电力网无功补偿智能投切设备系统设计-毕业论.docVIP

毕业设计（论文）题 目电力网无功补偿智能投切设备系统设计 系 （院）电气工程系专 业电气工程与自动化班 级2010级3班学生姓名宋德玲学 号1014090332指导教师何 芳职 称助 教二一四年六月二十日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名:二一四年 月 日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名:二一四年 月 日滨州学院本科毕业设计（论文）电力系统无功补偿智能投切设备系统设计摘要无功补偿装置的作用是提高电网的功率因数，降低输电线路的损耗以求提高供电效率。首先明确课题研究的背景和意义，然后根据无功补偿的原理和对传统智能方案的比较，来确定无功补偿智能投切的总体方案。设计的硬件方面有五部分，包括控制面板、相位判别检测电路、PLC的选型及I/O端口安排、无功补偿装置和互感器。其智能投切功能的软件设计由PLC实现，PLC选择的是FX2N-32MR型号。编程部分采用模块化设计，电力网的电压和无功限值区间的划分用动态九区图来表示。这样的设计结构清晰、易于调试和修改。关键词：电力系统，功率因数，PLC，无功补偿，九区图Intelligent Power Grid Reactive PowerCompensation for Equipment System DesignAbstractRole of reactive power compensation device is to improve the power factor, reduce the loss of power transmission lines in order to improve efficiency. First, clear the background and significance of the research, and reactive power compensation in accordance with the principles and comparison with the traditional intelligent solutions to determine reactive power compensation intelligent switching of the overall program.The hardware design has five parts, including the control panel, the phase detection circuit discrimination, PLC selection and I / O port arrangement, reactive compensation devices and transformers.Its intelligent switching functions of the software design and implementation by the PLC, FX2N-32MR is the selected models. Programming part modular design, dividing power grid voltage and reactive power limits the dynamic range of nine zones to represent.Thisdesignstructure isclear,easy to debug andmodify.Key words: electric power system, power factor, PLC, the reactive power compensation, nine area chartsi目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景与意义11.2 无功补偿的原理21.3 传统的智能控制方案3第二章 设计方案的确定52.1 PLC的概述52.2 PLC的工作原理62.3 设计的原理72.4 本文的总体方案8第三章 硬件部分的设计103.1 控制面板103.2 相位判别检测电路113.3 PLC的选型及输入/输出端口安排133.4 无功补偿装置163.5 互感器17第四章 软件部分的设计204.1 投切部分的软件设计204.2 各部分的软件编程部分224.2.1 A/D转换224.2.2 计数器的编程部分234.2.3功率因数的编程部分244.2.4 实际无功功率值计算244.2.5 无功功率的补偿254.2.6 判断投切的状态254.2.7 投切状态的具体梯形图28第五章 结论30参考文献31谢 辞32附 录33第一章 绪论近年来，我国的电力装机容量速度大幅度增加，有效的缓解了供电紧张的局面。而且，随着供电量的增加，系统的无功功率也将随之增大。