تحليل تطبيق تقنية التحكم بالبلاك بوكس في مثبطات الجهد الكهربائي الذكية

عند تقييم جودة الطاقة، فإن الجهد هو عامل مؤثر حاسم. وتُقاس جودة الجهد عادةً من خلال قياس الانحراف في الجهد، والتقلبات، وتشويه الموجة، والتماثل ثلاثي الأطوار، حيث يُعد انحراف الجهد المؤشر الأكثر أهمية. ولضمان جودة عالية للجهد، يكون تنظيم الجهد مطلوبًا بشكل عام. وفي الوقت الراهن، فإن الطريقة الأكثر انتشارًا وفعالية لتنظيم الجهد هي تعديل محول التبديل على المحولات الكهربائية.

يركز هذا البحث بشكل أساسي على دمج تقنيتي PLC والتكنولوجيا المصغرة (الميكروكمبيوتر) لتصميم وتحليل منظم جهد كهربائي ذكي، بهدف تحقيق تنظيم سريع للجهد مع تجنب حدوث قفزات جهد عابرة أثناء عملية التعديل.

1. مبدأ العمل والخصائص الرئيسية لمنظم الجهد الكهربائي الذكي

1.1 المبدأ الرئيسي للعمل

يتكون منظم الجهد الكهربائي الذكي من وحدة رئيسية ووحدات مساعدة. وتتألف الوحدة الرئيسية من مكثفات أولية وثانوية إضافة إلى محول تنظيم، ما يمكنها من توفير تعويض القدرة التفاعلية والتنظيم التلقائي للجهد.

وتشمل الوحدات المساعدة وحدة تحكم ذكية واحدة وثلاث وحدات تنفيذ وتعديل. تقوم وحدة التحكم الذكية بتوليد أوامر التحكم وإرسالها، والتي تستقبلها وحدات التنفيذ لاسلكيًا لتمكين تنظيم الجهد في الوقت الفعلي على خط التوزيع.

باعتبارها المكون الأساسي، تحدد وحدة التحكم الذكية مستوى التشغيل الآلي والذكاء ودقة التنظيم للجهاز. فهي تراقب بدقة جهد الخط التغذوي، وتولد الأوامر المناسبة، وترسلها إلى وحدة تحكم محول التبديل للحفاظ على جهد الخط التغذوي عند القيمة المستهدفة المحددة. وتشمل وظائفها الرئيسية ما يلي:

• مراقبة الجهد التغذوي والتحكم فيه في الوقت الفعلي – مع تصحيح أي انحرافات فورًا؛

• مراقبة التيار الناتج عن الحمل والتحكم فيه في الوقت الفعلي؛

• توفير وظائف الحماية ضد حالات الجهد المنخفض، والتيار الزائد، والارتفاع الشديد في درجة الحرارة.

1.2 الخصائص الرئيسية

يتمتع منظم الجهد الكهربائي الذكي بالمزايا التالية:

• وظيفتان في وقت واحد: فهو يقدم في آنٍ واحد تعويض القدرة التفاعلية وتنظيم الجهد. أثناء ضبط الجهد، فإنه يقوم أيضًا بتعويض جزئي عن القدرة التفاعلية للشبكة، مما يحسن معامل القدرة، ويمنع تلف الخطوط، ويزيد من سعة حمل الشبكة، ويضمن جودة الجهد. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه مراقبة الجهد والتيار ثلاثي الأطوار.

• هيكل مُحسّن وصديق للبيئة: يستخدم التصميم عزلًا متدرجًا لزيادة مقاومة العزل. ويتم نقل البيانات بين وحدتي التحكم والتنفيذ باستخدام عزل الجهد، ما يسمح بنقل الإشارة دون استخدام الزيت. كما يتم دمج جميع أجهزة استشعار الجهد والتيار داخليًا، مما يلغي الحاجة إلى محولات جهد أو تيار خارجية – وبالتالي يزيد من الموثوقية والاستقرار وسهولة التركيب.

