链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统的制作方法

专利名称：：链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统的制作方法
技术领域：
：本发明属于柔性交流输配电
技术领域：
，特别涉及用于链式静止同步补偿器(STATCOM)系统的监测技术。
背景技术：
：典型的分布式控制系统由现场设备接口与控制器以及通信设备组成，设备间的信息互联，需要一种信息传送的载体。而现场总线FB(FieldBus)技术是采用一条通讯线路将所有设备串联起来(即串行通讯方式)，每个设备控制单元靠标识码参与信息交换与命令传递，避免了集散控制系统DCS(DiscretedControlSystem)方式的星形布线量大、通讯距离短等固有性质所造成的各种麻烦。可以说，现场总线技术在工业过程控制领域的成功应用，是自动化领域技术进步的一个重要里程碑。控制器局域网(ControllerAreaNetwork以下简称CAN)，由于它的数据通信具有高性能，高可靠性，CAN总线在现代工业中的应用越来越广。其主要特点如下1)CAN为多主方式工作，网络上任意节点均可以在任何时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，并以标志符ID标定，其值越小，优先级越高，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续发送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。4)CAN只需要报文过滤波即可实现点对点、一点对多点。5)CAN总线通信格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节也不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。6)CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。CAN信息包的数据帧是携带数据由发送器至接收器的帧，是CAN4种帧格式之一，这种帧格式分别是数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。数据帧的主要结构有(1)帧起始标志数据帧的起始，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发送，在总线上会产生同步作用；(2)仲裁场由11位标识符和远程发送请求位组成，为显位表示数据帧，隐位表示远程帧。标识符由高至低次序发送，且前7位不能全为隐性位，标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送；(3)控制场由6位构成，前2位为保留位，为显性，后4位为数据长度码，表示数据场中数据的字节数，必须在0～4的范围内变化；(4)数据场由被发送数据组成，数目为控制场中决定的1～8个字节，第一个字节的最高位首先被发送；(5)循环冗余码校验场包括循环冗余码校验序列15位和CRC界定符(1个隐位)，用于帧校验；(6)应答场由应答间隙和应答界定符组成，共两位；(7)帧结束由7位隐性位组成，此期间无位填充。在CAN总线的实际应用中，主站负责整个网络。它向从站发送各种控制命令，从站按照来自主站的命令进行操作。主站可以选择任意一个从站交换数据信息，任一从站一旦被选中，即可以接收来自主站的信息，也可以依据从站的命令向主站回送信息。当某一从站发生故障时，可以主动向从站发送有关信息。任一从站与主站交换信息时，必须带上从站地址信息。90年代出现的柔性交流输/配电系统技术亦称FACTS/DFACTS(FlexibleACTransmissionSystem/DistributionFlexibleACTransmissionSystem)技术，是应用现代电力电子技术、微处理技术、现代通信技术和现代控制技术对电能进行转换、控制的一种高新技术。FACTS用电力电子技术改造输电系统，静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator以下简称STATCOM)是其核心技术的代表，STATCOM是无污染、静止的无功发生装置，可安装在负荷中心，在电压低时，特性硬，补偿效果好；惯性小，响应时间快(约30毫秒)；可以正负、平滑、快速地调节输出无功功率，解决了无功输送困难的问题，满足了电力系统的需要。