专利名称：三相不平衡负荷补偿装置及方法
技术领域：
本发明涉及机电一体化及控制技术领域，特别涉及ー种三相不平衡负荷补偿装置及方法。
背景技术：
三相不平衡度是电カ系统的重要指标，三相不平衡过大超过标准危害很多会引起电机附加发热和振动；引起以负序元件为启动元件的保护误动作；会引起变流设备引起附加电流；变压器会产生ー相线圈过热影响寿命；会增加线路损耗等。因此三相不平衡补偿在电网的运行过程中就变得非常重要。
目前三相不平衡主要原因在于负荷的不均衡，造成不均衡的原因有设计时的问题，也有偶然性因素如某一相负荷由于用户某段时间集体用电偏少，另外电カ电子设备的大量使用而引起的非线性负载增加也是产生三相不平衡的主要原因。由于三相不平衡的危害较大，针对三相不平衡进行补偿的装置具有广阔的市场，研发三相不平衡负荷补偿装置具有很大的现实意义。功率因数是反映无功功率占比大小的另ー个重要指标，也是电カ系统需要重点考虑治理的指标。在功率因数改善和不平衡度治理时都可以使用投入电容器作为重要手段，因此将两者在结合在一起进行综合的补偿可以有效地提高电网的综合指标，同时节约设备投入。改善三相不平衡度的方法有(I)将不平衡负荷分散到不同的供电点，減少集中连接造成的不平衡度超标。(2)使负荷合理地分配到各相，尽可能使其平衡。(3)将不对称的负荷接到更高ー级电压供电，以使连接点的短路容量Sk尽可能高。(4)使用平衡化装置。不平衡装置是治理不平衡度的ー个重要手段，进行补偿时可以同时采用投切电容和电抗的方法，也可以采用投切纯电容的方法。
发明内容
本发明提出ー种三相不平衡负荷补偿装置及方法，考虑到要同时进行无功补偿，因此本发明中采用投切纯电容的方法，其结构简单、功能多祥。本发明所采用的技术方案具体是这样实现的
一方面，本发明提供了ー种三相不平衡负荷补偿装置，包括采样模块、开关量输入模块、开关量输出模块、人机接ロ模块、通信模块、存储模块、复杂可编程逻辑器件，所述采样模块、所述开关量输入模块、所述开关量输出模块、所述人机接ロ模块、所述存储模块、所述复杂可编程逻辑器件均与所述通信模块连接，所述采样模块对输入的电压信号或电流信号进行采样并处理，所述开关量输入输出模块对开关量进行输入和输出，所述人机接ロ模块用于用户输入设定參数和输出信息，所述存储模块对数据进行存储，所述复杂可编程逻辑器件对所述通信模块的端ロ进行扩展。优选地，所述采样模块包括互感器、RC滤波和AD芯片。优选地,所述AD芯片是ADS8364,若输入的模拟量信号是电压信号,RC滤波后还需要经过由运算放大器构成的调理电路，将电压幅值按比例变换成ADS8364能接受的0-5V的幅值；若输入的模拟量信号是电流信号，需要将电流信号转换成电压信号，之后再经过调理电路将电压幅值按比例变换成ADS8364能接受的0-5V的幅值。优选地，还包括与所述通信模块连接的测频电路，位于所述电压信号经所述RC滤波与电压信号调理电路之间。优选地，所述开关量输入模块和开关量输出模块均采用光耦隔离，所述开关量输出模块采用固态继电器与光耦进行连接信号，所述光耦隔离采用的是TLP521光耦隔离芯片。优选地，所述人机接ロ模块包括键盘和IXD显示。优选地，所述通信模块包括外部通信接ロ，采用TMS230F2812串ロ SCIA经过Max3490扩展成RS-485，通过485进行串行通信和读写数据。·优选地，所述存储模块中外扩的存储器采用flash存储器，所述复杂可编程逻辑器件采用EPM3256SQC144作为扩展。优选地，采用IS61LV25616AL作为外扩RAM，采用SST39VF800作为外扩flash。另ー方面，本发明提供一种采用如上所述的三相不平衡负荷补偿装置的三相不平衡负荷补偿的方法，首先对三相负荷情况进行计算，判断其是否满足全电容补偿的条件，若满足就按照优化目标确定补偿的电容器的容量；若不满足全电容补偿的条件则按照电容、电感进行混合补偿或者由用户选择性地只进行无功功率补偿。本发明的三相不平衡负荷补偿装置结构简单、功能多祥。
图I是本发明实施例的三相不平衡负荷补偿装置的整体结构示意 图2是本发明实施例中ADS8364与TMS320F2812连接电路 图3是本发明实施例中电压调理电路 图4是本发明实施例中电流调理电路 图5是本发明实施例中频率跟踪电路；
