电压无功综合控制vqc装置调试仪应用分析

电压无功综合控制vqc装置调试仪应用分析
通过对电压无功综合控制装置(vqc)应用现状的分析，提出了研制vqc装置调试仪的必要性，具体论述7调试仪的设计原理，介绍了其使用效果并提出了改进方案。

电压是电能质量的主要指标之一。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行具有重大的影响。无功是影响电压质量的一个重要因素，各级变电站担负着电压、无功调节的重要任务。随着工农业生产和居民生活对电能质量要求的进步，原有靠人工操纵调节电压、无功的方式已经越来越不适应电网建设和用电量急增的发展需要，因此，北京供电公司近年来已将电压无功综合控制装置(vqc)确定为变电站必配设备但是，由于引进该装置的种类、型号繁多，给调试工作带来了困难。鉴于这种情况，需要尽快研制一种能够调试各种型号vqc装置的调试仪。电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 

1研制vqc装置调试仪的必要性

1.1vqc装置运行工况分析

vqc装置是通过调节主变压器分接开关和投切无功设备来实现调整电压和无功的。
现以220kv变电站(一次系统图见图1)

为例进行分析，该站有3台变压器，其220kv侧为扩大内桥接线，110kv和10kv侧均为单母线分段接线，现场运行方式取决于各侧开关状态。站内无功设备在不考虑调相机和静补的情况下，无论站内是否装有并联电抗器，每条低压母线所安装的无功设备开关总数不会超过6台。鉴于目前北京供电公司有载调压变压器大多采用mr机构，因此每台变压器分接开关应有19个位置。通常，vqc装置输进量包括：各侧开关位置信息、各无功设备开关位置信息、各主变压器分接开关位置信息；vqc装置输出量包括：各无功设备开关投切控制量、各变压器有载调压分接开关位置调整量。

NetDAQ® 网络型数据采集器

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FlukeVR101S电压事件记录仪

Fluke43B电能质量分析仪

此外，vqc装置还需接人能够实时反映出电压和无功变化的数据量来作为其操纵判斯的依据。采用各主变压器三侧的电压和电流来作为模拟量，主要作计算各侧电压和无功功率之用的；由于当前变压器低压侧负荷在24h内波动较大，同时为限制设备尽缘本钱，无功设备多安装于低压侧，宜采用低压侧电压作为vqc装置的电压判据，但是由于中压侧负荷和主变压器也消耗一定的无功功率，故应采用高压侧无功作为vqc装置中该主变压器单元的无功判据。综上所述，宜接人高压侧电流、高压侧电压和低压侧电压构成vqc主机的判定依据。

交流电压计SK-5000F

直流25A电流计SK-5000E

直流MA电流计SK-5000D

1.2vqc装置工作原理图

经过研究发现，国内广泛使用的各种型号vqc装置的实现原理大致相同，都是根据电压和无功上下限值将运行状态划分9个区域进行调节，电压、无功限值区间划分图见图2。广州市骏凯电子科技有限公司下面分析电压、无功限值在各区间时vqc装置的动作情况[1]。 电流 电压记录仪 5010/5020

1区：先投电容器，当电容器全部投进后，电压仍低于电压下限时，发强行升压指令；2a区：发投电容器指令，当电容器投完后，若仍在该区域，则不再进行任何操纵；2c区：如还有电容器未投，则先发降压指令，再投电容器；3区与4区相同：发降压指令，当有载调压开关处于下极限时，发强切电容器指令；5区：发切电容器指令，当电容器全部切除后，电压仍高于电压上限值时，发强行降压指令；6b区：发切电容器指令，若电容器全切完后仍在该区则不再进行任何操纵；6d区：若还有未切除的电容器，则先升压再切电容器；7区与8区相同：发升压指令，当有载调压开关处于上极限位置时，发强投电容器指令。（图2）

