[摘　要] 　針對變電站無功補償控制和有載調壓控制的現狀,提出了電壓調節、無功補償分別控制相互配合的設計思想,以可編程計算機控制器(PCC) 和電量變送器,輸入輸出控制模塊等組件為基礎,應用先進的控制技術和數據處理技術,采用面向對象的設計思想,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、協調母線電壓的控制方式,成功開發了具有高可靠性的無功補償控制裝置,為無功補償控制裝置的開發提出了一種新的開發思路。
　　[關鍵詞] 　無功補償　控制　變電站　PCC
　　0 　引　言
　　近年來,在各電壓等級的變電站中,廣泛采用有載調壓變壓器,并安裝適當容量的電容器組。如何合理 調節控制有載調壓變壓器和電容器組,成為提高供電質量、提高輸變電效率、提高電容器的利用率、降低線損的關鍵。
　　針對目前110 kV 變電站典型接線和運行方式,研制開發了WPK無功補償控制裝置。本裝置采用有載調壓變壓器和電力電容器組分開控制、協調運行的優化控制方式,在系統設計上采用面向對象的方法設計,應用先進的可編程計算機控制器( Programmble Computer Controller 簡稱PCC ) 技術,以組件模塊為基礎,提出了高可靠性、多功能的無功控制裝置的開發方案。
　　1 　系統構成及功能要求
　　1. 1 　系統構成方案
　　WPK無功補償控制裝置的核心采用B &R 公司的系列可編程計算機控制器(簡稱PCC) ,實現各種優化控制功能。PCC 代表著一個全新的控制概念,它集成了可編程控制器(PLC) 的標準控制功能和工業計算機(IPC) 的分析運算能力,安裝實時多任務操作系統,采用高級語言PL2000 進行模塊化編程,為實現各種智能化控制算法提供了良好的開發基礎。PCC 具有先進的現場總線通訊系統, 通過CAN、RS232 、PROFIBUS、ETHERNET 等可組成各種網絡,是一種較完美的自動控制設備。用它開發的無功補償自動控制裝置,大大提高了裝置的可靠性及適應性,適合各種補償運行方式的要求。
　　本裝置通過實時檢測變電站降壓變壓器低壓側電壓、高壓側的電壓、電流、無功功率、有功功率,按照系統無功需求量和無功需求發展趨勢、電壓變化預測值相結合的原則,進行綜合判斷,確定電容器組的投切,為滿足變電站實際運行方式變換要求,配置了運行方式自適應判斷,以及低電壓閉鎖、過電壓閉鎖、啟動頻度時段閉鎖、故障閉鎖和實時數據顯示、投切記錄與報警記錄查詢等功能,并預留了多種標準數據通訊接口,可作為變電站綜合控制系統的終端設備。裝置開發充分考慮了現場應用的實際情況,不但運行可靠,而且配置、安裝靈活方便。該裝置的系統結構如圖1 所示。

　　圖1 　WPK無功補償控制裝置系統結構

　　1. 2 　功能要求
　　(1) 實時顯示電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數；(2) 根據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據；(4) 實現補償電容投切自動適應變電站運行方式；(5) 實現補償電容投切前的電壓預測閉鎖功能；(6) 實現強切、強投功能；(7)時段控制閉鎖功能；(8) 不對應閉鎖功能；(9) 拒動告警閉鎖功能；(10)無壓無流閉鎖功能；(11) 在線控制參數設置修改功能；(12) 裝置失電狀態保持和報警功能；(13)具有可進行數據交換的RS232 和CAN 通訊接口。
　　2 　控制原理
　　2. 1 　測量與控制對象
　　首先,檢測系統主接線各斷路器的運行狀態以及控制把手位置等狀態量,采用自適應優化算法,確定補償電容器的投切方式。其次,通過實時測量1 、2 號主變低壓側的電壓、高壓側的電壓、電流、有功功率、無功功率等參數,根據投切方式和測量參數的大小和變化趨勢,考慮到補償電容器投切后對低壓母線電壓的影響,確定補償電容的投切控制。裝置輸入輸出參數見表1～2 。
　　裝置對交流電壓、電流參數經電量變送器進行轉換,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 轉換進行采集,為了提高抗干擾能力和采集精度,采用了軟件數字濾波的方法,并在通道設計上采取了屏蔽和隔離措施;對各種狀態量的檢測時,采用了硬件和軟件防抖動與隔離措施,確保數據采集的精度和可靠性。控制輸出信號采用了光電隔離和繼電器隔離與放大技術,使輸出信號具有較高的可靠性和足夠的接點容量。

