专利名称：基于dsp的桥式超导限流器控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统桥式超导限流器(SFCL)控制技术领域，是一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统。
背景技术：
桥式超导限流器(又称桥路型超导故障限流器)通常由GTO或者IGBT等大功率电力电子器件加超导电感器构成，其控制电路多由单片机组成，控制装置大多存在硬件电路复杂、调试困难、抗干扰能力差和存在温度漂移等缺点。由于大功率电路对触发脉冲要求很高，传统控制装置无论在控制精度，还是在控制速度上都难以满足现代大功率电路的要求。而随着电力行业的快速发展，配电系统的容量和规模日益增大，对控制装置的要求也不断提高，传统控制装置已经难以满足现代工业的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，它采用高性能的信号处理器，可较好的克服上述传统控制系统的缺点，是一种快速度、高精度的控制系统。
本发明的详细技术方案一种基于DSP的超导故障限流器控制系统，其特征在于它是由信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成；所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，包含光电隔离电路的中央数据处理电路的输出端分别连接功率驱动管电路，功率驱动管电路的输出端连接超导限流器可关断晶闸管单元电路的各个GTO门极输入端。
上述所说的信号整形变换处理电路由交流采样前端电路、多路选择开关与A/D转换电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入多路选择开关，再经A/D转换电路处理为数字信号后送入中央数据处理电路。
上述所说的交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；此电路将采集的电压、电流信号放大为-15V～+15V的电压，经一级运放隔离后送入多路选择开关；所说的多路选择开关采样通道的选择由DSP的I/O口进行控制；所说的A/D转换电路对多路开关输出的信号进行变换，得到数字量信号，经DSP外部I/O口进入DSP中，以待进行数据补偿及进一步处理。
上述所说的中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路、光电隔离电路及数据总线驱动电路；所编软件控制程序设定DSP芯片的控制执行条件、对数据总线驱动电路输入信号的辨识、处理及所发出的控制指令；其中电源管理模块提供电能供给；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号。
上述所说的DSP芯片包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口；电源管理模块由双电源供电器件U3及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成。
上述所说的功率驱动管电路包括三相脉冲放大电路，由二极管、电阻、三极管及功率管构成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经功率管、三极管进行放大，提供给超导限流器可关断晶闸管单元电路，对超导限流器进行控制；所说的三相脉冲放大电路的一相包括放大“+A1”脉冲的放大电路，含二极管D1、电阻、功率管U9和三极管N1，放大“-A1”脉冲的放大电路，含二极管D2、电阻、功率管U10和三极管N2，放大“+A2”脉冲的放大电路，含二极管D3、电阻、功率管U11和三极管N3，放大“-A2”脉冲的放大电路，含二极管D4、电阻、功率管U12和三极管N4；同理另外两相共有12个GTO功率单元。
上述所说的超导限流器可关断晶闸管单元电路包括单相交流回路中的4个GTO单元，三相共计12个GTO单元；它们的控制脉冲来自经过功率驱动管电路放大处理过后的信号。
本发明的工作原理本案所采用的超导限流器可关断晶闸管单元电路其工作原理是由桥路型超导限流器(SFCL)决定的，桥路型超导限流器(SFCL)电路中的超导线圈L的主要作用是提供偏流和限制短路电流，直流偏压电源V为超导线圈L提供偏流iL，调节其大小，使正常工作状态下iAL(以A相为例)大于线路正常电流iac的峰值；同时调节触发角使桥路类似于二极管桥路，并始终导通。此时超导线圈处于超导态，阻抗很小，整个限流器除了桥路上有小的正向压降外，装置不表现任何阻抗。在故障状况下，当iac幅值增大到设定值时，在iac正、负半周内，调节相关GTO的触发角，使超导线圈L串入线路，故障电流就被超导线圈L的大电感所限制；同时改变触发角使桥路工作于逆变状态，将使超导限流器中大电感的磁能反馈给电网，保护相关设备。
本案所说的基于DSP的超导故障限流器控制装置的工作原理为信号整形变换处理电路把输电线路电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电流变换为较低幅值交流电压，经多路选择开关及模/数转换器件变为数字量信号送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中。正常工作时，控制触发角，使GTO桥路类似于二极管桥路工作；当线路发生故障使电流增大到设定限值时，中央数据处理电路根据输入量按照选定的控制规律计算出限流器可关断晶闸管单元电路的触发角，延时发出脉冲，经功率驱动管电路放大后触发相关GTO，通过超导电感器大电感遏制短路电流，并通过控制触发角使桥路处于逆变状态，满足电力系统继电保护的需要，保护相关电力设备及线路，并有利于重合闸操作。
