戶外箱式無功補償設備橋差保護的研究與設計

劉先保

（上海思源電力電容器有限公司）

0 引言

在電力系統中，無功補償設備在交流側常起到補償無功功率的效果，在直流側常起到濾波的效果，其有效性和可靠性對電力系統的電能質量與安全起著至關重要的作用。隨著電力系統中箱式無功補償裝置配置容量逐漸加大，尤其是采用H型結構的橋差電流不平衡保護動作引起的電力系統中交流側電容器單組跳閘事故常有發生，解決方案除了調換故障電容器單元，重要的工作為重新優化電容器單元組的參數布置，使橋臂電流互感器檢測電流為0[1]。

本文通過對H型橋差電流不平衡保護原理做數學建模推導，采用OPC技術對保護參數在Excel內做實時計算與解決方案傳遞，達到該保護方法進行自適應控制的目的。應用于海外箱式高壓無功補償裝置樣機的設計，驗證計算與設計結果的正確性與合理性。

1 海外箱式無功補償裝置結構

22kV海外箱式無功補償裝置電氣原理圖如圖1所示。

圖1 22kV海外箱式無功補償裝置電氣原理圖

該電力系統交流側電壓為22kV，其母線并聯有斷路器QF、電抗器L、避雷器FV1、避雷器FV2、橋臂C1、橋臂C2、橋臂C3、橋臂C4、不平衡電流互感器TA、接地開關QF。其中斷路器QF、電抗器L與橋臂串聯，避雷器FV1與橋臂并聯。不平衡電流互感器TA并聯橋臂間。橋臂C1、橋臂C2、橋臂C3、橋臂C4、不平衡電流互感器TA共同組成H型結構的橋差電流不平衡保護結構。

2 橋差不平衡保護計算原理

如圖1所示，C1、C2、C3、C4為H型結構的橋差電流不平衡保護四個橋臂等效電容器；I為外施工頻電壓下高壓電容器穿越電流；I1、I2、I3、I4分別為C1、C2、C3、C4所在支路的電流；I。定義為電流互感器TA中不平衡電流。若TA等效為導線[2-5]，則圖2可等效為圖3的接線圖。

圖2 橋差電流不平衡保護電氣原理圖

圖3 橋差電流不平衡保護等效接線圖

3 橋差不平衡保護數學模型與設計要求［6-7］

3.1 數學模型

由圖3橋差電流不平衡保護等效接線圖，定義如下變量。

C1和C2并聯后的阻抗為:

同理可得C3和C4并聯阻抗大小，由式（2）所得：

由串聯電路阻抗分壓原理計算出C1、C3的電壓，由式（3）、式（4）所得：

同理：

橋臂C3電流I3由式（5）所得：

橋臂C1電流I1由式（6）所得：

則式（5）、式（6）得式（7）：

其中，ω=2πf，可知：

3.2 設計方法

從式（7）可得電流互感器TA中不平衡電流，在工程實踐中，故障電容器的更換或電容器各橋臂間對調調整都會引起不平衡電流的理論計算值變化，通過手工計算的方式也不方便。本文總結了通過Excel表數據自動記錄、公式編輯的功能進行橋臂電容參數計算、分析故障電容單元位置、提供合理配置方案，因此，不平衡電流值和解決方案將隨時隨地計算與決策，控制系統響應非常方便也節省時間，更容易讓現場檢修人員所接受。

4 WinCC flexible與Excel實時交互程序設計

H型結構的橋差電流不平衡保護現場配平（C1/C3=C2/C4）工作必須在有效、較短時間里結束，同時選擇確認調換哪些電容器單元后可使電容器組橋臂電容C1、C2、C3、C4平衡性滿足要求，整個操作過程要達到保質、保量、省時、省力的效果。

通過OPC技術，WinCC flexible允許使用Web服務（SOAP）。Web服務（SOAP）基于簡單對象訪問協議（Simple Object Access Protocol）。這允許客戶利用類似于Excel的外部應用程序通過以太網訪問操作面板的變量：Excel可用于各種數據的處理、統計分析和輔助決策等操作。本文首先在Excel里用VBA 腳本語言創建OPC客戶端讀取WinCC flexible中的橋臂電容C1、C2、C3、C4的實時測量值。OPC客戶端也可以將電流不平衡保護設定值修改的數據錄入WinCC flexible變量數據庫。

如圖4所示，首先在“B1”單元格輸入操作面板的IP地址。例如“172.16.34.200”，然后在“A”列下可以輸入變量使用的說明描述?！癇”列下輸入需要讀取跟寫入到操作面板的“變量名稱”?！癈”列下顯示從操作面板讀出的變量值或者將要寫入到操作面板里的變量值。如果“C”列的值是將要寫入到操作面板的變量值，在其后面的“D”列填入“W”。如果“C”列的值是將要從操作面板讀取的變量值，在其后面的“D”列填入“R”?！癊”列顯示執行狀態（完成/故障）。例如，當單元格“B7”的“變量名稱”不存在時，會顯示“故障”狀態?！案聰祿卑粹o可以更新Excel列表里的變量值。

圖4 WinCC flexible與Excel實時交互Excel界面

如圖5所示，打開腳本編輯器打開Excel菜單欄視圖里的“Visual Basic”：“視圖 ＞ 工具欄＞ Visual Basic”（Excel 2003），可以更改用戶名/密碼。

圖5 WinCC flexible與Excel實時交互VBA腳本開發界面

5 樣機仿真與試驗測試

通過以上對H型結構的橋差電流不平衡保護原理的研究，同時通過WinCC flexible與Excel實時交互程序設計，本文結合項目實際情況，最終確定了應用于海外箱式高壓并聯電容器裝置合適橋差保護方案并設計出試驗樣機，工作流程如圖6所示。

圖6 系統工作流程圖

如圖所示，系統通過Excel單元格中輸入運行WinCC flexible的計算機IP地址。點擊按鈕“Update Data”，對應WinCC flexible變量的當前值（橋臂電容值C1、C2、C3、C4）即可讀入到Excel單元格中。若在單元格中修改橋臂電容值C1、C2、C3、C4設定值，對應WinCC flexible中的變量值也會隨之修改。同時在Excel中，調用OPC組事件處理的程序，它是OPC服務器的DataChange事件，DataChange（ ）這個事件處理程序提供了許多參數，如ItemValue（OPC項的值）、客戶端句柄等。通過DataChange事件，可以將Excel中對H型結構的橋差電流不平衡保護現場配平（C1/C3=C2/C4）工作故障單元位置信息和參數配置優化方案進行實時設計與預處理結果有限傳遞給WinCC flexible，WinCC flexible將顯示和傳遞信息給控制器和相關終端，從而達到數據互聯共享的目標[8-10]。

為了驗證該系統的設計效果，對海外箱式高壓并聯電容器裝置進行實測，系統上電后，通過合理設置電容值設定值，顯示器同時顯示設定和反饋電容實際值。運行分析表明：戶內柜式無功補償設備橋差保護動作響應速度和可靠性提高27%，達到了設計要求，驗證了計算與設計結果的合理性。

6 結束語

通過對H型結構的橋差電流不平衡保護原理與控制要求的深入分析，利用OPC技術對WinCC與EXCEL的功能優勢進行集成，繼而設計了H型結構的橋差電流不平衡保護原理控制系統。該系統能有效地對系統進行參數優化設置，以及具備多方可操作控制性，使用方便，易于實現，有效減少了不平衡電流設定值的誤差，從而大大提高了控制系統的控制精度、時效性。