基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置的制作方法

专利名称：基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于现场总线的变电站电压智能无功动态
补偿装置，适用于6KV以上变电站，根据电网的参数，采用现场总 线技术控制有载凋压变压器自动调压和无功补偿电容器组的自动投 切，使变压器和电容器工作在最佳状况，确保电压合格率达到规定 的要求，有效减少无功损耗并保持系统功率因数在较高范围内。
背景技术：
随着我国国民经济的发展，电能的生产以及输送与人们的生产 愈发密切相关。在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功 率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不 应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么， 这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就 要下降，从而影响用电设备的正常运行。无功功率对供、用电产生 一定的不良影响，主要表现在降低发电机有功功率的输出、降低输 变电设备的供电能力、造成线路电压损失增大和电能损耗的增加、 造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。 从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要， 所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用 户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就 是电网需要装设无功补偿装置的道理。降低电网损耗是目前城网改 造的主要目的之一。在整个电网损耗中，配电系统的网损约占整个 网损的70%，因此，降低配电系统的网损是降低整个电网损耗的关键。 在配电系统中，大部分用电设备的自然功率因数在0.7左右，即配 电系统的网损有50%由无功引起的，如果使配电系统的无功得到补 偿，则配电系统的网损可降低50%，整个电网损耗可降低35%，具有 较大的节能效益。可见，通过有载调压变压器的调节和并联补偿电 容器的投切实现系统电压和无功的综合调控，对降损节能、保证电 能质量、增加设备容量、提高线路输送能力、保证电力部门和用户 的总体运行技术指标和经济指标最佳具有重要的作用，对电力系统 的安全和人民生产、生活质量的提高都有重大的意义。
目前国内用于变电站电压无功综合控制装置型号较多，但主要 存在以下几个问题.-
(1)抗干扰问题。目前国内产品中心控制器一般采用单片机，该控制系统是低电平的弱电系统，但它的工作环境是电磁干扰极其 严重的强电场所，为增强微机系统的可靠性就必须采取一系列的软、 硬件抗干扰措施。为提高单片机控制系统的抗干扰能力所采取的各 种措施势必增加设备的投资，延长控制器的开发时间，并且使系统 复杂程度增加导致系统可靠性降低。
(2) 通讯联网问题。电力系统自动化技术的发展趋势是要求控 制装置在正常的情况下能够独立的完成本变电站内的电压无功综合 调控，达到整个系统责任分散、控制分散、风险分散的控制目标。 在紧急情况下能够作为执行机构执行调度中心的控制命令，从而从 根本上提高全系统的可靠性和经济性。还要求在正常的运行工况下， 能把控制的结果向调度中心汇报，允许上级调度部门对控制装置的 控制目标进行灵活设定，以满足系统安全、稳定、经济运行的要求。 目前国内产品通讯联网功能弱，与其它自动化设备不能兼容联网， 不易实现变电站综合自动化。
