专利名称：一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，属电力系统控制与仿真技术领域。
背景技术：
无功功率补偿器是现代电力系统中的一个重要的设备，主要有基于晶闸管的静止无功补偿器(SVC)，以及基于IGBT全控器件的静止同步补偿器(STATC0M)两类。无功补偿器对于稳定电力系统的电压，保持电压水平在允许的范围内，提高电能质量，减少输电线的传输损耗等方面都有重要的意义。目前在无功补偿领域各种新型控制规律取得了不少理论研究的成果，同时新的控制方案里无功补偿装置往往还承担增加系统阻尼的额外的控制任务，但为了将这些理论研究的成果投入到实际的运行中时，仅仅通过纯数值仿真来验证这些控制方案不够有说服力，往往希望能在实际的硬件装置上实现这些控制算法。传统一般都是通过制作基于DSP芯片的PCB控制板来实现这些算法。这种方法的主要缺点是自制硬件周期长，板卡稳定性、可靠性较差。另外，DSP由于计算能力的限制，一般都不能直接支持在数值仿真阶段用来实现控制算法的高级语言，如Simulink或者LabVIEff,这样就需要重新花费时间 和精力来编写DSP程序，不仅耗时耗力，还容易出错。自制PCB控制板的另一个缺点是，当控制器IO类型或数量需求有变化时，往往也需要重新设计和制作板子。另外，由于实际的电力系统为了安全和稳定的考虑，往往都不允许接入设备进行试验。因此传统一般都是通过动模试验的方法来验证无功补偿控制器，即通过微缩的小功率物理原型来验证控制器。但这样的方法主要的局限在改变系统的参数和拓扑非常不方便，小功率物理原型系统的规模一般也比较小，同时做各种短路故障试验也比较危险。
发明内容针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于，提供一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，该平台选用具有多核CPU和FPGA的工业控制器作为控制算法的实现平台，选用基于计算机服务器群的电力系统实时仿真器，同时控制器和实时仿真器都配有相应的IO板卡，通过真实的物理信号构成闭环。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:包括工业控制器、控制器上位机、电力系统实时仿真器和仿真器工作站，所述的工业控制器与所述的控制器上位机通过以太网相连接，所述的电力系统实时仿真器与所述的仿真器工作站通过网络相连接。前述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的工业控制器包括多核CPU以及带有FPGA芯片的底板，所述的多核CPU与所述的FPGA底板通过高速总线互联。[0009]前述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的FPGA底板上设有IO板卡插槽，所述的FPGA底板与IO板卡互联。前述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的电力系统实时仿真器由多个计算机服务器组成，其中一个服务器与IO板卡通过总线互联，所述的服务器之间通过网络连接。前述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的工业控制器与所述的电力系统实时仿真器通过IO板卡交换信息，构成一个闭环系统。本实用新型的有益效果是:1.多核CPU具有比DSP强大许多的计算能力，使得其可以通过软件直接运行用Simulink和LabVIEW这样的高级语言编写的控制算法；同时多核CPU上运行有实时操作系统，支持多线程多任务操作，使其在运行高优先级的控制算法时，还可以有一个低优先的通信线程和上位机通过以太网进行通信，这样可以非常便于算法的实时调参，系统的状态监测，对提高系统的调试效率非常有帮助；2.配有带FPGA的底板，FPGA底板与多核CPU通过总线连接，底板上带有IO插槽，这样一种底板加插卡的IO架构的优势是可以根据需要灵活配置IO板卡，无论是SVC控制器还是STATC0M控制器，都需要控制器高速准确的控制这些电力开关(晶闸管，IGBT )的开通和关断；FPGA的高速处理能力与高可靠性，使其非常适合于用来产生电力电子器件的控制脉冲，以及实现一些保护和互锁的功能；
3.电力系统实时仿真器由多个高性能的服务器构成，具有强大的并行运算能力，能够灵活的进行各种规模的系统仿真，同微缩的物理原型系统相比，能够给控制器一个更接近实际电网的测试环境，同时数值仿真也便于测试包括故障在内的各种工况。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为具体实施例的无功补偿系统拓扑图；图3为TCR与TSC的结构示意图；图4为具体实施例的控制算法框图；图5为具体实施例的SVC控制器各部分功能框图。
具体实施方式
为进一步揭示本实用新型的技术方案，
以下结合附图详细说明本实用新型的实施方式:本实用新型以基于晶闸管的静止无功补偿器(SVC)的控制算法的实现和验证为具体实施实例。图1是本实用新型的结构示意图。如图1所示，一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，包括工业控制器、控制器上位机、电力系统实时仿真器和仿真器工作站，工业控制器与控制器上位机通过以太网相连接，电力系统实时仿真器与仿真器工作站通过网络相连接。无功补偿控制器采用工业控制器NI 9082，其配有双核1.33 GHz Intel 7CPU,以及Xillinx Spartan-6 LX150 FPGA的底板，CPU与FPGA通过高速总线连接。电力系统实时仿真器采用中国电力科院研究院的ADPSS (Advanced Digital Power SystemSimulator)，其由多个计算机服务器组成，此系统具有强大的系统仿真功能，其一个CPU就可进行6台发电机加30条线路的电力系统的实时仿真；或者能进行由多达48个晶闸管组成的电力电子系统的实时仿真；实时仿真系统中还有一个服务器负责和外部控制器的IO接口 ；服务器之间通过高速的网络连接。