基于公式的可编程电压无功自动控制装置的制作方法

专利名称：基于公式的可编程电压无功自动控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统的自动控制技术，更具体地涉及电力系统中电压控制技术，特别是涉及电压无功自动控制(VQC)装置。
背景技术：
电压无功自动控制(VQC)作为电力系统的自动控制技术之一，在保证变电站母线电压和无功平衡方面发挥着重要作用，其目的是通过合理的投切无功设备或调节变压器分接头使得目标母线电压和功率因数被控制在设定的范围内。
电压无功自动控制装置的设计一直在朝着灵活、稳定、准确的方向发展，其中控制策略是其核心组成，从最初经典九区控制[例如，孙淑信，游志成 等编著的《大型变电站微机自动调压系统的研究》，电力系统自动化，1995年，第7期]和[杨仁刚，杨名皓等编著的《微机型电压无功综合控制器》，全国高等学校电力系统及自动化专业第八届学术年会论文集，1992年，第10期]，到现在的17区控制[沈曙明等编著的《变电站电压无功综合自动控制的实现与探讨继电器》1999年，第7期第10～13页]、20区控制策略[姜庆密 滕杰等编著的《iES500电压无功自动控制系统的研制与探讨》山东电力高等专科学校学报2000，第3卷 第2期，第52～第54页]，再发展到多样化的人工智能控制，例如人工神经网络(ANN)、遗传算法、模糊边界策略等[杨争林孙雅明编著的《基于ANN的变电站电压和无功综合自动控制》电力系统自动化1999年，第7期第10～13页]和[庄侃沁 李兴源编著的《变电站电压无功控制策略和实现方式》，电力系统自动化2001年第10期第47～50页]，控制策略已有很多种。VQC通过变电站内监控网络获得系统信息，包括相关节点的电压、电流、有功和无功以及有关断路器和隔离开关的位置信息，在明确网络拓扑状态的前提下根据预定的控制原则做出调整决策。
现有的VQC技术主要存在以下不足1、策略固定，不利于后期扩展最初的VQC装置，设计简单，策略单一，只提供经典九区控制，一切控制和闭锁都是在固化的逻辑中进行，用户只需要进行简单的上下限定值设置，就可以进行VQC控制了，这种控制的缺点是用户没有任何选择策略的权利，且策略简单，不能应付各种复杂的现场情况，控制效果差；闭锁条件不具备后期扩展能力，只能在设计时充分考虑到足够多的闭锁情况并进行相关设计，如果确实需要扩展，则必须考虑修改程序。
现有的VQC装置，已经摆脱了原先的单策略模式，开始朝着集成模式发展，一般系统中都提供几种常用的控制策略，用户可以根据需要进行合适的选择，但是这种选择的灵活性依然有限，常用的控制策略也不能适用于所有的情况，比如有些特殊的工程现场，就希望九区边界可根据现场情况的不同动态变化，并且各个区域的动作策略可以自定义。在面对类似这样有某种特殊需要的用户时，集成模式的VQC装置的灵活性也失去了作用，只能通过更改程序来满足用户的特殊需求，这种针对特殊用户量身裁定的系统失去了通用性的标准，也耗费了大量的人力物力，拖延了工程进度。
2、无仿真功能目前已有的VQC装置基本无仿真功能，一般通过手工置数来达到简单的仿真测试的目的，首先设置电压、无功、功率因数的初始状态，然后在VQC系统发出每条控制指令之后，再人工置数相关的电压无功，达到模拟实际情况的效果。而且九区图上只显示当前系统的状态，对发出控制令前的系统状态没有记忆功能，这种仿真过程步骤繁琐，不易于观察了解整个控制过程。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术在扩展灵活性和仿真功能上存在的缺陷，把公式逻辑编辑器和电压无功自动控制装置有机结合，通过自定义公式满足不同的控制需求；同时提供方便的仿真测试功能，检验基于自定义公式的控制策略的正确性。
为实现以上目的，所述的基于公式的可编程电压无功自动控制装置是通过如下的技术方案实现的，所述的基于公式的可编程电压无功自动控制装置包括VQC控制单元，该单元与实时数据库连接，用于通过实时数据库与公式运算单元进行数据交换，并且该单元具有与控制对象连接的控制输出接口；公式运算单元，该单元与实时数据库连接，用于通过实时数据库与VQC控制单元进行数据交换；
实时数据库，该数据库与VQC控制单元以及公式运算单元连接，所述的实时数据库是由一系列的存储器构成的，用于向VQC控制单元和公式运算单元提供其要求的信息，该数据库采集被控制对象的数据，构成多种信息数据库。