(3) 无功控制策略问题。现有的传统九区电压无功分区控制策 略是定性分析确定的，其区域边界值固定，调节策略基本上是按照 无功越限投切电容、电压越限调分接头的原则进行。实际上两者之 间存在着相互影响，且电容投切的效果与系统的负荷情况关系很大， 系统的负荷是时刻都在变化的，不考虑系统负荷状况影响的区域控 制策略显然是不合理的。
(4) 自动化程度不高，操作复杂。目前国内市场上的无功补偿 装置大多采用单片机作为中心控制器，液晶显示屏作为显示设备， 加上若干个功能键操作菜单，操作复杂，信息量低、可靠性较低， 难以满足现场自动化实际需要。

实用新型内容
针对目前国内变电站电压无功补偿装置的抗干扰能力弱、通讯 联网能力差、控制策略不合理、自动化程度低等方面的不足，本实 用新型的目的在于提供一种可靠性高、组态灵活、功能齐全的基于 现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置。
本实用新型为实现上述目的采取的技术方案为， 一种基于现场 总线的变电站电压智能无功动态补偿装置，包括一个中心控制器， 信号采集装置通过M0DBUS现场总线与总线转换模块相连，总线转换 模块与现场监控显示系统，以及由通讯模块、上位机、打印机组成 的扩展单元分别通过PROFIBUS-DP现场总线与中心控制器相连，中 心控制器上的输入模块、输出模块共同组成1/0数据输入输出系统， 1/0数据输入输出系统分别与信号输入模块、信号输出模块、驱动机 构相连。本实用新型进一步的设置为
中心控制器采用德国西门子公司的S7-300 PLC,现场监控显示 系统采用西门子TP1704触摸屏，现场监控显示系统与中心控制器的 通讯数据交换直接采用raOFIBUS-DP现场总线方式，扩展单元的上位 机数据采集与监控系统采用西门子公司的WIN CC SCADA，上位机上 的通讯模块采用通讯处理卡CP5611,通讯模块与中心控制器上的 PROFIBUS-DP现场总线接口构成PROFIBUS-DP现场总线网络，从而完 成上位机与中心控制器之间的数据交换，完成系统组态、数据管理、 打印等功能，同时可以通过PROFIBUS-DP现场总线网络将信号输送到 更远距离的电力总调度室，实现"遥测"、"遥信"、"遥调"、"遥控" 的四遥功能。
为了实现控制算法，需要两块参数检测仪表采集主变的低压侧两 段母线电流和电压信号，以计算出控制所需的电压、电流、功率因数、 无功功率、有功功率等参数，本实用新型的信号采集装置分别采用了 两台智能电量变送器来进行采集，信号采集装置输出的信号经MODBUS 现场总线到总线转换模块，经过总线转换模块转换输出为 PROFIBUS-DP现场总线信号，与中心控制器的PROFIBUS-DP通讯口相 连，组成PROFIBUS-DP现场总线网络通讯系统。
为了实现对变压器和电容器组的综合控制和对有载调压分接开 关及电容器组的保护，中心控制器上的输入模块采用数字量输入扩展 模块SM321,将输入量点扩展至40个可满足系统的要求，控制的输 出信号为电容器的投切控制信号，分接头档位的升降信号及控制输出 的闭锁信号，故障及报警信息，输出模块采用数字量输出扩展模块 SM322,共配置了32个输出点。输入模块、输出模块共同组成I/0数 据输入输出系统。1/0数据输入输出系统分别与信号输入模块、信号 输出模块、驱动机构相连，其中，信号输入模块包含有断路器状态、 电容器状态、分接头档位信息和运行方式状态，中心控制器根据无功 补偿控制策略自动控制驱动机构，如投切电容器和变压器升降分接 头，同时通过信号输出模块进行信号保护、事件记录、历史数据记录 及故障报警等工作。运行人员在必要时也可以手动可以直接控制调节 投切电容器和变压器升降分接头，在调节设备故障消除后应能够人工 解锁对该设备的控制。
本实用新型的创新及有益效果如下 (1)、现场总线技术在本实用新型的应用设计
变电站综合自动化系统除了实现对现场的监测、控制、保护之 外，更重要的是能实现当地和远方对现场的监控、调节、和保护， 概括起来即为遥测、遥信、遥调、遥控的"四遥"功能和对保护 定值的远方整定，从而最终达到变电站少人或无人值班的目的。遥测主要将电力参数传递到远方。遥信主要是将变电站断路器状态、 信号保护、事故跳伺等信号传递到远方。遥控是指调度向子站断路 器发布动作命令。遥调主要是远方给子站的自动调节设备设置整定 值，如升降分接头等。无论哪一种功能都必须通过通信网络实现， 因此，通信网络的设计在变电站综合自动化中就显得尤为重要。
