S7－200 PLC无功补偿装置在小型变电站中的应用

楚清河 聂贞 楚云飞 李卫华

（华北水利水电学院 电力学院，河南 郑州 450011）

0 引言

电压和无功是电能质量的重要指标之一。电压偏移过大会影响用电设备的运行特性，而且还影响到用电设备所取用的功率，对系统带来不利影响，如异步电动机。而无功功率与系统电压水平是密切相关的。无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送，在传输过程中要产生电压损耗（高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率），无功功率潮流的变化也会相应的引起电压损耗的变化。无功电源的不足会引起系统电压水平的下降，还会使电网损耗增加。因而维持无功潮流的合理平衡对提高供电质量，保证系统安全、可靠、经济运行是非常重要的。

近年来，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，农村负荷迅速增加，同时电动机、变压器等感性负载也迅速增加。由于我国农村电网水平较落后，无功补偿能力比较弱，电网功率因数长期处于较低的状态，电压质量较差，网损也很高。但随着农网改造工程的进行，在农村建立了许多小型变电站，通过在这些变电站中集中装设无功补偿装置，可有效补偿负荷所需的无功及变压器中的无功消耗，从而提高其进线功率因数和母线电压，减少网络中的无功流动，实现无功功率分层、分区平衡，改善电压质量，使大多数地区达到农村电网无功合理补偿的目的。动态分组投切电容器组是一种适合小型变电站的经济实用的无功补偿方法。但在实际投切中，总是出现过补偿、欠补偿等各种问题。本文针对目前农村小型变电所中无功补偿装置的不合理性，结合一所小型化变电站的实际运行方式和控制方式，通过设置电容器的投切判据，设计了一套基于s7－200PLC的无功综合控制装置，实现了无功的自动跟踪补偿，并通过控制器上的通讯扩展功能，实现了远程监视和控制，达到了改善功率因数、调整电压、降低损耗的目的，对农网改造中新建小型变电站实现综合自动化有实际的贡献意义。

1 农网中小型变电站电容器无功补偿存在的问题

1.1 过补偿

在部分农村小型化变电所的实际运行中，电容器投入运行后，常出现过补偿情况，向电网倒送无功，电网电压升高，危害电网和设备安全运行，增加网损，电压合格率降低，通过调整主变电压分接头，虽然能够降低电网电压，但仍然不能解决向电网倒送无功问题，这种情况在运行中的农村小型化变电所存在较多。

1.2 欠补偿

在部分农村小型化变电所的实际运行中，电容器投入运行后，出现欠补偿情况，不能充分补偿电网无功，功率因数低，电网电压低，危害电网和设备安全运行，增加网损，电压合格率降低，虽然调整主变电压分接头能够升高电网电压，但仍然不能解决充分补偿电网无功和功率因数低的问题，这种情况在运行中的农村小型化变电所也较普遍。

1.3 退出运行

在部分农村小型化变电所的实际运行中，电容器投入运行后，由于出现过补偿情况，采取了将电容器退出运行的做法，不对电网系统无功进行补偿，从而导致出现严重的欠补偿情况，电网功率因数很低，电网电压大幅度降低，严重危害电网和设备安全运行，大大增加网损，电压合格率无法保证，这种情况在运行中的农村小型化变电所少量存在，但危害性很大。

2 小型变电站的运行方式和控制方式

现以一所10 kV小型变电站为例，根据它的运行方式和控制方式，设计了无功补偿电容器的投切判据，并依此设计了自动无功补偿控制器。此变电站的系统接线图如下图1所示。变电站有2台10 kV有载调压变压器、2段母线、1台母联断路器和两组无功投切电容器Q1、Q2（Q1≤Q2）。

2.1 系统运行方式

此变电站的系统运行方式主要为:PLC系统采集1#进线开关、2#进线开关和母联开关的位置，自动适应一次系统的运行方式。有5种运行方式，具体如下:

（1）并列:手动设定两台主变同时运行（图1中1QF、2QF在合位），两段母线相联（母联断路器3QF在合位）。

（2）1#变压器单独运行:只有1#变压器运行（1QF在合位，2QF在分位），两段母线可能相连（3QF在分位或在合位）。根据运行变压器的电量参数，若3QF在分位，仅控制有运行变压器这段母线上的电容器;若3QF在合，两段母线上的电容器统一控制。

图1 系统接线图

（3）2#变压器单独运行:只有2#变压器运行（2QF在合位，1QF在分位），两段母线可能相连（3QF在分位或在合位）。根据运行变压器的电量参数，若3QF在分位，仅控制有运行变压器这段母线上的电容器;若3QF在合，两段母线上的电容器统一控制。

（4）分列:2台主变压器同时运行（1QF和1QF在合位），两段母线不相连（3QF在分位），根据每段母线的电量参数，两段母线上的电容器分别控制，互不干涉。

自动:根据系统运行时高压断路器的状态，自动识别系统运行方式，在相应运行方式下进行电容器自动投切。

2.2 系统控制方式

为了方便运行维护人员在必要时能直接控制调节设备，系统设置了手动和自动运行方式，正常状态下用自动方式，在调试状态和故障处理等异常状态下用手动方式。

（1）自动控制

控制器自动识别系统运行方式，在相应运行方式下进行电容器自动投切，完成系统的无功补偿。根据不同运行方式和系统无功量与功率因数上下界限，进行自动判断，并进行电容器组的投切操作。根据Q补和Q切与电容器最小容量的倍数和当前系统运行方式，智能判断需投切的电容器。

（2）手动控制

转换开关在手动位置，由就地手动操作接触器。在此控制方式下，控制器只发提示信息，由手动控制来完成电容器组的投切，从而进行系统无功补偿。

2.3 设置电容器投切判据

通过无功补偿控制器采集两段母线的三相电压、三相电流，计算两台主变压器的有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能，作为控制电容器投切的判据。电容器投切的两种情况:

