動態閃變電壓檢測及電機智能自啟動系統設計

沈文杰 蔣建虎

(洛陽理工學院電氣工程與自動化系，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著自動化控制技術的進步，當今企業的生產都在向規模化、專業化發展，生產工藝連續性的控制顯得十分重要。然而，自然界的雷電、線路的短路、接地、大功率設備啟動、供配電系統中的不穩定因素等，都會引起電壓瞬間的波動［1］。這種電壓閃變是不可預測的隨機事件，多數情況下是電壓跌落［2－3］，持續時間小于1 s，電網波動的幅值小于額定電壓的60%，而較長時間(＞1 s)及較大幅度的電壓閃變有時也會發生。由于生產系統中運用的對電壓敏感的設備(如可編程控制器(PLC)、變頻調速電機(ADS)等)越來越多，生產線上電機的機械特性也不同，電網電壓瞬間大幅度跌落會引發電壓敏感控制設備誤動作，導致設備停機或重載電機停轉，從而破壞生產過程中的連續性和工藝連鎖性，造成生產中斷或產生許多廢品，甚至損壞設備、引起爆炸、火災等事故。即使不發生事故，企業也需對生產系統進行全面檢測，從而造成損失。

為此，本文設計了一種電機智能自啟動系統，其可以實現電網電壓經過瞬間的波動恢復正常后，按照生產工藝控制的要求，重新啟動恢復生產或輸出報警信號。

1 閃變電壓特征量的檢測

1.1 閃變電壓的特征描述

電能質量一般是指電壓或電流的幅值、頻率、波形、三相電壓不平衡、電壓諧波總畸變率、電壓波動和閃變等40多項指標［4，11］。根據國際電工委員會(IEC)的有關標準，電壓波動和閃變被作為衡量電能質量的重要指標。當各參量尤其是電壓波動與規定值的偏差達到一定值時，即會影響電機運轉。通常電壓閃變造成的電壓跌落是由于輸電線路短路故障引起的，大負荷感應電機啟動也會引起電壓跌落。輸電線路故障類型可以分為三相短路、單相接地故障和相間短路3種情況。對三相短路而言，電壓跌落是對稱的，可用電壓跌落的深度和持續時間來描述。但對于不對稱故障(單相接地短路和相間短路)，各相電壓幅值、相角跳變將各不相同。因此，電壓閃變造成的電壓跌落還伴隨著相角跳變和不對稱現象［5－7］，而且由于供電端變壓器、用戶端變壓器繞組連接方式的不同以及負荷連接方式不同，使得同一個電壓閃變造成的電壓跌落由輸電線路送到不同的負荷時，產生的影響也不同。電壓幅值跌落深度用MF表示，MF=Usag/Uref，其中，Usag為電壓跌落前的有效值，Uref為電壓跌落時的有效值，當發生不對稱電壓跌落時，特指基波正序分量的有效值。電壓跌落時的相角跳變是指電壓跌落前后的相位角變化，當發生不對稱電壓跌落時，特指基波正序分量的相位角變化［8－9］。為此，要構建的智能防護系統的檢測算法必須能迅速、實時、準確地檢測出電壓跌落的起止時刻，同時對受控設備的運行狀態進行實時監測，并在輸電線路運行出現異常時根據檢測的數據，結合設備及生產工藝要求自動進行恢復操作。

1.2 閃變電壓跌落特征值的檢測

負荷往往對電壓幅值的跌落很敏感。一般的有效值計算方法只注重對電壓幅值的監測，但有效值的計算方法至少需要半個周期的過去數據。這樣就會引起一定的延時，而不能準確地給出電壓跌落的起止時刻，更不能反映電壓跌落時可能出現的相角跳變和不對稱。若用離散傅立葉分析方法來計算電壓的幅值和相位角，也需要一個工頻周期的數據，在電壓跌落時難以保證其電壓值的實時性。

為了保證電壓檢測值的實時性，這里用基于“abcdq”變換的檢測算法，以瞬時確定電壓的有效值。由派克變換，將“abc”坐標下的系統三相電壓變換到“dq”坐標系下，即基波正序分量變為直流分量，負序分量變為二次諧波分量，零序分量仍為零。

設系統三相相電壓為:

式中:ω 為工頻角頻率，ω =2πf=100π;t為時間;φ1、φ2、φ0分別為基波正序分量、負序分量、零序分量的初始相位角。

根據式(2)和式(3)，要分離出基波正序分量，需先分離出dq坐標系下的直流分量，再求這兩個直流分量的均方根(實際上為基波正序分量的峰值，與標準電壓峰值進行比較，從而判斷電壓幅值是否下降，而幅值下降正是電壓發生跌落的判據。

為了克服濾波器的響應延時，保證分離出坐標系下的直流分量的實時性，對這種算法稍作改進，通過下式可以得到其直流分量。

式中:ud'、uq'分別為 ud、uq的微分值。

再進行“dq-abc”變換就可以得到電壓跌落時相電壓的參考值。這種方法就是上面所說的參考電壓幅值為理想電壓幅值，相角為跌落電壓的基波正序分量相角。

這里提出的基于派克變換的改進檢測方法，由于其在dq坐標系下的直流分量的獲得是實時的，因此該算法不僅可以準確地檢測出電壓跌落發生的起止時刻和電壓幅值跌落的深度，而且可以準確地檢測出基波正序分量相角的跳變。

