（检测技术与自动化装置专业论文）变电站综合控制仪的研究与开发.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着人民生活质量的稳步提高，人们对供电质量的要求也越来越高， 电压成为衡量电能质量的一个重要指标，而在电力系统中电压和无功功率密切相 关。在电力负荷中，有很大一部分是感性负荷，它不仅消耗有功功率也吸收很多 无功功率，造成功率因数下降，降低供电质量和供电能力。因此，为了合理有效 的分配无功功率，适时适当的补偿无功功率，我们设计研制了变电站综合控制仪。 本文首先介绍以w 7 8 e 5 1 6 b 单片机为控制核心的变电站综合控制仪的硬件电路 设计，详细阐述功率因数的检测原理，采用一种全新的硬件电路实现功率因数的 检测。在重点分析近年来使用较多的传统“九区图”理论控制策略缺陷的基础上， 提出了全新的控制策略，该策略以“九区图”理论为基础，采用模糊控制理论， 设计了变电站电压和无功模糊控制系统。该系统根据“九区图”的特点给出了输 入输出变量的模糊予集和隶属度函数，并设计了相应的控制规则，而且考虑了不 同负荷时段对无功功率的需求和负荷突变情况下的控制要求。 完成了一整套控制装置的硬件电路，实现了全部功能，达到了预期的性能指 标。实验结果表明该系统能在各种负荷条件下确保电压合格、无功基本平衡和功 率因数达标，有效减少了有载调压变压器分接头和并联补偿电容器组的调节次数， 实现电容器组的循环投切，避免了投切振荡现象，防止电容器组和主变分接头的 误动作。 关键词：电压；无功功率；功率因数；控制策略；模糊控制 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h es t e a d yi m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo fl i f e ，h i g h e r r e q u i r e m e n t so nt h ep o w e rs u p p l yq u a l i t ya r ep r e s e n t e d v o l t a g eb e c o m e sa ni m p o r t a n t i n d e xt h a tm e a s u r e st h ep o w e rq u a l i t y ，a n di ti sh i g h l yr e l a t e dw i t hr e a c t i v ep o w e ri n p o w e rs y s t e m s t h e r ei sm o s t l yv a r i o u si n d u c t i v el o a d i n go nt h en e t i tw i l ln o to n l y c o n s u m e sa c t i v ep o w e r ，b u ta l s oa b s o r b sm u c hr e a c t i v ep o w e r , s oi tc a l lr e s u l ti n l o w e r i n gp o w e rf a c t o r ，a l s od a m a g i n gt h eq u a l i 锣o fl o wv o l t a g ep o w e r sn e t , a n di t d e g r a d e ss e r i o u s l yt h ea b i l i t yo fs u p p l y i n gp o w e r t h e r e f o r e ，as u b s t a t i o ni n t e g r a t e d c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt od i s t r i b u t er e a c t i v ep o w e re f f e c t i v e l ya n dc o m p e n s a t er e a c t i v e p o w e ri na p p r o p r i a t et i m e t h ep a p e rd e t a i l sf i r s t l yt h eh a r d w a r ed e s i g no fs u b s t a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o l l e r b a s e do nw 7 8 e 5 1 6 bm c u ，t h ed e t e c t i o np r i n c i p l eo fp o w e rf a c t o r t h ed e t e c t i o no f p o w e rf a c t o ri sa c h i e v e db yak i n do fn e wc i r c u i t t h e nt h i sp a p e rp r o p o s e san e w c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h