基于SIMATIC-TDC全數(shù)字SVC控制系統(tǒng)及其應(yīng)用
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全社會日益增長的用電需求和電網(wǎng)輸配電能力的矛盾越來越突出。另外，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在配電網(wǎng)中，一方面，多種干擾工業(yè)負(fù)荷，由于其非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，使供電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起電壓的波動(dòng)、閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅；另一方面，配電網(wǎng)中的許多用電設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)、醫(yī)用設(shè)備以及其它精密電子設(shè)備對供電系統(tǒng)的干擾更加敏感，對電能質(zhì)量提出了高可靠性、高暫態(tài)恒定性、高可控性的要求。目前，大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補(bǔ)償裝置都具有抑止電壓波動(dòng)與閃變的功能[1][2]，利用晶閘管技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)可以就地提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，是解決這些問題的經(jīng)濟(jì)有效的措施。
TCR＋FC型SVC是SVC裝置最主要的型式，它的基本構(gòu)成包括：閥組、冷卻系統(tǒng)、相控電抗器、控制系統(tǒng)、濾波器組。其中控制系統(tǒng)是SVC裝置的核心，SVC補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)、安全穩(wěn)定的運(yùn)行、與其它設(shè)備的協(xié)調(diào)以及人機(jī)交互都是靠控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。SVC控制系統(tǒng)在出現(xiàn)的初期就基本進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。但是由于電信號的瞬時(shí)值是交流信號，控制系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)非常繁重，早期的 微型計(jì)算機(jī)，甚至后來的16位和32位微處理器(MPU)，都無法滿足高速實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求，因此早期的SVC控制系統(tǒng)基本采用了"模擬＋數(shù)字"的方法，其主要思路是利用模擬電路實(shí)現(xiàn)無功功率和有功功率的計(jì)算和濾波處理，再將結(jié)果輸入數(shù)字計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理[3][4]，模擬電路＋單片機(jī)是其中一種很典型的實(shí)現(xiàn)方案，至今在工程中仍有一定的應(yīng)用。
SVC控制策略的實(shí)現(xiàn)受微處理器運(yùn)算性能的影響非常大，模擬和數(shù)字相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案也限制了更先進(jìn)的控制策略的實(shí)現(xiàn)，所以模擬和數(shù)字結(jié)合的SVC硬件平臺上實(shí)現(xiàn)控制策略基本上是以平均功率理論為基礎(chǔ)的控制策略。這樣的硬件平臺基本上無法實(shí)現(xiàn)以矩陣運(yùn)算(坐標(biāo)變換)為基礎(chǔ)的瞬時(shí)補(bǔ)償算法。
為提高SVC控制系統(tǒng)的性能和可靠性，在浙江大學(xué)、清華大學(xué)和SIEMENS AD的支持下，順特電氣有限公司基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的基礎(chǔ)上率先研發(fā)出了適用于惡劣工業(yè)環(huán)境下的高性能、高可靠性的SVC控制系統(tǒng)，并在實(shí)際工程中得到了成功的應(yīng)用。
2 SVC控制系統(tǒng)構(gòu)成
SIMATIC-TDC控制器是SIEMENS公司近年來在SIMADYN-D的基礎(chǔ)上推出的新一代工業(yè)控制系統(tǒng)，目前，該控制系統(tǒng)已在大容量交-直流傳動(dòng)得到了一定的應(yīng)用，已成為SIEMENS公司在工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大型系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的主推產(chǎn)品。與SIMADYN-D類似，SIMATIC-TDC控制系統(tǒng)采用多CPU并行處理結(jié)構(gòu)，它的信號處理和算術(shù)運(yùn)算能力十分強(qiáng)大，處理器模板采用了64位RISC處理器，基本采樣時(shí)間達(dá)到了μs級。