在变电站综合自动化系统中，使用现场总线作为底层测控网络 优点较多首先，互操作性强，具有现场总线接口的设备不但在硬 件上标准化，而且在软件接口上也标准化。第二，通信网络为开放 式不同制造商的通信网络，既可与同层网络相连，也可与不同层网 络互连。第三，成本降低，安装维护方便。由于现场总线采用数字 通信，各控制设备作为接点挂接在总线上，即节约电缆，降低成本, 而且抗干扰能力强。最后，系统配置灵活，可扩展性好。使用现场 总线作为变电站底层的测控网络，可实现变电站不同单元之间快速、 可靠的数据交换。本设计中，采用工业以太网和现场总线技术实现 上述目标。
传统的系统控制器与现场设备之间数据交换考的是I/O连接，
传送4~20mA信号或24VDC开关信号，这样控制器获取的信息量是有 限的。大量的数据收集不全，不能满足高度自动化和智能化的需求， 难以实现设备之间、系统之间以及与外界之间的信息交换，影响监 控系统自动化的实现。采用总线技术后，现场的装置、设备、和控 制器之间利用一条通讯电缆将控制器与带有通讯接口的现场设备连 接起来，使用数字化通讯完成低层设备通信和控制要求，集现场设 备的远程控制，参数化及故障诊断为一体，改变了传统设备信息集 成能力不强的弱点，可以使系统具有全局控制功能，即使远程的现 场设备也可以直接加入整个远程监控系统。其中PR0FIBUS是目前最 成功的总线之一，可以从网络上任何地点进行组态、起动和故障査 找。PROFIBUS-DP (distributed I/O)这是一种优化的高速便宜的 通信总线，有较高的数据传输率。用于与现场设备的快速、循环数 据交换。西门子CP5611通讯模块实现这一目标。CP5611通讯模块通 过I/O总线连接到S7-300 CPU模块上，它上面带有标准RS485通讯 接口，可以将S7-300 CPU连接到PROFIBUS-DP现场总线网络上，与 上一级调度中心的上位机构成数据采集监控系统。智能电量变送器 输出的MODBUS现场总线信号经过总线转换模块输出PROFIBUS-DP现 场总线信号，PLC的PROFIBUS-DP 口相连，组成PROFIBUS-DP现场总 线网络通讯系统。PLC的DP 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。现场监控显示TP170与中心控制器PLC的通讯数据 交换直接采用PROFIBUS-DP现场总线方式，直接完成装置的监控、显示、报警、参数设置、数据统计、事件记录等多种功能。 (2)、数据采集设计 为了保证控制的正确性和精度要求参数检测部分能够全面、准 确的获取系统的运行参数。选择了新一代智能型电量变送器作为系
统的参数检测单元。智能电量变送器与PLC之间通讯采用M0DBUS通 讯协议，M0DBUS通信有两种模式ASCII和RTU模式。本设计采用 RTU模式，PLC为主站，智能型电量变送器为从站。设定好主、从站 地址和一些通讯参数后，智能型电量变送器就可以将所测量电压、 电流、无功功率、有功功率、功率因数等参数通过 MODBUS/PROFIBUS-DP转换模块传给PLC处理。但必须注意以下几 点
1) 、由于电网波动，在测量电网参数时，有时因为干扰而使参 数频繁波动。如果立即对参数进行执行处理，将导致电容器频繁动 作。因而在处理数据时不能立即根据所采集电压，功率因数做出控 制判断，而是延时一段时间，等待参数变化趋于稳定后，通过计算， 根据无功补偿的控制策略发出电容器或变压器分接头动作与否的信 号。
2) 、控制系统预选投切电容器时，电容器经过躲扰动时间后， 即持续越限时间超过电容器躲扰动时间60S (可整定)，控制系统 将动作出口投切电容器。系统在分接头或电容器动作执行后到达整 定的动作时间后判断调节是否成功。
