（电力系统及其自动化专业论文）晶闸管辅助机械开关式变压器有载调压技术研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文晶闸管辅助机械开关式变压器有载调 压技术研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题意义与背景 第一章引言 随着科学技术的迅猛发展以及电气化程度的日益提高，各种新设备新器件不断 涌现，人们越来越多地使用高科技设备，如在现代化工商业中，变频调速设备、机 器人、自动化生产线、精密数控机床、可编程控制器、计算机信息管理系统等得到 广泛应用。这些计算机设备、微电子设备以及电力电子设备等敏感负荷的不断增加， 使得电力用户对配电系统供电质量的要求日益提高。同时，大量非线性负荷的增加， 又将影响系统的电气运行环境，成为制约电能质量提高的因素。 从全世界范围来看，自八十年代开始电力工业放松管制，引入竞争机制，开放 电力市场成为必然趋势。在电力市场条件下，用户和供电企业都在追求自己利益的 最大化。用户会提出满足各自需求的不同质量的电能，出现用电的个性化。这样电 力部门不仅要满足用户对电量不断增长的需求，还必须满足用户对电能质量的多样 性要求。从供电方来看，为提高电力系统运行的稳定性，电网规模不断扩大，加强 了电网间的联系，但是任何局部故障或事件都可能造成大面积影响，甚至造成重大 损失。因此，只有对电能质量综合治理，才能提高抵抗局部干扰和故障的能力，维 护电网运行安全。 目前，实现系统和局部的静态电压稳定有多种方法，改变变压器抽头进行调压 是其中之二。供电系统正常运行时，负荷时刻发生变化，系统的运行方式也经常改 变，这使系统中各节点的电压经常处于波动状态，有时会超出系统电压安全运行范 围，影响设备运行和系统稳定。通过对变压器抽头位置的调节，使供电电压维持在 允许的电压偏差内。在正常运行状态下，对末端配电变压器和用户变压器进行抽头 调节，能够有效的维持供点电压稳定，进而保证供电质量。 进行电力变压器分接头调节时，由于机械式开关动作时间长，有电弧产生，并 不能满足连续、快速性的要求。变压器有载调压和电力电子技术相结合，即晶闸管 辅助机械开关压器有载调压技术，可以实现变压器的无弧、自动调节。其核心就是 利用晶闸管可以按照控制系统的要求，在任何指定的相位开通的特性，应用换流技 术和控制技术，实现电压大幅度柔性控制。大功率晶闸管能承受较高电压和大电流， 而且开关速度快，所以利用它即可实现开关的实时控制、无触点化，此种方法可消 除以往机械触头式有载调压变压器抽头调节时所产生的电弧，同时实现连续、快速 性控制叫。 二十一世纪的电力系统将会逐渐形成全国性的或跨国性的互联系统，并以绿 l 华北电力大学硕士学位论文 色、高效、灵活、可靠作为未来的建设目标，同时兼顾经济性。采用晶闸管辅助机 械触点的变压器自动有载调压技术可从根本上消除机械式调压开关的缺陷，有利于 实现输配电系统的柔性控制。为解决系统和局部电压稳定提出了一种切实有效的方 法，并有利于保证提高电力系统的电能质量。 1 2 有载调压在电压质量问题中的应用 1 2 1 电压质量问题的危害 电网的电压波动、电压跌落、电压突升、电压谐波、三相电压不平衡以及电流 谐波等是常见的电能质量问题。其中电压问题对公用电网和用户的影响包括以下几 个方面3 ： ( 1 ) 电压的波动会使电动机转速不均匀，并危及电动机安全运行，影响产品质量， 引起照明的“闪变”，使人眼疲劳而降低工作效率，并且还会对数字系统形成干扰， 造成误动； ( 2 ) 三相电压不平衡将会引起电机附加振动力矩和发热、变压器漏磁增加和局部过 热，电网线损增大以及多种保护和自动装置误动作等，三相严重不平衡时，会导致 某些对电压过零点有严格要求的直流电机发生故障。 ( 3 ) 电压跌落和瞬时供电中断会影响设备和生产的正常、安全运行。短时电压跌落 可引起计算机系统紊乱、调速设备跳闸以及机电设备误操作，而更严重的是，对工 商业用户所造成的直接或间接经济损失是很大的。 1 2 2 电压质量标准 随着科学技术的发展，以及以电力电子设备为代表的非线性负荷的大量使用， 使电能质量出现了更复杂的情况，对电能质量标准提出了更高要求。主要内容包括 以下几项内容： 电压，包括电力系统标称电压、电气设备额定电压和电气设备最高运行电压 及电压运行偏差； 波形，包括电力系统交流电的波形和波形允许偏差： 对于三相系统来说，规定三相电压不对称情况和电压不平衡度； 目前，国际化上所制定的电能质量标准都在向国际电工委员会( i e c ) 推荐标 准靠拢。因此我国在参考了国际电工委员会e m c 6 1 0 0 0 系列标准和电气与电子工程 师协会( i e e e ) s t d 的标准后，已经补充颁布了符合我国国情的电能质量系列国家标 2 华北电力大学硕士学位论文 准。与供电电压相关的标准主要有。