劉先保

（上海思源電力電容器有限公司）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在交流側(cè)常起到補(bǔ)償無(wú)功功率的效果，在直流側(cè)常起到濾波的效果，其有效性和可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量與安全起著至關(guān)重要的作用。隨著電力系統(tǒng)中箱式無(wú)功補(bǔ)償裝置配置容量逐漸加大，尤其是采用H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)動(dòng)作引起的電力系統(tǒng)中交流側(cè)電容器單組跳閘事故常有發(fā)生，解決方案除了調(diào)換故障電容器單元，重要的工作為重新優(yōu)化電容器單元組的參數(shù)布置，使橋臂電流互感器檢測(cè)電流為0[1]。

本文通過(guò)對(duì)H型橋差電流不平衡保護(hù)原理做數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)，采用OPC技術(shù)對(duì)保護(hù)參數(shù)在Excel內(nèi)做實(shí)時(shí)計(jì)算與解決方案?jìng)鬟f，達(dá)到該保護(hù)方法進(jìn)行自適應(yīng)控制的目的。應(yīng)用于海外箱式高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證計(jì)算與設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性與合理性。

1 海外箱式無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

22kV海外箱式無(wú)功補(bǔ)償裝置電氣原理圖如圖1所示。

圖1 22kV海外箱式無(wú)功補(bǔ)償裝置電氣原理圖

該電力系統(tǒng)交流側(cè)電壓為22kV，其母線并聯(lián)有斷路器QF、電抗器L、避雷器FV1、避雷器FV2、橋臂C1、橋臂C2、橋臂C3、橋臂C4、不平衡電流互感器TA、接地開(kāi)關(guān)QF。其中斷路器QF、電抗器L與橋臂串聯(lián)，避雷器FV1與橋臂并聯(lián)。不平衡電流互感器TA并聯(lián)橋臂間。橋臂C1、橋臂C2、橋臂C3、橋臂C4、不平衡電流互感器TA共同組成H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 橋差不平衡保護(hù)計(jì)算原理

如圖1所示，C1、C2、C3、C4為H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)四個(gè)橋臂等效電容器；I為外施工頻電壓下高壓電容器穿越電流；I1、I2、I3、I4分別為C1、C2、C3、C4所在支路的電流；I。定義為電流互感器TA中不平衡電流。若TA等效為導(dǎo)線[2-5]，則圖2可等效為圖3的接線圖。

圖2 橋差電流不平衡保護(hù)電氣原理圖

圖3 橋差電流不平衡保護(hù)等效接線圖

3 橋差不平衡保護(hù)數(shù)學(xué)模型與設(shè)計(jì)要求［6-7］

3.1 數(shù)學(xué)模型

由圖3橋差電流不平衡保護(hù)等效接線圖，定義如下變量。

C1和C2并聯(lián)后的阻抗為:

同理可得C3和C4并聯(lián)阻抗大小，由式（2）所得：

由串聯(lián)電路阻抗分壓原理計(jì)算出C1、C3的電壓，由式（3）、式（4）所得：

同理：

橋臂C3電流I3由式（5）所得：

橋臂C1電流I1由式（6）所得：

則式（5）、式（6）得式（7）：

其中，ω=2πf，可知：

3.2 設(shè)計(jì)方法

從式（7）可得電流互感器TA中不平衡電流，在工程實(shí)踐中，故障電容器的更換或電容器各橋臂間對(duì)調(diào)調(diào)整都會(huì)引起不平衡電流的理論計(jì)算值變化，通過(guò)手工計(jì)算的方式也不方便。本文總結(jié)了通過(guò)Excel表數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、公式編輯的功能進(jìn)行橋臂電容參數(shù)計(jì)算、分析故障電容單元位置、提供合理配置方案，因此，不平衡電流值和解決方案將隨時(shí)隨地計(jì)算與決策，控制系統(tǒng)響應(yīng)非常方便也節(jié)省時(shí)間，更容易讓現(xiàn)場(chǎng)檢修人員所接受。

4 WinCC flexible與Excel實(shí)時(shí)交互程序設(shè)計(jì)

H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)配平（C1/C3=C2/C4）工作必須在有效、較短時(shí)間里結(jié)束，同時(shí)選擇確認(rèn)調(diào)換哪些電容器單元后可使電容器組橋臂電容C1、C2、C3、C4平衡性滿足要求，整個(gè)操作過(guò)程要達(dá)到保質(zhì)、保量、省時(shí)、省力的效果。