3) 、同一组电容器在开关动作后的5分钟内，控制系统将不予 投切，同一母线上的两次电容器动作时间间隔为5分钟(可整定)。
4) 、同一台主变分接头在动作后的5分钟内，控制系统将不予 调节(可整定)。在电压优先时，为了确保电压质量，当分接头和电 容器都可以调整时，优先电容器调节。
3、人机界面设计
触摸屏具有操作方便简单、界面友好、编程易掌握、与PLC通 讯良好等优点。二者的结合目前已用到工业自动化很多领域。触摸 屏TP170是基于PLC的软硬一体人机界面，能以图形的形式使操作 状态，当前过程值以及连接PLC的故障可视化，并通过友好人机界 面来操作监控设备或系统。S7-300 PLC的与TP170通过触摸屏的 RS-485接口与PLC的PROFIBUS-DP通讯口连接，PLC与上位机的通 讯可以及时将本地的设备状况、动作情况等信息及时通报上位机， 也可接受上位机的遥控命令和设置。上位机上安装CP5611通讯模块， 通过I/O总线连接到S7-300 CPU模块上，它上面带有标准RS485通 讯接口，可以将S7-300 CPU连接到PR0FIBUS-DP现场总线网络上， 与上一级调度中心的上位机构成数据采集监控系统。触摸屏组态通过西门子公司的ProTool组态软件来进行，首先 要定义好触摸屏作为从站的地址和与组态计算机通讯的波特率，建 立好触摸屏和组态计算机的通讯联系。然后在计算机里通过ProTool 组态软件来创建组态画面。创建各种组态画面完成后，将组态程序 下载到触摸屏上。建立好触摸屏和PLC的通讯联系后，PLC上的事 件顺序将是可视和可操作的。TP170触摸屏最大点数为500点，最 多可组态50幅画面，完全可以满足系统需要 一
(1) 主画面该画面为正常开机启动画面，在主画面里可选 ，进入自动、手动、表报记录、参数设置、故障报警、事件记录等 画面。
(2) 自动画面正常运行时工作显示画面。可显示实时无功 功率因数、电压、电流、无功功率、有功功率等参数大小。可显示 电容器，主断路器运行状态和变压器档位开关状态，变压器在无功 控制运行区域等。
(3) 手动画面在调试时和特殊情况下的工作画面，可在上 g&上手动投切电容器和调节变压器档位开关，同时显示各种电力 运行参数。
(4) 表报数据画面具有实时完整的各种电压统计，电容器 动作次数统计，电容器投运时间长短，主变压器调压档位动作统计， 功率因数合格率等同时也能对长期的各种统计数据进行统计，分析。
(5) 事件记录画面电容器投切、变压器分接头动作、运行 方式改变、最大电压和最小电压等各种事件发生的日期和时间。
(6) 故障报警画面记录电容器拒投切报警、电容器故障报 警、电压异常报警、主断路故障报警，并可实时记录事件发生的日 期和时间。可以以声光等多种型式报警。
(7) 参数设置画面可进行电压上、下限、电流互感器变比、 电压互感器变比、电压和功率因数上下限、电容器投切延时时间、 电容器可投状态等参数设置。
(8) 故障复位画面出现故障，PLC系统将故障锁定，发出 声光报警信号。待维修人员修复故障后，值班人员进入此画面进行 故障复位，以确保系统安全运行。
在实际运行中为了防止有人误操作而对系统产生伤害，我们对 不同的操作者的权限做出规定，对不同的操作人员设定不同的操作 密码和相应的操作权限，这样可以有效防止有人误操作而对系统产 生伤害。触摸屏体积小，重量轻，与PLC方便安装于一个控制箱内， 使用方便。功能完全满足变电站无功补偿要求，而且投资较少。但 由于其内存不大，点数有限，基于触摸屏的无功补偿控制器特别适 合于中小型变电站。变电站系统除了实现对现场的监测、控制、保护之外，更重要 的是能实现当地和远方对现场的监控、调节、和保护，概括起来即 为遥测、遥信、遥调、遥控的"四遥"功能和对保护定值的远方 整定，从而最终达到变电站少人或无人值班的目的，本装置采用
