1、電壓無功綜合控制裝置的研制程凱，金黎西安森寶電氣工程有限公司摘要：電壓和無功調節是各級變電站所要承擔的重要任務，為保證電壓質量、無功平衡和電網安全可靠經濟運行，本文針對典型接線方式的110KV變電站，研制了基于PC104工控系統的變電站電壓無功綜合控制裝置，介紹了十一區圖的控制原理，描述了系統的軟硬件結構。該裝置可靠性高、運行穩定，能夠有效地提高電網供電質量，降低網損。關鍵詞：變電站；電壓；無功；控制；工控機；十一區圖Abstract: The regulation of voltage and reactive power is an important task of the substa

2、tion. 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 contro

3、l 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: substa

4、tion; voltage; reactive power; control; IPC(industrial personal computer); eleven-area0引言隨著對供電質量和可靠性要求的提高， 電壓成為電能質量的重要指標之一，而無功是影響電壓質量的一個重要因素，維持電網正常運行下的無功功率平衡是改善和提高電壓質量的基本條件。對于聯系電網和用戶的變電站來說，保證變電站用戶端的電壓水平接近額定值，對提高全電網電壓質量有著重要意義。為了改善電壓質量和降低線路損耗，變電站裝設了有載調壓變壓器及并聯補償電容器組，根據負荷的變化對有載調壓變壓器和并聯電容器組進行綜合調節，實現

5、無功潮流的平衡。傳統的變電站電壓無功控制依靠運行人員手動調節，難以做到判斷正確和操作及時，很難保證調節效果，并會增加調節操作次數，甚至有操作失誤的危險，已不適應電力系統的發展。為保證電壓質量，無功平衡和電網安全可靠經濟運行，對變電站實行電壓無功自動控制已成為一項重要的控制措施。本文針對典型110kV變電站，設計了基于PC104工控系統的變電站電壓無功綜合控制裝置。1變電站電壓無功控制原理該控制裝置能根據電網的參數控制有載調壓變壓器自動調壓和無功補償電容器組或電抗器的自動投切。使變壓器和電容器工作在最佳狀況，確保電壓合格率達到規定的要求，有效地減少損耗并保持系統功率因數在較高范圍內。目前較多的電

6、壓無功綜合控制裝置采用九區圖的控制策略，按照固定的電壓和無功上下限將電壓-無功平面劃分為9個區域。U是變壓器低壓側母線電壓，Q是變壓器高壓側無功功率，它們之間的基本調節規律為：變壓器分接頭上調（或下調）后，U變大（或變小），Q變大（或變?。?，進線功率因數cos變小（或變大），一般調節分接頭對無功影響不大；投入（或切除）電容器后，Q變小（或變大），U變大（或變?。?， cos變大（或變?。Ｓ捎诳刂撇呗允腔陔妷汉蜔o功上下限都是固定的，沒有充分考慮無功調節和電壓之間的相互影響，如電壓接近上限，無功超越上限時，按控制策略應投電容器組，這樣一來導致電壓升高并越上限，繼而又調節有載變壓器分接頭，造成頻繁

7、調節和電壓不合格率增加。針對上述存在的問題，對傳統的九區圖進行更細致的劃分，把可能發生控制震蕩的區域單獨劃分，可以防止震蕩。如圖（1）所示,在8區Umin邊界附近（可能發生控制震蕩的區域）劃分出區域10，類似的還有區域11，各個區的常規控制策略如下：1區：不動作。2區：降壓，在最低檔，切電容。3區：降壓，在最低檔，切電容。4區：投電容。 5區：投電容，若電容投完，則升壓。 6區：升壓，若檔位已在最高檔，則投電容。 7區：升壓，若檔位已在最高檔，則投電容。 8區：切電容。 9區：切電容，到無功補償合適，若電容已切完，則降壓。 10區：升壓。 圖1 十一區圖 11區：降壓。 2變電站主接線 本裝置

8、以110kV變電站典型接線方式為基礎進行設計（見圖2）。110kV變電站一般配有兩臺主變，低壓母線并聯24組電容器。本文考慮有4組電容器，每段低壓母線各兩組。根據每臺主變斷路器的開關狀態，可以把變電站的運行狀態分為4種情況。（1）1T、2T并列運行；即101、102、100斷路器全部閉合。（2）1T、2T分列運行；即101、102斷路器閉合。100斷路器斷開。（3）1T單獨運行；即101、100斷路器閉合。102斷路器斷開。（4）2T單獨運行；即102、100斷路器閉合。101斷路器斷開。在不同的運行狀態，九區圖中的各個參數是不同的，控制器要能夠自動識別出變電站的運行狀態，對各參數進行修改。

9、圖2 變電站接線簡圖3硬件設計 變電站電壓無功綜合控制裝置以工控機PC104模塊為核心，通過擴展的并行口與外圍電路相接，輸入狀態信號通過光耦隔離，輸出控制信號由繼電器與外部控制電路相接。輸入模擬信號通過PT 及CT 與高壓隔離，確保強電信號與弱電信號沒有直接聯系。外圍電路有分接開關控制板、模擬信號調理板、電容器投切控制板、模擬信號轉接板、液晶顯示器附件板及數碼管背板等。變電站電壓無功綜合控制裝置控制器硬件原理如圖3所示。 圖3 控制系統的硬件結構 31 工控機結構 本裝置采用PC104嵌入式工控機模板，主要由CPU模板、A/D模板、I/O模板組成。（1）CPU模板采用1371CLDN，全兼容P

