一种基于多通道采样的并联电力滤波器监控保护装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于多通道采样的并联电力滤波器监控保护装置，属于电能质量技术领域。

背景技术：

随着整流装置、变频器、开关电源、电弧加热设备、气体放电类光源等非线性设备越来越多的投入使用，产生了大量危及电网及用电设备安全运行的谐波。此外传统的变压器或铁心电抗器也会产生谐波。因此就需要在电力系统中装设各类有源或无源并联电力滤波器，用来滤除电力系统中的高次谐波，同时也可以降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电质量，改善供电环境。所以并联电力滤波器在电力供电系统中处在一个非常重要的位置。合理的设计、装设并联电力滤波器，可以有效降低供电系统中的谐波含量，使电网质量提高。然而，如选择或使用不当，也可能造成特定谐波频率下的系统参数谐振、损坏其他用电设备等情况出现。

目前投入使用的并联电力滤波器种类较多，部分投入使用的并联电力滤波器使用年限已经较长，设备也已逐步老化，而且并联电力滤波器在投运后很少再去进行系统的测试。在供电系统中，用电设备也可能较供电系统最初设计时有较大变化，而并联电力滤波器却较少改动，这些因素都可能导致并联电力滤波器的滤波性能下降。由于设计缺陷，有些并联电力滤波器长期使用后会导致元件参数变化，更有可能导致谐振现象的产生，危及电网安全。

目前市场上有很多测量谐波的仪器，如FLUKE 1760等，但绝大多数谐波检测仪器仅提供单个电流和电压检测通道来进行谐波电流、谐波电压的检测。如果想对正在使用中的并联电力滤波器进行性能测试，则必须分别对系统和并联电力滤波器进行分开测试。并且由于供电系统的负载的不断变化，无法对挂网运行的并联电力滤波器进行系统性、准确性、快捷性的滤波性能检测，也就无法实现对并联电力滤波器进行跟踪监测。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于多通道采样的并联电力滤波器监控保护装置，能够对复杂供电系统中在网运行的并联电力滤波器进行较长时间段的谐波滤除性能测试，综合判断并联电力滤波器的利用效率，并实时分析供电系统的谐波发生状况，保护并联电力滤波器设备。

根据本实用新型的一个方面，提供一种基于多通道采样的并联电力滤波器监控保护装置，包括：电压采集模块，所述电压采集模块与母线或220V/380V主回路连接，用于测量并联电力滤波器所在母线的母线电压信号；电流采集模块，所述电流采集模块与总进线电流互感器二次侧相连接，用于测量总进线的电流信号；多个滤波支路电流采集模块，各滤波支路电流采集模块分别与各滤波支路的电流互感器二次侧相连接，用于测量各滤波支路的电流信号；其中，各采集模块的采样信号经滤波、放大后送至A/D转换模块，DSP数字信号处理模块，DSP数字信号处理模块包括芯片以及与芯片通过电路连接的FFT变换计算单元、基本谐波参数计算单元、并联电力滤波器滤波性能计算单元，经A/D转换的电压、电流信号输送入FFT变换计算单元，FFT变换计算单元将采集的电压、电流经快速傅里叶变换，分解为直流分量、基波分量和高次谐波分量，基本谐波参数计算单元接收FFT变换计算单元传输的基波和高次谐波分量，并计算出电力参数，并联电力滤波器滤波性能计算单元调用基本谐波参数计算单元中的计算数据，结合并联电力滤波器滤波性能计算单元内置的标准参数，比较得出并联电力滤波器的各次谐波滤除能力，同时计算各滤波支路是否产生谐振。

优选地，DSP数字信号处理模块还包括非易失性存储单元以及LCD显示模块，DSP数字信号处理模块通过通讯接口分别与所述非易失性存储单元、LCD显示模块连接，所述LCD显示模块随时调用非易失性存储单元内所有数据并显示并联电力滤波器性能及供电系统电能质量各项参数。

优选地，DSP数字信号处理模块还连接有4×4矩阵式键盘，通过4×4矩阵式键盘输入并联电力滤波器供电系统参数以及各滤波支路设备参数、电抗器、并联电力滤波器接线方式参数，FFT变换计算单元依据输入的参数计算出滤波支路的基波电流。

优选地，DSP数字信号处理模块根据总进线电流变换后的谐波分量电流有效值、并联电力滤波器滤波支路的谐波电流有效值，计算出并联电力滤波器谐波滤除率，计算出的并联电力滤波器谐波滤除率经与4×4矩阵式键盘输入的设定值比较，判断各滤波支路的谐波滤除率是否低于设定值，如某路滤波支路滤除率低于设定值，则LCD显示模块显示该路滤波支路报警。

优选地，并联电力滤波器滤波性能计算单元经与内置的标准参数比较，判断各滤波支路的谐波电压含有率是否超出标准范围，以确定滤波支路是否产生谐振，并将计算结果发送给LCD显示模块显示。

