電壓無功綜合控制vqc裝置調試儀應用分析

電壓無功綜合控制vqc裝置調試儀應用分析
通過對電壓無功綜合控制裝置(vqc)應用現狀的分析，提出了研制vqc裝置調試儀的必要性，具體論述7調試儀的設計原理，介紹了其使用效果并提出了改進方案。

電壓是電能質量的主要指標之一。電壓質量對電網穩(wěn)定及電力設備安全運行具有重大的影響。無功是影響電壓質量的一個重要因素，各級變電站擔負著電壓、無功調節(jié)的重要任務。隨著工農業(yè)生產和居民生活對電能質量要求的進步，原有靠人工操縱調節(jié)電壓、無功的方式已經越來越不適應電網建設和用電量急增的發(fā)展需要，因此，北京供電公司近年來已將電壓無功綜合控制裝置(vqc)確定為變電站必配設備但是，由于引進該裝置的種類、型號繁多，給調試工作帶來了困難。鑒于這種情況，需要盡快研制一種能夠調試各種型號vqc裝置的調試儀。電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計| 

1研制vqc裝置調試儀的必要性

1.1vqc裝置運行工況分析

vqc裝置是通過調節(jié)主變壓器分接開關和投切無功設備來實現調整電壓和無功的。
現以220kv變電站(一次系統圖見圖1)

為例進行分析，該站有3臺變壓器，其220kv側為擴大內橋接線，110kv和10kv側均為單母線分段接線，現場運行方式取決于各側開關狀態(tài)。站內無功設備在不考慮調相機和靜補的情況下，無論站內是否裝有并聯電抗器，每條低壓母線所安裝的無功設備開關總數不會超過6臺。鑒于目前北京供電公司有載調壓變壓器大多采用mr機構，因此每臺變壓器分接開關應有19個位置。通常，vqc裝置輸進量包括：各側開關位置信息、各無功設備開關位置信息、各主變壓器分接開關位置信息；vqc裝置輸出量包括：各無功設備開關投切控制量、各變壓器有載調壓分接開關位置調整量。

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此外，vqc裝置還需接人能夠實時反映出電壓和無功變化的數據量來作為其操縱判斯的依據。采用各主變壓器三側的電壓和電流來作為模擬量，主要作計算各側電壓和無功功率之用的；由于當前變壓器低壓側負荷在24h內波動較大，同時為限制設備盡緣本錢，無功設備多安裝于低壓側，宜采用低壓側電壓作為vqc裝置的電壓判據，但是由于中壓側負荷和主變壓器也消耗一定的無功功率，故應采用高壓側無功作為vqc裝置中該主變壓器單元的無功判據。綜上所述，宜接人高壓側電流、高壓側電壓和低壓側電壓構成vqc主機的判定依據。

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1.2vqc裝置工作原理圖

經過研究發(fā)現，國內廣泛使用的各種型號vqc裝置的實現原理大致相同，都是根據電壓和無功上下限值將運行狀態(tài)劃分9個區(qū)域進行調節(jié)，電壓、無功限值區(qū)間劃分圖見圖2。廣州市駿凱電子科技有限公司下面分析電壓、無功限值在各區(qū)間時vqc裝置的動作情況[1]。 電流 電壓記錄儀 5010/5020

1區(qū)：先投電容器，當電容器全部投進后，電壓仍低于電壓下限時，發(fā)強行升壓指令；2a區(qū)：發(fā)投電容器指令，當電容器投完后，若仍在該區(qū)域，則不再進行任何操縱；2c區(qū)：如還有電容器未投，則先發(fā)降壓指令，再投電容器；3區(qū)與4區(qū)相同：發(fā)降壓指令，當有載調壓開關處于下極限時，發(fā)強切電容器指令；5區(qū)：發(fā)切電容器指令，當電容器全部切除后，電壓仍高于電壓上限值時，發(fā)強行降壓指令；6b區(qū)：發(fā)切電容器指令，若電容器全切完后仍在該區(qū)則不再進行任何操縱；6d區(qū)：若還有未切除的電容器，則先升壓再切電容器；7區(qū)與8區(qū)相同：發(fā)升壓指令，當有載調壓開關處于上極限位置時，發(fā)強投電容器指令。（圖2）

