Analyse der Anwendung von PLC-Steuerungstechnologie in intelligenten Spannungsreglern

Bei der Beurteilung der Stromqualität ist die Spannung ein entscheidender Einflussfaktor. Die Spannungsqualität wird in der Regel durch die Messung von Spannungsabweichungen, Schwankungen, Wellenformverzerrungen und Drei-Phasen-Symmetrie bewertet, wobei die Spannungsabweichung das wichtigste Indikator ist. Um eine hohe Spannungsqualität zu gewährleisten, ist in der Regel eine Spannungsregelung erforderlich. Derzeit ist die am weitesten verbreitete und effektive Methode zur Spannungsregelung die Anpassung des Stufenschalters von Starkstromtransformatoren.

In dieser Arbeit werden hauptsächlich PLC- und Mikrocomputertechnologien integriert, um einen intelligenten Spannungsregler für elektrische Netze zu entwerfen und zu analysieren, um schließlich eine schnelle Spannungsregelung zu erreichen, während Transienterspannungsspitzen während des Anpassungsprozesses vermieden werden.

1. Arbeitsprinzip und wesentliche Merkmale des intelligenten Spannungsreglers

1.1 Hauptsächliches Arbeitsprinzip

Der intelligente Spannungsregler besteht aus einem Hauptgerät und Hilfsgeräten. Das Hauptgerät besteht aus primären und sekundären Kondensatoren sowie einem Regelspannungsregler, was sowohl Blindleistungskompensation als auch automatische Spannungsregelung ermöglicht.

Die Hilfsgeräte umfassen eine intelligente Steuerungseinheit und drei Ausführungsanpassungseinheiten. Die intelligente Steuerungseinheit generiert und sendet Steuerbefehle, die von den Ausführungseinheiten drahtlos empfangen werden, um eine Echtzeit-Spannungsregelung auf der Verteilungsleitung zu ermöglichen.

Als Kernkomponente bestimmt die intelligente Steuerungseinheit den Automatisierungsgrad, die Intelligenz und die Regelgenauigkeit des Geräts. Sie überwacht präzise die Spannung des Speisernetzes, erzeugt geeignete Befehle und sendet sie an das Modul für die Steuerung des Stufenschalters, um die Spannung des Speisernetzes auf den vorgegebenen Sollwert zu halten. Ihre Hauptfunktionen umfassen:

• Echtzeitüberwachung und -steuerung der Speisernetzspannung – sofortige Korrektur von Abweichungen;

• Echtzeitüberwachung und -steuerung des Ausgangslaststroms;

• Bereitstellung von Schutzfunktionen gegen Unter- und Überspannung, Überstrom und Überhitzung.

1.2 Wesentliche Merkmale

Der intelligente Spannungsregler bietet die folgenden Vorteile:

• Doppelfunktionalität: Er bietet gleichzeitig Blindleistungskompensation und Spannungsregelung. Während der Spannungsanpassung kompensiert er teilweise die Netzblindleistung, verbessert den Leistungsfaktor, verhindert Leitungsschäden, erhöht die Netzlastkapazität und sichert die Spannungsqualität. Darüber hinaus kann er die Dreiphasenspannung und -strom überwachen.

• Optimierte und umweltfreundliche Struktur: Das Design verwendet gestaffelte Isolierung, um die Dielektrizitätsstärke zu erhöhen. Die Datenübertragung zwischen Steuer- und Ausführungseinheiten erfolgt mittels Spannungsisolierung, was eine öllose Signalübertragung ermöglicht. Alle Spannungs- und Stromsensor sind intern integriert, was externe Potential- oder Stromtransformer unnötig macht – dies erhöht die Zuverlässigkeit, Stabilität und den Montagekomfort.

• Intelligente Spannungsregelung: Es misst automatisch die Stufenpositionen basierend auf benutzerdefinierten Schwellwerten und korrigiert ungenaue Einstellungen selbstständig, um eine stabile Netzoperation sicherzustellen.
  Wartungsfreies Betreiben des Stufenschalters: Durch die Reihenschaltung des Regelspannungsreglers mit Blindleistungskompensationskondensatoren bleiben die Kurzschlussströme während der Spannungsanpassung gering, was den Betriebseinsatz minimiert.

