一种电容器谐波谐振过电压检测方法及保护装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电容器谐波谐振过电压检测方法及保护装置，它采用先进的硬件设备，并结合谐波谐振分析算法，对电容器进行可靠保护。装置主要包括主控制电路板，谐波采集与调理电路，电压跟随电路，多路转换开关电路，AD转换模块，FPGA控制模块，485通信电路和232通信电路，人机交互模块电路板。方法主要包括模拟量采集、模拟量采集控制与转发、算法模块、算法模块与电网遥测控制通信模块、算法模块与人机交互通信模块、数据库模块。本发明的有益效果：本发明具有能实时检测谐波电压，结构设计合理，实用性强，成本低，工作效率高的优点。
【专利说明】一种电容器谐波谐振过电压检测方法及保护装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统谐波【技术领域】，尤其涉及一种电容器谐波谐振过电压检测方法及保护装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备在电力行业的应用日益普及，同时大量电弧设备和许多其他非线性负荷也被投入使用，而这些设备使得系统中电压和电流波形发生畸变失真，导致大量谐波产生，造成越来越多的谐波污染。
[0003]谐波产生的一个主要危害是谐波谐振，电力公司为了补偿无功功率、改善功率因数而大量增加使用电容器组，引进的电容器以及系统中的电容器和感性元件可能造成局部谐振,谐振产生的过电压反过来又使电容器损坏。电力系统的并联谐振将引起过电压，串联谐振引起过电流，导致系统局部过热，使电容器局部电流电压放大，加速电气设备绝缘老化，对相关电气设备造成损害。当系统内含有接近谐振频率的谐波时，此谐波将被放大数倍至数十倍之多，以致于造成电容器组因过电压而被烧毁。
[0004]目前，大量工作主要集中于谐波抑制装置的开发，比如无源滤波器，有源滤波器等，而忽略了系统内部电容组的保护，导致大量电容器因谐波损坏，影响了无功补偿装置的正常工作，以及无功补偿装置功率因数的设计，降低了工作效率。而现有的电容器过电压保护装置不能实时检测电容器谐波电压，中国专利CN02105002.3公开了一种电力谐振保护模组，主要技术方案为其中一电路具有分析、判读及计数功能，其撷取经分压后的电容器上的电压计算有效值；该电路利用电压的基波与非基波成分推算电容总体电流有效值；若判断出过电压或过电流时，该电路将电容器组/电感器组切离系统或改变阻抗特性，予以保护。该专利需要对系统内每个电容器设一个电力谐振保护模组，适用于简单的电力系统，对于复杂电力系统将费时费力，而且该保护装置只是针对单次谐波下的电容电压，而没有考虑总谐波下的电容电压。
[0005]总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是:如何在谐波谐振情况下找到一种工作全面，高效的装置保护电容器，避免电容器组损坏。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电容器谐波谐振过电压保护装置及方法，它采用先进的硬件设备，并结合谐波谐振分析算法，对电容器进行可靠保护，它具有能实时检测谐波电压，结构设计合理，实用性强，成本低，工作效率高的优点。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种电容器谐波谐振过电压保护装置，主要包括主控制电路板，谐波采集与调理电路，电压跟随电路，多路转换开关电路，AD转换模块，FPGA控制模块，通信模块485通信电路和232通信电路，人机交互模块电路板，所述模拟量是通过电压互感器从电网采集的数据，经过谐波采集与调理电路、电压跟随电路、多路转换开关传送给AD转换模块，所述AD转换模块转换受FPGA控制，将转换后数据发送给FPGA，所述FPGA将数据通过SPI通信转发给主控制电路板，所述主控制电路板通过485通信获取电网当前拓扑结构，所述主控制电路板通过232通信获取人机界面用户设置，包括电压上下限值，越限时间上下限值，同时主控制电路板通过232通信将电网当前信息、历史动作信息通过人机交互传送给人机界面便于用户查询。
[0009]所述主控制电路板的主处理器使用TI公司eZdsp F2812最小系统。包括了TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存储器，JTAG仿真控制器、电源管理芯片、时钟电路、复位电路，接口单元。
[0010]所述谐波采集与调理电路中的放大电路采用了 AD转换模块620芯片，增益范围为I至10，000，最大电源电流仅1.3mA，所述电压跟随电路采用了 AD转换模块797芯片，最大输入失调电压为80V，最大输出电流为50mA，所述多路转换开关电路采用AD转换模块G1404，所述AD转换模块转换电路采用AD转换模块7658芯片，所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，所述通信模块基于MAX487的485串口信号转换电路和基于SP3220EEA的232电平转换电路。
