基于PLC的无功补偿装置_毕业设计论文.doc

南华大学电气工程学院毕业设计（或论文）第1章 绪 论近来，特别是这些年发展，由于我们国家电力设备的容量不断地增加，有效缓解了我国现阶段的紧张供电的局面。但随着供电量的增加，系统线损也将增大。据统计，电力系统的无功功率损耗最多可达总发电容量的20%30%。相当于大约1/4 的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗。所以功率因数越低对电力系统运行越不利，主要原因有如下两方面：1、 由于发电机以及变压器的设备额定容量，它在数值上等于可以发出的最大功率额定。其相关的视在功率公式为 sn=un in。因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为：p= uicos当负载的功率因数cos=1 时， pn=sn 其容量得到了充分利用。有一种情况就是一旦负载的功率因数它的值小于1时，这会出现发电机的u和i的额定值不能够被超过，与此同时我们可以发现这时的发电机它能发出的有功功率p比较小，但是无功功率q反而数值是比较大。我们了解到由于q越大，系统中的电路以及电源之间能够进行的能量之间互换的规模也就越大，所以发电机产生的能量因为不能够充分地利用，从而白白的浪费。而且，与发电机相关配套的原动机及变压器等设备也不能充分利用。2、 通过了解我们可以发现当u一定的情况下，由于对负载传送一些有功功率p时，由于cos它的值反而会降低，所以此时系统的输电线路中存在的电流则越大。不仅仅增大了线路上存在的压降，与此同时也加大了系统中线路的功率消耗。由此可见，如果我们能够提高电网的cos也就是对无功功率进行补偿，那么对我们生活息息相关的很多方面都有着十分重要的意义。1.1 相关设计方案的研究1.1.1传统的智能控制方案在实现智能化时代之前的配电网的自动化系统主要由主基站和远方终端单元（我们通常称作为rtu）、能够对远方的六氟化硫进行控制、系统中线路装设的传感器以及相应的真空开关、能够实现通信信号等几个重要的成分组合而成。并且我们可以看到远方终端控制单元可以进行数据量的自动收集。比如我们熟知的开关相应的状态量以及模拟量的测量收集，并且现今科技领域有专门的信道能够将这些数据传递到监测中心室的主系统内；目前rtu存在两种实现方案，直流采样方案和交流采样方案。其中经过更深入的分析后发现交流采样方案的可靠性要更加高，在很多领域都应用到了。这种类型的远方终端设备直接使用数模的转换技术，用来对需要采集的对象（例如交流电量等）进行采集和计算，并且可以达到智能化不需要其设备也可进行，但是唯一需要的则是快速的数字处理以及配合单元进行工作，这样便可以对我们所采集到的数据进行综合的分析和归类。两种方案主要应用在：1、 在我们现今的电力系统的远方的终端装置的功能上更加注重数据的模拟及采集，并且在中低压配电网相联系的开关房、具有开闭开闭功能的配电房及其他自动化的种类，这些往往动作更加频繁，更加注重数据的模拟以及采集的功能。2、 在规范中低压配电网的自动化设备时，更要求其具有灵活、易操作、易于检修和维护以及能够抵抗十分恶劣的环境等特点。3、 自动化设备适用于中低压配电网时，在功能上要求其更加模块化以及规范化，并且在硬件层面上要求做到更加可靠和简便。在使用同一套简单的硬件时候，只需设置一下初步步骤，就能够满足不同层面、不同制式的要求。综上所述，科技水平进步的同时我们有必要进行新型的、异于传统结构模块的自动化远方终端设备研发，以适用于中低压配电网的特点满足其自动化需求。1.1.2本文的研究目的与内容由于电力系统中承受的负载存在感性过重，从而导致了具有感性的无功十分大，电能的产能品质下降，cos过低。所以我们采取的措施主要是在系统低压侧假装无功补偿的装置，来提高系统的优质性以及提高cos。本文针对目前无功补偿控制装置及相关知识进行了深入的研究，在此基础上，采用三菱公司生产的fx系列进行设计研发。通过智能化的控制，降低电网无功功率，提高功率因数的目的。此外还可以降低母线电压损失，提高电网电压水平；降低负序电流对电网的破坏、对设备的损耗；以及减少母线电压损失，提高电网电压水平； 本次plc方案在具体设计时，包括以下几个步骤：1、 设计总体框架图。通过对电网的基本情况以及自动化的具体要求，确定系统需要进行补偿的整体框架图。2、 确定通信方案。根据系统的电力分布以及具备的能力大小情况，而推敲本次设计的方案，主要攻克的方面是通信系统的选择和分析。3、 plc选型。选择恰当型号的plc 来实现rtu功能。 了解plc的能力是否具有规范化以及智能动态化，是否轻灵简便、合理的对模拟量的输入和输出点、测量数据以及调节控制的转换系统的统筹整合。目前，绝大多数生产设备的厂家，其产品的质量都可以满足通信以及模块化的要求。例如，欧姆龙系列，三菱系列，西门子的较高级别的plc系列等。