所述的多种信息数据库包括监视控制与数据采集SCADA(Supervisory ControlAnd Data Acquisition)库、设备库、拓扑库和公式库。
所述的公式运算单元是由一系列逻辑单元构成的，提供强大的计算功能，包括基本运算和VQC应用的特色运算，所述的基本运算包括数值运算和逻辑运算，实时库中所有的实时量、常量、设备量、时间量、临时变量都可以参与运算，运算结果也可以写入实时库；所述的VQC应用的特色运算包括对延时运算函数、取时函数、设备闭锁运算和控制运算。
所述的VQC控制单元是由通讯程序及开入开出板卡构成的输出控制单元，该VQC控制单元接收公式运算单元给出的控制指令，通过调节变压器分接头或投切电容电抗设备使得相关的电压和无功被控制在上下限值内，满足变电站内的母线电压质量和无功平衡的要求。
本发明满足了用户多变的控制需求，避免因用户需求的不同而频繁地进行程序的改动，提供给用户一个强大的二次开发平台，以不变的平台满足多变的用户需求。
下面结合附图对本发明的技术方案进一步地描述，能够更好地理解本发明的实质和优点。


图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的装置中使用的九区域图的工作原理示意图。
图3是本发明的装置工作时序图。
图4是本发明的装置仿真时序图。
具体实施例方式
图1是本发明的装置结构示意图。如图1所示，所述的装置包括VQC控制单元，该单元与实时数据库连接，用于通过实时数据库与公式运算单元进行数据交换，并且该单元具有与控制对象连接的控制输出接口；
所述的VQC控制单元是由通讯程序及开入开出板卡构成的输出控制单元，该VQC控制单元用于对电容电抗变压器等设备的控制命令的出口，使得相关的电压和无功被控制在上下限值内，所述的电压和无功的上下限就构成了如图2所示的九区图上。
公式运算单元，该单元与实时数据库连接，用于通过实时数据库与VQC控制单元进行数据交换；所述的公式运算单元是由一系列逻辑单元构成的核心计算单元，提供多种计算功能和灵活的计算模式。
所述的多种计算功能包括基本运算和VQC应用的特色运算。所述的基本运算包括数值运算和逻辑运算，实时库中所有的实时量、常量、设备量、时间量、临时变量都可以参与运算，运算结果也可以写入实时库；所述的VQC应用的特殊运算包括对延时运算函数、取时函数、设备闭锁运算和控制运算。
所述的计算模式包括周期运算模式和变量触发模式。所述的周期运算模式指按照事先设定的时间，周期性地运行公式，进行运算结果的输出；所述的变量触发模式只有在条件变量发生变化的时刻才运行公式，输出计算结果。
所述的计算公式采用IF()THEN{}ELSE{}的格式进行公式编辑，符合编程习惯，易于掌握。
所述的公式运算单元是整个VQC装置的策略核心，是VQC控制策略的形成和VQC闭锁逻辑生成的基础。由于VQC的控制策略逻辑性强，可以用一组逻辑公式清楚地表达。而计算公式的编辑修改上的灵活性又正是现在的VQC装置所欠缺的，因此，在VQC装置中加入公式运算单元，以改变固定控制策略带来的不足。VQC与公式结合的优势，主要体现在装置的可扩展性上，在工程现场没有特殊需求时，可以启用固化于装置中的控制策略并运行，有特殊需要时，也可以很方便地利用逻辑公式编辑器生成自己需要的逻辑，达到预期的控制目标。这对于应用环境千差万别的VQC而言，这种友好的二次开发性能尤为重要。用户可以用多个自定义的逻辑公式任意组合生成自己需要的控制策略和闭锁逻辑，也可以选用固化于VQC装置中的几个经典策略。但用户在利用公式进行逻辑设计时往往会有疏忽，为了避免应用错误的逻辑，让用户清楚地了解整个控制过程，该装置提供了仿真功能，同时在九区图上绘制出仿真过程中装置状态点的运动轨迹。
所述的公式运算单元具备可选的报警输出功能，如果需要，可以启用报警功能，则某条公式在其条件IF()部分满足时运行会自动发出报警，以文字报警给予提示。
实时数据库，该数据库与VQC控制单元以及公式运算单元连接，所述的实时数据库是由一系列的存储器构成的，用于向VQC控制单元和公式运算单元提供其要求的信息，该数据库采集被控制对象的数据，构成具有多种信息数据库。
