CN201877838U

CN201877838U - 磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统

Info

Publication number: CN201877838U
Application number: CN2010206569865U
Authority: CN
Inventors: 李光生; 陈丹; 彭洪斌; 刘辉; 温度; 史俊; 兰国良; 曾文君; 史欢
Original assignee: Nanning Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co Ltd
Current assignee: Nanning Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co Ltd
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-12-14

Abstract

本实用新型公开了一种磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统，该系统包括：三相磁控电抗器本体、电流互感器、电压互感器、电容器组、基于PLC的控制装置和保护装置。本实用新型基于PLC和6PRS，其工作原理是：经过分组的可投切电容器组提供分级的容性无功功率，各组电容器的投切根据工况受到控制装置的控制，磁阀式可控电抗器通过平滑调节容量来吸收系统多余容性无功功率，使补偿母线上无功达到动态平衡。本实用新型结构简单、稳定性高、免维护、成本低且可实现快速、动态、精确、连续可调和实时远程监测。

Description

磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统

技术领域

本实用新型涉及一种无功电压补偿系统，尤其是一种磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统。

背景技术

无功电压补偿技术中，并联电容器的成本相对较低，但是由于电容器分组数量的限制，只能实现有级调节，而且补偿特性不平滑，精度也不高；同时，开关投切电容造成的涌流和过电压会危害系统和设备，其动作速度远未达到动态响应的要求，更不具备远程监测功能。

TCR(ThyristorControlled Reactor-晶闸管控制电抗器)型SVC(Static VarCompensate-静止无功功率补偿器)采用单片机为主控单元，抗干扰能力较差，在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证；另一方面，电压等级越高的变电站其辐射范围也越大，故障的波及面也大，因此受其控制能力和通信能力的限制，不适合于中高压系统；此外，由于在10kV及以上电压等级中采用可控硅串会产生散热量大和易击穿等问题，谐波污染严重、体积庞大、维护工作量大、设备复杂、成本高、可靠性和稳定性低。

现有监测技术应用局限于站内，监测数据需要另外架设信号线向主站传输。然而，对偏远的变电站来说，额外架线不仅困难重重，而且工期长成本高，若发生意外而造成物理连接断开将造成无法监测的后果。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、稳定性高、免维护、成本低且可实现快速、动态、精确、连续可调和实时远程监测的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统。

为解决上述技术问题本实用新型的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统采用如下技术方案：该系统包括：三相磁控电抗器本体、电流互感器、电压互感器、电容器组、基于PLC的控制装置和保护装置。

三相磁控电抗器本体由油浸式变压器组成，其主铁芯分裂成两半，每个半铁芯的中间都具有一小截面段，每个半铁芯上分别绕有主绕组和控制绕组，两个可控硅接在控制绕组的抽头上。

基于PLC的控制装置包括信号采集单元、中央处理单元、通信接口单元、励磁执行单元和人机界面单元；信号采集单元包括模拟信号的处理模块、开关状态的检测模块和同步信号的波形变换模块，该信号采集单元连接母线和磁阀式可控电抗器本体电流互感器、电压互感器；中央处理单元包括PLC中A/D转换模块、数据处理及运算模块、可控硅触发控制模块、光纤触发模块、开关量的输入输出模块，该光纤触发控制模块连接励磁执行单元的光电转换模块；通信接口单元包括GPRS发射器和接收器，该通信接口单元连接变电站综合自动化系统并通过GPRS与主站进行远程通信；励磁执行单元包括光电转换模块和驱动放大电路模块，该驱动放大电路模块连接控制磁阀式可控电抗器本体的可控硅；人机界面单元包括CPU控制器、触摸屏、键盘以及相应的外围接口电路，相应的数据经数据线接入该CPU控制器，键盘经控制线连接该CPU控制器。

保护装置包括三段过流保护、电流差动保护、反时限过流保护、过负荷保护、接地保护、零序过流保护、电容器支路保护、零序过压告警、三路非电量保护、独立的操作回路和故障录波。