根据本次具体情况，在一个低压配网自动化工程中，整个配电网系统可以选用同一个厂家的plc，所以将选用的就是三菱系列，并用三菱的fx系列进行软件设计和指令的编写。1.2 本设计的总体方案本次设计主要为无功补偿装置的控制系统。电力系统的无功功率补偿是根据系统中电流和电压之间的相位差确定的，当电流相位超前电压相位时，表示系统是容性，应通过投入电感器对系统中的容性无功进行吸收；当电流的相位与电压相位相比较，存在落后时，此时的电力系统是显感性，这时电容器投入系统并且提供无功功率方可。但凡是i和u之间的相位存在着偏差，那么我们都可以通过增减对电容器的投切或者使其两者之间的相位尽量可能的相同，也就是使功率因素相同也可。电力系统的外电路形成具有一定频率的脉冲信号是由u和i之间的相位偏差产生的，其数目与形成的相位偏差的大小成正比。当u和i之间的相位偏差产生变换时，转换而成的脉冲也随之变化，其数目可以利用模块来进行计数从而对脉冲进行统计。相位的超前和滞后，也通过外电路转换成电平的信号。当输入的是高电平时，相当于输入的是“1”，当输入的是低电平时，相当于输入“0”。我们可以对输入的开关量情况来确定i和u之间的相位差的正负判别，再对计数模块的计算结果结合，达到对输出口控制，使其能够对具有补偿性的电子器件的电气控制，并且切换相应电容器和电感器实现智能话。系统整体的框架图如图1.1：电流互感器电压互感器 相位检测的电路fx2n-4ad模块显示器编程器plc的cpu模块投切控制电路 复合开关复合开关复合开关电容器组电容器组电容器组 图1.1 无功补偿控制系统的框架图第2章 无功补偿的原理2.1 无功补偿的基本概念在通常的情况里，我们使用的设备不仅仅要耗去从电源产生的有功功率p，与此同时还要耗去电源中产生的无功功率q。这样的话假使电力系统中的q供不应求的话，我们使用的设备就不能够建立正常的电磁场，这些用电设备都是因为无功功率的缺少导致的，使其不能在正常状态下工作，从而影响整个系统的正常运行和端电压的下降。通过深入的学习我们发现交流电路中电源中，存在着的电功率有两种：一种是有功功率另外一种便是我们更加要注重的无功功率。设备如果要能够正常运行的话，有功的功率则是必不可少的。这种电能是将能量转为的能量形式存在的（例如机械能、热能等等）的电功率。然而无功功率的意义则比较表象的，它不像其他电能一样对外作功，但是也是可以将电能的形式进行一个转变。广义的存在于电场与磁场之间的变换相切，从而建立起一个稳定磁场的这种形式的电功率。我们使用的电气设备但凡是存在着电磁线圈，都必须要有一个稳定的磁场，这样的话就要耗去无功功率。无功功率不是无用功率，它的用处很大。在我们熟知的变压器也是一种消耗无功功率的设备，这样的话会使其的一次线圈中建立并维持磁场，并且二次线圈中感应出电压。同样的道理电动机的旋转磁场也是必须存在和维持的，只有这样转子才能转动并且带动机械运作。电动机中的转子磁场是首先从电源中获取无功功率之后再建立的。由此可见，无功功率的重要性是关系着电动机的运转，以及变压器的正常工作，还有交流接触器吸合作用。 无功功率并不是能够满足所有设备的需要，因此我们在电网中要设置一些无功补偿装置来补充来弥补这一不足，这样可以确保用电设备对无功功率的需求。我们熟知的无功补偿装置通常是把具有容性的电功率与具有感性功率负荷一起并联接在相同电路，所以在这两种负荷之间存在这能量的相互变换的能力。所以，当负荷中所需要感性无功功率不足的时候，这时容性负荷便可以对无功功率进行补给，只有在这样的情况下用电设备才能在额定电压下工作。2.2 无功的分类感性无功：i矢量滞后于u矢量90的电功率成为感性无功功率容性无功：电流矢量超前于电压矢量90，如电容器等。基波无功：与电源频率相等的无功功率（50hz）。谐波无功：与电源频率不相等的无功功率。同一电路中，存在这这样一种动态的平衡。假设当电容器以及电感并联的时候，这样就会出现电感它接收能量的同时，电容器在一定的程度上释放出能量。反之的话电感释放能量，则电容器也就能够将能量系统的吸收。因此能量就达到了一种平衡，简而言之就是动态的无功功率感性负载，可以从输出的无功功率电容装置中达到平衡补偿。由此可见我们可以讲电容器组合而成称为无功补偿的装置，其作用和原理如图2.1所示。图2.1 无功功率补偿示意图如上图可知当需要从电源系统进行吸收的无功功率为q2时，感性负载装置通过增加无功补偿的设备后，可以发现系统经过补偿的功率为qc，并且使电源输出的无功功率减少二者之间的差，与此同时功率因数由cos a提升至cos a1，相应的视在功率s减至s1。s的减少会带来一定的后果，为了防止此类事情的发生我们可以相应地减小输电线路截面积等，来降低变压器的相应的容量，从而减少了资金的投入。例如一台20000kva的变压器，当负荷的功率因数为0.6时，可供12000kw的有功负荷;当负荷的功率因数提高到0.9时，可供18000kw的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多提供6000kw负荷给负荷设备使用，这个数字是非常大的。