一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，它采用先進(jìn)的硬件設(shè)備，并結(jié)合諧波諧振分析算法，對電容器進(jìn)行可靠保護(hù)。裝置主要包括主控制電路板，諧波采集與調(diào)理電路，電壓跟隨電路，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，AD轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA控制模塊，485通信電路和232通信電路，人機(jī)交互模塊電路板。方法主要包括模擬量采集、模擬量采集控制與轉(zhuǎn)發(fā)、算法模塊、算法模塊與電網(wǎng)遙測控制通信模塊、算法模塊與人機(jī)交互通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊。本實用新型的有益效果：本實用新型具有能實時檢測諧波電壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，實用性強(qiáng)，成本低，工作效率高的優(yōu)點。
【專利說明】一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)諧波【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備在電力行業(yè)的應(yīng)用日益普及，同時大量電弧設(shè)備和許多其他非線性負(fù)荷也被投入使用，而這些設(shè)備使得系統(tǒng)中電壓和電流波形發(fā)生畸變失真，導(dǎo)致大量諧波產(chǎn)生，造成越來越多的諧波污染。
[0003]諧波產(chǎn)生的一個主要危害是諧波諧振，電力公司為了補(bǔ)償無功功率、改善功率因數(shù)而大量增加使用電容器組，引進(jìn)的電容器以及系統(tǒng)中的電容器和感性元件可能造成局部諧振,諧振產(chǎn)生的過電壓反過來又使電容器損壞。電力系統(tǒng)的并聯(lián)諧振將引起過電壓，串聯(lián)諧振引起過電流，導(dǎo)致系統(tǒng)局部過熱，使電容器局部電流電壓放大，加速電氣設(shè)備絕緣老化，對相關(guān)電氣設(shè)備造成損害。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)含有接近諧振頻率的諧波時，此諧波將被放大數(shù)倍至數(shù)十倍之多，以致于造成電容器組因過電壓而被燒毀。
[0004]目前，大量工作主要集中于諧波抑制裝置的開發(fā)，比如無源濾波器，有源濾波器等，而忽略了系統(tǒng)內(nèi)部電容組的保護(hù)，導(dǎo)致大量電容器因諧波損壞，影響了無功補(bǔ)償裝置的正常工作，以及無功補(bǔ)償裝置功率因數(shù)的設(shè)計，降低了工作效率。而現(xiàn)有的電容器過電壓保護(hù)裝置不能實時檢測電容器諧波電壓，中國專利CN02105002.3公開了一種電力諧振保護(hù)模組，主要技術(shù)方案為其中一電路具有分析、判讀及計數(shù)功能，其擷取經(jīng)分壓后的電容器上的電壓計算有效值；該電路利用電壓的基波與非基波成分推算電容總體電流有效值；若判斷出過電壓或過電流時，該電路將電容器組/電感器組切離系統(tǒng)或改變阻抗特性，予以保護(hù)。該專利需要對系統(tǒng)內(nèi)每個電容器設(shè)一個電力諧振保護(hù)模組，適用于簡單的電力系統(tǒng)，對于復(fù)雜電力系統(tǒng)將費(fèi)時費(fèi)力，而且該保護(hù)裝置只是針對單次諧波下的電容電壓，而沒有考慮總諧波下的電容電壓。
[0005]總而言之，目前需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個技術(shù)問題是:如何在諧波諧振情況下找到一種工作全面，高效的裝置保護(hù)電容器，避免電容器組損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，它采用先進(jìn)的硬件設(shè)備，并結(jié)合諧波諧振分析算法，對電容器進(jìn)行可靠保護(hù)，它具有能實時檢測諧波電壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，實用性強(qiáng)，成本低，工作效率高的優(yōu)點。