تحلیل کاربرد تکنولوژی کنترل PLC در تنظیم‌کننده‌های ولتاژ هوشمند برق

در ارزیابی کیفیت برق، ولتاژ عامل تأثیرگذار مهمی است. معمولاً کیفیت ولتاژ با اندازه‌گیری انحراف ولتاژ، نوسانات، تحریف موج و تقارن سه‌فازی ارزیابی می‌شود—که انحراف ولتاژ مهم‌ترین شاخص است. برای حفظ کیفیت بالای ولتاژ، تنظیم ولتاژ معمولاً ضروری است. در حال حاضر، روش رایج‌ترین و موثرترین برای تنظیم ولتاژ شامل تنظیم تپ چنجر ترانسفورماتورهای قدرت است.

این مقاله عمدتاً فناوری‌های PLC و میکروکامپیوتر را برای طراحی و تحلیل یک تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند تلفیق می‌کند، به منظور دستیابی به تنظیم سریع ولتاژ در حالی که از پرش‌های ولتاژ گذرا در طول فرآیند تنظیم جلوگیری می‌کند.

۱. اصل کار و ویژگی‌های کلیدی تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند

۱.۱ اصل کار اصلی

تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند شامل واحد اصلی و واحدهای کمکی است. واحد اصلی شامل خازنه‌های اصلی و ثانویه همراه با ترانسفورماتور تنظیم‌کننده است که هم تقویت قدرت واکنشی و هم تنظیم ولتاژ خودکار را ممکن می‌سازد.

واحدهای کمکی شامل یک واحد کنترل هوشمند و سه واحد تنظیم اجرا می‌باشد. واحد کنترل هوشمند دستورات کنترلی را تولید و ارسال می‌کند که توسط واحدهای اجرا به صورت بی‌سیم دریافت شده و تنظیم ولتاژ زنده روی خط توزیع را امکان‌پذیر می‌سازد.

به عنوان مولفه کلیدی، واحد کنترل هوشمند سطح خودکاری، هوشمندی و دقت تنظیم دستگاه را تعیین می‌کند. این واحد به صورت دقیق ولتاژ خط تغذیه را نظارت می‌کند، دستورات مناسب را تولید می‌کند و آنها را به ماژول کنترل تپ چنجر ارسال می‌کند تا ولتاژ خط تغذیه را در نقطه تنظیم هدف نگهداری کند. وظایف اصلی آن عبارتند از:

• نظارت و کنترل زنده ولتاژ خط تغذیه—تصحیح هرگونه انحرافات؛

• نظارت و کنترل زنده جریان بار خروجی؛

• ارائه عملکرد محافظت در برابر ولتاژ کم، جریان بیش از حد و شرایط گرم شدن.

۱.۲ ویژگی‌های کلیدی

تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند مزایای زیر را ارائه می‌دهد:

• توابع دوگانه: همزمان تقویت قدرت واکنشی و تنظیم ولتاژ را ارائه می‌دهد. در طول تنظیم ولتاژ، همچنین بخشی از قدرت واکنشی شبکه را جبران می‌کند، عامل توان را بهبود می‌بخشد، آسیب خط را پیشگیری می‌کند، ظرفیت بار شبکه را افزایش می‌دهد و کیفیت ولتاژ را تضمین می‌کند. همچنین می‌تواند ولتاژ و جریان سه‌فاز را نظارت کند.

• ساختار بهینه و محیط‌دوستانه: طراحی ازisolated design استفاده می‌کند تا مقاومت دی الکتریکی را افزایش دهد. انتقال داده‌ها بین واحدهای کنترل و اجرا با استفاده از جداسازی ولتاژ انجام می‌شود که انتقال سیگنال بدون روغن را ممکن می‌سازد. تمامی سنسورهای ولتاژ و جریان داخلی هستند و نیازی به ترانسفورماتورهای پتانسیل یا جریان خارجی ندارند—که قابلیت اطمینان، ثبات و آسانی نصب را افزایش می‌دهد.

