户外箱式无功补偿设备桥差保护的研究与设计

刘先保

（上海思源电力电容器有限公司）

0 引言

在电力系统中，无功补偿设备在交流侧常起到补偿无功功率的效果，在直流侧常起到滤波的效果，其有效性和可靠性对电力系统的电能质量与安全起着至关重要的作用。随着电力系统中箱式无功补偿装置配置容量逐渐加大，尤其是采用H型结构的桥差电流不平衡保护动作引起的电力系统中交流侧电容器单组跳闸事故常有发生，解决方案除了调换故障电容器单元，重要的工作为重新优化电容器单元组的参数布置，使桥臂电流互感器检测电流为0[1]。

本文通过对H型桥差电流不平衡保护原理做数学建模推导，采用OPC技术对保护参数在Excel内做实时计算与解决方案传递，达到该保护方法进行自适应控制的目的。应用于海外箱式高压无功补偿装置样机的设计，验证计算与设计结果的正确性与合理性。

1 海外箱式无功补偿装置结构

22kV海外箱式无功补偿装置电气原理图如图1所示。

图1 22kV海外箱式无功补偿装置电气原理图

该电力系统交流侧电压为22kV，其母线并联有断路器QF、电抗器L、避雷器FV1、避雷器FV2、桥臂C1、桥臂C2、桥臂C3、桥臂C4、不平衡电流互感器TA、接地开关QF。其中断路器QF、电抗器L与桥臂串联，避雷器FV1与桥臂并联。不平衡电流互感器TA并联桥臂间。桥臂C1、桥臂C2、桥臂C3、桥臂C4、不平衡电流互感器TA共同组成H型结构的桥差电流不平衡保护结构。

2 桥差不平衡保护计算原理

如图1所示，C1、C2、C3、C4为H型结构的桥差电流不平衡保护四个桥臂等效电容器；I为外施工频电压下高压电容器穿越电流；I1、I2、I3、I4分别为C1、C2、C3、C4所在支路的电流；I。定义为电流互感器TA中不平衡电流。若TA等效为导线[2-5]，则图2可等效为图3的接线图。

图2 桥差电流不平衡保护电气原理图

图3 桥差电流不平衡保护等效接线图

3 桥差不平衡保护数学模型与设计要求［6-7］

3.1 数学模型

由图3桥差电流不平衡保护等效接线图，定义如下变量。

C1和C2并联后的阻抗为:

同理可得C3和C4并联阻抗大小，由式（2）所得：

由串联电路阻抗分压原理计算出C1、C3的电压，由式（3）、式（4）所得：

同理：

桥臂C3电流I3由式（5）所得：

桥臂C1电流I1由式（6）所得：

则式（5）、式（6）得式（7）：

其中，ω=2πf，可知：

3.2 设计方法

从式（7）可得电流互感器TA中不平衡电流，在工程实践中，故障电容器的更换或电容器各桥臂间对调调整都会引起不平衡电流的理论计算值变化，通过手工计算的方式也不方便。本文总结了通过Excel表数据自动记录、公式编辑的功能进行桥臂电容参数计算、分析故障电容单元位置、提供合理配置方案，因此，不平衡电流值和解决方案将随时随地计算与决策，控制系统响应非常方便也节省时间，更容易让现场检修人员所接受。

4 WinCC flexible与Excel实时交互程序设计

H型结构的桥差电流不平衡保护现场配平（C1/C3=C2/C4）工作必须在有效、较短时间里结束，同时选择确认调换哪些电容器单元后可使电容器组桥臂电容C1、C2、C3、C4平衡性满足要求，整个操作过程要达到保质、保量、省时、省力的效果。

通过OPC技术，WinCC flexible允许使用Web服务（SOAP）。Web服务（SOAP）基于简单对象访问协议（Simple Object Access Protocol）。这允许客户利用类似于Excel的外部应用程序通过以太网访问操作面板的变量：Excel可用于各种数据的处理、统计分析和辅助决策等操作。本文首先在Excel里用VBA 脚本语言创建OPC客户端读取WinCC flexible中的桥臂电容C1、C2、C3、C4的实时测量值。OPC客户端也可以将电流不平衡保护设定值修改的数据录入WinCC flexible变量数据库。

如图4所示，首先在“B1”单元格输入操作面板的IP地址。例如“172.16.34.200”，然后在“A”列下可以输入变量使用的说明描述。“B”列下输入需要读取跟写入到操作面板的“变量名称”。“C”列下显示从操作面板读出的变量值或者将要写入到操作面板里的变量值。如果“C”列的值是将要写入到操作面板的变量值，在其后面的“D”列填入“W”。如果“C”列的值是将要从操作面板读取的变量值，在其后面的“D”列填入“R”。“E”列显示执行状态（完成/故障）。例如，当单元格“B7”的“变量名称”不存在时，会显示“故障”状态。“更新数据”按钮可以更新Excel列表里的变量值。

图4 WinCC flexible与Excel实时交互Excel界面

如图5所示，打开脚本编辑器打开Excel菜单栏视图里的“Visual Basic”：“视图 ＞ 工具栏＞ Visual Basic”（Excel 2003），可以更改用户名/密码。

图5 WinCC flexible与Excel实时交互VBA脚本开发界面

5 样机仿真与试验测试

通过以上对H型结构的桥差电流不平衡保护原理的研究，同时通过WinCC flexible与Excel实时交互程序设计，本文结合项目实际情况，最终确定了应用于海外箱式高压并联电容器装置合适桥差保护方案并设计出试验样机，工作流程如图6所示。

图6 系统工作流程图

如图所示，系统通过Excel单元格中输入运行WinCC flexible的计算机IP地址。点击按钮“Update Data”，对应WinCC flexible变量的当前值（桥臂电容值C1、C2、C3、C4）即可读入到Excel单元格中。若在单元格中修改桥臂电容值C1、C2、C3、C4设定值，对应WinCC flexible中的变量值也会随之修改。同时在Excel中，调用OPC组事件处理的程序，它是OPC服务器的DataChange事件，DataChange（ ）这个事件处理程序提供了许多参数，如ItemValue（OPC项的值）、客户端句柄等。通过DataChange事件，可以将Excel中对H型结构的桥差电流不平衡保护现场配平（C1/C3=C2/C4）工作故障单元位置信息和参数配置优化方案进行实时设计与预处理结果有限传递给WinCC flexible，WinCC flexible将显示和传递信息给控制器和相关终端，从而达到数据互联共享的目标[8-10]。

为了验证该系统的设计效果，对海外箱式高压并联电容器装置进行实测，系统上电后，通过合理设置电容值设定值，显示器同时显示设定和反馈电容实际值。运行分析表明：户内柜式无功补偿设备桥差保护动作响应速度和可靠性提高27%，达到了设计要求，验证了计算与设计结果的合理性。

6 结束语

通过对H型结构的桥差电流不平衡保护原理与控制要求的深入分析，利用OPC技术对WinCC与EXCEL的功能优势进行集成，继而设计了H型结构的桥差电流不平衡保护原理控制系统。该系统能有效地对系统进行参数优化设置，以及具备多方可操作控制性，使用方便，易于实现，有效减少了不平衡电流设定值的误差，从而大大提高了控制系统的控制精度、时效性。