楚清河 聶貞 楚云飛 李衛(wèi)華

（華北水利水電學(xué)院 電力學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

電壓和無功是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。電壓偏移過大會(huì)影響用電設(shè)備的運(yùn)行特性，而且還影響到用電設(shè)備所取用的功率，對(duì)系統(tǒng)帶來不利影響，如異步電動(dòng)機(jī)。而無功功率與系統(tǒng)電壓水平是密切相關(guān)的。無功功率從電源端經(jīng)線路和變壓器向負(fù)荷端輸送，在傳輸過程中要產(chǎn)生電壓損耗（高壓線路和變壓器的電壓損耗主要取決于通過的無功功率），無功功率潮流的變化也會(huì)相應(yīng)的引起電壓損耗的變化。無功電源的不足會(huì)引起系統(tǒng)電壓水平的下降，還會(huì)使電網(wǎng)損耗增加。因而維持無功潮流的合理平衡對(duì)提高供電質(zhì)量，保證系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，農(nóng)村負(fù)荷迅速增加，同時(shí)電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性負(fù)載也迅速增加。由于我國農(nóng)村電網(wǎng)水平較落后，無功補(bǔ)償能力比較弱，電網(wǎng)功率因數(shù)長期處于較低的狀態(tài)，電壓質(zhì)量較差，網(wǎng)損也很高。但隨著農(nóng)網(wǎng)改造工程的進(jìn)行，在農(nóng)村建立了許多小型變電站，通過在這些變電站中集中裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，可有效補(bǔ)償負(fù)荷所需的無功及變壓器中的無功消耗，從而提高其進(jìn)線功率因數(shù)和母線電壓，減少網(wǎng)絡(luò)中的無功流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無功功率分層、分區(qū)平衡，改善電壓質(zhì)量，使大多數(shù)地區(qū)達(dá)到農(nóng)村電網(wǎng)無功合理補(bǔ)償?shù)哪康?。?dòng)態(tài)分組投切電容器組是一種適合小型變電站的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的無功補(bǔ)償方法。但在實(shí)際投切中，總是出現(xiàn)過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償?shù)雀鞣N問題。本文針對(duì)目前農(nóng)村小型變電所中無功補(bǔ)償裝置的不合理性，結(jié)合一所小型化變電站的實(shí)際運(yùn)行方式和控制方式，通過設(shè)置電容器的投切判據(jù)，設(shè)計(jì)了一套基于s7－200PLC的無功綜合控制裝置，實(shí)現(xiàn)了無功的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償，并通過控制器上的通訊擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，達(dá)到了改善功率因數(shù)、調(diào)整電壓、降低損耗的目的，對(duì)農(nóng)網(wǎng)改造中新建小型變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化有實(shí)際的貢獻(xiàn)意義。

1 農(nóng)網(wǎng)中小型變電站電容器無功補(bǔ)償存在的問題

1.1 過補(bǔ)償

在部分農(nóng)村小型化變電所的實(shí)際運(yùn)行中，電容器投入運(yùn)行后，常出現(xiàn)過補(bǔ)償情況，向電網(wǎng)倒送無功，電網(wǎng)電壓升高，危害電網(wǎng)和設(shè)備安全運(yùn)行，增加網(wǎng)損，電壓合格率降低，通過調(diào)整主變電壓分接頭，雖然能夠降低電網(wǎng)電壓，但仍然不能解決向電網(wǎng)倒送無功問題，這種情況在運(yùn)行中的農(nóng)村小型化變電所存在較多。

1.2 欠補(bǔ)償

在部分農(nóng)村小型化變電所的實(shí)際運(yùn)行中，電容器投入運(yùn)行后，出現(xiàn)欠補(bǔ)償情況，不能充分補(bǔ)償電網(wǎng)無功，功率因數(shù)低，電網(wǎng)電壓低，危害電網(wǎng)和設(shè)備安全運(yùn)行，增加網(wǎng)損，電壓合格率降低，雖然調(diào)整主變電壓分接頭能夠升高電網(wǎng)電壓，但仍然不能解決充分補(bǔ)償電網(wǎng)無功和功率因數(shù)低的問題，這種情況在運(yùn)行中的農(nóng)村小型化變電所也較普遍。

