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仿真型無功補(bǔ)償控制器在10kV變電站仿真系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

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介紹了一種數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器在10kV典型客戶變電站智能仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的方法。

仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器；10kV典型客戶變電站智能仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

0 引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，10kV變電站系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化，并建立了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。相應(yīng)的，針對(duì)10kV客戶變電站的培訓(xùn)系統(tǒng)也同樣需要升級(jí)，靜態(tài)的仿真系統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足10kV客戶變電站的培訓(xùn)需求。而采用信號(hào)發(fā)生器的仿真系統(tǒng)存在著諸多的問題，造價(jià)高昂、故障場(chǎng)景設(shè)置復(fù)雜、可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景有限、建設(shè)周期長(zhǎng)、能耗大、安全系數(shù)低等等，難于構(gòu)建一個(gè)現(xiàn)代化的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。同時(shí)變電站綜合仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)也朝多功能、數(shù)字化和規(guī)范化方向發(fā)展。而無功補(bǔ)償培訓(xùn)在10kV仿真實(shí)訓(xùn)中是相當(dāng)重要的，因此研發(fā)一種能夠模擬運(yùn)行工況的數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器，既能讓學(xué)員直觀地看到無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)物，又能幫助學(xué)員深刻理解無功補(bǔ)償過程中的各種數(shù)據(jù)參數(shù)的變化，且

整個(gè)過程中無須主供電回路直接帶電，電容器不用真正接入，保證了無功仿真實(shí)驗(yàn)的安全性，同時(shí)也大大降低了仿真實(shí)驗(yàn)的成本。下面結(jié)合具體的工程案例對(duì)數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器在10kV典型客戶變電站智能仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的方法作詳細(xì)的介紹。

1 概述

10kV典型客戶變電站一般采用雙電源、雙母線的方式運(yùn)行，主要由兩路高壓進(jìn)線、高壓聯(lián)絡(luò)、備自投、兩路高壓變壓器出線、兩個(gè)變壓器、低壓兩路進(jìn)線、低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)、低壓無功補(bǔ)償、多個(gè)低壓饋線回路組成。圖1為高壓側(cè)和低壓側(cè)的主接線圖。

圖1 高壓側(cè)和低壓側(cè)的主接線圖

為了實(shí)現(xiàn)仿真培訓(xùn)，達(dá)到較好的實(shí)訓(xùn)效果，系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的二次設(shè)備與仿真軟件一體化仿真技術(shù)：即特別定制二次設(shè)備（微機(jī)綜保、儀表等）以支持系統(tǒng)軟件對(duì)其電氣運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行仿真調(diào)整，包括可整定參數(shù)和所有電流、電壓等測(cè)量參數(shù)。仿真軟件根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果，通過軟件中的變電站模型，寫入到相應(yīng)的保護(hù)設(shè)備和儀表設(shè)備中，保護(hù)設(shè)備和儀表設(shè)備根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)或顯示等。在此基礎(chǔ)上，再通過仿真軟件的向?qū)秸n件功能來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景仿真，包括正常運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)的要求。

10kV典型客戶變電站中的無功補(bǔ)償控制器也需要實(shí)現(xiàn)仿真功能，主要是通過接收仿真軟件寫入的電氣參數(shù)。根據(jù)補(bǔ)償控制策略執(zhí)行相應(yīng)的補(bǔ)償動(dòng)作，電容器在投退之后，控制器根據(jù)電氣參數(shù)和投退狀態(tài)進(jìn)行重新計(jì)算最新的電氣參數(shù)，并傳送給仿真軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)最新的電氣參數(shù)數(shù)據(jù)，分發(fā)給相關(guān)的保護(hù)和儀表設(shè)備。

2 無功補(bǔ)償控制器的工作原理

電網(wǎng)輸出的功率包括兩部分：一是有功功率；二是無功功率。直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、熱能、化學(xué)能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能，只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，這種能作為電氣設(shè)備能夠作功的必備條件，并且，這種能是在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率稱為無功功率，如電磁元件建立磁場(chǎng)占用的電能，電容器建立電場(chǎng)所占的電能。電流在電感元件中作功時(shí)，電流滯后于電壓90°。而電流在電容元件中作功時(shí)，電流超前電壓90°。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180°。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，就可以提高電路的供電效率。