• تنظيم ذكي للجهد: يقوم بقياس مواضع التبديل تلقائيًا بناءً على العتبات المحددة من قبل المستخدم، ويصحح ذاتيًا الإعدادات غير الدقيقة لضمان تشغيل مستقر للشبكة.
  تشغيل محول التبديل خالي من الصيانة: من خلال توصيل محول التنظيم على التوالي مع مكثفات تعويض القدرة التفاعلية، تبقى التيارات القصيرة أثناء ضبط الجهد منخفضة، مما يقلل من التأثير التشغيلي.

• حماية ذكية: تراقب باستمرار حمل الخط ودرجة حرارة المحول؛ وتخرج تلقائيًا من وضع التنظيم عند اكتشاف أي شذوذ، وتعيد التشغيل بمجرد عودة الظروف إلى طبيعتها.

• تسجيل بيانات في الوقت الفعلي: تسجل وحدة التحكم بدقة الجهد والتيار وعدد تغييرات التبديل قبل كل عملية تنظيم وبعدها.

• اتصال لاسلكي فعال: يمكن قراءة البيانات الميدانية مباشرة، ويمكن تعديل معايير التنظيم (مثل الفترات الزمنية، وعتبات الجهد) عن بُعد – مما يبسط العملية.

• نظرًا لفعاليته العالية من حيث التكلفة، وموثوقيته، وأمانه، فإن منظم الجهد الكهربائي الذكي مناسب جدًا للنشر الواسع في شبكات الطاقة الريفية، ويقلل بشكل كبير من مشكلات انحراف الجهد.

2. تطبيق تقنية التحكم PLC في التصميم المادي لمنظم الجهد الكهربائي الذكي

استنادًا إلى المتطلبات الوظيفية المواصفات التقنية لمنظم الجهد الكهربائي الذكي، يوضح الشكل 1 البنية المادية له.

2.1 إعداد النظام الأساسي للمتحكم الدقيق

يتبنى النظام الأساسي للمتحكم الدقيق بشكل رئيسي حاسوبًا شخصيًا صناعيًا (IPC)، ويستخدم بطاقة CPU باسم All2In2One بذاكرة سعة 256 ميجابايت، ومزودة بواجهتين تسلسليتين وواحدة متوازية. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم شريحة رسوميات مُسرّعة متوافقة مع PCI2S3، وتتراوح سعة بطاقة الرسوميات بين 1 إلى 2 ميجابايت. ولتعزيز موثوقية النظام، يتم استخدام مكونات منخفضة الاستهلاك لتقليل استهلاك التيار.

2.2 تكوين قنوات الإدخال

أثناء إعداد قنوات الإدخال، تُعرف إشارات الإدخال بأنها إشارات ثانوية من محولات الجهد والتيار. تخضع هذه الإشارات لمعالجة قبل تحويلها عبر ADC لإدخالها إلى MCU. وتتكون دائرة معالجة الإشارة بشكل رئيسي من محولات تيار وجهد، بالإضافة إلى مضخم تشغيل ثلاثي المراحل. تقوم محولات التيار والجهد بتحويل الجهود والتيارات العالية إلى قيم أصغر بدقة عالية وخطية جيدة. ويقوم مضخم التشغيل الثلاثي المراحل بتكبير هذه الإشارات بعد تحويلها وتصحيحها.

2.3 تكوين وحدة التحكم PLC

للمستقر الذكي للجهد الكهربائي، تم اختيار جهاز Panasonic FP1 PLC، الذي يقدم سعة برنامج تصل إلى 5000 خطوة، وأوامر تشغيل بسيطة، ووظائف شاملة. كما أنه يستخدم أسلاك الزوج الملتف RS485، مما يحقق معدل انتقال يصل إلى 100 بيس ويوفر إمكانية ربط ما يصل إلى 32 جهاز PLC في نطاق يصل إلى 1200 متر. يتميز هذا النموذج من PLC بقدرات مراقبة ممتازة، قادر على مراقبة مخططات السلم والتوقيت الديناميكي في الوقت الحقيقي لضمان تنظيم الجهد بشكل سلس.