图6是本发明实施例中通讯线路电路 图7a是本发明实施例中电容器星型连接时复合开关总体连接 图7b是本发明实施例中电容器投切可控硅触发电路；
图8a是本发明实施例中采样中断服务程序示意 图8b是本发明实施例中主程序流程 图9a是本发明实施例补偿前三相电流波形 图9b是本发明实施例补偿前N线上流过的电流波形 图IOa是本发明实施例补偿后的三相电流波形 图IOb是本发明实施例补偿后的N线电流波形 图11是本发明实施例的投切全电容器进行补偿的主电路 图12是本发明实施例中采用电容器与电感进行混合补偿时的外部接线电路图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主_。下面结合附图对本发明的三相不平衡负荷补偿装置的具体实施例进行详细说明。图I是本发明实施例的三相不平衡负荷补偿装置的整体结构示意图，如图I所示，本发明实施例的三相不平衡负荷补偿装置包括采样模块10、开关量输入模块21、开关量输出模块22、人机接ロ模块30、通信模块40、存储模块50、复杂可编程逻辑器件70，采样模块10、开关量输入模块21、开关量输出模块22、人机接ロ模块30、存储模块50、复杂可编程逻辑器件70均与通信模块40连接，采样模块10对输入的电压信号或电流信号进行采样并处理，开关量输入输出模块对开关量进行输入和输出，人机接ロ模块30用于用户输入设定參数和输出信息，存储模块50对数据进行存储，复杂可编程逻辑器件70对通信模块40的端ロ进行扩展。 如图I所示，本实施例中，采样模块10包括互感器(包括电压互感器101和电流互感器102)、RC滤波(包括与电压互感器101连接的RC滤波103和与电流互感器102连接的RC滤波104)和AD芯片107，作为模拟量信号输入后首先经过互感器转换数值较小的信号，然后经过RC滤波去除掉部分的干扰信号。采样模块10主要用于对电压与电流的采样、滤波、数值调理的功能，本实施例中，AD芯片107采用的是ADS8364，若输入的模拟量信号是电压信号，RC滤波后还需要经过由运算放大器构成的调理电路，将电压幅值按比例变换成ADS8364能接受的0-5V的幅值；若输入的模拟量信号是电流信号，需要将电流信号转换成电压信号，之后再经过调理电路将电压幅值按比例变换成ADS8364能接受的0-5V的幅值。本实施例的三相不平衡负荷补偿装置中还包括与通信模块40连接的测频电路108，测频电路108位于电压信号经RC滤波103与电压信号调理电路105之间。开光量输入模块21和开关量输出模块22主要完成外部接点状态检测、信号报警等作用，本实施例中的开关量输入模块21和开关量输出模块22均采用光耦隔离，以避免发生干扰，开关量输出模块22采用出口继电器与光耦进行连接信号，本实施例中光耦隔离采用的是TLP521光耦隔离芯片。人机接ロ模块30包括键盘和IXD显示，键盘用于输入设定信息，IXD显示用于显示信息。本发明的三相不平衡负荷补偿装置中需要人机对话部分来输入參数、输出信息，在图I中设有键盘和IXD显示，便于进行人机对话。用户可以根据实际情况调整定值，也可以根据需要选择要显示的參数。通信模块40包括外部通信接ロ 60，采用TMS230F2812串ロ SCIA经过Max3490扩展成RS-485，通过485进行串行通信和读写数据，其能够与综合重合闸装置配合，井能够实现远程调试和远程显示。本实施例的三相不平衡负荷补偿装置中的一些数据需要进行存储，比如重要的參数、故障前后的数据，因为数据量较大，TMS230F2812片内存储器往往不能满足要求，需要外扩，考虑到电カ系统数据的重要性和可能发生停电的特殊情况，存储模块40中外扩的存储器采用flash存储器。优选地，采用IS61LV25616AL作为外扩RAM，采用SST39VF800作为外扩flash。Flash具有固有不挥发性、易更新性、成本低、密度高、可靠性好等特点。下面结合图2-5对本发明实施例的三相不平衡负荷补偿装置中的主要电路构成分别描述如下
