Анализ применения технологии управления ПЛК в интеллектуальных регуляторах напряжения электросети

При оценке качества электроэнергии напряжение является ключевым фактором. Качество напряжения обычно оценивается по отклонению напряжения, колебаниям, искажению формы волны и трехфазной симметрии, причем отклонение напряжения является наиболее важным показателем. Для обеспечения высокого качества напряжения, как правило, требуется регулирование напряжения. В настоящее время наиболее широко используемый и эффективный метод регулирования напряжения включает изменение положения переключателя ответвлений силовых трансформаторов.

В данной статье рассматривается интеграция технологий программируемых логических контроллеров (PLC) и микрокомпьютеров для проектирования и анализа интеллектуального регулятора напряжения, что позволяет достичь быстрого регулирования напряжения, избегая кратковременных скачков напряжения в процессе регулирования.

1. Принцип работы и основные особенности интеллектуального регулятора напряжения

1.1 Основной принцип работы

Интеллектуальный регулятор напряжения состоит из основного блока и вспомогательных блоков. Основной блок включает первичные и вторичные конденсаторы, а также регулирующий трансформатор, что позволяет осуществлять компенсацию реактивной мощности и автоматическое регулирование напряжения.

Вспомогательные блоки включают один интеллектуальный блок управления и три исполнительных блока регулирования. Интеллектуальный блок управления генерирует и передает команды управления, которые беспроводным способом принимаются исполнительными блоками, что позволяет осуществлять реальное регулирование напряжения на распределительной линии.

Как ключевой компонент, интеллектуальный блок управления определяет уровень автоматизации, интеллектуальности и точность регулирования устройства. Он точно мониторит напряжение фидера, генерирует соответствующие команды и отправляет их модулю управления переключателем ответвлений, чтобы поддерживать напряжение фидера на целевом уровне. Его основные функции включают:

• Реальное мониторинг и управление напряжением фидера — своевременная корректировка любых отклонений;

• Реальное мониторинг и управление выходным током нагрузки;

• Обеспечение защитных функций от недостаточного напряжения, перегрузки по току и перегрева.

1.2 Основные особенности

Интеллектуальный регулятор напряжения предлагает следующие преимущества:

• Двойная функциональность: одновременно обеспечивает компенсацию реактивной мощности и регулирование напряжения. Во время регулирования напряжения также частично компенсирует реактивную мощность сети, улучшая коэффициент мощности, предотвращая повреждение линий, увеличивая пропускную способность сети и обеспечивая качество напряжения. Кроме того, он может мониторить трехфазное напряжение и ток.

• Оптимизированная и экологически чистая структура: дизайн использует градуированную изоляцию для увеличения диэлектрической прочности. Передача данных между блоком управления и исполнительными блоками осуществляется с помощью изоляции напряжения, что позволяет передавать сигналы без использования масла. Все датчики напряжения и тока интегрированы внутренне, что исключает необходимость внешних потенциальных или токовых трансформаторов, повышая надежность, стабильность и облегчая установку.

• Интеллектуальное регулирование напряжения: автоматически измеряет положения переключателей на основе пороговых значений, заданных пользователем, и самостоятельно корректирует неточные настройки, обеспечивая стабильную работу сети.
  Бесперебойная работа переключателя: при последовательном соединении регулирующего трансформатора с конденсаторами реактивной компенсации, токи короткого замыкания во время регулирования остаются низкими, минимизируя воздействие на эксплуатацию.

• Интеллектуальная защита: постоянно мониторит нагрузку линии и температуру трансформатора; автоматически выходит из режима регулирования при обнаружении аномалий и возобновляет работу после нормализации условий.

• Реальное протоколирование данных: блок управления точно записывает напряжение, ток и количество изменений положения переключателя до и после каждого события регулирования.

• Эффективная беспроводная связь: данные на месте можно считывать напрямую, а параметры регулирования (например, интервалы времени, пороговые значения напряжения) можно удаленно настраивать, упрощая эксплуатацию.

• Учитывая его высокую экономическую эффективность, надежность и безопасность, интеллектуальный регулятор напряжения идеально подходит для широкого применения в сельских электросетях, значительно снижая проблемы отклонения напряжения.

2. Применение технологии управления PLC в аппаратном дизайне интеллектуального регулятора напряжения

На основе функциональных требований и технических спецификаций интеллектуального регулятора напряжения, его аппаратная архитектура представлена на рисунке 1.

2.1 Установка базовой системы микроконтроллера

Базовая система микроконтроллера в основном использует промышленный персональный компьютер (IPC), оснащенный процессорной картой модели All2In2One с объемом памяти 256 МБ, имеющей два последовательных и один параллельный интерфейс. Кроме того, используется графический ускоритель, совместимый с PCI2S3, с размером видеокарты от 1 до 2 МБ. Для повышения надежности системы используются низкопотребляющие компоненты, что снижает потребление тока.