1.3 退出運(yùn)行

在部分農(nóng)村小型化變電所的實(shí)際運(yùn)行中，電容器投入運(yùn)行后，由于出現(xiàn)過補(bǔ)償情況，采取了將電容器退出運(yùn)行的做法，不對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償，從而導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的欠補(bǔ)償情況，電網(wǎng)功率因數(shù)很低，電網(wǎng)電壓大幅度降低，嚴(yán)重危害電網(wǎng)和設(shè)備安全運(yùn)行，大大增加網(wǎng)損，電壓合格率無法保證，這種情況在運(yùn)行中的農(nóng)村小型化變電所少量存在，但危害性很大。

2 小型變電站的運(yùn)行方式和控制方式

現(xiàn)以一所10 kV小型變電站為例，根據(jù)它的運(yùn)行方式和控制方式，設(shè)計(jì)了無功補(bǔ)償電容器的投切判據(jù)，并依此設(shè)計(jì)了自動(dòng)無功補(bǔ)償控制器。此變電站的系統(tǒng)接線圖如下圖1所示。變電站有2臺(tái)10 kV有載調(diào)壓變壓器、2段母線、1臺(tái)母聯(lián)斷路器和兩組無功投切電容器Q1、Q2（Q1≤Q2）。

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式

此變電站的系統(tǒng)運(yùn)行方式主要為:PLC系統(tǒng)采集1#進(jìn)線開關(guān)、2#進(jìn)線開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)的位置，自動(dòng)適應(yīng)一次系統(tǒng)的運(yùn)行方式。有5種運(yùn)行方式，具體如下:

（1）并列:手動(dòng)設(shè)定兩臺(tái)主變同時(shí)運(yùn)行（圖1中1QF、2QF在合位），兩段母線相聯(lián)（母聯(lián)斷路器3QF在合位）。

（2）1#變壓器單獨(dú)運(yùn)行:只有1#變壓器運(yùn)行（1QF在合位，2QF在分位），兩段母線可能相連（3QF在分位或在合位）。根據(jù)運(yùn)行變壓器的電量參數(shù)，若3QF在分位，僅控制有運(yùn)行變壓器這段母線上的電容器;若3QF在合，兩段母線上的電容器統(tǒng)一控制。

圖1 系統(tǒng)接線圖

（3）2#變壓器單獨(dú)運(yùn)行:只有2#變壓器運(yùn)行（2QF在合位，1QF在分位），兩段母線可能相連（3QF在分位或在合位）。根據(jù)運(yùn)行變壓器的電量參數(shù)，若3QF在分位，僅控制有運(yùn)行變壓器這段母線上的電容器;若3QF在合，兩段母線上的電容器統(tǒng)一控制。

（4）分列:2臺(tái)主變壓器同時(shí)運(yùn)行（1QF和1QF在合位），兩段母線不相連（3QF在分位），根據(jù)每段母線的電量參數(shù)，兩段母線上的電容器分別控制，互不干涉。

自動(dòng):根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)高壓斷路器的狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行方式，在相應(yīng)運(yùn)行方式下進(jìn)行電容器自動(dòng)投切。

2.2 系統(tǒng)控制方式

為了方便運(yùn)行維護(hù)人員在必要時(shí)能直接控制調(diào)節(jié)設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行方式，正常狀態(tài)下用自動(dòng)方式，在調(diào)試狀態(tài)和故障處理等異常狀態(tài)下用手動(dòng)方式。

（1）自動(dòng)控制

控制器自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行方式，在相應(yīng)運(yùn)行方式下進(jìn)行電容器自動(dòng)投切，完成系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。根據(jù)不同運(yùn)行方式和系統(tǒng)無功量與功率因數(shù)上下界限，進(jìn)行自動(dòng)判斷，并進(jìn)行電容器組的投切操作。根據(jù)Q補(bǔ)和Q切與電容器最小容量的倍數(shù)和當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式，智能判斷需投切的電容器。

