微机型电压无功综合控制与记录装置

1、一种由以微处理机及其接口芯片为核心，加之信号检测电路、滤波变换电路、光耦电路、功率测量电路、A/D转换电路、显示电路、记录打印电路、保护电路、控制输出电路及键盘、功能设置开关、电源组成一体的用于电力系统电压、无功综合控制与记录的装置，其特征在于：
(1)控制变电站(所)有载调压变化器分接头的升降及补偿电容器的投切有两种方式，
其一：现场实时信号经信号检测电路后，进行滤波变换、光耦隔离，然后送入A/D转换电路，最后由CPU发出信号，驱动控制输出电路；
其二：CPU读取存于存贮器的信息后直接驱动控制输出电路；
(2)键盘及功能设置开关分别通过各自的接口电路，将开关量信息送入CPU及内存贮器中；
2、根据权利要求1所述的装置，其特征是：功率测量电路中，输入电压、电流分别经过波形变换，然后经逻辑控制环节加到CTC芯片上。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于信号测取是取自现场的电压互感器及电流互感器。
4、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于装置采用12位分辨率的A／D转换集成心片ADC121OHCD。
5、根据权利要求1或2    所述的装置，其特征在于控制输出电路中地址译码控制74LS273芯片，然后相应信号经光电隔离放大输出，直接驱动继电器阵列，并设置有密码闭锁电路。
6、根据权利要求1或2    所述的装置，其特征在于装置的现场返回信号输入电路中，电容的运行状态，通过PIO－B口读入计算机，同时面板指示灯指示。

本实用新型发明涉及一种用于电力系统的电压、无功综合控制与记录的装置，属于微处理机在电力系统在线控制与记录技术。\n电力系统中大部分变电所（站）都配置了电容器组和（或）有载调压变压器，作为改善电压质量、调整无功潮流、降低网损和提高输送容量的技术手段。然而如何合理地适当地控制这些设备，力求达到最佳的控制效果，充分发挥其技术和经济的综合效益，是一个值得重视是技术课题。但目前电力系统电压无功自动控制装置大都采用模拟和数字电路。由于受电路本身逻辑功能的限制对电压、无功的综合控制很难取得理想的最佳效果。我国现有10千伏及以上大容量并联补偿装置大多数是以检测母线电压高低来进行控制的。这样，电容器的无功补偿效益往往受到一定限制。近年来有些变电所（站）已配置了电子模拟式电压、无功综合控制装置，并取得一定成效。这些装置一般采用电压无功综合分时控制方式，其运行限值实际上是按负荷峰谷时间制订的。由于电力系统实际负荷变化具有随机性和分散性，这种控制方式不能完全保证电压质量和经济运行。另外，受变送器精度的限制，这些装置无功检测精度较低。难以达到予期的控制要求。近一个时期国内个别科研单位也开始偿试用以微处理机为核心的电力系统电压、无功综合控制装置。如中国专利局1985年10月10日公告的、专利号为CN85200038μ的实用新型便为上述一种。该实用新型按其说明书所述：“即由微机根据实时检测的变电站的实际负荷，按逆调压要求，计算出此时所应维持的最合理的电压定值，并根据检测到的无功值综合判断，自动决定变电站有载分接头的升降及补偿电容器的投切。”但在电力系统实际运行中，不一定只按逆调压要求进行电压、无功的同时控制。从整个电力系统安全经济运行的角度考虑，即要求某些变电所（如终端变电所）按就地平衡的单元控制方式运行，又要求某些变电所（如枢纽变电所）按全网或局部网络离线计算的限值运行（如有的需要倒送无功）。而上述专利号为CN85200038μ的实用新型并不具备这种功能。同时，它本身不带有无功变换环节，并且不能对现场位置信号进行检测、判断，所以无法达到合理的、安全的控制目的。另外，谐如 电力系统微机型电压、无功综合控制装置在国外市场上还未见到产品，也未见到与其工作原理、制作方法有关的书面资料。\n针对以上诸情况，本实用新型的任务在于提供了一种以微处理机及其相应接口芯片所组成的微处理机系统为核心的电力系统电压、无功综合控制与记录。它是由信号检测、滤波、光耦、功率测量、模数转换、显示、记录、打印、信号输出、保护及微处理机系统等部分组成一整体的控制与记录装置。本装置的突出特点为：具有特殊的信号检测与处理电路，实时检测现场信号，根据予整定分时控制限制或计算机离线优化计算结果，对不同控制要求及运行方式的被控设备自动进行综合优化控制及定时打印有关数据报表。