10、C/AT 總線的80386SX，40MHz 處理器，6 層PCB 板，應用抗噪聲低功耗CMOS 技術，適用于惡劣的工業環境。2 個RS-232 串行口，1 個雙向并行口，鍵盤接口，1 個EIDE(AT總線)硬盤驅動器接口，一個軟盤驅動器控制器和一個看門狗（watchdog）。其硬件和軟件與通用PC 總線標準完全兼容。（2）PCM5111高速采集模塊，采用12 位A/D 轉換，最大采樣頻率可達90KHz。其采樣增益有1、2、4、8 幾種可供選擇，模擬量范圍可以選擇+10V,+5V,+2.5V,+1.25V單極輸入 或±10V, ±5V, ±2.5V, ±1

11、.25V 雙極輸入。可供16 路單端或8 路差分模擬量輸入，如果要增強信號抗噪聲能力和高精度的轉換，那么一般采用差分輸入。A/D 轉換可以用程序控制觸發，高速采樣是通過DMA 啟動也包括定時器觸發或外觸發。另外PCM5111還包括兩路12 位的D/A 轉換輸出，根據內部的參考電壓可為±5V 的雙極輸出或010V 的單極輸出。（3）I/O模塊了48 位數字輸入輸出（DIO）模塊（AX10402），48 位TTL/DTL/CMOS 兼容的I/O 線分成2 組，每組支持8255可編程外圍接口芯片各種工作方式，但具有更強的驅動能力和包含3 個8 位口，口A，口B，口C。它們可被編程為數字輸入

12、或輸出口。在三個口中，僅口C 可進一步分為口C 上和口C 下，并可獨立配置為輸入輸出口。AX10402 有一特點：狀態改變中斷。當口C 的第3 位和第7位改變狀態時產生中斷。這個特點使PC 有空閑做其它事。因此，充分利用工控機計算速度快，運行效率高的優點，對各電量進行采樣和計算，可以使實時性得到提高。32 模擬量輸入電路 VQC采集的模擬量較多，在圖2所示的系統中，需輸入1T高壓側一相線電壓，一相線電流，2T高壓側一相線電壓，一相線電流，1T低壓側電壓，2T低壓側電壓共6路模擬量。各電壓，電流量經過電壓互感器，電流互感器，放大和轉換電路，轉換成05V單極性電壓信號，最后送入PCM5111的A/

13、D通道。33 開關量輸入輸出電路 開關量輸入接口主要監測以下開關量：（1）兩臺主變運行斷路器的狀態；（2）主變的檔位信號；（3）母連斷路器的狀態；（4）電容器的投切狀態；（5）主變及電容器故障信號；（6）遠方控制信號。 開關量輸出接口主要完成以下功能：（1）主變調檔及防滑檔信號；（2）電容器投切控制信號；（3）微機內部不正常報警信號。34 人機接口部分 顯示部分采用240×128點陣式液晶顯示器，可以顯示出如圖2所示的運行狀態圖，并表示出各段的電壓，電流，有功，無功，功率因數，檔位值以及各斷路器開關狀態。語音電路可以在輸出動作及故障時發出語音進行提示和報警。4 軟件設計 軟件設計采用

14、結構化和模塊化的設計方法，圖4所示為軟件的主程序框圖，在初始化程序中，對各寄存器賦值，AD采樣程序設計成兩層循環，在每個周期（20ms）內對14路模擬量各采樣64個點。在投切電容程序模塊及電壓升降模塊中，程序實時監測反饋回來的動作情況，如果不動作則報警。在兩臺主變并列運行的情況下，在調檔程序中要對兩臺主變同時輸出動作信號，如果一臺主變動作而另一臺不動，則將已動作的主變返回原檔位，保持兩臺主變檔位始終一致。在投電容前，要對各電壓值進行FFT變換，檢測各次諧波的大小，如果超過設定值，則不投電容。以免電容對諧波進一步放大，導致波形質量變差。圖4 軟件主流程5結論 變電站電壓無功綜合控制裝置在維持用戶

15、的電壓水平合格，就地平衡無功等方面起著極為重要的作用，基于十一區圖的控制策略，可以使電網電壓得到改善，網損減少，并能夠減少開關設備的動作次數。采用工控機作為裝置的核心，使得系統功能更加強大，效率更高。經過實驗證明，本裝置運行穩定，可靠，效果顯著。參考文獻： 1 孫淑信，游至成，李小平，等。大型變電站微機自動調壓系統的研究J。電力系統自動化，1995，19(7)：50-54。2 張明軍，歷吉文，邢宏偉，等。電壓無功控制判據綜述J。山東電力技術，1998，(2)：24-27。3 莊侃沁，李興源。變電站電壓無功控制策略和實現方式J。電力系統自動化，2001，(8)：47-50。 4 周鄴飛，趙金榮。電壓無功自動控制及其應用J。電力系統自動化，2000，(5)：56-59。5 Ramakrishna G，Rao N D. Fuzzy interferencesystem to assist the operator in reactive power control in distribution systemsJ.IEE Proceedings-Generation Transmission &Distribution,1998,145(2)：1