电力无功补偿控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型属于电力设备技术领域，尤其涉及一种电力无功补偿控制器，它包括：电源单元，FPGA+DSP单元,按键输入单元和液晶显示单元，通讯单元，控制单元；连接关系为：数据采集单元、开入开出单元、通讯单元以及双端口RAM单元连接到FPGA单元；而FPGA单元和DSP单元通过双端口RAM实现数据交互，并且多方式的通讯单元和人机交互单元与DSP单元连接。本实用新型具有较高的可靠性，体积小，易安装，功能强大，造价低的显著特点。可以提高功率因数，改善电压质量，减少配电线路无功输送流量，缩短配电线路无功输送距离。
【专利说明】
电力无功补偿控制器
技术领域
[0001]本实用新型属于电力设备技术领域，尤其涉及一种电力无功补偿控制器，具体是一种应用到电力线路无功补偿控制器的装置。
【背景技术】
[0002]农网线路较长，负荷分布不均匀，需安装的补偿点较多，如果照搬变电站的无功补偿模式，势必造成投资大，补偿效果不明显，且安装维护不方便。如果采用固定地点安装固定容量的补偿方法，虽然投资较少，但由于未加任何保护，在运行条件恶劣的农网中常发生电容器烧毁事故，给电网运行造成安全隐患。
[0003]因此现有无功补偿装置，基本还存在着功能单一、稳定性差，精度低等不足之处。【实用新型内容】
[0004]本实用新型针对上述现有技术中存在的不足之处，提供一种电力无功补偿控制器。目的是提供一种高压线路无功补偿自动投切、保护动作可靠、开关投切容量大、安装方便，并且非常适应农网线路长、补偿点多、运行条件恶劣的需要的无功补偿控制器。
[0005]为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是:
[0006]电力无功补偿控制器，它包括:电源单元，FPGA+DSP单元，按键输入单元和液晶显示单元，通讯单元，控制单元;连接关系为:数据采集单元、开入开出单元、通讯单元以及双端口 RAM单元连接到FPGA单元;而FPGA单元和DSP单元通过双端口 RAM实现数据交互，并且多方式的通讯单元和人机交互单元与DSP单元连接，按键输入单元和液晶显示单元则通过与控制单元通讯完成控制参数修改以及控制信号显示功能。
[0007]所述的FPGA单元支持并行和流水结构;FPGA单元部内嵌了DSP乘法模块。
[0008]所述的按键输入单元由9针阻排、GAL20V8B逻辑编程芯片、按钮组成。
[0009]所述的通讯单元是以太网通信，具有1Mbi t或10Mbi t自适应通讯能力；同时具有RS232接口、RS485接口、USB接口和JTAG接口 ；所述以太网通信采用Realtek公司第三代快速以太网控制芯片RTL8019，内嵌16Kbit SRAM。
[0010]所述的控制单元由分、合继电器、保持继电器、信号继电器组成，继电器连接真空永磁断路器，用真空永磁断路器作为电容器的投切开关。
[0011 ]本实用新型的优点及应用效果是:
[0012]与现有技术相比，当前的控制器控制算法简单，不能达到精确控制，而且控制实时性差，不具有远方遥控功能。本实用新型具有如下特点:控制器根据线路无功、电压的变化情况进行自动跟踪补偿，提高功率因数，改善电压质量，减少配电线路无功输送流量，缩短配电线路无功输送距离。FPGA+DSP的应用，增强控制系统的可靠性，可以达到实时的测量和控制；以太网具有高速数据通信能力和抗干扰能力，而且可实现遥测、遥信、遥控、遥调，保护定值设定及装置工作状态的查询；按键和显示电路，使用LCD液晶显示，实现参数输入设置和测量数据、保护信息、故障波形的显示，显示模块，采用并行方式，响应速度快，人机交互性很强;保护功能齐备:具有过压保护、欠压保护、电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、零序电流保护、负序电流保护、拒动保护、缺相保护、电容器开口三角电压保护、谐波电压保护、谐波电流保护，并可按照需求求进行定制；测量功能:高精度测量电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率;高度集成:集保护、测量、控制、监测、通讯、事件记录等多种功能于一体;友好人机界面:图形液晶显示，动态显示一次系统图、实时波形图、故障录波图、各种电气参数及保护信息；此外本实用新型还具有高可靠性，体积小，易安装，功能强大，造价低的显著特点。
