s e f o u r t h l y t h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e o f h o s tc o n t r o ls y s t e mi s g i v e n ，i n c l u d i n gt h em o d u l eo ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eo fr e m o t ed e t e c t i o na n dc o n t r o l ，a n dt h ep r o c e s so fi n p u t t i n ga n d c h e c k i n g d a t ai ns q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s e ，t om e e t t h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fh o s tc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h en e t w o r k i n go fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ni s r e a l i z e d f i f t h l y ，t h es y s t e mt a k e sap r o t e c t i o na c t i o nt e s ta n da no n - l i n et e s to n t h ed e s i g n e dp l a t f o r m ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r ei n t r o d u c e d t h ed a t ao ft e s ti s a n a l y z e di nd e t a i la n de r r o r so f t h es o f ta n dh a r d w a r ed e s i g na r ep r e s e n t e d w i t ht h et e s t i n gd a t a ，i tc a nb es e e nt h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mh a s m r e a l i z e dp r o t e c t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fp h a s ef a i l u r e ，s h o t - v o l t a g ea n d o v e r t 。v o l t a g e t h ep o w e rf a c t o ro fs y s t e ma n dl o a da b i l i t yo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki s i m p r o v e d ；t h el o s so fp o w e rg r i d si sr e d u c e d ；r e m o t e c o m m u n i c a t i o na n dd a t ad i s p l a yo f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sr e a l i z e d ， s ot h ed e s i g n e ds y s t e mh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dr e s u l t k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ；d s p i c ； c a nb u s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：阮侈 日期：。间年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：聊年，j 月罗e 1 日期：岬年。，月i 口日 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 电网质量时刻影响着我国经济的发展和居民的生活水平，而电网的无功状态 更是衡量电网运行质量的重要因数之一。近年来我国大规模的工厂以及居住楼盘 建筑的起建，电力电子装置应用日益广泛，其中阻感负载和不稳定负荷在用电负 载中占有很大的比例，如：异步电机、变压器以及大多数家用电器等都是典型的 阻感负载，自然功率因数大多仅为0 6 0 8 ，致使在输电线路、高压配电网、低 压用户的三个部分的线损中，低压用户端线损最大，若不在低压用户端不进行无 功补偿，将给上一级电网带来补偿压力，降低配电变压器的利用率，造成电能大 量浪费；不稳定负荷的无功功率损耗变化大，且变化迅速，如工厂用升降机、冲 压机、电焊机等，极易引起电网电压和电流波动，使一些设备无法正常工作。