电铁牵引变电站无功补偿及滤波微机监控系统(Ⅰ)——工.pdf

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1、电铁牵引变电站无功补偿及滤波微机监控系统()工作原理及硬件设计肖佳彬1,2,黄 纯1,王必生3(11 湖南大学电气与信息工程学院,湖南 长沙410082;21 江汉石油管理局盐化工总厂热电厂,湖北 潜江433121;31 湘西自治州水利电力工业学校,湖南 吉首416000)摘 要:在电气化铁道牵引变电站中,装设无功补偿电容器和谐波滤波器是提高功率因数、改善电能质量的重要手段。为保证电容器组和滤波器组的安全、有效、协调运行,我们研制了一种变电站无功补偿和滤波器微机监控装置,本文介绍该装置的工作原理及硬件设计方法。关键词:无功补偿;电力电容器;谐波;滤波器;微机监控中图分类号:TP277 文献标识

2、码:A 文章编号:1671-119X(2002)01-0021-030 前 言近年来,我国电气化铁路获得迅速发展。目前全国电铁通车里程已逾万里,遍及18个省、自治区、直辖市。电力机车整流负荷中含有较大的谐波,由于滤波措施不得力,电铁大量谐波注入公用电网。据不完全统计,自电铁投运30多年来,其谐波已引发200MW发电机跳闸,山西、河南和贵州等省电网大面积停电或系统解列,电网产生局部谐振,网损明显加大,发电机转子损坏,继电保护和自动装置非正常频繁启动,用户电动机和电容器大量烧坏或不能正常运行,小火电厂不能就近并网等一系列危害,使国民经济蒙受了巨大的损失。随着电铁运量增加和向东部发达地区扩展,如电铁

3、谐波仍不能得到及时治理,其产生的危害将会更加严重。电气化铁道的另一特点是:功率因数偏低,且无功功率随时间大幅度的变动。谐波和无功是电气化铁道供电中备受关注的技术问题1-3。在电铁牵引变电站装设无功补偿电容器组和谐波滤波器组,是在目前技术条件下提高功率因数、抑制谐波污染的最为经济实用的方法4。目前,装设在电铁牵引变电站的无功补偿电容器和谐波滤波器大都采用手工投切,没有可靠的监视和控制设备,不但运行人员工作量大,而且往往存在装置投切不及时,滤波和无功补偿效果不好,甚至出现电容器和滤波器因谐波过流原因而损坏等问题。为解决上述问题,我们研制成功了一套电容器和滤波器微机监控装置,该装置具备谐波在线实时检

4、测、电容器组及滤波器组自动投切、电容器组及滤波器组微机保护等多种功能,为电容器组和滤波器组的安全、有效、协调运行提供了有力保障。本文着重阐述无功补偿及滤波系统的工作原理、硬件结构及设计方法。1 一次系统设计111 一次系统结构谐波滤波一次部分主要由若干组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成(如图1)。其中,单调谐滤波器用以滤除某一特定次数的谐波,其组数及每组的滤波次数应根据现场谐波状况确定(如3、5、7次等)。高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内显低阻抗特性,用以吸收若干较高次谐波。滤波器中全部电容器均兼作基波下的无功补偿之用,若其容量不能满足功率因数的要求,再另加若干补偿电容器组。112

5、 滤波器及电容器的优化设计目前,滤波器及电容器的参数设计大都采用手工设计,存在一些弊端5:其一,人工设计计算精度低,容易发生错误,设计质量依赖于设计人员的技术水平和经验;其次,人工设计时没有也很难全面考虑第12卷第1期2002年3月湖 南 工 程 学 院 学 报Journal of Hunan Institute of EngineeringVo1.12.No.1Mar.2002 收稿日期:2002-01-22基金项目:湖南省电力科技攻关项目(20013014)。作者简介:肖佳彬(1957-),男,高级工程师,研究方向:工厂供电、谐波治理。1995-2007 Tsinghua Tongfang