“删： ( 1 ) 电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) ( 2 ) 电能质量电压波动和闪变( o b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ( 3 ) 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 9 5 ) “) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 在该标准中主要根据g b3 1 1 1 ，按过电压的波形特点分为两大类，因为是过电 压波形、幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响，“暂时过电压”是 指其频率为工频或某谐波频率，且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压； “瞬态过电压”为振荡的或非振荡的，通常衰减很快，持续时间只有几毫秒且为缓 波前的( 例如一些操作过电压) 或几十个微秒且为快波前的( 例如一些雷电过电压) 的过电压。各类过电压典型波形如表1 1 所示”1 。 表1 - 1 各类过电压的典型波形 瞬态过电压 分类 暂时过电压 缓波前快波前陡波前 电压 八八、 l 也 3 ：8 ：7 嘶 0 5 f o 5 一n 波形 u j j 卜 0 纠 剑 avbv t 2 箍围 1 0 h z ，5 0 0 h z 2 0 1 a s t l 5 0 m 0l l , t s t i 2 0 1 u l 3 m n 1 0 0 a s o3 m h z ，l 1 0 m i 七 o o | s 打 3 6 lt 2 2 0 m j n 3 0 0 1 3 0 l d 虹 ，2 3 0 0 k h z n 3 m 注t 陡波前的标准试验波形及耐受试验在考虑中，本标准中哲不涉及 1 2 3 电压质量的分类 对于各种各样的电能质量问题，i e e e 将其广义划分为瞬变现象、短时间变动、 长时间变动、电压不平衡、电压波动等。简要说明如下嘲n 0 1 ： ( 1 ) 瞬变：它表示一种并不希望而事实上又瞬时出现的事件。主要包括冲击性瞬变 和振荡性瞬变。冲击性瞬变是指电压、电流稳态条件下，非工频、单极性( 即主要 为正极性或负极性) 变化的突然现象；振荡性瞬变是指电压、电流稳态条件下，非 工频且又正负极性变化的突然现象。 ( 2 ) 短时间变动：指由于系统故障、大容量负荷启动时的大电流或与电网松散连接 3 华北电力大学硕士学位论文 的间歇性负荷运行所导致的短时电压或电流变动。表现形式包括间断、电压凹陷和 电压凸起。 电压间断：电压或电流有效值减小到o 1 p u 下且不超过1 分钟的情况； 电压凹陷：工频条件下电压和电流有效值减小到o 1 0 9 p u 间，且持续时 间为o 5 个工频周波到1 分钟。 电压凸起：工频条件下，电压和电流有效值上升到1 1 1 8 p u 且持续时间 为o 5 周波到1 分钟。 ( 3 ) 长时间变动：是指工频条件下，参量均方根值偏差持续时间超过1 分钟的情况。 包括过电压、欠电压和持续间断。 过电压：工频交流电压有效值升高，超过额定值1 0 ，并且持续时间大于 1 分钟。 欠电压：工频交流电压有效值降低，小于额定值的9 0 ，并且持续时间大 于1 分钟。 持续间断：供电电压下降为0 ，持续时间超过1 分钟的电压变动情况。 ( 4 ) 电压不平衡度：是指三相电压( 或电流) 的平均值的最大偏差。并且用该偏差 与平均值的百分比表示。 ( 5 ) 电压波动：是一种随机电压变动，幅值不超过0 9 1 1 p u由于电压波动可使 照明负荷形成闪烁，因此亦称为电压闪变。 1 3 研究现状 变压器有载调压技术的基本原理是从变压器某一侧的线圈中引出若干分接头， 通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，由一分接头切换到另一分接头， 以变换有效匝数改变变比，达到调节电压的目的。 现有变压器有载调压的调压范围主要受分接头个数和每个抽头各自的调压范 围限制，属于有档、有限调压；并且其调压速度受调压分接开关动作速度的限制。 现有调压装置主要用于解决电压长时间变动中的过电压、欠电压等变化速度慢且幅 值变化不大( o 1 0 2 p u ) 的问题，对短时和瞬时电压变动及三相电压不平衡问题， 无法解决。 电力系统有载调压变压器目前主要以组合式星形中性点双过渡电阻的传统有 载分接开关进行调压。由滑杆通过过渡电阻左右滑动对变压器绕组进行分接头切 换。由于这种传统的有载调压开关在切换时会产生电弧，影响触头寿命。同时，其 4 华北电力大学硕士学位论文 机械部件易磨损、动作速度慢、维护不便、故障率高。 针对传统有载调压变压器机械式开关存在的问题，各国研制出多种新型有载调 压装置。按照其调压分接头的组成，新型有载调压变压器分为机械式改进型、辅助 线圈型、电力电子开关型三类。下面对各类进行介绍并分析各自的优缺点。 1 3 1 机械式改进型 机械式改进型有载调压变压器是在传统型的基础上加一电子开关电路变换而 成。其分接开关只需1 个过渡电阻和少量的晶闸管，通过电子开关电路和机械开关 的配合，限制其操作过程中产生电弧。图1 1 为传统式调压装置，图1 2 为机械改 进式调压装置。 a b 线圈 转换 e 开关 f 图1 - 1传统式调压装置原理图 图1 - 2 机械改进式调压装置原理 这种调压装置的优点是不需要时间控制回路；晶闸管触发靠机械开关的操作完 成；晶闸管的额定容量要求不高；晶闸管的失控不会损坏分接头和变压器。