电压无功综合控制装置的研制

，金黎

西安森宝电气工程有限公司

摘要：电压和无功调节是各级变电站所要承担的重要任务，为保证电压质量、无功平衡和电网安全可靠经济运行，本文针对典型接线方式的110KV变电站，研制了基于PC104工控系统的变电站电压无功综合控制装置，介绍了十一区图的控制原理，描述了系统的软硬件结构。该装置可靠性高、运行稳定，能够有效地提高电网供电质量，降低网损。

关键词：变电站；电压；无功；控制；工控机；十一区图

Abstract: The regulation of voltage and reactive power is an important task of the substation. In order to guarantee the voltage quality, the balance of reactive power and the safe, reliable and economical operation of power grid, based on PC104 IPC,an integrative control equipment for voltage and reactive power in a typical 110kv substation is developed. The paper introduces the control principle of eleven-area and describes the configuration of hardware and software of the integrative control equipment. With this equipment, its reliability is high and its operation is steadily. This equipment can improve the voltage quality and reduce the loss of the power grid.

Key words: substation; voltage; reactive power; control; IPC(industrial personal computer); eleven-area

0．引言

随着对供电质量和可靠性要求的提高， 电压成为电能质量的重要指标之一，而无功是影响电压质量的一个重要因素，维持电网正常运行下的无功功率平衡是改善和提高电压质量的基本条件。对于联系电网和用户的变电站来说，保证变电站用户端的电压水平接近额定值，对提高全电网电压质量有着重要意义。

为了改善电压质量和降低线路损耗，变电站装设了有载调压变压器及并联补偿电容器组，根据负荷的变化对有载调压变压器和并联电容器组进行综合调节，实现无功潮流的平衡。传统的变电站电压无功控制依靠运行人员手动调节，难以做到判断正确和操作及时，很难保证调节效果，并会增加调节操作次数，甚至有操作失误的危险，已不适应电力系统的发展。为保证电压质量，无功平衡和电网安全可靠经济运行，对变电站实行电压无功自动控制已成为一项重要的控制措施。

本文针对典型110kV变电站，设计了基于PC104工控系统的变电站电压无功综合控制装置。

1．变电站电压无功控制原理

该控制装置能根据电网的参数控制有载调压变压器自动调压和无功补偿电容器组或电抗器的自动投切。使变压器和电容器工作在最佳状况，确保电压合格率达到规定的要求，有效地减少损耗并保持系统功率因数在较高范围内。

目前较多的电压无功综合控制装置采用九区图的控制策略，按照固定的电压和无功上下限将电压--无功平面划分为9个区域。U是变压器低压侧母线电压，Q是变压器高压侧无功功率，它们之间的基本调节规律为：变压器分接头上调（或下调）后，U变大（或变小），Q变大（或变小），进线功率因数cosΦ变小（或变大），一般调节分接头对无功影响不大；投入（或切除）电容器后，Q变小（或变大），U变大（或变小）， cosΦ变大（或变小）。

由于控制策略是基于电压和无功上下限都是固定的，没有充分考虑无功调节和电压之间的相互影响，如电压接近上限，无功超越上限时，按控制策略应投电容器组，这样一来导致电压升高并越上限，继而又调节有载变压器分接头，造成频繁调节和电压不合格率增加。

针对上述存在的问题，对传统的九区图进行更细致的划分，把可能发生控制震荡的区域单独划分，可以防止震荡。如图（1）所示,在8区Umin边界附近（可能发生控制震荡的区域）划分出区域10，类似的还有区域11，各个区的常规控制策略如下：

1区：不动作。

2区：降压，在最低档，切电容。

3区：降压，在最低档，切电容。

4区：投电容。 

5区：投电容，若电容投完，则升压。 

6区：升压，若档位已在最高档，则投电容。                                                            

7区：升压，若档位已在最高档，则投电容。                                                  

8区：切电容。                                              

9区：切电容，到无功补偿合适，若电容已切

完，则降压。                                      

10区：升压。                                          图1  十一区图 

11区：降压。                                             

2．变电站主接线

   本装置以110kV变电站典型接线方式为基础进行设计（见图2）。110kV变电站一般配有两台主变，低压母线并联2~4组电容器。本文考虑有4组电容器，每段低压母线各两组。根据每台主变断路器的开关状态，可以把变电站的运行状态分为4种情况。

