Аналіз застосування технології керування ПЛК у інтелектуальних регуляторах напруги електроенергії

При оцінці якості електроенергії напруга є критичним чинником впливу. Якість напруги зазвичай оцінюється шляхом вимірювання відхилення напруги, коливань, спотворення форми хвилі та симетрії трифазної системи, при цьому відхилення напруги є найважливішим показником. Для забезпечення високої якості напруги, як правило, потрібне регулювання напруги. На даний момент найпоширенішим і найефективнішим методом регулювання напруги є регулювання перемикача відгалужень силових трансформаторів.

У цій роботі головним чином інтегруються технології PLC і мікрокомп'ютера для проектування та аналізу інтелектуального регулятора напруги живлення, що в підсумку забезпечує швидке регулювання напруги з уникненням перехідних стрибків напруги під час процесу налаштування.

1. Принцип роботи та ключові особливості інтелектуального регулятора напруги живлення

1.1 Основний принцип роботи

Інтелектуальний регулятор напруги живлення складається з основного блоку та допоміжних блоків. Основний блок включає первинні та вторинні конденсатори разом із регулювальним трансформатором, що дозволяє одночасно компенсувати реактивну потужність і автоматично регулювати напругу.

Допоміжні блоки включають один інтелектуальний блок керування та три блоки виконавчого регулювання. Інтелектуальний блок керування генерує та передає команди керування, які приймаються виконавчими блоками бездротовим способом для забезпечення регулювання напруги в реальному часі на лінії розподілу.

Як основний компонент, інтелектуальний блок керування визначає рівень автоматизації, інтелектуальність та точність регулювання пристрою. Він точно контролює напругу фідера, генерує відповідні команди та надсилає їх до модуля керування перемикачем відгалужень для підтримки напруги фідера на заданому значенні. До його основних функцій входять:

• Моніторинг і керування напругою фідера в реальному часі — негайне виправлення будь-яких відхилень;

• Моніторинг і керування струмом вихідного навантаження в реальному часі;

• Забезпечення захисних функцій від недостатньої напруги, надструму та перегріву.

1.2 Ключові особливості

Інтелектуальний регулятор напруги живлення має такі переваги:

• Подвійна функціональність: одночасно забезпечує компенсацію реактивної потужності та регулювання напруги. Під час регулювання напруги він також частково компенсує реактивну потужність мережі, поліпшуючи коефіцієнт потужності, запобігаючи пошкодженню ліній, підвищуючи пропускну здатність мережі та забезпечуючи якість напруги. Крім того, може контролювати трифазну напругу та струм.

• Оптимізована та екологічна конструкція: дизайн використовує ступінчасту ізоляцію для підвищення діелектричної міцності. Передача даних між блоками керування та виконання використовує гальванічну роздільну ізоляцію, що дозволяє передавати сигнали без масла. Усі датчики напруги та струму інтегровані внутрішньо, що усуває необхідність у зовнішніх трансформаторах напруги або струму — підвищує надійність, стабільність та простоту встановлення.

• Інтелектуальне регулювання напруги: автоматично вимірює положення відгалужень на основі порогових значень, заданих користувачем, і самостійно коригує неточні налаштування для забезпечення стабільної роботи мережі.
  Робота перемикача відгалужень без обслуговування: шляхом послідовного підключення регулювального трансформатора до конденсаторів компенсації реактивної потужності струми короткого замикання під час регулювання напруги залишаються низькими, мінімізуючи вплив на роботу.

• Інтелектуальний захист: постійно контролює навантаження лінії та температуру трансформатора; автоматично виходить із режиму регулювання при виявленні аномалій і відновлює роботу після нормалізації умов.

• Реєстрація даних у реальному часі: блок керування точно фіксує напругу, струм та кількість перемикань відгалужень до та після кожного події регулювання.

• Ефективний бездротовий зв'язок: дані на місці можна зчитувати безпосередньо, а параметри регулювання (наприклад, часові інтервали, пороги напруги) можна налаштовувати дистанційно — спрощує експлуатацію.

• З огляду на високу ефективність, надійність і безпеку, інтелектуальний регулятор напруги живлення добре підходить для масового розгортання в сільських електромережах, значно зменшуючи проблеми відхилення напруги.

2. Застосування технології керування PLC у проектуванні апаратного забезпечення інтелектуального регулятора напруги живлення

На основі функціональних вимог і технічних характеристик інтелектуального регулятора напруги живлення його архітектура апаратного забезпечення показана на малюнку 1.