本发明的优越性和技术效果在于利用高性能DSP数字信号处理芯片实现桥路式超导限流器的控制，很大程度上提高控制的速度和精度，减少普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个控制系统具有很好的调节性能和可靠性，增强电网的稳定性，可较好的保证输电线路故障时的保护动作，降低大面积停电事故的概率。采用DSP组成控制系统，硬件电路简单、输出触发脉冲安全可靠、实时控制精度高，可较大提高装置的稳定性和可靠性。将DSP应用于桥路式超导限流器中，对GTO等组成的电子开关进行闭环控制，可充分发挥DSP的高速数据计算能力和高精确度数据处理能力。加上桥路式超导限流器无大电流交流损耗、无铁心装置、适于自动重合闸、动作电流值可控等特有优点，大大提高桥式超导限流器的稳定性和可靠型，最大程度减小电网短路故障带来的损失，此超导限流器控制装置具有广阔的应用前景。
附图1为本发明所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制系统”中的单机电路整体结构示意图。
附图2为本发明所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制系统”中的信号整形变换处理电路结构示意图。
附图3为本发明所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制系统”中的中央数据处理电路的结构示意图。
附图4为本发明所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制系统”中的功率驱动管电路的结构示意图。
附图5为本发明所涉“基于DSP的桥式超导限流器控制系统”中超导限流器可关断晶闸管单元电路的单相电路和系统电路结构示意图(其中图5-a为单相桥式超导限流器示意图；图5-b为三相系统示意图)。
具体实施例方式实施例一种基于DSP的桥式超导故障限流器控制系统(见图1)，其特征在于它以美国德州仪器推出的高性能DSP芯片TMS320F2812为中央处理器，整个装置由信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成；所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，包含光电隔离电路的中央数据处理电路的输出端分别连接功率驱动管电路，功率驱动管电路的输出端连接超导限流器可关断晶闸管单元电路的各个GTO门极输入端。
上述所说的信号整形变换处理电路(见图2)由交流采样前端电路、多路选择开关与A/D转换电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入多路选择开关，再经A/D转换电路处理为数字信号后送入中央数据处理电路。
上述所说的交流采样前端电路(见图2)用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；此电路将采集的电压、电流信号放大为-15V～+15V的电压，经一级运放隔离后送入多路选择开关；所说的多路选择开关采样通道的选择由DSP的I/O口进行控制；所说的A/D转换电路对多路开关输出的信号进行变换，得到数字量信号，经DSP外部I/O口进入DSP中，以待进行数据补偿及进一步处理；该电路工作过程为外部电压、电流信号经互感器转换为电压信号，经过限幅、相移补偿、阻容滤波、运放隔离电路进入多通道选择开关AD7506，由DSP控制所选通道，被选通道信号经16位高速A/D转换器得到高精度的数字信号，再通过I/O口进入DSP内核，进行进一步的运算处理。
上述所说的中央数据处理电路(见图3)包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路、光电隔离电路及数据总线驱动电路；所编软件控制程序设定DSP芯片的控制执行条件、对数据总线驱动电路输入信号的辨识、处理及所发出的控制指令；其中电源管理模块提供电能供给；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号。
上述所说的DSP芯片(见图3)包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口；电源管理模块由双电源供电器件TPS73HD301及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路，由两片双向数据缓冲器74LS245构成；该电路工作过程为将A/D转化所得的数字量接收到DSP后，对数据进行补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标么值，运算得出控制角，并转化计数值，产生4个(三相共计12个)不同的控制脉冲(+A1、-A1、+A2、-A2)。
上述所说的功率驱动管电路(见图4)包括三相脉冲放大电路，由二极管、电阻、三极管及功率管构成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经功率管、三极管进行放大，提供给超导限流器可关断晶闸管单元电路，对超导限流器进行控制；所说的三相脉冲放大电路的一相包括放大“+A1”脉冲的放大电路，含二极管D1、电阻、功率管U9和三极管N1，放大“-A1”脉冲的放大电路，含二极管D2、电阻、功率管U10和三极管N2，放大“+A2”脉冲的放大电路，含二极管D3、电阻、功率管U11和三极管N3，放大“-A2”脉冲的放大电路，含二极管D4、电阻、功率管U12和三极管N4；同理另外两相共有12个GTO功率单元；该电路工作过程为该功率驱动管电路把DSP输出的4个(三相共计12个)控制脉冲(+A1、-A1、+A2、-A2)进行放大，以便可靠地触发后面的GTO单元。二极管D1、D2、D3和D4的作用是防止脉冲反向输入，避免干扰DSP芯片的正常工作。