据统计，电网中的无功功率损耗最多可达到总发电容量的15%-25%，也就是大约1/5的发电容量将用来抵消输配电过程中消耗的功率。无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的措施。基于PLC来实现无功功率的补偿，可解决电子式智能补偿控制器可靠性差、线路复杂等一系列问题，以求提高系统的可靠性，简化系统的结构，并方便能实现对功率因数的实时调整1。1.1 课题研究的背景与意义近年来，随着社会经济和技术的快速发展，现代电力电子工业取得了飞速发展。电网中使用的感性负载越来越多，如感应式电动机、变压器等。这些消耗电能的设备在运行过程中不但会消耗有功功率，而且还要电网对其提供很大部分的无功功率，这就造成电网的功率因数偏低。功率因数越低对电力系统运行就越不利，从而造成：（1）增加发电机损耗；（2）影响电网系统电压稳定，使电力系统的电压下降；（3）影响电网的无功功率潮流分布；（4）无功功率增大导致电力系统输出电量增大，增加电力传输过程中的功率损耗；（5）使输电、发电和配电设施无法充分发挥作用，降低发电和输电的能力，使电网的供电质量下降，严重时还可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电；（6）会使电网中的电流与电压相位不同，从而产生较严重的谐波分量，导致供电网中电压不稳定，而且谐波干扰增大2。据相关报道，我国电网平均每年因无功功率过高造成的线损能达到15%，折算成线损电量约1400亿千瓦时。假设全国电力网的总负载功率因数为0.85，采用无功补偿的方法将负载功率因数提高到0.96，那么每年减少的电量损失能达240亿千瓦时。因此需要在电网中对电力系统进行无功补偿，这对资源的节约和电力系统的安全运行有重大意义。无功补偿的作用主要有下列几点：（1）能提高供电系统的功率因数，降低电网的设备容量，减少无功功率的损耗；（2）能稳定受电网两端的电压，提高供电质量。在长距离输电线路中合适的位置设置动态补偿装置也可以改善输电系统的稳定性，提高电网的输电能力；（3）在电气化铁道中等三相负载不平衡的场合，通过适量的无功补偿可以平衡三相负载的线损3 。1.2 无功补偿的原理无功补偿的基本原理：电网输出的功率包括有功功率和无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能量做功，这部分功率称为有功功率。不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能量作为电气设备能够做功的必备条件，并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能。电流在电感元件中做功时，电流滞后于电压90，而电流在电容元件中做功时，电流超前电压90。在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小4。电力系统中网络元件的阻抗主要是感性的，需要容性无功来补偿感性无功。图1-1 无功功率原理图将电容并入RL电路之后，电路如图（a）所示。该电路电流方程为 （1-1）由图（b）的向量图可知，并联电容后U与I的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。其向量图如（c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会：（1）引起变压器二次侧电压的升高；（2）容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗；（3）如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器使用寿命5。1.3 传统的智能控制方案配电网智能系统主要由主站、远方终端单元（RTU）、远方控制SF6（或真空开关）、线路传感器、通信电缆等五个部分组成。其中RTU能够自动采集各种开关模拟量（遥测）和状态量（遥信），并经过专用信道传递给监控中心的主站系统部分，有的远方终端单元还可按照监控人员的意图及指令执行特定的遥控操作，并且可以将操作结果返送给监控中心主站系统。目前，RTU存在两种实现方案：直流采样方案和交流采样方案。其中交流采样方案要比直流采样方案的可靠性更高。交流采样方案实现的RTU装置是直接使用A/D转换组件对交流电量值进行采集计算，不用变送器之类的转换设备，但是需要快速的数字处理单元对其配合，以对采集到的数据分析和综合。不仅能反映电量值的瞬时变化，还可以进行谐波分析和频率计算，来简单地实现电能量的总加功能。常用微型计算机（如8X86）配合多个单片机芯片（如8051、8098等），再加上多个A/D转换电路，来实现开关量和模拟量的采集。（1）系统的RTU在功能上比较偏重遥信和遥测，并且配电网的智能化对象（开关房、开闭所和配电房等）数目繁多，开关操作次数频繁，更注重遥信和遥控功能。（2）配电网的智能化对象遍布各个城市、农村等多种不同的环境，被不同层次的用电管理人员（包括农村电工）操作。