1.3对vqc装置调试仪的功能设计要求

由于该调试仪承担着对种类、型号繁多的vqc装置的调试任务，故应满足下列要求[2]：①尺寸小、质量轻、便于装卸，一套仪器应能满足一个变压器单元的调试；②能与各种型号的vqc装置或带有vqc功能模块的监控系统相匹配，即应具备最大运行方式下的开进量输进和开出量输出；③能够充分、灵活地模拟现场可能出现的各种运行方式；④能够模拟现场低压侧母线电压和高压侧无功功率的变化，同时指示输出；⑤能够接收vqc主机的开出信号并能直观显示，以判定vqc装置动作是否正确；⑥能够实现闭环控制以检查vqc主机灵敏性和适应性，并且应具备开环的人工干预功能；⑦能够模拟主变压器分接开关位置、主变压器各种故障闭锁调压操纵(轻瓦斯闭锁调压、过负荷闭锁调压、10kv低电压闭锁调压、主变压器分接开关连调闭锁调压操纵和发出调压指令后调压装置拒动闭锁调压操纵)，并具备预置主变压器风机开关位置的功能；⑧能够模拟无功设备(单段母线不超过6台)的投切、开关位置指示、各种故障闭锁操纵(电容器/电抗器故障闭锁、10kv低电压闭锁、开关拒动闭锁等)，并具备无功设备开关位置预置功能；⑨具备一系列报警输出显示(vqc内部故障、vqc外部故障)、复回报警故障的功能和模拟现场可能出现的各种异常(故障)情况，以便判定vqc闭锁是否正常，用以考察vqc装置的适应性。

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2vqc装置调试仪的设计原理

根据上述要求，vqc装置调试仪既要能够模拟变电站现场的相关电压、电流，又要能够模拟变电站的实际设备动作情况。因此我们将其分为模拟量部分和开关量部分2大部分[3,4]。

2.1模拟量部分

由前面分析可知，一台vqc装置调试仪只须模拟一台变压器高压侧套管ta二次电流(0～5a)、高压侧母线电压和低压侧母线电压即可得到vqc主机所需的电压和无功功率判据。

2.1.1电流回路的构成

经过研究发现，各型vqc装置主机的输进阻抗都很大，其丈量回路能够承受8～10a电流，因此，电流在0～5a范围内时可以保证丈量精度。调试选用常用的250v，25va调压变压器（0～5a）和25va，250v/5a变压器等设备及220v试验电源。调压变压器及变压器通过一块10a电流表后串联接人vqc主机的高压侧电流回路。当调压变压器从o调整到3/4满刻度时，电流表指示5a；继续调整至满刻度，电流表指示6.4a。试验过程中电流数值呈线性增长，说明25va，250v调压变压器的输出电流能够满足模拟现场变压器高压侧套管ta二次电流的要求。为了能模拟±△q的情况，需要改变输进vqc主机电流的方向，在现有条件下，考虑使用相位相差120的电源来代替模拟电流相差180~的情况，电流回路的电源可以使用同一组380v交流电源a、c两相中任一相，利用手把qk在a、c两相间进行切换即可。由于电容器组投进的多少会影响无功功率，而且调试装置要有开环控制/闭环控制两种工作方式，当调试仪在闭环方式下运行时，每投切一组电容器，模拟的高压侧输出电流都应相应地发生变化，即7个递增电流分量分别对应着0～6组电容器投进的情况。因此，设计选用了有7个抽头的变压器，分别对应模拟0～6组电容器投进时的高压侧输出电流。模拟量部分电流回路原理框图见图3。

2.1.2电压回路的构成

vqc主机电压回路的电流很小，调试可选用常用的交流400v，25va，400/150v变压器和25va调压变压器等试验设备及380v试验电源。将上述变压器串接，分别在2组变压器出口处各接一块1250v电压表v1和v2。测得v1为120v，调整调压变压器从0到满刻度，v2显示线性变化的连续电压。说明上述2组变压器可以作为vqc装置调试仪电压回路选用元件。

另外可以将交流380v电压变为20v电压，以模拟高压侧tv二次电压输出；调压置和电容器投进容量的影响，因此，当调试仪工作在闭环方式下时，低压侧电压的输出应能与变压器分接开关位置和电容器投进组数逐一对应起来。而mr机构的分接开关共有19个位置，又当主变压器分接头为1且电容器组没有投进时低压侧也有一定的电压输出，因此，设计时在模拟低压侧母线电压的回路中，调压变压器b后增加了一台由3组串联绕组成的共计26个抽头的变压器c。变压器b最大输出电压为120v，可以手动调节来模拟低压侧电压的大小。变压器c由3组绕组串接构成，其中，绕组ⅰ有19个抽头，仪器在闭环方式下工作时，分别对应变压器分接开关01～19，当调试仪分头指示器显示为00时，表示此时分头计数器复位，00所接抽头位置与01相同，调试仪在开环状态下工作时可以闭锁以上抽头并接于第20个抽头处；绕组ⅱ无抽头，用于在闭环方式工作时输出基本电压；绕组ⅲ有7个抽头，当仪器工作在闭环工作状态下时分别对应着电容器的不同投切组数，仪器工作在开环状态下时可以闭锁以上抽头，接于6组电容器全部投进时的7号抽头处。