优选地，DSP数字信号处理模块的I/O接口与跳闸继电器连接，跳闸继电器与滤波支路的断路器/接触器连接，当并联电力滤波器滤波性能计算单元判断i次滤波支路产生谐振时，DSP数字信号处理模块通过I/O接口向跳闸继电器发出跳闸信号，跳闸继电器发送信号给断路器/接触器，依次断开最高次至i次滤波支路，同时LCD显示模块显示谐振报警，其中i为大于1的自然数。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本实用新型的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本实用新型实施例涉及的并联电力滤波器监控保护装置的系统结构框图；

图2是表示本实用新型实施例涉及的DSP数字信号处理模块计算单元原理框图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本实用新型所述的基于多通道采样的并联电力滤波器监控保护装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

为系统地对电网中挂网运行的并联电力滤波器，特别是高压并联电力滤波器的滤波性能进行在线监测，并准确、快速地进行滤波性能测试分析，保护高压并联电力滤波器的安全运行，同时获得电网的谐波发生量的状况及特点信息，本实用新型采用如下技术方案：

该并联电力滤波器监控保护装置由电压采集模块、电流采集模块、滤波支路电流采集模块、A/D转换模块、DSP数字信号处理模块组成，其中，滤波支路电流采集模块的数量和滤波支路的数量是一致的。

如图1所示，电压采集模块与连接于母线上的电压互感器连接，或者与220V/380V主回路连接，对被测并联电力滤波器所在母线的母线电压进行采样。电流采集模块与本段总进线电流互感器二次侧连接，用于测量本段总进线电流。电路中会有多次滤波，针对每次滤波均形成一个滤波支路。对各个滤波支路的电流进行采集，采用滤波支路电流采集模块分别和各个滤波支路的电流互感器二次侧连接，测量滤波支路的电流，如图1所示，对应2次滤波支路，设置有1个滤波支路电流采集模块，对应3次滤波，也设置有1个滤波支路电流采集模块，对应i次滤波，也设置有1个滤波支路电流采集模块。滤波支路电流采集模块分别与各个滤波支路的电流互感器的二次侧相连接，以测量并联电力滤波器各个滤波支路电流。所有采样信号经各采集模块滤波、放大后送至A/D转换模块，经A/D转换后的各信号送至DSP数字信号处理模块，用以计算电能质量参数。

DSP数字信号处理模块包括TMS320F28335芯片以及与芯片具有电路连接的FFT变换计算单元、基本谐波参数计算单元、并联电力滤波器滤波性能计算单元。TMS320F28335芯片是监控保护装置的主控制器，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，用于完成监控保护装置的各项内部运算、通信处理等工作。FFT变换计算单元、基本谐波参数计算单元、并联电力滤波器滤波性能计算单元可以是可插接式硬件设备，分别与芯片接口具有电路连接。并且，芯片与复位电路、时钟电路连接，并具有JTAG仿真接口、外扩I/O接口、电源接口、通讯接口。外扩I/O接口与跳闸继电器、指示灯等连接，用于监控保护装置报警、跳闸等保护动作输出。

电源模块采用TPS767D301芯片，为DSP数字信号处理模块等提供3.3V控制电源和1.9V内核电源。通讯接口包括RS232、RS485、CAN总线通讯接口，可与外部网络设备连接，例如传输数据和控制指令。

复位电路与外部复位按钮或复位转换开关连接，为防止外部干扰，RC复位电路接斯密特电路后再接入DSP RST引脚。当复位按钮或复位转换开关置复位时，DSP RST引脚为高电平，DSP芯片恢复至初始状态，重新开始执行程序。FFT变换计算单元、基本谐波参数计算单元、并联电力滤波器滤波性能计算单元重新执行计算程序，跳闸继电器失电，LCD显示模块中报警消失。

时钟电路采用外部石英晶振，与DSP上的X1和X2连接，为DSP芯片、A/D转换、通讯接口等提供外设时钟。

此外，如图1所示，监控保护装置还具有LCD显示模块，LCD显示模块作为监控保护装置人机界面一部分，由LCD控制器、LCD驱动电路、LCD显示装置等构成，用于显示监控保护装置的各项参数及设备状态等信息。DSP数字信号处理模块中设置有FFT变换计算单元、基本谐波参数计算单元、并联电力滤波器滤波性能计算单元。利用测量的母线电压、本段总进线电流、各次滤波电流计算基本谐波参数，并和国际、电力行业标准中规定的参数进行比较，从而判断滤波器的谐波滤除能力是否达标。并联电力滤波器滤波性能计算单元还设置有比较单元，用于将各计算出的电力参数与标准参数进行比较。例如，并联电力滤波器滤波性能计算单元可以连接嵌入式的比较器，或外接多个门电路等，门电路采用集成电路的形式。并联电力滤波器滤波性能计算单元调用其他计算单元的计算结果进一步计算出谐波滤除率，并发送给比较单元，比较单元将谐波滤除率与4×4矩阵式键盘输入的设定值比较，判断各滤波支路的谐波滤除率是否低于设定值，如某路滤波支路滤除率低于设定值，则比较单元发送信号使LCD显示模块显示该路滤波支路报警。

