Analisi dell'applicazione della tecnologia di controllo PLC nei regolatori di tensione elettrica intelligenti

Nell'ambito della valutazione della qualità dell'energia elettrica, la tensione è un fattore critico. La qualità della tensione viene solitamente valutata misurando la deviazione della tensione, le fluttuazioni, la distorsione della forma d'onda e la simmetria trifase, con la deviazione della tensione che rappresenta l'indicatore più importante. Per garantire una alta qualità della tensione, è generalmente necessaria una regolazione della tensione. Attualmente, il metodo più ampiamente utilizzato ed efficace per la regolazione della tensione prevede l'aggiustamento del cambio di presa dei trasformatori di potenza.

Questo articolo integra principalmente tecnologie PLC e microcomputer per progettare e analizzare un regolatore di tensione intelligente, ottenendo una regolazione rapida della tensione e evitando i sovraccarichi di tensione transitori durante il processo di regolazione.

1. Principio di funzionamento e caratteristiche chiave del regolatore di tensione intelligente

1.1 Principale principio di funzionamento

Il regolatore di tensione intelligente è composto da un'unità principale e unità ausiliarie. L'unità principale include condensatori primari e secondari insieme a un trasformatore regolatore, consentendo sia la compensazione della potenza reattiva che la regolazione automatica della tensione.

Le unità ausiliarie comprendono un'unità di controllo intelligente e tre unità di regolazione esecutive. L'unità di controllo intelligente genera e trasmette comandi di controllo, ricevuti in modo wireless dalle unità esecutive, abilitando la regolazione in tempo reale della tensione sulla linea di distribuzione.

Come componente centrale, l'unità di controllo intelligente determina il livello di automazione, l'intelligenza e l'accuratezza di regolazione del dispositivo. Monitora con precisione la tensione della linea di alimentazione, genera comandi appropriati e li invia al modulo di controllo del cambio di presa per mantenere la tensione della linea di alimentazione al valore impostato. Le sue principali funzioni includono:

• Monitoraggio e controllo in tempo reale della tensione della linea di alimentazione—correggendo prontamente eventuali deviazioni;

• Monitoraggio e controllo in tempo reale della corrente di carico in uscita;

• Fornitura di funzioni di protezione contro la sottotensione, la sovratensione e le condizioni di surriscaldamento.

1.2 Caratteristiche chiave

Il regolatore di tensione intelligente offre i seguenti vantaggi:

• Doppia funzionalità: Fornisce contemporaneamente la compensazione della potenza reattiva e la regolazione della tensione. Durante la regolazione della tensione, fornisce anche una parziale compensazione della potenza reattiva della rete, migliorando il fattore di potenza, prevenendo danni alle linee, aumentando la capacità di carico della rete e assicurando la qualità della tensione. Inoltre, può monitorare la tensione e la corrente trifase.

• Struttura ottimizzata ed ecologica: Il design utilizza isolamento graduale per aumentare la resistenza dielettrica. La trasmissione dati tra l'unità di controllo e le unità esecutive avviene tramite isolamento di tensione, consentendo il trasferimento di segnali senza olio. Tutti i sensori di tensione e corrente sono integrati internamente, eliminando la necessità di trasformatori di potenziale o di corrente esterni, migliorando affidabilità, stabilità e facilità di installazione.

• Regolazione intelligente della tensione: Misura automaticamente le posizioni delle prese basandosi sulle soglie definite dall'utente e corregge automaticamente le impostazioni inesatte per garantire l'operatività stabile della rete.
  Operazione del cambio di presa senza manutenzione: Collegando il trasformatore regolatore in serie con i condensatori di compensazione reattiva, le correnti di cortocircuito durante la regolazione della tensione rimangono basse, minimizzando l'impatto operativo.

• Protezione intelligente: Monitora continuamente il carico della linea e la temperatura del trasformatore; esce automaticamente dalla modalità di regolazione in caso di anomalie e riprende l'operazione una volta normalizzate le condizioni.

• Registrazione dei dati in tempo reale: L'unità di controllo registra con precisione la tensione, la corrente e il numero di cambi di presa prima e dopo ogni evento di regolazione.

• Comunicazione wireless efficiente: I dati sul campo possono essere letti direttamente, e i parametri di regolazione (ad esempio, intervalli di tempo, soglie di tensione) possono essere regolati a distanza—semplificando l'operazione.

• Data la sua elevata convenienza, affidabilità e sicurezza, il regolatore di tensione intelligente è adatto per una diffusa implementazione nelle reti elettriche rurali, riducendo significativamente i problemi di deviazione della tensione.

2. Applicazione della tecnologia di controllo PLC nella progettazione hardware del regolatore di tensione intelligente

In base ai requisiti funzionali e alle specifiche tecniche del regolatore di tensione intelligente, la sua architettura hardware è illustrata nella Figura 1.

2.1 Configurazione del sistema di base del microcontrollore

Il sistema di base del microcontrollore adotta principalmente un computer personale industriale (IPC), utilizzando una scheda CPU denominata All2In2One con 256MB di memoria, dotata di due interfacce seriale e una parallela. Inoltre, utilizza un chip di accelerazione grafica compatibile con PCI2S3, con la dimensione della scheda video che varia da 1 a 2MB. Per migliorare l'affidabilità del sistema, vengono utilizzati componenti a basso consumo per ridurre il consumo di corrente.