缺点是 速度慢。 1 3 2 辅助线圈型 辅助线圈型，a r r i l l a g e 在1 9 7 9 年提出这种方法。之后，加拿大的k f i s h n a m u r t h y 在此基础上进行了改进，增加了辅助电压，以保证叠加的电压和原电压同相位。与 此同时，s i e m e n s a l l i s 公司的h a r l o w 等提出了一种基于辅助线圈的有载调压变压 器，以实现无弧操作。原理如图i - 3 所示。 5 华北电力大学硕士学位论文 s c r 2 图卜3 辅助线圈型有载调压原理图 其原理为通过在原电压上叠加一个电势，并控制其相位进行调压。这种方法可 以实现无弧操作，其操作简单，全由晶闸管实现，但过程复杂，可靠性差。同时产 生谐波，谐波的含量与晶闸管的触发角有关，以副方三次谐波为例，电流可达2 5 ， 电压可达4 。由于各开关按无弧标准设计，当s c r 的触发脉冲发生故障时，开关 将被烧毁。 1 3 3 电力电子开关型 随着电力电子技术的发展，晶闸管的容量及性能有了提高，使采用微处理器直 接控制晶闸管电力电子开关的切换成为可能，无需利用机械开关辅助。通过选择适 当触发时间，尽量减少晶闸管消耗的功率。原理如图1 4 所示。 图卜4 电力电子调压装置原理 通过测量模块得到副方的电压和电流，计算出功角；选择在电压电流瞬时值同 号时，切换晶闸管，升高电压；或在电压电流瞬时值异号时，降低电压，以减少晶 闸管环流。微处理器的引入，使调压变压器可根据系统电压的实际情况作故障处理， 如微处理器检测到负荷电流突变，或者其他系统故障，选择限制晶闸管动作或将其 闭锁。缺点是：雷电冲击对晶闸管的影响很大，极有可能损坏晶闸管；晶闸管本身 的故障可能导致短路，以至更多的晶闸管故障州。 采用机械开关进行变压器分接头有载调压需要复杂的机械构件和电动部件，由 6 一二。：、 1 之j 华北电力大学硕士学位论文 于分接开关带载切换时产生电弧，长期运行将影响变压器绝缘特性，并引起触头烧 蚀和机械部件故障。机械式有载调压开关速度慢，不能对冲击性扰动负荷快速响应， 对由其引起的电压波动失去调节作用。 有载调压装置中引入电力电子元器件，应用电力电子技术可以解决机械开关调 压装置出现的问题。但电力电子器件的应用本身也存在着一些问题。应用电子器件 时要充分考虑电子器件的耐压、散热、保护、可靠触发以及成本问题，确保有载调 压装置可靠运行。同时电力电子装置在运行期间会产生大量的谐波，影响电能质量。 谐波问题可通过在电力系统相关节点安装滤波或补偿装置解决，也可通过选择最佳 触发时间最大程度的减少谐波。表l - 2 是对各类调压装置的综合分析9 。 表卜2 调压开关分析 晶闸管失控系统故障检 型式速度 电弧 谐波含量 经济性 时的可靠性测 机械式改 幔被限制少无影响无高 进型 辅助线圈 一般无多有影响无高 型 电力电子 快无少影响大有不高 开关型 1 4 论文主要工作 本课题以三相有载调压变压器( 调压范围士2 x 2 5 ，中性点调压) 为例，采用 8 0 c 1 9 6 m c 芯片，主电路由机械触头载流开关和晶闸管组成，正常运行时由机械触头载 流，当要进行调压操作时，由主控部分控制晶闸管和机械开关进行切换。论文的具体工 作主要有以下几个方面： 1 分析现有变压器有载调压的各种方法，比较各种方法的优缺点，并结合电网电压问 题的具体特点，设计晶闸管辅助机械开关式变压器有载调压总体方案。 2 根据总体方案的功能要求，设计变压器有载调压系统主电路，制定出合理的控制逻 辑、采样算法和调压原则。 3 根据总体方案的要求，设计变压器有载调压系统主控硬件电路，绘制其原理图和p c b 图。 4 根据主控电路的要求和变压器有载调压主电路的控制逻辑及相关原则，制定合理 的程序逻辑和算法，编制并调试相应的软件程序。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 系统性能要求 第二章系统方案设计 本项研究的目标是设计一个基于变压器副边电压参数、自动改变变压器原边调 压抽头的控制系统。设计实现的功能有：三相电压、电流有效值测量，系统同步功 能实现，电压参数归挡、判断，变压器调压抽头选择，以及晶闸管的控制、驱动和 系统的干扰抑制、系统过电压、过电流保护。作为一个直接控制变压器调压抽头的 装置，要能较长时间地对变压器一次侧电压、电流状况进行监测，并能提供进一步 分析用的监测数据。要具有较快的数据处理能力，能将监测数据实时处理，并及时 控制晶闸管和机械开关转换调压抽头。由这些要求可以看出，系统应具备如下性能： 系统应具有较快的运算和数字信号处理能力，能实时、较精确的完成参数采 样和有效值运算并在有调压需要的情况下，在一个工频周期内完成抽头转换 的全部操作。为减小运算过程中的截断误差的累积，选择合理的运算步长。 同时，为了实现快速控制的目的，在满足系统精度要求的前提下，选择简捷 的算法和非同步问题合理的解决方法； 系统应具有强大的硬件资源，进行实时数据处理的同时还要完成和晶闸管控 制和驱动部分、机械开关控制部分、硬件中断及参数测量、同步信号测量等 外设的信息交换； 为了保证输出数据的实时性，数据交换、传递的过程应具有最小的延时； 系统应具有足够的数据存储空间； 系统应具有良好的抗电磁干扰性能，即要保证系统可以正常运行。 