專利名稱：一種用于svc系統的故障檢測/保護方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種動態無功補償系統，屬于柔性交流輸電技術領域，具體涉及一種 用于SVC系統的故障檢測/保護方法及其裝置。
背景技術：
近年來，隨著大功率非線性負荷的不斷增加，電網的無功沖擊和諧波污染呈不斷 上升的趨勢，造成電壓、電流的畸變或三相不平衡、功率因數偏低等問題。為了解決上述問
題可以安裝靜止型動態無功補償裝置(svc)，目前svc裝置已成功應用于冶金、采礦和電氣
化鐵路等沖擊性負荷的補償上，其特點是調節速度快，并可連續、分相的進行無功功率調
節、運行可靠、適用范圍廣，因此對電力系統電壓穩定和改善電能質量起到了明顯的作用。
然而，由于SVC的工作電壓等級較高，一般為10KV、27. 5KV或35KV，其中的電力電子裝置要 承受很高的電壓，而且電力電子裝置又是整個SVC中的關鍵器件，決定了整套SVC裝置能否 安全有效的運行，因而，對于電力電子裝置的實時、快速的故障檢測和保護也就顯得尤為重要。 目前常用的晶閘管的電壓等級最高為7000V，而晶閘管的串并聯又使得TCR的主 電路和控制電路更加復雜，以往的故障檢測方法是通過光纖直接將晶閘管閥組的各種報警 信號與CPU控制板進行連接，由CPU統一接收并判斷是哪一類故障信號，然后做出相應的動 作，封鎖脈沖、切斷主回路或只是進行簡單的報警指示。它的弊端是連接線和光纖使用很 多，特別是在高電壓、大容量的SVC裝置中，往往需要多達300根以上的光纖，無形中增加了 很大一部分成本，而且給現場安裝人員帶來了很大的工作量，很多時候由于線號標識的問 題造成回傳信號誤接，使系統故障信號指示不準確，系統誤動作，閥組保護不及時或錯誤保 護，嚴重時燒毀主回路和功率器件；另一方面，由于接口端過多，需要加入CPLD或FPGA等器 件協助CPU工作，也就相應的增加了其硬件成本和故障點，而且由于占用CPU的資源過多， 使得CPU工作量加大、系統處理速度變慢，不僅如此，由于所有的故障都是由CPU自行判斷 后再進行處理，導致保護信號延時，出現保護不及時的現象，使得系統長時間安全、穩定運 行變得困難。
發明內容
針對上述技術問題以及現有技術的缺陷和不足，本發明旨在提供一種用于SVC系 統的故障檢測/保護方法及其裝置，當發生系統故障時，故障檢測保護系統自動進行故障 診斷和定位，并立即通過CAN總線上傳具體故障信息，發出警報，在判斷出嚴重故障后，發 出保護信號，可直接切除主回路電力電子裝置或其它高壓設備；該裝置既能快速地檢測到 系統故障，又能及時地進行有效的保護，大大縮短了 SVC設備的停機時間，提高了工作效 率。 本發明解決上述技術問題的技術方案是一種用于SVC系統的故障檢測/保護裝 置，由信號采集單元、單片機控制單元、CAN通信單元、故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元、晶閘管閥組與光電隔離單元組成，單片機控制單元與CAN通信單元電信號連接，CAN通信單 元與故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元電信號連接，故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元與 晶閘管閥組、光電隔離單元電信號連接，其特征在于A/D采樣板與采集單元、DSP運算單元 電信號連接，DSP運算單元電信號連接控制移相觸發板；移相觸發板經光電隔離單元電光 轉換后再電信號連接故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元；所述故障檢測保護及觸發脈沖驅 動單元經驅動后連接到對應的高電位板中驅動晶閘管閥組。其中，所述高電位板還將欠壓 報警信號和BOD報警信號電信號連接到故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元，并將其上傳到 單片機控制單元(CPU處理單元)。 所述SVC系統的故障檢測/保護方法由下述步驟實現 (1)A/D采集系統實時采集電網三相電壓、電流瞬時值，并將轉換結果送入單片機 控制單元(CPU處理單元)，CPU處理單元計算出系統當前基波有功和無功電流并發出觸發 脈沖，實現最優無功調節。 (2)晶閘管閥組上面的溫度傳感器定時將溫度數據送入故障檢測及保護系統，由 其判斷閥組是否超溫，同時，高電位板將欠壓報警信號和BOD報警信號也實時地送到故障 檢測及保護系統中，由該系統判斷故障類型及具體的故障支路。 (3)故障檢測及保護系統首先通過光電隔離單元接收全部故障信號，再利用CAN 總線將這些報警信號及閥組的實時數據通過固定格式的通信協議傳送到CPU處理單元上， 由CPU處理單元進行相應的報警或封鎖脈沖的處理。另外，故障檢測及保護系統還具有CAN 總線自診斷功能，當CAN總線出現異常時，CPU處理單元發出復位信號，重新啟動CAN總線。