更要求其具有易操作、安装灵活、免专业人员维护、抗恶劣环境等优点。（3）应用于配电网的RTU，在功能上需具有模块化结构，在硬件上要做到尽量简单和安全可靠。最好是同一套硬件，只要对其进行简单设置，就可以满足不同场合、不同规模的要求。因此，有必要开发新型的、非传统结构的RTU，以适合配电网自动化的特点和需求6。第二章 设计方案的确定本次设计是对无功补偿器的控制系统的设计。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，表示系统是容性的，应通过投入电容器吸收容性无功功率；当电流相位落后电压相位时，表示系统是感性的，应投入电容器提供无功功率。2.1 PLC的概述可编程控制器（PLC）技术经过了几十年的发展，已相当成熟。其功能繁多，品种齐全，已被广泛应用在工业控制的各个领域。用PLC来实现配电网自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的各种要求。在国内市场，有许多著名厂家的PLC产品。这些产品从简单到复杂自成系列，能满足不同应用的特殊要求。大多数中低档次的PLC产品，都包含有离散点输入和输出（点数的多少可依据应用情况适当进行增减）、时钟、通信、模拟采样输入等功能。利用这类PLC的现成功能，可以方便地实现配电网自动化的 RTU功能。使用PLC的离散输入点功能来用PLC的离散输出点功能来实现遥控、用PLC的通信功能来实现与主机的通信、用PLC的模拟采样输入功能来实现遥测。完成上述这些功能，都不需要额外的硬件，只根据开关的实际情况对PLC进行简单编程即可。此外，利用PLC的模拟输出功能，还可以实现配电网的遥调。如调节静止无功补偿设备的电流、电压相角、调节调压变压器的变比等。应用PLC对配电网自动化的实现过程，可知PLC跟传统方案的区别。这种基于PLC的电网自动化的RTU实现方案，基本可以满足配网自动化的特殊要求。它具有以下特点和优势：硬件结构简单，完全免维护；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。应用PLC方案在具体设计时，包括下列几个步骤：（1）获取操作点数。了解电网的基本情况与实现自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、遥调的设备和信号的具体点数。（2）确定通信方案。由电网的规模及分布情况，来确定总体设计方案，主要包括通信方案的设计和选择。（3）PLC的选型。根据确定的操作点数以及总体设计方案，选择恰当型号的PLC 来实现其RTU功能。 PLC是否具备模块化结构和组态能力，是否能够灵活的组成输入点、输出点、调节点（D/A）、测量点（A/D）的规模可变系统，是选择PLC型号的另外一个主要考虑因素。目前，很多厂家生产的PLC产品，都可以满足通信以及模块化的要求。如三菱系列，SIEMENS系列，松下较高级别的PLC系列等。根据具体情况，在一个配电网自动化工程中，整个配电网可以选用同一个厂家的PLC产品，本文设计的“电力网无功补偿智能投切设备系统设计”选用的是三菱系列，并用三菱系列进行软件设计和指令编写7。2.2 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC不同，采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次只能执行一条指令，这也就是PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要出入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。PLC采用循环可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。（1）程序输入阶段。在此阶段，PLC先进行自我诊断，然后与编程器或计算机通信，同时中央处理器扫描各个输入端并读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。（2）程序执行阶段。在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据存储器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。（3）输出处理阶段。在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块往外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。2.3 设计的原理只要电流和电压之间有相位差，都可通过增加或减少投入的电容器或电感器使电流和电压之间的相位尽可能的相同，也就是使功率因子。电流和电压的相位差可以通过外电路变换成一定频率的脉冲信号。脉冲的数目与相位差的大小成正比，当电流和电压的相位差变化时，脉冲的数目也随之变化，可以利用计数模块对脉冲信号进行计数。