同 时大量的非线性电力电子的应用引起的谐波污染问题也越来越严重，导致继电保 护和自动装置误动作，对邻近通讯系统产生干扰，危害输电系统。因此，进行无 功补偿提高功率因数和抑制谐波污染一直是国内外共同关注的重要课题【l “。 在国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿已成为衡量配电网性能的主 要指标之一。在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率已达8 6 4 ；在 美国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制口】。 国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式，户外型无功 自动补偿系统的研究正在起步。现代无功补偿技术除了在控制器件方面的改进， 随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也有很大的进步。采用模糊神经网 络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对电压、无功功率、三相不平衡、 谐波等进行综合调节和补偿控制的装置和网络已经成为大家的共识。 目前我国无功补偿主要存在问题是控制规律简单、抗干扰能力差，不能很好 的解决无触点开关投切电容的问题，在三相不平衡条件下不能有效的进行无功补 偿，同时易产生高次的谐波。由于户外工作环境相对恶劣，装置的可靠性和控制 精度难以满足现场运行的要求【4 】。此外还不具备通讯功能，不能实现全电网的无 功补偿通信和优化，不能对电能质量进行在线监视以满足现代化电力系统建设的 需要。 1 2 无功补偿网络的研究发展状况 1 2 1 无功补偿相关技术 随着现代科技的进步，无功补偿相关技术及其网络的研究也在不断发展。 基于d s p i c 的无功补偿网络 宅制系统的设计与开发 1 分立无功补偿装置 早期无功补偿以分立补偿装置为主，其装置主要有并联电容器、同步补偿、 静止无功补偿和新型静止无功补偿。 ( 1 ) 并联电容器是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的 更新发展。同步调相机( s y n c h r o n o u s c o n d e n s e r ，简称s c ) 即同步补偿器的实质是 同步电机，当励磁电流发生改变时，电机可随之平滑的改变输出无功电流的大小 和方向，但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，其推广使用受到限制。 ( 2 ) 半导体制造技术的发展，新型的电力电子器件不断问世静止无功补 偿技术s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t i o n ) 。静止无功补偿就是利用电力电子开关投 切电容器、电抗器，使其吸收或发出无功功率，用于提高电力系统的功率因数、 稳定电压、抑制谐波振荡等功能，可同时解决谐波和无功两大电力问题。s v c 主 要包括2 类：晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 和晶闸管投 切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r - t s c ) 。t c r 将晶闸管作为无功功率输出 的调节开关，可实现无功的连续调节，平滑调节补偿电容，快速跟踪负载无功的 变化。但通过控制晶闸管触发相位角来直接控制电抗器的输出电流，使得电抗器 的输出电流畸变严重，产生很大的谐波，同时t c r 的占地面积变大、控制复杂、 价格昂贵；t s c 能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现 动态无功补偿。t s c 虽然不能连续调节无功功率，平滑控制补偿电容器，但其响 应速度块，控制简单，运行时不产生谐波且损耗较小1 5 】。 ( 3 ) 由于晶闸管投切电容器具有优良的动态无功功率补偿性能，近年来得到 了较大的发展。8 0 年代以来，瞬时无功功率理论的提出，产生了采用自换相变流 电路的新型静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ，简称a s v g ) ，其体积小 ( 电容、电抗小) 、工作频率高，但限于目前全控型电力电子器件的电压、电流水 平，要做到大容量补偿就目前来讲并不经济，在实际应用中受到限制。 