er e s e a r c ho nd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a ln i n e z o n e d i a g r a mm e t h o d s t h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e sn i n e - z o n ed i a g r a ma n dc o m b i n e sw i t ha f u z z yc o n t r o lt od e s i g naf u z z yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi su s e dt oc o n t r o ls u b s t a t i o n v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fn i n e z o n ed i a g r a mo f s u b s t a t i o n v o l t a g e a n dr e a c t i v e p o w e rc o o r d i n a t e d c o n t r 0 1 t h e s y s t e mg i v e s i n p u t o u t p u tv a r i a b l e sa n dt h ef u z z ys u b s e tm e m b e r s h i pf u n c t i o n ，t a k i n gt h er e a c t i v e p o w e rr e q u i r e m e n t si nd i f f e r e n tl o a d i n gt i m ep e r i o da n dt h ec o n t r o ld e m a n di nl o a d a c c i d e n ti n t oc o n s i d e r a t i o n , t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lr u l e si sd e s i g n e d as e to fh a r d w a r ec i r c u i tc o n t r o ld e v i c ea r ec o m p l e t e d ，a l lf u n c t i o na n de x p e c t e d p e r f o r m a n c ei n d e xa r ca c h i e v e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h ec o n t r o li n s t r u m e n t c a nm e e tt h ed e m a n d so fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ri nd i f f e r e n tl o a dt i m ep e r i o d ， r e d u c et h er e g u l a t i v et i m e so ft h eo n l o a dt r a n s f o r m e ra n dp a r a l l e l c o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r s ，a c h i e v ec y c l es w i t c h i n go f b a n ko fc a p a c i t o r s ，a v o i ds w i t c h i n go s c i l l a t i o n , p r e v e n tf r o mm i s h a n d l i n go f o n l o a dt r a n s f o r m e r k e yw o r d s ：v o l t a g e ；r e a c t i v ep o w e r ；p o w e rf a c t o r ；c o n t r o ls t r a t e g y ；f u z z yc o n t r o l 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即；沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：獬 日 期：g o o t z 善 指导教师签名： 赢 日 期：刎、f j i 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 本课题来源于工程实际，主要研究对象是变电站的电压及无功功率问题。众 所周知，现代电力系统中的无功功率是一个非常重要的问题。首先，无功功率是 保证电力系统能够安全稳定运行的前提。