• Intelligentes Schutzsystem: Es überwacht kontinuierlich die Last des Netzes und die Temperatur des Transformators; bei Anomalien wird automatisch der Regelschritt beendet und der Betrieb fortgesetzt, sobald die Bedingungen normalisiert sind.

• Echtzeit-Datenaufzeichnung: Die Steuerungseinheit protokolliert genau die Spannung, den Strom und die Anzahl der Stufenänderungen vor und nach jedem Regelschritt.

• Effiziente drahtlose Kommunikation: Ortsgemäße Daten können direkt ausgelesen werden, und Regulierungsparameter (z.B. Zeitintervalle, Spannungsschwellwerte) können ferngesteuert angepasst werden – was den Betrieb vereinfacht.

• Angesichts seiner hohen Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit eignet sich der intelligente Spannungsregler hervorragend für eine breite Verwendung in ländlichen Stromnetzen, wodurch Spannungsabweichungsprobleme erheblich reduziert werden.

2. Anwendung von PLC-Steuerungstechnologie im Hardware-Design des intelligenten Spannungsreglers

Basierend auf den funktionalen Anforderungen und technischen Spezifikationen des intelligenten Spannungsreglers wird seine Hardwarearchitektur in Abbildung 1 dargestellt.

2.1 Einrichtung des Mikrocontroller-Basis-Systems

Das Mikrocontroller-Basis-System verwendet hauptsächlich einen industriellen Personal Computer (IPC), mit einem CPU-Kartenmodell namens All2In2One mit 256 MB Arbeitsspeicher, zwei seriellen und einem parallelen Interface. Darüber hinaus wird ein PCI2S3-kompatibler Grafikbeschleunigerchip verwendet, wobei die Größe der Grafikkarte zwischen 1 und 2 MB variiert. Um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen, werden niedrigenergiebedürftige Komponenten eingesetzt, um den Stromverbrauch zu reduzieren.

2.2 Konfiguration der Eingangskanäle

Während der Einrichtung der Eingangskanäle werden die Eingangssignale als sekundäre Signale von Spannungs- und Stromtransformern identifiziert. Diese Signale unterliegen einer Vorverarbeitung, bevor sie über ADC in den MCU eingegeben werden. Die Signalvorverarbeitungsschaltung besteht hauptsächlich aus Strom- und Spannungstransformatoren sowie einem dreistufigen Operationsverstärker. Strom- und Spannungstransformatoren konvertieren effektiv hohe Spannungen und Ströme in kleinere mit hoher Präzision und guter Linearität. Der dreistufige Operationsverstärker verstärkt diese konvertierten und gerichteten Signale.

2.3 Konfiguration der PLC-Steuerungseinheit

Für diesen intelligenten Spannungsregler wurde eine Panasonic FP1-PLC-Serie ausgewählt, die ein Programmkapazität von bis zu 5000 Schritten, einfache Bedienbefehle und umfassende Funktionalität bietet. Es werden auch RS485-Twisted-Pair-Kabel verwendet, was eine Übertragungsrate von 100bps ermöglicht und das Vernetzen von bis zu 32 PLCs innerhalb eines Bereichs von 1200 Metern ermöglicht. Dieses PLC-Modell verfügt über ausgezeichnete Überwachungsfähigkeiten, die eine Echtzeitüberwachung von Leiterdiagrammen und dynamischer Zeitsteuerung zur Gewährleistung einer reibungslosen Spannungsregelung ermöglichen.

2.4 Konfiguration der Ausgabekanäle

Die Ausgabekanäle verwenden logische Ausgabemethoden. Um durch minimale Umschaltspannung und Kreuzstrom eine stabile Spannungsregelung zu erreichen, ist eine Nullkreuzungstriggerung erforderlich, sowie die Einrichtung von berührungslosen elektronischen Schaltern.