链式STATCOM(CascadeSTATCOM)是柔性输电系统FACTS技术在电力系统中的具体应用，是当前国际电工领域的前沿研究课题。研究开发STATCOM，具有重大的理论意义和实用价值，该技术对未来能源的发展利用有变革性的重要影响。链式STATCOM主要由直流侧电容、电压型逆变器等部分组成，链式STATCOM通过连接变压器或连接电抗器接入电网系统。逆变器输出幅值与相位可调的电压，通过实时改变这一幅值和相位，可改变STATCOM吸收或发出的无功电流，从而实现动态无功补偿。STATCOM可以等效为幅值和相位均可控制的、与电网同频率的交流电压源。对于理想的STATCOM(无功率损耗)，仅改变输出电压的幅值即可调节其与电网系统的无功交换当输出电压小于系统电压时，STATCOM吸收领先的无功功率；反之，STATCOM发出领先的无功功率。总之，STATCOM输出电流不依赖于电压、响应更加迅速、动态电压补偿效果更好，特别是异常等情况下性能更优。此外，STATCOM还有损耗小、占地面积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，性能全面优越于其他传统的无功补偿装置。随着电力电子技术的进一步发展，链式STATCOM必将得到长足的发展。FACTS或DFACTS装置不同于传统电网系统元件装置的显著之处在于响应的快速性(微秒级)、控制的精确性和抗干扰的相对脆弱性。链式STATCOM作为一电能变换装置，其运行状态经常随负载的变化而变化，并且装置一旦出现异常情况，需将当前状态立即切换到紧急状态以尽量保证链式STATCOM的安全，即要链式STATCOM的监控系统中的监测与控制紧密结合在一起以提高监控系统的响应速度。目前科技文摘上报道的相关的STATCOM监控系统只有一个，如以下三篇文献所述文献1谢小荣，唐义良，韩英铎，石钧，英雨，±20MVarSTATCOM的运行监测与故障诊断系统，电力系统自动化，第23卷，第12期，1999年6月，pp25-28；文献2谢小荣，刘文华，王仲鸿，静止同步补偿器的智能化报警处理与故障诊断系统，电网技术，第23卷，第8期，1999年8月，pp35-38；文献3XiaorongXie，WenhuaLiu，HuaQian，YingduoHan，Real-timeSupervisionforSTATCOMInstallations，IEEEComputerApplicationinPower，April2000，pp43-47.上述文献1、2、3所述的STATCOM监控系统是1994年，中国河南省电力局与清华大学电机工程系合作开发的±20MVarSTATCOM的运行监测与故障诊断系统(OperationMonitoringandFaultDiagnosissystem，简称OMFDS)，20MvarSTATCOM装置是基于可关断晶闸管(GTO)的电力电子技术在电力系统中应用，它的运行监测与故障诊断子系统只是全面监视装置的启停过程，实时监测系统的运行状态并记录有关信息；当系统发生异常或故障时进行报警处理并启动诊断程序，提供人机界面，故障后对系统进行分析和诊断，为快速恢复装置正常运行奠定基础。STATCOM包括众多其它的子系统，所有的子系统必须各自正常运行并相互协作以实现装置的整体功能，其中任何一个部件失效必将影响整个系统的正常工作，甚至导致全局性故障；该运行监测与故障诊断系统采用调制解调器(MODEM)-电话线-调制解调器(MODEM)的通信模式将当地OMFDS的数据传送到远方的计算机上，实现异地对装置的运行进行监视和故障后的分析诊断功能。并在OMFDS中设计并集成了相应的信号处理算法以实现对它们的测量计算。瞬时电量基于信号的瞬时采样值，有利于反映对象短期的暂态的瞬时的特征并进而实施快速实时控制，但它的短数据窗定义方式使其易受谐波、噪声等非特征信号的影响；传统电量定义以信号的周期性观测模型为基础，代表了信号长期的稳定的平均的特性，但其测量时滞相对较长的特点使得它不能很好地表现实际装置状态的变化过程，难以适应快速FACTS控制器的监控要求。文献1、2、3所述的监控系统是整体式监测系统，监控的对象是四重化STATCOM；该监测系统存在如下问题1)信号采集的通道少，且不能扩充；2)每周期采集样点少(48点)，不能满足要求；3)故障后的录波只有STATCOM装置的波形没有电网系统的波形；4)系统自诊断功能不完善；5)可靠性不高；6)系统报警功能不完善；7)通讯功能差，远方“拨号”访问困难；8)联网功能差，上位机/下位机不能良好通讯；9)人机界面显示/刷新速度慢，开发/修改困难。
