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电力系统及其自动化 皇 皇 竺 竺 兰竺 竺 P o we r S y s t e m ＆ A u t d ma t io n S 7 2 0 0 P L C无功补偿装置在小型变 电站 中的应用 楚清河聂贞楚云飞李卫华 华北水利水电学院 电力学院。 河南郑州4 5 0 0 1 1 摘要 根据 目前农网改造工程中农村小型变电所电容器无功补偿存在的问题， 以一所小型变电站为例， 根据它的运行方式和控制方 式， 设置了电容器的投切判据， 并依此设计了一款基于 s 7 2 0 0 P L C的可靠性高、 功能灵活的无功补偿控制装置。把它应用于 小型变电站无功补偿方案中， 对提高农村电网的供电能力 、 保证电压质量、 降低农网损耗有重要作用。 关键词 农 网改造小型变电站无功补偿s 7 2 0 0 P L C [ 中图分类号]T M 9 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 1 0 6 0 0 5 1 0 3 Th e Ap p l ic a t io n o f S 72 0 0 PL C Re a c t iv e Co mp e n s a t i o n De v ic e i n Sma l l Su b s t a t i o n C h u Q i n g h e N i e Z h e n C h u Y u n f e i L i We i h u a I n s t i t u t e o f E l e c t r i c P o w e r s N o r t h C h i n a I n s t i t u t e of Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r e s e n t r u r a l p o w e r g r i d r e c o n s t ruc t i o n p r o j e c t ，a c c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms o f c a p a c i t o r r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n i n rur a l s mall s u b s t a t i o n ．T a k e a s mall s u b s t a t i o n f o r i n s t a n c e ，a c c o r d i n g t o i t s o p e r a t i o n a n d c o n t r o l me t h o d，s e t t h e c ri t e ri o n o f t h e c a p a c i t o r b a n k s w i t c h i n g ．A n e w h i g h r e l i a b i l i t y-f l e x i b l e r e a c t i v e p o we r c o mp e n s a t i o n c o n t r o l d e v i c e b a s e d o n s 7 2 0 0 P L C i s d e s i g n e d ． I t p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n i mp r o v i n g t h e p o w e r s u p p l y ，g u a r a n t e e i n g t h e q u a l i t y o f v o l t a g e，r e d u c i n g the l o s s o f rur a l p o we r d ． Ke y wo r d s R u r a l p o w e r g r i d r e c o n s t ruc t i o n S ma l l s u b s t a t i o n Re a c t i v e p o we r c o mp e n s a t i o n s 72 0 0 P L C 0 引 言 电压和无功是电能质量的重要指标之一。电压偏移过大会 影响用电设备的运行特性， 而且还影响到用 电设备所取用的功 率， 对系统带来不利影响， 如异步电动机。而无功功率与系统电 压水平是密切相关的。无功功率从电源端经线路和变压器向负 荷端输送， 在传输过程中要产生电压损耗 高压线路和变压器的 电压损耗主要取决于通过的无功功率 ， 无功功率潮流的变化也 会相应的引起电压损耗的变化。