(4)故障檢測及保護系統同時還接收CPU處理單元發出的觸發脈沖并通過自身的 驅動電路放大后送入高電位板以觸發晶閘管閥組。當觸發脈沖異常時，故障檢測及保護系 統會立即將該故障信息通過CAN總線上傳給CPU處理單元，同時，保護系統發出閉鎖信號封 鎖觸發脈沖。另外，故障檢測及保護系統進行實時故障巡檢，當閥組出現嚴重問題，如過流、 晶閘管擊穿等故障時，保護系統也會封鎖觸發脈沖，同時發出開關信號，控制1/0單元切除 主回路高壓設備，從而很大程度的提高了 SVC系統的安全運行系數。 所述的CAN總線是一種架構開放的、廣播式的、能有效支持分布式控制和實時控 制的新一代網絡通信協議，它具有傳輸速度快、自動解決總線競爭、實時性好、可靠性高、糾 錯能力強、連接方便的和性價比高等諸多優點，另外，CAN總線可以多方式工作，網絡上任意 一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其它節點發送信息，而不分主從，節點之間 可設置優先級，因而通信方式靈活；CAN總線采用了非破壞性位仲裁技術，當兩個節點同時 向網絡上發送信息時，根據優先級順序傳輸數據，節省了總線沖突仲裁時間，而且在網絡負 載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況。 由于采用了 CAN總線技術，節約了大量的光纖，同時減少了故障率，提高了數據傳 輸速度，從根本上提高了整個SVC設備的可靠性。 本發明還有這樣一些技術特征所述的單片機電路為AT90CAN128，是Atmel公司 的一款8位單片機，內部帶有一個8通道單端或差分輸入的10位高速A/D轉換器，并具有 1個符合2. OA或2. OB的CAN控制器接口 ，是一款高性能單片機。CAN收發器采用飛利浦公 司的PCA82C251，支持CAN2. OA及CAN2. 0B，帶有2個獨立CAN通道，至少可以連接110個節 點，高速傳輸可達1Mbps，每個端口有傳輸/接收狀態LED指示，對電磁干擾有較高的抗干擾性。光纖驅動電路采用TI公司的SN75451，具有低阻抗、高電流速率的特點，避免產生長的 拖尾現象。 本發明的技術效果在于 (1)故障檢測及保護系統可以接收全部的故障量和閥組較為重要的實時數據，并 可根據數據信息和報警限值進行故障解析。具備過流、欠壓、BOD、超溫、丟脈沖等故障報警 解析功能，同時還具有CAN總線故障自我診斷功能，為系統長期運行提供了強大的安全保障。 (2)故障檢測及保護系統在接收、解析系統故障的同時，也將所有報警數據通過 CAN總線以數據包的形式上傳給CPU處理單元，用一條雙絞線替代了以往上百根的光纖，大 大地節約了成本，減少了現場安裝的工作量，相應地也減少了故障率，使SVC系統穩定運行 變得更加容易。 (3)控制器中的CPU處理單元直接接收故障檢測及保護系統分解后的故障信息， 不需要加入其它輔助器件幫助CPU解析故障信息，減少了相應的硬件成本，同時也避免了 占用CPU過多資源，減少了 CPU的工作量，加快了系統的處理速度，使得SVC系統控制精度 和可靠性大為提升。 (4)故障檢測及保護系統具有自我判斷保護功能，當判斷出系統過流或晶閘管擊 穿等嚴重故障時，可以發出閉鎖信號封鎖觸發脈沖，并發出控制信號控制1/0單元切除主 回路高壓設備，同時，通過CAN總線上傳具體的故障信息，其通信速率最高可達1Mbps，而且 誤碼率極低，真正做到了系統的快速響應和保護。
圖1是SVC系統控制原理框圖；
圖2是故障檢測保護單元電路連接圖；