SIMATIC-TDC采用了自由組態(tài)、模塊化的設(shè)計(jì)思想，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)便于擴(kuò)展。系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)和開環(huán)控制，算術(shù)運(yùn)算以及系統(tǒng)監(jiān)視和信號通信等功能。SIMATIC-TDC擁有一套完整的模塊化的硬件和軟件設(shè)計(jì)思想模式，能夠保證硬件可以廣泛地滿足各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立的插件板可以直接插入獨(dú)立的控制單元。SIMATIC-TDC尤其適用于相關(guān)聯(lián)的大動(dòng)力及高精度的控制系統(tǒng)，適合于不同的交流、直流調(diào)速系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)系統(tǒng)。
與SIMADYN-D比較起來，SIMATIC-TDC的性能更加卓越。與SIMADYN-D最大的區(qū)別是，SIMATIC-TDC采用了符合VMEbus標(biāo)準(zhǔn)的64位總線，總線速度大幅度提高，因此不再有L-bus和C-Bus的區(qū)別。SIMATIC-TDC系統(tǒng)采用STEP/CFC組態(tài)語言，計(jì)算機(jī)用戶界面十分的友好，易于操作和掌握，適合于從簡單到復(fù)雜的控制系統(tǒng)的要求。簡單任務(wù)可以組態(tài)在一個(gè)功能包中，較復(fù)雜的任務(wù)則由幾個(gè)功能包共同來完成。對于復(fù)雜的功能，是由幾個(gè)過程處理器組合在一個(gè)SIMATIC-TDC控制單元中來完成。更高級的系統(tǒng)可由幾個(gè)SIMATIC-TDC控制單元組合在一起，通過通訊線連接交換數(shù)據(jù)而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
SIMATIC-TDC采用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(固定時(shí)隙25μs)，采樣速度很快(最短100μs)，其中A/D采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間約為20μs，D/A轉(zhuǎn)換輸出時(shí)間為4μs，D/I和D/O延時(shí)時(shí)間均為100μs，測試證明完全滿足在0.5ms內(nèi)完成從采集、計(jì)算到控制信號輸出的要求。強(qiáng)大的循環(huán)處理，高達(dá)5種采樣時(shí)間(T1~T5)，能夠進(jìn)行處理周期性中斷(T0)和非周期性中斷(I1~I8八級中斷)任務(wù)?；诨静蓸訒r(shí)間T0，可以定義5種采樣時(shí)間的周期中斷任務(wù)(T1~T5)以處理不同實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，其中T1~T5與T0的關(guān)系是：
Ti = T0 * 2j
式中：1≤i≤5，0≤j≤15。該控制系統(tǒng)超高的采樣速度，超快的運(yùn)算速度，超強(qiáng)的計(jì)算能力，從而保證SVC控制器響應(yīng)時(shí)間只受數(shù)字濾波器限制，速度達(dá)到10ms以內(nèi)，滿足設(shè)備要求。
將SIMATIC-TDC應(yīng)用于SVC控制系統(tǒng)可以大大提高SVC裝置的性能和可靠性。同時(shí)該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單合理、可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的控制算法、響應(yīng)速度極快。
順特電氣有限公司SVC控制系統(tǒng)使用CPU551實(shí)現(xiàn)主要的計(jì)算和開、閉環(huán)控制任務(wù)，人機(jī)界面采用TP270系列觸摸屏。其中SIMATIC-TDC與水冷系統(tǒng)的通信采用Profibus-DP通信協(xié)議；SIMATIC-TDC與人機(jī)接口(例如TP270)及遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)的通信采用了SIEMENS的MPI協(xié)議；SIMATIC-TDC與調(diào)試設(shè)備之間采用DUST1協(xié)議進(jìn)行通信；SIMATIC-TDC與微機(jī)保護(hù)裝置的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)。
SIMATIC-TDC實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：進(jìn)行信號的采集和處理、實(shí)現(xiàn)SVC的控制算法、實(shí)時(shí)計(jì)算TCR觸發(fā)角；實(shí)現(xiàn)SVC系統(tǒng)的開停機(jī)控制；SIMATIC-TDC還要實(shí)現(xiàn)與晶閘管冷卻系統(tǒng)的通信以達(dá)到對冷卻系統(tǒng)的監(jiān)控目的；對晶閘管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；對微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行通信；對主電路進(jìn)行監(jiān)控。圖1為采用雙CPU結(jié)構(gòu) SVC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能。 圖2是在SIMATIC-TDC/SIMADYN-D中實(shí)現(xiàn)的負(fù)荷補(bǔ)償SVC控制框圖。圖3是順特電氣應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系統(tǒng)外形圖。
