[摘 要] 针对变电站无功补偿控制和有载调压控制的现状,提出了电压调节、无功补偿分别控制相互配合的设计思想,以可编程计算机控制器(PCC) 和电量变送器,输入输出控制模块等组件为基础,应用先进的控制技术和数据处理技术,采用面向对象的设计思想,以无功功率缺额为主控参量、以电容器投切前后电压变化趋势为参考、协调母线电压的控制方式,成功开发了具有高可靠性的无功补偿控制装置,为无功补偿控制装置的开发提出了一种新的开发思路。
[关键词] 无功补偿 控制 变电站 PCC
0 引 言
近年来,在各电压等级的变电站中,广泛采用有载调压变压器,并安装适当容量的电容器组。如何合理 调节控制有载调压变压器和电容器组,成为提高供电质量、提高输变电效率、提高电容器的利用率、降低线损的关键。
针对目前110 kV 变电站典型接线和运行方式,研制开发了WPK无功补偿控制装置。本装置采用有载调压变压器和电力电容器组分开控制、协调运行的优化控制方式,在系统设计上采用面向对象的方法设计,应用先进的可编程计算机控制器( Programmble Computer Controller 简称PCC ) 技术,以组件模块为基础,提出了高可靠性、多功能的无功控制装置的开发方案。
1 系统构成及功能要求
1. 1 系统构成方案
WPK无功补偿控制装置的核心采用B &R 公司的系列可编程计算机控制器(简称PCC) ,实现各种优化控制功能。PCC 代表着一个全新的控制概念,它集成了可编程控制器(PLC) 的标准控制功能和工业计算机(IPC) 的分析运算能力,安装实时多任务操作系统,采用高级语言PL2000 进行模块化编程,为实现各种智能化控制算法提供了良好的开发基础。PCC 具有先进的现场总线通讯系统, 通过CAN、RS232 、PROFIBUS、ETHERNET 等可组成各种网络,是一种较完美的自动控制设备。用它开发的无功补偿自动控制装置,大大提高了装置的可靠性及适应性,适合各种补偿运行方式的要求。
本装置通过实时检测变电站降压变压器低压侧电压、高压侧的电压、电流、无功功率、有功功率,按照系统无功需求量和无功需求发展趋势、电压变化预测值相结合的原则,进行综合判断,确定电容器组的投切,为满足变电站实际运行方式变换要求,配置了运行方式自适应判断,以及低电压闭锁、过电压闭锁、启动频度时段闭锁、故障闭锁和实时数据显示、投切记录与报警记录查询等功能,并预留了多种标准数据通讯接口,可作为变电站综合控制系统的终端设备。装置开发充分考虑了现场应用的实际情况,不但运行可靠,而且配置、安装灵活方便。该装置的系统结构如图1 所示。
图1 WPK无功补偿控制装置系统结构
1. 2 功能要求
(1) 实时显示电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数；(2) 根据无功变化控制电容器的投切；(3) 存储30 天,每天10 次的动作记录和历史数据；(4) 实现补偿电容投切自动适应变电站运行方式；(5) 实现补偿电容投切前的电压预测闭锁功能；(6) 实现强切、强投功能；(7)时段控制闭锁功能；(8) 不对应闭锁功能；(9) 拒动告警闭锁功能；(10)无压无流闭锁功能；(11) 在线控制参数设置修改功能；(12) 装置失电状态保持和报警功能；(13)具有可进行数据交换的RS232 和CAN 通讯接口。
2 控制原理
2. 1 测量与控制对象
首先,检测系统主接线各断路器的运行状态以及控制把手位置等状态量,采用自适应优化算法,确定补偿电容器的投切方式。其次,通过实时测量1 、2 号主变低压侧的电压、高压侧的电压、电流、有功功率、无功功率等参数,根据投切方式和测量参数的大小和变化趋势,考虑到补偿电容器投切后对低压母线电压的影响,确定补偿电容的投切控制。装置输入输出参数见表1～2 。
装置对交流电压、电流参数经电量变送器进行转换,获得等效的电压、电流、有功功率、无功功率等的模拟量信号,采用A/ D 转换进行采集,为了提高抗干扰能力和采集精度,采用了软件数字滤波的方法,并在通道设计上采取了屏蔽和隔离措施;对各种状态量的检测时,采用了硬件和软件防抖动与隔离措施,确保数据采集的精度和可靠性。控制输出信号采用了光电隔离和继电器隔离与放大技术,使输出信号具有较高的可靠性和足够的接点容量。
表1 输入采集参数
表2 输出信号参数表
控制参数通过控制面板设置,参数设置状态和运行状态进行技术隔离,使参数设置过程不影响装置运行,实现了在线修改参数。
2. 2 补偿电容的控制投切原则
(1) 无功补偿电容的投切自动适应变电站运行方式的变化 当母线分段运行时,两组补偿电容分别按各自回路的测量参数进行投切控制;当母线并列运行,两台主变也并列运行时,两组补偿电容根据两个回路的测量值合并进行投切控制;当母线并列运行时,只有一台主变运行,两组补偿电容根据运行的主变回路的测量参数进行投切控制。