如果无功控制不合理，使得电压偏移过 大，就有可能引起系统“电压崩溃”造成大面积停电，国内外均有过这方面的深 刻教训。 再者，提高电能质量问题是现代电力系统中的重要研究课题之一。在我国颁 布的有关电能质量五个方面的标准中m m w m ，电压质量成为电能质量的一个重要指 标，合理的无功水平可以使系统电压保持在合格范围内，从而保证了系统的正常 运行和用户的正常工作。长期的研究结果表明电力系统的无功功率对电压的影响 极大，其影响主要反映在以下几个方面m ，： ( 1 ) 由于无功功率的不平衡，引起电压的偏移。根据负荷的电压静态特性，当 一个地区无功过剩时，电压将升高；无功不足时，电压将降低。龟压升高和降低 的数值由代表该地区的综合负荷的电压静态特性来决定。 ( z ) 无功潮流( 负荷) 在电网中的流动，产生电压降落，造成电压的偏移。 ( 3 ) 由于无功负荷在线路中引起的电压降同无功负荷成正比，所以随着无功负 荷的变化，将引起电压降的变动，无功负荷变化越大，电压降及负荷点的电压变 动越大。负荷端单位无功变化的电压变动与单位有功变化引起的电压变动之比等 于负荷端短路容量a 和p 之比，由此可见无功电流的变化引起的电压波动要比有 功电流引起的电压波动大许多倍。 由此可见，维持电网正常运行下的无功功率平衡是改善和提高电压质量的基 本条件。另一方面，在电能的传输和分配过程中，由于电力系统无功不平衡造成 潮流在输电线路和变压器上产生相当大的损耗，每年都造成了数量可观的电能损 失m ，。因此，调整系统电压在合格范围内，控制无功潮流的合理平衡，对于保证系 统安全、经济运行，有效减少电力系统网损，节约能源，向用户提供可靠、优质、 沈阳理工大学硕士学位论文 经济的电能均有着重要的意义。 另外，有效而合理的控制电力系统的无功与电压，实现无功的分层、分区就 地平衡，可以最大限度地减少无功功率在电网中的流动，大大降低电网的无功损 耗，提高电网运行的经济效益。目前新的电网调度自动化系统大多包含无功优化 软件，但真正去实现控制，还存在许多困难。这一方面是由于厂、站端的信息不 可能大量、可靠地送到调度端，另一方面，即使有完整可靠的信息，在调度端实 施无功和电压控制也还存在技术上和管理上的难题。比如在变电站，一般都装设 并联补偿电容器，部分主变还可以进行有载调压，但无功的控制还是靠运行值班 人员手动控制来完成，不能及时跟随系统无功负荷的变化，更做不到根据调度命 令进行实时电压无功控制。而且，由于存在对设备安全的担心，一般变电站的并 联补偿电容器很少投切，电容补偿因此也达不到应有的技术经济效益m 。 变电站是电力系统的重要组成部分，而且负荷的供电都是通过变电站完成的， 因此，各级变电站担当着电力系统无功调节的重要任务。过去变电站的无功调节 工作一般都靠人工操作完成，随着形势的发展，这种人工调节的缺点和弊病日益 突出，变电站采用电压、无功自动控制装置实现电压无功自动调节已是大势所趋。 本交电站综合控制仪能保证供电母线电压水平和降低线损，是电网安全、经济运 行和变电站无人值守的必要技术手段。 目前变电站无功控制及其装置研制已成为高等学校、科研院所和高新技术企 业的热门研究与开发课题，并有不少无功自动控制装置投入了实际运行，在提高 供电电压质量和负荷功率因数方面发挥了重要作用。研究与开发的重点集中在控 制策略研究、电容器投切方式、软件功能设计与人机界面等几个方面。 1 2 电压无功综合控制国内外研究现状 在电力系统中电压与无功功率关系密切，要维持系统的电压水平，就必须有 足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求。因此电压、无功综合控制问 题一直倍受广大电力工作者关注。 从电力系统的发展史来看，在初期的交流电网中，因系统小，发电厂靠近负 荷中心，负载消耗的无功功率全部由发电机提供，用户端电压波动小。因此，不 需要进行专门的无功补偿和电压调整，也可通过改变发电机励磁电流大小来实现 2 第1 章绪论 电压、无功的调整。 但是随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗了大量的无 功，无功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手 段已经不能满足要求。从本世纪初，人们就无功补偿问题进行了大量的研究，为 了改善负荷功率因数，逐步采用了同步电机、小型同步调相机和并联电容器等无 功补偿手段。迄今为止，电网中无功补偿技术可以采用并联电容器、串联电容器、 静止无功补偿设备、同步调相机等设备。其中，并联电容器是国内外应用最为广 泛的无功补偿设备，其具有一系列的优点：( 1 ) 适合分散安装，能较好地满足就地 补偿的要求：( 2 ) 分组调节电容器有良好的无功调节功能，尽管只能进行非连续的 有级调节，但由于调节级差可以满足“小于不动作的范围”的要求而满足电压、 无功调节的需要：( 3 ) 投资省、能耗低，运行维护方便。 尤其随着超高压远距离输电系统的发展，一方面系统消耗的无功功率日益增 多，另一方面无功补偿容量相对不足，导致一些地区的超高压电网低谷时电压过 高，而一些配电网在高峰时电压水平过低的状况。不仅严重威胁着电网的安全运 行，而且也影响了用户的正常生产和生活。