Phân tích Ứng dụng Công nghệ Điều khiển PLC trong Máy điều chỉnh Điện áp Thông minh

Khi đánh giá chất lượng điện năng, điện áp là yếu tố ảnh hưởng quan trọng. Chất lượng điện áp thường được đánh giá bằng cách đo độ lệch điện áp, dao động, méo dạng sóng và độ đối xứng ba pha—trong đó độ lệch điện áp là chỉ số quan trọng nhất. Để đảm bảo chất lượng điện áp cao, thường yêu cầu phải điều chỉnh điện áp. Hiện nay, phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất để điều chỉnh điện áp là điều chỉnh bộ đổi nối phân áp của máy biến áp điện lực.

Bài báo này chủ yếu tích hợp công nghệ PLC và vi tính để thiết kế và phân tích một bộ ổn áp điện lực thông minh, cuối cùng đạt được việc điều chỉnh điện áp nhanh chóng đồng thời tránh hiện tượng quá áp tạm thời trong quá trình điều chỉnh.

1. Nguyên lý làm việc và các đặc điểm chính của bộ ổn áp điện lực thông minh

1.1 Nguyên lý làm việc chính

Bộ ổn áp điện lực thông minh bao gồm đơn vị chính và các đơn vị phụ trợ. Đơn vị chính gồm tụ điện sơ cấp và thứ cấp cùng với máy biến áp điều chỉnh, cho phép vừa bù công suất phản kháng vừa tự động điều chỉnh điện áp.

Các đơn vị phụ trợ bao gồm một đơn vị điều khiển thông minh và ba đơn vị thực thi điều chỉnh. Đơn vị điều khiển thông minh tạo ra và truyền lệnh điều khiển, được các đơn vị thực thi nhận không dây để thực hiện điều chỉnh điện áp thời gian thực trên đường dây phân phối.

Là thành phần cốt lõi, đơn vị điều khiển thông minh quyết định mức độ tự động hóa, trí tuệ và độ chính xác điều chỉnh của thiết bị. Nó giám sát chính xác điện áp feeder, tạo ra lệnh phù hợp và gửi đến mô-đun điều khiển bộ đổi nối phân áp nhằm duy trì điện áp feeder ở giá trị đặt mục tiêu. Các chức năng chính của nó bao gồm:

• Giám sát và điều khiển điện áp feeder theo thời gian thực—sửa chữa kịp thời mọi sai lệch;

• Giám sát và điều khiển dòng tải đầu ra theo thời gian thực;

• Cung cấp chức năng bảo vệ chống tình trạng mất điện áp, quá dòng và quá nhiệt.

1.2 Các đặc điểm chính

Bộ ổn áp điện lực thông minh mang lại những lợi thế sau đây:

• Chức năng kép: Đồng thời cung cấp bù công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp. Trong quá trình điều chỉnh điện áp, nó cũng bù một phần công suất phản kháng cho lưới điện, cải thiện hệ số công suất, ngăn ngừa hư hỏng đường dây, nâng cao khả năng chịu tải của lưới và đảm bảo chất lượng điện áp. Ngoài ra, nó có thể giám sát điện áp và dòng điện ba pha.

• Cấu trúc tối ưu và thân thiện với môi trường: Thiết kế sử dụng cách điện từng cấp để tăng cường độ bền điện môi. Truyền dữ liệu giữa đơn vị điều khiển và đơn vị thực thi dùng cách ly điện áp, cho phép truyền tín hiệu không cần dầu. Tất cả các cảm biến điện áp và dòng điện đều được tích hợp bên trong, loại bỏ nhu cầu về biến áp điện thế hoặc biến dòng bên ngoài—tăng độ tin cậy, ổn định và dễ dàng lắp đặt.

• Điều chỉnh điện áp thông minh: Tự động đo vị trí các đầu phân áp dựa trên ngưỡng do người dùng định nghĩa và tự sửa các cài đặt sai để đảm bảo vận hành ổn định của lưới.
  Hoạt động bộ đổi nối phân áp không cần bảo trì: Bằng cách nối tiếp máy biến áp điều chỉnh với các tụ bù công suất phản kháng, dòng ngắn mạch trong quá trình điều chỉnh điện áp giữ ở mức thấp, giảm thiểu ảnh hưởng khi vận hành.