图2是本发明实施例中ADS8364与TMS320F2812连接电路图，本发明实施例采用了ADS8364芯片作为采样的专用芯片，并没有采用DSP片内的AD模块，主要原因在于片内AD只有两个采样保持器，只能同时保持两路采样信号，而电カ系统中保护必须采用同一时刻的信号，需要做到六路信号必须同歩，而这一点ADS8364芯片可以做到。从现场采集的电量信息经过滤波、信号调理电路进入到ADS8364芯片内，经转化后存储在相应的寄存器中，访问相应地址就可以读出相应的数据。如图2所示，用GPIOAO与HOLDA、HOLDB、HOLDC同时相连，控制所有通道进行同时采样，这样就保证了 6个通道的数据是同一时刻的同歩数据。用PWMl输出至AD芯片的CLK脚，作为其工作时钟。用PWM2连接RESET脚，控制芯片的启动。用XZCS2与CS相连，当软件访问到0x08 00000x10 0000存储空间时，会产生ー个片选信号选中ADS8364芯片。外部的电压、电流信号经过处理后经过输入至AD芯片，在AD芯片 内进行模数转换，无需DSP干预，而转换完成后，通过EOC脚触发DSP的XINT2中断，DSP中断程序中对AD转换好的数据进行读出。图3是本发明实施例中电压调理电路图，本实施例中，采样模块10从现场采集的电压信号和电流信号是不能直接接到芯片上的，需要变换成AD芯片能够接受的0-5V的电压信号。如图3所示，图3中使用的是淄博同越公司的精密电流型电压互感器TYPT31C，输入输出电流都是2mA，采样电阻采用的是220kQ的电阻，可以测量440V的电压。在二次侧首先经过ー个由LM124构成的电压跟随器，可是增大输入电阻，在LM124输出端经过ー个限幅ニ极管，防止高过5V的电压穿越。后面由两个0ΡΑ227构成的电路主要将正负5V的电压变成0-5V，消除负值影响。图3中的电容起滤波作用。图4是本发明实施例中电流调理电路图，图4所示的电路中，使用的是淄博同越公司的精密电流互感器TYCT21BM，该型电流互感器能够将50Α变成IOmA 二次电流，在二次侧连接200 Ω，这样互感器二次侧能把电流变成2V电压，后面电路原理基本与电压调理电路相同，只是将Rl改成了 4Κ Ω，使得最终输入至+IN端电压值在0-5V间。图5是本发明实施例中频率跟踪电路，我国的电カ系统的额定频率为50Hz，但是现实的系统的频率总是波动的，很多情况下由于负载比较重，实际频率小于额定值。如果按照固定的额定频率进行采样，就会出现误差。本项目采用硬件跟踪频率的方法，实时追踪频率变化。硬件设计如图5所示，在图5中，由LM393N进行过零检测，如果交流信号大于零，则输出为高电平；如果交流信号小于零，则输出为低电平；这样交流信号就变换成脉冲信号。图5中光耦起到隔离模拟电路和数字电路的作用。经过光耦隔离后的信号输出至锁相环芯片⑶4046，⑶4046输出VCOUT信号输出至74LS393的计数器进行分频。因为希望每个周期进行256次采样，所以要对原来的信号进行256倍分频。74LS393有两个计数电路，每个最多只能进行64分频，所以串联两个电路，从QDl出串联接入到CP2信号端，从QC2出来的信号就是256次倍频信号，此信号作为负反馈信接入到CD4046的BIN端这样，这样该信号就能够严格的与AIN端的信号进行同步，即与现场的交流信号同歩。此信号作为TMS320F2812的CAPl端的输入信号使用，TMS320F2812根据该信号产生中断，在中断服务程序可进行电流、电压信号的采样。
本发明实施例中，电压互感器101、电流互感器102測量低压电网中的电压、电流，并将其按一定比例的縮小，便于测量。从电网中感应出来的电压和电流还有不少杂波，这时通过RC滤波103将其过滤，滤波后的量经过电压和电流调理电路将它们转化成为AD芯片和CPU芯片能够接受的电压值。AD8364是AD采样芯片，该芯片能够电压模拟量转化成数值量，并存储起来，TMS320FS2812芯片定期从AD芯片中读取数值，经过计算得出电压、电流的瞬时值，然后利用相关算法算出电流电压的有效值及负序參量、正序參量、有功功率、无功功率、三相不平衡度的指标，根据这些指标确定是否投入电容器组。本发明实施例中，CPU采样需要与电网中电流电压频率保持一致，电网中的电压电流频率未必是额定的50Hz，这需要锁相电路来跟踪电网中的频率，本发明中设计了锁相电路来完成这项任务。本发明实施例中，由于需要驱动的电容器开关量比较多，而2812芯片的端ロ比较有限，所以应用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)进行扩
