基于SOPC的煤矿电力无功补偿系统的研究与设计.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 2 年第5 期 总第1 1 0 期 1 前言 基于 S O P C的煤矿电力无功补偿系统的研究与设计 王文林 。 陈 烨 z ( 1 晋煤集团 寺河矿 ，山西 晋城 0 4 8 2 0 5 ； 2 中国矿业大学 信息与电气 工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要本文分析 了煤矿电力无功补偿本文在研 究了煤矿 电力无功补偿 系统的原理 和硬件设计 ， 对补偿信号的检测原理上 ， 论述 了煤矿供 电线路数学模型 ， 无功补偿装置的原 理和无功补偿信号的提取算法、信号采集和数据存储结构及工作原理；论述 了数据存储 方 式。与现有的煤矿无功补偿系统对比， 具有比较好的性价比和极好的推广应用前景。 关键词无功补偿 ； S O P C； F P G A 中图分类号： T M7 l 4 3 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 0 7 9 7 ( 2 0 1 2) 0 5 0 0 5 l 一 0 4 随着社会 的发展和科学技术的进步 ，国家对煤 矿供电质量和供电的安全性、可靠性及供电效率提 出越来越高的要求。进一步降低电网损耗、 提高电压 质量及供 电可靠性 ，从而实现煤矿社会效益和经济 效益双丰收 ， 是煤矿企业现代化管理的核心内容。在 电力系统输送电能的过程 中， 无功功率不足 ， 将使 系 统中输送的总电流增加、 使变压器的出力减少、 供电 线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压 下降 ； 而对于煤矿 电网来说 ， 过多地从电网中吸取无 功， 不仅使电网电能质量下降， 也影响自身的用电和 生产 ， 使煤矿效益下降 ， 甚至招致罚款。因此 ， 为了减 少无功 的损失和避免其在电网中的不 当流动 ，必须 进行无功补偿 。 无功补偿最好的方式是就地补偿 。采用并联电 容器进行无功补偿是一种投资少、 施工简单、 见效快 的补偿方式 ， 它可以很方便地就地控制电容投切 ， 以 减少线损 ， 消除无 功馈乏给系统带来的负面影响。 另 外 ， 负荷谐波较大时 ， 将损害普通补偿设备的开关和 电容。 装置在谐波含量超高时 ， 有针对性地配置滤波 器 ， 从而能够有效滤 除谐波 、 延长设 备寿命 、 提高补 偿效果和电能质量 。 2 煤矿供电线路数学模型 如图 1 所示 。 C 图 1 等效电路 R、 L串联 电路是实际电动机的电路模型。其中 I s是电压型电源的等效 电流。 在此情况下 ， 发生并联 谐振的条件为 ： 5l 5 w n=面 1 i R 、 导 其特征为： ( 1 ) 导纳 ： 丽 R R = ( S ) 阻 抗 ： 景 ( Q ) ( 2) 申 流 ： 设 i ： I 0 谐振时电压 ： 3 o = = = I s 0 V， i i = 0 o Y l = 面 L I s LO I Y 1 l 一 1 i co = 0 oY = Is l _ 0 1Y zI 手 相量图 ： 图 2矢 量 图 由于 L C R很大 ，导致电动机两端 的电压很高 ， 电流也很大， 其接触器触头很可能因此而被烧损。 事 实证 明， 3次烧损的接触器都是 3 0 4 # ， 是控制 同一 台 电动机的接触器。因此 ， 我们推测 ， 该 电动机 的电磁 参数恰好与所投人 的电容器产生了谐振 ，过大的电 流造成 了接触器烧损。 为了避免此类事故的发生 ， 必 须采取 防止谐振的措施 。 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第5 期 总第1 1 0 期 3 无功补偿装置的设计 3 1 功率与功率 因数 的测量 不对称三相电路 的数字 化功率测量是一件极其 复杂 的工作 ， 必须高度重视 。在三相三线制电路 中， 不论是否对称，三相功率可以使用两个功率表进行 测量 ， 称为二瓦计法 ， 其接线方式如图 3所示 。 一 三 相 负 载 图 3二 瓦特 法 可以证明，图中两个功率表读数的代数和为三 相三线制中右侧电路吸收的平均功率。设两个功率 表 的读数分别用 P 。 、 P 表示 ，根据功率表 的工作原 理 ， 有 ： P I = R e I ) i A P 2 = R e U B c I B 所 以： P 1 + P 2 = R e 1 J A C i * A + L I B c i 因为 ： 【 J 觚 = t l A - t l t J B c = t J B t J c i A + i * B - 一 i c 代人上式有 ： P 1 + P 2 = R e U A I A + 1 3 B I B + 1 3 c I c 】 = R e S A + S R + S c = R e S 】 而 R e f S IJ 表示右侧三相负载的有功功率 。 