Analiza zastosowania technologii sterowania PLC w inteligentnych regulatorach napięcia elektrycznego

Przy ocenie jakości zasilania napięcie jest kluczowym czynnikiem wpływającym na nie. Jakość napięcia jest zwykle oceniana przez pomiar odchylenia napięcia, fluktuacji, zniekształcenia falowego i symetrii trójfazowej — gdzie odchylenie napięcia jest najważniejszym wskaźnikiem. Aby zapewnić wysoką jakość napięcia, wymagana jest regulacja napięcia. Obecnie najpowszechniej stosowaną i skuteczną metodą regulacji napięcia jest dostosowywanie przestawiacza zwinięć transformatorów.

Niniejsza praca przede wszystkim integruje technologie PLC i mikrokomputerowe w celu zaprojektowania i analizy inteligentnego regulatora napięcia zasilania, osiągając ostatecznie szybką regulację napięcia, unikając jednocześnie przejściowych wzrostów napięcia podczas procesu regulacji.

1. Zasada działania i główne cechy inteligentnego regulatora napięcia zasilania

1.1 Główna zasada działania

Inteligentny regulator napięcia zasilania składa się z jednostki głównej i pomocniczych. Jednostka główna obejmuje kondensatory główne i wtórne oraz transformator regulacyjny, umożliwiając zarówno kompensację biernej mocy, jak i automatyczną regulację napięcia.

Jednostki pomocnicze obejmują jedną inteligentną jednostkę sterującą i trzy jednostki wykonawcze do regulacji. Inteligentna jednostka sterująca generuje i wysyła polecenia sterujące, które są bezprzewodowo odbierane przez jednostki wykonawcze, umożliwiając realną regulację napięcia na linii dystrybucyjnej.

Jako rdzeń systemu, inteligentna jednostka sterująca określa poziom automatyzacji, inteligencji i dokładności regulacji urządzenia. Precyzyjnie monitoruje napięcie linii zasilającej, generuje odpowiednie polecenia i wysyła je do modułu sterowania przestawiaczem zwinięć, aby utrzymać napięcie linii zasilającej na ustawionym punkcie docelowym. Jej główne funkcje to:

• Monitorowanie i sterowanie w czasie rzeczywistym napięciem linii zasilającej — natychmiastowa korekcja wszelkich odchylen;

• Monitorowanie i sterowanie w czasie rzeczywistym prądem obciążenia wyjściowego;

• Dostarczanie funkcji ochronnych przed niedociśnięciem, nadprądami i przegrzewaniem.

1.2 Główne cechy

Inteligentny regulator napięcia zasilania oferuje następujące zalety:

• Podwójna funkcjonalność: jednoczesna kompensacja biernej mocy i regulacja napięcia. Podczas regulacji napięcia częściowo kompensuje reaktywną moc sieci, zwiększając współczynnik mocy, zapobiegając uszkodzeniom linii, zwiększając zdolność obciążenia sieci i zapewniając jakość napięcia. Dodatkowo, może monitorować napięcie i prąd trójfazowy.

• Optymalizowana i ekologiczna struktura: projekt wykorzystuje stopniową izolację, aby zwiększyć siłę dielektryczną. Transmisja danych między jednostkami sterującymi a wykonawczymi odbywa się przy użyciu izolacji napięciowej, umożliwiając bezolejową transmisję sygnałów. Wszystkie czujniki napięcia i prądu są zintegrowane wewnętrznie, eliminując potrzebę zewnętrznego potencjalometru lub transformatora prądu — zwiększając niezawodność, stabilność i łatwość instalacji.

• Inteligentna regulacja napięcia: automatyczne mierzenie pozycji zwinięć na podstawie progów zdefiniowanych przez użytkownika i samokorekta niepoprawnych ustawień, aby zapewnić stabilną pracę sieci.
  Bezserwisowa operacja przestawiacza zwinięć: poprzez połączenie transformatora regulacyjnego szeregowo z kondensatorami kompensacji reaktywnej, prądy zwarciowe podczas regulacji napięcia pozostają niskie, minimalizując wpływ na działanie.

• Inteligentna ochrona: ciągłe monitorowanie obciążenia linii i temperatury transformatora; automatyczne wyjście z trybu regulacji w przypadku wykrycia anomalii i powrót do działania po normalizacji warunków.

• Rejestrowanie danych w czasie rzeczywistym: jednostka sterująca precyzyjnie zapisuje napięcie, prąd i liczbę zmian zwinięć przed i po każdym zdarzeniu regulacji.

• Skuteczna komunikacja bezprzewodowa: dane z terenu mogą być odczytywane bezpośrednio, a parametry regulacji (np. interwały czasowe, progi napięcia) mogą być dostosowane zdalnie — upraszczając operacje.

• Z uwagi na wysoką rentowność, niezawodność i bezpieczeństwo, inteligentny regulator napięcia zasilania jest dobrze przystosowany do szerokiego wdrożenia w sieciach zasilania wiejskich, znacznie redukując problemy z odchyleniami napięcia.

2. Zastosowanie technologii sterowania PLC w konstrukcji sprzętowej inteligentnego regulatora napięcia zasilania

Na podstawie wymagań funkcjonalnych i specyfikacji technicznych inteligentnego regulatora napięcia zasilania, jego architektura sprzętowa jest przedstawiona na Rysunku 1.

2.1 Ustawienie podstawowego systemu mikrokontrolera

Podstawowy system mikrokontrolera głównie wykorzystuje przemysłowy komputer osobisty (IPC), z wykorzystaniem karty CPU modelu All2In2One z pamięcią 256MB, wyposażonej w dwa interfejsy szeregowe i jeden równoległy. Dodatkowo, używa chipa akceleracji graficznej zgodnego z PCI2S3, z rozmiarem karty graficznej od 1 do 2MB. Aby zwiększyć niezawodność systemu, wykorzystywane są komponenty niskiego poboru, aby zmniejszyć zużycie prądu.