如圖2所示，無功功率補(bǔ)償控制器通過對(duì)電路中的電流、電壓、功率因數(shù)等進(jìn)行采集，并通過對(duì)采集參數(shù)的計(jì)算決定是否投切電容器來補(bǔ)償負(fù)載所需的無功功率，以改善功率因數(shù)。無功功率補(bǔ)償控制器在電子供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償控制器在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行人員在上崗前進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，為了能夠直觀地理解合理的無功補(bǔ)償對(duì)提高供電質(zhì)量、節(jié)能降損的作用，需要設(shè)置一套完整的無功補(bǔ)償培訓(xùn)系統(tǒng)，使用中還需要進(jìn)行電路供電，無論從設(shè)備成本、教學(xué)便利性、使用安全性等方面都限制了無功補(bǔ)償培訓(xùn)的效果。使用數(shù)字式仿真型的無功補(bǔ)償控制器，即能直觀地看到無功補(bǔ)償過程中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)變化，又避免了因供電帶來的安全性問題。

數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器工作原理如圖3所示。

圖2 無功補(bǔ)償控制器工作原理

圖3 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器工作原理

整個(gè)仿真的工程中，數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器數(shù)據(jù)來源由實(shí)際采集參數(shù)變?yōu)楹笈_(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)參數(shù)寫入；電容器投切的過程中由于無需供電主回路供電，電容器沒有直接接入供電主回路，不會(huì)形成電容器的放電。通過改變數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器的輸入和輸出方式，使其無功補(bǔ)償培訓(xùn)安全可靠，但數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器與無功補(bǔ)償控制器其實(shí)際工作原理和方式?jīng)]有區(qū)別。

3 數(shù)字仿真無功補(bǔ)償控制器的在仿真系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器參數(shù)設(shè)置

數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器投運(yùn)前，對(duì)無功補(bǔ)償方式、投切控制方式和定制參數(shù)根據(jù)自身要求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，需設(shè)置的定值參數(shù)有以下8種。

1）各組電容器容量。

2）按Q控制的無功功率定值。3）按COSφ控制的COSφ定值。

4）允許投切電容器組的電壓定值。

5）電容器組電壓保護(hù)定值。

6）電容時(shí)間定值：①投切時(shí)間；②閉鎖時(shí)間：指裝置對(duì)某組電容器發(fā)出投或切指令后，又檢測(cè)到需要對(duì)其發(fā)出相反的操作指令。此時(shí)為了避免頻繁操作，保護(hù)電容器開關(guān)的安全，設(shè)置閉鎖時(shí)間，只有閉鎖時(shí)間到，才有可能執(zhí)行與上次操作相反的命令。

7）電流電壓限值設(shè)置。

電流電壓限值設(shè)置包含以下內(nèi)容：①電流越限值；②最小電流；③標(biāo)稱電壓；④電壓合格范圍定值。

3.2 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器通信仿真過程

1）系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先根據(jù)變壓器實(shí)際容量，設(shè)定無功補(bǔ)償控制器的相關(guān)參數(shù)。目前考慮支持200kVA、250kVA、400kVA、630kVA、800kVA等幾種。

2）運(yùn)行過程中可采用設(shè)定U、 I、 COS的方式，作為控制器的采集的電氣參數(shù)，控制器采用U、 I、 COS的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制的補(bǔ)償控制策略（手動(dòng)、自動(dòng)、投功率因數(shù)、切功率因數(shù)、共補(bǔ)、分補(bǔ)、當(dāng)前電壓值）進(jìn)行相應(yīng)的投切動(dòng)作。

3）運(yùn)行過程中可采用設(shè)定U、 I、 Q的方式，作為控制器的采集的電氣參數(shù)，控制器采用U、 I、 Q的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制的補(bǔ)償控制策略（手動(dòng)、自動(dòng)、投無功功率、切無功功率、共補(bǔ)、分補(bǔ)、當(dāng)前電壓值）進(jìn)行相應(yīng)的投切動(dòng)作。

4）無功投切后，控制器自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)重新計(jì)算，若需繼續(xù)投切，則再次進(jìn)行投切，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給仿真控制軟件，由控制軟件進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和處理。

3.3 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器通信規(guī)約

后臺(tái)計(jì)算機(jī)采用簡(jiǎn)化101規(guī)約，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和RS485接口與數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器進(jìn)行通信。

101規(guī)約報(bào)文格式全部采用可變幀，格式如下表所示。

表 101規(guī)約報(bào)文格式

后臺(tái)計(jì)算機(jī)通過通信方式設(shè)定無功補(bǔ)償控制器的電流、電壓、功率因數(shù)，裝置本身不對(duì)電流、電壓、功率因數(shù)進(jìn)行采樣。無功補(bǔ)償控制器獲取了電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)后，進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)功率因數(shù)或無功數(shù)值達(dá)到控制器的補(bǔ)償限值后，無功補(bǔ)償控制器自動(dòng)進(jìn)行對(duì)電容器的投切，并將投切的后運(yùn)行參數(shù)信息給上傳后臺(tái)計(jì)算機(jī)；無功補(bǔ)償控制器對(duì)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，沒有達(dá)到補(bǔ)償限制時(shí)，無功補(bǔ)償控制器不進(jìn)行投切操作，繼續(xù)接受后臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送來的參數(shù)。