• Bảo vệ thông minh: Liên tục giám sát tải đường dây và nhiệt độ máy biến áp; tự động thoát khỏi chế độ điều chỉnh khi phát hiện bất thường và khôi phục hoạt động khi điều kiện trở lại bình thường.

• Ghi nhật ký dữ liệu thời gian thực: Đơn vị điều khiển ghi chính xác điện áp, dòng điện và số lần thay đổi đầu phân áp trước và sau mỗi sự kiện điều chỉnh.

• Truyền thông không dây hiệu quả: Dữ liệu tại chỗ có thể được đọc trực tiếp, và các thông số điều chỉnh (ví dụ: khoảng thời gian, ngưỡng điện áp) có thể được điều chỉnh từ xa—giúp vận hành đơn giản hơn.

• Do có hiệu quả kinh tế cao, độ tin cậy và an toàn tốt, bộ ổn áp điện lực thông minh rất phù hợp để triển khai rộng rãi trong các lưới điện nông thôn, giảm đáng kể các vấn đề về độ lệch điện áp.

2. Ứng dụng công nghệ điều khiển PLC trong thiết kế phần cứng của bộ ổn áp điện lực thông minh

Dựa trên các yêu cầu chức năng và đặc điểm kỹ thuật của bộ ổn áp điện lực thông minh, kiến trúc phần cứng của nó được minh họa trong Hình 1.

2.1 Thiết lập hệ thống cơ bản của vi điều khiển

Hệ thống cơ bản của vi điều khiển chủ yếu sử dụng máy tính cá nhân công nghiệp (IPC), dùng thẻ CPU model All2In2One với bộ nhớ 256MB, trang bị hai cổng nối tiếp và một cổng song song. Ngoài ra, nó sử dụng chip tăng tốc đồ họa tương thích PCI2S3, kích thước card đồ họa từ 1 đến 2MB. Để nâng cao độ tin cậy hệ thống, các linh kiện tiêu thụ thấp được sử dụng nhằm giảm tiêu thụ dòng điện.

2.2 Cấu hình các kênh đầu vào

Trong quá trình thiết lập các kênh đầu vào, các tín hiệu đầu vào được xác định là tín hiệu thứ cấp từ biến điện áp và biến dòng. Các tín hiệu này trải qua xử lý điều kiện trước khi được chuyển đổi qua ADC để đưa vào MCU. Mạch điều kiện tín hiệu chủ yếu bao gồm biến dòng, biến điện áp và bộ khuếch đại thuật toán ba tầng. Biến dòng và biến điện áp hiệu quả chuyển đổi điện áp và dòng điện cao thành các giá trị nhỏ hơn với độ chính xác cao và độ tuyến tính tốt. Bộ khuếch đại thuật toán ba tầng khuếch đại các tín hiệu đã được chuyển đổi và chỉnh lưu này.

2.3 Cấu hình Đơn vị Điều khiển PLC

Đối với bộ điều chỉnh điện áp nguồn thông minh này, được lựa chọn sử dụng PLC dòng FP1 của Panasonic, có dung lượng chương trình lên đến 5000 bước, các lệnh vận hành đơn giản và chức năng toàn diện. Thiết bị cũng sử dụng cáp xoắn đôi RS485, đạt tốc độ truyền dữ liệu 100bps và cho phép kết nối mạng tối đa 32 PLC trong phạm vi 1200 mét. Mô hình PLC này sở hữu khả năng giám sát xuất sắc, có thể theo dõi sơ đồ thang và thời gian động theo thời gian thực nhằm đảm bảo việc điều chỉnh điện áp diễn ra ổn định.

2.4 Cấu hình Kênh Đầu ra

Các kênh đầu ra áp dụng phương pháp đầu ra logic. Để đạt được điều chỉnh điện áp ổn định thông qua điện áp chuyển mạch nhỏ nhất và dòng điện giao nhau thấp, cần phải kích hoạt tại điểm qua zero, đồng thời thiết lập các công tắc điện tử không tiếp điểm.