PROFIBUS-DP现场总线技术可以实现这一 目标。在在上位计算机上安 装通讯板CP5611。此时，PLC和上位机之间构成PROFIBUS-DP网。 PROFIBUS-DP是一种适合管理级和单元级的子网，它用于许多站之间 长距离，大数据量的传送，而且，不用费很大力气，就可轻松配置 和扩充它，完成PLC和上位机之间的数据交换。
首先，创建通讯驱动程序将通讯程序添加到Win CC资源管理 器的Win CC项目中，每个驱动程序只能被添加到Win CC项目中一 次。每个通道单元构成一个确实的从属硬件驱动程序和PC通讯模块 接口。同时还要设置接点名，工业以太网站地址参数，而且工业以 太网站地址必须与PLC设置相同。其次，激活通道单元通讯驱动 程序下包含至少一个通道单元，每个通道单元构成一个确定的从属 硬件驱动程序和PC通讯模块接口 ，通道单元要读写PLC的过程值， 必须建立与该PLC的连接。 一旦连接成功，作为协议和背景之间的 逻辑接口上将出现握手图标元素，允许用户生成与特定连接。最后， 建立变量标签每个标签需要对每个变量的标签名，数据类型，地 址进行设置。通过对每个变量分配一个在PLC中的对应地址，相当 于完成了 S7-300与Win CC之间的连接。如果在一个项目中因处理 大量的数据而需要很多变量时，为便于管理， 一般将完成统一功能 的变量或统一设备的变量归结为一个变量组。建立过程画面使用Win CC中的图形编辑器可以绘制各种元素和图形。图形编辑器中含有各 种图库元素，这样降低了设计界面的难度，同时用图库的软件将具 有统一的外观。
该人机界面可实时显示各种运行参数，画面丰厚逼真，数据库 功能强大，可方便记录和查阅各种历史数据。适合大，中型变电站， 特别适合大型变电站配置，与变电站其它PLC联网，不用增加投资， 便可一机多用形成变电站综合自动化数据采集监控系统。
4、控制策略的改进
传统制策略是基于最基本原理来实现变电站电压无功自动控 制，但它的调节性存在一些不足。按这种划分方式，本着电压越限 调分接头、无功越限投切电容，两者均越限先投切电容，仍不合格 再调分接头的原则进行控制是基本的电压无功分区控制策略。由于 这种划分过于简单，没有全面考虑电压无功调节的综合作用效果， 容易引起往复动作现象。传统九区控制如图2，如果运行点在图中所 示2区的点A，按照控制策略，应先降档位。但是，若点A的无功功率与无功上限比较接近，降档位后，运行点有可能进入5区。在运
行点进入5区后，如果没有电容器可切，根据控制策略，又要升档 位。这样，运行点就又可能回到2区中点A附近，因此装置有可能 不停地发出降档位一升档位一降档位一升档位…的操作指令，使运 行点不停地在2区和5区之间振荡。另外，与点A类似的运行点还 有B、 C、 D等。
电容器的投切改变了系统的无功分布对功率因数和电压都产生 影响。分接头调压改变了节点电压，电容器所发出的无功使负荷无 功变化，这样使系统无功达到一个新的平衡，功率因数也会变化。 系统的负荷按一定的规律变化，但对于每一个时刻系统的负荷又是 不确定的，因此电压无功控制设备应该实时检测系统的运行情况才 能做出准确的控制。
设某一时刻系统传送的有功为P，功率因数为cos^， 一组电容 的容量为&。投入一组电容将引起系统功率因数的变化和电压损耗 的变化，设投入一组电容后系统的功率因数变为c。s^ ，而系统传送
的有功不变。由《=/^^则有下式成立
滩Pl —《c "妙2 (1) 对式(1)进行整理则有
(2)
结合公式
cos & = aA《1 +《2伊2 ) (3) 可求得投入电容后系统的功率因数。切除电容后的功率因数可同理算 得o
由式(2)可见当系统传送的有功不同时，投切一组电容器对于改 善功率因数的效果是不一样的，而电力系统的日负荷中峰谷时段的差 值很大，所以在负荷较轻时要注意避免电容投切可能造成的功率因数 越限。
为了避免发生上述的情况，从工程实用性的角度出发，首先对传 统九区图进行提出了改进的综合控制策略。改进的控制策略首要目标 是将被监测母线的电压控制在整定的上、下限值(VH、 VL)之间，以 确保电压合格，同时尽量使无功功率合格。如果电压、无功不能同时 达iU要求，则优先保证电压合格。改进的九区控制策略原理图如图3