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，主要包括主控制電路板，諧波采集與調(diào)理電路，電壓跟隨電路，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，AD轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA控制模塊，通信模塊485通信電路和232通信電路，人機(jī)交互模塊電路板，所述模擬量是通過電壓互感器從電網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過諧波采集與調(diào)理電路、電壓跟隨電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給AD轉(zhuǎn)換模塊，所述AD轉(zhuǎn)換模塊受FPGA控制，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，所述FPGA將數(shù)據(jù)通過SPI通信轉(zhuǎn)發(fā)給主控制電路板，所述主控制電路板通過485通信獲取電網(wǎng)當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述主控制電路板通過232通信獲取人機(jī)界面用戶設(shè)置，包括電壓上下限值，越限時間上下限值，同時主控制電路板通過232通信將電網(wǎng)當(dāng)前信息、歷史動作信息通過人機(jī)交互傳送給人機(jī)界面便于用戶查詢。
[0009]所述主控制電路板的主處理器使用TI公司eZdsp F2812最小系統(tǒng)。包括了TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存儲器，JTAG仿真控制器、電源管理芯片、時鐘電路、復(fù)位電路，接口單元。
[0010]所述諧波采集與調(diào)理電路中的放大電路采用了 AD620芯片，增益范圍為I至10，000，最大電源電流僅1.3mA，所述電壓跟隨電路采用了 AD797芯片，最大輸入失調(diào)電壓為80V，最大輸出電流為50mA，所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路采用ADG1404，所述AD轉(zhuǎn)換電路采用AD7658芯片，所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，所述通信模塊基于MAX487的485串口信號轉(zhuǎn)換電路和基于SP3220EEA的232電平轉(zhuǎn)換電路。
[0011]所述人機(jī)交互模塊采用阿爾泰工業(yè)級嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019為ARMlO處理器，PC104 主板，WinCE5.0 及驅(qū)動程序 64MB SDRAM, 256MB NandFlash, 32MB NorFlash,支持RGB接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率。
[0012]一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置的過電壓檢測方法:初始化后，具體工作步驟如下:
[0013]步驟一:系統(tǒng)將限值通過串口傳送給主控制電路板，同時系統(tǒng)采集模擬量數(shù)據(jù)、廠站監(jiān)控數(shù)據(jù)分別通過SPI通信、串口通信傳送給主控制電路板；
[0014]步驟二:主控制電路板根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)遙測數(shù)據(jù)并讀取數(shù)據(jù)庫中電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行模態(tài)分析和諧波潮流算法運(yùn)算，根據(jù)設(shè)定保護(hù)限值作出最終保護(hù)方案；
[0015]步驟三:主控制電路板判斷用戶設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行方式，如果系統(tǒng)運(yùn)行于離線狀態(tài)，系統(tǒng)保護(hù)方案顯示于客戶界面，等待人工確定是否下發(fā)。如果系統(tǒng)運(yùn)行于在線狀態(tài)，那么直接將動作命令下發(fā)給主站。
[0016]所述步驟二中的模態(tài)分析具體步驟為:
[0017](I)讀取主控制電路板中采集的數(shù)據(jù)，設(shè)基準(zhǔn)頻率為初始頻率；
[0018](2)分析裝置在諧波下的阻抗；
[0019](3)根據(jù)主控制電路板中讀取的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納陣；
[0020](4)對導(dǎo)納陣進(jìn)行模態(tài)處理；
[0021](5)判斷頻率是否超出最大頻率限制，一般最高位50次，若超出了，則輸出模態(tài)分析結(jié)果，若沒有，則重復(fù)(2)之后的步驟。
[0022]所述步驟二中的諧波潮流分析具體步驟為:
[0023](I)進(jìn)行基波潮流分析；
[0024](2)判斷頻率是否與基波頻率相等，若相等，將基波頻率全部存儲在監(jiān)測器，若不相等，把基波頻率賦給當(dāng)前頻率，判斷基頻解存儲是否完成，若完成將基波頻率存儲在監(jiān)測器，若沒有直接退出。