[0011]所述人机交互模块采用阿尔泰工业级嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019为ARMlO处理器，PC104 主板，WinCE5.0 及驱动程序 64MB SDRAM, 256MB NandFlash, 32MB NorFlash,支持RGB接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率。
[0012]一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法:初始化后，具体工作步骤如下:
[0013]步骤一:系统将限值通过串口传送给主控制电路板，同时系统采集模拟量数据、厂站监控数据分别通过SPI通信、串口通信传送给主控制电路板；
[0014]步骤二:主控制电路板根据当前电网遥测数据并读取数据库中电网设备参数，进行模态分析和谐波潮流算法运算，根据设定保护限值作出最终保护方案；
[0015]步骤三:主控制电路板判断用户设定系统运行方式，如果系统运行于离线状态，系统保护方案显示于客户界面，等待人工确定是否下发。如果系统运行于在线状态，那么直接将动作命令下发给主站。
[0016]所述步骤二中的模态分析具体步骤为:
[0017](I)读取主控制电路板中采集的数据，设基准频率为初始频率；
[0018](2)分析装置在谐波下的阻抗；
[0019](3)根据主控制电路板中读取的网络拓扑结构形成相应的网络导纳阵；
[0020](4)对导纳阵进行模态处理；
[0021](5)判断频率是否超出最大频率限制，一般最高位50次，若超出了，则输出模态分析结果，若没有，则重复(2)之后的步骤。
[0022]所述步骤二中的谐波潮流分析具体步骤为:
[0023](I)进行基波潮流分析；
[0024](2)判断频率是否与基波频率相等，若相等，将基波频率全部存储在监测器，若不相等，把基波频率赋给当前频率，判断基频解存储是否完成，若完成将基波频率存储在监测器，若没有直接退出。
[0025](3)获取需要的谐波列表；设初值为i = 1，判断i是否与要求解的谐波数目相等，若相等，直接退出，若i与要求解的谐波数目不相等，则将相应的频率列表赋给频率。
[0026](4)判断频率是否等于基波频率，若相等，则i+Ι，从i初始值开始循环，若不相等，则先使用直接法求解，然后i+Ι，再进行同样的循环。
[0027]所述谐波潮流分析步骤(I)中的基波潮流分析具体步骤为:
[0028]判断负载模型是否与相应的导纳阵相同，若相同，则使用直接法求解，然后结束，若不同，判断导纳阵是否发生了变化，若没有变化，则使用迭代法求解，若发生了变化，需要重新形成导纳阵，再使用迭代法求解。
[0029]所述谐波潮流分析步骤(4)中的直接法具体步骤为:
[0030]①判断系统导纳阵是否发生了变化，若没有发生变化，次数直接加1，若发生了变化，需重新建立导纳阵，次数再加I ;
[0031]②把注入电流清零，获取谐波源注入电流；
[0032]③判断系统的求解是否完成，若没有，直接跳到迭代次数加1，最后解决方案是直接法，结束，若已完成，求解成功标志位为真且收敛标志为真，则迭代次数加1，最后解决方案是直接法为真，结束。
[0033]本发明的有益效果:
[0034]I本发明采用了模态分析法和谐波潮流算法分析谐波谐振过电压，为过电压分析的正确性提供了 “双保障”，同时在两个算法结合分析的结果基础上进行过电压保护装置的开发，提高了保护装置的精确性。
[0035]2本发明采用了人机交互能够设置保护限值、保护时间限值。
[0036]3能够实现离线、在线两种方式运行。离线模式即对于当前的电网谐波状况给出相应的保护方案，不采取控制措施而是等待人工确认。在线模式即对于当前的电网谐波状况给出相应的保护方案，直接通过通信接口将动作命令下发进行调节。
[0037]4能够存储电容器实时谐波电压与谐波电流、线路电压等信息。
[0038]5能够保存历史动作、数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为系统硬件架构。
[0040]图2为系统软件架构。
[0041]图3为系统软件执行流程图。
[0042]图4为模态分析流程图。
[0043]图5为谐波潮流主程序流程图。
[0044]图6为基波潮流流程图。
[0045]图7为直接法流程图。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0047]如图1，一种电容器谐波谐振过电压保护装置，主要包括主控制电路板，谐波采集与调理电路，电压跟随电路，多路转换开关电路，AD转换模块，FPGA控制模块，通信模块485通信电路和232通信电路，人机交互模块电路板，所述模拟量是通过电压互感器从电网采集的数据，经过谐波采集与调理电路、电压跟随电路、多路转换开关传送给AD转换模块，所述AD转换模块转换受FPGA控制，将转换后数据发送给FPGA，所述FPGA将数据通过SPI通信转发给主控制电路板，所述主控制电路板通过485通信获取电网当前拓扑结构，所述主控制电路板通过232通信获取人机界面用户设置，包括电压上下限值，越限时间上下限值，同时主控制电路板通过232通信将电网当前信息、历史动作信息通过人机交互传送给人机界面便于用户查询。