本实用新型的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统是基于PLC(ProgrammableLogic Controller-可编程逻辑控制器)和GPRS(General Packet Radio Service-通用无线分组业务)的，其工作原理是：经过分组的可投切电容器组提供分级的容性无功功率，各组电容器的投切根据工况受到控制装置的控制，磁阀式可控电抗器通过平滑调节容量来吸收系统多余容性无功功率，使补偿母线上无功达到动态平衡。MCR(MagneticallyControlled Reactor-磁控电抗器)主铁心不饱和，输出电流谐波较低，利用电网电压本身经自耦变压或外励磁降压后由可控硅整流获得直流控制电源，以改变电抗器磁阀的饱和度，从而平滑连续地调节磁控电抗器的容量。电压互感器检测系统母线和补偿母线电压、电流，激磁电流及其同步电压信号，电抗器投入、控制失压等开关量信号，送至信号采集单元，经PLC进行A/D转换、处理和运算，输出控制量即可控硅触发导通角和开关量。触发导通角经光纤触发模块转换为光信号，送至励磁执行单元的光电转换模块，将该光信号还原为电信号，经驱动放大电路模块放大后连接可控硅，触发可控硅导通，实现快速平滑调节MCR容量。开关量和电压、电流、无功、有功等信号则送至通信接口单元，通信模块连接变电站综合自动化系统，进行信息数据和功能数据的交换。当发生保护故障时，控制装置先通过保护向补偿母线或电容器组投切断路器发出分闸指令，再通过站内通信接口向变电站综合自动化系统发送故障和保护动作信息。所有的检测量和故障信息都通过远程通信模块采用GPRS与主站进行实时交换。投入运行前，需要进行调试，通过人机界面，进行相关参数的设置和工作模式的选择，可使该系统发挥最大的性能。

本实用新型应用效果显著：

1.本实用新型利用电网电压本身经绕组自耦变压后由可控硅整流获得直流控制电源，其伏安特性呈近似线性，这种可控电抗器三相对称三角形连接，且具有相对短的磁路饱和段，磁饱和度设计得接近极限值(小截面段始终处于饱和状态)，因此产生的谐波甚小，完全满足谐波规定要求，提高了补偿的精确度；

2.绕组线圈全部采用铜带(箔)绕成，且根据散热要求设置有纵向通风气道，具有抗龟裂、电气性能好、耐雷能力强等特点；

3.能在诸如极端气候、电压波形畸变、幅值波动大等恶劣电网工作环境下稳定、可靠、持久地工作；

4.可实现容量的连续(无级)调节，范围宽广，能有效补偿电力系统的容性无功，保持线路电压稳定；

5.采用光纤触发方式，提高了电抗器的响应速度，从空载到额定容量的过渡时间很短，可快速跟踪改变电抗器容量来实现电力系统的无功平衡；

6.GPRS通讯装置与工控机结合实现了远程监控电抗器运行的功能，可全天实时无间断传输数据，远程在线监测稳定性好；

7.基于PLC的控制装置兼具稳定性和多功能性，运算速度快，能够快速动态跟踪补偿无功电压，运行稳定；

8.该系统体积小、占地少、免维护，节省建设费用和冷却费用。

附图说明

图1是三相磁控电抗器本体结构示意图。

图2是三相磁控电抗器本体接线原理图。

图3是本实用新型的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统接线原理图。

图4是本实用新型中基于PLC的控制装置结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统包括：三相磁控电抗器本体、电流互感器、电压互感器、电容器组、基于PLC的控制装置和保护装置。其中，三相磁控电抗器本体由油浸式变压器组成，其主铁芯分裂成两半，每个半铁芯的中间都具有一小截面段，每个半铁芯上分别绕有主绕组和控制绕组，两个可控硅接在控制绕组的抽头上。基于PLC的控制装置包括信号采集单元、中央处理单元、通信接口单元、励磁执行单元和人机界面单元；信号采集单元包括模拟信号的处理模块、开关状态的检测模块和同步信号的波形变换模块，该信号采集单元连接母线和磁阀式可控电抗器本体电流互感器、电压互感器；中央处理单元包括PLC中A/D转换模块、数据处理及运算模块、可控硅触发控制模块、光纤触发模块、开关量的输入输出模块，该光纤触发控制模块连接励磁执行单元的光电转换模块；通信接口单元包括GPRS发射器和接收器，该通信接口单元连接变电站综合自动化系统并通过GPRS与主站进行远程通信；励磁执行单元包括光电转换模块和驱动放大电路模块，该驱动放大电路模块连接控制磁阀式可控电抗器本体的可控硅；人机界面单元包括CPU控制器、触摸屏、键盘以及相应的外围接口电路，相应的数据经数据线接入该CPU控制器，键盘经控制线连接该CPU控制器。保护装置包括三段过流保护、电流差动保护、反时限过流保护、过负荷保护、接地保护、零序过流保护、电容器支路保护、零序过压告警、三路非电量保护、独立的操作回路和故障录波。

三相磁控电抗器本体结构及接线原理如图1、图2所示。本体变压器结构是其主铁芯分裂为两半，面积各为S_b，长度为l-l_t，每一半铁芯都具有一长度为l_t的小截面，其面积为A_b1(A_b1＜A_b)。两个半铁芯柱上分别对称地绕有两个匝数为N/2的绕组(半铁芯柱上的线圈总匝数为N)；每一半铁芯柱的上下两绕组各有一抽头比为δ＝N₂/N的抽头，它们之间接有可控硅K₁(K₂)；不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后，并联至电网电源，二极管D则横跨在交叉端点。三相磁控电抗器的铁芯截面具有减少的一段，在整个容量调节范围内，只有小面积一段磁路饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过调节可控硅导通角，改变直流控制电流的大小和相应的铁芯磁饱和度，从而改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，