\n本装置根据不同的要求，配有如下几种控制运行方式。\n（一）电压单控方式：其中包括有（1）按给定电压运行曲线进行电压单控；（2）按计算电压限值进行电压单控；（3）按逆调压方式进行电压单控。\n（二）局部优化控制方式（即按本站的优化指标进行的控制方式）；其中包括有（1）逆调压局部优化控制方式；（2）按给定电压运行曲线进行的局部优化控制方式；（3）按实时负荷大小计算电压限值进行的局部优化控制方式。\n（三）优化控制方法：其中包括有（1）逆调压优化控制方式；（2）按给定电压运行曲线进行的优化控制方式；（3）按实时负荷大小算出电压限值所进行的优化控制方式。\n（四）强制方式：即当限值或运行状态出现不合理情况时，装置自动进入固定限值的控制方式运行。\n本装置对以上各种运行控制方式均可指定为手动或自动操作。装置面板上设有各种运行控制方式的转换开关。手动操作时，本装置打印出应进行的操作内容，由运行人员执行。自动操作时，控制器自动实行闭环控制。\n下面结合附图对本装置进行详述。\n附图1为本装置的原理框图。它由以下几个部分组成。\n1）模拟量输入，包括两台变压器高压侧的电压UG，电流IG和负荷侧电压UD，这些量通过变换电路转换成与其大小成线关系的直流信号，送入A／D转换电路，提供计算机控制所需要的参数。\n2）功角测量电路。为实现电压，无功综合控制，需要准确地查量测出高压侧相位角（ ）。本系统相角测量是通过波形变换、CTC及其中断控制逻辑电路完成。由于软件的补偿作用，测量精度可保证＜±1°。\n3）控制输出。计算机控制输出指令通过隔离、功放电路驱动继电器阵列，直接对电容器组，变压器分头调节开关进行控制。\n4）现场返回位置信号。现场返回位置信号通过光电隔离送入计算机接口，供计算机查询用。这部分信号按其性质分别通过带中断通道和不带中断通道。带中断通道主要接收电容器开关位置信号，当电容器误动时，计算机可立即响应处理。不带中断通道主要接收变压器分头位置和故障信号，以断定分头档次和现场状况。\n5）键盘、显示器、功能设置开关。键盘、显示器的功能是实现人－机对话。运行限值、必要的数据通过键盘送入内存。显示器可通过键盘请求显示带时段限值、年、月、日、时、分、秒、电压、电流、有功、无功、功率因数等内容。功能设置开关是指定控制器运行状态和设置硬标志等。\n6）打印机接口。通过该接口打印机可打印动作状况、事故记录、限值予整定表等内容。\n7）主机板ZPU。ZPU是控制器核心部件，由Z－80CPU及逻辑电路构成，产生S－100总线信号。\n另外，还包括14KEPROM，作为存放控制器程序用，和4KRAM，作为存放限值和暂存数据的随机存贮器。\n本仪器从功能模块上可划为下列几部分：\n1）电源\n2）整流变换\n3）ZPU和存贮器\n4）输入\n5）输出\n6）A／D转换\n7）面板\n1.电源\n电源原理图如附图2所示。\n五路直流输出供给控制器所需的全部电源。\n控制器所选逻辑芯片电源电压均为＋5V，为了提高系统可靠性和抗干扰能力，控制器采用分板单元稳压方式。总线提供＋8伏未经稳压的直流电源，各单元独立将其稳至＋5V以供本单元所需。控制器模拟电子器件，如运算放大器等，采用±12V电压，该电源处理方式与＋5V相同。\n电源的＋12V输出是供给装置的隔离元件使用。\n电源的＋24V供给继电器激磁线圈使用。\n须指出，考虑到提高整机的抗干扰和可靠性能力，＋12V、＋24V电源绝不允许与±18V、±12V、＋5V电源有直接电的联系。\n2.整流变换\n整流变换电路是将被测量的交流电压和交流电流，变换为按线性比例的直流电压，供测量有关的工频电压和电流。并且将高压侧电压、电流正弦波变换为与其同相的梯形波，以实现计算机测量相角（\n）。\n1）交流电源变换原理\n交流电流变换电路如附图3所示。\n图中W1为电流互感器初级绕组，额定电流为5A，W4、W5为电流互感器次级绕组。\n互感器LH使交流输入回路与变换电路在电气上隔开，并且将电流转换成电压量。电阻R5、R29是电流互感器的固定分流电阻。全波桥式整流电路由二极管D5～D12组成，考虑到交流电流变换电路应能耐受16倍额定电流的冲击，所以桥臂采用两个锗管串联。要主这两个二极管正向电阻尽可能小，反向电阻大于500KΩ，反向击穿电压大于220V。由于电流互感器铁芯磁化曲线起始部分非线性区的存在，当输入被测电流较小时，电流互感器的输入电流与输出电压之间出现非线性关系，为了减小非线性误差，采用二极管D34～D36和R18组成补偿电路。