沈文杰 蔣建虎

(洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今企業(yè)的生產(chǎn)都在向規(guī)?；?、專業(yè)化發(fā)展，生產(chǎn)工藝連續(xù)性的控制顯得十分重要。然而，自然界的雷電、線路的短路、接地、大功率設(shè)備啟動(dòng)、供配電系統(tǒng)中的不穩(wěn)定因素等，都會(huì)引起電壓瞬間的波動(dòng)［1］。這種電壓閃變是不可預(yù)測的隨機(jī)事件，多數(shù)情況下是電壓跌落［2－3］，持續(xù)時(shí)間小于1 s，電網(wǎng)波動(dòng)的幅值小于額定電壓的60%，而較長時(shí)間(＞1 s)及較大幅度的電壓閃變有時(shí)也會(huì)發(fā)生。由于生產(chǎn)系統(tǒng)中運(yùn)用的對(duì)電壓敏感的設(shè)備(如可編程控制器(PLC)、變頻調(diào)速電機(jī)(ADS)等)越來越多，生產(chǎn)線上電機(jī)的機(jī)械特性也不同，電網(wǎng)電壓瞬間大幅度跌落會(huì)引發(fā)電壓敏感控制設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)或重載電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而破壞生產(chǎn)過程中的連續(xù)性和工藝連鎖性，造成生產(chǎn)中斷或產(chǎn)生許多廢品，甚至損壞設(shè)備、引起爆炸、火災(zāi)等事故。即使不發(fā)生事故，企業(yè)也需對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測，從而造成損失。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種電機(jī)智能自啟動(dòng)系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓經(jīng)過瞬間的波動(dòng)恢復(fù)正常后，按照生產(chǎn)工藝控制的要求，重新啟動(dòng)恢復(fù)生產(chǎn)或輸出報(bào)警信號(hào)。

1 閃變電壓特征量的檢測

1.1 閃變電壓的特征描述

電能質(zhì)量一般是指電壓或電流的幅值、頻率、波形、三相電壓不平衡、電壓諧波總畸變率、電壓波動(dòng)和閃變等40多項(xiàng)指標(biāo)［4，11］。根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電壓波動(dòng)和閃變被作為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。當(dāng)各參量尤其是電壓波動(dòng)與規(guī)定值的偏差達(dá)到一定值時(shí)，即會(huì)影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。通常電壓閃變?cè)斐傻碾妷旱涫怯捎谳旊娋€路短路故障引起的，大負(fù)荷感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)也會(huì)引起電壓跌落。輸電線路故障類型可以分為三相短路、單相接地故障和相間短路3種情況。對(duì)三相短路而言，電壓跌落是對(duì)稱的，可用電壓跌落的深度和持續(xù)時(shí)間來描述。但對(duì)于不對(duì)稱故障(單相接地短路和相間短路)，各相電壓幅值、相角跳變將各不相同。因此，電壓閃變?cè)斐傻碾妷旱溥€伴隨著相角跳變和不對(duì)稱現(xiàn)象［5－7］，而且由于供電端變壓器、用戶端變壓器繞組連接方式的不同以及負(fù)荷連接方式不同，使得同一個(gè)電壓閃變?cè)斐傻碾妷旱溆奢旊娋€路送到不同的負(fù)荷時(shí)，產(chǎn)生的影響也不同。電壓幅值跌落深度用MF表示，MF=Usag/Uref，其中，Usag為電壓跌落前的有效值，Uref為電壓跌落時(shí)的有效值，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，特指基波正序分量的有效值。電壓跌落時(shí)的相角跳變是指電壓跌落前后的相位角變化，當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，特指基波正序分量的相位角變化［8－9］。為此，要構(gòu)建的智能防護(hù)系統(tǒng)的檢測算法必須能迅速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測出電壓跌落的起止時(shí)刻，同時(shí)對(duì)受控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在輸電線路運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備及生產(chǎn)工藝要求自動(dòng)進(jìn)行恢復(fù)操作。