从以上求证的过程中可以看出， = 0 A c i + D 眦 i ， 也就是说 ， 三相 电路的功率分别为 ： P = R e I ) A c I + U B C I B Q = I m U A c i A + U B c I B s = 、 cos = 据此 ， 我们可 以得出推论 ： 通过测量三相电路 的 2个 线 电压 ， 2个线 电流就 可以计算 出三相有 功功 率 、 无功功率 、 视在功率和平均功率因数 。 将 的表达式展开 ， 有 ： S = ( J A C i A + 【 B c r B =U A c ( C O S u A c + j s i n U A c ) I A c o s I s i n I A ) + U B c ( C O S u B c + j s i n U B c ) I B c o s j s i n m ) = ( U A c C O S u c I A c 0 s I A +U A c s i n u A c I A s i n I A ) + j ( U A c s i n u B C I A c o s I A U A c C O S U A C I A s i n IA ) + ( U B c c 0 s U A C I B C O S l A + U B c s i n 4 ) U A C I B s i n l A ) + j ( UB c S i n t rs c I B C O S I A - U B c c o s U A C I B s i n I A ) = ( U A c R 水 I A R + U A c x 木 I A ) ( ) + j( U A c R 水 I A R + U A c x 木 I A ) ( ) + ( U B c R I R R + U B O ( 1 日 ) ( ) + j ( U B c R I B R 十 U 呱* I B x ) = 【 ( U A c R I m l + U A c x I A X ) +( U B C R * I 豫 + U B 0 ( I B x ) 】 + j ( U A c R 术 I U A c x 术 I A x ) + ( U B c R 半 I B R 十 U B O 【 木 I B x ) 因此 ， 有功功率和无功功率分别可 以通过 电压 、 电流 的实部 、 虚部进行计算 ： P = ( U A c R 木 I A R + UA c x 卑 l A x ) + ( U B c R 宰 I B R + U 丰 I R x ) Q = ( u A c R 木 I A R + U A c x 木 I A ) ( ) + ( U B c R 斗 = I 腿 + u B c x 术 I B x ) 从复视在功率的推导公式 中继续运用三角函数 的积化和差公式可得 ： P = R e S = U A c I A C O S ( u 。 。 一 I ) + U B c l B C o S ( U b c - m ) ( 1 ) Q=I m S = U A c I A s i n( U A C - n ) +U B c l s s i n ( U B C - m ) ( 2 ) 当三相电路对称时 ， 线 电压超前相 电压 3 0 0 ， 通 常用 表示相电压与相电流的相位差， 各相量间的 关系如图 4所示 ， 则式 ( 1 ) 和( 2 ) 变为 ： f P = U A C I A C O S ( 一 3 0 。 ) + U B C I B C O S ( + 3 0 。 ) 【 Q = U A c l A s i n ( 一 3 0 。 ) + U B c I B s i n ( + 3 0 。 ) 由于 U A C = U B C = U A B， I A = I B = I C， 则 以上两式可 化简为 ： P = 、 3 U A B I A C O S 【 Q = 、 3 U A B I A s i n 这就是 我们 熟知的三相对 称电路的计算公式 ， 可见三相对称 电路的功率测量是 图 4 三相对 称电路的相量图 5 2 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第5 期 总第1 1 0 期 相不对称 电路功率测量的特例。 通过以上讨论 以看出 ： 测量三相不对称 电路的平均功率时 ，可以将任 意一条相线定义为公共相 ，分别采集其它两条线 的 线 电流以及这两条线对公共相 的线 电压 即可 ；三相 对称 电路是不对称 电路的特例 ， 用式 ( 1 ) 和( 2 ) 计算 功率完全可以包含对称情况 ；用傅 氏算法分别求出 这 4个量 的实部和虚部 ， 不必求出幅值和相位 ， 更不 用求 出相位差 ， 即可计算 出有功功率和无功功率 P 、 Q； 求 出 s ， 进一步求出功率因数 P F ( 或叫 C O S ) 。 