[0048]所述主控制电路板的主处理器使用TI公司eZdsp F2812最小系统。包括了TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存储器，JTAG仿真控制器、电源管理芯片、时钟电路、复位电路，接口单元。
[0049]所述谐波采集与调理电路中的放大电路采用了 AD转换模块620芯片，增益范围为1至10，000,最大电源电流仅1.3mA。
[0050]所述电压跟随电路采用了 AD转换模块797芯片，最大输入失调电压为80V，最大输出电流为50mA。
[0051]所述多路转换开关电路采用AD转换模块G1404，为两路控制信号控制四路开关的导通，同时能够保证信号的准确性。
[0052]所述AD转换模块转换电路采用AD转换模块7658芯片。AD转换模块7658是AD转换模块I公司制造的，高集成度、6通道16-bit逐次逼近(SAR)型AD转换模块C，内含I个2.5V基准电压源和基准缓冲器。AD转换模块7658具有6个转换通道分为3组两通道。可以通过C0NVST-A/B/C管脚或控制寄存器的VA/VB/VC字段来控制具体使用哪几对AD转换模块转换通道。读取数据次数要根据AD转换模块转换的通道数量设置。
[0053]所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，FPGA在设计上使用了逻辑单元阵列的概念，内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。FPGA组合逻辑靠查找表实现，查找表与D触发器的输入端相连接，再由触发器驱动别的逻辑电路或者1/0，这样构成的逻辑单元模块既能够实现逻辑功能与时序逻辑功能，模块之间、模块与I/O之间使用金属线连接。FPGA向内部的静态存储单元加载编程数据以实现其逻辑功能，这些逻辑单元决定了 FPGA能够实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
[0054]所述SPI由Motorola公司开发，在中央处理单元或DSP与其他芯片之间提供的一款通信接口。SPI工作方式为一个主机连接单个或多个从机的主-从机模式。SPI接口一般有四种信号:串行移位时钟信号SCLK、数据输出信号、数据输入信号、低电平有效的从使能信号线。
[0055]所述通信模块设计了基于MAX487的485串口信号转换电路和基于SP3220EEA的232电平转换电路。
[0056]所述人机交互模块采用阿尔泰工业级嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019为ARMlO处理器，PC104 主板，WinCE5.0 及驱动程序 64MB SDRAM, 256MB NandFlash, 32MB NorFlash,支持RGB接口的DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率，支持4线电阻式触摸屏主USB xl，从USB 11全部2.0标准，1?232接口12，1?485接口叉1，支持0卩卡。
[0057]如图3 —种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法:初始化后，具体工作步骤如下:
[0058]步骤一:系统将用户界面设置限值通过串口传送给主控制电路板，同时系统采集模拟量数据、厂站监控数据分别通过SPI通信、串口通信传送给主控制电路板；
[0059]步骤二:主控制电路板根据当前电网遥测数据并读取数据库中电网设备参数，进行模态分析和谐波潮流算法运算，根据设定保护限值作出最终保护方案；
[0060]步骤三:主控制电路板判断用户设定系统运行方式，如果系统运行于离线状态，系统保护方案显示于客户界面，等待人工确定是否下发。如果系统运行于在线状态，那么直接将动作命令下发给主站。
[0061]如图4所述步骤二中的模态分析具体步骤为:
[0062](I)读取主控制电路板中采集的数据，设基准频率为初始频率；
[0063]( 2 )计算装置在谐波下的阻抗；
[0064](3)根据主控制电路板中读取的网络拓扑结构形成相应的网络导纳阵；
[0065](4)对导纳阵进行模态处理；
[0066](5)判断频率是否超出最大频率限制，一般最高位50次，若超出了，则输出模态分析结果，若没有，则重复(2)之后的步骤。
[0067]所述模态分析即为特征值分析，假设根据频率扫描法得知系统在频率f处发生并联谐振。这就意味着通过公式(1.1)计算出的电压相量中有些元素在频率f处有很大的值。
[0068]
【权利要求】
1.一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法，其特征是，初始化后，具体工作步骤如下: 步骤一:系统将限值通过串口传送给主控制电路板，同时系统采集模拟量数据、厂站监控数据分别通过SPI通信、串口通信传送给主控制电路板； 步骤二:主控制电路板根据当前电网遥测数据并读取数据库中电网设备参数，进行模态分析和谐波潮流算法运算，根据设定保护限值作出最终保护方案； 步骤三:主控制电路板判断用户设定系统运行方式，如果系统运行于离线状态，系统保护方案显示于客户界面，等待人工确定是否下发，如果系统运行于在线状态，那么直接将动作命令下发给主站。