因此促进了国内外电力系统在电压无 功控制方式和控制手段的发展一，。 在日本，大约有半数电力公司采用个别控制和地区自动控制方式。所谓个别 控制是指发电机单独运行，变电站无功补偿设备和有载调压变压器自动控制的方 式；而地区自动控制是指以发电厂和变电站为核心，对发电厂、调压调相设备进 行综合控制及对变电站内的无功补偿设备和调压设备进行组合协调控制的方式。 另一半公司实行在线集中综合控制”，。 在法国，其电力网实现了无功功率及电压的区域性集中控制，共分为三个控 制层( 一次、二次及三次) ；一次控制，对快速无规则的电压变化主要由电力系统 机组的“一次作用”进行补偿，其次靠4 0 0 2 2 5 k v 变压器的自动调压分接头；二 次电压控制主要是通过自动控制该区域被选为“控制机组”的部分机组( 包括部 分大容量高压电容器组) 所发出或者吸收的无功功率，以控制某一“控制区”内 的电压；三次控制为手动，由中心调度所与地区调度所间做电压水平和无功潮流 的优化协调。从而取得全系统各节点电压的全面协调。到1 9 8 6 年，几乎全法国系 统都实现了二次控制，相应设有2 7 个控制区一，。 沈阳理工大学硕士学位论文 意大利国家电力系统( e n e l ) 也己实现电压、无功自动控制，至1 9 9 3 年， e n e l 在整个超高压电网中普遍实现了二次和三次电压调整。 从国外情况来看，各电力系统在实施电压无功控制上，具体的做法并不相同。 既有个别调节方式，也有综合调节方式；既有区域集中控制模式，又有分层协调 控制模式。为了协调电网中各种无功和调压手段，电力系统电压无功控制总的发 展趋势是：从运行安全性与经济性着眼，向分层集中综合优化控制模式方式方向 发展。所谓分层就是将整个电力系统按电压等级分解，由上、下级调度负责“界 面”电压、无功协调控制；所谓集中就是将电力系统按区域划分，每个调度去根 据本辖区无功电源和调节能力进行优化协调控制：所谓综合控制是指针对各种无 功补偿设备、调压设备，根据各自的功效及控制特性进行合理使用、协调控制。 在我国，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业分散补偿相结合的方法。 随着近几年城网和农网配电自动化的发展，作为分散补偿的电网公用变压器低压 侧智能无功补偿为无功的就地平衡起到了明显的效果，同时也减轻了负荷终端变 电站无功调节。无论是集中补偿还是分散补偿，补偿的设备主要以并联电容器为 主，在城网的2 2 0 k v 负荷变电站中也采用并联电容器和并联电抗器共同调节的手 段，此外还有近代无功补偿装置。 虽然近几年我国的无功补偿容量较以往有很大的增长，电压无功从整体上也 向着分层分区集中控制方向发展，但是从实际的电压无功控制来讲我国的电压无 功控制相对发达国家还有不少差距。主要表现在以下几个方面： 各地区电网的调度自动化水平发展参差不齐。 同一地区电网的不同变电站自动化程度差别很大。 各变电站所用的电压、无功控制设备与变电站自动化系统通信功能不完 善、不规范。 以上这些因素制约了电压无功控制水平的发展，所以目前我国大部分地区的 电压无功控制还停留在分散控制方式上。 分散控制是指在各个变电站或发电厂中，自动调节有载调压变压器的分接头 位置或其他电压调节器，控制无功功率补偿设备( 电容器、电抗器、调相机、静 止无功补偿器等) 的工作状态，使得当负荷变化时，该地区的电压和无功功率保 持在规定的范围内。分散控制不易实现全系统的最优控制，但它可以实现局部的 第1 章绪论 优化，对提高受控站范围内的电压质量和降低局部网络变压器的电能损耗，减轻 值班员的操作是很有价值的。分散控制见效快，符合国情”“。 1 3 电压无功综合控制装置的实现方式及存在问题 ( 1 ) 按功率因数控制1 在电压无功控制早期，为满足用户对功率因数的要求，常采用传统的功率因 数补偿法。它以电网中反映电压与无功相位差的功率因数c o s 作为控制信号来控 制并联补偿电容器的投切状态。然而功率因数c o s p 并不能准确反映电网中负荷的 无功分量：如电网重载时，尽管负荷无功分量q 很大，但由于g 在负荷中所占比 例较小，所测的功率因数角很小，甚至低于系统补偿的整定值，使控制装置对 电网不做补偿( 投电容器) ，无法做到跟踪调节，表现出控制系统的迟钝性。如图 1 1 所示；当电网轻载时，功率因数角似乎很大，控制装置根据功率因数补偿待定 角对电网进行补偿( 投电容器) ，此时，由于电网无功分量q l 并不大( g ( 2 0 ) ， 而造成过补偿，补偿装置又切除电容器，电网又恢复到初态，迫使控制系统再次 对电网投入补偿，造成控制系统的投切振荡，见图1 2 。不仅影响控制器的可靠性 和使用寿命，也将影响电网和用户设备的安全运行。 p p q 图1 1 传统无功补偿方法相量图 ( 2 ) 按电压控制m ， 在对电压要求严格的枢纽变电站，有时仅以电压高低作为变电站无功自动调 节的判据，而未考虑保持无功基本平衡这个原则，虽然根据此种判据构成的并联 沈阳理工大学硕士学位论文 电容自动投切装置在部分变电站进行了运行，但在原理和补偿效果上都较差。 ( 3 ) 按母线电压和功率因数复合控制m ， 按母线电压、功率因数复合控制构成的判据有两种判别方式：一是以母线电 压为主，功率因数为辅，即只要电压合格，则不考虑功率因数，当母线电压不合 格时，根据母线电压和功率因数的性质决定电容器组的自动投切；另一种是母线 电压和功率因数作为两个并行判据，即使电压在合格范围内，如果功率因数满足 投切条件，则对电容器组发出投切指令。第一种判别方式尽管考虑了无功补偿效 果，但在某些运行状态下，缺无功补不上去( 如u 合格，c o s r p 较低) ，超无功切不 下来( u 越下限，c o s 越上限) ，致使无功补偿效果较差；第二种判据，因功率因 数并不能真正反应无功，甚至偶尔两个并行的判据互相矛盾，使补偿电容器组出 现频繁投切的现象。 ( 4 ) 按母线电压和昼夜时间复合控制m - 根据变电站的日负荷运行曲线，将日负荷曲线分成多个负荷时段，然后根据 各个负荷时段对母线电压和无功功率的要求，编制合适的运行程序，实现对并联 补偿电容器的自动投切。这种投切方式实时性较差，仅适合负荷较规律的变电站， 且必须随季节和负荷量的改变，对各时段的母线电压和无功功率补偿值进行调整。 ( 5 ) 按母线电压和无功功率复合控制m ， 其原理是通过检测变压器一次侧无功功率和母线电压，经过综合判断后决定 变压器分接头升降及电容器组投切。从控制原理自身而言，它真实反应了电压、 无功的实际情况，具有原理科学，控制效果好的优点。实践表明，按该原理设计 的控制装置能达到电压、无功综合优化控制的目的。 1 4 本人所做工作及论文结构 1 4 1 本人所做工作 变电站电压、无功综合控制是地区电网安全、优质、经济运行的重要保障手段， 本文以8 位单片机为核心，开发了变电站综合控制仪。本人主要工作如下： 1 、基于8 位w i n b o n d 单片机w 7 8 e 5 1 6 b ，设计了变电站综合控制仪的整个 第1 章绪论 硬件电路，包括电源模块、c p u 模块、模拟量采集模块、a d 转换模块、继电器驱 动模块、键盘显示模块和通讯模块； 2 、在重点分析近年来使用较多的传统“九区图”控制策略缺陷的基础上，以 “九区图”理论为基础，采用模糊控制理论，设计变电站电压和无功模糊控制系 统； 3 、在硬件电路和控制策略的基础上编制相应的软件： 4 、在硬件、软件完成的基础上进行系统的调试； 1 4 2 本文结构安排 本文是按照工程的进展顺序来安排章节的内容，一共分为五章，各章的内容 安排如下： 第l 章，主要介绍了变电站综合控制的发展现状和发展趋势。并对课题的研 究意义和工作内容进行了介绍； 第2 章，具体介绍了变电站综合控制仪的硬件设计及开发过程； 第3 章，采用模糊控制理论，设计变电站电压和无功模糊控制系统； 第4 章，具体介绍了应用软件的开发过程； 第5 章，介绍调试环境，调试方法，给出调试结果。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章变电站综合控制仪的硬件电路设计 硬件电路是整个控制仪的基础，只有硬件设计合理，才能更好的完成后续的 工作，故本章首先介绍变电站综合控制仪的硬件电路设计。 2 1 硬件电路的总体结构 变电站综合控制仪以单片机为核心，主要包括电源模块、单片机最小系统模块、 电压电流采集模块、功率因数转换模块、a d 转换模块、继电器驱动模块、l c d 显示接口模块、键盘输入模块、开关量采集模块和串行通信接口模块，其结构图 如图2 1 所示。单片机通过电压、电流取样电路得到系统的电压、电流值，经过 a d 转换电路便测得负载电流、电网电压以及电流、电压的相位差，通过计算得 到功率因数和需要补偿的无功功率。然后根据电网电压、无功功率和功率因数三 项判据，配合每组电容器的容量，输出控制信号至隔离、继电器驱动电路，经电 气隔离和功率放大，控制电容器组的投运或退运。通过液晶界面直观看到电容器 组的投切情况，系统的电压、电流、有功、无功、功率因数等信息。 一变商爪侧b 相电流c 刮电流取样 一变高压侧a c 相电盯乒= 爿电压取样 电流、 电压 帽f 移差 - 变商压侧b 相电流= = 爿电流取样 _ 变高压惯k j a c 相电瓜c = 爿电压取样 电流、 电压 相位差 一变低压1 j f l a c 相电月i c = 爿电压取样 _ 变低压侧a c 相电_ r i q电压取样 图2 1 硬件系统结构图 2 2 变电站综合控制仪硬件单元电路设计 a d 转 换 堂 片 机 系 统 整个控制仪的硬件结构图如图2 1 所示，为了详细介绍变电站综合控制仪的硬 一一一一魁一一一一一一一晰一肌一一 第2 章变电站综合控制仪硬件单元电路设计 件设计过程，下面给出了综合控制仪单元电路的设计原理图并对其工作原理作了 简单的介绍。 2 2 1 电源模块电路设计 传统的线性集成稳压电源只对其中的稳压部分实现了集成化，用户还必须自 行设计外围电路及印刷板，这不仅增大了电源体积，还增加了设计与安装调试任 务。a c d c 电源变换模块的问世，圆满地解决了这一问题。这神电子模块采用先 进的制造工艺，将集成稳压器和超小电子元器件密集安装后封装成一体，构成一 体化稳压电源，能在额定功耗下安全、可靠地工作“”。本电路就采用a c d c 模块 将2 2 0 v 交流电转换成低压直流电，供本控制仪使用。