（1）1T、2T并列运行；即101、102、100断路器全部闭合。

（2）1T、2T分列运行；即101、102断路器闭合。100断路器断开。

（3）1T单独运行；即101、100断路器闭合。102断路器断开。

（4）2T单独运行；即102、100断路器闭合。101断路器断开。

在不同的运行状态，九区图中的各个参数是不同的，控制器要能够自动识别出变电站的运行状态，对各参数进行修改。

图2 变电站接线简图

3．硬件设计

     变电站电压无功综合控制装置以工控机PC104模块为核心，通过扩展的并行口与外围电路相接，输入状态信号通过光耦隔离，输出控制信号由继电器与外部控制电路相接。输入模拟信号通过PT 及CT 与高压隔离，确保强电信号与弱电信号没有直接联系。外围电路有分接开关控制板、模拟信号调理板、电容器投切控制板、模拟信号转接板、液晶显示器附件板及数码管背板等。变电站电压无功综合控制装置控制器硬件原理如图3所示。

                 图3 控制系统的硬件结构 

3．1  工控机结构

   本装置采用PC104嵌入式工控机模板，主要由CPU模板、A/D模板、I/O模板组成。

（1）CPU模板采用1371CLDN，全兼容PC/AT 总线的80386SX，40MHz 处理器，6 层PCB 板，应用抗噪声低功耗CMOS 技术，适用于恶劣的工业环境。2 个RS-232 串行口，1 个双向并行口，键盘接口，1 个EIDE(AT总线)硬盘驱动器接口，一个软盘驱动器控制器和一个看门狗（watchdog）。其硬件和软件与通用PC 总线标准完全兼容。

（2）PCM5111高速采集模块，采用12 位A/D 转换，最大采样频率可达90KHz。其采样增益有1、2、4、8 几种可供选择，模拟量范围可以选择+10V,+5V,+2.5V,+1.25V单极输入 或±10V, ±5V, ±2.5V, ±1.25V 双极输入。可供16 路单端或8 路差分模拟量输入，如果要增强信号抗噪声能力和高精度的转换，那么一般采用差分输入。A/D 转换可以用程序控制触发，高速采样是通过DMA 启动也包括定时器触发或外触发。另外PCM5111还包括两路12 位的D/A 转换输出，根据内部的参考电压可为±5V 的双极输出或0～10V 的单极输出。

（3）I/O模块了48 位数字输入输出（DIO）模块（AX10402），48 位TTL/DTL/CMOS 兼容的I/O 线分成2 组，每组支持8255可编程外围接口芯片各种工作方式，但具有更强的驱动能力和包含3 个8 位口，口A，口B，口C。它们可被编程为数字输入或输出口。在三个口中，仅口C 可进一步分为口C 上和口C 下，并可配置为输入输出口。AX10402 有一特点：状态改变中断。当口C 的第3 位和第7位改变状态时产生中断。这个特点使PC 有空闲做其它事。

因此，充分利用工控机计算速度快，运行效率高的优点，对各电量进行采样和计算，可以使实时性得到提高。

3．2 模拟量输入电路

   VQC采集的模拟量较多，在图2所示的系统中，需输入1T高压侧一相线电压，一相线电流，2T高压侧一相线电压，一相线电流，1T低压侧电压，2T低压侧电压共6路模拟量。各电压，电流量经过电压互感器，电流互感器，放大和转换电路，转换成0―5V单极性电压信号，最后送入PCM5111的A/D通道。

3．3 开关量输入输出电路

   开关量输入接口主要监测以下开关量：（1）两台主变运行断路器的状态；（2）主变的档位信号；（3）母连断路器的状态；（4）电容器的投切状态；（5）主变及电容器故障信号；（6）远方控制信号。

   开关量输出接口主要完成以下功能：（1）主变调档及防滑档信号；（2）电容器投切控制信号；（3）微机内部不正常报警信号。

3．4 人机接口部分

   显示部分采用240×128点阵式液晶显示器，可以显示出如图2所示的运行状态图，并表示出各段的电压，电流，有功，无功，功率因数，档位值以及各断路器开关状态。语音电路可以在输出动作及故障时发出语音进行提示和报警。

4 软件设计

   软件设计采用结构化和模块化的设计方法，

图4所示为软件的主程序框图，在初始化程序

中，对各寄存器赋值，AD采样程序设计成两

层循环，在每个周期（20ms）内对14路模拟

量各采样个点。在投切电容程序模块及电压

升降模块中，程序实时监测反馈回来的动作情

况，如果不动作则报警。在两台主变并列运行

的情况下，在调档程序中要对两台主变同时输

出动作信号，如果一台主变动作而另一台不动，

则将已动作的主变返回原档位，保持两台主变

档位始终一致。在投电容前，要对各电压值进

行FFT变换，检测各次谐波的大小，如果超过

设定值，则不投电容。以免电容对谐波进一步

放大，导致波形质量变差。

图4 软件主流程

5．结论

   变电站电压无功综合控制装置在维持用户的电压水平合格，就地平衡无功等方面起着极为重要的作用，基于十一区图的控制策略，可以使电网电压得到改善，网损减少，并能够减少开关设备的动作次数。采用工控机作为装置的核心，使得系统功能更加强大，效率更高。经过实验证明，本装置运行稳定，可靠，效果显著。

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