• تنظیم ولتاژ هوشمند: به صورت خودکار موقعیت تپ‌ها را بر اساس آستانه‌های تعریف شده توسط کاربر اندازه‌گیری می‌کند و تنظیمات نادرست را خودکار اصلاح می‌کند تا عملکرد پایدار شبکه را تضمین کند.
  عملکرد تپ چنجر بدون نگهداری: با اتصال ترانسفورماتور تنظیم‌کننده به صورت سری با خازنه‌های تقویت قدرت واکنشی، جریان‌های کوتاه‌مداری در طول تنظیم ولتاژ پایین باقی می‌ماند و تأثیر عملیاتی کم می‌شود.

• محافظت هوشمند: به صورت مداوم بار خط و دما ترانسفورماتور را نظارت می‌کند؛ به صورت خودکار از حالت تنظیم خارج می‌شود و در صورت شناسایی ناهماهنگی‌ها، پس از بازگشت شرایط به حالت عادی، عملیات را ادامه می‌دهد.

• ضبط داده‌های زنده: واحد کنترل به صورت دقیق ولتاژ، جریان و تعداد تغییرات تپ قبل و بعد از هر رویداد تنظیم را ضبط می‌کند.

• ارتباط بی‌سیم کارآمد: داده‌های محلی می‌توانند مستقیماً خوانده شوند و پارامترهای تنظیم (مثل فواصل زمانی، آستانه‌های ولتاژ) می‌توانند به صورت دوردست تغییر کنند—که عملیات را ساده‌تر می‌کند.

• با توجه به کارایی بالا، قابلیت اطمینان و ایمنی، تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند برای استفاده گسترده در شبکه‌های برق روستایی مناسب است و مشکلات انحراف ولتاژ را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

۲. استفاده از فناوری کنترل PLC در طراحی سخت‌افزار تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند

بر اساس نیازهای عملکردی و مشخصات فنی تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند، معماری سخت‌افزاری آن در شکل ۱ نشان داده شده است.

۲.۱ تنظیم سیستم پایه میکروکنترلر

سیستم پایه میکروکنترلر عمدتاً از کامپیوتر شخصی صنعتی (IPC) استفاده می‌کند، با استفاده از کارت CPU به نام All2In2One با حافظه ۲۵۶MB، دارای دو پورت سریال و یک پورت موازی. همچنین از چیپ شتاب‌دهنده گرافیکی سازگار با PCI2S3 استفاده می‌کند، با اندازه کارت گرافیکی بین ۱ تا ۲MB. برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم، از مولفه‌های کم‌مصرف استفاده می‌شود تا مصرف جریان را کاهش دهد.

۲.۲ تنظیم کانال‌های ورودی

در طول تنظیم کانال‌های ورودی، سیگنال‌های ورودی به عنوان سیگنال‌های ثانویه از ترانسفورماتورهای ولتاژ و جریان شناسایی می‌شوند. این سیگنال‌ها قبل از تبدیل ADC برای ورود به MCU شرایط‌بندی می‌شوند. مدار شرایط‌بندی سیگنال عمدتاً شامل ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ همراه با آپ‌آمپ سه‌مرحله‌ای است. ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ با دقت و خطی بودن خوب ولتاژ و جریان بالا را به مقادیر کوچک‌تر تبدیل می‌کنند. آپ‌آمپ سه‌مرحله‌ای این سیگنال‌های تبدیل شده و مستقیم شده را تقویت می‌کند.

۲.۳ پیکربندی واحد کنترل PLC

برای این تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، یک PLC سری FP1 پاناسونیک انتخاب شده است که ظرفیت برنامه‌نویسی تا ۵۰۰۰ مرحله، دستورالعمل‌های عملیاتی ساده و قابلیت‌های جامع را ارائه می‌دهد. همچنین از کابل‌های زوج‌پیچ RS485 استفاده می‌کند که نرخ انتقال ۱۰۰ بیت بر ثانیه را فراهم می‌کند و شبکه‌بندی تا ۳۲ PLC در محدوده ۱۲۰۰ متر را ممکن می‌سازد. این مدل PLC قابلیت‌های نظارتی برجسته‌ای دارد که قادر به نظارت زنده روی دیاگرام‌های پله‌ای و تایمین دینامیکی برای تضمین تنظیم ولتاژ صاف است.

۲.۴ پیکربندی کانال‌های خروجی

کانال‌های خروجی از روش‌های خروجی منطقی استفاده می‌کنند. برای دستیابی به تنظیم ولتاژ پایدار با حداقل تغییر ولتاژ و جریان عبوری، نیاز به تحریک صفرگذاری و تنظیم سوئیچ‌های الکترونیکی بدون تماس است.