[0013]下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型无功补偿控制器的结构框图；
[0015]图2是本实用新型电源电路原理图；
[0016]图3是本实用新型按键显不电路原理图中按键电路；
[0017]图4是本实用新型按键显不电路原理图中液晶显不电路；
[0018]图5是本实用新型以太网通讯电路原理图。
【具体实施方式】
[0019]本实用新型是一种电力无功补偿控制器，具体是一种基于FPGA+DSP单元的无功补偿控制器的设计。它包括:电源单元，FPGA+DSP单元，按键输入单元和液晶显示单元，通讯单元，控制单元。FPGA+DSP单元结构可以方便地实现逻辑控制和复杂算法协调控制功能。连接关系为:数据采集单元、开入开出单元、通讯单元以及双端口 RAM单元连接到FPGA单元；而FPGA单元和DSP单元通过双端口 RAM实现数据交互，并且多方式的通讯单元和人机交互单元与DSP单元连接;按键单元和液晶显示单元则通过与控制单元通讯完成控制参数修改以及控制信号显示等功能;这样的硬件结构可以实现复杂算法和逻辑控制的实时操作。
[0020]电源单元，电源是整个系统能够正常工作的基本保证，如果电源电路设计不好，系统有可能不能工作，或者即使能工作但是散热条件不好，导致系统不稳定等异常情况。所以如何选用合适的电源芯片，以及如何合理地对电源进行布局布线，都是值得下大功夫研究的。
[0021]FPGA+DSP单元，首先，FPGA支持并行和流水结构。这样可以通过多个处理单元(PE)的并行工作，能实现结构好、数据量大的算法和高性能的数字信号处理，特别适用于本实用新型中。其次，FPGA内部越来越多地内嵌了DSP乘法模块。这些单元是硬件模块，运行速度很高，特别适合那些需要大量乘法计算的算法。FPGA的乘法运算性能最高已经超过了 100GMAC的水平，远超过通用的DSP芯片，接近了专用处理芯片(ASIC)的能力。另外，FPGA和其他所有可编程器件一样，具有非常好的灵活性。特别是某些型号的FPGA已经开始支持动态配置或者局部重构，为设计高智能型的信号处理设备提供了可能。
[0022]DSP芯片是基于软件可编程的，开发语言主要是C语言，个别场合需要编写汇编语言。相对于HDL语言，C语言更容易让初学者接受，因此DSP芯片在信号处理领域得到了广泛的应用。同时，C语言属于高级语言，因此在DSP上描述复杂算法的难度要低于FPGA。另外，DSP芯片的结构也适合数据量大，重复性高的算法。特别是乘加累加计算(MAC)密集和for循环密集的算法。DSP芯片一般采用时间上压缩和空间上并行的两种主要手段来实现高性能的数据处理。时间上压缩技术包括单周期指令、专用的硬件乘法累加器以及多种寻址方式等:空间上并行技术包括哈佛式总线结构、多运算单元以及灵活的流水线技术等。
[0023]基于FPGA+DSP的信号处理系统可以同时具备FPGA和DSP的优势。
[0024](I)支持更高的计算处理能力。
[0025]FPGA+DSP双芯片单元处理系统的计算能力相对单芯片系统更加强大，而且可以充分发挥两种芯片的性能潜力。
[0026](2)灵活的重构方案。
[0027]FPGA芯片和DSP芯片两者之间可以互相配置。通常情况下，DSP会作为系统的主控制器，FPGA上电后由DSP来完成配置。在系统的工作期间，DSP可以根据需要，重新配置FPGA，实现系统的功能重构。
[0028]在本实用新型中，需要根据FPGA采集到的数据判断投切电容量得多少以及模糊控制算法的实现，这种应用中就可以充分发挥FPGA+DSP构建的灵活性，DSP可以根据模糊控制方式来选择不同的配置文件加载到FPGA中，实现自适应动态控制。另外，系统工作过程中，如果DSP芯片在自检过程中发现功能异常，也可以请求FPGA芯片重新配置自己。这样的系统具备一定的自我修复能力，更加智能化。
[0029](I)开发难度和系统成本折中。
[0030]从控制系统成本角度看，单芯片应该是最好的方案。但是，无论是米用FPGA还是DSP，单芯片的方案开发难度都会提高。单FPGA的方案实现复杂的控制会比较困难，而单DSP的方案实现大数据量的重复计算会有很大难度。