[0025](3)獲取需要的諧波列表；設(shè)初值為i = 1，判斷i是否與要求解的諧波數(shù)目相等，若相等，直接退出，若i與要求解的諧波數(shù)目不相等，則將相應(yīng)的頻率列表賦給頻率。[0026](4)判斷頻率是否等于基波頻率，若相等，則i+Ι，從i初始值開始循環(huán)，若不相等，則先使用直接法求解，然后i+Ι，再進(jìn)行同樣的循環(huán)。
[0027]所述諧波潮流分析步驟(I)中的基波潮流分析具體步驟為:
[0028]判斷負(fù)載模型是否與相應(yīng)的導(dǎo)納陣相同，若相同，則使用直接法求解，然后結(jié)束，若不同，判斷導(dǎo)納陣是否發(fā)生了變化，若沒有變化，則使用迭代法求解，若發(fā)生了變化，需要重新形成導(dǎo)納陣，再使用迭代法求解。
[0029]所述諧波潮流分析步驟(4)中的直接法具體步驟為:
[0030]①判斷系統(tǒng)導(dǎo)納陣是否發(fā)生了變化，若沒有發(fā)生變化，次數(shù)直接加1，若發(fā)生了變化，需重新建立導(dǎo)納陣，次數(shù)再加I ;
[0031]②把注入電流清零，獲取諧波源注入電流；
[0032]③判斷系統(tǒng)的求解是否完成，若沒有，直接跳到迭代次數(shù)加1，最后解決方案是直接法，結(jié)束，若已完成，求解成功標(biāo)志位為真且收斂標(biāo)志為真，則迭代次數(shù)加I，最后解決方案是直接法為真，結(jié)束。
[0033]本發(fā)明的有益效果:
[0034]I本發(fā)明采用了模態(tài)分析法和諧波潮流算法分析諧波諧振過電壓，為過電壓分析的正確性提供了 “雙保障”，同時在兩個算法結(jié)合分析的結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行過電壓保護(hù)裝置的開發(fā)，提高了保護(hù)裝置的精確性。
[0035]2本發(fā)明采用了人機(jī)交互能夠設(shè)置保護(hù)限值、保護(hù)時間限值。
[0036]3能夠?qū)崿F(xiàn)離線、在線兩種方式運(yùn)行。離線模式即對于當(dāng)前的電網(wǎng)諧波狀況給出相應(yīng)的保護(hù)方案，不采取控制措施而是等待人工確認(rèn)。在線模式即對于當(dāng)前的電網(wǎng)諧波狀況給出相應(yīng)的保護(hù)方案，直接通過通信接口將動作命令下發(fā)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0037]4能夠存儲電容器實時諧波電壓與諧波電流、線路電壓等信息。
[0038]5能夠保存歷史動作、數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為系統(tǒng)硬件架構(gòu)。
[0040]圖2為系統(tǒng)軟件架構(gòu)。
[0041]圖3為系統(tǒng)軟件執(zhí)行流程圖。
[0042]圖4為模態(tài)分析流程圖。
[0043]圖5為諧波潮流主程序流程圖。
[0044]圖6為基波潮流流程圖。
[0045]圖7為直接法流程圖。
【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0047]如圖1，一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，主要包括主控制電路板，諧波采集與調(diào)理電路，電壓跟隨電路，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，AD轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA控制模塊，通信模塊485通信電路和232通信電路，人機(jī)交互模塊電路板，所述模擬量是通過電壓互感器從電網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過諧波采集與調(diào)理電路、電壓跟隨電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給AD，所述AD轉(zhuǎn)換受FPGA控制，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，所述FPGA將數(shù)據(jù)通過SPI通信轉(zhuǎn)發(fā)給主控制電路板，所述主控制電路板通過485通信獲取電網(wǎng)當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述主控制電路板通過232通信獲取人機(jī)界面用戶設(shè)置，包括電壓上下限值，越限時間上下限值，同時主控制電路板通過232通信將電網(wǎng)當(dāng)前信息、歷史動作信息通過人機(jī)交互傳送給人機(jī)界面便于用戶查詢。
[0048]所述主控制電路板的主處理器使用TI公司eZdsp F2812最小系統(tǒng)。包括了TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存儲器，JTAG仿真控制器、電源管理芯片、時鐘電路、復(fù)位電路，接口單元。