所示
图中4S小区为投切振荡区域，为避免振荡有两种处理办法 一种 就是先降压再投电容器组，用两次设备动作进入0区。另一种办法就 是延迟较长一段时间暂时不动作，静观运行区域的变化，待出了4S小区后操作，这样暂时牺牲无功指标而保证了电压合格，节约了两次设 备操作，避免了振荡现象。本系统采用后一种办法。5S小区的处理方
法与4S小区类似。0S1， 0S2小区被控母线电压合格在九区图中间 部分，且不在0S1或0S2小区时，就可以同时兼顾中低压侧电压，使 另一侧电压尽量合格。
该装置选用抗干扰能力强、指令丰富、扩展灵活，通讯联网能力 强的西门子S7-300PLC作为控制核心；以西门子触摸屏TP170A为数据 监控显示设备，具有进行变电站现场的实时数据采集、输出控制等功 能，整个装置通过PROFIBUS-DP现场总线技术进行现场信息传输，构 成了一个完整的分布式监控系统，为变电站综合自动化打下基础。参 数检测单元选用可靠性高、符合电力系统发展要求具有通讯功能的智 能型综合电量变送器；控制主机通过与参数检测单元通讯获得所需参 数，还可与上位机或其他具有串口的设备通讯。在控制策略上，对传 统控制策略进行了改进，不仅能跟踪和预测电压变化的趋势，而且能 在达到动态无功补偿。确保电压合格率达到规定的要求，而且能够有 效减少无功损耗并保持系统功率因数在较高范围内。
本实用新型装置在研制过程中，以高可靠性和实用性作为研究基 础，充分吸取国内外正反方面的经验，经过大量实践和改进，使装置 具有可靠性强、自动化程度高、使用简单的特点。本装置从无功基本 原理、控制策略、控制器的硬件电路设计、软件算法等方面进行了大 量的研究与实践工作，该设计方案可靠性高，可以对电网进行适时、 有^t的补偿。
本实用新型装置所面向的对象是一个具有典型性的高压变电站， 具有两台可有载调压的主变，单母分段的主接线结构，每条母线下装 有3组补偿电容器(可调整)。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进一步说明。


图l是本实用新型的结构示意图。 图2是传统的九区无功补偿控制策略图。 图3是改进的无功补偿控制策略图。 图4是本实用新型的控制原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括一个中心控制器l，信号采集装置 8通过M0DBUS现场总线7与总线转换模块6相连，总线转换模块6 与现场监控显示系统4，以及由通讯模块10、上位机11、打印机12 组成的扩展单元分别通过PROFIBUS-DP现场总线5与中心控制器1相连，中心控制器1上的输入模块2、输出模块3共同组成I/0数据输 入输出系统13， I/O数据输入输出系统13分别与信号输入模块22、 信号输出模块17、驱动机构14相连。
在本实施例中，中心控制器l采用德国西门子公司的S7-300 PLC， 现场监控显示系统4采用西门子TP1704触摸屏，现场监控显示系统 4与中心控制器1的通讯数据交换直接采用PROFIBUS-DP现场总线方 式，扩展单元的上位机11数据采集与监控系统采用西门子公司的WIN CC SCADA，上位机11上的通讯模块10采用通讯处理卡CP5611,通 讯模块10与中心控制器1上的PROFIBUS-DP现场总线接口构成 PROFIBUS-DP现场总线网络，从而完成上位机11与中心控制器1之 间的数据交换，完成系统组态、数据管理、打印等功能，同时可以通 过PROFIBUS-DP现场总线网络将信号输送到更远距离的电力总调度 室，实现"遥测"、"遥信"、"遥调"、"遥控"的四遥功能。
为了实现控制算法，需要两块参数检测仪表采集主变的低压侧两 段母线电流和电压信号9，以计算出控制所需的电压、电流、功率因 数、无功功率、有功功率等参数，本实用新型的信号采集装置8分别 采用了两台智能电量变送器来进行采集，信号采集装置8输出的信号 经MODBUS现场总线7到总线转换模块6，经过总线转换模块6转换 输出为PROFIBUS-DP现场总线信号，与中心控制器1的PROFIBUS-DP 通讯口相连，组成PROFIBUS-DP现场总线网络通讯系统。