[0031]所述的按键输入单元，按钮输入由9针阻排、GAL20V8B逻辑编程芯片、按钮等组成，可实现激活、确认、退出、重启、上下左右等按钮功能。利用GAL20V8B实现83译码功能，减少按钮连接到DSP芯片的引脚，节约单片机资源，通过阻排和VCC电源实现上拉功能，当按下按钮时实现高电平到低电平的跳变，单片机扫描出各按钮状态，实现按钮对应功能。实现简单的人机通信，当按键没有按下时输入端口是高电平，表示没有按键按下，按键按下时，单片机输入端口是低电平，此时按键按下，单片机可以通过读端口的高低电平来判断按键是否按下，从而执行每个按键的功能。
[0032]所述的液晶显示单元，采用液晶显示，有串行通讯和并行通讯两种通讯方式，采用并行方式，所占用的I/o 口资源多，但是响应速度快，可以实时跟踪信号的显示，串行方式速度比并行方式慢，此系统的单片机通用I/O资源很多，采用并行方式进行测量数据、保护信息、故障波形的显示，同时将故障信息提示给运行人员。
[0033]所述的通讯单元，本装置具有高速数据通信能力和抗干扰能力，目前以太网通信具有1Mbit或10Mbit自适应通讯能力，光纤传输具有良好的抗干扰能力。因此，采用光纤以太网通信方式来加强本装置的抗干扰能力和高速通信能力，同时扩展具有常用的RS232接口、RS485接口、USB接口和JTAG接口。在电力系统中多种通讯方式并存的今天，迫切需要一种具有高速传输能力、具有统一传输格式的通行标准，在各国电力公司和研究院所对国际标准IEC61850推动下，使以太网通信成为电力系统内通信网络的标准(IEEE 802.3)。因此，将IEEE 802.3标准作为本装置对外的主要通信格式。本装置的以太网通信采用Realtek公司第三代快速以太网控制芯片RTL8019，它支持Ethernet II和IEEE802.3标准，内嵌16Kbit SRAM，可以通过以太网交换机在双绞线上实现1Mbps同时发送和接收数据，具有16位数据线接口和20位地址线接口，支持8位或16位的数据模式，支持跳线和免跳线两种模式，支持8条线路的中断请求，支持3种标准电源关闭模式。
[0034]所述的控制单元，实现投切电容器组的控制。由分、合继电器，保持继电器，信号继电器组成，继电器连接真空永磁断路器，用真空永磁断路器作为电容器的投切开关，具有分合闸速度快，触头压力大、触头开距大、优异的灭弧性能，能开断大容量的电容装置而不发生重燃，同时真空断路器自身的功耗极小，无需特别考虑散热问题，并且采用的永磁操作机构是目前结构最可靠的一种操作机构，其所用的零件少，工作时主要运动部件只有一个，永久磁铁实现机构终端位置的保持功能，取代了传统的机械脱扣和锁扣装置。开关线圈仅在合闸或分闸操作时通以一个小的脉冲电流，线圈基本不发热，从根本上保证了线圈的寿命。因此采用永磁机构真空断路器非常适合于本系统的频繁投切电容器状态，具有其它开关设备无法比拟的优点。
[0035]本实用新型工作时，FPGA单元和DSP单元主要按照功能进行划分，FPGA主要负责数据的采集和计算，DSP单元负责模糊控制策略的实现，并有DSP输出控制信号，完成电容器组的投切以及电容的保护。需要根据FPGA采集到的数据判断投切电容量得多少以及模糊控制算法的实现，这种应用中就可以充分发挥FPGA+CPLD单元构建的灵活性，DSP单元可以根据模糊控制方式来选择不同的配置文件加载到FPGA单元中，实现模糊动态控制。另外，系统工作过程中，如果DSP芯片在自检过程中发现功能异常，也可以请求FPGA芯片重新配置自己。无功补偿控制器的FPGA对输入信号进行分析计算，得出线路的电压，电流，有功功率，无功单元功率，功率因数等参数，根据无功功率和功率因数核心控制参数，得到负载所需的无功功率，计算出线路所需的无功补偿容量，输入给DSP单元中，然后根据模糊控制理论，选择多种投切控制方式，主要有按时间控制型、按电压控制型、按时间/电压控制型、按功率因数控制型、按无功功率和电压综合控制型、远方遥控型、手动就地控制性，调整线路的感性无功功率和功率因数，完成电能质量的改善;本装置还设有完善的保护功能，实现过压保护、欠压保护、电流速断保护、过电流保护、过负荷保护等保护功能；以太网的应用，可以把所有现场的动作及保护信号实时发送到后台配合监控系统软件进行显示分析，显示线路的有功功率、无功功率、电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率及电容器三相电流等参量，可以真正实现远方遥控投切和保护功能;按键输入和液晶显示电路的应用，能够完成参数的修改和功能设定，并将参数设置，运行结果等信息显示出来。