6、 Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.滤波方案的优化和滤波器参数的优化,造成资源浪费,增加滤波器成本,且设计的滤波器往往不能达到最佳的滤波效果;此外,人工设计很难考虑谐波源所处的电网环境,设计的滤波器有可能出现过负荷或引起谐波谐振6。图1 系统一次接线为此,我们编制了计算机辅助设计程序,对滤波器和电容器参数进行优化设计。其设计流程为:(1)实测谐波源向系统注入的各次谐波电流及电网背景谐波电压;(2)确定滤波器装置应提供的无功补偿容量,并获取设计所需的其它原始数据,输入计算机;(3)根据电容器、滤波器装设位置、电压等级、滤波装置由几组单调谐滤波器组成

7、、是否装设高通滤波器等,确定无功补偿和谐波治理可能的方案;(4)进行滤波方案的比较分析,优选最合理的13个方案;(5)对优选方案中各滤波器进行初步设计;(6)以滤波器支路的电压总畸变率最小和最佳电容器安装容量为目标函数,同时考虑无功平衡约束、谐波电流、各次谐波电压及电容器安全运行等约束条件,建立无源滤波器组优化设计的数学模型,并进行各滤波器参数的具体设计;(7)校核各滤波方案是否满足谐波抑制要求;(8)进行系统谐波分析,避免滤波器过负荷或引起谐波谐振;(9)对不同方案进行经济分析,按年费用最小作最佳选择,最终确定滤波方案。2 微机监控装置硬件设计211 硬件结构装置采用当前较为通用的插件式结构

8、,通过增减插件板可适合不同系统的需要,且便于调试和维护。它主要由以下插件组成:(1)交流插件使用中间变流器和中间变压器将电力系统二次电流电压信号隔离变换成APD电路所需的-5+5V电压信号。本装置对中间变流器和中间变压器的线性度要求比一般微机装置更高。模拟输入通道前置低通滤波电路的截止频率设计为4000HZ,以允许39次及以下高次谐波通过。(2)AD插件每个插件提供16个模拟信号输入通道,经采样保持电路和多路转换开关送12位高速模数转换芯片AD1674,将待检测的电压、电流信号转化成数字量。测频信号形成回路由低通滤波和带正反馈的过零比较器构成,它将电压波形整形成方波,供测量和跟踪系统频率用。(

9、3)CPU插件由单片机系统构成的CPU插件是本装置的核心部件。它负责测量电网频率,对各路电压、电流等信号采样,然后进行数值计算、逻辑判断、发出各种控制命令,以实现对电容器、滤波器的各项监控功能。单片 机 采 用Intel公 司96系 列 高 档 芯 片80C196KC,具有高精度片内定时P计数器、程序运行监视器、高速输入P输出(HSIPHSO)、片内模数转换器、具有多机通信能力的串行口等硬件资源,指令系统丰富,运算及控制能力极强,外部硬件功能扩展简单。单片机外围接口电路采用PSD813F1芯片。PSD是WSI生产的可编程微控制器系统外围器件芯片7-8,它将单片机所需的多个外围器件集成在一个芯片

10、中,能与单片机之间实现所谓无缝连接,大大简化了设计,节省了资源,并且显著地提高了系统的可靠性。PSD813F1是最新一代的PSD,它内部集成了1M位的内部大容量FLASH ROM、256K位的EEPROM、16K位SRAM,27个可重建的IPO端口,以及地址锁存器和多种可编程逻辑器件(译码PLD、通用PLD、外设PLD),它能与80C196单片机总线直接接口。采用1片D813F1替代了原来所需的近10块外围芯片,从而大大简化硬件电路,使系统的设计、修改和扩展都变得十分灵活方便。此外,CPU插件还带有RS422通信接口,可与22 湖南工程学院学报 2002年 1995-2007 Tsinghua

11、 Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.上位管理机或调度端之间进行信息交换和接受遥控命令。因此,装置既可独立使用,又可作为变电站综合自动化系统的组成部分。(4)IO插件每一插件中设置有16路开关量输入和8路开关量输出。输入和输出均经光电耦合器隔离。(5)继电器插件继电器插件是装置的执行元件。该插件装有多个出口继电器,可执行CPU插件发出的滤波器组的投、切(包括保护跳闸)命令。各继电器由IO插件的开出驱动。(6)人机对话板装置面板上设有薄膜小键盘和数码显示。装置调试、保护定值的输入及修改可通过键盘方便进行。数码显示可显示用户关心的监控

