PLC制御技術のインテリジェント電力電圧調整器における応用分析

電力品質を評価する際、電圧は重要な影響要因です。電圧品質は通常、電圧偏差、変動、波形歪み、および三相対称性を測定することで評価され、その中でも電圧偏差が最も重要な指標です。高品質な電圧を確保するためには、一般的に電圧調整が必要となります。現在、最も広く使用されて効果的な電圧調整方法は、電力変圧器のタップチェンジャーを調整することです。

本論文では主にPLCとマイコン技術を統合し、インテリジェントな電力電圧調整装置の設計と分析を行い、調整過程での瞬時電圧スパイクを避ける一方で迅速な電圧調整を実現します。

1. インテリジェント電力電圧調整装置の動作原理と主要特徴

1.1 主な動作原理

インテリジェント電力電圧調整装置は、メインユニットと補助ユニットから構成されています。メインユニットは一次および二次キャパシタと調整変圧器を含み、無効電力補償と自動電圧調整の両方を可能にします。

補助ユニットには、1つのインテリジェント制御ユニットと3つの実行調整ユニットが含まれます。インテリジェント制御ユニットは制御コマンドを生成し送信し、実行ユニットが無線で受信して配電線路上でのリアルタイム電圧調整を可能にします。

インテリジェント制御ユニットは、デバイスの自動化レベル、知能度、および調整精度を決定する中心的な部品です。フィーダー電圧を正確に監視し、適切なコマンドを生成し、タップチェンジャーコントロールモジュールに送信してフィーダー電圧を目標値に保ちます。その主な機能は以下の通りです：

• フィーダー電圧のリアルタイム監視と制御—即座に偏差を修正；

• 出力負荷電流のリアルタイム監視と制御；

• 低電圧、過電流、過熱条件に対する保護機能の提供。

1.2 主要特徴

インテリジェント電力電圧調整装置は以下の利点を提供します：

• 二重機能：無効電力補償と電圧調整を同時に提供します。電圧調整中にグリッドの無効電力を部分的に補償し、力率を改善し、線路の損傷を防ぎ、グリッドの負荷容量を向上させ、電圧品質を確保します。さらに、三相電圧と電流を監視することができます。

• 最適化された環境に優しい構造：設計では段階的な絶縁を使用して誘電強度を増加させています。制御ユニットと実行ユニット間のデータ伝送は電圧絶縁を使用しており、オイルフリー信号伝送が可能です。すべての電圧および電流センサーは内部に統合されているため、外部の電位または電流変圧器は不要になり、信頼性、安定性、設置の容易さが向上します。

• インテリジェント電圧調整：ユーザー定義のしきい値に基づいてタップ位置を自動的に測定し、不正確な設定を自己修正して安定したグリッド運転を確保します。
  メンテナンスフリーのタップチェンジャーオペレーション：調整変圧器を無効電力補償キャパシタと直列に接続することで、電圧調整中の短絡電流が低く抑えられ、運用上の影響が最小限に抑えられます。

• インテリジェント保護：継続的にライン負荷と変圧器温度を監視し、異常を検出した場合に自動的に調整モードを退出し、状況が正常に戻ったときに再開します。

• リアルタイムデータ記録：制御ユニットは各調整イベント前後の電圧、電流、およびタップ変更回数を正確に記録します。

• 効率的な無線通信：現場のデータを直接読み取り、調整パラメータ（例：時間間隔、電圧しきい値）を遠隔で調整できるため、操作が簡素化されます。

• 高いコスト効率、信頼性、安全性により、インテリジェント電力電圧調整装置は農村電力網での広範な展開に適しており、電圧偏差問題を大幅に削減します。

2. インテリジェント電力電圧調整装置のハードウェア設計におけるPLC制御技術の応用

インテリジェント電力電圧調整装置の機能要件と技術仕様に基づき、そのハードウェアアーキテクチャは図1に示されています。

2.1 マイクロコントローラ基本システムの設定

マイクロコントローラ基本システムは主に産業用パーソナルコンピュータ（IPC）を採用し、256MBのメモリを持つCPUカードモデルAll2In2Oneを使用しています。このカードは2つのシリアルインターフェースと1つのパラレルインターフェースを備えています。また、PCI2S3互換のグラフィックスアクセラレーションチップを使用しており、グラフィックカードサイズは1〜2MBです。システムの信頼性を高めるために、低消費電力の部品を使用して電流消費を抑制しています。

