基于SIMATIC-TDC全数字SVC控制系统及其应用

1引言

全社会日益增长的用电需求和电网输配电能力的矛盾越来越突出。另外，随着现代工业的发展，在配电网中，一方面，多种干扰工业负荷，由于其非线性、冲击性和不平衡的用电特性，使供电网的电压波形发生畸变，引起电压的波动、闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率的波动，对电网的电能质量构成了严重的威胁；另一方面，配电网中的许多用电设备，例如计算机、医用设备以及其它精密电子设备对供电系统的干扰更加敏感，对电能质量提出了高可靠性、高暂态恒定性、高可控性的要求。目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑止电压波动与闪变的功能^[1][2]，利用晶闸管技术的静止无功补偿装置(SVC)可以就地提供动态无功补偿，是解决这些问题的经济有效的措施。

TCR＋FC型SVC是SVC装置最主要的型式，它的基本构成包括：阀组、冷却系统、相控电抗器、控制系统、滤波器组。其中控制系统是SVC装置的核心，SVC补偿功能的实现、安全稳定的运行、与其它设备的协调以及人机交互都是靠控制系统来实现的。SVC控制系统在出现的初期就基本进入了数字化时代。但是由于电信号的瞬时值是交流信号，控制系统的计算任务非常繁重，早期的微型计算机，甚至后来的16位和32位微处理器(MPU)，都无法满足高速实时运算的要求，因此早期的SVC控制系统基本采用了“模拟＋数字”的方法，其主要思路是利用模拟电路实现无功功率和有功功率的计算和滤波处理，再将结果输入数字计算机作进一步的处理^[3][4]，模拟电路＋单片机是其中一种很典型的实现方案，至今在工程中仍有一定的应用。

SVC控制策略的实现受微处理器运算性能的影响非常大，模拟和数字相结合的实现方案也限制了更先进的控制策略的实现，所以模拟和数字结合的SVC硬件平台上实现控制策略基本上是以平均功率理论为基础的控制策略。这样的硬件平台基本上无法实现以矩阵运算(坐标变换)为基础的瞬时补偿算法。

为提高SVC控制系统的性能和可靠性，在浙江大学、清华大学和SIEMENS A&D的支持下，顺特电气有限公司基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的基础上率先研发出了适用于恶劣工业环境下的高性能、高可靠性的SVC控制系统，并在实际工程中得到了成功的应用。

2 SVC控制系统构成

SIMATIC-TDC控制器是SIEMENS公司近年来在SIMADYN-D的基础上推出的新一代工业控制系统，目前，该控制系统已在大容量交-直流传动得到了一定的应用，已成为SIEMENS公司在工业控制领域实现大型系统实时控制的主推产品。与SIMADYN-D类似，SIMATIC-TDC控制系统采用多CPU并行处理结构，它的信号处理和算术运算能力十分强大，处理器模板采用了64位RISC处理器，基本采样时间达到了μs级。SIMATIC-TDC采用了自由组态、模块化的设计思想，使得系统的结构便于扩展。系统可以快速实现闭环和开环控制，算术运算以及系统监视和信号通信等功能。SIMATIC-TDC拥有一套完整的模块化的硬件和软件设计思想模式，能够保证硬件可以广泛地满足各种系统的设计要求。每个系统独立的插件板可以直接插入独立的控制单元。SIMATIC-TDC尤其适用于相关联的大动力及高精度的控制系统，适合于不同的交流、直流调速系统以及电力系统的控制和保护系统。

与SIMADYN-D比较起来，SIMATIC-TDC的性能更加卓越。与SIMADYN-D最大的区别是，SIMATIC-TDC采用了符合VMEbus标准的64位总线，总线速度大幅度提高，因此不再有L-bus和C-Bus的区别。SIMATIC-TDC系统采用STEP/CFC组态语言，计算机用户界面十分的友好，易于操作和掌握，适合于从简单到复杂的控制系统的要求。简单任务可以组态在一个功能包中，较复杂的任务则由几个功能包共同来完成。对于复杂的功能，是由几个过程处理器组合在一个SIMATIC-TDC控制单元中来完成。更高级的系统可由几个SIMATIC-TDC控制单元组合在一起，通过通讯线连接交换数据而达到设计要求。

SIMATIC-TDC采用的是实时操作系统(固定时隙25µs)，采样速度很快(最短100µs)，其中A/D采样转换时间约为20µs，D/A转换输出时间为4µs，D/I和D/O延时时间均为100µs，测试证明完全满足在0.5ms内完成从采集、计算到控制信号输出的要求。强大的循环处理，高达5种采样时间(T1~T5)，能够进行处理周期性中断(T0)和非周期性中断(I1~I8八级中断)任务。基于基本采样时间T0，可以定义5种采样时间的周期中断任务(T1~T5)以处理不同实时性要求的任务，其中T1~T5与T0的关系是：