上述所说的超导限流器可关断晶闸管单元电路(见图5-a、图5-b)包括单相交流回路(见图5-a)中的4个GTO单元，三相共计12个GTO单元(见图5-b)；它们的控制脉冲来自经过功率驱动管电路放大处理过后的信号；该电路工作过程为超导限流器可关断晶闸管单元电路中的4个GTO单元G1、G2、G3和G4，按照一定的时序接收来自功率驱动管电路的信号得以触发，正常工作时，桥路导通类似二极管桥路；发生短路故障后，调节相关GTO的触发角，使超导线圈L串入线路，故障电流就被超导线圈L的大电感所限制；同时改变触发角使桥路工作于逆变状态，将使超导限流器中大电感的磁能反馈给电网，保护相关设备。
权利要求
1.一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于它是由信号整形变换处理电路、中央数据处理电路、功率驱动管电路和超导限流器可关断晶闸管单元电路组成；所说的信号整形变换处理电路的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，包含光电隔离电路的中央数据处理电路的输出端分别连接功率驱动管电路，功率驱动管电路的输出端连接超导限流器可关断晶闸管单元电路的各个GTO门极输入端。
2.根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于所说的信号整形变换处理电路由交流采样前端电路、多路选择开关与A/D转换电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入多路选择开关，再经A/D转换电路处理为数字信号后送入中央数据处理电路。
3.根据权利要求2所说的一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于所说的交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；此电路将采集的电压、电流信号放大为-15V～+15V的电压，经一级运放隔离后送入多路选择开关；所说的多路选择开关采样通道的选择由DSP的I/O口进行控制；所说的A/D转换电路对多路开关输出的信号进行变换，得到数字量信号，经DSP外部I/O口进入DSP中，以待进行数据补偿及进一步处理。
4.根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于所说的中央数据处理电路包括DSP芯片、电源管理模块、晶振电路、光电隔离电路及数据总线驱动电路；所编软件控制程序设定DSP芯片的控制执行条件、对数据总线驱动电路输入信号的辨识、处理及所发出的控制指令；其中电源管理模块提供电能供给；晶振电路向DSP芯片提供时钟信号。
5.根据权利要求4所说的一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于所说的DSP芯片包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口；电源管理模块由双电源供电器件U3及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成。
6.根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于所说的功率驱动管电路包括三相脉冲放大电路，由二极管、电阻、三极管及功率管构成；功率驱动管电路将输入脉冲信号经功率管、三极管进行放大，提供给超导限流器可关断晶闸管单元电路，对超导限流器进行控制；所说的三相脉冲放大电路的一相包括放大“+A1”脉冲的放大电路，含二极管D1、电阻、功率管U9和三极管N1，放大“-A1”脉冲的放大电路，含二极管D2、电阻、功率管U10和三极管N2，放大“+A2”脉冲的放大电路，含二极管D3、电阻、功率管U11和三极管N3，放大“-A2”脉冲的放大电路，含二极管D4、电阻、功率管U12和三极管N4；同理另外两相共有12个GTO功率单元。
7.根据权利要求1所说的一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，其特征在于所说的超导限流器可关断晶闸管单元电路包括单相交流回路中的4个GTO单元，三相共计12个GTO单元；它们的控制脉冲来自经过功率驱动管电路放大处理过后的信号。
全文摘要
一种基于DSP的桥式超导限流器控制系统，它通过信号整形变换处理电路采集电信号，经中央数据处理电路处理后发给功率驱动管电路，从而控制桥式超导限流器可关断晶闸管单元电路，达到系统控制目的。本发明的优越性和技术效果在于采用DSP组成控制系统，硬件电路简单、实时控制精度高，可较大提高系统的稳定性和可靠性。将DSP应用于桥路式超导限流器中，对GTO等组成的电子开关进行闭环控制，可最大程度减小电网短路故障带来的损失。
文档编号H02H9/02GK1599183SQ20041002030
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者马幼捷, 周雪松, 向龙瑞, 何彦民, 徐晓宁 申请人:天津理工大学