2.1 Налаштування базової системи мікроконтролера

Базова система мікроконтролера в основному використовує промисловий персональний комп'ютер (IPC), використовуючи карту CPU моделі All2In2One з 256 МБ оперативної пам'яті, що має два послідовні та один паралельний інтерфейс. Крім того, використовується графічний прискорювальний чіп, сумісний з PCI2S3, розмір відеокарти варіюється від 1 до 2 МБ. Для підвищення надійності системи використовуються низьковольтні компоненти для зменшення споживання струму.

2.2 Конфігурація вхідних каналів

Під час налаштування вхідних каналів вхідні сигнали визначаються як вторинні сигнали від трансформаторів напруги та струму. Ці сигнали проходять обробку перед перетворенням через АЦП для введення в MCU. Ланцюг обробки сигналів складається в основному з трансформаторів струму та напруги разом із триступеневим операційним підсилювачем. Трансформатори струму та напруги ефективно перетворюють високі напруги та струми на менші з високою точністю та хорошою лінійністю. Триступеневий операційний підсилювач підсилює ці перетворені та випрямлені сигнали.

2.3 Налаштування модуля керування ПЛК

Для цього інтелектуального регулятора напруги було вибрано серію ПЛК Panasonic FP1, яка пропонує до 5000 кроків програмної ємності, прості команди управління та повну функціональність. Використовуються парні кабелі RS485, що забезпечує швидкість передачі даних 100 біт/сек і можливість мережевого з'єднання до 32 ПЛК на відстані до 1200 метрів. Ця модель ПЛК має високі моніторингові можливості, здатна до реального часу моніторити ладинкові діаграми та динамічний часовий розрахунок для забезпечення плавного регулювання напруги.

2.4 Налаштування вихідних каналів

Вихідні канали використовують логічні методи виводу. Для досягнення стабільного регулювання напруги за допомогою мінімальної комутації напруги та перетинного струму необхідне запускання на нульовому переході, а також встановлення безконтактних електронних ключів.

3. Застосування технології керування ПЛК у програмному забезпеченні інтелектуального регулятора напруги

3.1 Специфічний процес роботи програми

Після увімкнення та запуску інтелектуального регулятора напруги проводяться процедури ініціалізації та самоперевірки. Після успішної самоперевірки визначається, чи знаходиться пристрій у режимі роботи або конфігурації. У режимі конфігурації параметри можна встановлювати за допомогою клавіатури, вводячи меню налаштувань, вибираючи конкретні налаштування та коригуючи значення за допомогою кнопок вгору/вниз. У режимі роботи відбувається зразок та цифрова фільтрація, після чого вибираються відповідні методи регулювання напруги:

• Автоматичне регулювання: виконуються відповідні програми для визначення, чи знаходиться напруга в заданому діапазоні. Якщо так, то немає потреби у коригуванні; інакше, вносяться зміни, щоб повернути напругу в межі.

• Ручне регулювання: ручні операції через кнопки панелі коригують рівні напруги. Після завершення коригування напруги, програми відображення показують вторинну напругу та значення струму трансформатора, а також щоденні дії регулятора, забезпечуючи безперервну роботу.

3.2 Специфічний алгоритм керування програмою

Для задоволення потреб користувача щодо відхилення напруги, важливо ефективно застосовувати алгоритми керування. Це включає обчислення значень, незалежних від дискретних точок зразку, через математичні операції, порівняння їх з проектними специфікаціями та виконання логічних операцій для коригування кількості вставок. Формули для вимірювання струму, напруги та активної потужності наступні:

(Примітка: Конкретні формули для вимірювання струму, напруги та активної потужності не надані у вашому тексті, але зазвичай включають стандартні розрахунки електротехніки, такі як закон Ома, розрахунки коефіцієнта мощності тощо.)

Ці описи надають детальне пояснення про те, як працює інтелектуальний регулятор напруги, його апаратне забезпечення та програмні процеси, що використовуються для підтримки оптимального регулювання напруги.

У формулах i(k) та u(k) представляють k-те значення зразку струму та напруги відповідно. На основі цього, можна отримати та розрахувати інші величини, такі як Q та cosφ.

4. Висновки

Шляхом тестування інтелектуального регулятора напруги, ця стаття знайшла, що пристрій може ефективно регулювати напругу за короткий час, уникати проблем, таких як випромінювання та короткі замикання, забезпечуючи стабільність регулювання напруги та досягаючи відносно ідеального ефекту регулювання напруги. Видно, що застосування технології керування ПЛК у інтелектуальному регуляторі напруги може ефективно реалізувати автоматичне виявлення та регулювання напруги, прискорити швидкість регулювання напруги, а фактична робота є відносно простою. Крім того, при регулюванні напруги не виникає випромінювання, а верхній комп'ютер може в реальному часі моніторити різні робочі стани пристрою, що відіграє велику роль у трансформації та управлінні підстанціями та розподільчими станціями.