其中，v c c 为+ 5 v ，供给系 统中大部分芯片工作所需的电压：v 5 为+ 5 v ，作为与v c c 不共地的隔离电压； 1 2 v 为运放电路提供双电源：+ 2 4 v 为继电器提供驱动电压。 a c d c 模块w h 0 8 x x 系列为高隔离、高精度带稳压微型开关电源模块，精度 达9 9 ，输入a c l 7 0 v - - 2 4 0 v ，输出固定d c 5 v 、1 2 v 、2 4 v ，即w h 0 8 0 5 ( 5 v ) 、 w h 0 8 1 2 ( 1 2 v ) 、w h 0 8 2 4 ( 2 4 v ) 。 为了增强抗干扰性，a c d c 的交流侧，设计了三组扼流圈( l 1 、l 2 、l 3 ) 构 成的滤波电路。扼流圈是将两根导线绕在同一个铁氧体可以有效地抑制共模干扰 电流的纵向变压器，也称为共模双绕组扼流圈，由于共模电流之间的磁通相互抵 消，从而抑制了共模干扰m ，。在每组扼流圈上跨接一个旁路电容( c 1 、c 2 、c 1 0 ) ， 是为了更好的减小差模干扰的影响。压敏电阻r u l 用于衰减大能量、持续时间长 的干扰( 如闪电) 。压敏电阻是对外加的电压十分敏感的非线性电阻型元件，其电 阻随电压的增加而减少，因此在过压期间形成一个低阻的分流器，从而可以防止 被保护电路两端的电压进一步上升。当浪涌电压过后，电路电压恢复到正常工作， 压敏电阻又恢复到高阻状态。直流侧各组电源均设计了o 1 u f 的去藕电容，以增强 抗干扰性。电源模块电路图如图2 2 所示，实物图见附录a 图a l 。 2 2 2 单片机系统单元设计 单片机系统包括控制器w 7 8 e 5 1 6 b 、片外的r a m 6 2 6 4 、r o mw 2 7 c 5 1 2 、 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 2 电源模块电路图 e 2 p r o m a t 2 4 c 0 2 、锁存器7 4 h c 3 7 3 等( 如图2 3 ) 。 常用的单片机有8 位机、1 6 位机和3 2 位机。由于我们的系统c p u 负担并不 重，所以8 位机就够了。常用的8 位机有很多种：如i n t e l 的8 0 5 1 ，8 0 3 1 系列， a t m e l 公司的8 9 系列及w i n b o n d 公司的w 7 8 e 系列。虽然它们在硬件结构上 相似，但在价格、功耗、抗干扰能力等方面后者都占较大优势，故本系统采用 w i n b o n d 公司的w 7 8 e 5 t 6 b 。此控制器最高工作频率为4 0 m h z ，片内有6 4 k b 可 擦写的f l a s h 内部程序存储器，5 1 2 br a m ，3 2 根可编程i o 线，一个6 向量2 级 中断结构，一个全双工串行通信口。 w 2 7 c 5 1 2 用于存储液晶的字模。a t 2 4 c 0 2 为2 k b 串行e 2 p r o m ，用于存储事 件记录等信息。硬件实物图见附录a 图a 2 。 图2 3 单片机系统单元电路图 第2 章变电站综合控制仪硬件单元电路设计 2 2 3 模拟量采集电路设计 模拟量主要是电流和电压的采集，电压信号的采集是通过电压互感器，电流 信号的采集是通过电流互感器，其中电压、电流互感器均为电流型的，原理图如 图2 4 所示，实物图见附录a 图a 3 。 电压互感器的变比是1 ：l ( 2 m a 2 m a ) ，电流互感器的变比是2 0 0 0 ：1 ( 5 a 2 5 m a ) 。 本系统采用的电流互感器为g c t - 2 0 7 b ( 5 a 2 5 m a ) 非线性度 0 1 。电流 互感器的输入来自变电站电流互感器的二次侧，输出直接接入电流采集电路( 如 图2 5 ) 和功率因数转换电路( 如图2 7 ) 。 本系统采用的电压互感器为g p t - 2 0 6 b ( 2 m a 2 m a ) 非线性度 o 1 。电压 互感器的输入来自变电站电压互感器的二次侧( 额定电压1 0 0 v ) ，为了得到合适 的信号，在输入端加上两个2 2 k 的电阻，输出直接接入电压采集电路( 如图2 5 ) 和功率因数转换电路( 如图2 7 ) 。 图2 4 模拟量采集电路图 2 2 4 电压、电流采集电路设计 电压、电流取样电路如图2 , 5 所示，该电路由电流电压转换模块、交直流变换 模块、高通滤波模块和信号放大电路模块组成。硬件实物图见附录a 图a 4 。 沈阳理工大学硕士学位论文 由于本电路的电压、电流互感器采用的是电流输出型互感器，故在电路的输入 级用l m 3 2 4 将电流信号变换成电压信号。再通过交直流变换电路将交流电压变换 成直流电压。滤波电路是为了消除或减小输入信号中的高次谐波。最后通过后级 的信号放大电路将幅度比较小的信号放大成o 5 v 的信号以提高信号测量精度。 图2 5 电压、电流采集电路图 2 2 5 功率因数转换电路设计 2 2 5 1 功率因数( c o s p ) 的检测原理 当三相负荷平衡时，( 以a 相为例) 痧。与j 。夹角为功率因数角，如图2 6 所示。当c o s p 接近于l 时，缈角很小，因此，其测定的分辨率较低。为此，将测 定伊角，改为测量，一与线电压u ”的夹角口。