2 2 总体设计方案 2 2 1 主电路设计方案 采用的变压器为3 8 0 v 2 2 0 v ，触头为2 2 5 u n 。晶闸管辅助机械开关式有载 调压装置的单相主电路如图2 - 1 所示。由变压器、反并联晶闸管对、机械式开关( 交 流接触器) 和限流电阻等组成。结合晶闸管和机械开关各自的优点，由主控电路控 制实现开关的实时控制和无触点化。 8 华北电力大学硕士学位论文 * 车昌土。， 萋 萋 1 呻b 一， 喜 s 3 s 2 u ，l 第m 1 十抽生rs 1 r ( 二 。1 1 k j 弋汐 。 s 3 s 2 第- 十l r 一 o 1 _ t k j 图2 - 1 变压器有载调压单相主电路原理图 鉴于目前电力电子器件通态发热严重，且其承受瞬时过电压和过电流的能力较 弱，因此将其作为通态载流开关需增加较多保护电路及散热装置，并且稳定性及安 全性不是很高。所以正常运行时由机械触头载流，当系统需要改变抽头调压时，控 制晶闸管和机械开关实现转换抽头支路，一个周波内完成抽头切换，实现无电弧和 快速电压调整。采用合适的晶闸管门极触发脉冲时序，切换时不会产生冲击电流， 且线路电流不中断。 图2 1 中开关s 1 、s 2 为机械开关，s 3 为晶闸管开关，其他分接支路相同。以第 一条支路为例，换路前各开关器件的状态为： 支路处于接通状态时：s 1 接通，s 2 断开，s 3 关断 支路处于断开状态时：s l 断开，s 2 断开，s 3 关断 其支路转换过程如下： ( 1 ) 由接通状态到断开状态： 先闭合s 2 ，再导通晶闸管开关s 3 ，断开s 1 ，无触发脉冲情况下电子开关s 3 过零 关断，断开s 2 ，实现无弧切断电路； ( 2 ) 由断开状态到接通状态： 在s 1 、s 2 断开的情况下，先闭合s 2 ，再导通电子开关s 3 ，闭合s l ，无触发脉冲 情况下s 3 过零关断，断开s 2 ，实现无弧接通电路。 主电路元器件详细情况及相关控制信号分析： ( 1 ) 每个抽头支路有两个反并联晶闸管、两个机械开关( 一个与晶闸管相串 联，一个与晶闸管相并联) 。 9 华北电力大学硕士学位论文 由于采用的变压器为三相，并且每相有五个抽头的变压器所以主电路的开关元 器件的具体数量为 晶闸管：( 2 * 5 ) * 3 = 3 0 ( 个) 晶闸管串联机械开关：5 3 = 1 5 ( 个) 晶闸管并联机械开关： 5 3 = 1 5 ( 个) ( 2 ) 控制信号分析 机械开关有开和关两个状态；由于晶闸管有电流过零自关断功能，对每对反并 联晶闸管的控制需要一个触发信号。 所有控制信号：1 5 2 + 1 5 2 + 1 5 = 7 5 ( 个) 在控制信号输出时，由于各支路的开关器件的动作有一定的时序；同时晶闸管 的导通、关断，机械开关的闭合、断开都需要一定的时间，所以在信号输出时根据 输出情况的不同，要加上合理迟延时间，以保证输出信号和控制的有效性。迟延时 间将在软件系统设计章节中详细介绍。 2 2 2 主控电路设计方案 经过对系统的性能要求和设计目标进行分析，确定了总体设计方案。该系统采 用测量副边电压值，调整原边抽头的方法实现负载电压调整，应用i n t e l 公司的一 款性价比极高的单片机芯片：8 0 c 1 9 6 m c l 6 位芯片作为主控制芯片，和m o c 3 0 8 3 、 5 4 l s l 3 8 、5 4 l s l 3 9 、c d 4 5 0 1 及外接存储芯片等芯片构成硬件系统。具体配置如下： 采样环节：8 0 c 1 9 6 m c 单片机具有很强的a d 转化功能，它具有1 3 个通道的 a d 转换器，能完成l o 位或8 位的高速a d 转换。a d 转换器由以下部分组 成：1 3 选1 多路模拟开关，采样保持电路、l o 位逐次逼近式a d 转换器。 采样保持时间和转换时间是可编程的。当输入的模拟电压与编程设定的电压 一致时，阀值检测将产生1 个中断申请。并且，a d 还提供了另外一些测试 方式，零偏补偿电路提供了可编程硬件偏移调整。一次侧参数经电压、电流 霍尔传感器测量后，由8 0 c 1 9 6 m c 芯片的高速a d 转换通道完成数据采集。 可保证采样精度、采样的高速性、低功耗嘲。 中央处理单元和任务分配：由8 0 c 1 9 6 m c 芯片完成从数据采集到计算结果输 出的全部数据处理。p o 口实现三相电压、电流数据的高速采集和刖d 转换； p 2 口设置为e p a 工作方式，其中的一个管脚检测由过零检测电路传来的同步 信号，启动周期测量模块；p 3 、p 4 口是存储器映射的i o 口，在外接存储器 l o 华北电力大学硕士学位论文 时做地址数据总线使用；p 5 口用于产生总线控制信号，完成总线宽度设置、 外部存储器的读写信号输出、及地址锁存允许等信号；p 6 口设置为普通i o 口，输出控制系统的控制信号，输出信号之间按系统要求插入不同的预置的 时间间隔，以满足切换变压器抽头时的时序要求。中央处理单元结合外部采 样电路、晶闸管触发电路、输出译码电路等实现系统功能。 硬件的逻辑控制：所有的逻辑控制由8 0 c 1 9 6 m c 芯片的译码信号控制各译码 器完成，这样既可以减小硬件系统的复杂性，又利于系统的改进或升级。 