为了减少温度变化所引起的附加误差，电路中采用温度系数较小的金属膜电阻。R14 R15、C3、C4组成分压和阻容滤波电路。RW2为分压电位器，用以调节测量量程。\nW4绕组输出正弦交流电压，经过DW4～DW6削波后输出与输入正弦波相同的梯形波，用来测量功率角。\n2）交流电压变换原理\n交流电压变换电路如附图4所示。\n该电路与交流电流变换电路原理基本相同，这里仅就不同之处加以说明：\n（1）由于被测交流电压变化范围总在额定值±20％左右，所以互感器不会使用在磁化曲线的起始部分，因此不必采用线性补偿电路。\n（2）由于交流电压互感器承受过载冲击较小，因此全波整流桥臂不必采用两个二极管串联组成。\n低压侧电压变换电路原理与上述的相同，不再赘述。\n3.ZPU和存贮器\n该单元组成控制器的所有运算处理，存贮及S－100总线信号电路。按功能可分为：\n1）主振荡器、时针、\n2）Z－80CPU处理器、\n3）读／写存贮器RAM、\n4）只读存贮器ROM、\n5）RAM备用电源及保护电路、\n6）S－100总线信号逻辑及驱动电路。\nZPU单元原理框图如附图5所示。\n微处理机核心部分是Z80－CPU及有关电路。Z80－CPU可以处理8位二进制数据。它有16根地址线，寻址能力达到64KB字节。控制器共占用16K存贮空间。\n主振荡器晶体频率为8MHZ，经过两级分频之后得到2MHZ的中央处理器时钟信号，每个时钟信号周期为0.5μ。\n半导体存贮器遭到停电时，内容将丢失，重新上电后便无法恢复运行。控制器对存有限值，状态标志，历史数据等的RAM采取了防止数据发挥的保护措施。电路如附图6所示。\nU3中放有限值等数据，这些数据单元在运行时不进行重写和修改操作。当用键盘向内存送数时，S1位于键数位置，这时R／ W信号起作用，可进行读／写操作。当S1位于运行端时，R／ W被屏蔽，U3只工作在读方式下，新的信息无法写入，即使在程序失控时，也不会破坏原来的内容。\nRAM由机内稳压电源和备用电源并联供电，而使RAM取得不中断电源。若E为可充电电池，则还可以通过D1支路浮充电。\n另外，R／ W通过上拉电阻R1、R22，使RAM在电源中断瞬间不会受干扰而写入错误信息。\n4.输入（1N）\n输入单元电路见附图7\n输入的六路模拟量通过跟随、隔离及有源滤波后送到S－100总线。这部分电路由3U7～3U8及有关元件构成。\n输入的梯形波，通过过零比较器及光电隔离电路后形成与梯形波相同的方波，供测量φ角用。3U9为过零比较器，3D9～3D12起钳位作用。\n3G9～3G12光电隔离器是为了防止瞬间脉冲干扰φ角测量而设置的。\n四路波形变换电路的输出波形相同，但各自都与输入的正弦波同相，因而可通过测量电压、电流间的波形相对偏移来确定φ角的大小。\nU1～U3为Z80系列外围芯片，其功能可通过编程来确定和改变，由于其内部有较强的中断逻辑控制电路，所以很适用于完成复杂的实时处理任务。\n3U5，3U12，3U13、3U15组成波形切换电路，通过3U5输出不同的编码可在3U15～1（T）分别输出两组与UCA、IA以及UCA·IA同相的方波。\n测量功率角φ的电路如附图8所示。\nφ＝90｜1－ (4f)/(fN) NX｜\n当NX＞ (fN)/(4f) 时，φ为滞后\nN＜ (fN)/(4f) 时，φ为超前\n式中：f——电网频率\nfN——高稳定度脉冲源频率\nNX——每个T方波（ CA· B）内的脉冲数\n实际上，电网频率f是一个变化的量（尽管很小），f的变化将引起φ值的误差。所以需要测出f值。f的变化直接影响 CA的宽度，通过测量 CA波动幅度小，波形的变换误差可以通过恒值补偿消除。电流信号幅度随负荷情况而变，波形变换误差是一个变化的量，所以采用跟踪补偿方式。\n利用波形T的上升沿触发CTC1的1通道产生中断。第一、采样周期分别采集和处理第Ⅰ、Ⅱ台变压器单元的数据，每个采样周期有五个T中断过程，以完成电压、电流波形底宽及NX的测量和补偿计算，以得到精确的φ值。\n现场返回信号是根据电容器的运行状态而决定的。被控电容器的状态通过PIOP口读入CPU。该口工作在位控方式。现场八组电容器开关的辅助结点连接如附图9所示电路中。\n光电隔离器将现场与逻辑电路在电气上隔开。当现场结点XJ断开时，G截止，输出为低电平，面板指示灯熄灭；当XJ闭合时，R2被短接，G导通，G输为高电平，且面板指示灯亮，该状态可通过P10－B口读入计算机，以实现查询。