无功电源的不足会引起系统电 压水平的下降， 还会使电网损耗增加。因而维持无功潮流的合理 平衡对提高供电质量， 保证系统安全、 可靠、 经济运行是非常重 要的 。 近年来， 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高， 农村负荷迅速增加， 同时电动机、 变压器等感性负载也迅速增加。 由于我国农村电网水平较落后， 无功补偿能力比较弱 ， 电网功率 因数长期处于较低的状态， 电压质量较差， 网损也很高。但随着 农 网改造工程的进行， 在农村建立了许多小型变电站 ， 通过在这 些变电站中集中装设无功补偿装置， 可有效补偿负荷所需的无功 及变压器中的无功消耗， 从而提高其进线功率因数和母线电压， 减少网络中的无功流动， 实现无功功率分层、 分区平衡， 改善电压 质量， 使大多数地区达到农村电网无功合理补偿的目的。动态分 组投切电容器组是一种适合小型变电站的经济实用 的无功补偿 方法。但在实际投切中， 总是出现过补偿、 欠补偿等各种问题。 本文针对 目前农村小型变电所中无功补偿装置的不合理性 ， 结合 一 所小型化变电站的实际运行方式和控制方式， 通过设置电容器 的投切判据， 设计了一套基于 s 7 2 0 0 P L C的无功综合控制装置， 实现了无功的自动跟踪补偿， 并通过控制器上的通讯扩展功能， 收稿 日期 2 0 1 10 41 9 实现了远程监视和控制， 达到了改善功率因数、 调整电压、 降低损 耗的目的， 对农网改造中新建小型变电站实现综合 自动化有实际 的贡献意义。 1 农网中小型变电站电容器无功补偿存在 的 问题 1 ． 1 过补偿 在部分农村小型化变电所的实际运行 中， 电容器投入运行 后 ， 常出现过补偿情况， 向电网倒送无功， 电网电压升高， 危害电 网和设备安全运行 ， 增加网损， 电压合格率降低， 通过调整主变电 压分接头 ， 虽然能够降低电网电压 ， 但仍然不能解决向电网倒送 无功问题 ， 这种情况在运行中的农村小型化变电所存在较多。 1 ． 2欠补偿 在部分农村小型化变电所的实际运行 中， 电容器投入运行 后 ， 出现欠补偿情况， 不能充分补偿电网无功， 功率因数低 ， 电网 电压低 ， 危害电网和设备安全运行 ， 增加网损， 电压合格率降低， 虽然调整主变电压分接头能够升高电网电压， 但仍然不能解决充 分补偿电网无功和功率因数低的问题 ， 这种情况在运行 中的农村 小型化变电所也较普遍。 1 ． 3退出运行 在部分农村小型化变电所的实际运行 中， 电容器投入运行 后 ， 由于出现过补偿情况， 采取了将电容器退出运行的做法， 不对 电网系统无功进行补偿 ， 从而导致出现严重的欠补偿情况， 电网 功率因数很低 ， 电网电压大幅度降低 ， 严重危害电网和设备安全 运行 ， 大大增加网损， 电压合格率无法保证， 这种情况在运行中的 农村小型化变电所少量存在 ， 但危害性很大。 2 小型变电站的运行方式和控制方式 现以一所 1 0 k V小型变电站为例， 根据它的运行方式和控制 电 气自 动 化 } 2 0 1 1 年 第3 3 卷第6 期 电力系统及其自动化 P o we r S y s t e m ＆ Au t o ma t ion 方式， 设计了无功补偿电容器的投切判据， 并依此设计了自动无 功补偿控制器。此变电站的系统接线图如下图 1所示。变电站 有 2台 1 0 k V有载调压变压器、 2段母线 、 1 台母联断路器和两组 无功投切电容器 Q 、Q Q Q 。 2 ． 1 系统运行方式 此变电站的系统运行方式主要为 P L C系统采集 1 进线开 关、 2 ≠ } 进线开关和母联开关的位置， 自动适应一次系统的运行方 式。有 5种运行方式， 具体如下 ． 1 并列 手动设定两台主变同时运行 图 1中 1 Q F 、 2 Q F在 合位 ， 两段母线相联 母联断路器 3 Q F在合位 。 2 1 变压器单独运行 只有 1 变压器运行 1 Q V在合位， 2 Q F在分位 ， 两段母线可能相连 3 Q F在分位或在合位 。根据 运行变压器的电量参数， 若 3 Q F在分位 ， 仅控制有运行变压器这 段母 线上的电容器； 若 3 Q F在合 ， 两段母线上的 电容器统一 控制 。 图 1 系统接线图 3 2 变压器单独运行 只有 2 } } 变压器运行 2 Q F在合位， 1 Q V在分位 ， 两段母线可能相连 3 Q F在分位或在合位 。根据 运行变压器的电量参数， 若 3 Q F在分位， 仅控制有运行变压器这 段母线上 的电容器； 若 3 Q F在合， 两段母线上 的电容器 统一 控制。 4 分列 2台主变压器同时运行 I Q F和 1 Q F在合位 ， 两 段母线不相连 3 Q F在分位 ， 根据每段母线的电量参数， 两段母 线上的电容器分别控制 ， 互不干涉。 