图3表明10kV及以下电压等级变电站磁控电抗器无功补偿系统采用自励磁结构，主绕组采用三角形连接。6个可控硅导通角受控装置，接收可控硅导通角触发信号。磁控电抗器主绕组接开关柜，分组投切电容器组串一定电抗率的电抗器以降低磁控电抗器配置容量和抑制谐波，以Y0接线方式经断路器接同一开关柜上。开关柜接补偿母线。控制装置的采集信号包括10kV母线电压和电流及其同步电压信号，以及电抗器投入、控制失压等开关量信号，还要求与变电站综合自动化(Substation Automation System，SAS)进行通信和数据交换。

图4显示基于PLC的控制装置由信号采集单元、中央处理单元、通信接口单元、励磁执行单元和人机界面单元五大部分组成。PLC控制实现加法电平转换与延时电路、减法电平转换与延时电路、时钟脉冲发生器、可逆计数器、清零电路、译码器等硬件电路的控制功能。

信号采集单元包括模拟信号的处理模块、开关状态的检测模块和同步信号的波形变换模块。该信号采集单元连接母线和磁阀式可控电抗器本体电流互感器、电压互感器。为保证电压和电流的测量精度，必须采用精密电压互感器前置电路。10kV变电站的母线电压和电流量，经互感器后二次输出电压和电流额定值分别为100V和1A。

中央处理单元由PLC中A/D转换模块、数据处理及运算模块、可控硅触发控制模块、光纤触发模块、开关量的输入输出模块。A/D转换模块接受前置电路模块传来的数据，进行A/D转换。数据处理及运算模块对A/D转换的数据进行存储和运算，运算结果送入相应寄存器存储和端口。端口连接可控硅触发控制模块，该模块从I0.0口采集电压同步信号，PLC开始工作时，第一个扫描周期，对使用的两路高速计数器HSC0和HSC4和一路高速脉冲PWM输出进行初始化，同时写入初始触发角。两路高速脉冲输出：一路PWM Q0.1输出，作为高速计数器HSC4时钟脉冲，实现触发延迟；一路PTO Q0.0输出，输出控制电路和光纤通信需要的脉冲。PLC内部一高速计数器HSC0检测到同步信号上升延的时候，产生中断。中断中启用高速计数器HSC4实现延时，改变HSC4计数设定值，就可以改变触发延时时间，即改变触发角。HSC4计数值达到设定值，即产生一个中断，启动高速脉冲输出，以PTO模式输出一个脉冲。工作时，PLC通过RS-485接口与触摸屏实现数据通信，触摸屏通过读写高速计数器HSC4的设定值，改变设定值从而改变触发角，实现晶闸管触发角的可控调节。该模块发出触发脉冲，送至光纤触发模块。该模块由移相触发电路和电光转换电路组成。移相触发电路实现由一路触发脉冲变成六路脉冲，且每一路之间相位分别相隔60°，即每路脉冲实现60°的延时。电光转换电路实现电脉冲信号转换为光信号，实现控制系统与可控硅的电气隔离。该光纤触发控制模块连接励磁执行单元的光电转换模块。开入量和开出量也都采用光耦隔离。

通信接口单元遵循变电站综合自动化系统相应规约，通过GPRS与主站进行远程通信，由GPRS发射器和接收器组成。控制装置通过通信接口单元采用GPRS与主站后台进行数据信息和功能信息实时交换，能够实现较为准确的远程监测。

GPRS模块通过RS-232口与PLC连接，GPRS数据终端接入点绑定固定IP地址，采用透明双向数据传输，链路自动维护；只需要向移动公司开户SIM卡，费用可以采用包月方式使用，运行成本低；永远在线，只要激活GPRS后，将永远保持在线，不存在掉线问题，只有在产生流量时才计费；快速登录，全新的分组服务，无需长时间的拨号连接过程；高速传输，GPRS最高理论传输速度171.2kbps，平均带宽40kbps；支持点对点、中心对多点及多点间的实时、对等数据传输，组网灵活，不受通讯距离和区域的限制，中心对多点的传输方式是直流开关实时监控常用的应用模式；可靠性高，一般数据包传输的成功率在99.9％以上。