展，方案中应用EPM3256SQC144作为扩展，CPLD后面通过光耦隔离与IO板相连。另外本发明实施例中设置了人机接ロ 30，通过键盘和LCD进行输入和输出，键盘用来设置參数和选择显示内容，LCD用来显示用户所需要的电カ參数。同时，本发明实施例中留有与外部通讯的接ロ，利用485接ロ芯片与外部进行数据通讯，可以实现遥信、遥控、遥调。图6为本发明实施例中通讯线路电路图，如图6所示，本发明实施例中利用SPE3485E芯片将串行信号转化为485标准的差分信号。静电电容器是储能元件，在进行投切的时候，电网电压容易对电容器进行冲击，影响电容器的寿命。考虑到直接投入接触器会引起很大的涌流，电容器等电位投切可控硅触发电路进行投切。图7a是本发明实施例中电容器星型连接时复合开关总体连接图，在图7a中，由双向晶闸管与接触器的触点相并联，当电容器投入时，首先由双向晶闸管在电压过零点时导通，将电容器投入，然后启动接触器，接触器的触点k闭合，待接入稳定后，使双向晶闸管截止，这样就完成了电容器的投入。如果是三角型连接，动作过程类似。图7b是本发明实施例中电容器投切可控硅触发电路，在图7b中，当M0C3083接收到GPIOAO的接通电路的信号后，由M0C3083的6管脚检测电网电压，在过零点时，输出脉冲将双向晶闸管导通接通作为负载的电容器。该种投切电路可以在投切减少对电容器的冲击。本发明实施例的三相不平衡负荷补偿装置中软件设计如图8a和图8b所示，图8a是本发明实施例中采样中断服务程序示意图，图8b是本发明实施例中主程序流程图。本系统软件设计主要分成主程序和中断服务程序两部分。中断程序主要分成定时采样程序、串行通信中断服务程序和键盘中断服务程序，中断的优先级别可以在中断控制寄存器中进行设置。其中负责处理串行通信任务，采样中断服务程序主要功能是获得采样的离散数据。主程序主要任务是初始化、自检，故障选相逻辑判断，输出显示及报警。在图8a中，可以看出采样中断服务程序主要负责进行数据采集。图Sb中，列出了初始化、及数据处理的过程。图8中未列出键盘处理程序、串行通信处理程序，这两个模块在本设计中无特殊性，采用通用的软件模块。本发明实施例中，因电容器是重要的电カ设备，其安全稳定运行是非常重要的，故针对电容器设置了过压、欠压、缺相、短路、谐波超限的保护功能，包括1、过压保护
电容器过电压的原因很多，如合闸过电压、非同期合闸过电压、合闸时触头弹跳过电压、分闸时两相重击穿过电压等。对过电压进行保护主要采用无间隙金属氧化物避雷器来保护合闸和分闸引起的过电压；运行的线路过电压主要通过ADS8364測量，如果超过电压
I.2倍(过电压的倍数可由用户通过输入)，就启动输出电路切除电容器。2、欠电压保护
当测量的线电压小于线电压下限时，即认为出现欠电压的情況，将已经投入的电容器全部切除棹，线电压下限可以通过人机界面设置。3、缺相保护
缺相和负载不平衡都会产生负序电流，但是缺相时必然有一相的电压为零，用负序电流超上限及任一相电压低于额定电压65%时，认为线路缺相，这时启动输出电路切除电容器。4、谐波保护
保护装置中对一定次数的谐波设有滤波装置，主要通过电抗器与电容串联组成的无源滤波电路，但是只能对固定次数进行滤波，当总的谐波畸变率超过设定值时，控制器发出指令将电容器从电路中切除。5、短路保护
短路时电流会急速増大，通过控制器測量可以测出线路电流，如果电流超过设定的上限，就切除电容器，同时电容器线路上安装电容器，作为短路后备保护。为了验证电容器进行三相不平衡的效果，本发明利用matlab中的power simulink建立的仿真模型，补偿前的參数为:Pa=32500w，Qa=40000w, Pb=23700w, Qb=37200w, Pc=23000w, Qc=35700wo 图9a是本发明实施例补偿前三相电流波形图，图9b是本发明实施例补偿前N线上流过的电流波形图，图IOa是本发明实施例补偿后的三相电流波形图，图IOb是本发明实施例补偿后的N线电流波形图。从图9a、图9b与图10a、图IOb的对比来看,不平衡度得到了很好的改善，N相的电流从补偿前的幅值57A左右降到了补偿后的O. 6A左右，取得了很好的补偿效果。本发明的三相不平衡负荷补偿装置结构简单、功能多祥。本发明实施例的三相不平衡补偿的方法描述如下。如图11所示，图11是本发明实施例的投切全电容器进行补偿的主电路图。在图11中，Pa、Pb、Pc分别是A、B、C相上的有功功率，Qa、Qb、Qc分别是A、B、C相上的无功功率。