۳. کاربرد فناوری کنترل PLC در طراحی نرم‌افزار تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند

۳.۱ فرآیند عملیات خاص برنامه

بعد از روشن کردن و شروع تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، مراحل مقدماتی و خودپرسی انجام می‌شود. پس از موفقیت در خودپرسی، تعیین می‌شود که دستگاه در حالت عملیاتی یا حالت پیکربندی است. در حالت پیکربندی، پارامترها با استفاده از کیبورد و ورود به منوی تنظیمات، انتخاب تنظیمات خاص و تنظیم مقادیر با کلیدهای بالا/پایین می‌توانند تنظیم شوند. در حالت عملیاتی، نمونه‌برداری و فیلتر دیجیتال انجام می‌شود و سپس روش‌های تنظیم ولتاژ مناسب انتخاب می‌شوند:

• تنظیم خودکار: برنامه‌های مربوطه اجرا می‌شوند تا تشخیص دهند آیا ولتاژ در محدوده مشخص شده است. اگر بله، نیازی به تنظیم نیست؛ در غیر این صورت، تنظیمات انجام می‌شود تا ولتاژ به محدوده مورد نظر برگردد.

• تنظیم دستی: عملیات دستی از طریق دکمه‌های پنل ولتاژ را تنظیم می‌کنند. پس از اتمام تنظیمات ولتاژ، برنامه‌های نمایش مقادیر ولتاژ و جریان ثانویه ترانسفورماتور و عملیات روزانه تنظیم‌کننده را نشان می‌دهند تا عملیات مداوم را تضمین کنند.

۳.۲ الگوریتم خاص کنترل برنامه

برای برآورده کردن نیازهای کاربران به انحراف ولتاژ، استفاده مؤثر از الگوریتم‌های کنترل ضروری است. این شامل محاسبه مقادیر مستقل از نقاط زمانی نمونه‌برداری از مجموعه داده‌های گسسته از طریق عملیات ریاضی، مقایسه آنها با مشخصات طراحی و انجام عملیات منطقی برای تنظیم تغییرات تاپ است. فرمول‌های محاسبه جریان، ولتاژ و توان فعال به شرح زیر است:

(توجه: فرمول‌های خاص برای محاسبه جریان، ولتاژ و توان فعال در متن شما ارائه نشده است، اما معمولاً شامل محاسبات مهندسی برق استاندارد مانند قانون اهم، محاسبات عامل توان و غیره است.)

این توضیحات توصیف دقیقی از نحوه عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، پیکربندی سخت‌افزاری آن و فرآیندهای نرم‌افزاری مورد استفاده برای حفظ تنظیم ولتاژ بهینه ارائه می‌دهند.

در فرمول‌ها، i(k) و u(k) به ترتیب نشان‌دهنده مقادیر نمونه‌برداری جریان و ولتاژ k-ام هستند. بر اساس این مقادیر، کمیت‌های دیگر مانند Q و cosφ می‌توانند مشتق و محاسبه شوند.

۴. نتیجه‌گیری

با تست تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، این مقاله می‌یابد که دستگاه می‌تواند به طور موثر ولتاژ را در مدت کوتاه تنظیم کند، مشکلاتی مانند افزایش ناگهانی ولتاژ و کوتاه‌شدن را اجتناب کند، ثبات تنظیم ولتاژ را تضمین کند و یک اثر تنظیم ولتاژ نسبتاً ایده‌آل داشته باشد. می‌توان دید که کاربرد فناوری کنترل PLC در تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند می‌تواند به طور مؤثر شناسایی و تنظیم خودکار ولتاژ را تحقق بخشد، سرعت تنظیم ولتاژ را افزایش دهد و عملیات واقعی نسبتاً ساده است. علاوه بر این، هیچ افزایش ناگهانی ولتاژ در طول تنظیم ولتاژ رخ نمی‌دهد و کامپیوتر بالایی می‌تواند وضعیت‌های مختلف کاری دستگاه را به طور زنده نظارت کند که نقش مهمی در تبدیل و مدیریت زیرстанیون‌ها و ایستگاه‌های توزیع دارد.