外围组成：本系统的外设包括信号采集电路、晶闸管触发电路、输出译码电 路、及外接存储芯片和实时时钟等。所有外部输入信号都经光耦隔离后输入 单片机。主控电路结构如图2 2 所示。 日 采样信号输入 图2 - 2 主控电路结构图 2 2 3 采样算法和非同步问题的解决 对系统计算精度的影响，除了系统的相关硬件组成之外，所采用的采样算法和 采样的同步性影响也至关重要。 根据采样信号的不同，可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样是把交流 电压、电流信号经过整流转化为o 5 v 的直流电压，对采样值只需作一次比例变换 即可得到被测量的数值。这种方法的主要优点是算法简单，计算方便。但直流采样 法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数 调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过 测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关 系也将发生变化，给计算结果带来了误差“”。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行 数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采 样频率为被测信号频谱中最高频率的2 倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的 采样速度和数据处理速度。交流采样把交流量转化为+ 5 v ( 或o 5 v ) 的交流电压进行 采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护；其缺点是算法复杂， 精度难以提高，对a d 转换速度要求较高。 电网的基频总是在5 0 h z 左右有所波动( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 允许电网基波频率在 o 4 之间变化) ”1 ，在有扰动时频率的偏差会更大。监测设备在实际中做到适时、 准确的跟踪系统频率的变化比较困难，由此产生的频谱泄漏、栅栏效应等影响着系 统参数测量的准确性，产生这些误差的根本原因是系统频率和采样频率的非严格同 步。 根据本系统的性能要求和硬件结构的组成而选用交流采样算法，同时采取合理 的解决非同步问题的措施。相关采样算法和非同步问题的解决措施在下一章详细介 绍。 2 3 本章小结 本章对晶闸管辅助机械开关式变压器有载调压系统进行了总体方案设计，确定 了其中主电路结构及其相关换路逻辑、主控电路结构及其各子功能划分。详细分析 了本系统主电路和主控电路各功能组成及相关控制信号，同时分析了采样算法和非 同步问题。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章交流采样方法 交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不同，其算法也有很多种，按照 其模型函数，大致可分为正弦模型算法、非正弦周期模型算法。其中正弦模型算法 主要有最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样等，非正弦模型算法有均 方根算法、付里叶算法等，各种算法都有其优缺点，在电力系统中的应用也不相同。 本系统的信号采集硬件电路采用了t 型滤波器前置的做法，经滤波后采样信号可近 似看作正弦周期信号，并且不涉及功率检测、功率计算。因此采用正弦模型，并通 过研究该模型各种采样方法中关于电压、电流的算法确定合理的采样算法。同时， 就交流采样中存在的非同步问题进行研究，确定合理解决措旖。 3 1 正弦函数周期模型算法“钉“朝 3 1 1 最大值法 1 阪定正弦量为纯交流量，通过米集最大僵即司得到有效值。 设 “，= u s 加+ 叨 则 u = 砜 吖z 式中u m 为同步采样得到的电压最大值 同样1 2 去l 3 1 2 单点算法 公式( 3 - i ) 公式( 3 2 ) 这种算法适用于对称三相正弦电路，在栗一时刻同时对三相线电沉和线电压米 集一点，就可计算出各线电压和线电流有效值、各相有功及无功功率。 其中 u = 丢届雨 v j h 十u 七u = u ：s i n 2 ( ) ( t r 矸9 + u ：s i n 2 仪l + w - 1 2 伊) + u 0 s i n 2 岱t + w + 1 2 俨) 一；町= 3 u 2 公式( 3 渤 同理 ，2 去厢 公式( 3 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 半周期积分法 设“2u 。s i n x tn 2 j l 贝q 爿= j ：i “d ，= 于u 。s t n x ，d ，= - u 。c o s x t p i 2 u 。 x u = 亟鼽2 而e 弘n 4 n2 n台t 2 0 嚣l 其中n 为采样点数 同理，一志缸同理1 一丁了鬲台，“ 3 1 4 两点采样法 对正弦电压电流相间隔9 0 。