CANopen协议在电力系统无功补偿中的应用汇总

口应用实例口
本文提出一种用于无功补偿控制策略与方法研究用的通用数据采集与控制系统，主要服务于从事无功补偿技术研究的各科研机构及院校，为他们提供一个可以方便扩展的、软硬件资源丰富的实验平台，也为无功补偿产品的开发做基础。

生通讯。

仪器仪表用户
并行总线通讯是单方面的通讯，所以在装置结构设计中又加入了内部ｃＡＮ总线，用于完成模块间对等关系的通讯。

内ＣＡＮ总线通讯基于ＣＡＮ２．０协议，不需要对ＣＡＮ帧数据进行应用层层面上的划分，是对高速并行总线的有益补充。

它接线方式简单，抗干扰能力强，主要完成一些对实时性要求不高的数据传输。

这样可解决其他模块向采集处理模块主动通讯的问题。

４
２。

通用型无功补偿装置的设计
无功补偿控制不仅需要大量、高速的数据采集和运算，而且也需要友好的人机界面和数据通讯等功能，单一的ｃＰｕ很难胜任。

本装置采用了ＰＣＩ０４结构，采用多ｃＰｕ、双总线的设计方式，并将复杂任务按模块分解，使每个模块的控制器只司职自身分配到的工作，从而在结构上解决了单控制器方式的工作瓶颈问题。

装置硬件框图如图１所示。

设计中充分考虑到一些特殊信号的采集方法及一些控制信号的特殊要求，从功能、精度、速度、可扩展性及维护的方便性等方面进行全面的设计。

平台的功能模块有采集处理模块、辅助模块、通讯模块、人机界面模块和Ｌ／Ｏ模块：
Ｐ０ｆ’４总线
基于ＣＡＮｏｐｅｎ协议远动数据通讯
ＣＡＮ总线仪仅定义了０ｓＩ系统的第ｌ和第２层，所以需要
一个高层协议来定义ｃＡＮ报文中的１１／２９位标识符和８字节数据的使用，而且需要兼容各种ｃＡＮ厂商设备的互用性、互换性，能够在ｃＡＮ网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。

ＣＡＮｏｐｅｎ是Ｃ认（ＣＡＮ—ｉｎ—Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）定义的标准协议之一，它使用ｃＡＬ通讯和服务协议子集，补充了ｃＭｓ对象以及通讯对象的定义，在保证网络节点互用性的同时允许节点功能的随意扩展。

依靠该协议支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。

在ＣＡＮｏｐｅｎ协议设备对象字典（０Ｄ）定义的基础上，本文定义了无功补偿通讯中的ＣＡＮ数据，即ＣＡＮ报
叭）
横
块
≮，≮
内ｒ’＾，毪
『ｒ
文的内容和功能。

４．１服务数据对象ＳＤｏ
ＳＤＯ（Ｓｅｎ，ｉｃｅＤａｔａＯｂｊｅｃｆ）让客户利用索引和子索引能
够访问设备对象字典中的项。

本文定的无功补偿ＳＤＯ对象见表ｌ。

表１无功补偿设备ＳＤｏ设定
图ｌ无功补偿装置结构图
（１）采集处理模块是平台的核心，它完成数据采集、处理及控制命令的发生等重要工作。

ｃＰｕ采用Ｔｉ公司２０００系列ＤｓＰＴＭＳ３２０皿８１２，可轻易实现常用的滤波硬件算法，面向电机控制优化的接口简化了电力无功补偿触发信号的产生。

采用ｃＰＬＤ器件ｘＣ９５１４４实现总线驱动、控制逻辑以及双口ＲＡＭ的内嵌。

（２）通讯模块是多种通讯接口的集合，它接收数据采集模块的数据，按相应协议经本模块扩展的总线完成与其它系统的数据交换。

此模块与采集模块以外的所有模块都采用ｃ８０５ｌＦＤ２ｘ系列单片机作为控制单元。

（３）Ｌ／０模块是多路数字量输入输出的集合。

主要由微处理器、电源系统和电气隔离系统构成。

主要完成无功补偿器件的投切信号输出及设备状态检测的工作。

比如电容器和电抗器的投切及工作状态的反馈等。

（４）人机界面模块。

使平台的繁多功能变得友好，简单易懂。

包括液晶显示、打印及键盘编码等。

对象设备通讯方式ＣＡＮ通讯速率选择
索引
０ｘ２００ｌ
子索引
Ｏ
值
Ｏｌ
描述查询方式连续自动方式
１２５Ｋｂｐｓ５０（１Ｋｂｐｓ
Ｏ）辽００２
０
０
ｌ
０
Ｏ
电压电流／相位无功容量电容电抗器全数据
远动数据格式
ｌ
Ｏｘ２００３
Ｏ
ｌ
ｌ
（１）补偿控制装置对外通讯方式，设定数据传输方式为查询方式或连续自动发送。

