تحلیل کاربرد فناوری کنترل PLC در تنظیم‌کننده‌های ولتاژ هوشمند برق

هنگام ارزیابی کیفیت برق، ولتاژ عامل تأثیرگذار مهمی است. معمولاً کیفیت ولتاژ با اندازه‌گیری انحراف ولتاژ، نوسانات، تحریف موج و تقارن سه فاز بررسی می‌شود—که انحراف ولتاژ مهم‌ترین شاخص است. برای حفظ کیفیت بالای ولتاژ، تنظیم ولتاژ معمولاً ضروری است. در حال حاضر، روش پرکاربرد و موثر برای تنظیم ولتاژ شامل تنظیم تراپ چنجر ترانسفورماتورهای قدرت است.

این مقاله به طراحی و تحلیل یک تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند با استفاده از تکنولوژی‌های PLC و میکروکامپیوتر می‌پردازد و در نهایت منجر به تنظیم سریع ولتاژ بدون ایجاد جوش‌های ولتاژ موقتی در طول فرآیند تنظیم می‌شود.

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 خازنهای اصلی و ثانویه همراه با یک ترانسفورماتور تنظیم‌کننده است که همچنین جبران‌کننده قدرت واکنشی و تنظیم ولتاژ خودکار را فراهم می‌کند.

واحدهای کمکی شامل یک واحد کنترل هوشمند و سه واحد تنظیم اجرا می‌شوند. واحد کنترل هوشمند دستورالعمل‌های کنترلی را تولید و ارسال می‌کند که توسط واحدهای اجرا به صورت بی‌سیم دریافت می‌شوند تا تنظیم ولتاژ در زمان واقعی روی خط توزیع انجام شود.

به عنوان مؤلفه اصلی، واحد کنترل هوشمند سطح خودکاری، هوشمندی و دقت تنظیم دستگاه را تعیین می‌کند. آن به طور دقیق ولتاژ خط تغذیه را نظارت می‌کند، دستورالعمل‌های مناسب را تولید می‌کند و آن‌ها را به ماژول کنترل تراپ چنجر ارسال می‌کند تا ولتاژ خط تغذیه در نقطه تنظیم مورد نظر نگهداری شود. عملکردهای اصلی آن شامل:

• نظارت و کنترل در زمان واقعی ولتاژ خط تغذیه—تصحیح فوری هرگونه انحراف؛

• نظارت و کنترل در زمان واقعی جریان بار خروجی؛

• ارائه عملکردهای محافظتی علیه کم‌ولتاژ، بیش‌جریان و گرم شدن.

۱.۲ ویژگی‌های کلیدی

تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند مزایای زیر را ارائه می‌دهد:

• دوگانه عملکرد: همزمان جبران‌کننده قدرت واکنشی و تنظیم ولتاژ را ارائه می‌دهد. در حین تنظیم ولتاژ، قسمتی از قدرت واکنشی شبکه را جبران می‌کند، عامل توان را بهبود می‌بخشد، خسارت خط را جلوگیری می‌کند، ظرفیت بار شبکه را افزایش می‌دهد و کیفیت ولتاژ را تضمین می‌کند. همچنین می‌تواند ولتاژ و جریان سه فاز را نظارت کند.

• ساختار بهینه و محیطی: طراحی از عایق‌بندی مرحله‌ای استفاده می‌کند تا مقاومت الکتریکی را افزایش دهد. انتقال داده بین واحدهای کنترل و اجرا از طریق عایق‌بندی ولتاژ انجام می‌شود که انتقال سیگنال بدون روغن را ممکن می‌سازد. تمام سنسورهای ولتاژ و جریان داخلی یکپارچه شده‌اند، لذا نیازی به ترانسفورماتورهای پتانسیل یا جریان خارجی نیست—که قابلیت اطمینان، ثبات و راحتی نصب را افزایش می‌دهد.

• تنظیم ولتاژ هوشمند: به طور خودکار موقعیت تراپ‌ها را بر اساس آستانه‌های تعریف شده توسط کاربر اندازه‌گیری می‌کند و تنظیمات نادرست را خودکار اصلاح می‌کند تا عملکرد پایدار شبکه تضمین شود.
  عملکرد تراپ چنجر بدون نگهداری: با اتصال ترانسفورماتور تنظیم‌کننده به صورت سری با خازنهای جبران‌کننده قدرت واکنشی، جریان کوتاه‌مداری در طول تنظیم ولتاژ پایین می‌ماند و تأثیر عملیاتی کم می‌شود.

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

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

• ارتباط بی‌سیم کارآمد: داده‌های محلی می‌توانند مستقیماً خوانده شوند و پارامترهای تنظیم (مانند فواصل زمانی، آستانه‌های ولتاژ) می‌توانند به طور دوری تنظیم شوند—که عملیات را ساده می‌کند.