所述的实时数据库包括监视控制与数据采集SCADA(Supervisory Control AndData Acquisition)库、设备库、拓扑库和公式库，实时数据库是装置数据源，例如计算公式从实时库获取所有参与公式运算的计算量，包括四遥量、VQC定值信息，设备信息、拓扑信息，并将最终运算结果写入共享实时库，可以被其他应用轻松使用。同理，VQC装置也利用共享实时库获得它必需的P、Q、U等四遥量、设备信息和公式信息，并输出VQC的状态信息和拓扑分析结果。
图2是本发明的装置中使用的九区域图的工作原理示意图。所述的VQC控制单元是由通讯及开入开出板卡构成的输出控制单元，该VQC控制单元用于对电容电抗变压器等设备的控制命令的出口，使得相关的电压和无功被控制在上下限值内，所述的电压和无功的上下限就构成了如图2所示的九区图。
VQC装置主要完成的功能有形成变压器、母线和电容的网络拓扑信息；实时监视设备的当前状态；在目标电压或无功越限时，按照事先指定的公式策略进行设备的闭锁或动作，实现VQC的电压无功自动控制。
VQC控制策略演变至今，基本是在经典九区的基础上改进，因此以经典九区为例说明公式运算单元如何生成VQC的控制策略。如图2所示。横轴为功率因数，纵轴为控制侧电压。ΔUQ为电容器电压调整率。这样主变的运行状态就可以映射到图中。电压的限值与功率因数的限值将图分成9个区域。第九区电压合格，功率因数也合格是调节的目标区域。
每个区域分别阐述如下(参考表1)表1九区策略表

以九区控制策略简单举例，参考表2、表3、表4表2九区策略公式算例

根据上述表2可以使用如下的文字描述第1区域的状态是U越下限，Cos越下限，公式逻辑是IF(@U＜@U.DOWNLIMIT&&@COS＜@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#C，CLOSE)；DO(#T，UP)；}第2区域的状态是U合格，Cos越下限，公式逻辑是IF(@U＞＝@U.DOWNLIMIT&&@U＜＝@U.UPLIMIT&&@COS＜@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#C，CLOSE)；}第3区域的状态是U越上限，Cos越下限，公式逻辑是IF(@U＞@U.UPLIMIT&&@COS＜@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#T，DOWN)；}第4区域的状态是U越上限，Cos合格，公式逻辑是IF(@U＞@U.UPLIMIT&&@COS＜＝@COS.UPLIMIT&&@COS＞＝@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#T，DOWN)；}第5区域的状态是U越上限，Cos越上限，公式逻辑是IF(@U＞@U.UPLIMIT&&@COS＞@COS.UPLIMIT)THEN{DO(#C，OPEN)；DO(#T，DOWN)；}第6区域的状态是U合格，Cos越上限，公式逻辑是IF(@U＞＝@U.DOWNLIMIT&&@U＜＝@U.UPLIMIT&&@COS＞@COS.UPLIMIT)THEN{DO(#C，OPEN)；}第7区域的状态是U越下限，Cos越上限，公式逻辑是IF(@U＜@U.DOWNLIMIT&&@COS＞@COS.UPLIMIT)THEN{DO(#T，UP)；}第8区域的状态是U越下限，Cos越合格，公式逻辑是IF(@U＜@U.DOWNLIMIT&&@COS＜＝@COS.UPLIMIT&&@COS＞＝@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#T，UP)；}第9区域的状态是U和Cos合格，无需逻辑公式；上述公式中的符号含义是(见表4)符号@U的含义是目标电压，符号@U.DOWNLIMIT的含义是目标电压下限符号@U.UPLIMIT的含义是目标电压上限，符号@COS的含义是功率因数，符号@COS.DOWNLIMIT的含义是功率因数下限，符号#T的含义是相关变压器，符号@COS.UPLIMIT的含义是功率因数上限，符号#C的含义是合适的无功设备，
符号@A[n]的含义是序号为n的模拟量值，符号DO的含义是控制命令函数，符号OPEN的含义是切除电容，符号CLOSE的含义是投入电容，符号UP的含义是升分接头，符号DOWN的含义是降分接头，符号#T1的含义是索引号为1的变压器，符号#C3的含义是索引号为3的无功设备，符号@D[n]的含义是序号为n的遥信量值。