2.3 无功补偿的方式无功补偿的方式是要依据统筹规划，恰当的安排以及补偿制度的合理的这样一个基本原则。如果要进行集中补偿的话，可以根据变配电站的情况进行。而一般用户就可以根据分散补偿的原则进行，二者互补最终可以达到无功功率的分级补偿平衡无功功率的补偿方法有：集中补偿以及集中与分散相组合补偿。这里介绍下相结合补偿电容。该装置需要把一部分安装在变电所内，另外的则安装在其他部门或车间。这样可以灵活简便的运用感性的无功，易于调控，并且可以降低一切相关的损耗。1、 变电站10kv母线集中补偿有关之前我们描述到的内容，在这里要涉及到补偿容量的确定，在 110 kv及以下变电站集中补偿的容量按主变容量的 10%30% 配备。对负荷集中的工业变电站按满足主变的励磁和漏抗的无功功率的要求。无功补偿容量确定为： 0.10.15倍主变压器额定容量；相对于集中补偿不同的分散的农业负荷为主的大型设备，它们的无功补偿常常发现要尽量配合主变压器的无功损耗同时还要注意有时候在用电高峰期间无功负荷的需要，无功补偿容量确定为： 0.20.3倍主变压器额定容量。收集相关的知识之后，结合实际情况发现要确定容量和投切方式除以上几个特点之外还需考虑这些原因，自身不仅仅要充分满足主变压器的功率耗损。同时向其他的设备进行无功的输送时候，也要尽可能的配电线路的无功负荷的调压需要，这样才能形成一个稳态的系统 。以上的内容需要满足之外，还要根据负荷需求来对无功补偿容量更进一步推敲，合理的将变电站的补偿设备分成两个组别。从而确保了在电压稳定和无功补偿的效果最好情况下，使电容器组投切开关的动作的次数尽可能减少，这样才是最佳方案。2、 配电10kv线路分散补偿线路的分散补偿我们可以通过在电杆上装设一定组别的电容器用来进行单点或多点不同方式的补偿。其中多点补偿可以采取的方式分为分支线分段联合补偿的方式。对于有一些分支线路较多或者cos较低的线路补偿。不同的是单点补偿地点应该选择在线路首端三分之二处，相应的补偿的容量应为无功负荷的三分之二，此外两点补偿分别装设在距首端无分之二和五分之四处。通过对现今农村状况的分析发现，农村电网的补偿点不能太多，而且我们也发现在对其控制方式设计的时候，应当遵循越简单以及保护方式越可靠的原材方可。根据这个原则我们可以选择电容器，其最大的过电压能力很强，并且可以承受短路电流冲击的能力、励磁涌流，还有在运行维护环境和电容器时候，必然会消耗的有功功率损耗等一些原因。所以在实际应用中可以采取对每组以100200kvar为宜。通过以上理论，我们可以通过对该线路无功负荷的大小和无功负荷最小值来取均值进行计算，从而确定其配电线路的补偿容量。如果要实现最小无功负荷u上qq上qq下uu下形成降低电压指令形成升高电压指令形成电容切除指令形成电容投入指令控制中心执行输出指令无指令判断是否还有电容可以投入或者切除报警并切断装置yn合理图4.2 无功电压实时控制流程图4.2 a/d转换模块n0.0中，bfm#30中的识别码送到d4；若识别码为2010时(即为fx2n-4ad),则m1为on；h3111bfm#0(通道的初始化)，ch1、ch2、ch3置为电流输入，ch4则为关闭；在bfm#1和#2中设定ch1、ch2、ch3计算的平均值取样次数为4；bfm#29中的状态信息可以分别写到m25-m10；其中a/d转换的编程梯形图如图4.3所示： to（ p） k0 k1 k4 k3 from k0 k5 d0 k3 from k0 k30 d4 k1 cmp k2010 d4 m0m9002初始脉冲 to（p） k0 k0 h3111 k1m1 from k0 k29 k4m10 k1 图4.3 模拟量输入编程梯形图本设计有10个输入点和11个输出点，考虑一定的裕量时则选择fx-32mr plc。具体输入输出点为：输入点：x0 相位判别开关； x1x3 电压、电流、功率因数显示开关； x4x5 分别为上、下限预设开关； x6x7 加、减0.1按钮； x10x11 加、减0.01按钮；输出点： y0y3 4组电容器投切状态显示； y4 启动报警器；y5y6 led显示输出；y10y11 4组电容器投切动作继电器；它与fx2n-4ad的硬件连接图如4.4所示：y0y1y2 y3 y4com1 y5 y6y10y11y12 y13com2x0x1x2x3x4x5x6x7x10x11comdc5vkm1fx-32mrkm3km2km4km6km5fx-4adch1 ch2 ch3电压电流 相位差 图4.4 plc系统的i/o接线图4.3梯形图与程序dsin d50 d60s. d.x3div d6 d3 d4x1mul k180 d4 d50x2求功率因数的梯形图（即cos）如图4.5所示： ；将存于d6的数除以