1.2 閃變電壓跌落特征值的檢測

負(fù)荷往往對(duì)電壓幅值的跌落很敏感。一般的有效值計(jì)算方法只注重對(duì)電壓幅值的監(jiān)測，但有效值的計(jì)算方法至少需要半個(gè)周期的過去數(shù)據(jù)。這樣就會(huì)引起一定的延時(shí)，而不能準(zhǔn)確地給出電壓跌落的起止時(shí)刻，更不能反映電壓跌落時(shí)可能出現(xiàn)的相角跳變和不對(duì)稱。若用離散傅立葉分析方法來計(jì)算電壓的幅值和相位角，也需要一個(gè)工頻周期的數(shù)據(jù)，在電壓跌落時(shí)難以保證其電壓值的實(shí)時(shí)性。

為了保證電壓檢測值的實(shí)時(shí)性，這里用基于“abcdq”變換的檢測算法，以瞬時(shí)確定電壓的有效值。由派克變換，將“abc”坐標(biāo)下的系統(tǒng)三相電壓變換到“dq”坐標(biāo)系下，即基波正序分量變?yōu)橹绷鞣至?，?fù)序分量變?yōu)槎沃C波分量，零序分量仍為零。

設(shè)系統(tǒng)三相相電壓為:

式中:ω 為工頻角頻率，ω =2πf=100π;t為時(shí)間;φ1、φ2、φ0分別為基波正序分量、負(fù)序分量、零序分量的初始相位角。

根據(jù)式(2)和式(3)，要分離出基波正序分量，需先分離出dq坐標(biāo)系下的直流分量，再求這兩個(gè)直流分量的均方根(實(shí)際上為基波正序分量的峰值，與標(biāo)準(zhǔn)電壓峰值進(jìn)行比較，從而判斷電壓幅值是否下降，而幅值下降正是電壓發(fā)生跌落的判據(jù)。

為了克服濾波器的響應(yīng)延時(shí)，保證分離出坐標(biāo)系下的直流分量的實(shí)時(shí)性，對(duì)這種算法稍作改進(jìn)，通過下式可以得到其直流分量。

式中:ud'、uq'分別為 ud、uq的微分值。

再進(jìn)行“dq-abc”變換就可以得到電壓跌落時(shí)相電壓的參考值。這種方法就是上面所說的參考電壓幅值為理想電壓幅值，相角為跌落電壓的基波正序分量相角。

這里提出的基于派克變換的改進(jìn)檢測方法，由于其在dq坐標(biāo)系下的直流分量的獲得是實(shí)時(shí)的，因此該算法不僅可以準(zhǔn)確地檢測出電壓跌落發(fā)生的起止時(shí)刻和電壓幅值跌落的深度，而且可以準(zhǔn)確地檢測出基波正序分量相角的跳變。

2 智能防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由微控制器系統(tǒng)主板、電能質(zhì)量檢測板、I/O接口板、用戶操作界面和外圍器件組成。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Functional structure of the system

圖1中，基于微控制器的中央控制模塊采用 Phil-ips半導(dǎo)體公司的 P89C662HFA單片機(jī)。該單片機(jī)的1個(gè)機(jī)器周期為6個(gè)時(shí)鐘周期，同樣晶振下運(yùn)行速度是傳統(tǒng)的80C51的兩倍;采用先進(jìn)的CMOS工藝制造，是80C51單片機(jī)的派生品;指令集在執(zhí)行和時(shí)序上與80C51完全兼容;具有4個(gè)8位I/O口、3個(gè)16位定時(shí)/事件計(jì)數(shù)器、1個(gè)多中斷源、4個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套的中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)增強(qiáng)型UART以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)序電路。

電能質(zhì)量檢測模塊由隔離變壓器、A/D轉(zhuǎn)換(包括采樣保持)等電路組成。A/D轉(zhuǎn)換器選用MAXIM公司的MAX197A芯片。該芯片是多量程(±10 V，±5 V，+10 V，+5 V)、8通道、12位高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器。MAX197A采用逐次逼近工作方式，有標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)接口和三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口，僅需單一的+5 V供電，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10 μs。