2 智能防護系統構建

2.1 硬件系統設計

本系統主要由微控制器系統主板、電能質量檢測板、I/O接口板、用戶操作界面和外圍器件組成。系統的功能結構框圖如圖1所示。

圖1 系統功能結構框圖Fig.1 Functional structure of the system

圖1中，基于微控制器的中央控制模塊采用 Phil-ips半導體公司的 P89C662HFA單片機。該單片機的1個機器周期為6個時鐘周期，同樣晶振下運行速度是傳統的80C51的兩倍;采用先進的CMOS工藝制造，是80C51單片機的派生品;指令集在執行和時序上與80C51完全兼容;具有4個8位I/O口、3個16位定時/事件計數器、1個多中斷源、4個優先級嵌套的中斷結構、1個增強型UART以及片內振蕩器和時序電路。

電能質量檢測模塊由隔離變壓器、A/D轉換(包括采樣保持)等電路組成。A/D轉換器選用MAXIM公司的MAX197A芯片。該芯片是多量程(±10 V，±5 V，+10 V，+5 V)、8通道、12位高精度的 A/D 轉換器。MAX197A采用逐次逼近工作方式，有標準的微機接口和三態數據I/O口，僅需單一的+5 V供電，轉換時間為 10 μs。

受控設備監控模塊的輸入信號主要是受控設備運行狀態的開關量信號。該模塊由并行I/O接口電路、光電耦合隔離電路、功率驅動電路和中間繼電器電路組成。受控設備的運行狀態由其原有的主控電路(如電動機主接觸器的輔助觸點)直接引出。通過設備本身的操作電路或裝置對受控設備進行重啟動操作。為了保證本系統不會受到電網運行狀態的影響，通過不間斷電源為系統供電。

2.2 軟件系統設計

系統軟件設計采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于系統的功能組合。系統軟件包括主程序、電能質量檢測模塊、系統參數設置模塊、受控設備監控模塊和顯示及打印模塊等。

主程序主要完成系統初始化、系統參數初始化以及裝置自檢等任務。系統初始化部分包括各個 I/O端口輸入輸出設置、中斷設置、外圍驅動及譯碼電路的設置、數據 RAM的初始化等。電能質量檢測模塊的功能主要是對兩段母線的電壓值進行檢測，以判斷電網是否有“閃變”發生。

A/D轉換芯片MAX197A的輸入量程選為0～5 V。MAX197A芯片的時鐘范圍在0～2 MHz，采用內部時鐘工作，選用內部基準電壓。編程要求每次將兩段母線的6路電壓模擬輸入信號依次采集一遍，此時采用等待查詢方式。

在額定工頻50 Hz交流電信號的0.5周期(0.01 s)內，進行N(N=20～50)次采樣，每路得到N個電壓瞬時值，并由此計算各路的電壓有效值。軟件充分考慮MAX197A的工作時序，需要考慮采集時間和變換時間以及各控制信號之間的時序關系。A/D轉換程序流程如圖2所示。

圖2 A/D轉換程序流程圖Fig.2 Flowchart of A/D conversion program

電能質量檢測模塊對兩段母線電壓值的檢測，通過定時中斷方式計算各路電壓有效值，0.5個周期(0.01 s)計算一次，并根據檢測、計算的數據對受控設備進行相關操作。檢測處理程序流程如圖3所示。

圖3 檢測處理程序流程圖Fig.3 Flowchart of detection processing program

3 結束語

本文提出了基于“abc-dq”變換的檢測算法檢測閃變電壓波動起止時刻和有效值，并依此設計了智能自啟動防護系統。實際應用證明，系統在對大規模連續性生產企業雙回路電網進行實時監測過程中，若電網出現閃變，可在電網恢復正常的瞬間(0.01 s)將因閃變而停機的受控設備按照工藝要求分批重新啟動，驗證了基于“abc-dq”變換的檢測算法檢測閃變電壓波動起止時刻和有效值方法的正確性和實用性。

［1］袁川，楊洪耕.改進的電壓凹陷特征量實時檢測方法［J］.繼電器，2005，33(22):57 －60.

［2］肖湘寧，徐永海，劉連光.考慮相位跳變的電壓凹陷動態補償控制器研究［J］.中國電機工程學報，2002，22(1):64 －69.

［3］楊亞飛，顏湘武，婁堯林.一種新的電壓驟降特征量檢測方法［J］.電力系統自動化，2004，28(2):41 －44.

［4］肖湘寧.電能質量分析與控制［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［5］Bollen M H J.Understanding power quality problems，voltage sagsand interruptions［M］.New York:Wiley-IEEE Press，2000.

［6］Tunaboylu N S，Collins E R Jr，Chaney P R.Voltage disturbance evaluation using the missing voltage technique［C］//Proceedings of the 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power，Athens，Greece，1998:577 － 582 .

［7］Wang P，Jenkins N，Bollen M H J.Experimental investigation of voltage sag mitigation by an advanced static VAR compensator［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(4):1461 －1467.

［8］Heydt G T，Tan W，LaRose T，et al.Simulation and analysis of series voltage boost technology for power quality enhancement［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(4):1335 －1341.

［9］Middlekauff S W，Collins E R Jr.System and customer impact:considerations for series custom power devices［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(1):278 －282.

［10］肖遙，李澍森.供電系統的電壓下凹［J］.電網技術，2001，25(1):73－77.

［11］林海雪.新國家標準《電能質量 電壓波動和閃變》介紹［J］.供用電，2001，18(6):4 －7.