動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

張海濤　殷其輝　王敏

摘要：基于PC104工控機(jī)和FPGA的動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置采集風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的電流電壓信號(hào)，在PC104和FPGA協(xié)同下，把采集的信號(hào)分析處理后傳輸?shù)骄C控中心，為綜控中心提供可靠、客觀的數(shù)據(jù)。該采集裝置已經(jīng)在多個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置；同步采集；PC104；FPGA；風(fēng)電場(chǎng)；綜控中心 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM714 文章編號(hào)：1009-2374（2015）27-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.036

電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。由于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)，其無(wú)功補(bǔ)償對(duì)局部電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)作用非常重要。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來說，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置作為調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功平衡的最主要的電氣設(shè)備，對(duì)它運(yùn)行狀態(tài)能否及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)控和測(cè)量則顯得尤為重要。動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置采用PC104+FPGA方案，數(shù)據(jù)采集用FPGA和高速同步AD來實(shí)現(xiàn)，通過PCI總線與PC104實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，在PC104上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)分析處理。該裝置監(jiān)測(cè)電網(wǎng)接入點(diǎn)和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的三相基波電壓、電流，分析無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，把運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C控中心，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，已在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)成功應(yīng)用。

1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采集卡選用PCI總線，以保證采集卡與主機(jī)間海量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)目煽啃浴２捎每刂菩酒琍CI9054與PCI總線連接，該芯片符合PCI規(guī)范2.2版本，支持三種數(shù)據(jù)傳輸模式。采集卡的核心處理器件是FPGA，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集由它控制完成。FPGA選用EPlC6Q240C8芯片，內(nèi)嵌鎖相環(huán)，擁有充足的RAM單元，可以開辟較大的FIFO空間。由于數(shù)據(jù)采集要求高度同步，故選取TI的ADS8364芯片，是高速六通道同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

1.1 PCI9054的功能設(shè)置

PCI9054采用PCI從方式與PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PC啟動(dòng)時(shí)，PCI9054自動(dòng)將EEPROM中的值載入對(duì)應(yīng)寄存器，然后PC根據(jù)寄存器中的值為PCI9054分配中斷號(hào)、內(nèi)存空間、I/0空間等系統(tǒng)資源。

1.2 FPGA電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳輸。HOLD被選通時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果存在六個(gè)寄存器中并產(chǎn)生EOC信號(hào)。FPGA為ADS8364提供CLK和HOLD信號(hào)，接收EOC信號(hào)，讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并用內(nèi)部RAM組建FIFO，把采集的數(shù)據(jù)暫存于FIFO內(nèi)，當(dāng)FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量后，向系統(tǒng)申請(qǐng)中斷。

1.3 采集卡驅(qū)動(dòng)開發(fā)

Windows系統(tǒng)中應(yīng)用程序?qū)CI硬件設(shè)備的訪問要通過驅(qū)動(dòng)程序。采集卡的驅(qū)動(dòng)選用WinDriver編寫，封裝為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL文件。后續(xù)開發(fā)的軟件通過DLL驅(qū)動(dòng)文件實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡的通信。

2 裝置總體設(shè)計(jì)

PC104是小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)，模塊的連接是通過上下層的針孔相互咬和相連，有極好的抗震性，且易于安裝擴(kuò)展。本裝置采用的PC104是研華科技的PCM3362，具有PC104PLUS總線，PC104PLUS包括了PCI規(guī)范2.1版要求的所有信號(hào)，與PCI總線兼容，可以方便與數(shù)據(jù)采集卡對(duì)接。裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的19英寸機(jī)箱，方便風(fēng)電場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝，采集卡和PC104用疊層式安裝，信號(hào)調(diào)理電路用插卡式，方便擴(kuò)展維護(hù)。

3 裝置系統(tǒng)軟件開發(fā)

