Analiza uporabe tehnologije PLC kontrole v pametnih napravah za regulacijo napetosti

Pri vrednotenju kakovosti energije je napetost ključni dejavnik. Kakovost napetosti se običajno ovrednoti z merjenjem odstopanja napetosti, nihanja, deformacije valovne oblike in simetrije treh fáz—odstopanje napetosti pa je najpomembnejši kazalnik. Za zagotavljanje visoke kakovosti napetosti je običajno potrebna regulacija napetosti. Trenutno najbolj široko uporabljena in učinkovita metoda za regulacijo napetosti vključuje prilagajanje tap changerja preobrazovalnikov električne energije.

Ta članek predvsem združuje tehnologije PLC in mikro računalnikov za izdelavo in analizo pametnega regulatorja napetosti, s tem dosežejo hitro regulacijo napetosti in izogibanje povremenim skokom napetosti med postopkom prilagajanja.

1. Delovni način in ključne značilnosti pametnega regulatorja napetosti

1.1 Glavni delovni način

Pametni regulator napetosti se sestoji iz glavnega enota in pomočnih enot. Glavni enot vključuje primarne in sekundarne kondenzatorje skupaj s preobrazovalnikom za regulacijo, omogoča tako kompenzacijo reaktivne moči kot tudi avtomatsko regulacijo napetosti.

Pomočne enote vključujejo eno pametno kontrolno enoto in tri izvršilne prilagoditvene enote. Pametna kontrolna enota ustvarja in posreduje ukaze, ki jih prejemajo izvršilne enote brezžično, omogoča tako realnočasno regulacijo napetosti na distribucijski vrstici.

Kot ključni sestavni del določa pametna kontrolna enota stopnjo avtomatizacije, inteligenca in natančnost regulacije naprave. Natančno spremlja napetost krmarne, generira primerne ukaze in jih pošlje v modul za nadzor tap changerja, da ohrani napetost krmarne pri ciljni referenci. Njegove glavne funkcije so:

• Realnočasno spremljanje in nadzor napetosti krmarne—hitro popravljanje odstopanj;

• Realnočasno spremljanje in nadzor izhodnega strujišča;

• Osnovne zaščitne funkcije proti premajhni napetosti, preveliki strmi in preseganju temperature.

1.2 Ključne značilnosti

Pametni regulator napetosti ponuja naslednje prednosti:

• Dvojno funkcionalnost: Hkrati zagotavlja kompenzacijo reaktivne moči in regulacijo napetosti. Med prilagajanjem napetosti delno kompenzira reaktivno moč mreže, izboljša faktor moči, preprečuje poškodbe vodov, izboljša nosilnost opterečenja mreže in zagotavlja kakovost napetosti. Prav tako lahko spremlja napetost in struj treh fáz.

• Optimizirana in ekološka struktura: Izvedba uporablja gradirano izolacijo za povečanje dielektrične trdosti. Podatkovna prenosa med kontrolno in izvršilnimi enotami uporablja izolacijo napetosti, omogoča prenos signalov brez olja. Vse senzorje napetosti in struje so notranje integrirani, kar odpravi potrebo po zunanji potencialni ali strujnih preobrazovalnikih—izboljša zanesljivost, stabilnost in lahkost namestitve.

• Pametna regulacija napetosti: Samodejno meri položaje tap changerja glede na uporabniško določene pragove in samodejno popravlja natančnost nastavitev za zagotavljanje stabilnega delovanja mreže.
  Delovanje tap changerja brez vzdrževanja: Z vezjo preobrazovalnika za regulacijo zaporedoma s kompenzacijskimi kondenzatorji ostanejo tokovi kratkega krožnega toka med prilagajanjem napetosti nizki, kar zmanjša operativni vpliv.

• Pametna zaščita: Neprekinjeno spremlja opterečenje vodov in temperaturu preobrazovalnika; samodejno zapusti način regulacije ob zaznavanju nenormalnosti in se znova začne delovati, ko se stanja normalizirajo.

• Realnočasno beleženje podatkov: Kontrolna enota natančno beleži napetost, struj in število sprememb tap changerja pred in po vsaki regulacijski dogodku.

• Učinkovita brezžična komunikacija: Lokalni podatki se lahko neposredno berijo, parametri regulacije (npr. časovni intervali, pragovi napetosti) pa se lahko oddaljeno prilagajajo—poenostavlja delovanje.

• Zaradi svoje visoke cene-kvalitete, zanesljivosti in varnosti je pameten regulator napetosti dobro primern za široko uporabo v podeželskih električnih mrežah, značilno zmanjša težave z odstopanjem napetosti.

2. Uporaba tehnologije PLC v hardverskem projektiranju pametnega regulatorja napetosti

Na podlagi funkcionalnih zahtev in tehničnih specifikacij pametnega regulatorja napetosti je njegov hardverski arhitektura prikazana na Sliki 1.

2.1 Namestitev osnovnega sistema mikrokontrolerja

Osnovni sistem mikrokontrolerja predvsem uporablja industrijski osebni računalnik (IPC), ki uporablja CPU kartico z imenom All2In2One s 256MB pomnilnika, z dvema serijskima in enim paralelnim vmesnikom. Poleg tega uporablja grafični pospeševalni čip, združljiv s PCI2S3, z velikostjo grafične kartice med 1 in 2 MB. Za izboljšanje zanesljivosti sistema se uporabljajo nizeležni komponente, da se zmanjša poraba struje.