[0036]本实用新型是基于DSP+FPGA单元实现的多功能无功补偿综合保护控制器的设计，DSP的型号为TMS320F2812，作为模糊控制算法和通讯的核心单元，FPGA的型号为EP1C12Q240C8，作为信号采集计算的辅助单元，FPGA负责采集线路中电压和电流，采集到的数据经过快速傅立叶变换计算线路中当前的电压、电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数等参数，把计算得到的参数送给DSP，DSP按照模糊控制算法实现电容器的投切和保护控制等功能。
[0037]如图1所示，图1是本实用新型无功补偿控制器的结构框图，本实用新型保护的对象包括本框图所述的整体结构功能，DSP+FPGA是本实用新型名的控制器核心单元。FPGA+DSP单元应用，FPGA支持并行和流水结构。这样可以通过多个处理单元(PE)的并行工作，能实现结构好、数据量大的算法和高性能的数字信号处理，特别适用于本实用新型中。其次，FPGA内部越来越多地内嵌了 DSP乘法模块。这些模块是硬件模块，运行速度很高，特别适合那些需要大量乘法计算的算法。FPGA的乘法运算性能最高已经超过了 100GMAC的水平，远超过通用的DSP芯片，接近了专用处理芯片(ASIC)的能力。另外，FPGA和其他所有可编程器件一样，具有非常好的灵活性。特别是某些型号的FPGA已经开始支持动态配置或者局部重构，为设计高智能型的信号处理设备提供了可能。采集单元主要功能采集电网电压和电流，并经过信号处理电路，连接到FPGA单元实现多AD数据采集时序控制，并将采集的数据实时传输到双端口RAM中，DSP不断从RAM中读取数据计算，并输出控制信号经过RAM给FPGA进行逻辑判断。FPGA主要负责逻辑控制和通讯功能，DSP主要负责算法计算、按键显示等人际交互功能，并通知具有多方式的通信单元。
[0038]图2所述FPGA电源电路，AS2380可以提供3A电流，线性电源，适用240管脚以下，30万逻辑门以下的FPGA。对于线性电源，输出和输入电压的关系为:V0ut=(l+RP3/RP2)*Vref，￥代€—般是1.25￥，输入￥丨11为5￥，输出为1.5￥，1^2/1^3=1/5，而1^3—般要求100?150欧姆，RP3=100，RP2=500。如果采用了固定电平输出的芯片，只需要把RP3接地，RP2不焊接即可。
[0039]如图3所示，图3是本实用新型按键显示电路原理图中按键电路;按钮输入由9针阻排、GAL20V8B逻辑编程芯片、按钮等组成，可实现激活、确认、退出、重启、上下左右等按钮功能。利用GAL20V8B实现83译码功能，减少按钮连接到TMS320F2812芯片的引脚，节约单片机资源，通过阻排和VCC电源实现上拉功能，当按下按钮时实现高电平到低电平的跳变，单片机扫描出各按钮状态，实现按钮对应功能。
[°04°] 如图4所示，图4是本实用新型按键显示电路原理图中液晶显示电路；显示输出由大屏幕液晶显示模块SMG240128A、74HC138组成，液晶显示模块SMG240128A与TMS320F2812接口采用8位数据线并行输入输出和8条控制线，将、通过逻辑组合生成读写使能信号。将A0、A1分别连接到CS1、CS2引脚，将四个控制信号映射到TMS320F2812的地址空间上，方便程序的编写。用74HC138生成片选信号，方便以后扩充其他外围芯片。液晶显示芯片采用矽创公司的ST7920液晶显示芯片，此液晶显示芯片含有汉字库，加快液晶程序的编写，可以实现显示字母、数字符号、中文字型及自定义图像，通过可调电阻可实现液晶亮度和对比度的调节，输出类型可实现点阵输出、文本输出、图形输出。