T_i = T0 * 2^j

式中：1≤i≤5，0≤j≤15。该控制系统超高的采样速度，超快的运算速度，超强的计算能力，从而保证SVC控制器响应时间只受数字滤波器限制，速度达到10ms以内，满足设备要求。

将SIMATIC-TDC应用于SVC控制系统可以大大提高SVC装置的性能和可靠性。同时该控制系统结构简单合理、可以实现多种复杂的控制算法、响应速度极快。

顺特电气有限公司SVC控制系统使用CPU551实现主要的计算和开、闭环控制任务，人机界面采用TP270系列触摸屏。其中SIMATIC-TDC与水冷系统的通信采用Profibus-DP通信协议；SIMATIC-TDC与人机接口(例如TP270)及远方监控系统的通信采用了SIEMENS的MPI协议；SIMATIC-TDC与调试设备之间采用DUST1协议进行通信；SIMATIC-TDC与微机保护装置的通信采用工业以太网。

SIMATIC-TDC实现的主要功能包括：进行信号的采集和处理、实现SVC的控制算法、实时计算TCR触发角；实现SVC系统的开停机控制；SIMATIC-TDC还要实现与晶闸管冷却系统的通信以达到对冷却系统的监控目的；对晶闸管状态进行监控；对微机保护装置进行通信；对主电路进行监控。图1为采用双CPU结构SVC控制系统实现的基本功能。 图2是在SIMATIC-TDC/SIMADYN-D中实现的负荷补偿SVC控制框图。图3是顺特电气应用于工业产品的基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系统外形图。

图1 基于SIMATIC-TDC/SIMADYN-D的SVC控制系统的控制功能

图2加入无功电流反馈的负荷补偿SVC控制原理

a) SIMADYN-D控制器

b) SIMATIC-TDC控制器

图3基于SIMADYN-D/SIMATIC-TDC的SVC控制系统外形图

3 应用实例

顺特电气有限公司开发基于SIMADYN-D的SVC控制系统2005年已经成功地应用到首钢秦皇岛板材有限公司110kV变电站、天津津滨轻轨有限公司110kV变电站等4个SVC工程。基于SIMATIC-TDC的SVC控制系统已于2006年6月在青岛四方-庞巴迪-波尔铁路设备运输公司110kV变电站SVC工程正式投运，这是第一个将SIMATIC-TDC应用于SVC工程的实例。这里主要以首钢秦皇岛板材有限公司SVC为例对应用情况进行简单介绍。

首钢秦皇岛板材有限公司110kV变电站SVC投运前后6kV系统3s功率因数曲线如图4、图5所示。

从图4可以看出，轧机运行时6kV系统的功率因数较低，约为0.78；从图5可以看出，轧机运行时，由于无功功率基本由SVC提供，6kV系统的功率因数很高，功率因数维持在0.99以上。由此可见，SVC的功率因数校正效果非常明显。

图4 SVC投运前6kV系统功率因数曲线

图5 SVC投运后6kV系统功率因数曲线

根据首钢秦皇岛板材有限公司对SVC投运前后统计数据的分析，结论如下：

1) 提高了设备利用率，降低了设备容量。由于轧机需要的无功功率基本由SVC实时提供，因此主变基本不再提供无功功率，有功功率输出增加4000kW，因此不再需要改换原有主变，节省了约200万的投资。

2) 电费的节省：SVC的投入使电源得到净化，质量得到提高，系统中无功功率基本不存在，有功功率增加，无功电流和谐波电流的降低使线路损耗和电机的无功损耗大大降低，电机效率和出力得到提高。在相同电量下SVC的运行与停运，产量将截然不同，预计年节约电量约300万度，每年的直接经济效益达160万元。

3) 其他效益：电源质量提高后将延长电气设备的使用寿命（如变压器、电机的使用寿命等），降低自动控制设备的故障发生率（如轧机可控硅控制系统的不稳定、计算机死机等问题造成的系统保护电机跳闸，给生产带来影响）。

4 结论

SIMATIC-TDC应用于SVC控制系统可以大大提高SVC装置的性能和可靠性。同时该控制系统结构简单合理、可以实现多种复杂的控制算法、响应速度极快。首钢秦皇岛板材有限公司110kV变电站、天津津滨轻轨有限公司110kV变电站、青岛四方-庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司110kV变电站、首钢一线材等实际SVC工程的应用证明该方案的可行性和实用性，给用户带来了明显的经济效益。