(2) 无功补偿电容的投切控制 根据110 kV 变电站的典型接线和运行要求,考虑与电压调节器协调,设计电容器的投切判据为:在电压调节器运行正常的前提下,补偿电容的投切主要由运行时的无功功率值来确定,这时均不考虑功率因数和电压,控制判据为:当(测量的无功功率> 补偿电容容量×投入系数) 和(无功功率平均值≤当前无功功率) 时,发出投入命令;当(测量的无功功率< 补偿电容容量×切除系数) 和(无功功率平均值≥当前无功功率) 时,发出切除命令;考虑到电压调节器运行可能不正常的情况,为了保证电压质量的稳定,在控制运算中,利用实时运行参数和整定参数进行投切后的电压预测计算,预测电容器投入和切除后对电压的影响,当电容器投入和切除后,母线电压超过规定标准时,闭锁控制输出信号。
(3) 补偿电容强行投切控制 当系统电压过低时,为了保证电压质量,牺牲无功补偿的合理性,这时强行投入补偿电容,闭锁控制判据,投入后保持运行直到电压恢复到下限范围,装置恢复控制判据。当系统电压过高时,为了保证电压质量,也是牺牲无功补偿的合理性,这时强行切除补偿电容,闭锁控制判据,切除后保持运行直到电压恢复到上限范围,装置恢复控制判据。
(4) 动作时间 为了避免系统各种突变的影响,与电压调节器协调运行,装置采取了延时措施,在延时时间内,每个控制循环均满足输出条件时,才发控制指令,一次不满足条件,延时重新开始。
当母线并列运行时,两组电容的正常投切保持3min 的间隔,保证与电压调节器的协调。同一组电容的正常投切间隔保持在6min ,以使电容有充分的放电时间。
(5) 时段控制 为了减少补偿电容的投切次数,根据现场运行经验和要求,装置设置4 个控制时段,当不在这4 个控制时段内,装置自动闭锁投入控制,按照强投、强切判据只切不投原则运行。
2. 3 闭锁控制措施
(1) 手动和自动闭锁切换, 当手动控制把手在"合"、"合后"位置时,装置开始正常运行控制,当手动控制把手在"分"、"分后"位置时,装置闭锁控制输出,从而保证手动控制优先的原则。
(2) 当装置出现控制信号和电容器开关不对应时,发出不对应报警信号,闭锁装置的控制输出,当装置检测到对应关系恢复后自动解除闭锁。
(3) 当装置发出控制信号,由于各种原因出现电容器拒动时,发出拒动报警信号,闭锁装置的控制输出,待查明拒动原因并处理后,再由运行人员通过装置控制面板手动解除闭锁。
(4) 当母线失压或无电流时,装置自动切除补偿电容,闭锁控制输出。
3 硬件及软件设计
该装置主要由电量转换单元、电量采集单元、开关量输入输出单元、中央控制单元(CPU) 、控制和报警输出单元、操作显示单元、电源等组成。
(1) 电量转换单元 电量转换单元主要用来实现将被测电量转换成线性比例直流电压输出的功能,该装置采用电量变送器,完成电压、电流、有功功率和无功功率的转换。
(2) 电量采集单元 电量采集单元是将模拟量信号转换为数字信号的单元,该单元采用模拟量输入模块,该模块输入信号为±10 V ,12 位分辨率,线性误差< 0.1 % ,输入阻抗> 20 MΩ。
(3) 开关量输入单元 开关量输入单元是将状态或事件信号转换为数字信号输入CPU 或数字信号输入转换成开关量输出的单元,该单元采用16 个开关量输入通道,每个通道输出都采用了光电隔离。
(4) 中央控制单元(CPU) 中央控制单元是该装置的核心,用来实现各种数值运算,逻辑运算和控制算法,该单元采用B&R PCC ,该模块具有多任务处理功能,指令周期0.8 μs ,用户内存100 kB SRAM ,系统PROM 512 kB Flash PROM ,用户PROM 512 kB Flash PROM ,具有硬件看门狗,实时时钟分辨率为1s ,提供RS232 和CAN 两个标准通讯接口。
(5) 控制输出单元 输出单元为继电器输出,继电器采用小型密封式电磁继电器。由中央控制单元经过带有光电隔离的开出量模块驱动继电器。要求投切控制回路触点容量达到30 A ,电气寿命10 万次。信号输出回路触点容量为5A ,电气寿命10 万次。
(6) 控制面板 控制面板主要由状态显示和参数设置与显示两部分组成,状态显示主要用来显示母联断路器、变压器低压侧断路器和补偿电容投切开关的位置状态和装置的运行、控制状态。
参数设置与显示主要用来设置控制参数和显示运行实时参数,采用B&R 公司的可编程显示模块,该模块采用背光液晶显示(2×20 LCD) ,具有8个薄膜按键。按键功能和参数显示、设置功能均可通过软件编程灵活设置,该模块和PCC 通过RS232 接口进行通讯。
(7)电源 电源采用AC/ DC 24V 开关电源。允许输入电压180～240 V。
图2 WPK装置主流程图
(8) 软件设计 该装置软件采用PL 2000 高级语言进行编程,程序采用模块化结构,充分利用PCC 的实时多任务功能,可方便灵活的实现各种控制功能。主控制模块流程见图2 ,图2 中的运行方式判别和电容器投切控制流程见图3 。
图3 运行方式判别和电容投切控制流程
4 结 论
本文研究的采用PCC 为核心的无功补偿控制装置,采用了无功补偿与电压调整分别控制、相互配合的控制方法,并利用无功功率的大小和变化趋势、电压变化预测值相结合的原则确定补偿电容器的投切；并能自动适应变电站运行方式的变化,具有比较完备的功能。本装置较好地解决了无功倒送问题,有效提高了装置的可靠性生准确性,其特点是人机界面友好,操作简单,维护方便。
作者 ：薛 军 (西北电力试验研究院,陕西西安 710054)
郭怀德 解建宝 唐晓娜 (西北电力职工培训中心,陕西西安 710054)
吉 安 (西安高压供电局,陕西西安 710000)