[0041 ]图5是本实用新型以太网通讯电路原理图。是由RTL8019芯片构成的以太网通信电路原理图，采用跳线工作方式，即网卡的I/O和中断由跳线决定;JP引脚接高电平，选择16位数据总线;DSP处理器通过4条地址线A0-A3选择RTL8019的寄存器地址和存储器地址，控制并实现数据的读取;指示网卡状态的引脚连接到Green/Red LED，便于直观判断以太网通讯状态;通过可编程逻辑器件(PSD4235G2)对RTL8019的片选信号进行控制。RTL8019以太网芯片不能单独工作，还必须有一个网络变压器在RJ-45接口和RTL8019中间进行电平转换。
[0042]本实用新型在工作时，DSP+FPGA划分的基本原则就是把数据密集，算法简单、重复性高的功能放在FPGA上执行，即电压、电流，有功功率，无功功率因数，功率因数等参数计算放在FPGA上实现。把算法复杂，重复性低的功能分配给DSP实现。FPGA负责采集线路中电压和电流，采集到的数据经过快速傅立叶变换计算线路中当前的电压、电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数等参数，把计算得到的参数送给DSP，DSP按照模糊控制算法实现电容器的投切和保护控制等功能。
[0043]本实例中，FPGA+DSP单元的设计流程和单独FPGA或者DSP设计流程相比，最大不同点就是在设计流程里面增加了功能划分环节。这个环节的主要目的就算将系统功能进行分解，然后分配给FPGA和DSP去执行。在本实用新型中，功能划分的基本原则就是把数据密集，但算法简单重复性高的功能放在FPGA上执行，而把控制策略和算法的功能分配给DSP实现，这样可以充分发挥两种芯片的特长。具体来说，就是FPGA负责采集数据，并把数据送给DSP芯片，而DSP用来对采集到的数据进行处理。由于FGPA处理芯片的应用，使所有参数的测量具有非常好的实时性，以太网的应用，实现了分布式控制，便于操作人员进行WEB浏览和控制当前控制器的工作状态;按键输入和液晶显示电路模块使得现场观看运行参数和参数修改提供了方便。本装置人机交互性很强，实现人性化，简易化操作。
[0044]本技术方案为前提下进行实验，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
【主权项】
1.电力无功补偿控制器，其特征是:它包括:电源单元，FPGA+DSP单元，按键输入单元和液晶显示单元，通讯单元，控制单元;连接关系为:数据采集单元、开入开出单元、通讯单元以及双端口 RAM单元连接到FPGA单元;而FPGA单元和DSP单元通过双端口 RAM实现数据交互，并且多方式的通讯单元和人机交互单元与DSP单元连接，按键输入单元和液晶显示单元则通过与控制单元通讯完成控制参数修改以及控制信号显示功能。2.根权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是:所述的FPGA单元支持并行和流水结构;FPGA单元部内嵌了 DSP乘法模块。3.根权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是:所述的按键输入单元由9针阻排、GAL20V8B逻辑编程芯片、按钮组成。4.根权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是:所述的通讯单元是以太网通信，具有1Mbit或10Mbit自适应通讯能力；同时具有RS232接口、RS485接口、USB接口和JTAG接口 ；所述以太网通信采用Realtek公司第三代快速以太网控制芯片RTL8019，内嵌16Kbit SRAM。5.根权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是:所述的控制单元由分、合继电器、保持继电器、信号继电器组成，继电器连接真空永磁断路器，用真空永磁断路器作为电容器的投切开关。
【文档编号】H02J3/18GK205429737SQ201520740415
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年9月23日
【发明人】李斌, 王亮, 荆澜涛, 李爽, 李学斌, 于在明, 胡大伟, 王磊, 赵义松
【申请人】国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院, 沈阳工程学院