李寧寧，趙玉林*，王德狀，韓如坤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030；2.煙臺汽車工程職業(yè)學校，山東 煙臺 265500）

電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標之一。電力系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定是整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定在一個方面的表現(xiàn)，電壓的穩(wěn)定和質(zhì)量對終端用戶是非常重要的，對負載端的安全和經(jīng)濟運行有著至關重要的意義[3]。偏遠農(nóng)村的電網(wǎng)電壓波動大，嚴重影響用戶的正常使用，充分利用各種調(diào)壓手段和無功電源的補償作用，實現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)電壓無功綜合控制對于提高電壓合格率和降低網(wǎng)損有很大的作用，能帶來經(jīng)濟效益和社會效益。

1 控制方式

目前在變電站的電壓無功控制中，用的是傳統(tǒng)的9區(qū)圖控制方法。傳統(tǒng)的9區(qū)圖法控制策略是按照固定的電壓和無功（或變電站進線端功率因數(shù)）上下限將電壓-無功平面劃分為9個區(qū)域。傳統(tǒng)的9區(qū)圖法存在的主要問題是:控制策略是基于固定的電壓無功上下限而未考慮無功調(diào)節(jié)對電壓的影響及其相互協(xié)調(diào)關系；用于運算分析的信息有分散性、隨機性的特點，這就造成了控制決策的盲目性和不確定性，實際表現(xiàn)為設備頻繁調(diào)節(jié)[4]。17區(qū)圖控制方法是在9區(qū)圖中再細分8個小區(qū)。每個區(qū)的控制方案可自動整定，也可手動整定。自動整定時可按5種方式進行:只考慮電壓、只考慮無功、電壓優(yōu)先、無功優(yōu)先和綜合考慮。雖然17區(qū)圖控制方法有了很大的改進，但仍然沒有克服定值與實際值的誤差導致裝置的誤動作或振蕩動作的缺點，加上分區(qū)過多而計算復雜[2]。因此本文不再使用傳統(tǒng)的9區(qū)圖控制方法和17區(qū)圖控制方法，而根據(jù)電壓定值、無功（或功率因數(shù)）定值和臨界參數(shù)把整個區(qū)域分成13個部分，每一個區(qū)域設有不同的控制策略（見表1）。其中2條橫線表示電壓定值的上限和下限；2條豎線表示無功（或功率因數(shù)）定值的上限和下限；虛線表示臨界參數(shù)，虛線之間表示電壓無功合格區(qū)，虛線兩邊表示電壓死區(qū)。用戶可根據(jù)需要設置臨界參數(shù)，電壓定值和無功（或功率因數(shù)）定值可以多套，每天都可以設置不同的定值，很方便用戶根據(jù)需要設置。與傳統(tǒng)的9區(qū)圖比較，13區(qū)圖增加了4個控制域，控制范圍更加精確，裝置動作次數(shù)相對減少，控制區(qū)域劃分如圖1所示。

表1 各區(qū)域控制原則Table1 Principle of regional control

圖1 13區(qū)結構Fig.1 13 district structure

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 控制芯片的選擇

TMS320LF2407具有高速信號處理和數(shù)字化控制功能所必需的結構特點。將其優(yōu)化的外設單元和高性能的DSP內(nèi)核相結合，可以實現(xiàn)先進控制技術。其主要特點為:

①其系統(tǒng)運行主頻達30 MHz，使得指令周期縮短到33 ns，絕大部分指令均可在單周期內(nèi)完成，提高了控制器的實時能力；

②2個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括2個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠實現(xiàn)三相控制；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸入觸發(fā)脈沖；16通道A/D轉換器等功能；

③10位A/D轉換器最小轉換時間為500 ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16通道輸入的A/D轉換器；

④高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）；

⑤雙口RAM通訊具設計簡單、數(shù)據(jù)傳輸快速方便等特點。

2.2 系統(tǒng)硬件結構

硬件設計從可靠性、可擴展性、靈活性、實時性、測量高精度的要求出發(fā)，對目前電壓無功綜合控制裝置所存在的問題進行全面改進。裝置按功能組成來劃分。主要由模擬量處理部分、邏輯綜合控制部分、通信擴展部分、人機界面部分、電源部分組成，結構如圖2。