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

۲. کاربرد تکنولوژی کنترل PLC در طراحی سخت‌افزار تنظیم‌کننده ولتاژ هوشمند

بر اساس نیازمندی‌های 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 که از یک کارت CPU به نام All2In2One با حافظه ۲۵۶MB و دو رابط سریال و یک رابط موازی تشکیل شده است. علاوه بر این، از یک تراشه شتاب‌دهنده گرافیکی سازگار با PCI2S3 استفاده می‌کند که اندازه کارت گرافیکی از ۱ تا ۲MB متغیر است. برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم، از مولفه‌های کم‌مصرف استفاده می‌شود تا مصرف جریان کاهش یابد.

۲.۲ تنظیم کانال‌های ورودی

در طی 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 شرایط‌دهی می‌شوند. مدار شرایط‌دهی سیگنال عمدتاً شامل ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ و یک آپ‌آمپ سه مرحله‌ای است. ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ به طور موثر ولتاژ و جریان بالا را به ولتاژ و جریان کوچک‌تر با دقت بالا و خطی بودن خوب تبدیل می‌کنند. آپ‌آمپ سه مرحله‌ای 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 شرکت پاناسونیک انتخاب شده است که ظرفیت برنامه‌نویسی تا ۵۰۰۰ مرحله را ارائه می‌دهد، دستورات عملکرد ساده و قابلیت‌های جامع دارد. همچنین از کابل‌های زوج چرخان 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 دارای قابلیت‌های نظارت بسیار خوب است که قادر به نظارت زنده روی دیاگرام‌های سلمی و تایمینگ پویا 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 استفاده از ولتاژ قطع کم و جریان عبوری کم، نیاز به تحریک صفرگذر است، همراه با تنظیم کلیدهای الکترونیکی بدون تماس.

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

۳.۱ فرآیند عملیاتی خاص برنامه

پس از روشن کردن و آغاز عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، مراحل مقدماتی و خود تست انجام می‌شود. پس از موفقیت در خود تست، تعیین می‌شود که دستگاه در حالت عملکرد یا حالت تنظیم قرار دارد. در حالت تنظیم، پارامترها می‌توانند با استفاده از صفحه کلید و ورود به منوی تنظیمات، انتخاب تنظیمات خاص و تنظیم مقادیر با کلیدهای بالا/پایین تنظیم شوند. در حالت عملکرد، نمونه‌برداری و فیلتر دیجیتال انجام می‌شود، سپس روش‌های مناسب تنظیم ولتاژ انتخاب می‌شوند:

• تنظیم خودکار: برنامه‌های متناظر اجرا می‌شوند تا تشخیص دهند آیا ولتاژ در محدوده مشخص شده است. اگر چنین باشد، نیازی به تنظیم نیست؛ در غیر این صورت، تنظیمات انجام می‌شوند تا ولتاژ به محدوده مورد نظر بازگردد.

• تنظیم دستی: عملیات دستی از طریق دکمه‌های صفحه پنل ولتاژ را تنظیم می‌کند. پس از اتمام تنظیمات ولتاژ، برنامه‌های نمایش مقدار ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور و جریان، همچنین عملکردهای روزانه تنظیم‌کننده را نمایش می‌دهند تا عملکرد مداوم تضمین شود.

۳.۲ الگوریتم خاص کنترل برنامه

برای تأمین نیازهای کاربران به انحراف ولتاژ، استفاده موثر 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 یک شرح دقیق از نحوه عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، پیکربندی سخت‌افزاری آن و فرآیندهای نرم‌افزاری مرتبط با حفظ تنظیم ولتاژ بهینه ارائه می‌دهد.

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

۴. نتیجه‌گیری

از طریق آزمایش تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند، این مقاله می‌یابد که دستگاه می‌تواند به طور مؤثر ولتاژ را در مدت زمان کوتاه تنظیم کند، مشکلاتی مانند افزایش ناگهانی ولتاژ و کوتاه شدن را اجتناب کند، ثبات تنظیم ولتاژ را تضمین کند و تأثیر تنظیم ولتاژ نسبتاً ایده‌آلی داشته باشد. می‌توان دید که کاربرد فناوری کنترل PLC در تنظیم‌کننده ولتاژ قدرت هوشمند می‌تواند به طور مؤثر تشخیص و تنظیم خودکار ولتاژ را تحقق بخشید، سرعت تنظیم ولتاژ را افزایش دهد و عملکرد واقعی آن نسبتاً ساده است. علاوه بر این، در طول تنظیم ولتاژ هیچ افزایش ناگهانی ولتاژی رخ نمی‌دهد و کامپیوتر بالادستی می‌تواند وضعیت‌های مختلف کاری دستگاه را به طور زنده نظارت کند که نقش مهمی در تبدیل و مدیریت زیرстанی‌ها و ایستگاه‌های توزیع دارد.