采两组数值 设= s i n x t“j 2 j 加街+ 叨 贝0 u 22 u ：s i n ( x t + 矽+ 9 沪， j 2 + = u 2 s i n 2 + 叨+ c 0 9 2 0 c t + 叨= 砜2 = 2 矿 c ，= 乒+ g t 2 2 ：= 击厢 7 同理 i = l s i n ( x t - e , 9 。i2 毛瓜 公式( 3 - 5 ) 公式( 3 - 6 ) 公式( 3 7 ) 公式( 3 - 8 ) 由于实际的采样信号并非标准的正弦信号，因此最大值法和单点算法会引起较 1 4 华北电力大学硕士学位论文 大误差而不适用于本系统。半周期积分法要求采样点数要尽量多才能提高精度，但 采样点数过多会降低系统的响应速度，因而也不适用。本系统的采样算法参考两点 采样法，采用两点间隔1 0 0 。并取均值的算法，在降低误差的同时保证系统的响应 速度。 3 2 交流采样中的非同步问题 产生非同步误差的根本原因是系统频率和采样频率的非严格同步，针对这个问 题，国内外就相应的解决措旋做了大量的尝试和研究。减小非同步误差的方法主要 分为同步技术和准同步技术。 3 2 1 同步技术n 6 3 同步技术主要从算法改进、软硬件技术及采样方法等方面入手，以达到采样频 率与系统频率严格同步为目的。下面是对几种常用措施的分析。 3 2 1 1 加窗插值算法 加窗可以减少频谱泄漏，插值可以减少栅栏效应引起的误差。利用加窗插值算 法可以精确分析出各次谐波电压和电流的幅值和相位。尤其在相位和幅值很小的偶 次谐波的计算方面，是对普通f f t 算法的一大改进”1 。目前国际电工委员会( i e c ) 推荐的是汉宁( h a n n i n g ) 加窗的傅立叶变换，该窗函数的单边离散表达式为： 删= 扣c o s c 号翱 h a n n i n g 加窗的傅立叶变换的频谱x w ( k ) 可以表示为矩形窗傅立叶变换频谱 x ( k ) 的线性组合： x ，( 女) = ；并( t ) 一x ( k 1 ) 一；z + 1 ) 文献 1 5 】中给出的加汉宁窗对幅值的校正公式为： a = 器缸= 等 伽筠”帕 公式( 3 - 9 ) 公式( 3 - 1 0 ) x w ( 1 ) 、x w ( 1 + 1 ) 是相临的两个峰值点，a o 是校正后的结果。 窗函数为矩形窗或汉宁窗，采用插值公式对计算结果进行修正时，采样窗口的 宽度不得低于8 个基频周期，所以，这种算法需要很大的数据存储空间。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 3 2 1 ：2 硬件同步技术“8 1 利用锁相环使信号频率和采样频率同步，图3 - 1 是锁相环的工作原理图。 图3 1 锁相环工作原理图 这是一种最传统也是最直接的措施。锁相环包括三个基本部件：鉴相器( p d ) ， 环路滤波器( l f ) ，压控振荡器( v c o ) ，工作原理如图3 所示。鉴相器是相位比较 器，它把输入信号v a t ) 和v c o 的输出信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位 差的信号7 一l f ) ，环路滤波器滤去误差电压v d ( t ) 中的高频成分和噪声以保证环路所要 求的性能，增加系统的稳定性，输出受控电压v a t ) ，v c 使压控振荡器的频率向输 入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定。 实际装置的采样电路中锁相环先将采样信号( 系统电压、电流) 的基频n 倍频， 并以其作为产生采样脉冲的基准时钟，再根据周期采样点数的要求，对该基准时钟 进行记数分频，这样就可得到能够自动跟踪输入信号基频的等间隔的采样脉冲信 号。这种方法的实时性好，硬件电路复杂，硬件成本较高。 3 2 1 3 软件同步采样“” 其基本实现框图如图3 2 所示； 图3 2 软件同步采样实现框图 输入信号首先经窄带滤波器，滤除5 0 h z 以外的谐波成分，以免信号波形中 的尖角、毛刺使过零比较器误动作，然后信号经过零比较器，把正弦波信号变成方 波信号输出，再经波形锐化环节，将方波的上升沿和下降沿锐化，然后送给c p u 。 当检测到信号的上升沿时，申请中断。两次中断之间的时间间隔就是信号的实际周 期。用该周期除以预制的每周期采样点数，就可以计算出两个采样点之间的时间间 隔，通过软件设置采样同步脉冲，从丽达到动态跟踪系统的频率变化，适时刷毅采 样的时间间隔，实现同步采样的目的。 d s p 技术的发展，使这种同步采样方式获取上升沿的时刻更为方便，计算出的 1 6 华北电力大学硕士学位论文 采样周期也更为精确。只是消除信号中的抖动，避免过零比较器误动作，是这种采 样方式要解决好的技术问题。 3 2 1 4 软件测频法n 9 1 d s p 芯片的发展，为各种计算量比较大的算法的实施提供了条件，利用软件计 算系统实际频率的方法，也在实际应用中获得了一席之地。而且采用软件的方式， 不需添加任何硬件，可以降低成本，简化硬件电路的设计，减小装置的体积。这种 方法的一般思路是先对采样数据进行f f t 或加窗f f t 运算，根据计算结果得到采样频 率与基波频率的失步偏差，再用该偏差值修正采样频率，达到自适应调整采样率的 目的。