（1）电容器投切的判据Ⅰ

① 无保护动作;

② 大于投切间隔时间（放电时间）;

③ 功率因数滞后，小于下限值，并超过一定的时间;

④ 无功功率大于上限值，并超过一定的时间;

如果测量无功功率Qc＜Q1，不投;Q1＜Qc＜Q2，投入Q1;Q2＜Qc＜Q1+Q2，投入Q2;Qc＞Q1+Q2，同时投入 +Q1、+Q2。

（2）电容器保护判据Ⅱ

① 有保护动作;

② 功率因数超前，大于上限值，并超过一定的时间;

③ 无功功率小于下限值，并超过一定的时间;

如果测量无功功率Qc＜Q1，全切;Q1＜Qc＜Q2，投入Q2;Qc＞Q1+Q2，同时投入Q1、Q2。

3 无功控制器的设计

根据电容器投切判据和系统自动控制方式，对该无功补偿装置中的核心部件无功控制器进行设计。该无功控制装置的主要构成为:1台西门子CPU226、数字量扩展模块EM223、1台触摸屏、智能电量变送器PDM－800、中间继电器。智能变量变送器负责两端母线电量参数的采集和处理，CPU226负责数据的采集与处理及智能运行方式判断和逻辑控制功能。通信协议采用西南自动化研究所WTC－B－02通信协议。在上位计算机上安装好通讯处理卡CP1612后，通过通讯卡上RS－485接口与PLC上的通讯CP243－1通讯，此时PLC与上位机构成工业以太通讯网络，完成上位机与PLC之间的数据交换。

3.1 无功控制器的硬件设计

无功补偿器的硬件部分（如图2）由可编程程序控制器（PLC）、RS232/485通信电缆、触摸屏、接触器、传感器和互感器等主要部分组成。中心控制器采用德国西门子公司的S7—226 PLC（24I，16O），为了完成信息的采集和输出控制工作，采用数字量扩展模块EM223（16I，160）将输入量点扩展至40个，输出点扩展至32个。为了实现控制算法，需要两块参数检测仪表分别采集两台主变的低压侧电流，两段母线的电压来计算出控制所需的电压、功率因数、有功功率。

PLC和参数检测仪表都具有标准的RS一485接口，可将两台仪表与PLC的Prot0口相连，组成采集系统参数的主从网络。PLC的Port1口可根据需要与编程软件、人机接口设备或上位机通讯，实现对PLC的编程、控制或对整个控制系统功能的扩展和完善。

图2 控制器的硬件结构

3.2 无功控制器的软件设计

控制器的软件部分主要由根据用户要求编写的可擦除的PLC程序组成。采用模块化的设计方法，按实现的功能划分为初始化功能模块、开关量处理模块、电容器循环投切队列生成模块、系统运行参数读取模块、控制主程序模块、辅助处理模块这8个软件功能模块。通过对各功能模块的调用来完成软件功能，这种结构化、功能化的程序设计思想使程序的组织合理、功能独立，便于程序的调试和修改，减少了程序代码的重复，节省了程序存储空间。软件执行的总流程图如图3所示。

图3 软件执行的总流程图

控制器具有RS485通信接口，将Prot0口采用自由通信方式与西南自动化研究所1891A等通信，CPU 226为主站，1891A等为从站，主站用定时轮流呼唤，如接收数据符合起止字节、结束字节、校验字节、站号后，进行数据传送并处理，否则数据舍弃，不予处理，这样就能把控制结果向上级调度中心汇报。

此控制器还有其他很多功能，例如事件记录功能，控制器详细记录电容器投入、切除时间，母线运行方式变化的时间，接触器据动故障和接触器动作次数等运行信息;参数设定功能，可以设置报警参数的上限、下限值以及报警时限;电容器组零序过电压/过电流保护功能等。

除了控制器的设计外，显示界面采用配套软件完成系统运行的可视化;触摸屏作为人机对话界面，显示系统运行状态、系统运行参数和故障报警信息，通过触摸屏可以完成系统参数、报警参数设定功能，可随时记录系统故障信息、便于查询故障和设备维护。

4 系统运行优化功能

电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性，而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。

无功优化计算是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下，通过调节控制变量（发电机的无功出力合机端电压水平、电容器的安装及投切和变压器分接头的调节）使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。通过无功优化不仅使全网电压在额定值附近运行，而且能取得可观的经济效益，使电能质量、系统运行的安全性和经济性完美地结合在一起，因而无功优化的前景十分广阔。无功补偿可以看做是无功优化的一个子部分，即它通过电容器的安装位置和电容器的容量，使在变电站自动化监控系统中，变电站各种运行参数需要传送给上一级调度中心，而调度中心有时也需要向变电站发出一些控制指令。

5 结束语

本文根据农村小型变电站投切电容器补偿无功存在的问题，设计了一种基于S7－200 PLC的符合当前变电站综合自动化发展需要、可靠性高、功能齐全、价格比最佳的动态分组投切电容器组的无功自动控制装置。将这套装置用于农村小型变电站的无功电容补偿控制和电压调节中，可以实现自动跟踪电网无功变化，自动调节补偿容量，同时也便于实现无人值班。此装置还设有通讯扩展功能，控制器通过通信接口将控制结构向上级调度中心汇报，也允许调度中心对控制装置控制目标进行灵活设定，全面可靠的实现遥测、遥信、遥调功能，对小型变电站实现综合自动化有很大的现实意义。该方案结构简单可靠，经济性好，实用性强，使变电站无功得到较好的补偿效果，有较好的经济效益和社会效益。

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