[0049]所述諧波采集與調(diào)理電路中的放大電路采用了 AD620芯片，增益范圍為I至10, 000,最大電源電流僅1.3mA。
[0050]所述電壓跟隨電路采用了 AD797芯片，最大輸入失調(diào)電壓為80V，最大輸出電流為50mAo
[0051]所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路采用ADG1404，為兩路控制信號控制四路開關(guān)的導(dǎo)通，同時能夠保證信號的準(zhǔn)確性。
[0052]所述AD轉(zhuǎn)換電路采用AD7658芯片。AD7658是ADI公司制造的，高集成度、6通道16-bit逐次逼近(SAR)型ADC，內(nèi)含I個2.5V基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。AD7658具有6個轉(zhuǎn)換通道分為3組兩通道。可以通過C0NVST-A/B/C管腳或控制寄存器的VA/VB/VC字段來控制具體使用哪幾對AD轉(zhuǎn)換通道。讀取數(shù)據(jù)次數(shù)要根據(jù)AD轉(zhuǎn)換的通道數(shù)量設(shè)置。
[0053]所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，F(xiàn)PGA在設(shè)計上使用了邏輯單元陣列的概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線三個部分。FPGA組合邏輯靠查找表實現(xiàn)，查找表與D觸發(fā)器的輸入端相連接，再由觸發(fā)器驅(qū)動別的邏輯電路或者1/0，這樣構(gòu)成的邏輯單元模塊既能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯功能與時序邏輯功能，模塊之間、模塊與I/O之間使用金屬線連接。FPGA向內(nèi)部的靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)以實現(xiàn)其邏輯功能，這些邏輯單元決定了 FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。
[0054]所述SPI由Motorola公司開發(fā)，在中央處理單元或DSP與其他芯片之間提供的一款通信接口。SPI工作方式為一個主機(jī)連接單個或多個從機(jī)的主-從機(jī)模式。SPI接口一般有四種信號:串行移位時鐘信號SCLK、數(shù)據(jù)輸出信號、數(shù)據(jù)輸入信號、低電平有效的從使能信號線。
[0055]所述通信模塊設(shè)計了基于MAX487的485串口信號轉(zhuǎn)換電路和基于SP3220EEA的232電平轉(zhuǎn)換電路。
[0056]所述人機(jī)交互模塊采用阿爾泰工業(yè)級嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019為ARMlO處理器，PC104 主板，WinCE5.0 及驅(qū)動程序 64MB SDRAM, 256MB NandFlash, 32MB NorFlash,支持RGB接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率，支持4線電阻式觸摸屏主USB xl，從USB 11全部2.0標(biāo)準(zhǔn)，1?232接口12，1?485接口叉1，支持0卩卡。
[0057]如圖3 —種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置的過電壓檢測方法:初始化后，具體工作步驟如下:
[0058]步驟一:系統(tǒng)將用戶界面設(shè)置限值通過串口傳送給主控制電路板，同時系統(tǒng)采集模擬量數(shù)據(jù)、廠站監(jiān)控數(shù)據(jù)分別通過SPI通信、串口通信傳送給主控制電路板；
[0059]步驟二:主控制電路板根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)遙測數(shù)據(jù)并讀取數(shù)據(jù)庫中電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行模態(tài)分析和諧波潮流算法運(yùn)算，根據(jù)設(shè)定保護(hù)限值作出最終保護(hù)方案；[0060]步驟三:主控制電路板判斷用戶設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行方式，如果系統(tǒng)運(yùn)行于離線狀態(tài)，系統(tǒng)保護(hù)方案顯示于客戶界面，等待人工確定是否下發(fā)。如果系統(tǒng)運(yùn)行于在線狀態(tài)，那么直接將動作命令下發(fā)給主站。
[0061]如圖4所述步驟二中的模態(tài)分析具體步驟為:
[0062](I)讀取主控制電路板中采集的數(shù)據(jù)，設(shè)基準(zhǔn)頻率為初始頻率；
[0063]( 2 )計算裝置在諧波下的阻抗；
