湖南大学(410082) 黄纯 左辰
湖南省电力试验研究所（410007） 周铁强 何志华
湖南省怀化电业局（4188000） 陈解祥 何银国
【摘 要】 介绍一种变电站微机型谐波滤波器监控装置，详细阐述其软、硬件设计原理，该装置集谐波测量、滤波器控制、保护于一体，功能齐全，通用性强，动模试验和现场运行结果表明，装置性能优良，是变电站谐波滤波器安全、有效运行可靠保障。
【关键词】 变电站 谐波 滤波器 微型计算机 监控
随着电网中各种类型的非线性负荷(大功率整流设备、换流设备、电弧炉、电气化铁道以及家用电器等)比例的增大，电网中电压、电流波形畸变现象日趋严重。当系统中谐波含量达到一定程度时，将对电力设备及电力用户的用电设备带来严重危害，影响电力系统的正常运行，因此必须采取切实有效的措施对谐波进行抑制。目前，抑制谐波的常用方法之一是在接近谐波源负荷的变电站低压侧装设L—C谐波无源滤波器。
为保证滤波器的安全、有效运行，必须完善与之配套的二次设备。目前在变电站运行的滤波器大多靠人工手动投切，滤波器保护亦为常规保护。常规保护及一般的计算机保护均不能正确反映谐波电量的作用，这对于工作在谐波环境中的滤波器是不适合，必须加以改进。此外，凭经验手动投切滤波器往往是不精确、不及时的。要达到最佳滤波效果，滤波器的投入或切除应根据现场实时检测到的谐波含量来决定，且要求谐波测量精度高、速度快。在谐波测量的多种方法中，基于计算机技术的采样数字式测量方法能满足高精度实时在线测量的要求，但现有设备价格较贵，且功能单一，不便于对滤波器直接控制以实现自动投切。鉴于存在的这些问题和生产实际的需要，我们研制了一种微机型变电站谐波滤波器监控装置，它集谐波测量、滤波器投切控制、滤波器保护于一体，功能齐全、通用性强、可靠性高、且成本低。本文详细介绍其实现机理及硬件、软件设计方法。
1 装置硬件结构
装置硬件采用插件式结构，通过增减插件板可适合不同系统的需要，且便于维护。装置由交流插件、AD(模数转换)插件、CPU插件、IO(开关量输入输出)插件、继电器插件、电源插件及人机接口板等部分组成。
谐波源供电线路电流、流过各滤波器组的电流及滤波器所在的母线电压等经CT、PT后送入交流插件，在交流插件中由具有高线性度的电流、电压变送器将它们转换成－5V～＋5V的交流电压，然后送AD插件。为能进行高次谐波(一般考虑到19次)分析，交流插件中，信号低通滤波器的截止频率设计为1000Hz。
各路信号在AD插件中经多路转换开关、采样保持电路、模数转换电器转换成数字量。同时，滤波器母线电压信号通过过零比较电路整形为方波，供CPU插件测量系统频率用。
由80C196单片机系统构成的CPU插件是整个装置的核心。它利用HSI测量和跟踪系统频率，控制AD插件对各路信号的采样，并处理和分析采样数据，以实现对谐波源供电电流的实时检测和对流过各滤波器组的电流的监视，然后根据这些电流的大小，以及从IO插件中读入的各开关的位置信号，按照预定的方案发出滤波器投切控制命令及保护跳闸命令。这些命令经IO插件驱动后由继电器插件执行。
此外，CPU插件还带有RS422通信接口，可与上位管理机或变电站电压无功微机控制装置之间进行信息交换，以便与变电站综合自动化系统协调工作。因此该装置既可独立运行，又可作为变电站综合自动化系统的一个有机部分。
人机对话板上设有薄膜小键盘和数码显示。保护定值的输入及修改、装置调试可通过键盘方便地进行。数码显示可显示用户关心的监控信息，如各次谐波电流含量等。电源插件给以上各功能插件提供稳定的直流电源。
该装置硬件结构紧凑，使用维护方便，成本较低，可靠性高。其原理框如图所示。
2 软件设计
软件采用模块化编程，易于组合和变化。根据现场情况的不同，设置有多套控制方案供用户选择，使装置具有广泛的适用性。同时，针对谐波测量与滤波器保护的特点，提出了一些新的处理方法，从而能在保证精度的前提下，大大提高计算精度。
2.1 谐波实时测量
谐波分析采用快速付里叶变换法(FFT)。为保证谐波测量的精确性和快速性，在装置上采用了一些独特的措施。
2.1.1 软件同步
FFT变换要求对周期信号进行整周期截取，并严格等时间隔采样，即采用同步采样，否则会产生较大的测量误差[1]。现有谐波测量仪的同步多由硬件实现。为简化硬件结构，降低成本，装置利用80C196的软件定时器，用软件方法实现同步采样。
用软件实现同步的具体作法是：先用80C196的HSI测量电压信号相邻过零点的时间隔T，即基波周期；然后将T除以每周采样点数N，得到采样周期；再利用软件定时器实现中断定时采样。这种作法若处理不当，会带来较大的同步误差，原因有两个：(1)CPU的中断响应时间具有一定的随机性；(2)采样周期T/N的值很可能不为整数，T/N的小数部分软件定时器不能分辨。这两个方面的原因都使得实际采样周期与其理想值不完全一致，存在误差。虽然误差值可能很小，但是由于谐波测量在一个基波周期内采样的点数较大(如256点)，误差如果随着采样次数的增加而不断累积增大，引起采样时间不断偏离预定采样点，则会使谐波分析产生不能容忍的截断误差。
为消除采样时间误差的累积，在装置上采取下述方法。针对第一种原因，在中断服务程序中重置时间常数时，不采用常用的间接写HSO－TIME的方法，而是直接写HSO－TIME。针对后一原因，在每次采样前对T/N的小数部分累加一次，当累积值达到或超过1.0时，送入HSO－TIME中的值加1。
采用这些措施后，软件同步可以达到甚至超出硬件同步(如同步锁相环电路)的同步精度。
2.1.2 计算方法及技巧
在利用FFT进行谐波分析过程中，要进行大量的加减法和乘法运算。由于浮点制数的表示范围大，计算精度高，常规采用浮点制运算[2]。浮点数加减法运算须经过对阶、尾数相加减、结果规格化三个步骤才能完成，乘法运算亦须经过尾数相乘、阶码相加、结果规格化三步骤。而定点制加减法和乘法只需尾数直接相加减或直接相乘，因此定点制运算比浮点制运算的计算量要小得多。为提高谐波测量速度，装置采用定点制运算，理论分析证明，采用4字节定点制数值运算，不会出现溢出现象，且能达到很高的计算精度，而计算量大大减少。
FFT的基本运算是复数乘法和复数加减法，尽可能减少复数运算次数是提高计算速度的关键。目前，FFT最常用的算法为基2算法，它使离散傅里叶变换(DFT)的乘法运算次数大大减小，使运算效率提高1～2个数量级，同时逻辑关系较为简单，易于编程。从理论上讲，用较大的基数还可以进一步减少运算次数，但要以程序变得复杂为代价，甚至得不偿失。该装置采用分裂基FFT算法[3]，它将基2分解和基4分解揉合在一起，与基2算法相比，复数乘法运算次数减少了1/3还要多，而复数加减法次数相同。同时，分裂基运算流图与基2FFT算法接近，编程较为简单，易于用单片机实现。
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