[摘　要] 　針對變電站無功補(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,以無功功率缺額為主控參量、以電容器投切前后電壓變化趨勢為參考、協(xié)調(diào)母線電壓的控制方式,成功開發(fā)了具有高可靠性的無功補(bǔ)償控制裝置,為無功補(bǔ)償控制裝置的開發(fā)提出了一種新的開發(fā)思路。
　　[關(guān)鍵詞] 　無功補(bǔ)償　控制　變電站　PCC
　　0 　引　言
　　近年來,在各電壓等級的變電站中,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。
　　針對目前110 kV 變電站典型接線和運(yùn)行方式,研制開發(fā)了WPK無功補(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、多功能的無功控制裝置的開發(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(簡稱PCC) ,實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化控制功能。PCC 代表著一個全新的控制概念,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)時多任務(wù)操作系統(tǒng),采用高級語言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發(fā)基礎(chǔ)。PCC 具有先進(jìn)的現(xiàn)場總線通訊系統(tǒng), 通過CAN、RS232 、PROFIBUS、ETHERNET 等可組成各種網(wǎng)絡(luò),是一種較完美的自動控制設(shè)備。用它開發(fā)的無功補(bǔ)償自動控制裝置,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。
　　本裝置通過實(shí)時檢測變電站降壓變壓器低壓側(cè)電壓、高壓側(cè)的電壓、電流、無功功率、有功功率,按照系統(tǒng)無功需求量和無功需求發(fā)展趨勢、電壓變化預(yù)測值相結(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、過電壓閉鎖、啟動頻度時段閉鎖、故障閉鎖和實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、投切記錄與報警記錄查詢等功能,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。裝置開發(fā)充分考慮了現(xiàn)場應(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)時顯示電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)；(2) 根據(jù)無功變化控制電容器的投切；(3) 存儲30 天,每天10 次的動作記錄和歷史數(shù)據(jù)；(4) 實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容投切自動適應(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)測閉鎖功能；(6) 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)切、強(qiáng)投功能；(7)時段控制閉鎖功能；(8) 不對應(yīng)閉鎖功能；(9) 拒動告警閉鎖功能；(10)無壓無流閉鎖功能；(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 　測量與控制對象
　　首先,檢測系統(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,通過實(shí)時測量1 、2 號主變低壓側(cè)的電壓、高壓側(cè)的電壓、電流、有功功率、無功功率等參數(shù),根據(jù)投切方式和測量參數(shù)的大小和變化趨勢,考慮到補(bǔ)償電容器投切后對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)見表1～2 。
　　裝置對交流電壓、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、無功功率等的模擬量信號,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;對各種狀態(tài)量的檢測時,采用了硬件和軟件防抖動與隔離措施,確保數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性?？刂戚敵鲂盘柌捎昧斯怆姼綦x和繼電器隔離與放大技術(shù),使輸出信號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 　輸出信號參數(shù)表

　　控制參數(shù)通過控制面板設(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) 無功補(bǔ)償電容的投切自動適應(yīng)變電站運(yùn)行方式的變化　當(dāng)母線分段運(yùn)行時,兩組補(bǔ)償電容分別按各自回路的測量參數(shù)進(jìn)行投切控制;當(dāng)母線并列運(yùn)行,兩臺主變也并列運(yùn)行時,兩組補(bǔ)償電容根據(jù)兩個回路的測量值合并進(jìn)行投切控制;當(dāng)母線并列運(yùn)行時,只有一臺主變運(yùn)行,兩組補(bǔ)償電容根據(jù)運(yùn)行的主變回路的測量參數(shù)進(jìn)行投切控制。