圖1 基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的SVC控制系統(tǒng)的控制功能
圖2加入無功電流反饋的負(fù)荷補(bǔ)償SVC控制原理
a) SIMADYN-D控制器 b) SIMATIC-TDC控制器
圖3基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系統(tǒng)外形圖
3 應(yīng)用實(shí)例
順特電氣有限公司開發(fā)基于SIMADYN-D的SVC控制系統(tǒng)2005年已經(jīng)成功地應(yīng)用到首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站、天津津?yàn)I輕軌有限公司110kV變電站等4個(gè)SVC工程?；赟IMATIC-TDC的SVC控制系統(tǒng)已于2006年6月在青島四方-龐巴迪-波爾鐵路設(shè)備運(yùn)輸公司110kV變電站SVC工程正式投運(yùn)，這是第一個(gè)將SIMATIC-TDC應(yīng)用于SVC工程的實(shí)例。這里主要以首鋼秦皇島板材有限公司SVC為例對應(yīng)用情況進(jìn)行簡單介紹。
首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站SVC投運(yùn)前后6kV系統(tǒng)3s功率因數(shù)曲線如圖4、圖5所示。
從圖4可以看出，軋機(jī)運(yùn)行時(shí)6kV系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，約為0.78；從圖5可以看出，軋機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于無功功率基本由SVC提供，6kV系統(tǒng)的功率因數(shù)很高，功率因數(shù)維持在0.99以上。由此可見，SVC的功率因數(shù)校正效果非常明顯。
圖4 SVC投運(yùn)前6kV系統(tǒng)功率因數(shù)曲線
圖5 SVC投運(yùn)后6kV系統(tǒng)功率因數(shù)曲線
根據(jù)首鋼秦皇島板材有限公司對SVC投運(yùn)前后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)論如下：
1) 提高了設(shè)備利用率，降低了設(shè)備容量。由于軋機(jī)需要的無功功率基本由SVC實(shí)時(shí)提供，因此主變基本不再提供無功功率，有功功率輸出增加4000kW，因此不再需要改換原有主變，節(jié)省了約200萬的投資。
2) 電費(fèi)的節(jié)省：SVC的投入使電源得到凈化，質(zhì)量得到提高，系統(tǒng)中無功功率基本不存在，有功功率增加，無功電流和諧波電流的降低使線路損耗和電機(jī)的無功損耗大大降低，電機(jī)效率和出力得到提高。在相同電量下SVC的運(yùn)行與停運(yùn)，產(chǎn)量將截然不同，預(yù)計(jì)年節(jié)約電量約300萬度，每年的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)160萬元。
3) 其他效益：電源質(zhì)量提高后將延長電氣設(shè)備的使用壽命（如變壓器、電機(jī)的使用壽命等），降低自動(dòng)控制設(shè)備的故障發(fā)生率（如軋機(jī)可控硅控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定、計(jì)算機(jī)死機(jī)等問題造成的系統(tǒng)保護(hù)電機(jī)跳閘，給生產(chǎn)帶來影響）。
4 結(jié)論
SIMATIC-TDC應(yīng)用于SVC控制系統(tǒng)可以大大提高SVC裝置的性能和可靠性。同時(shí)該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單合理、可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的控制算法、響應(yīng)速度極快。首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站、天津津?yàn)I輕軌有限公司110kV變電站、青島四方-龐巴迪-鮑爾鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司110kV變電站、首鋼一線材等實(shí)際SVC工程的應(yīng)用證明該方案的可行性和實(shí)用性，給用戶帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
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