下面简单介绍两种： ( 1 ) 用加海宁窗的f f t 插值算法求电力系统基波频率【4 】。 信号在满足香农( s h a n n o n ) 采样定理的条件下以频率工对其进行采样。当 不 是基频 的整数倍时，基频信号的频率可表示为 f o = ( 1 + 或) r 】z 公式( 3 - 1 1 ) 式e p n 为采样点数；d o 位小数；n 为每周期采样点数。设经加窗f f t 之后，在基 频( 5 0 h z ) 附近最高的三条谱线分, n y o 、y i 、y 2 ，贝t j d 0 可由下式得出： 公式( 3 - 1 2 ) 将上式代入( 3 - 1 5 ) 式中即可求得精确的基波频率，然后对下一周期的采样频 率进行修正，即可实现频率跟踪的目的。 这种方法在分析结果的同时，附加少量运算，达到了对采样频率进行修正的目 的，而且加窗插值算法本身对非同步误差就有修正作用，理论上讲是比较理想的。 ( 2 ) 用f f t 结果求相位偏差对采样频率进行修正“”。 这种方法每采一个点就要进行一次f f t 运算，然后求得某一个被分析信号上一 个分析窗口( 第n 1 个) 与本次分析窗口( 第n 个) 之间的相位差咿，由此得到此 时的系统频率为： 厶= 厶。( 1 + 瓦n 1 7 公式( 3 - 1 3 ) 褥器 华北电力大学硕士学位论文 然后，根据计算结果对下一个采样周期进行调整。 由以上分析过程可以看出，这种方法的计算量是相当大的，采样频率比较高时 ( 比如6 4 k h z 及以上) 般的芯片是不能承受的。所以只适合采样频率比较低的情 况。 3 2 1 5 双速率同步采样法2 0 该方法基于普通单速率采样方法，主要解决由计算芯片步长限制而产生的截断 误差。设理论采样时间为t s ，定时器采样间隔经计算得t s = t d * i n t ( t ( n t d ) ) ( i n t 为取整函数) ，t d 为分辨率，则截断误差6 = t s - t s ，显然6 小于t d 。对单速采样有 a t = t - n t s - n5 n t d 令m = i n t ( a t t d ) ，可得 t = 6 t - m t d t d 公式( 3 1 4 ) 公式( 3 1 5 ) 将t 按t d 等分为m 份加到n 个采样点中的前m 个，即前m 个点的采样间隔为 t s + t d ，后n m 点的采样间隔为t s ，则周期误差将变为t 。由于该方法在一周期内 采用两种间隔采样，故称为双速率法，大大减小了周期误差。 双速率采样的d f t 模型 而在双速率采样中由于采样间隔不等，故d f t 应作修正，将旋转因子改成对应的 双速率形式。 fp 叩 矗篙k 肘， 卜z 矗圳， 形= e 亲： 得双速率采样的d f t 算法 1 8 公式( 3 - 1 6 ) 公式( 3 - 1 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 砖匿五砖”+ 攀矽喘 公式( 3 - 1 8 ) 上式中k 为谐波阶数，x k 表示电压u k 或者电流i k 由上式即可得出相关谐波的电压电流参数，进而可得出相关功率及功率角。 双速率同步采样法与普通的单速率采样法相比，较大地消除了截断误差的影响， 但增加了软件处理程序。但由于旋转因子的修改，使其不具有对称性，因而不能应用 d f t 的快速率算法( f f t ) 。在电力系统中，一周期内采样点数与具体要求有关，所以 采样频率有时会较高，故对速度会有影响，且不适用于嵌入式系统。 除上述几种方法以外，用软件来实现频率同步的方式还很多。频率的软件同步 可以大大地简化硬件电路，但是与硬件跟踪相比，它的实时性比较差。但由于电力 系统的频率波动主要受变化周期l o s 至l j 3 m i n 的脉动负荷的影响，因此采用软件同步的 方法可以有效的解决采样环节的非同步问题。 3 2 2 准同步技术” 准同步采样技术是在同步采样的基础上，通过适当增加采样点及采用相应的算 法进行数据处理，去掉了同步采样的同步环节，利用增加每周期的采样点和增加采 样周期，同时采用新的算法，来达到同步误差的最小化。 准同步算法有这样的特点，在非同步采样存在一个比较小的周期误差的情况 下，也可以通过递推算法，算出周期函数的高准确度的平均值。将这种算法与d f t 相结合： q 2 - f ff ( t ) c o s ( k c o t ) d t 公式( 3 1 9 ) 令酏) 。托) c o s ( k 耐) ，显然9 0 ) 也是一个以t 为周期的函数，故 丽= 亍1r g p ) 西= 吾r ，( f ) c o s ( 砌) 西 结合式( 3 - 2 2 ) 可得 如2 2 9 ( f ) 公式( 3 2 0 ) 这样只要求得g ( f ) ，就可以准确得到吼的值。但是由于实际的采样是非同步采 样，采样时刻准确的t 值不易准确获得，c o s ( k c o s o 的值也就不能准确求出。实际处理 中只能以等分点处的c o s ( k c o s o 和z ( 第i 个采样值) 的值来近似计算。这样在周期 偏差不是很大的情况下，用准同步算法适当选择迭代次数也可以获得丽的高准确 度估计。