相位的超前和滞后，也通过外电路转换为电平信号，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”。这样就可根据输入的开关量确定电流和电压之间的相位差的正负，从而结合计数模块的计数值来控制输出口，使输出口控制补偿电路中的电力电子器件，使相应电容器或电感器进行切换8。图2-1 无功功率补偿原理图上图表明：，。因为且。所以，为了确保有功功率稳定，必需装配补偿容量为的无功的电容补偿装配。式中：改善前的功率因子；改善后的功率因子；功率因子改善前的视在功率；功率因子改善后的视在功率。2.4 本文的总体方案本设计的主要功能是可以检测出当前电网的电流电压并显示，计算出当前的功率因数及无功补偿量，并利用PLC编程控制投切电容实现对电网的无功补偿并显示当前投切状态。本设计中投切控制原理可以用九区图来说明。无功超上限投入电容器，超下限切除电容器。电压超出上限调制变压器的分接头来降低电压，电压超出下限调制变压器的分接头来升高电压。本设计中我们首先要计算出补偿容量并通过它来控制投切。硬件部分的设计，主要分几个部分来进行分析，他们分别是控制面板、电压电流互感器、相位检测电路、Fx-4AD模块、LED显示电路、编程器、无功投切装置等。计算方面，提供无功补偿的方法主要有两种：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。软件方面：设计PLC编程完成无功补偿的智能化9。整体的框架图如下：图2-2 无功补偿控制系统的框架图第三章 硬件部分的设计硬件部分的设计可以分五个主要部分来分析，他们分别为控制面板、PLC的选型及输入/输出端口安排、相位判别检测电路、变压器、无功投切装置。此外还有LED显示电路、编程器、Fx-4AD等在此不做详细介绍。3.1 控制面板控制面板是硬件最重要的部分，它不仅要求功能齐全，简单明了，还要操作方便。它要实现的几个功能有：（1）能显示当前的电流电压及功率因子；（2）能准确显示当前的投切状态；（3）能设置理想功率因子的范围。图3-1 控制面板外观图图中编号注释：1.外壳：控制面板主容器；2.配电网的状态并设置其上、下限值，且能LED显示；3.可显示电网状态；4.可设置上限、下限值；5.可显示或设置电压值V，电流值I和功率因数值；6.数字键盘，输入上限、下限数值；7.电容器投切的状态显示：1表示第一组电容器，如亮绿色表示投入，红色表示切除，2、3同上。3.2 相位判别检测电路相位差是电流超前或滞后电压的差值。首先是相位差的测量：输入两路同频率的正弦波信号时，相位差是一个与时间无关的常数，将这两路正弦波信号放大整形成两路占空比为50%的正方波信号f1、f2，经异或门输出一个脉冲序列A，与晶振的产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定时间范围内对B、C中脉冲的个数进行计数得到、，则其相位差计算公式为，采用多个周期计数取平均值的方式来提高测相精度。波形如下图所示：图3-2 相位检测波形图其次是相位极性判别电路：将波形整形电路的两路输出方波送入D触发器中进行相位极性判别，当U0滞后U1时，Q端输出低电平，反之输出高电平，极性判别的原理图如下所示：图3-3 相位判别电路相位检测和判别的接线图如图所示：图3-4 相位检测和判别的接线图3.3 PLC的选型及输入/输出端口安排PLC是整个控制系统的核心，要完成对系统中所有输入信号的采集，所有输出单元的控制、断路器投切的实现以及对外的数据交换。因此在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。因本系统控制设备相对较少，PLC选用三菱公司的FX2N型。FX2N系列PLC可以应用在大多数单机控制或简单的网络控制中，是FX系列中规格最大、性能最高、功能最强的一个系列。它兼容了FX-1S/1N系列的全部功能。该系列使用了比FX-1S/1N系列性能更高的CPU，CPU运算速度与运算性能得到了提高，I/O点增加了，扩展功能模块也更多，编程功能与通信功能更强10。电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。我选取的三菱FX2N-32MR，其输入、输出均为16点。图3-5 电源输出点实际接线图图中编号注释：1.24V电源，外部提供；2.24V指示灯；3.220V电源（或110V电源），外部提供；4.220V指示灯（或110V指示灯）；所选的三菱FX2N系列产品规格见附录表1。本设计中模拟量输入输出模块我们选用FX-4AD，FX-4AD为4通道12位A/D转换模块，根据外部连接方法及PLC指令，可选择电压输入或电流输入，是一种具有高精确度的输入模块，通过简单的调整或根据PLC的指标可改变模拟量输入的范围，瞬时值和设定值等数据的读出和写入用FROM/TO指令进行。