1.3對vqc裝置調試儀的功能設計要求

由于該調試儀承擔著對種類、型號繁多的vqc裝置的調試任務，故應滿足下列要求[2]：①尺寸小、質量輕、便于裝卸，一套儀器應能滿足一個變壓器單元的調試；②能與各種型號的vqc裝置或帶有vqc功能模塊的監(jiān)控系統相匹配，即應具備最大運行方式下的開進量輸進和開出量輸出；③能夠充分、靈活地模擬現場可能出現的各種運行方式；④能夠模擬現場低壓側母線電壓和高壓側無功功率的變化，同時指示輸出；⑤能夠接收vqc主機的開出信號并能直觀顯示，以判定vqc裝置動作是否正確；⑥能夠實現閉環(huán)控制以檢查vqc主機靈敏性和適應性，并且應具備開環(huán)的人工干預功能；⑦能夠模擬主變壓器分接開關位置、主變壓器各種故障閉鎖調壓操縱(輕瓦斯閉鎖調壓、過負荷閉鎖調壓、10kv低電壓閉鎖調壓、主變壓器分接開關連調閉鎖調壓操縱和發(fā)出調壓指令后調壓裝置拒動閉鎖調壓操縱)，并具備預置主變壓器風機開關位置的功能；⑧能夠模擬無功設備(單段母線不超過6臺)的投切、開關位置指示、各種故障閉鎖操縱(電容器/電抗器故障閉鎖、10kv低電壓閉鎖、開關拒動閉鎖等)，并具備無功設備開關位置預置功能；⑨具備一系列報警輸出顯示(vqc內部故障、vqc外部故障)、復回報警故障的功能和模擬現場可能出現的各種異常(故障)情況，以便判定vqc閉鎖是否正常，用以考察vqc裝置的適應性。

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2vqc裝置調試儀的設計原理

根據上述要求，vqc裝置調試儀既要能夠模擬變電站現場的相關電壓、電流，又要能夠模擬變電站的實際設備動作情況。因此我們將其分為模擬量部分和開關量部分2大部分[3,4]。

2.1模擬量部分

由前面分析可知，一臺vqc裝置調試儀只須模擬一臺變壓器高壓側套管ta二次電流(0～5a)、高壓側母線電壓和低壓側母線電壓即可得到vqc主機所需的電壓和無功功率判據。

2.1.1電流回路的構成

經過研究發(fā)現，各型vqc裝置主機的輸進阻抗都很大，其丈量回路能夠承受8～10a電流，因此，電流在0～5a范圍內時可以保證丈量精度。調試選用常用的250v，25va調壓變壓器（0～5a）和25va，250v/5a變壓器等設備及220v試驗電源。調壓變壓器及變壓器通過一塊10a電流表后串聯接人vqc主機的高壓側電流回路。當調壓變壓器從o調整到3/4滿刻度時，電流表指示5a；繼續(xù)調整至滿刻度，電流表指示6.4a。試驗過程中電流數值呈線性增長，說明25va，250v調壓變壓器的輸出電流能夠滿足模擬現場變壓器高壓側套管ta二次電流的要求。為了能模擬±△q的情況，需要改變輸進vqc主機電流的方向，在現有條件下，考慮使用相位相差120的電源來代替模擬電流相差180~的情況，電流回路的電源可以使用同一組380v交流電源a、c兩相中任一相，利用手把qk在a、c兩相間進行切換即可。由于電容器組投進的多少會影響無功功率，而且調試裝置要有開環(huán)控制/閉環(huán)控制兩種工作方式，當調試儀在閉環(huán)方式下運行時，每投切一組電容器，模擬的高壓側輸出電流都應相應地發(fā)生變化，即7個遞增電流分量分別對應著0～6組電容器投進的情況。因此，設計選用了有7個抽頭的變壓器，分別對應模擬0～6組電容器投進時的高壓側輸出電流。模擬量部分電流回路原理框圖見圖3。

2.1.2電壓回路的構成

vqc主機電壓回路的電流很小，調試可選用常用的交流400v，25va，400/150v變壓器和25va調壓變壓器等試驗設備及380v試驗電源。將上述變壓器串接，分別在2組變壓器出口處各接一塊1250v電壓表v1和v2。測得v1為120v，調整調壓變壓器從0到滿刻度，v2顯示線性變化的連續(xù)電壓。說明上述2組變壓器可以作為vqc裝置調試儀電壓回路選用元件。

另外可以將交流380v電壓變?yōu)?0v電壓，以模擬高壓側tv二次電壓輸出；調壓置和電容器投進容量的影響，因此，當調試儀工作在閉環(huán)方式下時，低壓側電壓的輸出應能與變壓器分接開關位置和電容器投進組數逐一對應起來。而mr機構的分接開關共有19個位置，又當主變壓器分接頭為1且電容器組沒有投進時低壓側也有一定的電壓輸出，因此，設計時在模擬低壓側母線電壓的回路中，調壓變壓器b后增加了一臺由3組串聯繞組成的共計26個抽頭的變壓器c。變壓器b最大輸出電壓為120v，可以手動調節(jié)來模擬低壓側電壓的大小。變壓器c由3組繞組串接構成，其中，繞組ⅰ有19個抽頭，儀器在閉環(huán)方式下工作時，分別對應變壓器分接開關01～19，當調試儀分頭指示器顯示為00時，表示此時分頭計數器復位，00所接抽頭位置與01相同，調試儀在開環(huán)狀態(tài)下工作時可以閉鎖以上抽頭并接于第20個抽頭處；繞組ⅱ無抽頭，用于在閉環(huán)方式工作時輸出基本電壓；繞組ⅲ有7個抽頭，當儀器工作在閉環(huán)工作狀態(tài)下時分別對應著電容器的不同投切組數，儀器工作在開環(huán)狀態(tài)下時可以閉鎖以上抽頭，接于6組電容器全部投進時的7號抽頭處。