权利要求
1.一种三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，包括采样模块、开关量输入模块、开关量输出模块、人机接口模块、通信模块、存储模块、复杂可编程逻辑器件，所述采样模块、所述开关量输入模块、所述开关量输出模块、所述人机接口模块、所述存储模块、所述复杂可编程逻辑器件均与所述通信模块连接，所述采样模块对输入的电压信号或电流信号进行采样并处理，所述开关量输入输出模块对开关量进行输入和输出，所述人机接口模块用于用户输入设定参数和输出信息，所述存储模块对数据进行存储，所述复杂可编程逻辑器件对所述通信模块的端口进行扩展。
2.如权利要求I所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，所述采样模块包括互感器、RC滤波和AD芯片。
3.如权利要求2所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，所述AD芯片是ADS8364，若输入的模拟量信号是电压信号，RC滤波后还需要经过由运算放大器构成的调理电路，将电压幅值按比例变换成ADS8364能接受的0-5V的幅值；若输入的模拟量信号是电流信号，需要将电流信号转换成电压信号，之后再经过调理电路将电压幅值按比例变换成 ADS8364能接受的0-5V的幅值。
4.如权利要求I所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，还包括与所述通信模块连接的测频电路，位于所述电压信号经所述RC滤波与电压信号调理电路之间。
5.如权利要求所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，所述开关量输入模块和开关量输出模块均采用光耦隔离，所述开关量输出模块采用固态继电器与光耦进行连接信号，所述光稱隔离米用的是TLP521光稱隔离芯片。
6.如权利要求I所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，所述人机接口模块包括键盘和IXD显示。
7.如权利要求I所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，所述通信模块包括外部通信接口，采用TMS230F2812串口 SCIA经过Max3490扩展成RS-485，通过485进行串行通信和读写数据。
8.如权利要求I所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，所述存储模块中外扩的存储器采用flash存储器，所述复杂可编程逻辑器件采用EPM3256SQC144作为扩展。
9.如权利要求8所述的三相不平衡负荷补偿装置，其特征在于，采用IS61LV25616AL作为外扩RAM，采用SST39VF800作为外扩flash。
10.一种采用如权利要求1-9中任一项所述的三相不平衡负荷补偿装置的三相不平衡负荷补偿的方法，其特征在于，首先对三相负荷情况进行计算，判断其是否满足全电容补偿的条件，若满足就按照优化目标确定补偿的电容器的容量；若不满足全电容补偿的条件则按照电容、电感进行混合补偿或者由用户选择性地只进行无功功率补偿。
全文摘要
本发明提供了一种三相不平衡负荷补偿装置，其包括采样模块、开关量输入模块、开关量输出模块、人机接口模块、通信模块、存储模块、复杂可编程逻辑器件，所述采样模块、所述开关量输入模块、所述开关量输出模块、所述人机接口模块、所述存储模块、所述复杂可编程逻辑器件均与所述通信模块连接，所述采样模块对输入的电压信号或电流信号进行采样并处理，所述开关量输入输出模块对开关量进行输入和输出，所述人机接口模块用于用户输入设定参数和输出信息，所述存储模块对数据进行存储，所述复杂可编程逻辑器件对所述通信模块的端口进行扩展。另外提供一种不平衡负荷补偿方法，本发明的三相不平衡负荷补偿装置结构简单、功能多样。
文档编号H02J3/26GK102856920SQ20121035009
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者王海祥, 鞠全勇 申请人:金陵科技学院