2 网络技术和通讯技术的应用 网络技术和通讯技术的高速发展，使得传统的分散低压用户无功补偿已越来 越不能满足时代的需要，而通信网络手段在工业远程监控中得到越来越多的应用， 无功补偿也正朝着自动化、智能化的方向发展。这些远程通讯手段包括局域网、 公用电话网、i n t e r n e t 网络和无线网等，其中现场总线组成的现场总线控制系统 ( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是在计算机技术、通信技术和控制技术发展到一 定程度后产生的，是用于现场设备和监控室之间的一种开放式、全数字化、双向 通信和多站通信的全分布式控制系统i6 1 。其中c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线 由于可靠性高、稳定性好、抗干扰性能强、实时通信性好、系统造价低廉、维护 成本低等特点而在工业控制领域中得到了广泛的应用。 硕士学位论文 3 谐波技术的应用 谐波理论的发展使得无功补偿和谐波的综合治理得到了大家的共识。早期谐 波治理主要在无功补偿同时采用l c 谐波器，结构简单，但只能补偿固定频率的谐 波。随着t s c 和t c r 的出现，将电容器和电抗器同时应用到无功补偿( t s c + t c r ) ， 通过控制投切电容器和电抗器，进行谐波抑制。8 0 年代又出现了电力有源滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) ，从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产 生一个与改谐波大小相等而极性相反的补偿电流，而使电网电流中只含有基波分 量，此装置控制复杂，成本高，在低压配电无功补偿中应用较少。 4 数据库和先进控制技术的应用 数据库技术和先进的控制理论发展，也为无功补偿控制网络的发展奠定了坚 实的基础。建立完善可靠的数据库来处理和记录控制网络需要的大量无功补偿半 点数据、投切数据、相关报警数据、谐波各次数据、系统停电情况等，供控制系 统进行分析和处理。人工智能网络( a n n ) 和全局寻优算法等技术在网络中的应 用，也使得无功补偿网络能自动合理分配各补偿节点地点和容量，优化补偿网络。 1 2 2 基于d s p i c 的无功补偿控制网络 d s p i c 3 0 f 系列芯片融合了1 6 位单片机的控制优势和全功能数字信号处理器 ( d s p ) 的高速运算能力，而传统的无功补偿装置通过单片机或d s p 进行控制， 实现电力电容器组的投切，即投入容性无功达到降低总无功功率和视在功率的目 的，但要同时考虑谐波问题，则装置对补偿系统的功率因数和谐波量等各项参数 的测量精度要求高，控制准确、迅速。传统单片机控制系统由于受到硬件资源限 制，采样精度不高，周波采样点数少，限制了测量精度，而单一数字信号处理器d s p 在实时控制方面不如单片机。日前还有采用的d s p + m c u 结构( d s p 完成采样及对 采样结果的实时变换处理，单片机用来完成统计、存储、通讯及人机对话) ，致使 系统电路结构复杂，抗干扰能力不强等缺点。 故本系统的下位机控制器芯片采用m i c r o c h i p 公司的8 0 p i nt q f p 封装形式 的1 6 位数字信号控制器d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 【”。其主要资源见表1 1 ，具有以下特点： ( 1 ) 改进型哈佛结构； ( 2 ) 完整的d s p 引擎：专用高速1 7 位1 7 位的硬件乘法器，一个4 0 位的 a l u ，两个4 0 位的饱和累加器，一个4 0 位的双向移位器； ( 3 ) 灵活的存储空间：程序计数器为2 3 位宽，可寻址4 m x 2 4 位的程序存储 空间。数据存储空间可一分为二，分别作x 数据区和y 数据区进行访问。对于 d s p 指令而言，可以分别对两个数据区进行寻址，对于m c u 指令指令而言，数 据空间可以整体作为6 4 k x 8 位进行寻址； ( 4 ) 改进中断能力：含有由6 2 个区分优先级的中断向量组成的异常处理结 基于d s p i c 的无功补偿网络控制系统的设计与开发 构，中断优先级分为7 级，其中异常情况包括8 个处理器异常和软件陷阱，5 4 个 中断源： ( 5 ) 改进的指令系统：指令字为2 4 位宽，指令系统包含m c u 指令集和d s p 指令集，此两套指令集可由同一指令执行单元执行。一个3 操作数的指令可在一 个周期内完成，运算速度可达2 0 至3 0 m i p s ； ( 6 ) 丰富的外围器件：内部集成了s r a m i f l a s h 和e e p r o m 等存储器件， 提供了1 2 b i t a d 转换模块，8 _ b i t 看门狗，以及u a r t 、s p i 、1 2 c 、c a n 等 通信模块； ( 7 ) 强大的开发环境：m i c r o c h i p 公司提供的m p l a b 集成开发环境( i d e ) 、 m p l a bc 3 0c 编译器、m p l a bs i m3 0 软件仿真器、m p l a bi c d 2 在线调试器和 m p l a bi c e4 0 0 0 在线仿真器，且配备了d s p 等一系列应用库。 