戶外箱式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備橋差保護(hù)的研究與設(shè)計(jì)

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。“B”列下輸入需要讀取跟寫入到操作面板的“變量名稱”。“C”列下顯示從操作面板讀出的變量值或者將要寫入到操作面板里的變量值。如果“C”列的值是將要寫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)。“更新數(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。