FX-4AD的技术指标如下表所示：表3-1 FX-4AD的技术指标电压输入电流输入根据是电压还是电流输入，使用端不同模拟量输入范围DC：-10V+10V（输入电阻200）绝对最大输入15DC：-20mA+20mA（输入电阻250）绝对最大输入32mA数字量输出范围带符号位的16位二进制（有效数值11位）+2047以上固定为+2047 -2048以下固定为-2048分辨力5Mv（10V1/2000）20A（20V1/1000）综合精度1%（相对于最大值）转换速度15mS（14）通道（高速转换方式时在版本V2.00以下时为6mS（14）通道）隔离方式光电隔离及采用DC/DC转换器使输入和PLC电源间隔离（各输入端子间不隔离）输入输出占用点程序上为8点，由PLC供电的消耗功率为5V30mA模拟量用电源DC：24V10%50mA三菱公司FX2N系列PLC的模拟量输入扩展模块FX2N-4AD有四个通道的模拟量输入端，它有32个16位的寄存器作为数据缓冲存储区，其中一部分用于存放控制字、出错代码等，另外8个寄存器，其中4个用于存放各通道经转换后的当前数据量，还有4个用于存放各通道的n次的平均值。用FROM指令可以将各个通道的当前数据量或平均值读入PLC的数据寄存器内，有关FROM指令梯形图详细情况在软件部分介绍。经过计算本设计将有 10 个输入点和 11 个输出点，并考虑一定的裕量我们选择 FX2N-32MR型号的PLC。具体输入输出点为： 表3-2 电压互感器的具体参数输入点1相位判别开关2-4电压、电流、功率因数显示开关5-6分别为上、下限预设开关7-8加、减0.1按钮9-10加、减0.01按钮输出点1-44组电容器投切状态显示5启动报警器6-7LED显示输出8-11电容器投切动作继电器它与 FX-4AD 的硬件连接图如 3-7 所示：图3-7 FX-32MR与FX-4AD的硬件连接图3.4 无功补偿装置控制无功补偿和电压优化的规则是以全网损耗尽量小、各节点电压合格为目标，以调度中心为控制中心，以各变电站的有载调压变压器分接头调节与电容器投切为控制手段。首先从调度自动化系统采集数据，送入电压分析模块和无功分析模块进行综合分析，形成变电所主变分接头调节指令、变电所电容器投切指令，由调度中心、集控中心、配调中心控制系统执行，循环往复。按照方案实施无功补偿和电压调节，使无功功率得到了自动实时补偿，实现从离线处理到实时处理，从就地平衡到全网平衡，从单独控制到集中控制，避免了人工监视、手动投切的各种弊端，如响应慢、误操作、工作量大等，电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高，整个电网的网损降到了尽量低的程度。运行实例表明，该系统方案在电力系统具有良好的应用前景。除了一直保持投入的一组电容器以外，设置了3组电容器用于无功补偿，电容器大小分别为100KVA、200KVA、300KVA。这样，使电容器相互串联就能投入或切除100KVA、200KVA、300KVA、400KVA、500KVA、600KVA，这样通过PLC控制，无功功率可实现6级自动调节，以保证无功功率值保持在预设的区间范围内波动11。本设计中投切电容的电路图如图3-8所示：图3-8无功补偿装置3.5 互感器在电流传输过程中，电流电压大小不等，从几安到几万安都有。为了方便二次仪表测量要转换成相对统一的电流，而且传输线路上的电压高，如果直接测量是很危险的，此时互感器就可以起到变流和电气隔离的作用。首先介绍一下电流互感器：以前的电流电压显示仪表大部分是指针式的，所以电流互感器的二次电流是安培等级的（如5A）。现在的电量数值测量大多是数字化的，其计算机的采样信号大部分是毫安级（如0-5V、4-20mA）。微型电流互感器的二次电流为毫安级，主要会起大互感器与采样之间桥梁的作用。图3-9 电流互感器原理接线图电压互感器：由于其尺寸工艺的原因通常采用电流型的电压互感器。实际上就是额定电流比为1的一次、二次电流都为毫安级的电流互感器（如：2mA/2mA），其分类也和电流互感器大体相同，分为测量用电压互感器，保护用电压互感器两种。工作时，电压互感器一次绕组与限流电阻R串联后接被测电压，二次输出接运放可进行I/V变换（也可直接电阻采样）。此时一次电流为，二次电流为，其中r为一次绕组内阻，是额定电流比。图3-10 电压互感器原理接线图本设计选用了PT01-1电压互感器。此电压互感器的输出电压是0.1V（即100欧负载），使用时加限流电阻让初级电流变成毫安级的电流，次级经过运放可得到任意电压。这样可以使用方便，实现完全电气隔离。属于电流型电压互感器的电流比为：1mA/1mA，2mA/2mA。产品优点是：精度高，0.1级，体积小。电隔离，耐压可达2500V。具体参数如下：表3-4 电压互感器参数型号I/O非线性度相移RL=0（补偿后）线性范围PT01C-2/22mA /2mA0.1%5010mA负载电阻隔离耐压使用温度贮存温度相对湿度5002500Vac5065608090%额定输入电压额定输出电压串联电阻后30V1000V50mV8V（运放输出）（2mA）第四章 软件部分的设计4.1 投切部分的软件设计图4-1所示的动态九区图表示的是电力网电压无功限值区间的划分。