S7－200 PLC無功補償裝置在小型變電站中的應用

楚清河 聶貞 楚云飛 李衛華

（華北水利水電學院 電力學院，河南 鄭州 450011）

0 引言

電壓和無功是電能質量的重要指標之一。電壓偏移過大會影響用電設備的運行特性，而且還影響到用電設備所取用的功率，對系統帶來不利影響，如異步電動機。而無功功率與系統電壓水平是密切相關的。無功功率從電源端經線路和變壓器向負荷端輸送，在傳輸過程中要產生電壓損耗（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相應的引起電壓損耗的變化。無功電源的不足會引起系統電壓水平的下降，還會使電網損耗增加。因而維持無功潮流的合理平衡對提高供電質量，保證系統安全、可靠、經濟運行是非常重要的。

近年來，隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的提高，農村負荷迅速增加，同時電動機、變壓器等感性負載也迅速增加。由于我國農村電網水平較落后，無功補償能力比較弱，電網功率因數長期處于較低的狀態，電壓質量較差，網損也很高。但隨著農網改造工程的進行，在農村建立了許多小型變電站，通過在這些變電站中集中裝設無功補償裝置，可有效補償負荷所需的無功及變壓器中的無功消耗，從而提高其進線功率因數和母線電壓，減少網絡中的無功流動，實現無功功率分層、分區平衡，改善電壓質量，使大多數地區達到農村電網無功合理補償的目的。動態分組投切電容器組是一種適合小型變電站的經濟實用的無功補償方法。但在實際投切中，總是出現過補償、欠補償等各種問題。本文針對目前農村小型變電所中無功補償裝置的不合理性，結合一所小型化變電站的實際運行方式和控制方式，通過設置電容器的投切判據，設計了一套基于s7－200PLC的無功綜合控制裝置，實現了無功的自動跟蹤補償，并通過控制器上的通訊擴展功能，實現了遠程監視和控制，達到了改善功率因數、調整電壓、降低損耗的目的，對農網改造中新建小型變電站實現綜合自動化有實際的貢獻意義。

1 農網中小型變電站電容器無功補償存在的問題

1.1 過補償

在部分農村小型化變電所的實際運行中，電容器投入運行后，常出現過補償情況，向電網倒送無功，電網電壓升高，危害電網和設備安全運行，增加網損，電壓合格率降低，通過調整主變電壓分接頭，雖然能夠降低電網電壓，但仍然不能解決向電網倒送無功問題，這種情況在運行中的農村小型化變電所存在較多。

1.2 欠補償

在部分農村小型化變電所的實際運行中，電容器投入運行后，出現欠補償情況，不能充分補償電網無功，功率因數低，電網電壓低，危害電網和設備安全運行，增加網損，電壓合格率降低，雖然調整主變電壓分接頭能夠升高電網電壓，但仍然不能解決充分補償電網無功和功率因數低的問題，這種情況在運行中的農村小型化變電所也較普遍。

1.3 退出運行

在部分農村小型化變電所的實際運行中，電容器投入運行后，由于出現過補償情況，采取了將電容器退出運行的做法，不對電網系統無功進行補償，從而導致出現嚴重的欠補償情況，電網功率因數很低，電網電壓大幅度降低，嚴重危害電網和設備安全運行，大大增加網損，電壓合格率無法保證，這種情況在運行中的農村小型化變電所少量存在，但危害性很大。

2 小型變電站的運行方式和控制方式

現以一所10 kV小型變電站為例，根據它的運行方式和控制方式，設計了無功補償電容器的投切判據，并依此設計了自動無功補償控制器。此變電站的系統接線圖如下圖1所示。變電站有2臺10 kV有載調壓變壓器、2段母線、1臺母聯斷路器和兩組無功投切電容器Q1、Q2（Q1≤Q2）。

2.1 系統運行方式

此變電站的系統運行方式主要為:PLC系統采集1#進線開關、2#進線開關和母聯開關的位置，自動適應一次系統的運行方式。有5種運行方式，具體如下:

（1）并列:手動設定兩臺主變同時運行（圖1中1QF、2QF在合位），兩段母線相聯（母聯斷路器3QF在合位）。

（2）1#變壓器單獨運行:只有1#變壓器運行（1QF在合位，2QF在分位），兩段母線可能相連（3QF在分位或在合位）。根據運行變壓器的電量參數，若3QF在分位，僅控制有運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一控制。

圖1 系統接線圖

（3）2#變壓器單獨運行:只有2#變壓器運行（2QF在合位，1QF在分位），兩段母線可能相連（3QF在分位或在合位）。根據運行變壓器的電量參數，若3QF在分位，僅控制有運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一控制。

（4）分列:2臺主變壓器同時運行（1QF和1QF在合位），兩段母線不相連（3QF在分位），根據每段母線的電量參數，兩段母線上的電容器分別控制，互不干涉。

自動:根據系統運行時高壓斷路器的狀態，自動識別系統運行方式，在相應運行方式下進行電容器自動投切。

2.2 系統控制方式

為了方便運行維護人員在必要時能直接控制調節設備，系統設置了手動和自動運行方式，正常狀態下用自動方式，在調試狀態和故障處理等異常狀態下用手動方式。

（1）自動控制

控制器自動識別系統運行方式，在相應運行方式下進行電容器自動投切，完成系統的無功補償。根據不同運行方式和系統無功量與功率因數上下界限，進行自動判斷，并進行電容器組的投切操作。根據Q補和Q切與電容器最小容量的倍數和當前系統運行方式，智能判斷需投切的電容器。

（2）手動控制

轉換開關在手動位置，由就地手動操作接觸器。在此控制方式下，控制器只發提示信息，由手動控制來完成電容器組的投切，從而進行系統無功補償。

2.3 設置電容器投切判據

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

（1）電容器投切的判據Ⅰ

① 無保護動作;