邏輯綜合控制部分的核心是DSP。用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制、存儲等功能。通信擴展部分為了實現(xiàn)與多個系統(tǒng)進行通信，需要對DSP進行通信接口擴展。設計時擴展了4個串口，擴展了1個CAN接口，以便合諧處理插件通信。串口擴展芯片選擇的是4串口擴展芯片ST16C554。16C2544通過8位數(shù)據(jù)總線與DSP相連。

抗干擾設計:工業(yè)現(xiàn)場的干擾信號來源非常復雜，既有來自裝置內(nèi)部的干擾，又有來自外部的干擾。這些干擾主要通過以下的途徑傳播的:電源系統(tǒng)；接地系統(tǒng)；I/O接口和信號傳輸電路；靜脈沖；電磁感應等。針對這些噪聲，采用了包括電源去耦、光電隔離等措施。

圖2 電壓無功綜合控制硬件結構Fig.2 VQC hardware structure

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計主要采用模塊化的設計方法，如圖3所示。DSP部分包括初始化功能模塊、開關量功能模塊、運行參數(shù)讀取模塊、控制主程序模塊和輔助功能模塊等。①初始化模塊:清零標志位；啟動時鐘；設置脈沖輸出；通訊設置。②開關量處理:檢測開關量輸入，判別系統(tǒng)的運行方式、設備狀態(tài)及保護動作信號。③系統(tǒng)運行參數(shù)讀取模塊:與參數(shù)檢測儀表進行通訊，成功獲得運行參數(shù)后更新運行參數(shù)存儲區(qū)。④控制主程序模塊:運行參數(shù)更新后，進行參數(shù)的校驗、運行區(qū)域的判別及與模擬量有關的保護、閉鎖信號的處理，根據(jù)以上處理結果決定是否執(zhí)行自動控制。⑤輔助處理模塊:分接頭日調(diào)節(jié)次數(shù)復位、切除后的電容器放電監(jiān)測、調(diào)擋動作的校驗及變壓器過流的判定。

結果見圖3。

圖3 程序結構Fig.3 Program structure

電壓無功綜合控制裝置的主要任務是將現(xiàn)場電流、電壓信號模擬且進行采集，并對他們進行A/D轉換處理，將處理后的數(shù)據(jù)送給DSP，在DSP中對這些數(shù)據(jù)進行計算，再結合采集到的現(xiàn)場開關量信號，作出相應邏輯判斷，并發(fā)出對應指令。同時，這些信號需要通過人機界面顯示出來，還能和調(diào)度端或者變電站其他綜合自動化設備進行通信。DSP主程序流程如圖4所示[1]。

圖4 電壓無功綜合控制系統(tǒng)程序流程Fig.4 VQC system process flow chart

4 算法仿真

為了驗證所確定的控制算法的正確性和優(yōu)越性，在實驗室使用matlab7.1中的Simulink中的電力系統(tǒng)模塊（Sim power systems）對實例變電站進行搭建，系統(tǒng)參數(shù)和運行方式可靈活設定和輸入，采用標幺值計算方式計算結果易于分析，在計算過程中綜合考慮了對電壓無功控制效果有影響的諸多因素的作用，使計算過程符合電力系統(tǒng)運行的實際情況。

表2 典型運行方式下的仿真數(shù)據(jù)Table2 Typical operating mode of the simulation data

針對R=0.01，X=0.1，qc=0.1，電容器為8組，分接頭可調(diào)檔位為17檔、每檔調(diào)節(jié)量為1.25%的系統(tǒng)參數(shù)；功率因數(shù)前的“-”表示無功過補償；N代表投入電容器的組數(shù)；K代表分接頭檔位，K減小表示調(diào)分接頭降壓；表中P1、Q1的值為標準值并以本文的控制方式進行控制，運行模型得出仿真結果。并對大量仿真計算結果的分析，得到了如下結論:該算法可以對各種運行情況給出恰當?shù)奶幚硪?guī)則，并有效避免往復動作現(xiàn)象。表2記錄了部分仿真計算數(shù)據(jù)并進行了分析說明。

5 結論

仿真試驗說明，以DSP芯片為核心控制器的新型農(nóng)村變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)，能夠充分利用DSP控制器的快速的數(shù)字信號處理能力，提高農(nóng)村變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)動作的實時性和準確性，進而提高供電質(zhì)量，提高電壓合格率，提高農(nóng)村變電站的安全可靠性和系統(tǒng)的運行管理水平。該系統(tǒng)可以縮小變電站占地面積，降低造價，減少總投資，減少運行維護工作量，節(jié)約變電站運行成本，具有良好的應用前景和社會經(jīng)濟效益。

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