根据该图所在的各区域，以最优的电压无功设备组合和控制顺序使运行状态进入无功和电压均满足要求的第九区。控制策略图如图4-1所示：图4-1 控制策略图电压控制按照逆调压原则，当电压变化不在无功功率允许偏差范围(Q上-Q下)或不在电压曲线允许的偏差范围(U上-U下)内时，根据整定的偏移量来发出变压器分接头调整指令或电容器投切指令，从而达到调整无功潮流和电压的目的。其中，U上、U下分别为电压约束上、下限。Q上、Q下分别为无功功率约束上、下限。各区动作方案如下：区域1：电压超过下限，无功超过上限。设定电容器投入容量，并发出电容器投入指令。当电容器全部投入后，电压仍低于U下时，需要发出变压器分接头升压调节指令。区域2：电压合格，无功超出上限，要发出电容器投入指令。当所有电容器全部投入后运行点还是在该区，则维持该运行点运行。区域3：电压超出上限，无功超出上限。发出变压器分接头降压调节指令。当有载调压已处于下限时，就发出上一级变压器分接头调节指令。区域4：电压超出上限，无功合格。动作方案同3区。区域5：电压超出上限，无功超出下限。发出电容器切除指令。当电容器全部切除后，如果电压仍高于U上时，再发出变压器分接头降压调节指令。区域6：电压合格，无功超下限。发出电容器切除指令。当电容器全部切除后，如果运行点仍在该区，则维持在该运行点。区域7：电压超出下限，无功超出下限。发出变压器分接头升压调节指令。当有载调压已处于上限时，再发出电容器投入指令。区域8：电压超出下限，无功合格。动作方案同7区。区域9：电压、无功均合格。维持该运行点即可，不需要发出调整指令。根据上述分析可以得到如下流程图：图4-2 无功电压实时控制流程图4.2 各部分的软件编程部分用软件编程的程序来实现智能电容器投切功能，完成自动化的无功补偿12。4.2.1 A/D转换A/D转换的编程梯形图为：图4-3模拟量输入编程梯形图模块N0.0中，BFM#30中的识别码送到D4。若识别码为2010（即为 FX-4AD），则M1为ON。H3111 BFM#0（通道的初始化），CH1、CH2、CH3置为电流输入，CH4为关闭。在 BFM#1和#2中设定CH1、CH2、CH3计算平均值的取样次数为4。BFM#29中的状态信息分别写到M25-M10。4.2.2 计数器的编程部分通过PLC计数器模块将测量的B、C的脉冲数分别存放在寄存器D3和D6中，他们的梯形图如下所示：图4-4计数器编程梯形图4.2.3功率因数的编程部分求功率因数的梯形图（即）如下图所示：图4-5 求cos的编程梯形图将存于D6的数除以存D3的数得数存D4，将存D4的数乘数180得数存D50，将存 D50的数求正弦并将得数存D60。其中S.内寄存的是角度，经过余弦运算后将计算出的值寄存到D.积存器当中。4.2.4 实际无功功率值计算计算实际测量的无功功率值的梯形图如下所示：图4-6 实际无功功率值的计算把存在D50的电压值乘上存在D62的电流值得数存于寄存器D63。把存在D63的数值乘上存在D60的功率因数值得数存于寄存器D64。4.2.5 无功功率的补偿需要补偿的无功功率值的梯形图如下所示：图4-7 无功功率补偿值梯形图把数值0.95寄存到寄存器D56。把存在D63的数值乘上存在D60的功率因数值得数存于寄存器D51。把存在D51的预设功率值减去D64的实际功率值得数存于寄存器D5214。4.2.6 判断投切的状态首先介绍一下我所用的投切装置，它由四组电容器组成，由于电网总存在一定无功功率不足，所以有一组电容器是一直接通的，自动控制装置只控制其余三组电容器的投切，其余三组电容器的大小分别为100KVA、200KVA、300KVA。这样，使电容器相互串联就能投入或切除100KVA、200KVA、300KVA、400KVA、500KVA、600KVA，这样通过PLC控制，无功功率可实现6级自动调节，以保证无功功率值保持在预设的区间范围内波动15。通过区间比较指令确定电压值是否在所设定的正常范围内，并发出相应的调压指令。图4-8 电压判断的梯形图当（D55，D54）（D57，D56）时，M0为ON状态。当（D57，D56）（D53，D52）时，M2为ON状态。当处于其他区间时，M1为ON状态。其中，D52存电压上限值，D54存电压下限值。M0控制升压指令，M1保持电压不变，M2控制降压指令。电压调节完毕后通过跳转指令，重新对无功功率进行计算，通过区间比较指令判断所需补偿的无功功率值，然后再发出电容投入或切除指令。下图是无功功率与预设无功功率上限下限值的区间比较指令：其中D70存无功功率下限值，D68存无功功率上限值。图4-9 判断无功功率大小当（D71，D70）（D67，D66）时，M3为ON状态。当（D67，D66）（D69，D68）时，M5为ON状态。当处于其他区间时，M4为ON状态。当无功功率小于下限值，辅助继电器M0接通，如此控制电容器组切除的指令见附录图1。通过将所需切除的电容值与200KVA、300 KVA、400 KVA、500 KVA、600 KVA、700 KVA做多次区间比较，确定所需切除的电容值，若超出能够切除的范围，则输出报警信号。