（２）ｃＡＮ总线波特率选择。

受限于电力设备工作环境，ｃＡＮ通讯不能工作在高速模式，补偿控制器此处只设定１２５Ｋｂｐｓ及５００Ｋｂｐｓ两种速度。

（３）数据格式选择。

无功补偿设备的远动数据主要包括电力系统监测点的电压电流、相位、无功容量及投切电容器、电抗器容鼍等［５，６］，但限于ｃＡＮ帧数据长度，所需数据必须分多帧上传。

上位机可以要求无功装置单独上传某种远动信息，也可以要求发送全部远动信息。

３模块间通讯
各模块问通过一条高速并行总线和一条ｃＡＮ总线相互连接，这是因为不仅平台装置对外需要数据的传输，装置内各子模块之间的通讯协调同样重要，它是控制器高效、准确工作的有力保证。

按照通讯方式可将装置的通讯可以分为并行总线通讯和基于ＣＡＮ总线的通讯。

由图１可以看出，模块间有一条高速并行总线相互连接，这条总线以双口ＲＡＭ为物理连接层，采用存储器共享的方式实现；数据传输以中断方式运行，响应速度快。

并行总线主要处理三相电压电流采集、存储等实时性较高、数据置较大的数据传输任务。

高速并行总线上的数据交换过程都是由采集处理模块发起的，因为为了保证署集处理模块的正常工作流程，高速并行总线完全由采集处理模块控制，其它模块不能主动以任何方式、任何理由通过高速并行总线与采集处理模块发
７２
ＥＩＣ
ＶＯＩ．１５
２００８
Ｎ０．４
４．２过程数据对象ＰＤｏ
ＰＤＯ对象主要用于远动数据的传输，其传送方式由相应的ｓＤ０对象预定。

本文的无功补偿控制器预定义２个ＰＤ０通道，ＰＤ０ｌ用于异步方式远动数据的传输，ＰＤ０２用于定时器工作方式的传输。

ＰＤ０ｌ和ＰＤ０２工作方式按照ｃＡＮｏｐｅｎ协议规定，在ＯＤ对象的ｏｘｌ８００和０ｘ１８０ｌ中修改。

５总结
本文通过将无功补偿过程的复杂任务分解，使控制器能够满足各种无功补偿方法对硬件资源的需要，从而在结构上解决了空盒子器通用性问题。

引入了ｃＡＮｏ
ｐｅｎ协议，为远动数据传输提供应用层上的支持，方便介入任何使用ｃＡＮｏｐｅｎ
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CANopen协议在电力系统无功补偿中的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：
谢东岩，张洋，高宏慧
谢东岩(黑龙江科技学院,哈尔滨,150027，张洋(华北水利水电学院,郑
州,450011，高宏慧(东莞供电局,东莞,532008仪器仪表用户
INSTRUMENTATION CUSTOMER2008，15(40次
参考文献(6条
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电压是电能质量的重要指标之一，网损是电力企业的一项重要综合性技术经济指标。

长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手段。

随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。

在电网中的适当位置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。

提高电压质量、降损节能是供电企业当前的工作重点之一。

对电网给予合理的无功补偿，能够有效地维持系统的电压水平，降低有功网损，提高网络输送容量满足负荷的无功需求。

论文首先从无功功率不足带来的危害说明无功补偿的必要性，从节约能源的角度说明无功补偿的重要性，然后论述了无功补偿的发展历史和发展现状，介绍了无功补偿原理，分析了电压失稳的机理和电压稳定的分析方法。

电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题，无功的缺额是电压失稳的本质原因。

节点负荷功率的变化会引起电力系统的运行状态发生变化。

当节点负荷增加到一定值时，系统结构稳定性就会发生变化，出现分叉现象。

本文基于分叉理论、诱导向量场和数值计算方法提出一种改进确定电压稳定分叉值的方法，可以求出系统的静态分叉点和系统的节点负荷临界值。

该方法还可以避免在临界点附近收敛困难的问题。

通过对一个IEEE-30节点的系统证明了该方法的有效性。

并且应用这种改进方法对IEEE 30节点的系统在无功补偿方式下进行了无功补偿对电力系统电压稳定性影响的分析。

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同时对电力系统低压侧负载进行了无功补偿的仿真实验和高压母线B2侧无功补偿的仿真实验。