远程GPRS设备上电后，与设定的固定宽带IP和TCP端口，进行TCP连接；连接成功后，发送站标识到远程连接服务器，进行注册；注册成功后通知MB_GPRS驱动，MB_GPRS驱动开始工作；MB_GPRS驱动发送站标识和数据请求指令到远程连接服务器；远程连接服务器收到站标识和数据请求指令，把数据请求指令通过TCP连接通道转发到具有指定站标识的GPRS数据终端；数据终端收到数据请求指令，通过串口转发到MODBUS设备中，MODBUS设备响应后把返回数据通过串口传送到GPRS数据终端，GPRS数据终端再把数据通过TCP连接通道传送到远程连接服务器；远程连接服务器收到返回数据，再通知MB_GPRS通讯驱动进行接受，完成一次通讯；此流程具有并发通讯能力，如果外部有多个GPRS数据终端，不进行轮训访问，而同时访问。

励磁执行单元由光电转换模块和驱动放大电路模块组成，该驱动放大电路连接控制本体磁阀式可控电抗器的可控硅控制箱。6路脉冲光信号从中央处理单元发出后，本单元光电转换模块将6路脉冲光信号还原为6路脉冲电信号，经功率放大电路将6路脉冲电信号放大到可以触发可控硅导通，接入可控硅控制箱，触发各相磁控电抗器在指定触发角导通。

人机界单元完成人机交互功能，可以进行各种参数设置，并以中文方式实时显示系统信息及磁控电抗器运行参数。人机界面采用型号为TPC7062KS的嵌入式一体化触摸屏，它以嵌入式低功耗的ARM结构CPU芯片为核心(主频400MHz)，采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率800×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率1024×1024)，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统WinCE.NET和MCGS嵌入式组态软件。可以实现中文和数字的显示，并可进行相应的参数设置。TPC7062KS有多种接口，有2个独立串口，可扩展到4个独立串口，有标准的以太网口、2个USB口。支持RS232/RS485/RS422通讯，支持Can总线通讯、MVB总线通讯、工业以太网与MODBUS_TCP通讯等多种通讯方式。人机界面由型号为西门子S7-200的PLC来控制。控制器工作电源、6路脉冲输出、电容器和电抗器控制与报警信号等，均由触摸屏来指示相应的工作状态，对现场的调试、投运以及故障处理十分有用。可用图形方式、文本方式及图形和文本合成方式进行显示，同时支持文本方式下的特征显示。

保护装置在发生故障时接受控制装置的指令，实现如下功能：4路遥信开入采集、装置遥信变位、事故遥信，正常断路器遥控分合、小电流接地探测遥控分合，P、Q、IA、IC、Uab、Uca、f等模拟量的测量，开关事故分合次数统计及事件SOE等，故障录波，4路脉冲输入。电容器支路保护主要由补偿电容器组、平波电抗等组成，电抗与电容根据系统特性组成偏谐振回路，为系统提供容性无功功率，同时吸收系统中谐波电流。电路中设有三次及五次谐波的不平衡保护及过流保护，共有四路故障信息与PLC相连。

Claims

1.一种磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统，其特征在于该系统包括：三相磁控电抗器本体、电流互感器、电压互感器、电容器组、基于PLC的控制装置和保护装置。

2.根据权利要求1所述的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统，其特征在于：所述三相磁控电抗器本体由油浸式变压器组成，其主铁芯分裂成两半，每个半铁芯的中间都具有一小截面段，每个半铁芯上分别绕有主绕组和控制绕组，两个可控硅接在控制绕组的抽头上。

3.根据权利要求1所述的磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统，其特征在于：所述基于PLC的控制装置包括信号采集单元、中央处理单元、通信接口单元、励磁执行单元和人机界面单元；所述信号采集单元包括模拟信号的处理模块、开关状态的检测模块和同步信号的波形变换模块，该信号采集单元连接母线和磁阀式可控电抗器本体的电流互感器、电压互感器；所述中央处理单元包括PLC中A/D转换模块、数据处理及运算模块、可控硅触发控制模块、光纤触发模块、开关量的输入输出模块，该光纤触发控制模块连接励磁执行单元的光电转换模块；所述通信接口单元包括GPRS发射器和接收器，该通信接口单元连接变电站综合自动化系统并通过GPRS与主站进行远程通信；所述励磁执行单元包括光电转换模块和驱动放大电路模块，该驱动放大电路模块连接控制磁阀式可控电抗器本体的可控硅；所述人机界面单元包括CPU控制器、触摸屏、键盘以及相应的外围接口电路，相应的数据经数据线接入该CPU控制器，键盘经控制线连接该CPU控制器。

4.根据权利要求1至3所述的任一磁阀式可控电抗器动态无功电压补偿系统，其特征在于：所述保护装置包括三段过流保护、电流差动保护、反时限过流保护、过负荷保护、接地保护、零序过流保护、电容器支路保护、零序过压告警、三路非电量保护、独立的操作回路和故障录波。