通過(guò)OPC技術(shù)，WinCC flexible允許使用Web服務(wù)（SOAP）。Web服務(wù)（SOAP）基于簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議（Simple Object Access Protocol）。這允許客戶利用類似于Excel的外部應(yīng)用程序通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)操作面板的變量：Excel可用于各種數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計(jì)分析和輔助決策等操作。本文首先在Excel里用VBA 腳本語(yǔ)言創(chuàng)建OPC客戶端讀取WinCC flexible中的橋臂電容C1、C2、C3、C4的實(shí)時(shí)測(cè)量值。OPC客戶端也可以將電流不平衡保護(hù)設(shè)定值修改的數(shù)據(jù)錄入WinCC flexible變量數(shù)據(jù)庫(kù)。

如圖4所示，首先在“B1”單元格輸入操作面板的IP地址。例如“172.16.34.200”，然后在“A”列下可以輸入變量使用的說(shuō)明描述?！癇”列下輸入需要讀取跟寫(xiě)入到操作面板的“變量名稱”?！癈”列下顯示從操作面板讀出的變量值或者將要寫(xiě)入到操作面板里的變量值。如果“C”列的值是將要寫(xiě)入到操作面板的變量值，在其后面的“D”列填入“W”。如果“C”列的值是將要從操作面板讀取的變量值，在其后面的“D”列填入“R”。“E”列顯示執(zhí)行狀態(tài)（完成/故障）。例如，當(dāng)單元格“B7”的“變量名稱”不存在時(shí)，會(huì)顯示“故障”狀態(tài)?！案聰?shù)據(jù)”按鈕可以更新Excel列表里的變量值。

圖4 WinCC flexible與Excel實(shí)時(shí)交互Excel界面

如圖5所示，打開(kāi)腳本編輯器打開(kāi)Excel菜單欄視圖里的“Visual Basic”：“視圖 ＞ 工具欄＞ Visual Basic”（Excel 2003），可以更改用戶名/密碼。

圖5 WinCC flexible與Excel實(shí)時(shí)交互VBA腳本開(kāi)發(fā)界面

5 樣機(jī)仿真與試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)以上對(duì)H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)原理的研究，同時(shí)通過(guò)WinCC flexible與Excel實(shí)時(shí)交互程序設(shè)計(jì)，本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，最終確定了應(yīng)用于海外箱式高壓并聯(lián)電容器裝置合適橋差保護(hù)方案并設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣機(jī)，工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

如圖所示，系統(tǒng)通過(guò)Excel單元格中輸入運(yùn)行WinCC flexible的計(jì)算機(jī)IP地址。點(diǎn)擊按鈕“Update Data”，對(duì)應(yīng)WinCC flexible變量的當(dāng)前值（橋臂電容值C1、C2、C3、C4）即可讀入到Excel單元格中。若在單元格中修改橋臂電容值C1、C2、C3、C4設(shè)定值，對(duì)應(yīng)WinCC flexible中的變量值也會(huì)隨之修改。同時(shí)在Excel中，調(diào)用OPC組事件處理的程序，它是OPC服務(wù)器的DataChange事件，DataChange（ ）這個(gè)事件處理程序提供了許多參數(shù)，如ItemValue（OPC項(xiàng)的值）、客戶端句柄等。通過(guò)DataChange事件，可以將Excel中對(duì)H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)配平（C1/C3=C2/C4）工作故障單元位置信息和參數(shù)配置優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)與預(yù)處理結(jié)果有限傳遞給WinCC flexible，WinCC flexible將顯示和傳遞信息給控制器和相關(guān)終端，從而達(dá)到數(shù)據(jù)互聯(lián)共享的目標(biāo)[8-10]。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，對(duì)海外箱式高壓并聯(lián)電容器裝置進(jìn)行實(shí)測(cè)，系統(tǒng)上電后，通過(guò)合理設(shè)置電容值設(shè)定值，顯示器同時(shí)顯示設(shè)定和反饋電容實(shí)際值。運(yùn)行分析表明：戶內(nèi)柜式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備橋差保護(hù)動(dòng)作響應(yīng)速度和可靠性提高27%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了計(jì)算與設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)原理與控制要求的深入分析，利用OPC技術(shù)對(duì)WinCC與EXCEL的功能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行集成，繼而設(shè)計(jì)了H型結(jié)構(gòu)的橋差電流不平衡保護(hù)原理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，以及具備多方可操作控制性，使用方便，易于實(shí)現(xiàn)，有效減少了不平衡電流設(shè)定值的誤差，從而大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度、時(shí)效性。