圖3是故障檢測保護單元程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明 如圖1所示，首先信號采集單元將系統電壓、電流信號通過AD采樣板采樣轉換后， 送入DSP運算單元進行運算，DSP運算單元根據電網參數計算出當前電網的瞬時無功功率， 并發出控制信號給移相觸發板；移相觸發板首先形成高頻脈沖，再將三相觸發信號經光電 隔離電路進行電光轉換后，通過光纖傳送到故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元中，該單元 將觸發脈沖經過驅動后送入到對應的高電位板中以驅動三相晶閘管閥組，而閥組上面的溫 度傳感器會將溫度值送入故障檢測保護單元，由該單元自行判斷是否超過限定溫度值，同 時高電位板將欠壓報警信號和BOD報警信號通過光纖也送入到故障檢測保護單元中，故障 檢測保護單元通過板上的CAN總線并接在一起后， 一同將這些報警信號及溫度值傳到CPU 處理單元中，CPU處理單元還要與開關量輸入、輸出單元進行連接，執行相應的1/0控制以 及接收TCR電流信號和液晶鍵盤信號等操作，此外CPU處理單元還提供遠方操作接口 ，以便 將現場各種實時數據傳給上位工控機。 故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元(如圖2)首先接收來自移相觸發板的光脈沖觸發信號TP+、TP-，經反相電路74HC04反相后，形成多路觸發信號，每路觸發信號再經過光 纖驅動電路SN75451驅動后，經光纖發送器HFBR1533送出，以驅動各路高電位板觸發三相 晶閘管閥組，同時單片機AT90CAN128還要對這三相觸發信號進行實時監測，若出現觸發脈 沖異常或缺失時，單片機AT90CAN128會發出丟脈沖報警信號，并與其它故障信號一同上傳 給CPU處理單元，同時封鎖觸發脈沖，防止晶閘管回路損壞；另一方面故障檢測保護單元經 光纖接收器HFBR1521接收來自晶閘管閥組的各路溫度值和各路高電位板的欠壓、BOD報警 信號，單片機AT90CAN128會根據溫度限值判斷出哪一相閥組超出溫度范圍，同時利用固定 的通信協議解析出具體的故障支路及故障類型，最后將這些具體的故障信息經過高速光耦 6N137進行光電隔離后，通過CAN收發器PCA82C251，送入到CPU處理單元的CAN總線上，從 而節約了大量的光纖和CPU資源，而且CAN總線傳輸速率高、誤碼率低，大大地加快了系統 的運算和處理速度。不僅如此，若故障檢測保護單元判斷出系統過流、晶閘管擊穿等嚴重故 障時，會自行封鎖觸發脈沖，同時將高壓切除信號經過驅動電路74LS245驅動放大后，送入 開關量輸出單元，以切除主回路高壓設備，極大地提高了系統的可靠性。
故障檢測保護單元CPU采用Atmel公司的AT90CAN128，其內部帶有CAN控制器，以 C語言為編程語言，結合自定義的通信協議，實現了報警數據的快速解析與傳輸。
(如圖3所示)程序首先進行上電初始化，初始化單片機內部資源和CAN控制器， 然后等待上位CPU處理單元發送召喚故障指令，若收到閥組巡檢指令，則上傳晶閘管閥組 的實時狀態，若收到故障檢測工作指令，系統則進行欠壓、BOD、超溫、丟脈沖等故障的檢測， 并要判斷出三相具體的故障支路，反之，若收到上位機的停止故障檢測指令，則關閉欠壓、 BOD 、超溫、丟脈沖檢測功能。 當故障檢測保護單元檢測到來自高電位板的故障反饋信號時，進行延遲判斷，以 便解析出具體的故障類型，若經過延時后，故障信號仍然為低電平，則認為是欠壓故障報 警，并將此故障信息上傳給上位CPU處理單元；若故障信號變為高電平，則認為是BOD故障 報警，系統也會將此故障信息上傳給上位CPU處理單元。 當故障檢測保護單元檢測到來自閥組的故障反饋信號時，首先判斷溫度測量值是 否處于不正常范圍值之內，若溫度值超過系統設定限值時，則認為是超溫故障報警，將此故 障信息上傳給上位CPU處理單元，同時將單片機計數器清零。隨后系統上傳具體溫度值。
故障檢測保護單元接收來自移相觸發板的光脈沖觸發信號，驅動高電位板觸發三 相晶閘管閥組，并對三相觸發信號進行實時監測，若出現觸發脈沖異常或缺失時，將丟脈沖 故障報警信息上傳給上位CPU處理單元，并解析出具體的故障回路。 當故障檢測保護單元檢測到丟脈沖、欠壓、BOD報警等嚴重的故障時，一方面封鎖 觸發脈沖并將具體故障信息上傳給上位CPU處理單元，另一方面，發出控制信號，控制I/O 單元切除主回路高壓設備，保護電氣設備，防止晶閘管回路損壞。 本發明有效地解決了以往SVC裝置保護不及時、故障信號指示不準確、系統誤動 作等問題，同時極大地節約了硬件成本，減少了現場安裝工作量，具有報警準確度高、保護 響應快、低成本、運行安全可靠的特點。 以上實施方式僅供說明本發明之用，而非對本發明的限制，本技術領域的普通技 術人員，在不脫離本實用新型的精神及范圍的情況下，作出各種等同變換或變化的技術方 案屬于本發明的保護范疇，由各項權利要求限制。