受控設(shè)備監(jiān)控模塊的輸入信號(hào)主要是受控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的開關(guān)量信號(hào)。該模塊由并行I/O接口電路、光電耦合隔離電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和中間繼電器電路組成。受控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)由其原有的主控電路(如電動(dòng)機(jī)主接觸器的輔助觸點(diǎn))直接引出。通過設(shè)備本身的操作電路或裝置對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行重啟動(dòng)操作。為了保證本系統(tǒng)不會(huì)受到電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，通過不間斷電源為系統(tǒng)供電。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于系統(tǒng)的功能組合。系統(tǒng)軟件包括主程序、電能質(zhì)量檢測模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、受控設(shè)備監(jiān)控模塊和顯示及打印模塊等。

主程序主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化以及裝置自檢等任務(wù)。系統(tǒng)初始化部分包括各個(gè) I/O端口輸入輸出設(shè)置、中斷設(shè)置、外圍驅(qū)動(dòng)及譯碼電路的設(shè)置、數(shù)據(jù) RAM的初始化等。電能質(zhì)量檢測模塊的功能主要是對(duì)兩段母線的電壓值進(jìn)行檢測，以判斷電網(wǎng)是否有“閃變”發(fā)生。

A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197A的輸入量程選為0～5 V。MAX197A芯片的時(shí)鐘范圍在0～2 MHz，采用內(nèi)部時(shí)鐘工作，選用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。編程要求每次將兩段母線的6路電壓模擬輸入信號(hào)依次采集一遍，此時(shí)采用等待查詢方式。

在額定工頻50 Hz交流電信號(hào)的0.5周期(0.01 s)內(nèi)，進(jìn)行N(N=20～50)次采樣，每路得到N個(gè)電壓瞬時(shí)值，并由此計(jì)算各路的電壓有效值。軟件充分考慮MAX197A的工作時(shí)序，需要考慮采集時(shí)間和變換時(shí)間以及各控制信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。A/D轉(zhuǎn)換程序流程如圖2所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖Fig.2 Flowchart of A/D conversion program

電能質(zhì)量檢測模塊對(duì)兩段母線電壓值的檢測，通過定時(shí)中斷方式計(jì)算各路電壓有效值，0.5個(gè)周期(0.01 s)計(jì)算一次，并根據(jù)檢測、計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)受控設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作。檢測處理程序流程如圖3所示。

圖3 檢測處理程序流程圖Fig.3 Flowchart of detection processing program

3 結(jié)束語

本文提出了基于“abc-dq”變換的檢測算法檢測閃變電壓波動(dòng)起止時(shí)刻和有效值，并依此設(shè)計(jì)了智能自啟動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用證明，系統(tǒng)在對(duì)大規(guī)模連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)雙回路電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測過程中，若電網(wǎng)出現(xiàn)閃變，可在電網(wǎng)恢復(fù)正常的瞬間(0.01 s)將因閃變而停機(jī)的受控設(shè)備按照工藝要求分批重新啟動(dòng)，驗(yàn)證了基于“abc-dq”變換的檢測算法檢測閃變電壓波動(dòng)起止時(shí)刻和有效值方法的正確性和實(shí)用性。

［1］袁川，楊洪耕.改進(jìn)的電壓凹陷特征量實(shí)時(shí)檢測方法［J］.繼電器，2005，33(22):57 －60.

［2］肖湘寧，徐永海，劉連光.考慮相位跳變的電壓凹陷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(1):64 －69.

［3］楊亞飛，顏湘武，婁堯林.一種新的電壓驟降特征量檢測方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(2):41 －44.

［4］肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［5］Bollen M H J.Understanding power quality problems，voltage sagsand interruptions［M］.New York:Wiley-IEEE Press，2000.

［6］Tunaboylu N S，Collins E R Jr，Chaney P R.Voltage disturbance evaluation using the missing voltage technique［C］//Proceedings of the 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power，Athens，Greece，1998:577 － 582 .

［7］Wang P，Jenkins N，Bollen M H J.Experimental investigation of voltage sag mitigation by an advanced static VAR compensator［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(4):1461 －1467.

［8］Heydt G T，Tan W，LaRose T，et al.Simulation and analysis of series voltage boost technology for power quality enhancement［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(4):1335 －1341.

［9］Middlekauff S W，Collins E R Jr.System and customer impact:considerations for series custom power devices［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(1):278 －282.

［10］肖遙，李澍森.供電系統(tǒng)的電壓下凹［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25(1):73－77.

［11］林海雪.新國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》介紹［J］.供用電，2001，18(6):4 －7.