2.4 تكوين قنوات الإخراج

تستخدم قنوات الإخراج طرق الإخراج المنطقية. لتحقيق تنظيم الجهد المستقر بأقل تحويل للجهد والتداخل الحالي، يتطلب الأمر التنشيط عند نقطة الصفر، بالإضافة إلى تعيين المفاتيح الإلكترونية اللالامسية.

3. تطبيق تقنية التحكم PLC في تصميم البرمجيات للمستقر الذكي للجهد الكهربائي

3.1 العملية التشغيلية المحددة للبرنامج

بعد توصيل الطاقة وتوجيه المستقر الذكي للجهد الكهربائي، يجب إجراء إجراءات التهيئة والتحقق الذاتي. بعد نجاح التحقق الذاتي، يحدد ما إذا كان الجهاز في وضع التشغيل أو وضع التكوين. في وضع التكوين، يمكن ضبط المعلمات باستخدام لوحة المفاتيح عن طريق الدخول في قائمة التعيين، واختيار الإعدادات المحددة، وتعديل القيم باستخدام أزرار الصعود والنزول. في وضع التشغيل، يحدث العينة والفلترة الرقمية، ثم اختيار طرق التنظيم المناسبة للجهد:

• التنظيم التلقائي: تنفيذ البرامج المناسبة لتحديد ما إذا كان الجهد ضمن النطاق المحدد. إذا كان كذلك، فلا حاجة للتعديل؛ وإلا، يتم إجراء التعديلات اللازمة لإعادة الجهد إلى الحدود.

• التنظيم اليدوي: العمليات اليدوية عبر أزرار اللوحة لتغيير مستويات الجهد. بعد إكمال تعديلات الجهد، تظهر البرامج الثانوية للتحويلات قيمة الجهد والتيار، وكذلك الأفعال اليومية للمستقر، مما يضمن الاستمرارية في التشغيل.

3.2 الخوارزمية المحددة لتحكم البرنامج

للبقاء على تلبية متطلبات المستخدم بشأن انحراف الجهد، من الضروري تطبيق فعال لخوارزميات التحكم. وهذا يشمل حساب القيم المستقلة عن نقاط العينة الزمنية من خلال العمليات الرياضية، مقارنة تلك القيم بالمواصفات التصميمية، وإجراء العمليات المنطقية لضبط التحويلات. صيغة الحساب لقياس التيار والجهد والقدرة الفعالة كالتالي:

(ملاحظة: لم يتم تقديم الصيغ الخاصة بقياس التيار والجهد والقدرة الفعالة في نصك، ولكن عادة ما تتضمن عمليات هندسة كهربائية قياسية مثل قانون أوم، وحساب عامل القوة، وغيرها.)

توفر هذه الوصفات شرحًا مفصلًا لكيفية عمل المستقر الذكي للجهد الكهربائي، وتكوين الأجهزة، والعمليات البرمجية المعنية في الحفاظ على تنظيم الجهد الأمثل.

في الصيغ، i(k) و u(k) يمثلان قيمة العينة الكامنة للتيار والجهد على التوالي. بناءً على ذلك، يمكن استنتاج وحساب الكميات الأخرى مثل Q و cosφ.

4. الخاتمة

من خلال اختبار المستقر الذكي للجهد الكهربائي، وجدت هذه الورقة أن الجهاز يمكنه تعديل الجهد بكفاءة في وقت قصير، مما يتجنب مشاكل مثل الاندفاعات والدوائر القصيرة، ويضمن استقرار تنظيم الجهد، ويحقق تأثير تنظيم جهد مثالي نسبيًا. يمكن رؤية أن تطبيق تقنية التحكم PLC في المستقر الذكي للجهد الكهربائي يمكن أن يحقق بكفاءة الكشف التلقائي وتنظيم الجهد، ويتسارع سرعة التنظيم، والعملية العملية بسيطة نسبيًا. علاوة على ذلك، لا يحدث اندفاع أثناء تعديل الجهد، ويمكن للحاسوب العلوي مراقبة مختلف حالات العمل للجهاز في الوقت الحقيقي، مما يلعب دورًا كبيرًا في تحويل وإدارة محطات التحويل والمحولات.