此外d s p i c 3 0 f 还具有体积小，引脚数小，便于单片机平台移植现有代码的特 点【8 】。相对目前许多单片机的5 v 供电以及d s p 的3 3 v 供电，d s p i c 3 0 f 提供电 压为2 5 5 5 v ，且具有的功耗设置。 裹1 1 f l a s h 程序存储输出比较标准 1 4 4 k 8 器b y t e s p w m e 2 r o m 数据存 4 k u a r t2 储器b y t e s s r a mb y t e s 8 k s p i 2 a ，d 1 2 b i t1 6 e h1 2 c1 定时器1 6 b i t 5c a n2 多媒体数字信号 输入比较器8 a c 9 7 1 2 s 编解码器接口 芯片内部自带的存储器和集成在片内的看门狗电路及电源上电、掉电监视电 路等既节省了宝贵的空间，又提高了系统的抗干扰能力，为整个系统各功能的实 现和系统的健壮性提供了有力的支持。基于此芯片的下位机控制装置具有实时性 强、精度高、开放性好、易于扩展等优点，且c a n 总线模块的远程通信功能可 直接应用构建c a n 总线通信网络，实现无功补偿的智能化、自动化和网络化。 1 3 课题研究意义及本文研究内容 本文的选题来源于导师戴瑜兴教授主持的校企合作项目“可通信电气智能 化技术”，作者主要承担子课题“基于d s p i c 的无功补偿网络控制系统的设计与 开发”。课题的研究工作是作者在浙江天正低压电器股份有限公司完成。研究 成果已通过天正电器股份有限公司结题验收。 硕士学位论文 本文设计和开发了一套无功补偿网络控制系统，应用d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 芯片设 计下位机控制装置，由远程上位机监控平台通过c a n 总线通信构建无功补偿网 络，有效分析电网中无功功率和谐波数据，确定补偿节点位置，采用改进的投切 控制策略，应用公司自生产的智能式复合开关执行零电压投入和零电流切出，可 实现三相分补和共补，同时监控平台通过数据库完整记录下整个网络的有效数据， 进行远程通信和控制，并提供可视化界面和报警信息。本系统提高了公司无功补 偿装置的准确度和精度，解决了谐波治理和分相补偿问题，c a n 总线通信的应用 使得产品在市场中具有较大的竞争力和广阔的应用前景。 本文的主要研究内容： 第1 章绪论。论述国内外的研究状况，研究无功补偿相关技术的发展，谐波 治理和网络远程通信控制的应用，指出目前无功补偿的局限性及课题的研究意义。 并引入d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 芯片。 第2 章无功补偿网络控制系统的总体设计。在研究了无功补偿控制策略和 c a n 总线等技术的基础上，给出了无功补偿系统总体方案，以及下位机节点设计 和上位机平台实现方案。 第3 章无功补偿网络控制系统下位机设计与开发。给出下位机控制装置的主 体硬件，分析了装置的控制原理，给出了软件实现功能和流程，以及各种潮流下 补偿控制器的安装位置的选取。 第4 章无功补偿上位监控系统设计与开发。主要给出了上位监控平台的人机 界面模块、数据模块和通信模块的设计和开发。 第5 章系统调试及测试结果。对系统进行了挂网调试，将调试数据用图形显 示，并对测试的结果进行了分析，同时给出了系统的软硬件误差。 最后，对本文研究工作进行总结与展望。 基于d s p i c 的无功补偿网络控制系统的设计与开发 第2 章无功补偿网络控制系统技术基础与总体设计 2 1 无功补偿网络控制系统设计技术基础 2 1 1 无功补偿控制策略 根据选择控制物理量的不同，无功补偿可采取的自动控制方法也有多种方式。 我国电力行业标准中，按控制物理量把低压无功补偿控制器分为四类：无功功率、 无功电流、功率因数、复合型( 两个及以上物理量组合) 。根据某一单一物理量进 行控制，均有其不足之处。例如，单独按功率因数补偿，在负载电流较小时，常 会发生投切振荡计算机作为控制元件，为实现多变量控制提供了可能性。比较 合理的补偿应该做到以下几点：最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数； 不发生过补偿：无投切振荡；无冲击投切；反应灵敏、迅速i9 1 。下面对几种最常 见的投切控制方式进行分析。 1 电压控制方式 电压控制方式利用无功负荷增大时，线电压下降的特点，以保持安装点电压 在一定范围内为目的。它取电网电压作为检测信号，当电网电压降至某给定值的 下限时，装置的检测部分发出信号，控制并联电容器组投入系统运行；当电网电 压超过某给定值的上限时，控制电容器组使其从系统中断开。但是，电容器只能 发出感性无功功率，提高电压；而不能吸收感性无功功率，降低电压，因此，只 在重负荷时投入，轻负荷时部分甚至全部切除【l 。 