采用Visual C++作為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)所提供的DLL文件對(duì)采集卡操作。當(dāng)采集卡FPGA的FIFO中數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量后，向PCI申請(qǐng)中斷，PC104接收到中斷信號(hào)后，響應(yīng)中斷，把數(shù)據(jù)讀取到PC104的內(nèi)存，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算電壓、電流的大小、相位等信息，利用這些信息做進(jìn)一步處理，可計(jì)算無(wú)功功率、有功功率等。所計(jì)算的結(jié)果可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)在本地系統(tǒng)存儲(chǔ)管理，方便歷史數(shù)據(jù)查詢。

4 裝置在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償可以采用多種方案，一般采用三種方案：晶閘管控制電抗器TCR、磁控電抗器MCR、靜止無(wú)功發(fā)生器SVG。這三種設(shè)備各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)出于成本、占地面積等多方面考慮，也可能會(huì)采用融合方案。對(duì)于兩套設(shè)備分別接入的情況，風(fēng)電場(chǎng)后臺(tái)監(jiān)控顯示只能反映各自的工作狀態(tài)，無(wú)法直觀并準(zhǔn)確地反映整套無(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)，缺乏判斷整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償效果的確切數(shù)據(jù)。對(duì)于兩套設(shè)備并接情況，雖然主控臺(tái)數(shù)據(jù)反映的是整套無(wú)功裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但存在很多問題，比如功率方向定義混亂；測(cè)量電流未考慮方向的區(qū)別、接線錯(cuò)誤導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)；現(xiàn)有測(cè)試儀器自帶的測(cè)量CT的實(shí)測(cè)精度難以達(dá)到對(duì)無(wú)功監(jiān)控的要求。而風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置正好彌補(bǔ)了這些不足。

動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置最多可以對(duì)四個(gè)補(bǔ)償裝置的高精度電流采樣，可以計(jì)算出整套無(wú)功補(bǔ)償裝置的總無(wú)功投入量和整套裝置的有功損耗等運(yùn)行情況，把無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)上傳到監(jiān)控中心，為監(jiān)控中心控制無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提供客觀依據(jù)。下面以無(wú)功補(bǔ)償采用SVG和MCR融合方案為例，介紹動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置在風(fēng)電場(chǎng)中的

應(yīng)用。

4.1 動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置現(xiàn)場(chǎng)接線

無(wú)功補(bǔ)償采用SVG和MCR融合的方案時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償裝置通過兩個(gè)高壓開關(guān)柜接入35kV母線，整套MCR設(shè)備包括TCR和FC電容兩條支路。為了全面監(jiān)測(cè)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功情況，需要把高壓并網(wǎng)點(diǎn)的電壓電流信號(hào)、35kV母線的電壓電流信號(hào)和三條無(wú)功支路的電流信號(hào)分別接到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置上。

4.2 動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置與綜控中心通訊

動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置與綜控中心的通訊采用Modbus協(xié)議。Modbus是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議，采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中如果某Slave站點(diǎn)斷開后，Master端可以診斷出來，故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)接通。

動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置的Modbus支持遙信和遙測(cè)兩種指令，設(shè)備地址1-255可設(shè)置，遙信包括主變進(jìn)線出線開關(guān)柜狀態(tài)、各無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)等量，指令代碼0x01，起始地址為0x0000，范圍為0-15。

遙測(cè)包括各無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的電流、無(wú)功投入量、有功損耗、投入時(shí)長(zhǎng)和可用率等運(yùn)行狀態(tài)量，功能碼0x03起始地址為0x0000，地址范圍為0x00-0x30。

綜控中心通過動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置的遙信遙測(cè)指令，可以獲取無(wú)功柜開關(guān)狀態(tài)量和各無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)無(wú)功采集裝置采用高精度的信號(hào)采樣和科學(xué)客觀的計(jì)算方法，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確客觀，可以為綜控中心提供詳細(xì)可靠的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為控制無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提供客觀依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 于超.PCI總線接口的FPGA實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[D].同濟(jì)大學(xué)，2005.

[2] 李洪偉，袁斯華.基于Quartus II的FPGA/CPLD設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 林良有，張偉.基于FPGA的連續(xù)采樣的高速PCI采集卡設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，（15）.

[4] 賈濤，王鐵嶺.PCI數(shù)據(jù)采集卡的WDM驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006，（8）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）