[摘　要] 　針對(duì)變電站無(wú)功補(bǔ)償控制和有載調(diào)壓控制的現(xiàn)狀,提出了電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功補(bǔ)償分別控制相互配合的設(shè)計(jì)思想,以可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 和電量變送器,輸入輸出控制模塊等組件為基礎(chǔ),應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù),采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,以無(wú)功功率缺額為主控參量、以電容器投切前后電壓變化趨勢(shì)為參考、協(xié)調(diào)母線電壓的控制方式,成功開(kāi)發(fā)了具有高可靠性的無(wú)功補(bǔ)償控制裝置,為無(wú)功補(bǔ)償控制裝置的開(kāi)發(fā)提出了一種新的開(kāi)發(fā)思路。
　　[關(guān)鍵詞] 　無(wú)功補(bǔ)償　控制　變電站　PCC
　　0 　引　言
　　近年來(lái),在各電壓等級(jí)的變電站中,廣泛采用有載調(diào)壓變壓器,并安裝適當(dāng)容量的電容器組。如何合理 調(diào)節(jié)控制有載調(diào)壓變壓器和電容器組,成為提高供電質(zhì)量、提高輸變電效率、提高電容器的利用率、降低線損的關(guān)鍵。
　　針對(duì)目前110 kV 變電站典型接線和運(yùn)行方式,研制開(kāi)發(fā)了WPK無(wú)功補(bǔ)償控制裝置。本裝置采用有載調(diào)壓變壓器和電力電容器組分開(kāi)控制、協(xié)調(diào)運(yùn)行的優(yōu)化控制方式,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì),應(yīng)用先進(jìn)的可編程計(jì)算機(jī)控制器( Programmble Computer Controller 簡(jiǎn)稱PCC ) 技術(shù),以組件模塊為基礎(chǔ),提出了高可靠性、多功能的無(wú)功控制裝置的開(kāi)發(fā)方案。
　　1 　系統(tǒng)構(gòu)成及功能要求
　　1. 1 　系統(tǒng)構(gòu)成方案
　　WPK無(wú)功補(bǔ)償控制裝置的核心采用B &R 公司的系列可編程計(jì)算機(jī)控制器(簡(jiǎn)稱PCC) ,實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化控制功能。PCC 代表著一個(gè)全新的控制概念,它集成了可編程控制器(PLC) 的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC) 的分析運(yùn)算能力,安裝實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),采用高級(jí)語(yǔ)言PL2000 進(jìn)行模塊化編程,為實(shí)現(xiàn)各種智能化控制算法提供了良好的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。PCC 具有先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊系統(tǒng), 通過(guò)CAN、RS232 、PROFIBUS、ETHERNET 等可組成各種網(wǎng)絡(luò),是一種較完美的自動(dòng)控制設(shè)備。用它開(kāi)發(fā)的無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置,大大提高了裝置的可靠性及適應(yīng)性,適合各種補(bǔ)償運(yùn)行方式的要求。
　　本裝置通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)變電站降壓變壓器低壓側(cè)電壓、高壓側(cè)的電壓、電流、無(wú)功功率、有功功率,按照系統(tǒng)無(wú)功需求量和無(wú)功需求發(fā)展趨勢(shì)、電壓變化預(yù)測(cè)值相結(jié)合的原則,進(jìn)行綜合判斷,確定電容器組的投切,為滿足變電站實(shí)際運(yùn)行方式變換要求,配置了運(yùn)行方式自適應(yīng)判斷,以及低電壓閉鎖、過(guò)電壓閉鎖、啟動(dòng)頻度時(shí)段閉鎖、故障閉鎖和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、投切記錄與報(bào)警記錄查詢等功能,并預(yù)留了多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊接口,可作為變電站綜合控制系統(tǒng)的終端設(shè)備。裝置開(kāi)發(fā)充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際情況,不但運(yùn)行可靠,而且配置、安裝靈活方便。該裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 　WPK無(wú)功補(bǔ)償控制裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1. 2 　功能要求
　　(1) 實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)；(2) 根據(jù)無(wú)功變化控制電容器的投切；(3) 存儲(chǔ)30 天,每天10 次的動(dòng)作記錄和歷史數(shù)據(jù)；(4) 實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容投切自動(dòng)適應(yīng)變電站運(yùn)行方式；(5) 實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容投切前的電壓預(yù)測(cè)閉鎖功能；(6) 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)切、強(qiáng)投功能；(7)時(shí)段控制閉鎖功能；(8) 不對(duì)應(yīng)閉鎖功能；(9) 拒動(dòng)告警閉鎖功能；(10)無(wú)壓無(wú)流閉鎖功能；(11) 在線控制參數(shù)設(shè)置修改功能；(12) 裝置失電狀態(tài)保持和報(bào)警功能；(13)具有可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的RS232 和CAN 通訊接口。
　　2 　控制原理
　　2. 1 　測(cè)量與控制對(duì)象
　　首先,檢測(cè)系統(tǒng)主接線各斷路器的運(yùn)行狀態(tài)以及控制把手位置等狀態(tài)量,采用自適應(yīng)優(yōu)化算法,確定補(bǔ)償電容器的投切方式。其次,通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量1 、2 號(hào)主變低壓側(cè)的電壓、高壓側(cè)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等參數(shù),根據(jù)投切方式和測(cè)量參數(shù)的大小和變化趨勢(shì),考慮到補(bǔ)償電容器投切后對(duì)低壓母線電壓的影響,確定補(bǔ)償電容的投切控制。裝置輸入輸出參數(shù)見(jiàn)表1～2 。
　　裝置對(duì)交流電壓、電流參數(shù)經(jīng)電量變送器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,獲得等效的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等的模擬量信號(hào),采用A/ D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集,為了提高抗干擾能力和采集精度,采用了軟件數(shù)字濾波的方法,并在通道設(shè)計(jì)上采取了屏蔽和隔離措施;對(duì)各種狀態(tài)量的檢測(cè)時(shí),采用了硬件和軟件防抖動(dòng)與隔離措施,確保數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性?？刂戚敵鲂盘?hào)采用了光電隔離和繼電器隔離與放大技術(shù),使輸出信號(hào)具有較高的可靠性和足夠的接點(diǎn)容量。