3. Anwendung der PLC-Steuerungstechnologie in der Softwareentwicklung des intelligenten Spannungsreglers

3.1 Spezifischer Ablauf des Programms

Nach dem Einschalten und Starten des intelligenten Spannungsreglers müssen Initialisierungs- und Selbstprüfungsprozeduren durchgeführt werden. Nach erfolgreicher Selbstprüfung wird bestimmt, ob das Gerät im Betriebsmodus oder im Konfigurationsmodus ist. Im Konfigurationsmodus können Parameter mithilfe einer Tastatur eingestellt werden, indem man sich in das Setup-Menü begeben, spezifische Einstellungen auswählen und Werte mit den Auf-/Ab-Tasten anpassen kann. Im Betriebsmodus erfolgen Abtastung und digitale Filterung, gefolgt vom Auswählen geeigneter Spannungsregelmethoden:

• Automatische Regelung: Es werden entsprechende Programme ausgeführt, um zu prüfen, ob die Spannung im vorgegebenen Bereich liegt. Falls ja, ist keine Anpassung erforderlich; andernfalls werden Anpassungen vorgenommen, um die Spannung wieder in den Grenzen zu bringen.

• Manuelle Regelung: Manuelle Operationen über die Bedientasten auf der Frontplatte regeln die Spannungsebenen. Nach Abschluss der Spannungsanpassungen zeigen Anzeigeprogramme die Sekundärspannung und -stromwerte des Transformators sowie tägliche Regulatorenaktionen, um den kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen.

3.2 Spezifischer Algorithmus für die Programmsteuerung

Um den Anforderungen der Benutzer an die Spannungsabweichung gerecht zu werden, ist die effektive Anwendung von Steuerungsalgorithmen unerlässlich. Dazu gehört die Berechnung von Werten, die unabhängig von den abgetasteten Zeitpunkten aus diskreten Datensätzen durch mathematische Operationen ermittelt werden, Vergleich mit den Entwurfsvorgaben und Durchführung von Logikoperationen für die Stufenschalteranpassungen. Die Berechnungsformeln zur Messung von Strom, Spannung und aktiver Leistung lauten wie folgt:

(Hinweis: Die spezifischen Formeln für die Messung von Strom, Spannung und aktiver Leistung wurden in Ihrem Text nicht angegeben, sie beinhalten jedoch typischerweise Standardberechnungen der Elektrotechnik wie Ohms Gesetz, Leistungsfaktorberechnungen usw.)

Diese Beschreibungen geben eine detaillierte Erklärung darüber, wie der intelligente Spannungsregler funktioniert, seine Hardwarekonfiguration und die Softwareprozesse, die zur Aufrechterhaltung der optimalen Spannungsregelung notwendig sind.

In den Formeln repräsentieren i(k) und u(k) den k-ten Strom- und Spannungsabtastwert. Basierend darauf können andere Größen wie Q und cosφ abgeleitet und berechnet werden.

4. Fazit

Durch die Prüfung des intelligenten Spannungsreglers stellt dieser Artikel fest, dass das Gerät die Spannung in kurzer Zeit effektiv regulieren kann, Probleme wie Spannungsspitzen und Kurzschlüsse vermeiden kann, die Stabilität der Spannungsregelung gewährleistet und einen relativ idealen Spannungsregelungseffekt erzielt. Es zeigt sich, dass die Anwendung der PLC-Steuerungstechnologie im intelligenten Spannungsregler die automatische Erkennung und Regelung der Spannung effektiv realisieren kann, die Geschwindigkeit der Spannungsregelung beschleunigen und die tatsächliche Bedienung relativ einfach gestaltet. Darüber hinaus treten während der Spannungsanpassung keine Spannungsspitzen auf, und der Oberrechner kann verschiedene Arbeitszustände des Geräts in Echtzeit überwachen, was eine große Rolle bei der Transformation und Verwaltung von Umspannwerken und Verteilstationen spielt.