2.2 入力チャネルの設定

入力チャネルの設定では、入力信号は電圧および電流変圧器からの二次信号として識別されます。これらの信号はADCへの変換前にコンディショニングを受けます。信号コンディショニング回路は主に電流および電圧変圧器と三段構成のオペアンプで構成されています。電流および電圧変圧器は高電圧および高電流を高精度かつ良好な直線性で小さな値に変換します。三段構成のオペアンプはこれらの変換および整流された信号を増幅します。

2.3 PLC制御ユニットの設定

この知能電力電圧調整器には、最大5000ステップのプログラム容量を持つパナソニックFP1シリーズPLCが選択されています。これは操作コマンドがシンプルで機能が充実しており、RS485ツイステッドペアケーブルを使用して100bpsの伝送速度を達成し、1200メートルの範囲内で最大32台のPLCをネットワーク化することができます。このPLCモデルは優れた監視能力を持ち、ラダーダイアグラムと動的タイミングをリアルタイムで監視することで、滑らかな電圧調整を確保します。

2.4 出力チャネルの設定

出力チャネルは論理出力方式を採用しています。最小限のスイッチング電圧とクロスオーバー電流を通じて安定した電圧調整を達成するためには、ゼロクロストリガリングが必要であり、接触のない電子スイッチを設置する必要があります。

3. 知能電力電圧調整器のソフトウェア設計におけるPLC制御技術の応用

3.1 プログラムの具体的な動作プロセス

知能電力電圧調整器に電源を入れて起動すると、初期化と自己診断手順を行う必要があります。自己診断が成功したら、デバイスが動作モードか設定モードであるかを決定します。設定モードでは、キーボードを使用して設定メニューに入り、特定の設定を選択し、上下キーで値を調整できます。動作モードでは、サンプリングとデジタルフィルタリングが行われた後、適切な電圧調整方法を選択します：

• 自動調整：対応するプログラムを実行して電圧が指定範囲内にあるかどうかを判断します。そうであれば調整は必要ありませんが、そうでなければ電圧を範囲内に戻すために調整を行います。

• 手動調整：パネルボタンによる手動操作で電圧レベルを調整します。電圧調整が完了したら、表示プログラムが変圧器の二次電圧と電流値、および日次の調整器動作を示し、継続的な動作を確保します。

3.2 プログラム制御の具体的なアルゴリズム

ユーザーの電圧偏差要件を満たすためには、制御アルゴリズムの効果的な適用が不可欠です。これは離散データセットからサンプリング時間点に依存しない値を数学的操作によって計算し、設計仕様と比較し、タップチェンジャーの調整のために論理操作を行うことを含みます。電流、電圧、有効電力の測定のための計算式は以下の通りです：

(注：具体的な電流、電圧、有効電力測定の公式はテキストに提供されていませんが、通常はオームの法則、力率計算などの標準的な電気工学計算が含まれます)

これらの説明は、知能電力電圧調整器の動作方法、ハードウェア構成、および最適な電圧調整を維持するためのソフトウェアプロセスについて詳細に説明しています。

公式において、i(k)とu(k)はそれぞれk番目の電流サンプリング値と電圧サンプリング値を表します。これらに基づいてQやcosφなどの他の量を導き計算することができます。

4. 結論

知能電力電圧調整器のテストを通じて、本論文はデバイスが短時間で効果的に電圧を調整できることを見いだしました。これにより、スパイクやショートサーキットなどの問題を回避し、電圧調整の安定性を確保し、比較的理想的な電圧調整効果を達成することができます。PLC制御技術を知能電力電圧調整器に応用することで、電圧の自動検出と調整を効果的に実現し、電圧調整の速度を加速し、実際の操作は比較的簡単です。さらに、電圧調整中にスパイクが発生せず、上位コンピュータがデバイスの様々な動作状態をリアルタイムで監視できるため、変電所や配電所の変革と管理において大きな役割を果たします。