　　表1 　輸入采集參數(shù)

　　表2 　輸出信號(hào)參數(shù)表

　　控制參數(shù)通過(guò)控制面板設(shè)置,參數(shù)設(shè)置狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行技術(shù)隔離,使參數(shù)設(shè)置過(guò)程不影響裝置運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了在線修改參數(shù)。
　　2. 2 　補(bǔ)償電容的控制投切原則
　　(1) 無(wú)功補(bǔ)償電容的投切自動(dòng)適應(yīng)變電站運(yùn)行方式的變化　當(dāng)母線分段運(yùn)行時(shí),兩組補(bǔ)償電容分別按各自回路的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行投切控制;當(dāng)母線并列運(yùn)行,兩臺(tái)主變也并列運(yùn)行時(shí),兩組補(bǔ)償電容根據(jù)兩個(gè)回路的測(cè)量值合并進(jìn)行投切控制;當(dāng)母線并列運(yùn)行時(shí),只有一臺(tái)主變運(yùn)行,兩組補(bǔ)償電容根據(jù)運(yùn)行的主變回路的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行投切控制。
　　(2) 無(wú)功補(bǔ)償電容的投切控制　根據(jù)110 kV 變電站的典型接線和運(yùn)行要求,考慮與電壓調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào),設(shè)計(jì)電容器的投切判據(jù)為:在電壓調(diào)節(jié)器運(yùn)行正常的前提下,補(bǔ)償電容的投切主要由運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率值來(lái)確定,這時(shí)均不考慮功率因數(shù)和電壓,控制判據(jù)為:當(dāng)(測(cè)量的無(wú)功功率> 補(bǔ)償電容容量×投入系數(shù)) 和(無(wú)功功率平均值≤當(dāng)前無(wú)功功率) 時(shí),發(fā)出投入命令;當(dāng)(測(cè)量的無(wú)功功率< 補(bǔ)償電容容量×切除系數(shù)) 和(無(wú)功功率平均值≥當(dāng)前無(wú)功功率) 時(shí),發(fā)出切除命令;考慮到電壓調(diào)節(jié)器運(yùn)行可能不正常的情況,為了保證電壓質(zhì)量的穩(wěn)定,在控制運(yùn)算中,利用實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和整定參數(shù)進(jìn)行投切后的電壓預(yù)測(cè)計(jì)算,預(yù)測(cè)電容器投入和切除后對(duì)電壓的影響,當(dāng)電容器投入和切除后,母線電壓超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),閉鎖控制輸出信號(hào)。
　　(3) 補(bǔ)償電容強(qiáng)行投切控制　當(dāng)系統(tǒng)電壓過(guò)低時(shí),為了保證電壓質(zhì)量,犧牲無(wú)功補(bǔ)償?shù)暮侠硇?這時(shí)強(qiáng)行投入補(bǔ)償電容,閉鎖控制判據(jù),投入后保持運(yùn)行直到電壓恢復(fù)到下限范圍,裝置恢復(fù)控制判據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)電壓過(guò)高時(shí),為了保證電壓質(zhì)量,也是犧牲無(wú)功補(bǔ)償?shù)暮侠硇?這時(shí)強(qiáng)行切除補(bǔ)償電容,閉鎖控制判據(jù),切除后保持運(yùn)行直到電壓恢復(fù)到上限范圍,裝置恢復(fù)控制判據(jù)。
　　(4) 動(dòng)作時(shí)間　為了避免系統(tǒng)各種突變的影響,與電壓調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)運(yùn)行,裝置采取了延時(shí)措施,在延時(shí)時(shí)間內(nèi),每個(gè)控制循環(huán)均滿足輸出條件時(shí),才發(fā)控制指令,一次不滿足條件,延時(shí)重新開(kāi)始。
　　當(dāng)母線并列運(yùn)行時(shí),兩組電容的正常投切保持3min 的間隔,保證與電壓調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)。同一組電容的正常投切間隔保持在6min ,以使電容有充分的放電時(shí)間。
　　(5) 時(shí)段控制　為了減少補(bǔ)償電容的投切次數(shù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和要求,裝置設(shè)置4 個(gè)控制時(shí)段,當(dāng)不在這4 個(gè)控制時(shí)段內(nèi),裝置自動(dòng)閉鎖投入控制,按照強(qiáng)投、強(qiáng)切判據(jù)只切不投原則運(yùn)行。