发明内容本发明的目的是为解决已有技术的不足之处，设计一种基于光纤控制器局域网(CAN)总线的链式STATCOM的分层分布式监测系统。本发明根据监测到的主电路设备工况来判断链式STATCOM工作的状态和故障状态，能够根据其输入输出的数字量和模拟量来界定链式STATCOM的各种状态并对各工作状态进行严密、实时的监测。本发明适用于大容量STATCOM系统或其他柔性输配电系统FACTS/DFACTS装置的实时分层分布式监测。本发明提出的一种链式静止同步补偿器(STATCOM)的分层分布式监测系统，其征在于，包括由上级调度计算机和远动工作站计算机组成的调度层，由一台实现控制器局域网(CAN)总线网络的数据采集和向网络发布的中央监控计算机网络服务器构成的站控层和由通过控制器局域网总线相连的多个底层监测控制器局域网节点构成的间隔层；其联接关系为；该调度层的计算机通过调制解调器拨号或通过以太网与站控层的网络服务器进行远程通信；该间隔层中控制器局域网节点通过控制器局域网光纤与站控层连接；所说的每个底层监测控制器局域网节点包括微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、直流电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、串行口、控制器局域网控制器，还包括通过光电隔离、控制器局域网收发器与控制器局域网控制器相连的控制器局域网光纤接口电路；控制器局域网信号通过控制器局域网光纤接口电路和控制器局域网网络上的其他控制器局域网节点进行就地通信。本发明的特点及效果本发明的链式STATCOM系统的分层分布式监测系统除了对链式STATCOM系统的工作状况进行严密监控之外，还对其自身设备元件如模拟量采集卡、数字量采集卡等的工作状况进行实时、可靠的监视，本发明根据监测系统监测到的主电路设备工况来判断链式STATCOM系统工作的状态和故障状态，故障信号的完整录波和可靠的光纤通讯是本发明的链式STATCOM分层分布式监测系统解决的难点和关键。本发明解决了STATCOM工作状态、故障状态的监测、数据管理、网络数据发布、故障录波和故障报警这些技术难题。该分层分布式监测系统方便扩充和移植。图1是本发明的链式STATCOM的分层分布式监测系统组成原理图。图2是本发明的单个CAN节点组成原理图。具体实施例方式本发明设计的链式静止同步补偿器(STATCOM)的分层分布式监测系统结合附图及实施例详细说明如下本发明的链式STATCOM的分层分布式监测系统组成实施例如图2所示。该实施例是针对光纤控制器局域网(CAN)总线的链式STATCOM的分层分布式监测系统，整个监测系统分为调度层、站控层和间隔层，具体构成分别描述如下(1)调度层本实施例调度层包括上级调度计算机和远动工作站计算机(采用已有技术的设备)，可以通过调制解调器拨号或通过以太网与站控层的中央监控计算机网络服务器进行通信。调度层的监视画面是由站控层的网络服务器发布的。调度层是监测系统的管理层。(2)站控层本发明的站控层设置的监控计算机网络服务器是整个监控系统的核心，实现CAN总线网络的数据采集和向网络发布。本实施例的站控层包括2台互为热备用的中央监控网络服务器(WebServer)(只用一台中央监控网络服务器完全可实现本发明全部功能，使用两台使系统工作更加可靠)，即图1中的WEB服务器A和WEB服务器B。WEB服务器是整个监测系统的核心，完成本系统的所有监测功能并通过网络发布到调度层。站控层的WEB服务器包括计算机-控制器局域网(PC-CAN)卡、数字量输入/输出卡、模/数卡、全球卫星定位系统(GPS)卡和网卡等，通过PC-CAN卡总线与就地监控的CAN节点通信；通过数字量输出卡进行封锁脉冲和跳闸操作、STATCOM的运行指示、脉冲封锁故障指示、水冷报警和STATCOM故障指示以及语音报警等；通过模/数卡采集10kV电网系统电压、10kVSTATCOM电压、STATCOM输出电流和DC48V供电电源等；通过数字量输入卡采集110kV/10kV接入变压器过温1(120度)、110kV/10kV接入变压器过温2(135度)、110kV/10kV接入变压器轻瓦斯(120度)、110kV/10kV接入变压器重瓦斯(135度)、110kV/10kV接入变压器风机故障、10kV接入电网总开关合闸/跳闸、DC48V电源系统报警故障、监测系统自身的DC48V电源系统跳闸故障、脉冲封锁、链式STATCOM旁路、控制器故障、控制电源故障、水冷报警、水冷正常停机和水冷故障停机等；通过GPS卡给系统提供标准授时时间；站控层通过网卡和调度层的计算机连网。