　　表1 　輸入采集參數

　　表2 　輸出信號參數表

　　控制參數通過控制面板設置,參數設置狀態和運行狀態進行技術隔離,使參數設置過程不影響裝置運行,實現了在線修改參數。
　　2. 2 　補償電容的控制投切原則
　　(1) 無功補償電容的投切自動適應變電站運行方式的變化　當母線分段運行時,兩組補償電容分別按各自回路的測量參數進行投切控制;當母線并列運行,兩臺主變也并列運行時,兩組補償電容根據兩個回路的測量值合并進行投切控制;當母線并列運行時,只有一臺主變運行,兩組補償電容根據運行的主變回路的測量參數進行投切控制。
　　(2) 無功補償電容的投切控制　根據110 kV 變電站的典型接線和運行要求,考慮與電壓調節器協調,設計電容器的投切判據為:在電壓調節器運行正常的前提下,補償電容的投切主要由運行時的無功功率值來確定,這時均不考慮功率因數和電壓,控制判據為:當(測量的無功功率> 補償電容容量×投入系數) 和(無功功率平均值≤當前無功功率) 時,發出投入命令;當(測量的無功功率< 補償電容容量×切除系數) 和(無功功率平均值≥當前無功功率) 時,發出切除命令;考慮到電壓調節器運行可能不正常的情況,為了保證電壓質量的穩定,在控制運算中,利用實時運行參數和整定參數進行投切后的電壓預測計算,預測電容器投入和切除后對電壓的影響,當電容器投入和切除后,母線電壓超過規定標準時,閉鎖控制輸出信號。
　　(3) 補償電容強行投切控制　當系統電壓過低時,為了保證電壓質量,犧牲無功補償的合理性,這時強行投入補償電容,閉鎖控制判據,投入后保持運行直到電壓恢復到下限范圍,裝置恢復控制判據。當系統電壓過高時,為了保證電壓質量,也是犧牲無功補償的合理性,這時強行切除補償電容,閉鎖控制判據,切除后保持運行直到電壓恢復到上限范圍,裝置恢復控制判據。
　　(4) 動作時間　為了避免系統各種突變的影響,與電壓調節器協調運行,裝置采取了延時措施,在延時時間內,每個控制循環均滿足輸出條件時,才發控制指令,一次不滿足條件,延時重新開始。
　　當母線并列運行時,兩組電容的正常投切保持3min 的間隔,保證與電壓調節器的協調。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　為了減少補償電容的投切次數,根據現場運行經驗和要求,裝置設置4 個控制時段,當不在這4 個控制時段內,裝置自動閉鎖投入控制,按照強投、強切判據只切不投原則運行。
　　2. 3 　閉鎖控制措施
　　(1) 手動和自動閉鎖切換, 當手動控制把手在"合"、"合后"位置時,裝置開始正常運行控制,當手動控制把手在"分"、"分后"位置時,裝置閉鎖控制輸出,從而保證手動控制優先的原則。
　　(2) 當裝置出現控制信號和電容器開關不對應時,發出不對應報警信號,閉鎖裝置的控制輸出,當裝置檢測到對應關系恢復后自動解除閉鎖。
　　(3) 當裝置發出控制信號,由于各種原因出現電容器拒動時,發出拒動報警信號,閉鎖裝置的控制輸出,待查明拒動原因并處理后,再由運行人員通過裝置控制面板手動解除閉鎖。
　　(4) 當母線失壓或無電流時,裝置自動切除補償電容,閉鎖控制輸出。
　　3 　硬件及軟件設計
　　該裝置主要由電量轉換單元、電量采集單元、開關量輸入輸出單元、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) 電量轉換單元　電量轉換單元主要用來實現將被測電量轉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換。
　　(2) 電量采集單元　電量采集單元是將模擬量信號轉換為數字信號的單元,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) 開關量輸入單元　開關量輸入單元是將狀態或事件信號轉換為數字信號輸入CPU 或數字信號輸入轉換成開關量輸出的單元,該單元采用16 個開關量輸入通道,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,用來實現各種數值運算,邏輯運算和控制算法,該單元采用B&R PCC ,該模塊具有多任務處理功能,指令周期0.8 μs ,用戶內存100 kB SRAM ,系統PROM 512 kB Flash PROM ,用戶PROM 512 kB Flash PROM ,具有硬件看門狗,實時時鐘分辨率為1s ,提供RS232 和CAN 兩個標準通訊接口。
　　(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。由中央控制單元經過帶有光電隔離的開出量模塊驅動繼電器。要求投切控制回路觸點容量達到30 A ,電氣壽命10 萬次。信號輸出回路觸點容量為5A ,電氣壽命10 萬次。
　　(6) 控制面板　控制面板主要由狀態顯示和參數設置與顯示兩部分組成,狀態顯示主要用來顯示母聯斷路器、變壓器低壓側斷路器和補償電容投切開關的位置狀態和裝置的運行、控制狀態。
　　參數設置與顯示主要用來設置控制參數和顯示運行實時參數,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。按鍵功能和參數顯示、設置功能均可通過軟件編程靈活設置,該模塊和PCC 通過RS232 接口進行通訊。
　　(7)電源　電源采用AC/ DC 24V 開關電源。允許輸入電壓180～240 V。

　　圖2 　WPK裝置主流程圖

　　(8) 軟件設計　該裝置軟件采用PL 2000 高級語言進行編程,程序采用模塊化結構,充分利用PCC 的實時多任務功能,可方便靈活的實現各種控制功能。主控制模塊流程見圖2 ,圖2 中的運行方式判別和電容器投切控制流程見圖3 。

　　圖3 　運行方式判別和電容投切控制流程

　　4 　結　論
　　本文研究的采用PCC 為核心的無功補償控制裝置,采用了無功補償與電壓調整分別控制、相互配合的控制方法,并利用無功功率的大小和變化趨勢、電壓變化預測值相結合的原則確定補償電容器的投切；并能自動適應變電站運行方式的變化,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確性,其特點是人機界面友好,操作簡單,維護方便。
　　作者 ：薛　軍　(西北電力試驗研究院,陜西西安　710054)
　　              郭懷德　解建寶　唐曉娜　(西北電力職工培訓中心,陜西西安　710054)
　　              吉　安　(西安高壓供電局,陜西西安　710000)