而且，并联电力滤波器滤波性能计算单元调用基本谐波参数计算单元中计算出的各滤波支路的谐波电压含有率，比较单元判断谐波电压含有率是否超出标准范围，以确定滤波支路是否产生谐振，并将比较结果发送给LCD显示模块显示。

进入DSP数字信号处理模块的信号由FFT变换计算单元进行快速傅里叶变换后分解为直流分量、基波和各高次谐波分量。如图2所示，母线电压经FFT变换后分解为包含直流电压、基波峰值电压、2次谐波峰值电压、3次谐波峰值电压、直至i次谐波峰值电压的一组数据。本段总进线电流经FFT变换后分解为包含直流电流、基波峰值电流、2次谐波峰值电流、3次谐波峰值电流、直至i次谐波峰值电流的一组数据。对应每个滤波支路电流，每个滤波支路电流经FFT变换后分解为包含滤波支路直流电流、基波峰值电流、2次滤波支路谐波峰值电流、3次滤波支路谐波峰值电流、直至i次滤波支路谐波峰值电流的一组数据。分解后的电流和电压分量送入基本谐波参数计算单元，通过各个计算单元进行各项电能质量参数计算。基本谐波参数计算单元内包含有谐波电压含有率计算单元、谐波电流含有率计算单元、谐波电压含量计算单元、谐波电流含量计算单元、电压总谐波畸变率计算单元、电流总谐波畸变率计算单元、并联电力滤波器无功功率计算单元。计算得到包含第i次谐波电压含有率、第i次谐波电流含有率、谐波电压含量、谐波电流含量、电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率、第i次谐波峰值电压、第i次谐波峰值电流、并联电力滤波器无功功率的一组数据。

经基本谐波参数计算单元得出的各项参数再被并联电力滤波器滤波性能计算单元调用，在并联电力滤波器滤波性能计算单元中计算谐波滤除率、谐波谐振。例如，根据总进线电流变换后的谐波分量电流有效值、并联电力滤波器滤波支路的谐波电流有效值，计算出并联电力滤波器谐波滤除率。对应2次谐波支路，计算出2次谐波滤除率、2次谐波谐振。对应i次谐波支路，则计算出2至i次谐波滤除率、2至i次谐波谐振。并且，在并联电力滤波器滤波性能计算单元中已经输入了各项国标、电力行业标准中规定的参数指标，尤其是GB14549-93中规定的各项电流、电压参数的限值，从而比较得出并联电力滤波器的各次谐波滤除能力。

优选地，还设置有4×4矩阵式键盘，通过4×4矩阵式键盘输入并联电力滤波器供电系统参数(公共连接点的电压等级、基准短路容量、公共连接点的最小短路容量等)以及各滤波支路设备参数(公共连接点的基准短路容量、公共连接点的最小短路容量、电容值、额定电压、串并联数等)、电抗器(电感量、品质因数、调谐频率等)、并联电力滤波器接线方式等参数，并依据输入的参数计算出滤波支路的基波电流，并且，判断各滤波支路的谐波电压含有率是否超出行业标准范围，以确定滤波支路是否产生谐振，并在LCD显示模块中作状态显示。

此外，如图1所示，DSP数字信号处理模块的外扩I/O接口与跳闸继电器连接，具体地说，是对应每个滤波支路电流采集模块，均与一个跳闸继电器连接。在每个滤波支路上，还设置有滤波支路断路器/接触器，通过跳闸继电器来控制断路器/接触器的通断。DSP数字信号处理模块实时监控，当监控保护装置分析得出并联电力滤波器中i次滤波支路产生谐振时，会发出跳闸信号，依次断开最高次至i次滤波支路，同时LCD显示模块显示谐振报警，其中i为大于1的自然数。

本实用新型利用电压采集模块、电流采集模块、滤波支路电流采集模块采集得到母线电压数据、本段总进线电流数据、各滤波支路的电流数据，并经过DSP数字信号处理模块运算得到滤波谐振数据，从而判断滤波支路是否产生谐振。并且，如产生谐振现象，则通过跳闸继电器及时控制断路器或接触器分闸，保护并联电力滤波器不受损坏。本实用新型的基于多通道采样的并联电力滤波器监控保护装置可以对复杂供电系统中在网运行的并联电力滤波器进行较长时间段的谐波滤除性能测试，综合判断并联电力滤波器的利用效率，并实时分析供电系统的谐波发生状况，保护并联电力滤波器设备。并且，同时对总进线和并联电力滤波器的电流电压信号进行采样，可以对系统侧和并联电力滤波器侧谐波进行同步计算、分析，避免了系统和并联电力滤波器分别测试，因外部干扰因素而造成的数据分析的误差。

此外，DSP数字信号处理模块外接有非易失性存储单元，用以保存DSP处理运行中的临时数据以及FFT变换计算单元、基本谐波参数计算单元、并联电力滤波器滤波性能计算单元计算得出的各种用于保存和显示的数据，供用户查阅和数据分析。而LCD显示模块可以随时调用非易失性存储单元内所有数据并显示并联电力滤波器性能及供电系统电能质量各项参数，同时可通过通讯接口模块读取非易失性存储单元内的所有数据。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。