2.2 Конфигурация входных каналов

При настройке входных каналов входные сигналы идентифицируются как вторичные сигналы от трансформаторов напряжения и тока. Эти сигналы подвергаются обработке, прежде чем преобразуются через АЦП для ввода в МК. Схема обработки сигналов в основном состоит из трансформаторов тока и напряжения, а также трехкаскадного операционного усилителя. Трансформаторы тока и напряжения эффективно преобразуют высокие напряжения и токи в меньшие с высокой точностью и хорошей линейностью. Трехкаскадный операционный усилитель усиливает эти преобразованные и выпрямленные сигналы.

2.3 Конфигурация блока управления ПЛК

Для этого интеллектуального регулятора напряжения выбран ПЛК серии FP1 от Panasonic, который предлагает программную емкость до 5000 шагов, простые команды управления и полный набор функций. Также используется кабель RS485 с витой парой, обеспечивающий скорость передачи данных 100 бит/с и позволяющий объединять до 32 ПЛК на расстоянии до 1200 метров. Эта модель ПЛК обладает отличными возможностями мониторинга, способна осуществлять мониторинг лестничных диаграмм и динамического тайминга в реальном времени, что обеспечивает плавное регулирование напряжения.

2.4 Конфигурация выходных каналов

Выходные каналы используют логические методы вывода. Для достижения стабильного регулирования напряжения с минимальным переключением напряжения и переходным током требуется нулевое переключение, а также установка бесконтактных электронных переключателей.

3. Применение технологии управления ПЛК в программном обеспечении интеллектуального регулятора напряжения

3.1 Конкретный процесс работы программы

После включения питания и запуска интеллектуального регулятора напряжения необходимо провести процедуры инициализации и самотестирования. После успешного самотестирования определяется, находится ли устройство в режиме работы или конфигурирования. В режиме конфигурирования параметры можно установить с помощью клавиатуры, войдя в меню настроек, выбрав конкретные параметры и изменяя значения с помощью кнопок вверх/вниз. В режиме работы происходит выборка и цифровая фильтрация, после чего выбираются подходящие методы регулирования напряжения:

• Автоматическое регулирование: выполняются соответствующие программы для определения, находится ли напряжение в заданном диапазоне. Если да, то корректировки не требуются; в противном случае производятся корректировки, чтобы вернуть напряжение в пределы допустимого диапазона.

• Ручное регулирование: ручные операции с помощью кнопок на панели управления для изменения уровня напряжения. После завершения регулирования напряжения программы отображения показывают значения вторичного напряжения и тока трансформатора, а также действия регулятора за день, обеспечивая непрерывную работу.

3.2 Конкретный алгоритм управления программой

Для удовлетворения требований пользователей к отклонению напряжения необходимо эффективное применение алгоритмов управления. Это включает в себя вычисление значений, независимых от точек выборки во времени, из дискретных наборов данных с использованием математических операций, сравнение их с проектными спецификациями и выполнение логических операций для регулирования переключателей. Формулы для измерения тока, напряжения и активной мощности следующие:

(Примечание: конкретные формулы для измерения тока, напряжения и активной мощности не были предоставлены в вашем тексте, но обычно они включают стандартные расчеты в области электротехники, такие как закон Ома, расчет коэффициента мощности и т.д.)

Эти описания предоставляют подробное объяснение того, как работает интеллектуальный регулятор напряжения, его аппаратная конфигурация и программные процессы, участвующие в поддержании оптимального регулирования напряжения.

В формулах i(k) и u(k) представляют собой k-е значение выборки тока и напряжения соответственно. На основе этих значений могут быть выведены и рассчитаны другие величины, такие как Q и cosφ.

4. Заключение

На основании тестирования интеллектуального регулятора напряжения данная статья приходит к выводу, что устройство может эффективно регулировать напряжение в короткое время, избегая проблем, таких как скачки и короткие замыкания, обеспечивая стабильность регулирования напряжения и достигая относительно идеального эффекта регулирования. Можно видеть, что применение технологии управления ПЛК в интеллектуальном регуляторе напряжения позволяет эффективно реализовать автоматическое обнаружение и регулирование напряжения, ускоряет скорость регулирования, а практическая эксплуатация относительно проста. Кроме того, при регулировании напряжения не возникает скачков, и верхний компьютер может в реальном времени мониторить различные рабочие состояния устройства, что играет важную роль в преобразовании и управлении подстанциями и распределительными станциями.