仿真器工作站负责无功补偿系统模型的搭建和仿真任务在各服务器间的分配，其通过网络与服务器群通信。图2是静止无功补偿器的系统拓扑图(其中以单线连接来表示三相连线)。如图2所示，此系统将通过实时仿真器来模拟，系统包括远端电网，输电线路，三相变压器，负载，以及静止无功补偿器。其中静止无功补偿器由一组晶闸管可控电抗器(TCR)和三组晶闸管投切电容器(TSC)组成。图3是TCR与TSC的具体结构示意图。如图3所示，TCR支路由反并联晶闸管组、电感搭建而成，支路间三角形连接；TSC支路由反并联晶闸管组、电容搭建而成，支路间三角形连接。整个SVC系统一共有24个晶闸管。TCR通过电感从电网中吸收无功功率的，TCR的晶闸管触发角决定其吸收的无功功率的大小。TSC通过电容向电网发出无功功率的。对于SVC系统来说，TCR是始终投入工作的，而TSC是根据需要通过晶闸管进行投切。图4是静止无功补偿器的控制算法框图。如图4所示，可以看到控制器的算法分为电压的幅值相位测量环节，电压幅度调节环节，无功功率分配环节，以及最终的脉冲发生环节。电压幅度相位测量环节接收从实时仿真器传来的电网电压，对电压的幅度和相位进行测量。电压幅度调节环节输出无功功率的指令，即当测量电压低于参考电压时，无功补偿器需要发出无功功率来抬高电网电压；当测量电压高于参考电压时，无功补偿器需要吸收无功功率来降低电网电压。当SVC需要发出无功功率的时候，无功功率分配环节将投入TSC或者减少TCR吸收的无功(即增大TCR的触发角);当补偿器需要吸收无功功率的时候，无功功率分配环节将切除 TSC或者增大TCR吸收的无功(即减小TCR的触发角)。对于TCR，脉冲触发环节将根据触发角命令和电网电压的相位来决定晶闸管的触发脉冲，通过触发脉冲控制TCR吸收的无功功率；对于TSC，脉冲触发环节将根据接收到投切指令和电网电压的相位来决定晶闸管的触发脉冲，通过触发脉冲来控制TSC的投入或切除。触发脉冲将传递给电力系统实时仿真器。图5是SVC控制器的各部分功能框图。如图5所示，控制器上位机，负责控制算法的下载，以及系统波形实时显示和控制参数在线调整的功能，上位机通过网络与控制器通信来获取系统数据和传递控制参数。多核CPU运行有高低有限级两个线程，高优先级控制算法线程，负责控制算法框图的前三个环节，即电压测量环节，电压调节环节，无功功率分配环节；多核CPU的低优先级的通信线程，负责与控制器上位机通过以太网通信。控制器的上的FPGA除了 I/O功能外，还具体负责晶闸管触发脉冲的算法，即控制框图的最后一个环节。当整个系统闭环工作时，电力系统实时仿真器通过模拟输出板卡将系统的电压，电流等状态量传递给无功补偿控制器；无功补偿控制器采集到系统状态后，通过多核CPU与FPGA的联合对控制算法进行处理，得出控制脉冲指令并通过数字输出板卡将指令传递给电力系统实时仿真器。实时仿真器从数字输入模块得到脉冲指令后，根据指令决定晶闸管的开通和关断，然后更新系统的数学模型，并根据最新的模型进行仿真计算，再将计算结果从模拟输出板卡传递出去。这样整个平台就完成一个完整的控制与仿真闭环，通过这样一种实时闭环的方式，可以对控制算法进行很有效的验证。以上仅为本实用新型的一个具体实施方式
，但本实用新型的保护范围不仅局限与此，任何精通本领域的技术人员在本实用新型所述的技术范围内，可对其中各个模块或整体结构想到变化或者替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此本实用新型应以所述权利要求 的最大保护范围为准。
权利要求1.一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:包括工业控制器、控制器上位机、电力系统实时仿真器和仿真器工作站，所述的工业控制器与所述的控制器上位机通过以太网相连接，所述的电力系统实时仿真器与所述的仿真器工作站通过网络相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的工业控制器包括多核CPU以及带有FPGA芯片的底板，所述的多核CPU与所述的FPGA底板通过高速总线互联。
3.根据权利要求2所述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的FPGA底板上设有IO板卡插槽，所述的FPGA底板与IO板卡互联。
4.根据权利要 求1所述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的电力系统实时仿真器由多个计算机服务器组成，其中一个服务器与IO板卡通过总线互联，所述的服务器之间通过网络连接。
5.根据权利要求1所述的一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，其特征在于:所述的工业控制器与所述的电力系统实时仿真器通过IO板卡交换信息，构成一个闭环系统。
专利摘要本实用新型公开了一种电力系统无功补偿控制算法实现与验证的平台，包括工业控制器、控制器上位机、电力系统实时仿真器和仿真器工作站，所述的工业控制器与所述的控制器上位机通过以太网相连接，所述的电力系统实时仿真器与所述的仿真器工作站通过网络相连接。本实用新型的工业控制器具有计算能力强、支持高级语言搭建的控制算法、可以灵活配置IO、节省自制控制硬件的时间和精力的优点；同时电力系统实时仿真器能方便的模拟各种无功补偿系统和拓扑，模拟包括故障在内各种运行工况；该平台在电力系统无功补偿设备的控制算法研发中能起到非常重要的作用。
文档编号G05B19/418GK203117778SQ201320136220
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者周前, 张星, 汪新星, 汪成根, 赵静波, 王峰, 王祥旭 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司电力科学研究院, 中国电力科学研究院, 上海远宽能源科技有限公司, 江苏省电力公司