基于SIMATIC-TDC全數字SVC控制系統及其應用
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全社會(huì )日益增長(cháng)的用電需求和電網(wǎng)輸配電能力的矛盾越來(lái)越突出。另外，隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展，在配電網(wǎng)中，一方面，多種干擾工業(yè)負荷，由于其非線(xiàn)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，甚至引起系統頻率的波動(dòng)，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量構成了嚴重的威脅；另一方面，配電網(wǎng)中的許多用電設備，例如計算機、醫用設備以及其它精密電子設備對供電系統的干擾更加敏感，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(wú)功補償裝置(SVC)可以就地提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補償，是解決這些問(wèn)題的經(jīng)濟有效的措施。
TCR＋FC型SVC是SVC裝置最主要的型式，它的基本構成包括：閥組、冷卻系統、相控電抗器、控制系統、濾波器組。其中控制系統是SVC裝置的核心，SVC補償功能的實(shí)現、安全穩定的運行、與其它設備的協(xié)調以及人機交互都是靠控制系統來(lái)實(shí)現的。SVC控制系統在出現的初期就基本進(jìn)入了數字化時(shí)代。但是由于電信號的瞬時(shí)值是交流信號，控制系統的計算任務(wù)非常繁重，早期的 微型計算機，甚至后來(lái)的16位和32位微處理器(MPU)，都無(wú)法滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)運算的要求，因此早期的SVC控制系統基本采用了"模擬＋數字"的方法，其主要思路是利用模擬電路實(shí)現無(wú)功功率和有功功率的計算和濾波處理，再將結果輸入數字計算機作進(jìn)一步的處理[3][4]，模擬電路＋單片機是其中一種很典型的實(shí)現方案，至今在工程中仍有一定的應用。
SVC控制策略的實(shí)現受微處理器運算性能的影響非常大，模擬和數字相結合的實(shí)現方案也限制了更先進(jìn)的控制策略的實(shí)現，所以模擬和數字結合的SVC硬件平臺上實(shí)現控制策略基本上是以平均功率理論為基礎的控制策略。這樣的硬件平臺基本上無(wú)法實(shí)現以矩陣運算(坐標變換)為基礎的瞬時(shí)補償算法。
為提高SVC控制系統的性能和可靠性，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，并在實(shí)際工程中得到了成功的應用。
2 SVC控制系統構成
SIMATIC-TDC控制器是SIEMENS公司近年來(lái)在SIMADYN-D的基礎上推出的新一代工業(yè)控制系統，目前，該控制系統已在大容量交-直流傳動(dòng)得到了一定的應用，已成為SIEMENS公司在工業(yè)控制領(lǐng)域實(shí)現大型系統實(shí)時(shí)控制的主推產(chǎn)品。與SIMADYN-D類(lèi)似，SIMATIC-TDC控制系統采用多CPU并行處理結構，它的信號處理和算術(shù)運算能力十分強大，處理器模板采用了64位RISC處理器，基本采樣時(shí)間達到了μs級。SIMATIC-TDC采用了自由組態(tài)、模塊化的設計思想，使得系統的結構便于擴展。系統可以快速實(shí)現閉環(huán)和開(kāi)環(huán)控制，算術(shù)運算以及系統監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計思想模式，能夠保證硬件可以廣泛地滿(mǎn)足各種系統的設計要求。每個(gè)系統獨立的插件板可以直接插入獨立的控制單元。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，適合于不同的交流、直流調速系統以及電力系統的控制和保護系統。
與SIMADYN-D比較起來(lái)，SIMATIC-TDC的性能更加卓越。與SIMADYN-D最大的區別是，SIMATIC-TDC采用了符合VMEbus標準的64位總線(xiàn)，總線(xiàn)速度大幅度提高，因此不再有L-bus和C-Bus的區別。SIMATIC-TDC系統采用STEP/CFC組態(tài)語(yǔ)言，計算機用戶(hù)界面十分的友好，易于操作和掌握，適合于從簡(jiǎn)單到復雜的控制系統的要求。簡(jiǎn)單任務(wù)可以組態(tài)在一個(gè)功能包中，較復雜的任務(wù)則由幾個(gè)功能包共同來(lái)完成。對于復雜的功能，是由幾個(gè)過(guò)程處理器組合在一個(gè)SIMATIC-TDC控制單元中來(lái)完成。更高級的系統可由幾個(gè)SIMATIC-TDC控制單元組合在一起，通過(guò)通訊線(xiàn)連接交換數據而達到設計要求。
SIMATIC-TDC采用的是實(shí)時(shí)操作系統(固定時(shí)隙25μs)，采樣速度很快(最短100μs)，其中A/D采樣轉換時(shí)間約為20μs，D/A轉換輸出時(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(mǎn)足在0.5ms內完成從采集、計算到控制信號輸出的要求。強大的循環(huán)處理，高達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。該控制系統超高的采樣速度，超快的運算速度，超強的計算能力，從而保證SVC控制器響應時(shí)間只受數字濾波器限制，速度達到10ms以?xún)?，滿(mǎn)足設備要求。