2 功率因数控制方式 以功率因数作为控制变量，是较早采用的控制方式。它是利用检测装置检测 负荷的功率因数或者功率因数角，经过对检测数据的处理，通过执行元件，实现 对电容器组投切，维持功率因数经常处于最佳值。当功率因数超过某给定值的上 限时，控制电容器组从电网中断开；当功率因数低于某给定值的下限时，控制电 容器组投入电网。这是国内外广泛采用的一种控制方式。 从原理上看，这种控制方式存在两大缺点，其一是轻载时可能产生“投切振 荡”。见图2 1 ，按功率因数投切电容器组，其稳定区收敛于原点o 。当负荷逐渐 减少时，存在一些区域( 如s l 点) ，投入一组基本电容器，便从投区s 1 点补偿 到s 2 点，显然过补偿了，因此，自动装置马上就要切除一组基本电容器，这时 又回到了s 1 点，这样系统就在投切动作中往返不已，称为“投切振荡”【l ”。其二 是，当负荷很重时，功率因数( 或功率因数角) 的微小变化就能引起要求无功补 偿量的巨大变化。若采用的a d 转换精度不高，或采样间隔时间不准确，则计 硕士学位论文 算出的功率因数( 或功率因数角) 波动较大，将引起要求无功补偿量的巨大变化， 从而可能导致电容器组的频繁误投切。 p 粒一。 s 2 峥 0 围2 1 功翠因数控制方式 3 无功功率控制方式 无功功率作为控制物理量控制电容器的投切，是近年才出现的一种控制方式， 它是根据所测得的电压、电流、功率因数等参数，计算出应该投入的电容容量， 在电容器组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一 次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量( 下限值) ，则应保持补偿状态不 变。只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。 对无功补偿来讲，这是一种最直接的控制方案，它可以真正实现缺多少补多 少、超多少切多少的目的。该控制方式能将无功功率控制在最小范围内，达到本 地区的无功负荷尽量就地平衡的原则【”】。因此，本控制器采用无功功率作为控制 物理量控制电容器组的投切的策略之一。 l 投区 x f7 稳定区 点l 切区 睦 图2 2 a “投切振荡”现象 图2 2 b 消除“投切振荡” 但是，如果补偿目标的上、下限范围设置的不合适，也将会产生“投切振荡” 现象。见图2 2 a 电网实际无功缺额q 在切区s l 点，切去一组电容器，电网 实际无功缺额落在投区s 2 点，立即投入一组电容器，电网实际无功缺额又落在 了切区s l 点，随即又切去一组电容器，这样无限循环，形成“投切振荡”。只要 把补偿目标的上、下限范围设置为大于基本电容器组的容量，即可避免“投切振荡” 现象的发生。见图2 2 b 。电网实际无功缺额从切区s l 点切去一组电容器后，落 在了稳定区s 2 点，不再振荡。 4 复合控制方式 复合控制方式以某一控制物理量做主判据，以另一控制物理量作辅助判据。 基于d s p l c 的无功补偿网络控制系统的设计与开发 例如，按功率因数控制，按电压校正；按无功电流控制，按电压校正；按无功功 率控制，按电压校正；按时间控制，按负荷无功校正；按电压控制，按负荷无功 校正等1 1 3 】。 譬如，采用无功电流、无功功率综合控制方式，无功电流控制方式考虑到了 电网的实际运行电压水平，从而得到更准确的补偿效果，但在计算无功电流时要 涉及到无功电流和无功容量的转换计算，计算量增大，不利于快速响应；无功功 率控制方式补偿目标直接，响应快速，在结合电网的实际运行电压水平，使补偿 效果比较准确，本设计即选用无功功率和电压相结合的复合控制方式，详见3 4 2 。 2 1 2f f t 采样算法应用 1 f f t 变换 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 即快速傅立叶变换。实际电力系统的连续 波形不规则，且不适在计算机上运行，从数字计算角度，希望时域和频域是离散 的值，常用的方法就是对连续的时间信号进行等间隔采样，然后将得到的离散时 间信号进行模数转换得到有限字长的离散数字信号，送到数字处理器进行计算处 理，即离散傅立叶变换( d f t 。d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 。 对任意周期波形的连续时间信号“t ) ，在其周期t 内插入n 个等间隔采样点， k = 0 ，l ，2 ，n 1 ，采样间隔时间为a t = r n ，即把连续时间信号转换为一组以序号 k 为自变量的离散数字序列【1 4 】。 五 = f o ，石，五，五，厶一。 由于对输入信号采样得到的离散时间序列都是有限长的，对于有限长的离散 时间序列，可以构造一个周期性离散时间序列，使其在每个周期内的离散时间序 列都和有限长的离散时间序列相同，这种周期性时间序列的傅立叶级数的指数形 式可以由周期性连续时间函数的傅立叶级数的指数形式通过类比推出来，退到得 到一个结论：一组周期性的离散序列，其傅立叶级数也是一组周期性的离散序列， 而且两者都是n 点重复一个周期。