我们将变压器c最大输出定为120v，其3组绕组及其抽头的电压关系式为
120＝19n＋n＋6nⅲ
式中，nⅰ为绕组l每增加一个抽头时的压降；nⅱ为绕组ⅱ的压降；nⅲ为绕组ⅲ每增加一个抽头时的压降。综合一定数目变电站的实测数据后，将变压器每改变一个分接开关位置所引起的低压侧电压变化设定为100v，由于10kv侧tv的变比为10500/100，则每改变一个分接开关位置即绕组工每调节一个抽头时所引起的二次电压变化量为0.95v。同时，依据实际生产经验，可将每投/切一组电容器所引起的10kv侧母线电压变化设定为200v，参照tv的变比，则每投/切一组电容器即绕组ⅲ每调调节一个抽头时所引起的二次电压变化量为1.9v。由此可得：绕组工的压降为19×0.95=18.05，绕组ⅱ的压降nⅱ=120-19×0.95-6×1.9=90.55v，绕组ⅲ的压降为6×1.9=11.4。所以绕组ⅰ、ⅱ、ⅲ的匝数比应满足为18.05：90.55：11.4，大约为8：40：5。

还需考虑的是，为使调试仪能在开环和闭环两种方式下转换，在ctbl和ctb2上分别设计了开环/闭环工作方式转换开关qk。而qk在开环工作方式下将断开ctbl和ctb2的切换抽头，并接通最大的袖头，目的是防止在方式切换而tbl、tb2调节旋钮不在零位时电流、电压变化过大烧毁vqc主机。模拟量部分电压回路原理框图见图4。

图4中，变压器a可以将交流380v电压变为20v电压，以模拟高压侧tv二次电压输出；调压变压器b可以手调模拟低压侧tv二次电压输出；变压器c是有3组绕组的变压器，其中绕组i有19个抽头，绕组ⅲ有7个抽头。

2.2开关量部分

以规模较大变电站的现场情况为例(见图1)，vqc主机有三侧开关位置，为能够模拟现场的运行方式，设计在调试仪上安装了3个小开关，用小开关的开断设定三侧开关的状态从而模拟出不同的现场运行方式。有载调压变压器分接开关位置的设计采用数字电路，广州市骏凯电子科技有限公司利用2个led显示00～19的数字来仿真变压器分接开关位置(00表示已将计数器清零)，同时为模拟vqc主机发出的升降指令时变压器分接开关的相应动作情况，可递增或递减led的显示数字来显示，且具备人工预置功能以便于调试。利用一个小搬把开关的关开来模拟变压器故障闭锁时发给vqc主机的信号。开关量部分原理框图见图5。

为了能够仿真无功设备开关的投切，使用了12块欧姆龙继电器分别对应6台开关的分合操纵，并利用6个小搬把开关的关开模拟给vqc主机送相应6组无功设备的自动闭锁信号。同时，调试仪接收vqc主机发出的vqc内部故障报警信号和vqc外部故障报警信号，通过欧姆龙继电器驱动发光二极管显示输出，并且调试仪可以通过复回驱动继电器复回故障信号。设计难点是如何解决闭环工作方式下投切电容器组对模拟量输进影响的题目，经分析，需要一种可以记录电容器当前运行组数，并由投进运行电容器组数的多少选择相应电压、电流的回路。根据需求选择了gall6v8可编程芯片，他是一种有10个输进端、8个输出真个芯片，该芯片的特点是可以利用10个输进端中的任意几真个不同组合状态对每一个输出端分别进行编程，可很好地解决电容器投切对模拟量输进的影响。同理，在闭环工作方式下，通过使用2个palce22v10可编程芯片来实现将调试仪开关量部分分接开关位置分别对应10个不同的输出信号，再由这20个输出信号触发由9个具备4对切换触点的欧姆龙继电器所组成的继电器矩阵列，从而达到接通20条不同电压回路的目的。

3调试仪使用效果及改进方案

近几年来，广州市骏凯电子科技有限公司利用这种调试仪对北京供电公司所辖变电站已投进运行的vqc装置进行调试，实践证实效果是明显的。但是，由于该调试仪当初是本着经济、实用、见效快的原则研制的，因此在设计上的存在很大的局限性，如继电器和各种小开关及按键轻易老化、损坏等。可以使用可编程芯片来代代替上述元件，使用单片机控制实现模拟量输进和开关量控制来加以改进，vqc装置调试仪改进方案原量框图见图6。