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基于无线网络模式的供电节能系统研究 摘要：低压配电网是负荷供电的直接来源。但是在电力负荷中，有相当大一部份是感性负荷，它不仅消耗有功功率也吸收很多无功功率，造成功率因数下降，降低了供电质量和供电能力。为了有效地克服上述缺点及不足，本文针对建筑供电节能功率因数补偿的要求，以及供电负荷预报对建筑供电系统可靠、安全、经济地运行所具有重要的作用，提出供电负荷预报与功率因数自动补偿的供电节能策略。按照这样的策略，采用了基于PLC和GPRS技术相结合，组成了供电节能无线监控网络。实践证明，该方法不但可应用于新建建筑，而且适用于既有建筑节能改造。 关键词：PLC GPRS 功率因数补偿 组态软件 1.引言 在目前的建筑用电中，存在着大量的电能浪费及用电质量不高的其问题，主要表现在功率因数偏低。造成这一现象的主要原因是，在电力负荷中，有很大一部分是感性负荷，电动机等感性负载超过了负载的60%。它不仅消耗有功功率也吸收很多无功功率，造成功率因数下降。在有功功率保持一定的前提下，线路功率因数越小，在线路上流过的电流就越大，导致在线路上的压降及损耗越大，甚至会导致用户端电压达不到规定值，严重降低供电质量和供电能力。然而，感性负载吸收的无功功率若是都要求发电机提供并经过长距离传送是不合理的，也是不可能的。合理的方法应在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，在适当位置并联安装适当容量的电容器，就减少了无功功率，功率因数便能够提高。因此，无功补偿的实质就是提高功率因数的问题。本文提出一种新型的，基于基于PLC和GPRS无线通信技术相结合的节能监控系统，可在监控中心对用电设备进行实时监控，以达到改善用电设备功率因数的目的。 2. 无功补偿装方法简介 无功补偿装置常见的有同步补偿机、静止无功补偿器和并联电容器三种。同步补偿机的容量和地点均受限制，运行维护工作量大，资金投入大，主要用于电力系统枢纽变电站和换流站。设置并联电容器装置，集中、分组或就地补偿无功功率，具有结构简单、经济方便等优点。对提高低压配电网络的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，提高供电质量等是有效的，也是目前最为常用的一种补偿方式。低压无功补偿控制器是该装置的核心元件，它检测功率因数、无功电流、无功功率，按照一定的控制规则投切电容器组，实现无功补偿。 针对建筑供电节能功率因数补偿的要求，以及供电负荷预报对建筑供电系统可靠、安全、经济地运行所具有重要的作用，本文提出供电负荷预报与功率因数自动补偿的供电节能策略。首先，根据电力参数测量仪存储记录的数据，制定供电负荷预报。再按照供电负荷预报通过PLC编程，实现电容器组切/投，对用电设备进行功率因数补偿。 3. 系统的组成及软硬件设计 3.1PLC与GPRS结合构成节能监控网络 PLC 可以实现多台PLC之间或多台PLC与一台计算机之间的通信联网要求，从而组成多级分布式控制系统，构成自动化网络。现代PLC技术具有互操作性、控制的可靠性提高、降低安装费用以及控制系统便于维护等优点。因此，基于PLC分别开发的建筑节能监控装置，适合建筑节能控制及节能改造对低成本、高可靠性、易于维护的要求。 通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输网络，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，而且 GPRS是根据流量计费的，运营费用比GSM方式要低得多，能够满足建筑节能监控中心与现场各节能控制器的通信要求。此外，GPRS无线通信尤其适合现场没有网络以及建筑节能改造之用。 本文研究中选择深圳宏电公司的GPRS DTU模块进行无线通信，该模块具有高性能、工业级，外置式等优点，适用于环境恶劣条件下的各种工业监控、交通、气象等应用场合。GPRS DTU与PLC采用RS-485总线进行通信。 针对建筑供电功率因数补偿的要求，以及供电负荷预报对建筑供电系统可靠、安全、经济地运行具有重要的作用。本文提出供电负荷预报与功率因数补偿的供电节能策略。进行无功补偿的前提是能准确地测量电网的运行状况,包括有功和无功的功率、能量、电网的功率因数、谐波状况等参数。 3.2 硬件设计 供电节能监控装置硬件由PLC和施耐德公司的电力参数测量仪PM800及GPRS无线通信模块组成，是用来监控用电设备电力参数，补偿用电设备功率因数的现场测控装置。 供电节能监控装置的核心是低压无功补偿器，它接受来自智能仪表单元检测到的功率因数、无功电流、无功功率，按照一定的控制方法实现无功补偿。可有效地提高低压配电网络的功率因数，降低变压器的容量，减少设备功率损耗，提高供电质量。 并联电容器补偿方式一般采用三相固定补偿、三相动态补偿、单相动态补偿相结合的方式。因为并联电容的容量是有限制的，并联电容器容量过大可能导致线路功率因数出现负值，就会出现补偿点向电源端传送无功，这是不允许的。若是采用8421编码规律分组进行动态补偿，根据负载中无功的变化自动投切补偿电容器组，能实现更高的补偿精度。 在本文中，电力参数测量仪PM800与PLC之间通过RS-485总线连接，采用Modbus协议通信，组成了现场测控装置，其主要作用是数据采集和输出控制。数据采集部分主要依靠PM800采集现场用电设备的电力参数，诸如相电压、相电流、有功功率、无功功率、总用电量等参数。输出控制部分即指PLC根据采集到的参数确定补偿策略，并通过PLC输出端口控制电容器组的切换。 3.3软件设计 PLC监控软件设计分为算法程序设计，监控程序设计两部分。 算法程序设计 目前，一般的功率因数补偿所采用的方法是：根据功率因数的大小确定补偿电容器组的投入。这种方法的缺点是智能化程度不高，偏差过大。例如，当功率因数一定时，由于负载大小的不同，所需的补偿电容显然不同。用电量大的设备需要投入电容更大的电容器组。 针对上述问题，在供电节能子系统的算法程序设计上采用了基于负荷预报的功率因数自动补偿控制方法，该方法的原理是：根据预报的当前总用电量与实测的当前功率因数做加权运算，得到能综合反映用电情况的数据，再按照此值来确定需要投入的电容器组。负荷预报程序的开发与中央空调系统负荷预报方法相同。由于对问题考虑得比较全面、综合，故可提高系统的智能化程度，取得了较好的节能效果。 监控程序设计 运行于监控中心上位机的监控软件是采用北京三维力控公司的组态软件Forcecontrol 6.0开发的。监控程序分为自动和手动两种工作模式，自动工作模式是按照算法程序中得到的运算结果通过PLC的输出端口自动控制电容器组的投入/切出。手动工作模式是指根据监控中心软件上显示的电力参数值，由操作人员手动投入或切出电容器组。上述两种模式均显示在运行于监控中心的PC机上。 4. 结语 本文将GPRS无线通信技术、组态软件技术以及PLC控制技术应用于供电节能中，组成了一个无线监控系统，可对用电设备进行远程监控。由于该系统无需敷设线