[0064](3)根據(jù)主控制電路板中讀取的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納陣；
[0065](4)對導(dǎo)納陣進(jìn)行模態(tài)處理；
[0066](5)判斷頻率是否超出最大頻率限制，一般最高位50次，若超出了，則輸出模態(tài)分析結(jié)果，若沒有，則重復(fù)(2)之后的步驟。
[0067]所述模態(tài)分析即為特征值分析，假設(shè)根據(jù)頻率掃描法得知系統(tǒng)在頻率f處發(fā)生并聯(lián)諧振。這就意味著通過公式(1.1)計算出的電壓相量中有些元素在頻率f處有很大的值。
[0068]
【權(quán)利要求】
1.一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，其特征是，主要包括主控制電路板，諧波采集與調(diào)理電路，電壓跟隨電路，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，AD轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA控制模塊，通信模塊485通信電路和232通信電路，人機(jī)交互模塊電路板，通過電壓互感器從電網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過諧波采集與調(diào)理電路、電壓跟隨電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給AD轉(zhuǎn)換模塊，所述AD轉(zhuǎn)換模塊受FPGA控制，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，所述FPGA將數(shù)據(jù)通過SPI通信轉(zhuǎn)發(fā)給主控制電路板，所述主控制電路板通過485通信獲取電網(wǎng)當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述主控制電路板通過232通信獲取人機(jī)界面用戶設(shè)置，包括電壓上下限值，越限時間上下限值，同時主控制電路板通過232通信將電網(wǎng)當(dāng)前信息、歷史動作信息通過人機(jī)交互傳送給人機(jī)界面便于用戶查詢。
2.如權(quán)利要求1所述一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，其特征是，所述主控制電路板的主處理器使用TI公司eZdsp F2812最小系統(tǒng)，包括了 TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存儲器，JTAG仿真控制器、電源管理芯片、時鐘電路、復(fù)位電路，接口單元。
3.如權(quán)利要求1所述一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，其特征是，所述諧波采集與調(diào)理電路中的放大電路采用了 AD620芯片，增益范圍為I至10，000，最大電源電流僅1.3mA，所述電壓跟隨電路采用了 AD797芯片，最大輸入失調(diào)電壓為80V，最大輸出電流為50mA，所述多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路采用ADG1404。
4.如權(quán)利要求1所述一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，其特征是，所述AD轉(zhuǎn)換電路采用AD7658芯片，所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，所述通信模塊設(shè)有基于MAX487的485串口信號轉(zhuǎn)換電路和基于SP3220EEA的232電平轉(zhuǎn)換電路。
5.如權(quán)利要求1所述一種電容器諧波諧振過電壓保護(hù)裝置，其特征是，所述人機(jī)交互模塊采用阿爾泰工業(yè)級嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019為ARMlO處理器，PC104主板，WinCE5.0 及驅(qū)動程序 64MBSDRAM，256MB NandFlash, 32MB NorFlash,支持 RGB 接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率。
【文檔編號】G06F19/00GK203504153SQ201320567266
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】程新功, 王兆生, 任宏偉, 宗西舉, 程麗艷, 張步勝, 張夢華, 歐朱建, 張靜亮, 謝廣建, 高軍, 侯廣松 申請人:國家電網(wǎng)公司, 濟(jì)南大學(xué), 國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司