为了实现对变压器和电容器组的综合控制和对有载调压分接开 关及电容器组的保护，中心控制器1上的输入模块2采用数字量输入 扩展模块SM321，将输入量点扩展至40个可满足系统的要求，控制 的输出信号为电容器的投切控制信号，分接头档位的升降信号及控制 输出的闭锁信号，故障及报警信息，输出模块3采用数字量输出扩展 模块SM322，共配置了32个输出点。输入模块2、输出模块3共同组 成I/O数据输入输出系统13。 I/O数据输入输出系统13分别与信号 输入模块22、信号输出模块17、驱动机构14相连，其中，信号输入 模块22包含有主要断路器状态24、电容器投切开关的状态26、变压 器分接头档位信息25和运行方式状态23，中心控制器1根据无功补 偿控制策略自动控制驱动机构14，如投切电容器15和变压器升降分 接头16，同时通过信号输出模块17进行信号保护18、事件记录19、 历史数据记录20及故障报警21等工作。运行人员在必要时也可以手 动可以直接控制调节投切电容器15和变压器升降分接头16，在调节 设备故障消除后应能够人工解锁对该设备的控制。
参照图4所示，本实用新型的控制原理如下
第一部分为手动程序，主要根据具体的运行要对电压进行手动 调整，使电压达到控制要求，在捡修或调试等特殊时候也需要使用手动方式。手动部分配备了手动操作开关，以实现调节的要求。手动和 自动相互配合，任何一部分出现问题，则以另一方取代，最大限度提 高无功补偿设备的使用率。但要注意的是手动调节也是有条件的。特 别是对电容器投切的间隔时间有要求，如果电容器切除后再投入时间 隔时间较短，电容器上残压高，此时投入电容器有可能击穿电容器。 第二部分为自动调节程序，主要用于根据具体的运行要求对电 压进行自动调整，首先要采集各种电力参数，在相应的各种闭锁条件 下，进行数据分析，然后判断是否在正常工作区域内，根据设定的控 制策略来控制电容器投切或分接头升降。自动调节程序的编制考虑要 十分周全，因为设计不好就会出现分接头频繁动作现象。在这部分程
序中，需要上位机程序配合的是，下位机PLC将自动控制的情况传送 给上位机，便于上位机的监控，当在上位机用专门的控制界面对控制 参数进行设定，或者在上位机进行手动调压，就要对自动控制闭锁， 暂时停止自动控制程序的运行，等待上位机进行手动设定或调压结束 后，从新再执行。在一般情况下，变电站无功补偿均采用自动方式。 但即使在自动方式下，在出现一些特别的故障时，故障不能自动复位， 此时维护人员必须根据报警提示处理完故障后，自动程序才自动回 归。
本实用新型和市场上目前使用的同类产品相比，其优点和创新
点是
(1) 装置数据采集、通讯以及通讯的联网和扩展采用
PR0FIBUS-DP现场总线技术，装置设计有1个MPI、 1个RS485、 一 个PR0FIBUS-DP、 1个MODBUS等四个准通讯接口，可方便实现电力系 统"遥控"、"遥调"、"遥测"、"遥信"四遥功能。
(2) 主控单元选用了西门子公司的S7-300PLC，监控显示单元 采用西门子TP170触摸屏技术，通过PR0FIBUS-DP技术构成控制、监 控、显示一体机。它们具有极高的可靠性和抗干扰能力，自动化程度 高、监控显示系统直观、操作简单，功能强大、通讯功能完善，有较 高的性能价格比，既能够满足变电站对控制装置性能的要求又有利于 縮短开发周期。
(3) 对传统九区控制策略进行了改进，综合考虑了电压无功 调节的相互影响和负荷状况对电容投切效果的影响，通过对控制效果 的估算确定某些区域要执行的无功控制策略，有效减少了分接头的调 节次数，避免了电容器的往复投切，各区域的控制策略严密、控制计 算精确，符合变电站电压无功控制的基本原则和系统的实际要求。