（2）手動(dòng)控制

轉(zhuǎn)換開關(guān)在手動(dòng)位置，由就地手動(dòng)操作接觸器。在此控制方式下，控制器只發(fā)提示信息，由手動(dòng)控制來完成電容器組的投切，從而進(jìn)行系統(tǒng)無功補(bǔ)償。

2.3 設(shè)置電容器投切判據(jù)

通過無功補(bǔ)償控制器采集兩段母線的三相電壓、三相電流，計(jì)算兩臺(tái)主變壓器的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能，作為控制電容器投切的判據(jù)。電容器投切的兩種情況:

（1）電容器投切的判據(jù)Ⅰ

① 無保護(hù)動(dòng)作;

② 大于投切間隔時(shí)間（放電時(shí)間）;

③ 功率因數(shù)滯后，小于下限值，并超過一定的時(shí)間;

④ 無功功率大于上限值，并超過一定的時(shí)間;

如果測(cè)量無功功率Qc＜Q1，不投;Q1＜Qc＜Q2，投入Q1;Q2＜Qc＜Q1+Q2，投入Q2;Qc＞Q1+Q2，同時(shí)投入 +Q1、+Q2。

（2）電容器保護(hù)判據(jù)Ⅱ

① 有保護(hù)動(dòng)作;

② 功率因數(shù)超前，大于上限值，并超過一定的時(shí)間;

③ 無功功率小于下限值，并超過一定的時(shí)間;

如果測(cè)量無功功率Qc＜Q1，全切;Q1＜Qc＜Q2，投入Q2;Qc＞Q1+Q2，同時(shí)投入Q1、Q2。

3 無功控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)電容器投切判據(jù)和系統(tǒng)自動(dòng)控制方式，對(duì)該無功補(bǔ)償裝置中的核心部件無功控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該無功控制裝置的主要構(gòu)成為:1臺(tái)西門子CPU226、數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223、1臺(tái)觸摸屏、智能電量變送器PDM－800、中間繼電器。智能變量變送器負(fù)責(zé)兩端母線電量參數(shù)的采集和處理，CPU226負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理及智能運(yùn)行方式判斷和邏輯控制功能。通信協(xié)議采用西南自動(dòng)化研究所WTC－B－02通信協(xié)議。在上位計(jì)算機(jī)上安裝好通訊處理卡CP1612后，通過通訊卡上RS－485接口與PLC上的通訊CP243－1通訊，此時(shí)PLC與上位機(jī)構(gòu)成工業(yè)以太通訊網(wǎng)絡(luò)，完成上位機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

3.1 無功控制器的硬件設(shè)計(jì)

無功補(bǔ)償器的硬件部分（如圖2）由可編程程序控制器（PLC）、RS232/485通信電纜、觸摸屏、接觸器、傳感器和互感器等主要部分組成。中心控制器采用德國西門子公司的S7—226 PLC（24I，16O），為了完成信息的采集和輸出控制工作，采用數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223（16I，160）將輸入量點(diǎn)擴(kuò)展至40個(gè)，輸出點(diǎn)擴(kuò)展至32個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)控制算法，需要兩塊參數(shù)檢測(cè)儀表分別采集兩臺(tái)主變的低壓側(cè)電流，兩段母線的電壓來計(jì)算出控制所需的電壓、功率因數(shù)、有功功率。

PLC和參數(shù)檢測(cè)儀表都具有標(biāo)準(zhǔn)的RS一485接口，可將兩臺(tái)儀表與PLC的Prot0口相連，組成采集系統(tǒng)參數(shù)的主從網(wǎng)絡(luò)。PLC的Port1口可根據(jù)需要與編程軟件、人機(jī)接口設(shè)備或上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的編程、控制或?qū)φ麄€(gè)控制系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和完善。

圖2 控制器的硬件結(jié)構(gòu)

3.2 無功控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件部分主要由根據(jù)用戶要求編寫的可擦除的PLC程序組成。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，按實(shí)現(xiàn)的功能劃分為初始化功能模塊、開關(guān)量處理模塊、電容器循環(huán)投切隊(duì)列生成模塊、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)讀取模塊、控制主程序模塊、輔助處理模塊這8個(gè)軟件功能模塊。通過對(duì)各功能模塊的調(diào)用來完成軟件功能，這種結(jié)構(gòu)化、功能化的程序設(shè)計(jì)思想使程序的組織合理、功能獨(dú)立，便于程序的調(diào)試和修改，減少了程序代碼的重復(fù)，節(jié)省了程序存儲(chǔ)空間。軟件執(zhí)行的總流程圖如圖3所示。

