Анализ на приложението на технологията за управление чрез програмируеми логически контролери (PLC) в интелигентни регулатори на напрежението

При оценка на качеството на електроенергията, напрежението е критичен фактор. Качеството на напрежението обикновено се оценява чрез измерване на отклонението на напрежението, колебанията, искаженията на вълната и тритефазна симетрия, като отклонението на напрежението е най-важния показател. За осигуряване на високо качество на напрежението, обикновено се изисква регулиране на напрежението. В момента най-широко използваната и ефективна методика за регулиране на напрежението включва промяна на контактните ключове на трансформаторите.

Този труд предимно интегрира технологии PLC и микропроцесори, за да проектира и анализира интелигентен регулатор на електрическото напрежение, достигайки бързо регулиране на напрежението, докато се избягват преходни скачания на напрежението по време на процеса на регулиране.

1. Работен принцип и основни характеристики на интелигентния регулатор на електрическото напрежение

1.1 Основен работен принцип

Интелигентният регулатор на електрическото напрежение се състои от главен блок и допълнителни единици. Главният блок включва основни и вторични кондензатори, както и регулиращ трансформатор, позволяващи както компенсация на реактивната мощност, така и автоматично регулиране на напрежението.

Допълнителните единици включват един интелигентен контролен модул и три изпълнителни регулиращи модула. Интелигентният контролен модул генерира и изпраща команди, които се приемат безжична от изпълнителните модули, за да позволят реално време регулиране на напрежението в разпределителната линия.

Като основен компонент, интелигентният контролен модул определя нивото на автоматизация, интелигентност и точност на регулирането на устройството. Той точно мониторира напрежението на подавателната линия, генерира подходящи команди и ги изпраща към модула за управление на контактните ключове, за да се поддържа напрежението на подавателната линия на целевата стойност. Неговите основни функции включват:

• Реално време мониторинг и контрол на напрежението на подавателната линия – бързо коригиране на всяко отклонение;

• Реално време мониторинг и контрол на изходния ток на нагрузката;

• Осигуряване на защитни функции срещу недостиг на напрежение, прекомерен ток и прекомерно нагряване.

1.2 Основни характеристики

Интелигентният регулатор на електрическото напрежение предлага следните преимущества:

• Двойна функционалност: Предоставя едновременно компенсация на реактивната мощност и регулиране на напрежението. По време на регулиране на напрежението, то частично компенсира реактивната мощност на мрежата, подобрява фактора на мощност, предпазва повреди на линиите, увеличава капацитета на мрежата и гарантира качеството на напрежението. Освен това може да мониторира тритефазното напрежение и тока.

• Оптимизирана и екологична конструкция: Дизайнът използва градирана изолация, за да увеличи диелектричната устойчивост. Преминаването на данни между контролния и изпълнителния модул използва изолация на напрежението, позволявайки прехвърляне на сигнали без масло. Всички сензори за напрежение и ток са интегрирани вътрешно, изключвайки необходимостта от външни потенциални или токови трансформатори – увеличавайки надеждността, стабилността и лесното инсталиране.

• Интелигентно регулиране на напрежението: Автоматично измерва позициите на контактните ключове в зависимост от зададени от потребителя прагове и самокоригира неточните настройки, за да се гарантира стабилна работа на мрежата.
  Безподдръжково управление на контактните ключове: Чрез свързване на регулиращия трансформатор в ред с реактивни компенсиращи кондензатори, токът при кратко замыкание по време на регулиране на напрежението остава нисък, минимизирайки оперативното влияние.

• Интелигентна защита: Непрекъснато мониторира тока на линията и температурата на трансформатора; автоматично излиза от режим на регулиране при откриване на аномалии и връща функционалността, когато условията се нормализират.

• Реално време записване на данни: Контролната единица точно записва напрежението, тока и броя на промените на контактните ключове преди и след всяко регулиране.

• Ефективна безжична комуникация: На местонахождение данните могат да се четат директно, а параметрите на регулирането (например интервали, прагове на напрежението) могат да се коригират отдалечено – опростявайки управлението.

• Със своята висока стойност, надеждност и безопасност, интелигентният регулатор на електрическото напрежение е отлично подходит за широко разпространено приложение в селските електрически мрежи, значително намалявайки проблемите с отклонения на напрежението.

2. Приложение на технологията за контрол PLC в хардуерния дизайн на интелигентния регулатор на електрическото напрежение

На базата на функционалните изисквания и техническите спецификации на интелигентния регулатор на електрическото напрежение, неговата хардуерна архитектура е илюстрирана на Фигура 1.