实际中的迭代次数n 根据估计的最大周期误差选择，n 越大准确度越高。另 1 9 华北电力大学硕士学位论文 外 以= 吾r ( f ) s i n ( k a , t ) d t公式( 3 2 1 ) 可由与求以相似的步骤得出。在参数选择得当的前提下，这种方法准确度比f f t 提高一个数量级。 解决非同步问题单靠一种技术很难达到目的。因此，在实际问题中针对不同的 技术要求，应发挥软硬件技术各自的优势，从不同发面解决非同步问题，以得到最 好效果 2 4 o 由以上对各种解决非同步问题方法的分析可以看出，软件措施中的加窗插值算 法可以收到非常好的效果，但是该算法需要庞大的数据存储器支持，普通的芯片难 以承受让”；神经网络理论和小波分析方法主要应用于谐波测量；双速率采样法等方 法也不适用于8 0 e 1 9 6 m c 芯片。因此，本系统的同步措施主要采用硬件方法，利用锁 相环实现采样频率和系统频率同步，同时为了降低干扰信号对采样周期的影响，采 用多个周期取均值的方法。 3 3 本章小结 根据系统的具体要求，选择了合理的采样算法，即两点采样并取均值的方法； 在解决非同步问题中采用软硬件结合的方法，利用锁相环与系统频率同步，同时对 测量周期取均值达到减小非同步误差的目的，使采样信号在系统采样硬件误差、算 法误差、非同步误差之和在系统采样精度要求之内，保证系统运行结果的正确。 2 0 华北电力大学硕士学位论文 第四章主控系统硬件平台设计 本系统的硬件部分主要由：锁相倍频电路、信号采样电路、中心控制电路、晶 闸管触发电路、控制信号输出电路组成。外接晶振频率为1 6 m h z ，一个状态周期为 1 2 5 n s 。下面分模块对硬件电路的各部分功能和设计情况进行详细说明。 4 1 锁相倍频电路设计 虽然我国电网的频率规定为5 0 h z ，但实际电网的频率受供用电负荷不平衡的影 响会有一些波动。我国国标g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 2 3 1 v 或u _ !内容是否为o 是 启动定时器2 标志寄存器0 增i 标志寄存器l 增1 将t 2 寄存器值取出，计算采 样间隔并送t l 寄存器 启动定时器t l 标志寄存器0 清零 到 图5 - 2 过零中断程序框图 3 9 华北电力大学硕士学位论文 5 3 2 定时器溢出中断子程序 定时器t l 采用减l 计数，为定时器下溢出；t 2 采用加1 计数，为定时器上溢出。 程序框图如图5 3 所示。 定时器t 1 和t 2 的溢出区分：标志寄存器t - l a b l e o 、t - l a b l e l 用来确定溢出中 断来自哪个定时器，进而执行相应的中断程序。当定时器t l 和t 2 都启动之后，标志 寄存器1 的内容为0 时，定时器t 2 已至少2 n ( n 为整数) 次过零并重置，定时器t 1 的 计数值为1 0 0 3 6 0 周期，小于定时器t 2 的计数值0 0 2 1 9 1 2 s ，所以此时发生的溢出中 断必来源于定时器t 1 ；当标志寄存器1 内容为1 时，表示定时器t 2 已过零2 次，因 0 1 t 2 4 3 1 5 8 v 或u 1 9 9 0 4 8 v ，系统自关断 禁止进行电压调整，此时由变压器的电压和电流保护装置进行相应操作。 当系统检测到超限信号时，调用该子程序。程序将禁止输出命令写入到p 6 1 2 1 的 输出寄存器中，再调用输出予程序输出，即将数值f f h 写入到p 6 口的输出寄存器中 输出。 延时子程序的功能主要是保证晶闸管和机械开关动作进行完毕。由于晶闸管的 接通和关断速度远远高于机械开关，因此延迟时间取机械式开关的动作时间。 4 l 华北电力大学硕士学位论文 5 4 本章小结 本章围绕控制系统的功能，给出了控制系统的软件设计。在程序设计中，采用 门限值比较方法避免了大容量计算及存储问题，降低了对硬件存储器的要求。为了 尽量缩短程序的运行时间，提高系统的实时性，系统采用了快速的算法和大量预置 数值的方法，大大提高了程序的执行效率。 4 2 华北电力大学硕士学位论文 第六章结论 本课题通过分析和研究国内外变压器有载调压技术和电力电子技术的新成果， 运用计算机技术，采用自主判断、决策的方式，研究了晶闸管辅助机械开关式变压器 有载调压技术，设计了相应的硬件电路和软件程序。主要研究工作和取得的成果如下： 1 通过对现有变压器有载调压各种方法的研究，结合机械式开关和电力电子 开关的优点，设计了晶闸管辅助机械开关式变压器有载调压系统方案，改善了现有 调压装置的不足。根据该方案功能要求，设计了变压器有载调压主电路；制定了简 单、快速的控制逻辑；制定了两点采样并取均值的采样算法；制定了调压操作时以 负载电压变动幅值最小、电压稳定范围最大为目标的换路原则。 2 根据总体方案的具体要求和主电路的结构、特点，设计了完善的硬件电路。 采用8 0 c 1 9 6 m c 芯片作为主控芯片设计了主控制电路；采用c d 4 0 4 0 和c d 4 0 4 6 等芯片 实现了对系统频率的实时跟踪、测量；设计了信号调理电路和基于m o c 3 0 8 3 芯片的 晶闸管触发电路：应用5 4 l s l 3 8 、5 4 l s l 3 9 、c d 4 5 0 1 等芯片完成了系统输出电路设 计，实