12、信息,如各次谐波含量等。(7)电源插件采用开关式逆变电源,输入电压为220直流或交流,输出+5V、12V、+24V至以上功能插件。输出的各级电压稳定精确,抗干扰能力强。212 硬件原理以CPU插件、AD插件和IO插件为核心,配以插件机箱、人机对话板、电源插件以及用户规模所需数目的交流插件和继电器插件,即组成一套完整的装置。装置硬件结构紧凑,使用维护方便,成本较低,可靠性高。硬件原理框图见图2。图2 装置硬件原理框图3 结 论谐波和无功是电气化铁道供电中备受关注的两大技术问题,若不加以妥善处理,将给电力系统及电力用户造成严重危害。在目前技术条件下,在电铁牵引变电站装设无功补偿电容器组和谐波滤波器

13、组,是提高功率因数、抑制谐波污染的最为经济实用的方法。为解决电气化机车引起的谐波和低功率因数问题,我们研制了适应电铁牵引变电站运行的无功补偿及谐波滤波成套设备,本文主要介绍该设备一次系统及微机监控装置的硬件设计方法。该设备应用计算机辅助优化设计方法进行电容器和滤波器参数设计,使电容器和滤波器参数选择更科学、更合理,节省了电容器、滤波器的制造成本,降低了其运行费用,并且避免了谐波谐振等现象的产生。为了提高无功补偿和谐波滤波综合效益,设备采用计算机实现自动投切和监控。微机监控装置采用以80C196为核心的单片机系统,其外围接口电路采用最新一代的PSD芯片,大幅度地简化了硬件电路的设计,减小了系统体

14、积,降低了功耗,增强了系统可靠性。参 考 文 献1 林海雪,周胜军 1 电气化铁路的谐波标准问题J 1 中国电力,1999,32(9)12 IEEE Working Group on Power System Harmonics.Power System Harmones:An Overview.IEEE Trans.1983,PAS-102(8).3 吴竞昌,孙树勤,宋文献,曲涛等.电力系统谐波M.北京:水利电力出版社,1988.4 李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用M1 北京:中国铁道出版社,199315 程浩忠,廖培鸿.单调谐交流滤波器的计算机辅助设计J 1 电力电容器,1995,(

15、3)16 左辰,黄纯.配电系统谐波放大的仿真分析J.湖南大学学报,1997,(12).7 可编程单片机个围器件PSD8XXF系列数据手册.8 孙涵芳.单片机现场可编程外围芯片PSD的原理及应用M.北京航空航天大学出版社,1994.(下转第36页)32第1期 肖佳彬等:电铁牵引变电站无功补偿及滤波微机监控系统()1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.4 结束语产品的微机化是一种发展趋势,作为一个技改项目,本方案获得了初步的成功,还应在以后的生产实践中不断完善。参 考 文 献1 李华 1MCS-51

16、系列单片机实用接口技术M1 北京航天航空大学出版社,1996,(8)12 孙育才 1MCS-51系列单片微型计算机及其应用 1 东南大学出版社,1995,(10)1On Silicon Control Charging Device Controlledby Single Chip MicrocomputerLI Han-jun,ZHANG Shen-ji(1.Dept.of Elect.Eng.,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China;2.Xiangtan Rectifier words,Xiangtan 411104,Chi

17、na)Abstract:In this paper,the anthor introduces the way the charging device by the computer and at the same timethe hardware and software designs for the charging device are given.Its operation shows that the device can sati2sfy the technological reguirements and is useful and worth generalizing.Key

18、 words:single chip microcomputer constant charging current;constant charging voltage(上接第23页)A Microcomputer-based Monitor for Capacitors andFilters in Electric Railway Traction Substation Part:The Principle and the Design of H ardwareXIAO Jia-bin,HUANG Chun,WANGBi-sheng(11College of Electrical and I

19、nformation Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;21Jianghan Petroleum ManagBureau,Qianjiang 433121,China;31Xiangxi Industrial College of Hydraulic and Electric Power,Jishou 416000,China)Abstract:In electric railway traction substation,power capacitors and harmonic filters are the import

20、ant devicesfor improving both the power factor and the power quality.In order to ensure the capacitors and the filters work2ing safely,effectively and harmoniously,a microcomputer-based monitor is developed.The principle of the de2vice and the methods for hardware design are detailed in this paper.Key words:reactive power;power capacitor;power harmonic;filter;microcomputer-based monitor63 湖南工程学院学报 2002年 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.