n 点离散傅立叶变换为： e ：d f r a ：艺五p 一，鲁“：n - i 五时一：o ，l ，2 ，一1 ( 2 1 ) 一堑 式中e 为复数，= p 。” f o = f o + 石+ 五+ + 丘。 为直流分量 巧= f o + 石+ 孵五+ + 皑1 丘， 为基波分量 e = f o + w ；f l + 昭“正+ + w - 1 ) n f s 一。 为n 次谐波分量 直接利用d f t 的计算量与变换区间长度n 的平方成正比当n 比较大时， 计算量太大，工程实现难。1 9 6 5 年，图基、库利在计算数学上发表了著名的 硕士学位论文 “机器计算傅立叶级数的一种算法”一文，后来经过不断改进，形成了一套高效的 运算方法快速傅立叶变换( f f t ) 。f f t 的采样点数由运算过程决定通常 n = 2 4 ，m 为正整数。由于n 是偶数，则可将 五j 分成由偶数点和奇数点组成的 两个序列来计算，即： c = 五时+ 五时 ( 2 2 ) 为矗 为哥 当k 为偶数时，令k = 2 r ，由偶数点的采样序列组成新序列 五， ； 当k 为奇数时，令k = 2 r + l ，由奇数点的采样序列组成新序列 正。 ； 经过上述变换后，就可将一个d f t 转换为两个d f t 。f f t 算法的实质就是不 断地把长序列的d f t 转化分解为几个短序列地d f t ，并利用时的周期性和对称 性来减少d f t 的运算次数。 周期性：玎守= 孵o “ 贰称性：w ：= 一1 ，w 譬| 帕t = - 等，w ：”= 一j ，w 蛩i 4 = j ，r 7 娑| 1 4 呐= 一 w 可得：只： ，1 ( 厅) + 形i f 2 ( 一) ，n = o ，1 ，2 1 ( 2 3 ) “ 【，1 ( h ) 一形二疋( 疗) ，珂= n 1 2 ，一l 当一次分解序列的长度大于2 时，可如上进一步对其进行奇偶分解，直致分 解为长度为2 的序列，即得到蝶形递推运算。f f t 算法一般包括了采样序列的二 进制编码序号倒排列合蝶形递推运算两部分。f f t 并不是新的变换，而是d f t 改 进的快速算法，可使复数乘法运算大量减少，由d f t 的2 次减少为f f t 的m n 2 次，大大提高了谐波分析的速度。 2 频谱混叠和泄漏 在采样和计算处理时要注意频谱混叠和频谱泄漏现象。由采样定理可知，当 被采样信号最高频谱频率为正，则采样频率必须满足五2 z 才能得到各次谐波对 应的全部频谱，否则将造成频谱混叠。为了防止频谱混叠造成谐波误差，可提高 采样速度，也可使信号在采样前通过低通滤波器，滤除f , 2 以上的高频分量。由 于信号的采样是在有限的时间段内进行的，相当于对无限连续的周期信号设置了 一个矩形观测窗口，矩形窗的宽度也就是采样的时间间隔。在窗口宽度与信号周 期不匹配的情况下引起的频谱除了原信号的频谱分量外，还要泄漏到其他频率上 去，有旁瓣出现，这就是频谱泄漏现象。在实际应用中可采用改变窗口函数的方 式来减少频谱泄漏，如可采用升余弦窗、改进升余弦窗、二阶升余弦窗等数据窗， 通过采样信号的频率、采样间隔来选择适当的数据窗。 2 1 4c a n 总线网络应用 c a n 总线是目前惟一有国际标准的现场总线，最高通信速率为1 m b s ( 通信 距离为4 0 m ) ，其最远通信距离可达1 0 k m ( 通信速率为5 k b p s ) ，最多可挂接设备 基于d s p i c 的无功补偿网络控制系统的设计与开发 数达l l o 个，适合在无功补偿等电磁干扰大、工作环境恶劣、对数据实时性要求 高、且节点不太多的环境下工作【”l 。主要实现i o s o s i 参考模型的第l ( 物理层) 、 2 ( 数据链路层) 、7 ( 应用层) 层功能，见图2 3 。 1 帧类型和格式 d s p l c 的c a n 模块支持c a n 2 0 b 协议规范，所传送的数据由以下4 种不同 的帧类型所表示和控制： ( 1 ) 数据帧：将数据从发送器传送到接收器。 ( 2 ) 远程帧：总线单元发送远程帧，请求发送具有相同标识符的数据帧。 ( 3 ) 错误帧：任何节点监测到总线错误就发错误帧。 ( 4 ) 帧间问隔：用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加延 时。 l a y e ri s o o s im o d e lc a nm o d e l 7 a p p l i c a t i o n应用层( c a na p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 6p r e s e n l & t i o n 5s e s s i o n 4 t r a n s p o r t 3 n e t w o r k 2d m l i n k c a n i 目) 议规范 l p h y s i c a l p h y s i c a l 图2 3 c a n 层次模型 数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式，它们使用一个帧空间与 前面的帧分开，两者不同之处在于每帧的标识符的长度不同：标准帧的标识符长 度为1 l 位，而扩展帧的长度则为2 9 位【1 6 l ，在本系统中使用标准数据帧格式。 