由于口的角度大，其不但分辨率高， 且永为正值m 。 图2 6c o s ( p 检测原理图 欲检测口，其关键在于检测j 。和c r 。上升或下降时的两个过零的时间间隔f ， 第2 章变电站综合控制仪硬件单元电路设计 再将该时i 司转挟成角厦僵。 设三相的电压分别为0 、0 。、阢，电流分别为l 、厶、丘，假设电网三相 平衡，则它们的表达式如下： 0 月= 0 m s i n c a t ( 2 1 ) o b = 0 , , , s n ( c o t 一1 2 0 。1 ( 2 2 ) 0 。= o m s 珂白+ 1 2 0 。) ( 2 3 ) j = r z m s i n ( c o t 一伊) ( 2 4 ) 厶= l h g 硝一矿一1 2 0 。) ( 2 5 ) 厶= m s i n ( a j t 一妒+ 1 2 0 。) ( 2 6 ) 式中吼表示每相电压幅值，厶表示每相电流幅值，国表示角频率，妒表示相电流 滞后相电压的相角( 功率因数角) 。由此可以得到： 0 。= 0 。一o c = 4 3 0 。所”g 一9 0 。) ( 2 7 ) d 。= 吼一d 。= 脚。 g 一2 7 0 。) ( 2 8 ) o c a = o c u 。= 凤跏b 一2 1 0 。) ( 2 9 ) 0 。，= 以一吼= 脚。跏缸一3 0 。) ( 2 一i 0 ) 0 。= 吼一u 。8 = 风跏k + 3 0 。) ( 2 1 1 ) 乩= 吼u 。= 厨。跏b 一1 5 0 。) ( 2 1 2 ) 一l = j 。研疗g 蟮一矿一1 8 0 。) ( 2 1 3 ) 一j 。= 。s i n ( c o t 一p + 6 0 。) ( 2 1 4 ) 一t = 。s i n ( w t q ，+ 6 0 。) ( 2 一1 5 ) 其中一j 。表示负a 相电流，一j 。表示负b 相电流，一厶表示负c 相电流。可见， 采用其中一相的相电流和另外两相的线电压之间的相位差来测量功率因数的接线 壳式南1 2 神。分鞑为：i a 0 。；i 。b c 8 ；i b o c a ；i8 0 * ；i 。o a 8 ；i c o 。；- i a 0 。； 1 1 沈阳理工大学硕士学位论文 一i4 0 c 8 ；一ib i ) c a ；一| 8 d ；一i c i ) ；一i c o 。 因为本控制仪拟采用a c 相线电压和b 相相电流来检测功率因数，故下面以 j 。疗。接线方式来讨论矿的计算1 。 设口为吼。滞后j 。的相角，由于厶滞后口。的相角为伊，而矿。滞后d 。的相 角为2 7 0 。，所以有口= 2 7 0 。一妒。针对三种负载情况，口表达式如下： f 口= 2 7 0 。当负载为纯阻性，即妒= 0 6 时 i 2 7 0 2 7 0 。一伊3 6 0 。当负载为容性，即一9 0 。妒 0 。时 ( 2 1 6 ) i l1 8 0 。s 2 7 0 。一妒 2 7 0 。当负载为感性，即0 。 妒s 9 0 。时 在电路设计中，若把b 相电流，。和d 胛线电压的采样信号放大后，再进行上 升沿过零触发，即可得到反映相位的方波信号。针对纯阻性负载、容性负载和感 性负载，经过上升沿过零触发后可得到相电流和线电压的方波信号，从而得到如 图2 7 所示的一组波形，从上到下分别为相电流与线电压的正弦波( 其中：正弦波 1 为容性负载的电流曲线，2 为阻性负载的电流曲线，3 为感性负载的电流曲线，4 为线电压曲线) 、纯阻性负载电流与电压上升沿时间差、容性负载电流与电压上升 沿时间差( 图中取p = - 4 5 。) 、感性负载电流与电压上升沿时间差( 图中取9 = 4 5 。) 。 f 为相电流与线电压的上升沿的时问差，f 的宽度随妒的变化而变化。 此时f 和丁满足下面的表达式： ff = 3 t 4当负载为纯阻性时 3 t 4 f s t当负载为容性时 ( 2 一1 7 ) it 2 f 3 t 4当负载为感性时 显然，口= ( t i t ) 3 6 0 。根据口与p 的关系，可以得到： f 伊= 0 。当负载为纯阻性时 1 一9 0 。2 7 0 。一( r r ) 3 6 0 。 0 。 当负载为容性时 ( 2 1 8 ) l l0 。 2 7 0 4 一( r t ) x 3 6 0 。 9 0 当负载为感性时 第2 章变电站综合控制仪硬件单元电路设计 相电流与 线电压的 正弦波 纯阻性 负载的f 容性负 载的f 感性负 载的f - ，ff j ：、腐沁弋、 1 嵫乏：，7 i 心数 i i 1 1 f l ii 图2 7b 相电流与a c 相线电压波形图 因此，针对b 相电流厶和线电压d 。的接线方式，超前滞后的判断如下： 3 t 4 f t ，超前； t 2 r 3 t 4 ，滞后； 因为交流电频率为5 0 h z ，故其周期r 为2 0 m s ，当1 0 f 2 0 m s ，其相位角的 绝对值蚓的计算表达式如下：恻= 陋，) 3 6 0 。- 2 7 0 。i ( 2 一1 9 ) 2 2 5 2 c o s q ，检测电路的组成 c o s , 检测电路图如图2 8 所示，硬件实物图见附录a 图a 4 。下面介绍该电路 的工作原理。( 以j 。驴。