3. Ứng dụng Công nghệ Điều khiển PLC trong Thiết kế Phần mềm Bộ Điều chỉnh Điện áp Nguồn Thông minh

3.1 Quy trình Vận hành Cụ thể của Chương trình

Sau khi cấp nguồn và khởi động bộ điều chỉnh điện áp nguồn thông minh, cần thực hiện các thủ tục khởi tạo và tự kiểm tra. Sau khi tự kiểm tra thành công, hệ thống sẽ xác định thiết bị đang ở chế độ vận hành hay chế độ cấu hình. Trong chế độ cấu hình, người dùng có thể thiết lập các tham số bằng bàn phím thông qua việc truy cập menu cài đặt, chọn các thiết lập cụ thể và điều chỉnh giá trị bằng các phím tăng/giảm. Trong chế độ vận hành, hệ thống thực hiện lấy mẫu và lọc số, sau đó lựa chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phù hợp:

• Điều chỉnh Tự động: Thực hiện các chương trình tương ứng để xác định xem điện áp có nằm trong phạm vi quy định hay không. Nếu có, không cần điều chỉnh; nếu không, sẽ tiến hành điều chỉnh để đưa điện áp trở lại trong giới hạn.

• Điều chỉnh Thủ công: Người dùng thực hiện thao tác điều chỉnh mức điện áp bằng các nút bấm trên bảng điều khiển. Sau khi hoàn tất điều chỉnh điện áp, các chương trình hiển thị sẽ cho thấy giá trị điện áp và dòng điện thứ cấp của máy biến áp, cũng như các hoạt động hàng ngày của bộ điều chỉnh, đảm bảo hoạt động liên tục.

3.2 Thuật toán Điều khiển Chương trình Cụ thể

Để đáp ứng yêu cầu của người dùng về độ lệch điện áp, việc áp dụng hiệu quả các thuật toán điều khiển là rất cần thiết. Việc này bao gồm việc tính toán các giá trị độc lập với các thời điểm lấy mẫu từ các tập dữ liệu rời rạc thông qua các phép toán toán học, so sánh chúng với các thông số thiết kế và thực hiện các phép toán logic để điều chỉnh bộ đổi nối phân đoạn. Các công thức tính toán dòng điện, điện áp và công suất tác dụng như sau:

(Lưu ý: Các công thức cụ thể đo lường dòng điện, điện áp và công suất tác dụng không được cung cấp trong văn bản của bạn, nhưng thông thường bao gồm các phép tính kỹ thuật điện tiêu chuẩn như định luật Ohm, tính toán hệ số công suất, v.v.)

Các mô tả này cung cấp giải thích chi tiết về cách bộ điều chỉnh điện áp nguồn thông minh vận hành, cấu hình phần cứng của nó và các quá trình phần mềm liên quan đến việc duy trì điều chỉnh điện áp tối ưu.

Trong các công thức, i(k) và u(k) lần lượt biểu thị giá trị lấy mẫu dòng điện thứ k và giá trị lấy mẫu điện áp thứ k. Dựa vào các giá trị này, các đại lượng khác như Q và cosφ có thể được suy ra và tính toán.

4. Kết luận

Thông qua việc thử nghiệm bộ điều chỉnh điện áp nguồn thông minh, bài viết này nhận thấy thiết bị có thể hiệu chỉnh điện áp một cách hiệu quả trong thời gian ngắn, tránh được các sự cố như quá áp và ngắn mạch, đảm bảo sự ổn định trong điều chỉnh điện áp và đạt được hiệu quả điều chỉnh điện áp tương đối lý tưởng. Có thể thấy rằng việc ứng dụng công nghệ điều khiển PLC trong bộ điều chỉnh điện áp nguồn thông minh có thể thực hiện hiệu quả việc phát hiện và điều chỉnh điện áp tự động, tăng tốc độ điều chỉnh điện áp, đồng thời thao tác thực tế khá đơn giản. Hơn nữa, không xảy ra hiện tượng quá áp trong quá trình điều chỉnh điện áp, và máy tính trung tâm có thể giám sát theo thời gian thực mọi trạng thái làm việc của thiết bị, đóng vai trò lớn trong việc cải tạo và quản lý các trạm biến áp và trạm phân phối.