3.4 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器投切電容組

當(dāng)功率因數(shù)或無功數(shù)值達(dá)到控制器的補(bǔ)償限值后，數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器自動(dòng)進(jìn)行電容器的投切，投切后，控制器根據(jù)補(bǔ)償容量，重新計(jì)算電路參數(shù)，并更新，若需進(jìn)一步投入電容或切除電容，則再次進(jìn)行操作，直至電路數(shù)據(jù)參數(shù)達(dá)到要求。

為保證電壓質(zhì)量，控制器對(duì)電容器組的投切控制以電壓為約束條件，以免投、切電容時(shí)，造成電壓不合格，影響電能質(zhì)量，或造成頻繁投切。當(dāng)電壓超出閉鎖范圍時(shí)，閉鎖電容器投切。

投切電容后，控制器根據(jù)設(shè)置的電容容量進(jìn)行計(jì)算，不是采用電路回路進(jìn)行計(jì)算，因此可以通過斷開微斷，電容器不與主回路連接，防止電容投入導(dǎo)致的電容供電的大電流問題引起的安全隱患。

3.5 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器其他功能

仿真型無功補(bǔ)償控制器除了能夠以通信方式獲取電氣參數(shù)外，其他與正常無功補(bǔ)償控制相同，能夠進(jìn)行手動(dòng)的電容投退，可以通過通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程的電容投退。

4 數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器的特點(diǎn)

數(shù)字仿真型的無功補(bǔ)償控制器填補(bǔ)了我國(guó)在無功補(bǔ)償實(shí)訓(xùn)領(lǐng)域長(zhǎng)期無全面、安全的實(shí)操設(shè)備、不能完全模擬再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各種常見故障和無法模擬系統(tǒng)整體運(yùn)行工況方面的空白。

數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器與典型客戶現(xiàn)場(chǎng)的無功補(bǔ)償控制器一致，顯示、標(biāo)示等與真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)一致；實(shí)現(xiàn)了培訓(xùn)與生產(chǎn)實(shí)際操作的零距離銜接。安全可靠：數(shù)字仿真型無功補(bǔ)償控制器只需要控制器的工作電源和控制回路電源，電容器并接入電氣一次系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生真正的補(bǔ)償電流，保證培訓(xùn)師、學(xué)員和設(shè)備的安全；節(jié)省電能：由于全部通信方式、控制器計(jì)算、控制系統(tǒng)計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)，無需真正的負(fù)荷和電容，整個(gè)使用過程中沒有任何的真負(fù)載，因此，實(shí)訓(xùn)過程的能耗基本上就是控制器本身的電能消耗，基本在10W以內(nèi)；培訓(xùn)功能齊全：仿真型控制器無需接入真電容，因此可模擬無限制的電容器組，學(xué)員可通過功率因數(shù)補(bǔ)償控制設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)投切操作。仿真系統(tǒng)可設(shè)定功率因數(shù)，學(xué)員根據(jù)已知條件計(jì)算補(bǔ)償容量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行手動(dòng)投切操作，使系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定功率因數(shù)。系統(tǒng)可設(shè)置補(bǔ)償電容器的常見故障如：電容器故障；投切裝置損壞等。該仿真可實(shí)現(xiàn)較多的實(shí)訓(xùn)科目：電容補(bǔ)償裝置接線以及原理分析，電容補(bǔ)償容量計(jì)算，新裝客戶應(yīng)補(bǔ)償容量計(jì)算，功率因數(shù)自動(dòng)控制裝置操作，過補(bǔ)償系統(tǒng)異常演示，電容補(bǔ)償故障展示等等。

5 結(jié)束語

通過現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式給數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器寫入數(shù)據(jù)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采集電流、電壓的方式，極大地降低了仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的建造成本，且可以通過寫入數(shù)據(jù)的不同，完成幾乎無限制種類的無功補(bǔ)償仿真教學(xué)培訓(xùn)科目。同時(shí)，由于主回路無需供電，僅需要給控制器本身電源供電，因此電容器無需直接接入主供電回路，提高了仿真教學(xué)培訓(xùn)過程的電氣安全性。數(shù)字仿真型電壓無功補(bǔ)償控制器具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口，通過現(xiàn)場(chǎng)總線，可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、定值數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)系統(tǒng)，提升了信息化水平，能夠滿足現(xiàn)代化的無功補(bǔ)償仿真教學(xué)的要求。

[1]侯俊賢，劉文焯.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真負(fù)荷模型中配電網(wǎng)絡(luò)及無功補(bǔ)償與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的模擬[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005, 25(3):8-12.

[2]郭斌.新型全數(shù)字靜止無功補(bǔ)償控制器的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué), 2010.