2.如权利要求1所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法，其特征是，所述步骤二中的模态分析具体步骤为: (1)读取主控制电路板中采集的数据，设基准频率为初始频率； (2)对系统元件进行建模； (3)根据主控制电路板 中读取的网络拓扑结构形成相应的网络导纳阵； (4)对导纳阵进行模态处理； (5)判断频率是否超出最大频率限制，一般最高位50次，若超出了，则输出模态分析结果，若没有，则重复(2)之后的步骤。
3.如权利要求1所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法，其特征是，所述步骤二中的谐波潮流分析具体步骤为: (O谐波潮流主程序首先进行基波潮流分析； (2)判断频率是否与基波频率相等，若相等，将基波频率全部存储在监测器，若不相等，把基波频率赋给当前频率，判断基频解存储是否完成，若完成将基波频率存储在监测器，若没有直接退出； (3)获取需要的谐波列表，设初值为i= 1，判断i是否与要求解的谐波数目相等，若相等，直接结束，若i与要求解的谐波数目不相等，则将相应的频率列表赋给频率； (4)判断频率是否等于基波频率，若相等，则i+Ι，从i初始值开始循环，若不相等，则先使用直接法求解，然后i+Ι，再进行同样的循环。
4.如权利要求3所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法，其特征是，所述步骤(I)中的基波潮流分析具体步骤为: 判断负载模型是否与相应的导纳阵相同，若相同，则使用直接法求解，然后结束，若不同，判断导纳阵是否发生了变化；若没有变化，则使用迭代法求解，结束；若发生了变化，需要重新形成导纳阵，再使用迭代法求解，结束。
5.如权利要求3所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置的过电压检测方法，其特征是，所述步骤(4)中的直接法具体步骤为: ①判断系统导纳阵是否发生了变化，若没有发生变化，次数直接加I，若发生了变化，需重新建立导纳阵，次数再加I ; ②把注入电流清零，获取谐波源注入电流； ③判断系统的求解是否完成，若没有，直接跳到迭代次数加1，最后解决方案是直接法，结束，若已完成，求解成功标志位为真且收敛标志为真，则迭代次数加1，最后解决方案是直接法为真，结束。
6.一种电容器谐波谐振过电压保护装置，其特征是，主要包括主控制电路板，谐波采集与调理电路，电压跟随电路，多路转换开关电路，AD转换模块，FPGA控制模块，通信模块485通信电路和232通信电路，人机交互模块电路板，所述模拟量是通过电压互感器从电网采集的数据，经过谐波采集与调理电路、电压跟随电路、多路转换开关传送给AD转换模块，所述AD转换模块转换受FPGA控制，将转换后数据发送给FPGA，所述FPGA将数据通过SPI通信转发给主控制电路板，所述主控制电路板通过485通信获取电网当前拓扑结构，所述主控制电路板通过232通信获取人机界面用户设置，包括电压上下限值，越限时间上下限值，同时主控制电路板通过232通信将电网当前信息、历史动作信息通过人机交互传送给人机界面便于用户查询。
7.如权利要求6所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置，其特征是，所述主控制电路板的主处理器使用TI公司eZdsp F2812最小系统，包括了 TMS320F2812芯片、512K的片外SRAM存储器，JTAG仿真控制器、电源管理芯片、时钟电路、复位电路，接口单元。
8.如权利要求6所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置，其特征是，所述谐波采集与调理电路中的放大电路采用了 AD转换模块620芯片，增益范围为I至10，000，最大电源电流仅1.3mA，所述电压跟随电路采用了 AD转换模块797芯片，最大输入失调电压为80V，最大输出电流为50mA，所述多路转换开关电路采用AD转换模块G1404，所述AD转换模块转换电路采用AD转换模块7658芯片，所述FPGA芯片采用EP3C10E144C8N，所述通信模块设有基于MAX487的485串口信号转换电路和基于SP3220EEA的232电平转换电路。
9. 如权利要求6所述一种电容器谐波谐振过电压保护装置，其特征是，所述人机交互模块采用阿尔泰工业级嵌入式主板ARM8019，所述ARM8019为ARMlO处理器，PC104主板，WinCE5.0 及驱动程序 64MB SDRAM, 256MB NandFlash, 32MB NorFlash，支持 RGB 接口的 DSTN和TFT液晶屏，支持VGA接口，800x600分辨率。
【文档编号】G06F19/00GK103474966SQ201310415146
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】侯广松, 高军, 程新功, 程丽艳, 宗西举, 任宏伟, 王兆生, 张静亮, 欧朱建, 张梦华, 张步胜 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司菏泽供电公司, 济南大学