应该指出 ，采用二瓦计法求算功率时 ，只能顾 “ 全 ” ， 而无法求“ 局” ， 各相负载分别 吸收的功率无法 计算，此时， 不同于真正物理意义上的功率因数 角或阻抗角的概念 ， 而仅仅表示在此三相电路 中， 有 功 功 率 占视 在 功 率 的 系数 ， 因此 称 P F ( P o w e r F a c t o r ) 更确切 。 3 2 硬件 系统构成 检测仪硬件系统 由以下五部分构成 ： 信号调理电路： 对来 自探测器的信号进行滤波、 放大等信号调理后 ， 满足 A D 9 2 4 0的输入要求 。 A D 9 2 4 0转换器 ： 进行数据 的转换 、 输 出及采样 功能 ；由 F P G A提供 A D 9 2 4 0转换器 、采样率及 S D 存储功能模块 ， A D转换模块的电源及时钟信号和调 理电路时钟信号由F P G A提供 ，并且该时钟信号同 样控制 A DC的采样和数据输 出。 F P G A ： 为提高 系统 可靠性 ， 本 文选用 的系统选 用 的 F P G A芯 片 为 A l t e r a公 司 C y c l o n e系 列 的 E P 2 C 3 5 。该模块为该芯片为 6 7 2管脚 ， 含 4 7 5个用 户 自定义 I O接 口、 3 5个嵌入式乘法器和 4个锁相 环 。模块 内部的 3 5 0 0 0逻辑单元可充分满足系统需 要 ，由于 系统需要快速 对数据 响应 ，因此采 用 了 Hy n i x公 司 的 型 号 为 H Y 5 7 V6 4 1 6 2 0 H G 的 高 速 S D R A M( 4 B a n k s 1 M1 6 b 1 。 S D卡： S D卡存储方式是 目前常用的设备数据存 储方式 ， 可长期可靠存储大量 的数据 ， 它基于半导体 快 闪记忆器技术 ， 具有微型 、 低功耗 、 非易失性和保存 数据无需消耗能量等特点。本文采用的是 S a n d i s k公 司的， 容量为 4 G， 存储格式为 F A T 1 6文件系统 。 液 晶屏 ：系统采用分辨率 1 2 8 6 4的点阵液晶 面 板 ， 面 板 大 小 为 6 84 1 mm， 型 号 为 型 H Z 1 2 8 6 4 D 2 0 ， 可全面兼容 H Z 1 2 8 6 4 D1 0 。 3 3 信号采集和数据存储 结构及 工作原理 本 文研究 了 N i o s l I 处理器平 台上 的 S D卡嵌入 式 F a t F S文件 系统 ，并将 此文件系统成功应用于基 于软核处理器 N i o s l I 的杂散 电流数据采集系统中。 系统根据采集到的带 向量信息的电流 电压值经 53 过信号调理器的滤波 、 放大处理后 ， 送入处理器 中， 经嵌入在处理器 中的程序处理后 ， 得到无功补偿数 据 ， 然后将执行信号送入外部的执行机构。 本体 电位 极化电位 昱 S D卡 S D RA M Re a d R e a d F I F O2 F I F O2 控制器 l r 1 1 I l l 一 l l l I 帧缓冲器 I l F P G AI I “： M控制器 l P I O I D A T A I N _ F I F O l P I O N io s I I l A V A L O N 总线 I J T A G U a S P I 核 l DMA 控制器 l C TI 图 5数据采集系统结构框 图 F P G A芯 片包 括 N i o s l I内核 、 片 内存储器 、 定时 器 、 P I O控制器 、 S P I 核 、 D MA控制器 、 A D C控制器。 其 中 自定义模块 A D C控制器用 来控制 A D 9 2 4 0的采 集 、 转换和数据读出 ， 对数据的读取采用乒乓结构 。 系统 的数据输入输出控制时序 由 F P G A内部提 供的 ” 输入数据选择单元 ” 控制 ，为提高系统数据 的响应速度 ， 本文采用双 I O 口的缓存模块 D P R A M 交 替存 放从 A D C读 人 的数 据 ，首 先 从 R A M1或 R A M2输 出的数据 由 D MA控 制器存入 S D R A M， 然 后 由 N i o s I I 内核处理器对数据做滤波和时频域变换 后按存储规约将杂散电流数据存入 S D卡 中。 经处理后 的电流数据 以文本形式存储到 S D模 块 中 ， 各测点对应一个文本文件 ， 文件名称为 ” w g n t x t ” 其中 n为测点编号 ， 测点存储规约为 ： 地点 ： w g n ( n为测点编号) 结 果 ： I ( 电流) 序号 【 数据】 【 相位 单位1 1 1 2位长时 间】 结果 ： V( 电压1 【 序号】 【 数据1 相位 单位 1 2位长时间】 结果 ： P ( 补偿结果) 序号 【 数据 相位】 单位 【 1 2位长时间】 # END# 本系统 由于设计先进 ，可对多路装置进行无功 补偿 ， 具有较好的通用性 、 扩展性和灵活性 。