(3)间隔层本实施例的间隔层共设置40个底层监测CAN节点(CAN单元)，其中30个CAN节点分别监测30个STATCOM链接单元，1个监测STATCOM输出电流，1个监测STATCOM输出电压，1个监测110kV电网母线电压，1个监测220kV电网母线电压，其他备用。每个底层STATCOM监测CAN节点设计有模/数转换输入3路，采样分辨率为20微秒，分别采集输出电压、电容电流和电容电压；设有数字量输入信号12路，分别为4个门极导通晶闸管(IGCT)故障信号、1个过流封锁、1个过流跳闸、1个过压信号封锁、1个电压平衡电路故障、1个封锁信号、1个跳闸信号、1个控制电源故障、备用1个。STATCOM电流监测CAN节点监测3相电流，并接收封锁/跳闸信号。STATCOM电压监测CAN节点监测3相电压，并接收封锁/跳闸信号。110kV电网母线电压监测CAN节点监测3相电压，并接收封锁/跳闸信号。220kV电网母线监测CAN节点监测3相电压，并接收封锁/跳闸信号。每个底层监测CAN节点都设计有CAN通信光纤接口。每个底层监测CAN节点用跳线设置本单元号，用数码管显示设置的单元号。监测CAN节点连续进行3路模拟量录波，接收到封锁或跳闸信号时，继续录波2周期后存储前后2周期录波数据，发送到站控层的集中监控计算机WEB服务器。CAN节点平时定期发送2周期数据及开入量状态到站控层的集中监控计算机WEB服务器。本发明的CAN总线通过光纤网络连接CAN节点，单个CAN节点组成结构如图2所示。CAN节点包括微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、DC48V供电电源及不间断电源(备用)、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、串行口RS-232接口或串行口RS-485接口、CAN控制器，还包括通过光电隔离、CAN收发器与CAN控制器相连的CAN光纤接口电路。微控制器是CAN节点的核心，CAN信号通过CAN控制器、光电隔离、CAN收发器、CAN光纤接口电路和CAN网络上的其他CAN节点进行通信。上述组成调度层、站控层、间隔层的CAN节点的元器件均可选用具有相同功能的常规产品实现。本实施例用CAN总线设置分布式监测系统的节点；用CAN总线光纤调制解调器和总线式CAN调制解调器设置系统数据的光纤传输网络；用全球卫星定位系统GPS(GlobalPositionSystem)设置系统的标准授时时钟；用Server-Client(服务器-用户)方式设置WEB服务器的网络发布/浏览。采用直流48V电源供电，并还可使用通讯领域用的不间断电源(UPS-UninterruptablePowerSupply)作为备用电源。本实施例的CAN总线通讯速率为0-1MBPS。每个CAN节点有3路12位模/数转换同步输入，采样分辨率达到20微秒；每个CAN节点可在故障出现的前后对STATCOM和电网的电流、电压各录波2个周波。本实施例用组态软件编制人机界面(Human-MachineInterface-HMI)；其站控层网络服务器中采用组态软件编制的用户程序可查询/追忆六个月的操作记录；可查询/追忆三个月的信号记录；具有模拟量历史曲线追忆功能；调度层的计算机上可以浏览/查询。具有报表功能；分级保护功能；故障定位功能；实时状态监视功能；全面监视STATCOM的启动/停止过程；自诊断及帮助功能；网络WEB发布及IE浏览功能。具有STATCOM工作状态监测和数据库管理功能。组态软件用户程序采样时间为5.5毫秒。权利要求1.