2.1 Установяване на основната система на микроконтролера

Основната система на микроконтролера в основата си използва индустриален персонален компютър (IPC), използвайки CPU карта с име All2In2One с 256MB RAM, с две сериози и един паралелен интерфейс. Освен това използва PCI2S3-съвместим чип за графично ускоряване, с размер на графичната карта между 1 и 2MB. За подобряване на надеждността на системата, се използват нисковолтови компоненти, за да се намали потреблението на ток.

2.2 Конфигурация на входящите канали

По време на установяване на входящите канали, входящите сигнали се идентифицират като вторични сигнали от трансформатори за напрежение и ток. Тези сигнали се обработват преди да бъдат преобразувани чрез ADC за вход в MCU. Обработващата цепь за сигнали в основата си се състои от трансформатори за ток и напрежение, както и от триетапен операционен усилвател. Трансформаторите за ток и напрежение ефективно преобразуват високите напрежения и токове в по-малки с висока точност и добра линейност. Тритеетапният операционен усилвател усилва тези преобразувани и правоугълни сигнали.

2.3 Конфигурация контролера PLC

За този интелигентен регулатор на напрежението в електрическата мрежа е избран контролер PLC от серия FP1 на Panasonic, който предлага до 5000 стъпки програмна капацитет, прости команди за управление и пълнофункционалност. Той също използва двойни телевизионни кабели RS485, постигащи скорост на передаване от 100bps и позволяващи мрежове до 32 PLC в диапазон от 1200 метра. Този модел PLC разполага с отлични функции за наблюдение, способен да осигурява реално време наблюдение на лествени диаграми и динамично времезадаване, за да гарантира гладко регулиране на напрежението.

2.4 Конфигурация на изходните канали

Изходните канали използват логически методи за изход. За да се постигне стабилно регулиране на напрежението чрез минимално комутиращо напрежение и преминаващ ток, е необходим тригеринг при нулево пресичане, както и установяване на безконтактни електронни ключове.

3. Приложение на технологията за контрол PLC в софтуерния дизайн на интелигентния регулатор на напрежението

3.1 Специфичен операционен процес на програмата

След включването и стартирането на интелигентния регулатор на напрежението, трябва да се проведат процедури за инициализация и самопроверка. След успешна самопроверка, се определя дали устройството е в режим на работа или конфигурация. В режим на конфигурация параметрите могат да бъдат зададени чрез клавиатура, влизайки в менюто за настройка, избирайки конкретни настройки и коригирайки стойности със стрелки нагоре/надолу. В режим на работа, се извършват пробиране и цифрово филтриране, след което се избират подходящи методи за регулиране на напрежението:

• Автоматично регулиране: Изпълнява съответни програми, за да прецени дали напрежението е в указаната област. Ако е така, не е нужна корекция; в противен случай, се правят корекции, за да се върне напрежението в границите.

• Ръчно регулиране: Ръчни операции чрез бутони на панела коригират равнищата на напрежението. След завършване на корекциите на напрежението, програмите за показване представят вторичните стойности на напрежението и тока на трансформатора, както и действията на регулатора през деня, гарантирайки непрекъснато функциониране.

3.2 Специфичен алгоритъм за контрол на програмата

За да се отговори на изискванията на потребителите относно отклоненията на напрежението, е необходимо ефективно приложение на алгоритми за контрол. Това включва изчисления на стойности, независими от точки на пробиране от дискретни набори от данни чрез математически операции, сравняване с проектни спецификации и извършване на логически операции за корекции на контактите. Формулите за измерване на ток, напрежение и активна мощност са следните:

(Забележка: Конкретните формули за измерване на ток, напрежение и активна мощност не са предоставени в текста, но обикновено включват стандартни изчисления в електротехниката като закон на Ом, изчисления на фактора на мощност, и т.н.)

Тези описания дават детайлно обяснение за начина, по който работи интелигентният регулатор на напрежението, неговата хардуерна конфигурация и софтуерните процеси, участващи в поддържането на оптимално регулиране на напрежението.

В формулите, i(k) и u(k) представляват k-тата проба на тока и напрежението, съответно. На основата на тези, други величини като Q и cosφ могат да бъдат изведени и изчислени.

4. Заключение

Чрез тестове на интелигентния регулатор на напрежението, тази статия открива, че устройството може ефективно да коригира напрежението за кратко време, избягвайки проблеми като избухвания и кратки замыкания, гарантирайки стабилността на регулирането на напрежението и постигайки относително идеален ефект от регулирането на напрежението. Вижда се, че приложението на технологията за контрол PLC в интелигентния регулатор на напрежението може ефективно да реализира автоматичното детектиране и регулиране на напрежението, ускорява скоростта на регулирането на напрежението, а фактическата работа е относително проста. Освен това, при корекцията на напрежението не се появи избухване, и горната машина може да наблюдава различни работни състояния на устройството в реално време, което играе голяма роля в трансформацията и управлението на трансформаторни и дистанционни станции.