动态无功采集装置在风电场中的应用

2015-07-30张海涛殷其辉王敏

中国高新技术企业 2015年27期

张海涛　殷其辉　王敏

摘要：基于PC104工控机和FPGA的动态无功采集装置采集风电场并网点和无功补偿设备的电流电压信号，在PC104和FPGA协同下，把采集的信号分析处理后传输到综控中心，为综控中心提供可靠、客观的数据。该采集装置已经在多个风力发电场中成功应用。

关键词：动态无功采集装置；同步采集；PC104；FPGA；风电场；综控中心文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2015）27-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.036

电力系统的无功补偿和平衡是保证电压质量的基本条件，对保证电力系统的安全稳定与经济运行起着重要的作用。由于大规模风电场接入电网，其无功补偿对局部电网电压的调节作用非常重要。对于风电场来说，动态无功补偿装置作为调节风电场无功平衡的最主要的电气设备，对它运行状态能否及时、有效、准确的监控和测量则显得尤为重要。动态无功采集装置采用PC104+FPGA方案，数据采集用FPGA和高速同步AD来实现，通过PCI总线与PC104实现双向数据通信，在PC104上进行高速数据分析处理。该装置监测电网接入点和无功补偿设备的三相基波电压、电流，分析无功补偿设备的运行状态，把运行数据传输到综控中心，具有较强的实用性，已在多个风电场成功应用。

1 采集系统总体设计

采集卡选用PCI总线，以保证采集卡与主机间海量数据高速传输的可靠性。采用控制芯片PCI9054与PCI总线连接，该芯片符合PCI规范2.2版本，支持三种数据传输模式。采集卡的核心处理器件是FPGA，数据的实时采集由它控制完成。FPGA选用EPlC6Q240C8芯片，内嵌锁相环，拥有充足的RAM单元，可以开辟较大的FIFO空间。由于数据采集要求高度同步，故选取TI的ADS8364芯片，是高速六通道同时采样和转换的16位模数转换器。数据采集卡的硬件设计结构框图如图1所示：

1.1 PCI9054的功能设置

PCI9054采用PCI从方式与PCI总线进行数据传输。PC启动时，PCI9054自动将EEPROM中的值载入对应寄存器，然后PC根据寄存器中的值为PCI9054分配中断号、内存空间、I/0空间等系统资源。

1.2 FPGA电路的设计与实现

FPGA是整个系统的核心，控制数据采集、AD转换以及数据的传输。HOLD被选通时启动转换，转换完成后结果存在六个寄存器中并产生EOC信号。FPGA为ADS8364提供CLK和HOLD信号，接收EOC信号，读取转换数据，并用内部RAM组建FIFO，把采集的数据暂存于FIFO内，当FIFO内的数据达到一定数量后，向系统申请中断。

1.3 采集卡驱动开发

Windows系统中应用程序对PCI硬件设备的访问要通过驱动程序。采集卡的驱动选用WinDriver编写，封装为动态链接库DLL文件。后续开发的软件通过DLL驱动文件实现与数据采集卡的通信。

2 装置总体设计

PC104是小型堆栈式结构的嵌入式控制系统，模块的连接是通过上下层的针孔相互咬和相连，有极好的抗震性，且易于安装扩展。本装置采用的PC104是研华科技的PCM3362，具有PC104PLUS总线，PC104PLUS包括了PCI规范2.1版要求的所有信号，与PCI总线兼容，可以方便与数据采集卡对接。装置采用标准的19英寸机箱，方便风电场的现场安装，采集卡和PC104用叠层式安装，信号调理电路用插卡式，方便扩展维护。

3 装置系统软件开发

采用Visual C++作为开发环境，通过调用驱动所提供的DLL文件对采集卡操作。当采集卡FPGA的FIFO中数据达到一定数量后，向PCI申请中断，PC104接收到中断信号后，响应中断，把数据读取到PC104的内存，进行数据处理，计算电压、电流的大小、相位等信息，利用这些信息做进一步处理，可计算无功功率、有功功率等。所计算的结果可以通过数据库在本地系统存储管理，方便历史数据查询。

4 装置在风电场中的应用

风电场的无功补偿可以采用多种方案，一般采用三种方案：晶闸管控制电抗器TCR、磁控电抗器MCR、静止无功发生器SVG。这三种设备各有自己的优缺点，风电场出于成本、占地面积等多方面考虑，也可能会采用融合方案。对于两套设备分别接入的情况，风电场后台监控显示只能反映各自的工作状态，无法直观并准确地反映整套无功补偿装置的运行状态，缺乏判断整个风电场无功补偿效果的确切数据。对于两套设备并接情况，虽然主控台数据反映的是整套无功装置的实时数据，但存在很多问题，比如功率方向定义混乱；测量电流未考虑方向的区别、接线错误导致测量不准；现有测试仪器自带的测量CT的实测精度难以达到对无功监控的要求。而风电场动态无功补偿装置正好弥补了这些不足。

动态无功采集装置最多可以对四个补偿装置的高精度电流采样，可以计算出整套无功补偿装置的总无功投入量和整套装置的有功损耗等运行情况，把无功补偿设备的运行参数上传到监控中心，为监控中心控制无功补偿设备提供客观依据。下面以无功补偿采用SVG和MCR融合方案为例，介绍动态无功采集装置在风电场中的

应用。

4.1 动态无功采集装置现场接线

无功补偿采用SVG和MCR融合的方案时，无功补偿装置通过两个高压开关柜接入35kV母线，整套MCR设备包括TCR和FC电容两条支路。为了全面监测整个风电场的无功情况，需要把高压并网点的电压电流信号、35kV母线的电压电流信号和三条无功支路的电流信号分别接到动态无功补偿装置上。

4.2 动态无功采集装置与综控中心通讯

动态无功采集装置与综控中心的通讯采用Modbus协议。Modbus是工业领域全球最流行的协议，采用主从方式定时收发数据，在实际应用中如果某Slave站点断开后，Master端可以诊断出来，故障修复后，网络可自动接通。

动态无功采集装置的Modbus支持遥信和遥测两种指令，设备地址1-255可设置，遥信包括主变进线出线开关柜状态、各无功补偿设备的开关状态等量，指令代码0x01，起始地址为0x0000，范围为0-15。

遥测包括各无功补偿设备的电流、无功投入量、有功损耗、投入时长和可用率等运行状态量，功能码0x03起始地址为0x0000，地址范围为0x00-0x30。

综控中心通过动态无功采集装置的遥信遥测指令，可以获取无功柜开关状态量和各无功补偿设备的详细运行状态。

5 结语

动态无功采集装置采用高精度的信号采样和科学客观的计算方法，保证了计算结果的准确客观，可以为综控中心提供详细可靠的无功补偿设备的运行状态数据，为控制无功补偿设备提供客观依据。

参考文献