2.2 Konfiguracja kanałów wejściowych

Podczas ustawiania kanałów wejściowych, sygnały wejściowe są identyfikowane jako drugorzędne sygnały z transformatorów napięcia i prądu. Te sygnały są przetwarzane przed konwersją ADC i wprowadzeniem do MCU. Układ przetwarzający sygnały składa się głównie z transformatorów prądu i napięcia oraz trójstoppowego wzmacniacza operacyjnego. Transformatory prądu i napięcia efektywnie przekształcają wysokie napięcia i prądy w mniejsze, z wysoką precyzją i dobrą liniowością. Trójstoppowy wzmacniacz operacyjny wzmacnia te przekonwertowane i prostowane sygnały.

2.3 Konfiguracja jednostki sterującej PLC

Dla tego inteligentnego regulatora napięcia zasilania wybrano serię Panasonic FP1 PLC, oferującą pojemność programową do 5000 kroków, proste polecenia operacyjne i kompleksowe funkcje. Wykorzystuje ona przewody splącane RS485, osiągając prędkość transmisji 100bps i umożliwiając sieciowanie do 32 PLC w zakresie 1200 metrów. Ten model PLC charakteryzuje się doskonałymi możliwościami monitorowania, które umożliwiają rzeczywiste monitorowanie diagramów drabinkowych i dynamicznego czasu, zapewniając płynną regulację napięcia.

2.4 Konfiguracja kanałów wyjściowych

Kanały wyjściowe wykorzystują metody logicznego wyjścia. Aby osiągnąć stabilną regulację napięcia przy minimalnej zmianie napięcia i prądu przełącznikowego, wymagane jest wyzwalanie na zerowym przebiegu, obok ustawienia bezkontaktowych przełączników elektronicznych.

3. Zastosowanie technologii sterowania PLC w projektowaniu oprogramowania inteligentnego regulatora napięcia zasilania

3.1 Szczegółowy proces działania programu

Po włączeniu i uruchomieniu inteligentnego regulatora napięcia zasilania należy przeprowadzić procedury inicjalizacji i samodiagnostyki. Po udanej samodiagnozie ustala się, czy urządzenie znajduje się w trybie pracy, czy konfiguracji. W trybie konfiguracji parametry można ustawić za pomocą klawiatury, wprowadzając menu ustawień, wybierając konkretne ustawienia i dostosowując wartości za pomocą klawiszy górny/dolny. W trybie pracy następuje próbkowanie i cyfrowe filtrowanie, po czym wybiera się odpowiednie metody regulacji napięcia:

• Automatyczna regulacja: Wykonuje odpowiednie programy, aby ocenić, czy napięcie mieści się w określonym zakresie. Jeśli tak, nie ma potrzeby dostosowywania; w przeciwnym razie dokonuje się dostosowań, aby przywrócić napięcie w granicach.

• Ręczna regulacja: Ręczne operacje za pomocą przycisków panelu dostosowują poziomy napięcia. Po zakończeniu dostosowywania napięcia, programy wyświetlacza pokazują napięcie i wartość prądu wtórne transformatora, jak również codzienne działania regulatora, zapewniając ciągłą pracę.

3.2 Szczegółowy algorytm sterowania programem

Aby spełnić wymagania użytkownika dotyczące odchylenia napięcia, niezbędne jest skuteczne zastosowanie algorytmów sterujących. Obejmuje to obliczanie wartości niezależnych od punktów próbkowania ze zbiorów danych dyskretnych poprzez operacje matematyczne, porównywanie ich ze specyfikacjami projektowymi i wykonanie operacji logicznych do dostosowywania przełączników stawek. Formuły obliczeniowe dla pomiaru prądu, napięcia i mocy czynnej są następujące:

(Uwaga: Dokładne formuły do pomiaru prądu, napięcia i mocy czynnej nie zostały podane w tekście, ale zwykle obejmują standardowe obliczenia inżynierii elektrycznej, takie jak prawo Ohma, obliczenia współczynnika mocy itp.)

Te opisy dostarczają szczegółowego wyjaśnienia, jak działa inteligentny regulator napięcia zasilania, jego konfiguracja sprzętowa oraz procesy oprogramowania związane z utrzymaniem optymalnej regulacji napięcia.

W formułach, i(k) i u(k) reprezentują odpowiednio k-tą wartość próbkowania prądu i napięcia. Na tej podstawie można wywieść i obliczyć inne wielkości, takie jak Q i cosφ.

4. Podsumowanie

Przez przetestowanie inteligentnego regulatora napięcia zasilania, ten artykuł stwierdza, że urządzenie może efektywnie dostosować napięcie w krótkim czasie, unikając problemów, takich jak spadki napięcia i zwarcia, zapewniając stabilność regulacji napięcia i osiągając stosunkowo idealny efekt regulacji napięcia. Można zauważyć, że zastosowanie technologii sterowania PLC w inteligentnym regulatorze napięcia zasilania może efektywnie realizować automatyczne wykrywanie i regulację napięcia, przyspieszać tempo regulacji napięcia, a praca jest względnie prosta. Ponadto, podczas regulacji napięcia nie występują spadki napięcia, a komputer górny może w czasie rzeczywistym monitorować różne stany pracy urządzenia, co odgrywa dużą rolę w transformacji i zarządzaniu stacjami transformatorowymi i rozdzielczymi.