將SIMATIC-TDC應用于SVC控制系統可以大大提高SVC裝置的性能和可靠性。同時(shí)該控制系統結構簡(jiǎn)單合理、可以實(shí)現多種復雜的控制算法、響應速度極快。
順特電氣有限公司SVC控制系統使用CPU551實(shí)現主要的計算和開(kāi)、閉環(huán)控制任務(wù)，人機界面采用TP270系列觸摸屏。其中SIMATIC-TDC與水冷系統的通信采用Profibus-DP通信協(xié)議；SIMATIC-TDC與人機接口(例如TP270)及遠方監控系統的通信采用了SIEMENS的MPI協(xié)議；SIMATIC-TDC與調試設備之間采用DUST1協(xié)議進(jìn)行通信；SIMATIC-TDC與微機保護裝置的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)。
SIMATIC-TDC實(shí)現的主要功能包括：進(jìn)行信號的采集和處理、實(shí)現SVC的控制算法、實(shí)時(shí)計算TCR觸發(fā)角；實(shí)現SVC系統的開(kāi)停機控制；SIMATIC-TDC還要實(shí)現與晶閘管冷卻系統的通信以達到對冷卻系統的監控目的；對晶閘管狀態(tài)進(jìn)行監控；對微機保護裝置進(jìn)行通信；對主電路進(jìn)行監控。圖1為采用雙CPU結構 SVC控制系統實(shí)現的基本功能。 圖2是在SIMATIC-TDC/SIMADYN-D中實(shí)現的負荷補償SVC控制框圖。圖3是順特電氣應用于工業(yè)產(chǎn)品的基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系統外形圖。
圖1 基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的SVC控制系統的控制功能
圖2加入無(wú)功電流反饋的負荷補償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控制系統外形圖
3 應用實(shí)例
順特電氣有限公司開(kāi)發(fā)基于SIMADYN-D的SVC控制系統2005年已經(jīng)成功地應用到首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站、天津津濱輕軌有限公司110kV變電站等4個(gè)SVC工程?；赟IMATIC-TDC的SVC控制系統已于2006年6月在青島四方-龐巴迪-波爾鐵路設備運輸公司110kV變電站SVC工程正式投運，這是第一個(gè)將SIMATIC-TDC應用于SVC工程的實(shí)例。這里主要以首鋼秦皇島板材有限公司SVC為例對應用情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站SVC投運前后6kV系統3s功率因數曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。
從圖4可以看出，軋機運行時(shí)6kV系統的功率因數較低，約為0.78；從圖5可以看出，軋機運行時(shí)，由于無(wú)功功率基本由SVC提供，6kV系統的功率因數很高，功率因數維持在0.99以上。由此可見(jiàn)，SVC的功率因數校正效果非常明顯。
圖4 SVC投運前6kV系統功率因數曲線(xiàn)
圖5 SVC投運后6kV系統功率因數曲線(xiàn)
根據首鋼秦皇島板材有限公司對SVC投運前后統計數據的分析，結論如下：
1) 提高了設備利用率，降低了設備容量。由于軋機需要的無(wú)功功率基本由SVC實(shí)時(shí)提供，因此主變基本不再提供無(wú)功功率，有功功率輸出增加4000kW，因此不再需要改換原有主變，節省了約200萬(wàn)的投資。
2) 電費的節?。篠VC的投入使電源得到凈化，質(zhì)量得到提高，系統中無(wú)功功率基本不存在，有功功率增加，無(wú)功電流和諧波電流的降低使線(xiàn)路損耗和電機的無(wú)功損耗大大降低，電機效率和出力得到提高。在相同電量下SVC的運行與停運，產(chǎn)量將截然不同，預計年節約電量約300萬(wàn)度，每年的直接經(jīng)濟效益達160萬(wàn)元。
3) 其他效益：電源質(zhì)量提高后將延長(cháng)電氣設備的使用壽命（如變壓器、電機的使用壽命等），降低自動(dòng)控制設備的故障發(fā)生率（如軋機可控硅控制系統的不穩定、計算機死機等問(wèn)題造成的系統保護電機跳閘，給生產(chǎn)帶來(lái)影響）。
4 結論
SIMATIC-TDC應用于SVC控制系統可以大大提高SVC裝置的性能和可靠性。同時(shí)該控制系統結構簡(jiǎn)單合理、可以實(shí)現多種復雜的控制算法、響應速度極快。首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站、天津津濱輕軌有限公司110kV變電站、青島四方-龐巴迪-鮑爾鐵路運輸設備有限公司110kV變電站、首鋼一線(xiàn)材等實(shí)際SVC工程的應用證明該方案的可行性和實(shí)用性，給用戶(hù)帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟效益。
參考文獻
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