辅助继电器M12、M13、M14分别控制100KVA、200KVA、300KVA的电容器组切除。当无功功率大于上限值，辅助继电器M2接通，控制电容器组切除的指令见附图2。通过将所需投入的电容值与200KVA、300 KVA、400 KVA、500 KVA、600 KVA、700 KVA做多次区间比较，确定所需投入的电容值，若超出能够投入的范围，则输出报警信号16。辅助继电器M6、M7、M8分别控制100KVA、200KVA、300KVA的电容器组投入。4.2.7 投切状态的具体梯形图图4-10 电容器投入前三个表示所需无功功率与200再进行判断：当K200D52时，M3为ON状态。当K200=D52时，M3为ON状态。当K200D52的当前值时，M220为ON状态。当K200=D52的当前值时，M221为ON状态。当K200D52的当前值时，M222为ON状态。上面的梯形图中，中间继电器M3将启动100KVA电容投入，M4将启动200KVA。电容投入，M11将启动200KVA，300KVA两电容器投入，M14将启动200KVA，300KVA，400KVA投入；而M221将启动200KVA电容切除，M224将启动200KVA，300KVA电容切除，M231将启动200KVA，300KVA，400KVA切除。第五章 结论通过本次设计让我进一步学习了无功功率补偿和PLC编程的基本知识，并且让我能独立的设计和编辑电路图和程序。现在，我初步懂得了怎样用PLC来实现对电网的无功补偿，以及实现无功补偿的重要意义。电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。本设计当中我具体介绍了一种自动无功补偿装置，此装置可用PLC来实现。实现无功功率自动补偿、从离线处理到实时处理、从就地平衡到全网平衡、单独控制到集中控制。这样就避免了人工监视、手动投切的各种弊端（如响应慢、误操作、工作量大等），电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高，整个电网的网损降到了尽量低的程度。我设计的系统是用控制面板、电压电流互感器、相位检测和判别电路、FX-4AD、投切电容装置等主要硬件组成。而软件部分的设计是用PLC（FX三菱系列）实现的。确定电网无功补偿的合理方式和配置是能够有效地维持配电系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功功率的远距离传输。这对降损节能，提高电力企业的经济效益有着重要的意义。经过本次毕业设计，让我进一步把书本的所学知识与实际应用联系起来，对以后的工作和生活带来极大的帮助。参考文献1 王宏文.自动化专业英语教程M.北京:机械工业出版社,2007.3:11-69.2 陈珩.电力系统稳态分析M.北京:中国电力出版社,2007:220-221.3 苗延生.基于PLC的低压动态无功补偿控制系统(SVG)D.天津:天津城市建设学院,2012.4 王兆安,刘进军,杨君.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,2006.5:11-25.5 邱野.中低压配电网自动化的必要性及其PLC实现方案J.学术期刊,2004.5.6 廖长初.FX系列PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社,2005.4:29-112.7 俞国亮.PLC原理与应用(三菱FX系列)M.北京:清华大学出版社,2005.6.4:33-54.8 贺建闽,黄治清,李群湛,余俊祥.晶闸管投切电容补偿测控系统J.科技期刊,1998.10,20(5).9 苏小林,孟涛.PLC在发电厂变电所中央信号系统中的应用J.数字化期刊,2002:51-52. 10 王雷.无功补偿计算及电压无功投切判据分析J.数字化期刊,2001:17-19.11 黄俊辉,叶念渝.PLC在电力监控系统中的应用J.数字化期刊,1999,18(1).12 常虹.配电自动化的实现J.学术期刊,2012.4.13 王铮.PLC在中压负荷开关柜自动控制中的应用J.学术期刊,2011.4.14 S.M. Shinde, K D. Patil,W.Z. Gandhare. Dynamic Compensation of Reactive Power for Integration of Wind Power in a Weak Distributio Network J. Science. 2006.6.15 Gyugyi L, Otto R A, Putman T H.Principles and Applications of Static, Thristor-controlled Shunt CompensatorsJ. IEEE Trans. on Power Apparatus and System,1978.4, 97(5). 16 Hans Berger.Automatio