某500 kV變電站STATCOM水冷系統(tǒng)能耗監(jiān)測設(shè)計(jì)

劉志勇 楊 丹 楊廷方

（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410114；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南長沙410007）

0 引言

某變電站能耗超標(biāo)，其中大功率設(shè)備主要是STATCOM水冷系統(tǒng)[1]，是整個(gè)變電站電能的消耗大戶。水冷系統(tǒng)的用電負(fù)荷越大，站用電率就越高。目前變電站對其各設(shè)備的能耗監(jiān)測管理簡單粗放、依賴于人員經(jīng)驗(yàn)決策，無法做到站用電設(shè)備能耗精細(xì)化管理，難以保障大功率設(shè)備的健康運(yùn)行及全面考察其供電性能。因此，監(jiān)測變電站站用電設(shè)備的用電量，實(shí)現(xiàn)變電站能耗的精細(xì)化管理，對降低變電站的站用電率，評估站用電設(shè)備的能耗狀況具有重要的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。本文采用高性能DSP技術(shù)，設(shè)計(jì)了某變電站STATCOM水冷系統(tǒng)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

1 水冷系統(tǒng)有功功率P的測量

本次水冷系統(tǒng)三相有功功率P可用公式（1）來表示[2]：

式中：uAC、uBC為線電壓；iA、iB為相電流。

2 水冷系統(tǒng)無功功率Q的測量

本次水冷系統(tǒng)三相無功功率Q可用公式（2）來表示[3]：

式中：iC為相電流。

3 水冷系統(tǒng)用電總電能W的測量

本次水冷系統(tǒng)用電總電能W可用公式（3）來表示[4]：

4 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。本次采用的主CPU是TMS320F2812，該款DSP系統(tǒng)其外設(shè)由A/D轉(zhuǎn)換大容量存儲器、l6位和32位的定時(shí)器比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、高速異同步串行口和獨(dú)立可編程復(fù)用I/O等組成。TMS320F2812的ADC是一個(gè)12位的單轉(zhuǎn)換器，有16個(gè)輸入通道，內(nèi)置了雙采樣保持器（S/H），可實(shí)現(xiàn)電壓、電流的同步采樣。其采樣的模擬輸入信號為0～3 V。

4.1 電流信號輸入回路電路設(shè)計(jì)

圖1 整體硬件電路設(shè)計(jì)圖

電流信號輸入回路電路設(shè)計(jì)如圖2所示。水冷系統(tǒng)電源的三相電流是通過電流互感器CT進(jìn)行變換，把大電流變成小電流。圖2中R1是可調(diào)電阻。由電流互感器副邊輸出的是交流信號，存在正負(fù)特性，此電流信號經(jīng)過電阻采樣后轉(zhuǎn)化為-3～+3 V的電壓信號。由于本TMS320F2812的ADC是單極性的，故必須要用運(yùn)算放大器進(jìn)行單極性電平轉(zhuǎn)換，使電壓信號處于正區(qū)間，且使進(jìn)入到DSP中的A/D轉(zhuǎn)換口的信號范圍在0～+3 V。

圖2 電流信號輸入回路電路設(shè)計(jì)

4.2 電壓信號輸入回路電路設(shè)計(jì)

電壓信號輸入回路電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中的Rv是電壓互感器二次側(cè)熔斷器，R1是可調(diào)電阻。

圖3 電壓信號輸入回路電路設(shè)計(jì)

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一是主程序設(shè)計(jì)，二是中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。主程序流程如下：先對系統(tǒng)初始化，包括I/O口初始化、外圍設(shè)備初始化、標(biāo)志寄存器初始化；然后啟動(dòng)定時(shí)器中斷，進(jìn)行A/D采樣；最后進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)處理分析，利用離散傅里葉算法計(jì)算功率及用電電能，進(jìn)行液晶顯示并發(fā)送給PC機(jī)。中斷服務(wù)程序中主要是中斷響應(yīng)設(shè)置，然后采用ADC轉(zhuǎn)換模擬數(shù)據(jù)。本次采樣中，以6.4 kHz的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣。利用離散傅里葉算法計(jì)算電壓、電流的實(shí)部、虛部，再按照公式（1）～（3）分別計(jì)算水冷系統(tǒng)的有功、無功及電能，并在LCD上顯示和對外發(fā)送。

6 實(shí)驗(yàn)測試

經(jīng)過在變電站進(jìn)行安裝運(yùn)行，測得水冷系統(tǒng)的用電負(fù)荷曲線如圖4所示，精度能滿足現(xiàn)場的實(shí)際需求。

圖4 水冷系統(tǒng)的用電負(fù)荷曲線圖

7 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的水冷系統(tǒng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水冷系統(tǒng)的用電負(fù)荷測量，能滿足現(xiàn)場的實(shí)際需求。這有助于有針對性地提出科學(xué)使用的節(jié)能改造建議和措施，并對進(jìn)一步開展變電站站用電統(tǒng)計(jì)、分析和精細(xì)化管理等工作，分析變電站存在的具體能耗問題以及節(jié)能空間，促進(jìn)節(jié)能降耗以提升變電站節(jié)能管理水平，提高變電站效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。