2.2 Configurazione dei canali di ingresso

Durante la configurazione dei canali di ingresso, i segnali di ingresso vengono identificati come segnali secondari provenienti dai trasformatori di tensione e corrente. Questi segnali subiscono una condizionatura prima di essere convertiti tramite ADC per l'ingresso nel MCU. Il circuito di condizionamento dei segnali è composto principalmente da trasformatori di corrente e tensione, insieme a un amplificatore operazionale a tre stadi. I trasformatori di corrente e tensione convertono efficacemente alte tensioni e correnti in valori minori con alta precisione e buona linearità. L'amplificatore operazionale a tre stadi amplifica questi segnali convertiti e rettificati.

2.3 Configurazione dell'unità di controllo PLC

Per questo regolatore di tensione intelligente, è stato selezionato un PLC della serie FP1 Panasonic, che offre una capacità di programma fino a 5000 step, comandi di operazione semplici e funzionalità complete. Utilizza inoltre cavi a coppia torsa RS485, raggiungendo una velocità di trasmissione di 100bps e abilitando la rete di fino a 32 PLC in un raggio di 1200 metri. Questo modello di PLC presenta eccellenti capacità di monitoraggio, in grado di effettuare il monitoraggio in tempo reale dei diagrammi a scalini e del timing dinamico per garantire una regolazione della tensione fluida.

2.4 Configurazione dei canali di uscita

I canali di uscita adottano metodi di uscita logica. Per ottenere una regolazione stabile della tensione attraverso un minimo commutazione di tensione e corrente di crossover, è richiesto il trigger al passaggio allo zero, insieme all'impostazione di interruttori elettronici senza contatto.

3. Applicazione della tecnologia di controllo PLC nella progettazione software del regolatore di tensione intelligente

3.1 Specifico processo di esecuzione del programma

Dopo l'accensione e l'avvio del regolatore di tensione intelligente, devono essere eseguite le procedure di inizializzazione e autocontrollo. In caso di autocontrollo riuscito, si determina se il dispositivo è in modalità operativa o di configurazione. In modalità di configurazione, i parametri possono essere impostati utilizzando una tastiera accedendo al menu di configurazione, selezionando le impostazioni specifiche e regolando i valori con i tasti su/giù. In modalità operativa, avvengono il campionamento e il filtraggio digitale, seguiti dalla scelta di metodi di regolazione della tensione appropriati:

• Regolazione automatica: vengono eseguiti programmi corrispondenti per giudicare se la tensione è all'interno del range specificato. Se sì, non è necessaria alcuna regolazione; altrimenti, vengono apportate modifiche per portare la tensione entro i limiti.

• Regolazione manuale: le operazioni manuali tramite i pulsanti del pannello regolano i livelli di tensione. Dopo aver completato le regolazioni di tensione, i programmi di visualizzazione mostrano i valori di tensione e corrente secondari del trasformatore, oltre alle azioni giornaliere del regolatore, garantendo un'operazione continua.

3.2 Specifico algoritmo di controllo del programma

Per soddisfare i requisiti degli utenti in termini di deviazione di tensione, è essenziale l'applicazione efficace di algoritmi di controllo. Ciò implica il calcolo di valori indipendenti dai punti di campionamento nel tempo da set di dati discreti attraverso operazioni matematiche, confrontandoli con le specifiche di progettazione e eseguendo operazioni logiche per regolare i cambiamenti di tap. Le formule di calcolo per misurare corrente, tensione e potenza attiva sono le seguenti:

(Nota: Le formule specifiche per la misurazione di corrente, tensione e potenza attiva non sono state fornite nel testo, ma generalmente coinvolgono calcoli standard di ingegneria elettrica come la legge di Ohm, i calcoli del fattore di potenza, ecc.)

Queste descrizioni forniscono una spiegazione dettagliata sul funzionamento del regolatore di tensione intelligente, la sua configurazione hardware e i processi software coinvolti nel mantenimento di una regolazione ottimale della tensione.

Nelle formule, i(k) e u(k) rappresentano il k-esimo valore di campionamento di corrente e di tensione, rispettivamente. A partire da questi, altre quantità come Q e cosφ possono essere derivate e calcolate.

4. Conclusione

Tramite i test del regolatore di tensione intelligente, questo documento ha riscontrato che il dispositivo può regolare efficacemente la tensione in un breve lasso di tempo, evitando problemi come sovratensioni e cortocircuiti, garantendo la stabilità della regolazione della tensione e ottenendo un effetto di regolazione della tensione relativamente ideale. Si può vedere che l'applicazione della tecnologia di controllo PLC nel regolatore di tensione intelligente può realizzare efficacemente la rilevazione e la regolazione automatica della tensione, accelerare la velocità di regolazione della tensione e l'operazione reale è relativamente semplice. Inoltre, durante la regolazione della tensione non si verifica alcun sovraccarico, e il computer superiore può monitorare in tempo reale vari stati di funzionamento del dispositivo, svolgendo un ruolo importante nella trasformazione e gestione delle stazioni di trasformazione e distribuzione.