设计 的 补偿装置具备了 N i o s 软核处理优点 ， 设计的装置体 积小 ， 可用于采集和存储 多路装置的补偿信号 ， 而且 只要调整控制器 的采样率 、 时序等相关参数 ， 便可实 现补偿的精度和时间。 同时根据需要 ， 可 以方便 的在 本 系统 中移植 U c o S I I 或者 U C L I N U X嵌 入式操 作 系统 ， 大大提高系统的处理能力【 6 。 4 结束语 煤矿 现代化 2 0 1 2 年第5 期 墨篁 旋风分离器的设计方法 郭建军 ，刘文生 ( 1 贵州鑫晟煤化工有限公 司 ， 六盘水 5 5 3 0 0 0 ； 2 中煤科工集团南京设计研 究院， 南京 2 1 0 0 3 1 ) 摘要旋风分 离器是 广泛应 用于能源、 食 品、 医药、 化工以及 冶金等行业的气固分 离 设备 。在总结多种旋风分 离器设计方法的基础上， 提 出一种简易的设计方法。 关键词旋风分离器； 压降； 筒体直径 ； 临界粒径 中图分类号 ： T Q 0 5 1 8 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 - 0 7 9 7 ( 2 0 1 2) 0 5 0 0 5 4 0 2 旋 风分离器是利用旋转 的含尘气流所产生 的离 心力 ，将 固体颗粒从气流中分离 出来 的一种气 固分 离设备。 由于其操作费用低 ， 结构简单 、 维护方便而 被广泛应 用于能源 、 食 品、 医药 、 化工 以及冶金 电力 等行业中【2 _ 。 旋风分离器的分离 、捕集 过程是一种极 为复杂 的三维 、 二相湍流运动过程 ， 理论研究还很不完善嘲 。 各种旋风分离器的设计工作往 往依赖于经验设计和 大量 的工业试验 ， 因此 ， 如何提高旋风分离器设计计 算精度及效率， 降低设计成本就显得十分重要。 本文 在综合多种设计方法的基础上 ，总结 了一种简易 的 设计方法 。 旋风分离器的设计受分离效率 、压降和流量三 个特性参数相互制约 ， 必须 同时满足要求。 一般流量 为给定初始值 ， 设计思路主要分为三种 ： 一种是根据 流量 和压降设计旋风分离器尺寸 ，采用分离效率进 行校核 ； 另一种是根据流量和分离效率设计尺寸 ， 采 用压降进行校核；最后一种是根据流量和旋风分离 器入口速度设计尺寸， 对压降和分离效率进行校核。 由于第一种方法校核方便 ， 试算成功率 比较高 ， 故本 文采用第一种方法。 1 根据压 降和流量 ， 确 定筒体 直径 压力损失 是旋风分离器 的主要性能参数 ， 直接 关系到能量消耗和风机的选型 ，对低压操作 的旋风 分离器 ， 压力损失指标尤其重要 ， 因此必须给予重点 考虑 。 旋 风分离器 的压 力损失 主要有 下列几个方 面 ： 进口管的摩擦损失； 气体进入旋风分离器内， 因 膨胀或压缩而造成的能量损失；气体在旋风分离 器 中与器壁的摩擦所引起 的能量损失 ；旋风分离 器内气体因旋转而产生的能量耗散 ；排气管内摩 擦损失 ，气体因同时进行旋转运动和直线运动需要 消耗更多的能量；排气管内气体旋转时的动能转 化 为静压能 的损失【 ” 。 a 一 分 离器 入 口高厦 ， mI h 分离器入 口宽度 ， m； D 分离器直径， m； D c 一排气管直径， m； D 一分离器排灰 口直径， m； h c 一排气管插入浓度， m； h 分 离器 简体高 ， m； H一分 离器 总高 ， m。 图 1 典型旋风除尘器结构简图 产生压力损失的原 因众多 ，要详尽计算旋风分 离器各部分的压力损失很难 。 通 常， 压力损失 的表达 式用进 口速度头 表示较为方便。为减少压力损失和 人 口气流对筒体 内气流的撞击 、干扰 以及其 内旋转 气流的涡流 ，进 口形式大多从切 向进 口直入式改为 本文在研究 了煤矿电力无功补偿系统 的原理和 硬件设计 ， 对补偿信号 的检测原理上 ， 论述 了煤矿供 电线路数学模型 ，无功补偿装置 的原理和无功补偿 信号的提取算法 、信号采集和数据存储结构及工作 原理 ； 论述了数据存储方式。 本文研究 的成果 已经应 用在山西晋煤集 团寺河矿中， 效果较好 。 参考 文献 ： 1 1 潘松， 黄继业， 曾毓 S O P C技术实用教程 M 】 北京： 清华大 学出版社， 2 0 0 5 2 夏 宇闻 V e r i l o g 数字 系统设计教 程【 M 北京： 北京航天航 空 大学， 2 0 0 3 【 3 张立 ， 丘东元 ， 张 波 基 于 D S P的高压 动态无功补偿控制 器设计 J ， 电力 自动化设备 2 0 1 0 ( 3 ) 4 苏晓梨 ， 玉振明 基 于捕获功能 的电压频率及相序检测方 法 【 J 】 ， 梧9 I,I 学院学报 2 0 1 0 ( 6 ) ( 收稿 日期： 2 0 1 2 7 8 ) 5 4