权利要求1、一种基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置，其特征在于包括中心控制器(1)，信号采集装置(8)通过MODBUS现场总线(7)与总线转换模块(6)相连，总线转换模块(6)与现场监控显示系统(4)分别通过PROFIBUS-DP现场总线(5)与中心控制器(1)相连，中心控制器(1)上的输入模块(2)、输出模块(3)共同组成I/O数据输入输出系统(13)，I/O数据输入输出系统(13)分别与信号输入模块22、信号输出模块(17)、驱动机构(14)相连。
2、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能 无功动态补偿装置，其特征在于还包括有扩展单元，扩展单元包 括安装有通讯模块(10)的上位机(11)，上位机(11)通过 PROFIBUS-DP现场总线(5)与中心控制器(1)相连，打印机(12) 与上位机(11)相连。
3、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能 无功动态补偿装置，其特征在于中心控制器(1)采用德国西门 子公司的S7-300 PLC。
4、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能 无功动态补偿装置，其特征在于现场监控显示系统(4)采用西 门子TP1704触摸屏。
5、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能 无功动态补偿装置，其特征在于扩展单元的上位机(11)数据采 集与监控系统采用西门子公司的WINCCSCADA，上位机(11)上的 通讯模块(10)采用通讯处理卡CP5611，通讯模块(10)与中心控 制器(1)上的PROFIBUS-DP现场总线接口构成PROFIBUS-DP现场 总线网络。
6、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能 无功动态补偿装置，其特征在于信号采集装置(8)采用智能电 量变送器。
7、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置，其特征在于中心控制器(1)上的输入模块(2)采用数字量输入扩展模块SM321，输出模块(3)采用数字量 输出扩展模块SM322。
8、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能 无功动态补偿装置，其特征在于信号输入模块(22)包含有断路 器状态(24)、电容器状态(26)、分接头档位(25)和运行方式(23)。
9、 如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置，其特征在于信号输出模块(17)包括信号保护(18)、事件记录(19)、历史记录(20)及故障报警(21)。
10、如权利要求1所述的一种基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置，其特征在于驱动机构(14)包括投切电容器(15)和升降分接头(16)。
专利摘要本实用新型公开了一种基于现场总线的变电站电压智能无功动态补偿装置，属于电压调节装置技术领域，包括一个中心控制器，信号采集装置通过MODBUS现场总线与总线转换模块相连，总线转换模块与现场监控显示系统，以及由通讯模块、上位机、打印机组成的扩展单元分别通过PROFIBUS-DP现场总线与中心控制器相连，中心控制器上的输入模块、输出模块共同组成I/O数据输入输出系统，I/O数据输入输出系统分别与信号输入模块、信号输出模块、驱动机构相连。本实用新型具有可靠性高、组态灵活、功能齐全的优点。
文档编号H02J3/18GK201256298SQ20082016234
公开日2009年6月10日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者健 刘, 陈怀忠, 韩承江 申请人:浙江工业职业技术学院;陈怀忠