自动 根据系统运行时高压断路器的状态 ， 自动识别系统运 行方式， 在相应运行方式下进行电容器自动投切。 2 ． 2 系统控制方式 为了方便运行维护人员在必要时能直接控制调节设备， 系统 设置了手动和 自动运行方式， 正常状态下用 自动方式 ， 在调试状 态和故障处理等异常状态下用手动方式。 1 自动控制 控制器 自动识别系统运行方式， 在相应运行方式下进行电容 器自动投切， 完成系统的无功补偿。根据不同运行方式和系统无 功量与功率因数上下界限， 进行 自动判断， 并进行电容器组的投 切操作。 Q 补 Q 实 时 无 功 一P 实 时 有 功 t a n 上 限 Q 切 P 实 时 有 功 t a n 上 限一Q 实 时 无 功 5 2 E l e c t r ic a I A u t o ma t io n 根据 Q 补和 Q 切与电容器最小容量的倍数和当前系统运行方式 ， 智能判断需投切的电容器。 2 手动控制 转换开关在手动位置， 由就地手动操作接触器。在此控制方 式下， 控制器只发提示信息 ， 由手动控制来完成电容器组的投切 ， 从而进行系统无功补偿。 2 ． 3 设置电容器投切判据 通过无功补偿控制器采集两段母线的三相电压、 三相电流 ， 计算两台主变压器的有功功率、 无功功率、 功率因数、 有功电能 、 无功电能， 作为控制电容器投切 的判据。电容器投切的两种 情况 1 电容器投切的判据 I ① 无保护动作； ② 大于投切间隔时间 放电时间 ； ③ 功率因数滞后， 小于下限值 ， 并超过一定的时间； ④ 无功功率大于上限值， 并超过一定的时间； 如果测量无功功率 Q 。 Q 。 ， 不投； Q 。 Q 。Q ， 投入 Q ； Q 2 Q Q 1 Q 2 ， 同时投入 Q l 、 Q 2 。 2 电容器保护判据 Ⅱ ① 有保护动作； ② 功率因数超前， 大于上限值 ， 并超过一定的时间； ③ 无功功率小于下限值， 并超过一定的时间； 如果测量无功功率 Q Q ， 全切； Q 1Q Q 。 Q ， 同时投入 Q 、 Q 。 3 无功控制器的设计 根据电容器投切判据和系统自动控制方式， 对该无功补偿装 置中的核心部件无功控制器进行设计。该无功控制装置的主要 构成为 1台西门子 C P U 2 2 6 、 数字量扩展模块 E M2 2 3 、 1台触摸 屏、 智能电量变送器 P D M一8 0 0 、 中间继电器。智能变量变送器 负责两端母线电量参数的采集和处理， C P U 2 2 6负责数据的采集 与处理及智能运行方式判断和逻辑控制功能。通信协议采用西 南自动化研究所 WT CB一0 2通信协议。在上位计算机上安装 好通讯处理卡 C P 1 6 1 2后， 通过通讯卡上 R S一4 8 5接口与 P L C上 的通讯 C P 2 4 3 1通讯， 此时 P L C与上位机构成工业 以太通讯网 络， 完成上位机与 P L C之间的数据交换。 3 ． 1 无功控制器的硬件设计 无功补偿器 的硬件部分 如 图 2由可编程程 序控制器 P L C 、 R S 2 3 2 ／ 4 8 5通信电缆、 触摸屏、 接触器 、 传感器和互感器 等主要部分组成。中心控制器采用德国西门子公司的 s 7 _2 2 6 P L C 2 4 I ， 1 6 0 ， 为了完成信息的采集和输出控制工作， 采用数字 量扩展模块 E M2 2 3 1 6 I ， 1 6 0 将输入量点扩展至4 0个， 输 出点扩 展至3 2个。为了实现控制算法， 需要两块参数检测仪表分别采 集两台主变的低压侧电流， 两段母线的电压来计算出控制所需的 电压、 功率因数、 有功功率。 P L C和参数检测仪表都具有标准的 R S一4 8 5接口， 可将两台 仪表与 P L C的P r o t O口相连， 组成采集系统参数的主从网络。P L C 的P o r t l口可根据需要与编程软件、 人机接口设备或上位机通讯， 实现对 P L C的编程、 控制或对整个控制系统功能的扩展和完善。 电力系统及其自动化 皇 皇 竺 兰 竺 兰竺 P o we r S v s t e m ＆ Au t o ma t io n 图 2 控 制器的硬件结构 3 ． 2 无功控制器的软件设计 控制器的软件部分主要 由根据用户要求编写的可擦除的 P L C程序组成。采用模块化的设计方法， 按实现的功能划分为初 始化功能模块、 开关量处理模块、 电容器循环投切队列生成模块、 系统运行参数读取模块、 控制主程序模块、 辅助处理模块这 8个 软件功能模块。通过对各功能模块的调用来完成软件功能， 这种 结构化、 功能化的程序设计思想使程序的组织合理、 功能独立 ， 便 于程序的调试和修改， 减少 了程序代码的重复， 节省了程序存储 空间。