\n5.输出（OUT）\n输出单元是将计算机发出的控制指令动作相应的断电器，接通或断开被控对象的控制回路，实现控制功能。另外，该单元还包括打印机接口和有载调压变压器分头位置返回信号接口（如果有的话）。\n控制输出电路简化示意图见图10所示。\n控制输出直接控制生产现场设备，任何错误的输出都会给生产带来影响或事故。所以，电路和软件都应采取必要的措施。\n全机复位或上电时POC出现一高电平脉冲，使I／O清零端CLR出现一低电平脉冲，从而使I／O清零，闭锁继电器。另外只有当密码锁输出为“O”时，输出指令才能通过I／O送出。所以，控制指令输出前要使密码锁输出为“O”，而使I／O口开放。密码由PIO送出经3U6译码选通4U13或4U14。\n继电器结点输出为2秒闭合，由程序延时实现。为防止程序延时出现故障，硬件电路作了后备处理，继电器电源由单稳电路控制。单稳时延取：\n软件时延＜单稳时延＜被控对象允许最大时延。当延时超过单稳时延时，单稳电路复位使继电器断电，保证继电器不会长时间闭合。\n6.A／D转换\nA／D转换单元是将控制器输入的六路模拟量及报表打印的32路模拟量转换成数字量。A／D转换单元的核心部件为ADC1210HCD。\nA／D转换框图如附图11所示。\n切换开关选用CD4051芯片，通过由9u12、9u13组成的译码电路选通某路模拟通道。被选通的某路模拟量通过跟随器9U4送入AD1210输入端。\n因为AD1210输出锁存器没有三态功能，所以，经过9u7、9u8三态缓冲器与总线连接。\n启动A／D转换是利用 OUT＋Y1（U15），该信号宽度约为两个时钟周期（约1us），而启动负脉冲宽度要求不小于4～5us，所以，利用u24单稳触发器加以展宽。\nCC端为转换结束信号端，正在转换时， CC＝“1”，转换结束后， CC＝“0”，该信号可以通过9u8读入CPU，也可以利用此信号产生中断。\nAD1210的电源和参考电压由9u5稳压后提供，这里采用VCC＝V＋＝＋5V。\nAD1210时钟由主机时钟三分频得到（250KHZ）。\n7.面板\n面板单元包括\n1）12位LED显示器\n2）5×5键盘\n3）控制解除开关\n4）功能设置开关及相应指示灯\n5）电容器位置信号指示灯\n6）报警指示灯\n7）复位接钮\n8）计算清除按钮\n9）关显示开关\n面板主要是由输入／输出口电路组成，程序中对其仅进行输出和输入指令操作。\n显示器利用LS377驱动，LS377低电平输入电流可达20MA，而高电平仅为6mA，所以采用共阳极显示器（每段发光电流＜20mA）。D5、D6D7、限制显示器电流。二极管正向压降受电流影响较小，所以在显示内容变化时对其它位发光影响亦小。显示内容可利用一条输出指令来指定，段译码由程序完成。字形表可在源程序中查到。\n键盘采用矩阵式非编码扫描接线，原理非常简单，可参阅TP801单板机键盘说明，这里不再阐述。\n各功能设置由接在6U16，6U17上的小开关实现。程序运行中可适时地读入相应小开关的位置（“0”或“1”）来决定程序的流向。小开关合上，相应的指示灯便亮，由此可以判别小开关是否可靠接触。\n开机或上电时，控制器通过附图12所示电路产生RESET信号，使装置自动进入RSTO程序入口。K为全机复位按钮。\n当程序失控（如死循环）时，通过附图13所示电路产生非屏蔽中断信号，CPU便自动进入规定单元执行程序，恢复装置运行。\n本装置的实施例如下：\n1.适用电压等级：高压侧：35千伏～220千伏\n低压侧：6千伏～10千伏\n2.无功调压设备配置方式：\n（1）1～2台有载调压变压器和电容器组；\n（2）仅有电容器组；\n（3）仅有有载调压变压器；\n（4）若干组电容器。\n3.使用环境温度：－5℃～＋55℃\n4.输入参数：电压    AC90V～120V\n电流    AC0～5.2A\n5.测量误差：电压测量误差：≤0.5％\nφ角测量误差：≤±1°\n有功、无功测量误差：≤2％\n定时打印板表转换误差：≤0.2％\n（不含变送器误差）\n6.动作时延为20秒至300秒（可调）；同一被控对象连续两次动作间隔时间为200秒至300秒\n7.装置电源AC220伏，＋10％～－15％，50HZ±2％\n综上所述，由于本装置采取了以上诸技术措施，体现了其新颖性和先进性，使其更接近于实际情况。本装置样机经实验室及现场试运行，各项指标均达到预期效果。