一种链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统，其征在于，包括由上级调度计算机和远动工作站计算机组成的调度层，由一台实现控制器局域网总线网络的数据采集和向网络发布的中央监控计算机网络服务器构成的站控层和由通过控制器局域网总线相连的多个底层监测控制器局域网节点构成的间隔层；其联接关系为；该调度层的计算机通过调制解调器拨号或通过以太网与站控层的网络服务器进行远程通信；该间隔层中控制器局域网节点通过控制器局域网光纤与站控层连接；所说的每个底层监测控制器局域网节点包括微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、直流电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、串行口、控制器局域网控制器，还包括通过光电隔离、控制器局域网收发器与控制器局域网控制器相连的控制器局域网光纤接口电路；控制器局域网信号通过控制器局域网光纤接口电路和控制器局域网网络上的其他控制器局域网节点进行就地通信。2.如权利要求1所述的链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统，其征在于，所说的站控层的网络服务器包括计算机-控制器局域网卡、数字量输入/输出卡、模/数卡、全球卫星定位系统卡和网卡，该计算机-控制器局域网卡总线与就地监控的控制器局域网节点通信；该数字量输出卡用于进行封锁脉冲和跳闸操作、静止同步补偿器的运行指示、脉冲封锁故障指示、水冷报警和静止同步补偿器故障指示以及语音报警；该模/数卡采集电网系统电压、静止同步补偿器电压、静止同步补偿器输出电流和直流供电电源等；该数字量输入卡采集接入变压器温度保护信号、变压器风机故障信号、接入电网总开关合闸/跳闸、本直流电源报警故障、脉冲封锁、链式静止同步补偿器旁路、控制器故障、控制电源故障、水冷报警、水冷正常停机和水冷故障停机；该全球卫星定位系统卡给本监测系统提供标准授时时间。3.如权利要求2所述的链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统，其征在于，所说的间隔层设置多个底层监测控制器局域网节点，包括分别监测多个静止同步补偿器链接单元控制器局域网节点，监测静止同步补偿器输出电流的控制器局域网节点，监测静止同步补偿器输出电压的控制器局域网节点，监测电网母线电压的控制器局域网节点；每个底层监测控制器局域网节点设有多路模/数转换输入，分别采集包括输出电压、电容电流和电容电压信号；设有多路数字量输入信号，分别采集包括门极导通晶闸管故障信号、过流封锁、过流跳闸、过压信号封锁、电压平衡电路故障、封锁信号、跳闸信号、控制电源故障；所说的监测静止同步补偿器电流的控制器局域网节点监测3相电流，并接收封锁/跳闸信号；所说的监测静止同步补偿器电压控制器局域网节点监测3相电压，并接收封锁/跳闸信号；所说的监测电网母线电压静止同步补偿器的控制器局域网节点监测3相电压，并接收封锁/跳闸信号；每个底层监测控制器局域网节点都设有控制器局域网通信光纤接口；每个底层监测控制器局域网节点用跳线设置本单元号，用数码管显示设置的单元号，监测控制器局域网节点连续进行多路模拟量录波，接收到封锁或跳闸信号时，继续录波多周期后存储前后多周期录波数据，发送到站控层的集中监控计算机网络服务器，控制器局域网节点平时定期发送多周期数据及开入量状态到站控层的集中监控计算机网络服务器。4.如权利要求1、2或3所述的链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统，其征在于，所说的站控层还设置有第二台中央监控计算机网络服务器与第一台互为热备用。全文摘要本发明属于柔性交流输配电
技术领域：
，涉及链式静止同步补偿器的分层分布式监测系统。包括由上级调度计算机和远动工作站计算机组成的调度层，由一台中央监控计算机网络服务器构成的站控层和由通过CAN总线相连的多个CAN节点构成的间隔层；所说的每个CAN节点包括微控制器，以及分别与其相连的数据存储器、程序存储器、拨码器、数码显示、直流电源、模数转换器、数模转换器、数字量输入和输出、串行口、CAN控制器，还包括CAN光纤接口电路。本发明根据监测到的主电路设备工况来判断链式STATCOM工作的状态和故障状态，能够界定链式STATCOM的各种状态并对各工作状态进行严密、实时的监测。适用于大容量STATCOM系统。文档编号H04L12/40GK1481062SQ03150350公开日2004年3月10日申请日期2003年7月25日优先权日2003年7月25日发明者于庆广,孙艳栋,刘文华,倪镭,胡万荣,施伟国申请人:清华大学,上海市电力公司