　　2. 3 　閉鎖控制措施
　　(1) 手動(dòng)和自動(dòng)閉鎖切換, 當(dāng)手動(dòng)控制把手在"合"、"合后"位置時(shí),裝置開(kāi)始正常運(yùn)行控制,當(dāng)手動(dòng)控制把手在"分"、"分后"位置時(shí),裝置閉鎖控制輸出,從而保證手動(dòng)控制優(yōu)先的原則。
　　(2) 當(dāng)裝置出現(xiàn)控制信號(hào)和電容器開(kāi)關(guān)不對(duì)應(yīng)時(shí),發(fā)出不對(duì)應(yīng)報(bào)警信號(hào),閉鎖裝置的控制輸出,當(dāng)裝置檢測(cè)到對(duì)應(yīng)關(guān)系恢復(fù)后自動(dòng)解除閉鎖。
　　(3) 當(dāng)裝置發(fā)出控制信號(hào),由于各種原因出現(xiàn)電容器拒動(dòng)時(shí),發(fā)出拒動(dòng)報(bào)警信號(hào),閉鎖裝置的控制輸出,待查明拒動(dòng)原因并處理后,再由運(yùn)行人員通過(guò)裝置控制面板手動(dòng)解除閉鎖。
　　(4) 當(dāng)母線失壓或無(wú)電流時(shí),裝置自動(dòng)切除補(bǔ)償電容,閉鎖控制輸出。
　　3 　硬件及軟件設(shè)計(jì)
　　該裝置主要由電量轉(zhuǎn)換單元、電量采集單元、開(kāi)關(guān)量輸入輸出單元、中央控制單元(CPU) 、控制和報(bào)警輸出單元、操作顯示單元、電源等組成。
　　(1) 電量轉(zhuǎn)換單元　電量轉(zhuǎn)換單元主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)將被測(cè)電量轉(zhuǎn)換成線性比例直流電壓輸出的功能,該裝置采用電量變送器,完成電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率的轉(zhuǎn)換。
　　(2) 電量采集單元　電量采集單元是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的單元,該單元采用模擬量輸入模塊,該模塊輸入信號(hào)為±10 V ,12 位分辨率,線性誤差< 0.1 % ,輸入阻抗> 20 MΩ。
　　(3) 開(kāi)關(guān)量輸入單元　開(kāi)關(guān)量輸入單元是將狀態(tài)或事件信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入CPU 或數(shù)字信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)量輸出的單元,該單元采用16 個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入通道,每個(gè)通道輸出都采用了光電隔離。
　　(4) 中央控制單元(CPU) 　中央控制單元是該裝置的核心,用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)值運(yùn)算,邏輯運(yùn)算和控制算法,該單元采用B&R PCC ,該模塊具有多任務(wù)處理功能,指令周期0.8 μs ,用戶內(nèi)存100 kB SRAM ,系統(tǒng)PROM 512 kB Flash PROM ,用戶PROM 512 kB Flash PROM ,具有硬件看門狗,實(shí)時(shí)時(shí)鐘分辨率為1s ,提供RS232 和CAN 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。
　　(5) 控制輸出單元　輸出單元為繼電器輸出,繼電器采用小型密封式電磁繼電器。由中央控制單元經(jīng)過(guò)帶有光電隔離的開(kāi)出量模塊驅(qū)動(dòng)繼電器。要求投切控制回路觸點(diǎn)容量達(dá)到30 A ,電氣壽命10 萬(wàn)次。信號(hào)輸出回路觸點(diǎn)容量為5A ,電氣壽命10 萬(wàn)次。
　　(6) 控制面板　控制面板主要由狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置與顯示兩部分組成,狀態(tài)顯示主要用來(lái)顯示母聯(lián)斷路器、變壓器低壓側(cè)斷路器和補(bǔ)償電容投切開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài)和裝置的運(yùn)行、控制狀態(tài)。
　　參數(shù)設(shè)置與顯示主要用來(lái)設(shè)置控制參數(shù)和顯示運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù),采用B&R 公司的可編程顯示模塊,該模塊采用背光液晶顯示(2×20 LCD) ,具有8個(gè)薄膜按鍵。按鍵功能和參數(shù)顯示、設(shè)置功能均可通過(guò)軟件編程靈活設(shè)置,該模塊和PCC 通過(guò)RS232 接口進(jìn)行通訊。
　　(7)電源　電源采用AC/ DC 24V 開(kāi)關(guān)電源。允許輸入電壓180～240 V。