2.2 Konfiguracija vhodnih kanalov

Med namestitvijo vhodnih kanalov so vhodni signali identificirani kot sekundarni signali iz preobrazovalnikov napetosti in struje. Ti signali prejdejo proces usmerjanja pred pretvorbo preko ADC za vhod v MCU. Usmerjalna vez se predvsem sestoji iz preobrazovalnikov struje in napetosti ter trofaznega operacijskega pojačevalnika. Preobrazovalniki struje in napetosti učinkovito pretvarjajo visoke napetosti in struje v manjše z visoko natančnostjo in dobro linearnostjo. Trofazni operacijski pojačevalnik pojačuje te pretvorjene in pravokotne signale.

2.3 Konfiguracija enote PLC kontrole

Za ta pametni napravnik za regulacijo napetosti je izbran Panasonic serija FP1 PLC, ki ponuja do 5000 korakov programske kapacitete, preproste operacijske ukaze in kompleksno funkcionalnost. Uporablja tudi RS485 kabel s številom parov, dosežejo prenospomočnost 100bps in omogočajo omrežje do 32 PLC-jev v razponu 1200 metrov. Ta model PLC-ja ima odlične možnosti nadzora, sposoben na realnem času spremljati lestvice in dinamično časiranje, da zagotovi gladko regulacijo napetosti.

2.4 Konfiguracija izhodnih kanalov

Izhodni kanali uporabljajo logične metode izhoda. Za dosego stabilne regulacije napetosti z minimalno spremembo napetosti in preklopne toka je potrebno aktivirati odklon na nič, poleg tega pa postaviti stikloske elektronske preklopnike.

3. Uporaba tehnologije PLC kontrole v programskem projektiranju pametnega napravnika za regulacijo napetosti

3.1 Specifičen operacijski postopek programa

Po vklopitvi in zagonu pametnega napravnika za regulacijo napetosti morajo biti izvedeni postopki inicializacije in samokontrole. Po uspešni samokontroli določi, ali se naprava nahaja v operacijskem načinu ali v načinu konfiguracije. V načinu konfiguracije lahko parametre nastavite s tipkovnico, tako da vstopite v meni za nastavitev, izberete specifične nastavitve in prilagodite vrednosti s gumbi gor/dol. V operacijskem načinu pride do vzorčenja in digitalnega filtriranja, nato pa se izberejo primerni načini regulacije napetosti:

• Samodejna regulacija: Izvaja ustrezne programe, da ugotovi, ali je napetost znotraj določenega obsega. Če je, ni potrebna nobena prilagoditev; sicer pa so potrebne prilagoditve, da bi napetost ponovno vrnili v obseg.

• Ročna regulacija: Ročne operacije preko gumbov na plošči prilagajajo ravni napetosti. Po zaključku prilagoditve napetosti programe prikaza prikazujejo napetost in tok drugega voda transformatorja ter dnevne akcije regulacije, kar zagotavlja neprekinjeno delovanje.

3.2 Specifični algoritem za nadzor programa

Za zadovoljitev zahtev uporabnikov glede odstopanj napetosti je ključno učinkovito uporabiti algoritme nadzora. To vključuje izračun vrednosti, neodvisnih od vzorčenih časovnih točk iz diskretnih podatkovnih nizov skozi matematične operacije, primerjanje z navodili za dizajn in izvajanje logičnih operacij za prilagoditve preklopnikov. Računske formule za merjenje toka, napetosti in dejanske moči so naslednje:

(Opomba: Specifične formule za merjenje toka, napetosti in dejanske moči niso bile v vašem besedilu navedene, a običajno vključujejo standardne elektrotehniške račune, kot so Ohmov zakon, računi faktorja moči itd.)

Ti opisi podajajo podrobno razlago, kako deluje pametni napravnik za regulacijo napetosti, njegova strojna konfiguracija in programski postopki, ki so vključeni v ohranjanje optimalne regulacije napetosti.

V formulah i(k) in u(k) predstavljata k-to vzorčno vrednost toka in napetosti, z njimi pa lahko izpeljemo in izračunamo druge količine, kot so Q in cosφ.

4. Zaključek

S testiranjem pametnega napravnika za regulacijo napetosti ta članek ugotavlja, da naprava lahko učinkovito prilagaja napetost v kratkem času, izogiba problemom, kot so valovi in kratki zapori, zagotavlja stabilnost regulacije napetosti in doseže relativno idealen učinek regulacije napetosti. Lahko se vidí, da uporaba tehnologije PLC kontrole v pametnem napravniku za regulacijo napetosti lahko učinkovito realizira avtomatsko zaznavanje in regulacijo napetosti, pospeši hitrost regulacije napetosti in dejansko delovanje je relativno preprosto. Poleg tega se med prilagajanjem napetosti ne pojavijo valovi, zgornji računalnik pa lahko v realnem času spremlja različne delovne stanje naprave, kar igra veliko vlogo pri preoblikovanju in upravljanju pretvorbnih in distribucijskih postaj.