圖3 軟件執(zhí)行的總流程圖

控制器具有RS485通信接口，將Prot0口采用自由通信方式與西南自動(dòng)化研究所1891A等通信，CPU 226為主站，1891A等為從站，主站用定時(shí)輪流呼喚，如接收數(shù)據(jù)符合起止字節(jié)、結(jié)束字節(jié)、校驗(yàn)字節(jié)、站號(hào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送并處理，否則數(shù)據(jù)舍棄，不予處理，這樣就能把控制結(jié)果向上級(jí)調(diào)度中心匯報(bào)。

此控制器還有其他很多功能，例如事件記錄功能，控制器詳細(xì)記錄電容器投入、切除時(shí)間，母線運(yùn)行方式變化的時(shí)間，接觸器據(jù)動(dòng)故障和接觸器動(dòng)作次數(shù)等運(yùn)行信息;參數(shù)設(shè)定功能，可以設(shè)置報(bào)警參數(shù)的上限、下限值以及報(bào)警時(shí)限;電容器組零序過電壓/過電流保護(hù)功能等。

除了控制器的設(shè)計(jì)外，顯示界面采用配套軟件完成系統(tǒng)運(yùn)行的可視化;觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話界面，顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警信息，通過觸摸屏可以完成系統(tǒng)參數(shù)、報(bào)警參數(shù)設(shè)定功能，可隨時(shí)記錄系統(tǒng)故障信息、便于查詢故障和設(shè)備維護(hù)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化功能

電力系統(tǒng)無功功率優(yōu)化和無功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一個(gè)重要組成部分。通過對(duì)電力系統(tǒng)無功電源的合理配置和對(duì)無功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且可以降低有功網(wǎng)損和無功網(wǎng)損，使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

無功優(yōu)化計(jì)算是在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)負(fù)荷給定的情況下，通過調(diào)節(jié)控制變量（發(fā)電機(jī)的無功出力合機(jī)端電壓水平、電容器的安裝及投切和變壓器分接頭的調(diào)節(jié)）使系統(tǒng)在滿足各種約束條件下網(wǎng)損達(dá)到最小。通過無功優(yōu)化不僅使全網(wǎng)電壓在額定值附近運(yùn)行，而且能取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使電能質(zhì)量、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性完美地結(jié)合在一起，因而無功優(yōu)化的前景十分廣闊。無功補(bǔ)償可以看做是無功優(yōu)化的一個(gè)子部分，即它通過電容器的安裝位置和電容器的容量，使在變電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，變電站各種運(yùn)行參數(shù)需要傳送給上一級(jí)調(diào)度中心，而調(diào)度中心有時(shí)也需要向變電站發(fā)出一些控制指令。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)農(nóng)村小型變電站投切電容器補(bǔ)償無功存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于S7－200 PLC的符合當(dāng)前變電站綜合自動(dòng)化發(fā)展需要、可靠性高、功能齊全、價(jià)格比最佳的動(dòng)態(tài)分組投切電容器組的無功自動(dòng)控制裝置。將這套裝置用于農(nóng)村小型變電站的無功電容補(bǔ)償控制和電壓調(diào)節(jié)中，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)無功變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償容量，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)無人值班。此裝置還設(shè)有通訊擴(kuò)展功能，控制器通過通信接口將控制結(jié)構(gòu)向上級(jí)調(diào)度中心匯報(bào)，也允許調(diào)度中心對(duì)控制裝置控制目標(biāo)進(jìn)行靈活設(shè)定，全面可靠的實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙調(diào)功能，對(duì)小型變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化有很大的現(xiàn)實(shí)意義。該方案結(jié)構(gòu)簡單可靠，經(jīng)濟(jì)性好，實(shí)用性強(qiáng)，使變電站無功得到較好的補(bǔ)償效果，有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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