② 大于投切間隔時間（放電時間）;

③ 功率因數滯后，小于下限值，并超過一定的時間;

④ 無功功率大于上限值，并超過一定的時間;

如果測量無功功率Qc＜Q1，不投;Q1＜Qc＜Q2，投入Q1;Q2＜Qc＜Q1+Q2，投入Q2;Qc＞Q1+Q2，同時投入 +Q1、+Q2。

（2）電容器保護判據Ⅱ

① 有保護動作;

② 功率因數超前，大于上限值，并超過一定的時間;

③ 無功功率小于下限值，并超過一定的時間;

如果測量無功功率Qc＜Q1，全切;Q1＜Qc＜Q2，投入Q2;Qc＞Q1+Q2，同時投入Q1、Q2。

3 無功控制器的設計

根據電容器投切判據和系統自動控制方式，對該無功補償裝置中的核心部件無功控制器進行設計。該無功控制裝置的主要構成為:1臺西門子CPU226、數字量擴展模塊EM223、1臺觸摸屏、智能電量變送器PDM－800、中間繼電器。智能變量變送器負責兩端母線電量參數的采集和處理，CPU226負責數據的采集與處理及智能運行方式判斷和邏輯控制功能。通信協議采用西南自動化研究所WTC－B－02通信協議。在上位計算機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PLC與上位機構成工業以太通訊網絡，完成上位機與PLC之間的數據交換。

3.1 無功控制器的硬件設計

無功補償器的硬件部分（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，采用數字量擴展模塊EM223（16I，160）將輸入量點擴展至40個，輸出點擴展至32個。為了實現控制算法，需要兩塊參數檢測儀表分別采集兩臺主變的低壓側電流，兩段母線的電壓來計算出控制所需的電壓、功率因數、有功功率。

PLC和參數檢測儀表都具有標準的RS一485接口，可將兩臺儀表與PLC的Prot0口相連，組成采集系統參數的主從網絡。PLC的Port1口可根據需要與編程軟件、人機接口設備或上位機通訊，實現對PLC的編程、控制或對整個控制系統功能的擴展和完善。

圖2 控制器的硬件結構

3.2 無功控制器的軟件設計

控制器的軟件部分主要由根據用戶要求編寫的可擦除的PLC程序組成。采用模塊化的設計方法，按實現的功能劃分為初始化功能模塊、開關量處理模塊、電容器循環投切隊列生成模塊、系統運行參數讀取模塊、控制主程序模塊、輔助處理模塊這8個軟件功能模塊。通過對各功能模塊的調用來完成軟件功能，這種結構化、功能化的程序設計思想使程序的組織合理、功能獨立，便于程序的調試和修改，減少了程序代碼的重復，節省了程序存儲空間。軟件執行的總流程圖如圖3所示。

圖3 軟件執行的總流程圖

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化研究所1891A等通信，CPU 226為主站，1891A等為從站，主站用定時輪流呼喚，如接收數據符合起止字節、結束字節、校驗字節、站號后，進行數據傳送并處理，否則數據舍棄，不予處理，這樣就能把控制結果向上級調度中心匯報。

此控制器還有其他很多功能，例如事件記錄功能，控制器詳細記錄電容器投入、切除時間，母線運行方式變化的時間，接觸器據動故障和接觸器動作次數等運行信息;參數設定功能，可以設置報警參數的上限、下限值以及報警時限;電容器組零序過電壓/過電流保護功能等。

除了控制器的設計外，顯示界面采用配套軟件完成系統運行的可視化;觸摸屏作為人機對話界面，顯示系統運行狀態、系統運行參數和故障報警信息，通過觸摸屏可以完成系統參數、報警參數設定功能，可隨時記錄系統故障信息、便于查詢故障和設備維護。

4 系統運行優化功能

電力系統無功功率優化和無功功率補償是電力系統安全經濟運行研究的一個重要組成部分。通過對電力系統無功電源的合理配置和對無功負荷的最佳補償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統運行的穩定性，而且可以降低有功網損和無功網損，使電力系統能夠安全經濟運行。

無功優化計算是在系統網絡結構和系統負荷給定的情況下，通過調節控制變量（發電機的無功出力合機端電壓水平、電容器的安裝及投切和變壓器分接頭的調節）使系統在滿足各種約束條件下網損達到最小。通過無功優化不僅使全網電壓在額定值附近運行，而且能取得可觀的經濟效益，使電能質量、系統運行的安全性和經濟性完美地結合在一起，因而無功優化的前景十分廣闊。無功補償可以看做是無功優化的一個子部分，即它通過電容器的安裝位置和電容器的容量，使在變電站自動化監控系統中，變電站各種運行參數需要傳送給上一級調度中心，而調度中心有時也需要向變電站發出一些控制指令。

5 結束語

本文根據農村小型變電站投切電容器補償無功存在的問題，設計了一種基于S7－200 PLC的符合當前變電站綜合自動化發展需要、可靠性高、功能齊全、價格比最佳的動態分組投切電容器組的無功自動控制裝置。將這套裝置用于農村小型變電站的無功電容補償控制和電壓調節中，可以實現自動跟蹤電網無功變化，自動調節補償容量，同時也便于實現無人值班。此裝置還設有通訊擴展功能，控制器通過通信接口將控制結構向上級調度中心匯報，也允許調度中心對控制裝置控制目標進行靈活設定，全面可靠的實現遙測、遙信、遙調功能，對小型變電站實現綜合自動化有很大的現實意義。該方案結構簡單可靠，經濟性好，實用性強，使變電站無功得到較好的補償效果，有較好的經濟效益和社會效益。

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