软件执行的总流程图如图3所示。 模拟量 、开关量互较 f 输 ’ 螺 棼l／枭 特 相 纽 々 ＼ ＼ I I 运 行 区 域 判 别 l 闭 锁 自 动 控 制 信 号 的 输 出 、报警 一T 一 保护 、闭锁信号检验 图 3 软件执行的总流程 图 控制器具有 R S 4 8 5通信接口， 将 P r o t O口采用自由通信方式 与西南 自动化研究所 1 8 9 1 A等通信 ， C P U 2 2 6为主站， 1 8 9 1 A等 为从站 ， 主站用定时轮流呼唤， 如接收数据符合起止字节、 结束字 节 、 校验字节、 站号后 ， 进行数据传送并处理， 否则数据舍弃， 不予 处理， 这样就能把控制结果向上级调度中心汇报。 此控制器还有其他很多功能， 例如事件记录功能， 控制器详 细记录电容器投入、 切除时间， 母线运行方式变化的时间， 接触器 据动故障和接触器动作次数等运行信息； 参数设定功能 ， 可以设 置报警参数的上限、 下限值以及报警时限； 电容器组零序过电压／ 过电流保护功能等。 除了控制器的设计外， 显示界面采用配套软件完成系统运行 的可视化； 触摸屏作为人机对话界面， 显示系统运行状态、 系统运 行参数和故障报警信息 ， 通过触摸屏可以完成系统参数 、 报警参 数设定功能， 可随时记录系统故障信息、 便于查询故障和设备 维护。 4 系统运行优化功能 电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经 济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的 合理配置和对无功负荷的最佳补偿， 不仅可以维持电压水平和提 高电力系统运行的稳定性， 而且可以降低有功网损和无功网损， 使电力系统能够安全经济运行。 无功优化计算是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下， 通过调节控制变量 发电机的无功出力合机端电压水平 、 电容器 的安装及投切和变压器分接头的调节 使系统在满足各种约束 条件下网损达到最小。通过无功优化不仅使全网电压在额定值 附近运行， 而且能取得可观的经济效益 ， 使电能质量、 系统运行的 安全性和经济性完美地结合在一起， 因而无功优化的前景十分广 阔。无功补偿可以看做是无功优化的一个子部分， 即它通过电容 器的安装位置和电容器的容量， 使在变电站 自动化监控系统 中， 变电站各种运行参数需要传送给上一级调度中心， 而调度中心有 时也需要向变电站发出一些控制指令。 5 结束语 本文根据农村小型变电站投切电容器补偿无功存在的问题， 设计了一种基于 s 72 0 0 P L C的符合当前变电站综合 自动化发 展需要、 可靠性高、 功能齐全、 价格比最佳的动态分组投切电容器 组的无功 自动控制装置。将这套装置用于农村小型变电站的无 功电容补偿控制和电压调节中， 可以实现 自动跟踪电网无功变 化， 自动调节补偿容量 ， 同时也便于实现无人值班。此装置还设 有通讯扩展功能， 控制器通过通信接 口将控制结构向上级调度中 心汇报， 也允许调度中心对控制装置控制目标进行灵活设定 ， 全 面可靠的实现遥测、 遥信、 遥调功能， 对小型变电站实现综合自动 化有很大的现实意义。该方案结构简单可靠 ， 经济性好 ， 实用性 强， 使变电站无功得到较好的补偿效果 ， 有较好的经济效益和社 会效益。 参考文献 [ 1 ] 陈怀 忠 ， 韩承 江． s 72 0 0 P L C在 变电站无 功综合 控制装 置 的应 用 [ J ] ． 福建电脑， 2 0 0 7 ， 1 2 1 7 0 1 7 1 ． [ 2 ]卢颖．基于P L C的变电站电压／ 无功综合控制的研究[ D] ．沈阳 东 北大学 ， 2 0 0 5 2 4 2 5 ． [ 3 ]郭洪强， 谷万明． 农村小型化变电所无功补偿存在的问题[ J ] ． 农村电 气化 ， 2 0 0 3 ， 1 1 1 9 2 0 ． [ 4 ]朱文杰． s 7 2 0 0 P L C编程设计与案例分析[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 9 ． 【 作者简介】 楚清河 1 9 6 5 一 ， 男， 河北磁县人， 副教授 ， 主要从事水力 发电、 电力控制等领域的教学和科研工作； 聂贞 1 9 8 6 一 ， 女， 河南新乡 人， 硕士研究生， 专业 电气工程及其 自 动化， 主要从事电力市场规划与电 力系统控制等方面的研 究。 E le c t r i c a I Au t o ma t io n 5 3
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