表3闭锁逻辑公式算例

表4公式符号说明表

有时九区控制策略并不能满足工程现场的特殊需求，因此有用户期望能够通过更多的动作区域，获得更好的控制效果，于是后来又出现了十七区图、十九区图，但这均是在九区图的基础上划分了更详细的区域，在不同的区域采用不同的动作策略。但不管是几区动作策略，都可以通过上述方式形成相关的动作策略，达到预期控制目的。
编辑好的公式如果不想启用，没有必要把公式从库中删除，直接修改其启用属性即可。
图3是本发明的装置工作时序图。如图3所示，VQC控制单元启动时首先装载定值，如果发现公式，则优先考虑公式逻辑，在公式运行条件满足时激活公式运算，在获得公式运算结果后，进行控制输出或闭锁操作。如果没有公式，则采用单元内默认的策略进行控制。
图4是本发明的装置仿真时序图。用户只需要定义好装置的初始状态(即定值设置完毕，电压无功的初始值设置完毕)，启动仿真功能后，装置将运行在仿真状态下，与外部隔离，不对实际装置产生任何影响(如图4所示)。所有电压无功等控制量的改变都将在预定逻辑下自动改变，不需用户参与，九区图上将留下整个仿真过程的运动轨迹。如图2所示，其中就表示了装置状态从1区到8区再到9区的整个控制过程。实心圆点表示了装置的最终控制状态，空心虚点表示历史状态。
这种仿真方法步骤简单，仿真结果直观明了，对于利用公式实现自己的控制逻辑的用户而言，这种仿真尤为必要，是检测逻辑是否正确的重要手段。
综上所述，本发明的基于公式的可编程电压无功自动控制装置构成给出了一般的技术方案，该方案是在电力自动控制系统的硬件设备的基础是构成的，因此，本发明没有必要对现存电力自动控制系统的硬件设备的构成详细描述，本领域的技术人员可以根据所述的方案对其具体构成进行修改，例如对VQC控制单元、公式运算单元和实时数据库的构成及其连接方式进行修改，这些都没有脱离本发明权利要求书限定的范围。
权利要求
1.一种基于公式的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于，所述的装置包括VQC控制单元，该单元与实时数据库连接，用于通过实时数据库与公式运算单元进行数据交换，并且该单元具有与控制对象连接的控制输出接口；公式运算单元，该单元与实时数据库连接，用于通过实时数据库与VQC控制单元进行数据交换；实时数据库，该数据库与VQC控制单元以及公式运算单元连接，所述的实时数据库是由一系列的存储器构成的，用于向VQC控制单元和公式运算单元提供其要求的信息，该数据库采集被控制对象的数据，构成多种信息数据库。
2.根据权利要求1所述的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于所述的多种信息数据库包括监视控制与数据采集SCADA库、设备库、拓扑库和公式库。
3.根据权利要求2所述的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于所述的公式库保存了可任意添加编辑的公式，通过公式，可以实现多套自定义的电压无功控制策略，实现标准九区电压无功控制策略的公式具有以下特点第1区域的状态是U越下限，Cos越下限，公式逻辑是IF(@U＜@U.DOWNLIMIT &&@COS＜@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#C，CLOSE)；DO(#T，UP)；}第2区域的状态是U合格，Cos越下限，公式逻辑是IF(@U＞＝@U.DOWNLIMIT &&@U＜＝@U.UPLIMIT&&@COS＜@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#C，CLOSE)；}第3区域的状态是U越上限，Cos越下限，公式逻辑是IF(@U＞@U.UPLIMIT &&@COS＜@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#T，DOWN)；}第4区域的状态是U越上限，Cos合格，公式逻辑是IF(@U＞@U.UPLIMIT&&@COS＜＝@COS.UPLIMIT&&@COS＞＝@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#T，DOWN)；}第5区域的状态是U越上限，Cos越上限，公式逻辑是IF(@U＞@U.UPLIMIT &&@COS＞@COS.UPLIMIT)THEN{DO(#C，OPEN)；DO(#T，DOWN)；}第6区域的状态是U合格，Cos越上限，公式逻辑是IF(@U＞＝@U.DOWNLIMIT &&@U＜＝@U.UPLIMIT&&@COS＞@COS.UPLIMIT)THEN{DO(#C，OPEN)；}第7区域的状态是U越下限，Cos越上限，公式逻辑是IF(@U＜@U.DOWNLIMIT &&@COS＞@COS.UPLIMIT)THEN{DO(#T，UP)；}第8区域的状态是U越下限，Cos越合格，公式逻辑是IF(@U＜@U.DOWNLIMIT&&@COS＜＝@COS.UPLIMIT&&@COS＞＝@COS.DOWNLIMIT)THEN{DO(#T，UP)；}第9区域的状态是U和Cos合格，无需逻辑公式；上述公式中的符号含义是符号@U的含义是目标电压，符号@U.DOWNLIMIT的含义是目标电压下限，符号@U.UPLIMIT的含义是目标电压上限，符号@COS的含义是功率因数，符号@COS.DOWNLIMIT的含义是功率因数下限，符号#T的含义是相关变压器，符号@COS.UPLIMIT的含义是功率因数上限，符号#C的含义是合适的无功设备，符号@A[n]的含义是序号为n的模拟量值，符号DO的含义是控制命令函数，符号OPEN的含义是切除电容，符号CLOSE的含义是投入电容，符号UP的含义是升分接头，符号DOWN的含义是降分接头，符号#T1的含义是索引号为1的变压器，符号#C3的含义是索引号为3的无功设备，符号@D[n]的含义是序号为n的遥信量值。
4.根据权利要求2或3所述的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于所述的公式运算单元是由一系列逻辑单元构成的核心计算单元，它提供多种计算功能和灵活的计算模式。
5.根据权利要求4所述的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于所述的多种计算功能包括基本运算和VQC应用的特色运算，所述的基本运算包括数值运算和逻辑运算，实时库中所有的实时量、常量、设备量、时间量、临时变量都可以参与运算，运算结果也可以写入实时库；所述的VQC应用的特殊运算包括对延时运算函数、取时函数、设备闭锁运算和控制运算。
6.根据权利要求5所述的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于所述的计算模式包括周期运算模式和变量触发模式，所述的周期运算模式指按照事先设定的时间，周期性地运行公式，进行运算结果的输出；所述的变量触发模式是只有在条件变量发生变化的时刻才运行公式，输出计算结果。
7.根据权利要求1或3所述的可编程电压无功自动控制装置，其特征在于所述的VQC控制单元是由通讯程序及开入开出板卡构成的输出控制单元，该VQC控制单元接收公式运算单元给出的控制指令，通过调节变压器分接头或投切电容电抗设备使得相关的电压和无功被控制在上下限值内，满足变电站内的母线电压质量和无功平衡的要求。
全文摘要
本发明公开了一种基于公式的可编程电压无功自动控制装置，所述的装置包括VQC控制单元，该单元通过实时数据库与公式运算单元进行数据交换，获得并输出控制命令，该单元具有与控制对象连接的控制输出接口；公式运算单元，该单元通过实时数据库与VQC控制单元进行数据交换；实时数据库，该数据库提供运算所需的所有数据，所述的实时数据库是由一系列的存储器构成的，向VQC控制单元和公式运算单元提供其要求的信息，该数据库采集被控制对象的数据，构成具有多种信息的数据库，是系统的数据源。本发明作为一个电压无功自动控制装置，可以保证电力系统中变电站的母线电压质量和无功平衡，但更重要的是，它具备强大的可编程特性，可以满足工程现场多变复杂的控制需求。
文档编号G05F1/70GK1655085SQ20051000870
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月24日 优先权日2005年2月24日
发明者高卓, 葛亮, 王志林, 王申强 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司