我們將變壓器c最大輸出定為120v，其3組繞組及其抽頭的電壓關系式為
120＝19n＋n＋6nⅲ
式中，nⅰ為繞組l每增加一個抽頭時的壓降；nⅱ為繞組ⅱ的壓降；nⅲ為繞組ⅲ每增加一個抽頭時的壓降。綜合一定數目變電站的實測數據后，將變壓器每改變一個分接開關位置所引起的低壓側電壓變化設定為100v，由于10kv側tv的變比為10500/100，則每改變一個分接開關位置即繞組工每調節(jié)一個抽頭時所引起的二次電壓變化量為0.95v。同時，依據實際生產經驗，可將每投/切一組電容器所引起的10kv側母線電壓變化設定為200v，參照tv的變比，則每投/切一組電容器即繞組ⅲ每調調節(jié)一個抽頭時所引起的二次電壓變化量為1.9v。由此可得：繞組工的壓降為19×0.95=18.05，繞組ⅱ的壓降nⅱ=120-19×0.95-6×1.9=90.55v，繞組ⅲ的壓降為6×1.9=11.4。所以繞組ⅰ、ⅱ、ⅲ的匝數比應滿足為18.05：90.55：11.4，大約為8：40：5。

還需考慮的是，為使調試儀能在開環(huán)和閉環(huán)兩種方式下轉換，在ctbl和ctb2上分別設計了開環(huán)/閉環(huán)工作方式轉換開關qk。而qk在開環(huán)工作方式下將斷開ctbl和ctb2的切換抽頭，并接通最大的袖頭，目的是防止在方式切換而tbl、tb2調節(jié)旋鈕不在零位時電流、電壓變化過大燒毀vqc主機。模擬量部分電壓回路原理框圖見圖4。

圖4中，變壓器a可以將交流380v電壓變?yōu)?0v電壓，以模擬高壓側tv二次電壓輸出；調壓變壓器b可以手調模擬低壓側tv二次電壓輸出；變壓器c是有3組繞組的變壓器，其中繞組i有19個抽頭，繞組ⅲ有7個抽頭。

2.2開關量部分

以規(guī)模較大變電站的現場情況為例(見圖1)，vqc主機有三側開關位置，為能夠模擬現場的運行方式，設計在調試儀上安裝了3個小開關，用小開關的開斷設定三側開關的狀態(tài)從而模擬出不同的現場運行方式。有載調壓變壓器分接開關位置的設計采用數字電路，廣州市駿凱電子科技有限公司利用2個led顯示00～19的數字來仿真變壓器分接開關位置(00表示已將計數器清零)，同時為模擬vqc主機發(fā)出的升降指令時變壓器分接開關的相應動作情況，可遞增或遞減led的顯示數字來顯示，且具備人工預置功能以便于調試。利用一個小搬把開關的關開來模擬變壓器故障閉鎖時發(fā)給vqc主機的信號。開關量部分原理框圖見圖5。

為了能夠仿真無功設備開關的投切，使用了12塊歐姆龍繼電器分別對應6臺開關的分合操縱，并利用6個小搬把開關的關開模擬給vqc主機送相應6組無功設備的自動閉鎖信號。同時，調試儀接收vqc主機發(fā)出的vqc內部故障報警信號和vqc外部故障報警信號，通過歐姆龍繼電器驅動發(fā)光二極管顯示輸出，并且調試儀可以通過復回驅動繼電器復回故障信號。設計難點是如何解決閉環(huán)工作方式下投切電容器組對模擬量輸進影響的題目，經分析，需要一種可以記錄電容器當前運行組數，并由投進運行電容器組數的多少選擇相應電壓、電流的回路。根據需求選擇了gall6v8可編程芯片，他是一種有10個輸進端、8個輸出真?zhèn)�芯片，該芯片的特點是可以利用10個輸進端中的任意幾真?zhèn)�不同組合狀態(tài)對每一個輸出端分別進行編程，可很好地解決電容器投切對模擬量輸進的影響。同理，在閉環(huán)工作方式下，通過使用2個palce22v10可編程芯片來實現將調試儀開關量部分分接開關位置分別對應10個不同的輸出信號，再由這20個輸出信號觸發(fā)由9個具備4對切換觸點的歐姆龍繼電器所組成的繼電器矩陣列，從而達到接通20條不同電壓回路的目的。

3調試儀使用效果及改進方案

近幾年來，廣州市駿凱電子科技有限公司利用這種調試儀對北京供電公司所轄變電站已投進運行的vqc裝置進行調試，實踐證實效果是明顯的。但是，由于該調試儀當初是本著經濟、實用、見效快的原則研制的，因此在設計上的存在很大的局限性，如繼電器和各種小開關及按鍵輕易老化、損壞等。可以使用可編程芯片來代代替上述元件，使用單片機控制實現模擬量輸進和開關量控制來加以改進，vqc裝置調試儀改進方案原量框圖見圖6。