数据帧由以下7 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、c r c 域、应答域、帧结尾。数据域的长度可为0 。其格式见图2 4 。 帧间宅鼋h _ _ 一数据帧叫掌回空同 或过载帧 帧起辑上域l 制域l 数据域i 。r c 域l 控制域。数据域l措i 自尾 图2 4 数据帧格式 帧起始：标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位组成。只有总线空闲 时才允许站点开始发送。所有的站必须同步于首先要开始发送报文的站的帧起始 硕士学位论文 前沿。 。 仲裁域：标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同。在标准格式里，仲裁 域由1 l 位标识符和r t r 位组成。标识符由i d 2 8 i d 1 8 组成，长度为1 l 位。 相当于扩展帧中的基本i d ，这些位按i d 2 8 i d 1 8 的顺序传送。在扩展格式里， 仲裁域由2 9 位标识符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。其标识符由i d 2 8 i d 0 组成。 1 1 位基本i d 、1 8 位扩展i d 。 控制域：标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同。在标准格式里，控制 域包括数据长度代码、i d e 位及保留位r o 。扩展格式里的控制域包括数据长度代 码和两个保留位r l 和r 0 。数据长度代码指示除数据域里的字节数目。 数据域：由数据帧中的发送数据组成。 2 位仲裁和通讯方式 c a n 总线使用的是“载波监测，多路访问冲突避免”( c s m a c a ) 的通信模 式。允许总线上任一设备都有一定机会取得总线的控制权来向外发送信息，如果 同一时刻有两个以上的设备欲发送信息，就会发生数据冲突，c a n 总线能实时地 检测这些冲突并作出相应仲裁，且获得仲裁的信息帧能都不受到任何损坏的继续 传送。c a n 总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在l l 位( 扩展 帧2 9 位) 标识符中，具有最小二进制数的标识符有最高的优先级。 c a n 总线有两种典型的工作通信方式：多主通信方式和主从式通信方式。 ( 1 ) 多主式结构 网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分 主从，可支持点对点、点对多点及全局广播方式，用非破坏性总线仲裁技术，并 根据需要将网络上的节点分成不同的优先级i 冲突时优先级低的节点主动停止发 送。 ( 2 ) 主从式结构 整个系统的通信主要依靠主站的调度器来安排，节点的功能有区分，不能自 由进行各种平等点对点间信息发送，若系统调度策略设计不当，则系统实时性、 可靠性就会变差，容易引起瓶颈现象 1 7 】。 本系统对实时性、可靠性和灵活性要求较高，数据的传输多由上下位机向上 位机传输，上位机向下位机传输多是命令，数据量相对较少，故采用多主式和主 从式相结合的结构。 2 2 网络控制系统总体结构 本系统由上位计算机和下位机网络节点模块构成，系统总体结构见图2 5 。 基于d s p i c 的无功补偿网络控制系统的设计与开发 下位机智能节点主要由无功补偿控制器组成，控制器对各负荷数据和电量数据实 时采集和控制，并通过自带的c a n 总线驱动接口将数据传送至上位p c 机，上位 机记录、分析、保存并可显示实时数据，达到远程监控的目的。 上位机的通信采用通信适配卡进行驱动，将r s 2 3 2 信号转换为c a n 总线通 信数据，接入c a n 总线网络；下位机节点由d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 芯片设计的无功补 偿控制器组成。系统采用多主式和主从式相结合的结构，上位机可以广播或者点 对点向下位机发送数据和控制命令，而下位机之间也可以互相通信，交换信息， 同时，下位机也可独立执行无功补偿自动控制，使得系统灵活可靠。无功补偿的 执行单元采用公司生产的智能复合开关，由单片机进行智能控制，实现零电压投 入和零电流切出，成功解决电容器组投入的浪涌电流问题，并延长了开关和电容 器组的使用寿命，同时减少了无功补偿控制器的任务负担，简化了设计，提高了 系统的稳定性。 图2 5 系统总体结构图 在实际的使用过程中，一些距离很长或带有特殊负荷的线路为保证补偿效果， 往往在一条线路上安装多台补偿设备。安装点的选