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通过实地检测该地区海洋平台电网谐波特点和相关技术数据后，对无功补偿和谐波治理方案进行了总体设计，并利用MATLAB的遗传算法(GA工具箱对TSF的参数进行了优化设计，最后通过MATLAB/SIMULINK工具箱，搭建了仿真系统，得出了较好的仿真结果，验证了方案实施的可行性。

(1介绍了J29-3海洋平台的研究背景和客户的技术要求，在阅读了大量国内外文献的基础上，总结出了国内外关于电网供电质量及对谐波抑制的基本要求；并总结了无功补偿和谐波抑制的基本方法；
(2针对J29-3海洋平台电网，总结了其基本特点；根据J29-3平台海洋环境及气候的特点，参考中海油方面《关于开发J29-3地区WHPA平台的ODP报告》，总结并提出了在海上平台中进行补偿和谐波治理时，关于设备选型的具体要求：
(3针对谐波现状，提出相应的几种治理措施：1无源电力滤波器；2静止无功补偿器(SVC；3有源电力滤波器(APF。

再根据电网的实际情况，比较治理措施的优劣，确定综合治理方案，利用晶闸管投切滤波器(TSF对电网进行补偿和滤波，并进行了方案设计和理论计算；
(4通过在海洋平台实际检测的技术数据，对方案进行了理论计算和分析，并利用MATLAB的遗传算法工具箱对滤波器的参数进行了优化设计，通过MATLAB/SIMULINK工具箱对补偿滤波系统进行了仿真，分析了晶闸管投切滤波
器进行无功补偿和谐波治理时的效果。

有源滤波的方式或者三调谐滤波器对海洋平台电网电能质量进行治理的思路。

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无源滤波器是传统的补偿无功和治理谐波的主要手段，已获得了广泛的应用：但这种无源补偿装置的补偿性能较差，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的补偿。

有源电力滤波器补偿效果好，但逆变器的容量较大，成本很高。

混合型有源电力滤波器将无源滤波与并联型有源滤波相结合，克服了无源滤波器和有源电力滤波器的缺点，降低了逆变器容量，能同时补偿变化的无功功率和抑制各次谐波，动态性能很好，提高了性价比，有比较好的应用前景。

本论文采用的电路拓扑就是这种混合型有源电力滤波器。

本文主要针对一种混合型有源电力滤波器进行建模；采用不同的鲁棒性强的方法分别进行无功功率补偿和谐波抑制；对逆变器的容量进行分析，优化并联型有源电力滤波器中的电容器、电抗器的参数，大大减小逆变器的容量；用MATLAB软件进行仿真验证了控制方法的有效性；最后设计了硬件电路，大致做了以下几个方面的工作：
1.对电力系统谐波和无功功率产生的原因、危害和进行治理的现状进行了论述；
2.对电力滤波器的原理进行了阐述；
3.建立了混合型有源电力滤波器的数学模型；
4.提出并详细阐述了进行无功补偿和谐波抑制的两种鲁棒性强的控制方法，并进行了仿真工作，证明其可行性；
5.对逆变器的容量进行分析，优化混合型有源电力滤波器的参数，进一步减小逆变器的容量；
6.进行了混合型有源电力滤波器的硬件设计工作，为以后的实验打下基础。

数字仿真的结果表明，控制方法并且对各种负荷变化的干扰、参数摄动及未建模动态具有很强的鲁棒性，也使得混合型有源电力滤波器有很好的动态性能。

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由于计算机技术、控制理论、人工智能等信息科学的新进展，在无功补偿控制领域内，传统无功补偿控制系统设计方法已不适应人们对电力系统的质量、可靠性等方面的发展需要。

无功补偿控制系统具有环境恶劣和干扰因素多、非线性、以及难以建模等特点，这就决定了以模糊控制、神经网络、专家系统为代表的智能控制理论在无功补偿控制系统中有广阔的应用前景。

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本文在主要系统硬件上采用高速、流水线结构的ARM单片机系统，具有运算速度高、实时性好的特点，软件遵循模块化的设计原则，极大地提高了系统的通用性和维护的简易程度。

该装置在实时地对电网监测数据的基础上，对低压电网进行无功补偿，并且具有超压、缺相、过流等保护功能。

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下载时间：2010年11月19日。