　　(2) 無功補(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)行時的無功功率值來確定,這時均不考慮功率因數(shù)和電壓,控制判據(jù)為:當(dāng)(測量的無功功率> 補(bǔ)償電容容量×投入系數(shù)) 和(無功功率平均值≤當(dāng)前無功功率) 時,發(fā)出投入命令;當(dāng)(測量的無功功率< 補(bǔ)償電容容量×切除系數(shù)) 和(無功功率平均值≥當(dāng)前無功功率) 時,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)時運(yùn)行參數(shù)和整定參數(shù)進(jìn)行投切后的電壓預(yù)測計(jì)算,預(yù)測電容器投入和切除后對電壓的影響,當(dāng)電容器投入和切除后,母線電壓超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時,閉鎖控制輸出信號。
　　(3) 補(bǔ)償電容強(qiáng)行投切控制　當(dāng)系統(tǒng)電壓過低時,為了保證電壓質(zhì)量,犧牲無功補(bǔ)償?shù)暮侠硇?這時強(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)電壓過高時,為了保證電壓質(zhì)量,也是犧牲無功補(bǔ)償?shù)暮侠硇?這時強(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) 動作時間　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,裝置采取了延時措施,在延時時間內(nèi),每個控制循環(huán)均滿足輸出條件時,才發(fā)控制指令,一次不滿足條件,延時重新開始。
　　當(dāng)母線并列運(yùn)行時,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間。
　　(5) 時段控制　為了減少補(bǔ)償電容的投切次數(shù),根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和要求,裝置設(shè)置4 個控制時段,當(dāng)不在這4 個控制時段內(nèi),裝置自動閉鎖投入控制,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) 手動和自動閉鎖切換, 當(dāng)手動控制把手在"合"、"合后"位置時,裝置開始正常運(yùn)行控制,當(dāng)手動控制把手在"分"、"分后"位置時,裝置閉鎖控制輸出,從而保證手動控制優(yōu)先的原則。
　　(2) 當(dāng)裝置出現(xiàn)控制信號和電容器開關(guān)不對應(yīng)時,發(fā)出不對應(yīng)報警信號,閉鎖裝置的控制輸出,當(dāng)裝置檢測到對應(yīng)關(guān)系恢復(fù)后自動解除閉鎖。
　　(3) 當(dāng)裝置發(fā)出控制信號,由于各種原因出現(xiàn)電容器拒動時,發(fā)出拒動報警信號,閉鎖裝置的控制輸出,待查明拒動原因并處理后,再由運(yùn)行人員通過裝置控制面板手動解除閉鎖。
　　(4) 當(dāng)母線失壓或無電流時,裝置自動切除補(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、開關(guān)量輸入輸出單元、中央控制單元(CPU) 、控制和報警輸出單元、操作顯示單元、電源等組成。
　　(1) 電量轉(zhuǎn)換單元　電量轉(zhuǎn)換單元主要用來實(shí)現(xiàn)將被測電量轉(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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的單元,該單元采用模擬量輸入模塊,該模塊輸入信號為±10 V ,12 位分辨率,線性誤差< 0.1 % ,輸入阻抗> 20 MΩ。
　　(3) 開關(guān)量輸入單元　開關(guān)量輸入單元是將狀態(tài)或事件信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入CPU 或數(shù)字信號輸入轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出的單元,該單元采用16 個開關(guān)量輸入通道,每個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)時時鐘分辨率為1s ,提供RS232 和CAN 兩個標(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)過帶有光電隔離的開出量模塊驅(qū)動繼電器。要求投切控制回路觸點(diǎn)容量達(dá)到30 A ,電氣壽命10 萬次。信號輸出回路觸點(diǎn)容量為5A ,電氣壽命10 萬次。
　　(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)置與顯示主要用來設(shè)置控制參數(shù)和顯示運(yùn)行實(shí)時參數(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個薄膜按鍵。按鍵功能和參數(shù)顯示、設(shè)置功能均可通過軟件編程靈活設(shè)置,該模塊和PCC 通過RS232 接口進(jìn)行通訊。
　　(7)電源　電源采用AC/ DC 24V 開關(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 高級語言進(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。主控制模塊流程見圖2 ,圖2 中的運(yùn)行方式判別和電容器投切控制流程見圖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 為核心的無功補(bǔ)償控制裝置,采用了無功補(bǔ)償與電壓調(diào)整分別控制、相互配合的控制方法,并利用無功功率的大小和變化趨勢、電壓變化預(yù)測值相結(jié)合的原則確定補(bǔ)償電容器的投切；并能自動適應(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功倒送問題,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)