動態(tài)無功采集裝置在風(fēng)電場中的應(yīng)用

張海濤　殷其輝　王敏

摘要：基于PC104工控機和FPGA的動態(tài)無功采集裝置采集風(fēng)電場并網(wǎng)點和無功補償設(shè)備的電流電壓信號，在PC104和FPGA協(xié)同下，把采集的信號分析處理后傳輸?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)在多個風(fēng)力發(fā)電場中成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：動態(tài)無功采集裝置；同步采集；PC104；FPGA；風(fēng)電場；綜控中心 文獻標(biāo)識碼：A

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

電力系統(tǒng)的無功補償和平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行起著重要的作用。由于大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)，其無功補償對局部電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)作用非常重要。對于風(fēng)電場來說，動態(tài)無功補償裝置作為調(diào)節(jié)風(fēng)電場無功平衡的最主要的電氣設(shè)備，對它運行狀態(tài)能否及時、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)控和測量則顯得尤為重要。動態(tài)無功采集裝置采用PC104+FPGA方案，數(shù)據(jù)采集用FPGA和高速同步AD來實現(xiàn)，通過PCI總線與PC104實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，在PC104上進行高速數(shù)據(jù)分析處理。該裝置監(jiān)測電網(wǎng)接入點和無功補償設(shè)備的三相基波電壓、電流，分析無功補償設(shè)備的運行狀態(tài)，把運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C控中心，具有較強的實用性，已在多個風(fēng)電場成功應(yīng)用。

1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計

采集卡選用PCI總線，以保證采集卡與主機間海量數(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)的實時采集由它控制完成。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總線進行數(shù)據(jù)傳輸。PC啟動時，PCI9054自動將EEPROM中的值載入對應(yīng)寄存器，然后PC根據(jù)寄存器中的值為PCI9054分配中斷號、內(nèi)存空間、I/0空間等系統(tǒng)資源。

1.2 FPGA電路的設(shè)計與實現(xiàn)

FPGA是整個系統(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被選通時啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后結(jié)果存在六個寄存器中并產(chǎn)生EOC信號。FPGA為ADS8364提供CLK和HOLD信號，接收EOC信號，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)達到一定數(shù)量后，向系統(tǒng)申請中斷。

1.3 采集卡驅(qū)動開發(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)動程序。采集卡的驅(qū)動選用WinDriver編寫，封裝為動態(tài)鏈接庫DLL文件。后續(xù)開發(fā)的軟件通過DLL驅(qū)動文件實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡的通信。

2 裝置總體設(shè)計

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，與PCI總線兼容，可以方便與數(shù)據(jù)采集卡對接。裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的19英寸機箱，方便風(fēng)電場的現(xiàn)場安裝，采集卡和PC104用疊層式安裝，信號調(diào)理電路用插卡式，方便擴展維護。

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)動所提供的DLL文件對采集卡操作。當(dāng)采集卡FPGA的FIFO中數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量后，向PCI申請中斷，PC104接收到中斷信號后，響應(yīng)中斷，把數(shù)據(jù)讀取到PC104的內(nèi)存，進行數(shù)據(jù)處理，計算電壓、電流的大小、相位等信息，利用這些信息做進一步處理，可計算無功功率、有功功率等。所計算的結(jié)果可以通過數(shù)據(jù)庫在本地系統(tǒng)存儲管理，方便歷史數(shù)據(jù)查詢。

4 裝置在風(fēng)電場中的應(yīng)用

風(fēng)電場的無功補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、靜止無功發(fā)生器SVG。這三種設(shè)備各有自己的優(yōu)缺點，風(fēng)電場出于成本、占地面積等多方面考慮，也可能會采用融合方案。對于兩套設(shè)備分別接入的情況，風(fēng)電場后臺監(jiān)控顯示只能反映各自的工作狀態(tài)，無法直觀并準(zhǔn)確地反映整套無功補償裝置的運行狀態(tài)，缺乏判斷整個風(fēng)電場無功補償效果的確切數(shù)據(jù)。對于兩套設(shè)備并接情況，雖然主控臺數(shù)據(jù)反映的是整套無功裝置的實時數(shù)據(jù)，但存在很多問題，比如功率方向定義混亂；測量電流未考慮方向的區(qū)別、接線錯誤導(dǎo)致測量不準(zhǔn)；現(xiàn)有測試儀器自帶的測量CT的實測精度難以達到對無功監(jiān)控的要求。而風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置正好彌補了這些不足。

動態(tài)無功采集裝置最多可以對四個補償裝置的高精度電流采樣，可以計算出整套無功補償裝置的總無功投入量和整套裝置的有功損耗等運行情況，把無功補償設(shè)備的運行參數(shù)上傳到監(jiān)控中心，為監(jiān)控中心控制無功補償設(shè)備提供客觀依據(jù)。下面以無功補償采用SVG和MCR融合方案為例，介紹動態(tài)無功采集裝置在風(fēng)電場中的

應(yīng)用。

4.1 動態(tài)無功采集裝置現(xiàn)場接線

無功補償采用SVG和MCR融合的方案時，無功補償裝置通過兩個高壓開關(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)測整個風(fēng)電場的無功情況，需要把高壓并網(wǎng)點的電壓電流信號、35kV母線的電壓電流信號和三條無功支路的電流信號分別接到動態(tài)無功補償裝置上。

4.2 動態(tài)無功采集裝置與綜控中心通訊

動態(tài)無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，采用主從方式定時收發(fā)數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用中如果某Slave站點斷開后，Master端可以診斷出來，故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)可自動接通。

動態(tài)無功采集裝置的Modbus支持遙信和遙測兩種指令，設(shè)備地址1-255可設(shè)置，遙信包括主變進線出線開關(guān)柜狀態(tài)、各無功補償設(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。

遙測包括各無功補償設(shè)備的電流、無功投入量、有功損耗、投入時長和可用率等運行狀態(tài)量，功能碼0x03起始地址為0x0000，地址范圍為0x00-0x30。

綜控中心通過動態(tài)無功采集裝置的遙信遙測指令，可以獲取無功柜開關(guān)狀態(tài)量和各無功補償設(shè)備的詳細(xì)運行狀態(tài)。

5 結(jié)語

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

參考文獻

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）