基于SIMATIC-TDC全數字SVC控制系統及其應用

1引言

全社會日益增長的用電需求和電網輸配電能力的矛盾越來越突出。另外，隨著現代工業的發展，在配電網中，一方面，多種干擾工業負荷，由于其非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，使供電網的電壓波形發生畸變，引起電壓的波動、閃變以及三相不平衡，甚至引起系統頻率的波動，對電網的電能質量構成了嚴重的威脅；另一方面，配電網中的許多用電設備，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，對電能質量提出了高可靠性、高暫態恒定性、高可控性的要求。目前，大部分用于改善和提高電能質量的補償裝置都具有抑止電壓波動與閃變的功能^[1][2]，利用晶閘管技術的靜止無功補償裝置(SVC)可以就地提供動態無功補償，是解決這些問題的經濟有效的措施。

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補償功能的實現、安全穩定的運行、與其它設備的協調以及人機交互都是靠控制系統來實現的。SVC控制系統在出現的初期就基本進入了數字化時代。但是由于電信號的瞬時值是交流信號，控制系統的計算任務非常繁重，早期的微型計算機，甚至后來的16位和32位微處理器(MPU)，都無法滿足高速實時運算的要求，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現無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一步的處理^[3][4]，模擬電路＋單片機是其中一種很典型的實現方案，至今在工程中仍有一定的應用。

SVC控制策略的實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現方案也限制了更先進的控制策略的實現，所以模擬和數字結合的SVC硬件平臺上實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法實現以矩陣運算(坐標變換)為基礎的瞬時補償算法。

為提高SVC控制系統的性能和可靠性，在浙江大學、清華大學和SIEMENS A&D的支持下，順特電氣有限公司基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的基礎上率先研發出了適用于惡劣工業環境下的高性能、高可靠性的SVC控制系統，并在實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公司近年來在SIMADYN-D的基礎上推出的新一代工業控制系統，目前，該控制系統已在大容量交-直流傳動得到了一定的應用，已成為SIEMENS公司在工業控制領域實現大型系統實時控制的主推產品。與SIMADYN-D類似，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，基本采樣時間達到了μs級。SIMATIC-TDC采用了自由組態、模塊化的設計思想，使得系統的結構便于擴展。系統可以快速實現閉環和開環控制，算術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足各種系統的設計要求。每個系統獨立的插件板可以直接插入獨立的控制單元。SIMATIC-TDC尤其適用于相關聯的大動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，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，總線速度大幅度提高，因此不再有L-bus和C-Bus的區別。SIMATIC-TDC系統采用STEP/CFC組態語言，計算機用戶界面十分的友好，易于操作和掌握，適合于從簡單到復雜的控制系統的要求。簡單任務可以組態在一個功能包中，較復雜的任務則由幾個功能包共同來完成。對于復雜的功能，是由幾個過程處理器組合在一個SIMATIC-TDC控制單元中來完成。更高級的系統可由幾個SIMATIC-TDC控制單元組合在一起，通過通訊線連接交換數據而達到設計要求。

SIMATIC-TDC采用的是實時操作系統(固定時隙25µs)，采樣速度很快(最短100µs)，其中A/D采樣轉換時間約為20µs，D/A轉換輸出時間為4µs，D/I和D/O延時時間均為100µs，測試證明完全滿足在0.5ms內完成從采集、計算到控制信號輸出的要求。強大的循環處理，高達5種采樣時間(T1~T5)，能夠進行處理周期性中斷(T0)和非周期性中斷(I1~I8八級中斷)任務。基于基本采樣時間T0，可以定義5種采樣時間的周期中斷任務(T1~T5)以處理不同實時性要求的任務，其中T1~T5與T0的關系是：

T_i = T0 * 2^j

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控制器響應時間只受數字濾波器限制，速度達到10ms以內，滿足設備要求。

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。同時該控制系統結構簡單合理、可以實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實現主要的計算和開、閉環控制任務，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協議；SIMATIC-TDC與調試設備之間采用DUST1協議進行通信；SIMATIC-TDC與微機保護裝置的通信采用工業以太網。

SIMATIC-TDC實現的主要功能包括：進行信號的采集和處理、實現SVC的控制算法、實時計算TCR觸發角；實現SVC系統的開停機控制；SIMATIC-TDC還要實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；對晶閘管狀態進行監控；對微機保護裝置進行通信；對主電路進行監控。圖1為采用雙CPU結構SVC控制系統實現的基本功能。 圖2是在SIMATIC-TDC/SIMADYN-D中實現的負荷補償SVC控制框圖。圖3是順特電氣應用于工業產品的基于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 應用實例

順特電氣有限公司開發基于SIMADYN-D的SVC控制系統2005年已經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SVC工程?；?/FONT>SIMATIC-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，這是第一個將SIMATIC-TDC應用于SVC工程的實例。這里主要以首鋼秦皇島板材有限公司SVC為例對應用情況進行簡單介紹。

首鋼秦皇島板材有限公司110kV變電站SVC投運前后6kV系統3s功率因數曲線如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，軋機運行時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，由于無功功率基本由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，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

圖5 SVC投運后6kV系統功率因數曲線

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。由于軋機需要的無功功率基本由SVC實時提供，因此主變基本不再提供無功功率，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200萬的投資。

2) 電費的節?。?/SPAN>SVC的投入使電源得到凈化，質量得到提高，系統中無功功率基本不存在，有功功率增加，無功電流和諧波電流的降低使線路損耗和電機的無功損耗大大降低，電機效率和出力得到提高。在相同電量下SVC的運行與停運，產量將截然不同，預計年節約電量約300萬度，每年的直接經濟效益達160萬元。

3) 其他效益：電源質量提高后將延長電氣設備的使用壽命（如變壓器、電機的使用壽命等），降低自動控制設備的故障發生率（如軋機可控硅控制系統的不穩定、計算機死機等問題造成的系統保護電機跳閘，給生產帶來影響）。

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。同時該控制系統結構簡單合理、可以實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、首鋼一線材等實際SVC工程的應用證明該方案的可行性和實用性，給用戶帶來了明顯的經濟效益。