權利要求
一種用于SVC系統的故障檢測/保護裝置，由信號采集單元、單片機控制單元、CAN通信單元、故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元、晶閘管閥組與光電隔離單元組成，其特征在于單片機控制單元與CAN通信單元電信號連接，CAN通信單元與故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元電信號連接，故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元與晶閘管閥組、光電隔離單元電信號連接；其中，A/D采樣板與采集單元、DSP運算單元電信號連接，DSP運算單元電信號連接控制移相觸發板；移相觸發板經光電隔離單元電光轉換后再電信號連接故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元；所述故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元經驅動后連接到對應的高電位板中驅動晶閘管閥組。
2. 根據權利要求1所述的一種用于SVC系統的故障檢測/保護裝置，其特征在于所述 高電位板還將欠壓報警信號和BOD報警信號電信號連接到故障檢測保護及觸發脈沖驅動 單元，并將其上傳到單片機控制單元。
3. —種用于SVC系統的故障檢測/保護方法，包括以下步驟(1) A/D采集板采集電網三相電壓、電流瞬時值，將轉換結果送入CPU處理單元，CPU處 理單元計算出系統當前基波有功和無功電流后發出觸發脈沖；(2) 晶閘管閥組上面的溫度傳感器定時將溫度數據送入故障檢測及保護系統中，由其 判斷閥組是否超溫；同時，高電位板將欠壓報警信號和BOD報警信號也實時送到故障檢測 及保護系統中，由該系統判斷故障類型及具體的故障支路；(3) 故障檢測及保護系統通過光電隔離單元接收全部故障信號，利用CAN總線將這些 報警信號及閥組的實時數據傳送到CPU處理單元上，由CPU處理單元進行相應的報警或封 鎖脈沖的處理；(4) 故障檢測及保護系統同時接收CPU處理單元發出的觸發脈沖，通過自身驅動電路 放大后送入高電位板以觸發晶閘管閥組，當觸發脈沖異常時，故障檢測及保護系統會立即 將該故障信息通過CAN總線上傳給CPU處理單元，再由保護系統發出閉鎖信號封鎖觸發脈 沖。
4. 根據權利要求3所述的一種用于SVC系統的故障檢測/保護方法，其特征在于步驟(3) 中的故障檢測及保護系統還具有CAN總線自診斷功能，當CAN總線出現異常時，CPU處 理單元發出復位信號，重新啟動CAN總線。
5. 根據權利要求3所述的一種用于SVC系統的故障檢測/保護方法，其特征在于步驟(4) 中故障檢測及保護系統也進行實時故障巡檢，巡檢時當閥組出現嚴重問題，保護系統也 會封鎖觸發脈沖，并發出開關信號，控制1/0單元切除主回路高壓設備。
全文摘要
一種用于SVC系統的故障檢測/保護方法及其裝置，涉及一種動態無功補償系統及其方法。本發明的裝置由信號采集單元、單片機控制單元、CAN通信單元、故障檢測保護及觸發脈沖驅動單元、晶閘管閥組與光電隔離單元組成。本發明的檢測/保護方法通過采集單元將電壓、電流送入CPU處理單元，發出觸發脈沖，再通過光電隔離單元接收數據，判斷為嚴重故障時封鎖觸發脈沖、保護晶閘管閥組及其它高壓設備；CAN總線也欠壓、BOD、超溫等故障報警上傳給CPU處理單元。本發明的檢測/保護方法及其裝置有效地解決了以往系統保護不及時、故障信號指示不準確、系統誤動作等問題，同時節約了成本，減少現場安裝工作量，極大地提高了系統運行的穩定性和安全性。
文檔編號H02H7/00GK101707352SQ20091022600
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者張景旭, 王國強, 王瑞艦, 費承堯, 邢金偉, 陶長海, 齊紅超 申請人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司