　　圖2 　WPK裝置主流程圖

　　(8) 軟件設(shè)計(jì)　該裝置軟件采用PL 2000 高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程,程序采用模塊化結(jié)構(gòu),充分利用PCC 的實(shí)時(shí)多任務(wù)功能,可方便靈活的實(shí)現(xiàn)各種控制功能。主控制模塊流程見(jiàn)圖2 ,圖2 中的運(yùn)行方式判別和電容器投切控制流程見(jiàn)圖3 。

　　圖3 　運(yùn)行方式判別和電容投切控制流程

　　4 　結(jié)　論
　　本文研究的采用PCC 為核心的無(wú)功補(bǔ)償控制裝置,采用了無(wú)功補(bǔ)償與電壓調(diào)整分別控制、相互配合的控制方法,并利用無(wú)功功率的大小和變化趨勢(shì)、電壓變化預(yù)測(cè)值相結(jié)合的原則確定補(bǔ)償電容器的投切；并能自動(dòng)適應(yīng)變電站運(yùn)行方式的變化,具有比較完備的功能。本裝置較好地解決了無(wú)功倒送問(wèn)題,有效提高了裝置的可靠性生準(zhǔn)確性,其特點(diǎn)是人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)單,維護(hù)方便。
　　作者 ：薛　軍　(西北電力試驗(yàn)研究院,陜西西安　710054)
　　              郭懷德　解建寶　唐曉娜　(西北電力職工培訓(xùn)中心,陜西西安　710054)
　　              吉　安　(西安高壓供電局,陜西西安　710000)