接线方式为例) 图2 8c o s 妒检测电路图 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在线路的b 相装设一个毫安级的专用电流互感器c t ，电流互感器的输出接 入运放l m 3 2 4 ( u 1 ) 的输入端，可检测到b 相电流，8 。，。经过过零比较器l m 3 3 9 ( u 2 ) 后得到只有正半周的b 相电流的方波信号。 ( 2 ) 线电压d 。经过电压互感器p t 耦合接至运放l m 3 2 4 的输入端，检测到a 、 c 相线电压( ：r 。c 。( 7 胛经过过零比较器l m 3 3 9 后得到只有正半周的a 、c 相线电 压的方波信号。因此，四个运放构成了波形转换环节。 ( 3 ) j 。和驴。的方波信号接入异或门c d 4 0 7 0 的输入端便得到驴。超前，。的方 波信号，即移。和j 。的过零时间间隔。 ( 4 ) 异或门的输出经过滤波电路和电压跟随器接入a d 转换电路，转换成数字 量送入单片机计算够值，进而计算功率因数的大小。 2 2 6 数模( a d ) 转换电路设计 本控制仪的模拟量要经过模数转换芯片( a d ) 转换为数字量再送给微处理器 处理。a d 转换芯片的主要性能指标主要有三个方面：分辨率、转换时问和转换 精度。芯片的选择要根据设计的要求和成本因素，针对本控制仪需要八路模拟量 输入，包括：1 号主变低压侧a c 相电压( 1 # v l ) 、1 号主变b 相电流( 1 # i ) 、l 号主变功率因数( 1 # c o s ) 、2 号主变低压侧a c 相电压( 2 # v l ) 、2 号主变b 相 电流( 2 # i ) 、2 号主变功率因数( 2 # c o s ) 、1 号主变高压侧a c 相电压( 2 # v h ) 和2 号主变高压侧a c 相电压( 2 # v h ) ，综合考虑我们选择了美国m a x m 公司 生产的一种串行a d 转换器m a x l 9 2 ，它具有输入通道多( 8 通道) 、精度高( 1 0 位分辨率) 、转换速度快( 1 0 # s 转换时间) 、低功耗( 正常工作1 5 m a ，掉电方式 2 i d ) 、噪声低、使用灵活和体积小等优点。 m a x l 9 2 为1 0 位开关电容逐次逼近a d 转换器，内部设有采样保持电路，转 换时钟可由内部电路产生或由外部时钟s c l k 提供。基准电压v r e f 也可由内部提 供或由外部提供。输入通道、输入方式、时钟选择等可编程，通过一个标准的串 行接口s p i 与主处理器或其外围的串行口进行高速通讯。m a x l 9 2 采用单5 v 供电， 苎! 皇奎皇塑堡鱼丝鱼! 堡堡堡苎垂皇堕塑笪 在两次转换的间隙，可采用硬件或软件两种掉电方式，在掉电状态下耗电极低( 最 小2 ，叫) m ，。其具体的连接电路如图2 9 所示，硬件实物图见附录a 图a 5 。c h 0 c h 7 分别接八路模拟量，采用内部基准电压和外部时钟方式。 图2 9 模数转换电路图 2 2 7 数字量输出电路设计 数字量输出电路用于驱动外部负载，本控制仪可控制2 台有载调压变压器分 接开关的升、降、停和八组电容器开关的投切操作。由于主变分接头位置和断路 器辅助接点，均来自变电站强电干扰环境，为了使装置能安全、可靠工作，在硬 件上采用了继电器和光电耦合器两级隔离措施，以提高整个控制系统的抗电磁干 扰能力，如图2 1 0 所示，硬件实物图见附录a 图a 6 。 数字量由单片机通过i o 口输出，单片机的控制信号为高电平时，发光二极管 导通，光电耦合器t l p 5 2 1 工作，经过u l n 2 0 0 3 驱动，继电器动作，操纵所连接 的设备工作。反之，当单片机的控制信号为低电平时，继电器不动作。 址。牛= 。： lo u 25 34 1 3u 5 - l3h r s 4 h s - d c 2 4 v 43 52 u 6 l 二正u 5 - 1 0 70 9 v 1 2 m 0 0 7 89 图2 1 0 数字量输出电路图 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 8 数字量输入电路设计 数字量输入电路用于监视主变分接头位置、各断路器状态、各电容器状态等。 和数字量输出电路一样，为了将强电与弱电信号分开，提高控制仪的抗干扰能力， 在硬件上采用光电耦合器将强电信号与弱电信号隔离，电路图如图2 1 1 ，硬件实 物图见附录a 图a 6 。 当外部数字量为低电平时，经过u l n 2 0 0 3 驱动，发光二极管导通，光电耦合 器t l p 5 2 1 工作，单片机接收到低电平的信号。反之，当外部数字量为高电平时， 单片机接收到高电平。 v sv r r 来自开关，电 2 2 9 人机接口电路设计 图2 ，1 1 数字量输入电路图 为了更好的了解系统的运行情况，本控制仪配有人机接口电路。人机接口包 括系统接受用户输入的硬件设备一一键盘和向用户反馈信息的显示屏。良好的人 机接口要有交互性和灵活性。人机接口设计应遵循的原则有：尽量减少用户的工 作，保持输入、输出布局和外观的一致性，系统要给用户提供反馈，尽量减少对 用户的记忆要求，使用图形和比喻。根据以上原则和要求，我