基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统设计毕业论文.doc

基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统设计毕业论文目 录第 一 章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 无功补偿研究及发展趋势11.3 本文主要研究内容31.4 用PLC实现的投切电路结构及原理4第 二 章 电网参数测量算法与无功补偿研究52.1 概述52.2 电网参数测量算法研究52.3 无功补偿原理62.4 无功补偿控制量的选择9第 三 章 系统硬件设计123.1 电子式无功功率自动补偿控制器123.1.1 检测功率因素值的检测单元123.1.2 无功功率单元与电平比较单元143.1.3 投切控制部分143.1.4 过压保护部分143.1.5 存在的主要问题143.2 PLC选型及模拟量扩展模块的选择设计143.3自动投切程序设计173.3.1 实时自动投切流程173.3.2 手动投切自动流程173.3.3 自动切换程序流程183.4 投切方式的选择原则18第 四 章 系统软件设计204.1 系统软件综述204.2 信号采集模块224.3 显示处理模块224.4 保护模块24第 五 章 实验与总结255.1 实验原理255.2 主要功能255.3 应用领域265.4 SVG技术优势285.6 总结与展望29致 谢31参考文献32第一章 绪论第 一 章 绪论1.1课题研究的背景近年来，随着我国国民经济的不断增长，我国的电力工业也有了迅猛发展。同时电力网中的无功问题也已慢慢受到人们的高度重视，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子设备的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使电网功率因数降低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算成线损电量约为1200亿千瓦时。假设全国电力网负载总功率因数为0.85，采用无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线损约240亿千瓦时。近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也愈来愈严格。由于无功功率同有功功率同等重要，是保证电能质量不可或缺的一部分。所以在电力系统中进行无功功率补偿必不可少，这对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义。电力系统网络元件的阻抗主要是阻感性的，因此，在输送有功功率时，就要求送电端和用电端的电压有一相位差，这很容易实现;而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这就不容易实现了。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载同样也需要消耗无功功率。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即就地无功补偿。无功补偿的作用主要有以下几点:(1)提高供用电设备及负载的功率因数，减少设备容量，降低功率损耗。(2)稳定用电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电网中合适的地点就地安装动态补偿装置能够改善输电网络的稳定性，提高输电能力。(3)在电气化铁道等一些三相负载不平衡的系统中，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负荷。 1.2无功补偿研究及发展趋势 无功补偿可以减少电力损耗，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%-3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失；改善供电品质，无功补偿可以提高功率因数，减少负载总电流及电压降。于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。常用补偿的方法:一种是集中补偿(补偿电容集中安装于变电所或配电室, 便于集中管理)； 一种是集中与分散补偿相结合补偿电容一部分安装于变电所；另一部分安装于感性负载较大的部门或车间，这种是设备补偿。根据变压器10KV/6000V负载的特点系统采用适合采用集中补偿。目前, 性能可靠、应用较广泛的无功补偿技术主要有静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(SVG) 等。SVG是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT) 组成自换相桥式电路, 通过调节电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制其交流侧电流, 使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流, 实现动态无功补偿的目的。SVG 是无功补偿的重要发展方向, 从本质上讲, SVG 可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器, 是当前技术条件下最为理想的无功补偿形式。据ABB公司2001的统计，目前全世界SVG的投运容量超过32000Mvar，投运容量已超过1500Mvar。静止无功补偿器(SVC)早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(Saturated Reacotor-SC)型，1967年英国GEC公司制成了全世界上第一批饱和电抗器型SVC。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快，但因其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管的静补装置，1978年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特色的系列产品。由于使用晶闸管的SVC具有优良的性能，所以十多年来占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此，SVC一般专指使用晶闸管的静补装置。SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，分别称之为晶闸管控制电抗器(Thyristor Control Reaetor一TCR)，晶闸管投切电容器(Thyristor Switch Capacitor一TSC)以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，TCR与固定电容器(Fixed Cpaacotir一FC)配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与机械投切电容器(Mechanically Switch Capacitor一MSC)配合使用的装置(TCR+MSC)。静止无功发生器(SVG)静止无功发生器(SVG)也称为静止调相机(Static Condenser一STATCON)，静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator一STATCOM)、新型静止无功发生器(Advanced Static Var Generator一ASVG)。其分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网;电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接入电网。迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。与SVC相比，SVG具有以下5个优点:调节速度快。SVC内部的电力电子开关元件多为晶闸管，晶闸管导通期间处于失控状态，使SVC每步补偿时间间隔至少约为工频的半个周期，而SVG采用GTO作为开关元件，GTO可在0.001s时间左右关断，因而其补偿速度更快;运行范围宽。在欠压条件下，SVG可通过调节其变流器交流侧电压的幅值和相位，使其所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。而SVC系统，由于所能提供的最大电流受其并联电抗器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小;可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节;SVG不需大容量的电容、电感等储能元件，其直流侧所使用的电抗器和电容元件的容量远比SVC中使用的小，可大大缩小装置的体积和成本;谐波含量小。SVG在采取多重化技术、多电平技术或PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量。以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展, 但单片机抗干扰能力较差, 在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。另一方面电压等级越高的变电站其辐射范围也越大, 故障的波及面也大, 因此系统对它的控制能力、通信能力要求也更高。本设计装置采用可编程逻辑控制器(PLC)进行控制及监测。1.3本文主要研究内容该设计整个系统利用PLC技术、IGBT技术、链式逆变器技术等来完成。功率单元采用链式结构, 多个两电平H 桥电路串联起来, 以达到电压叠加的目的。在10KV 系统应用时, 每相连接多个两电平逆变器模块。SVG由连接电抗器、逆变器组成, 每相电路通过IGBT 变流模块级联, 经过连接电抗器直接接入10KV 电网。SVG 首先通过充电电阻对直流侧电容充电至预定值, 之后充电接触器闭合以短接充电电阻, 充电过程结束, 补偿装置并入电网开始工作；并网一段时后, 将固定电容器投入, 主控制器根据母线侧电压、电流信号计算得出需补偿的无功电流, 并生成逆变器所需的IGBT 驱动信号, 控制逆变器产生与无功电流幅值相等、相位相反的补偿电流, 从而实现补偿无功的目的。1.4 用PLC实现的投切电路结构及原理用PLC实现的投切电路结构原理如图1所示，利用这样的线路结构，无功补偿补偿装置变得条理清晰，易于理解，并且在原自动投切、手动投切的基础上，利用PLC中CPU内部的日历时钟可以实现实时自动投切控制。当检测电路或模拟单元出现故障时，可以按实时时间自动投切。如果用户每天的工作大体一致，那么实测作出功率因数曲线后，可以不用模拟单元，只用图中虚线内的简单结构就可以实现自动投切。同时可以通过检测各接触器的状态作出相应的保护和报警输出。图1-1 PLC实现的投切电路原理图33第二章 电网参数测量算法与无功补偿研究第 二 章 电网参数测量算法与无功补偿研究2.1概述 电网参数的测量是无功补偿设计的一个重要组成部分，准确、快速测量是高压无功补偿控制器设计的基础，对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。本章在简要介绍分析各类电网参数测量方法后，采用技术比较成熟的傅立叶变换来计算各电网参数，在准确测量电网参数的基础上，对无功补偿的原理及方法进行了简述。2.2电网参数测量算法研究 电力系统基本电网参数的测量主要包括:电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率。根据被采集信号的不同，数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为0-5V的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用受到限制。交流采样是把交流电压、电流信号转化为士5V(或0-5V)的交流电压进行采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护，其缺点是算法复杂，精度难以提高，对A/D转换速度要求较高。随着微机技术的发展，交流采样以其优异的性能价格比，有逐步取代直流采样的趋势。交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不同，其算法也有很多种，按照其模型函数的不同，大致可分为正弦模型算法、非正弦模型算法。正弦模型算法主要有:最大值算法、单点算法、半周期积分算法、两点算法、导数算法和快速三点算法。其中，最大值算法测量电压、电流的有效值误差大小与AD的位数和采样周期有关，AD的位数越高、采样周期越小，则误差越小，测量精度越高;如果采集三相对称正弦信号，单点算法不失为理想算法，对采样时刻没有要求，既准确又快捷，并且可以同时测量得到电压、电流、有功功率和无功功率，但这种算法对采样信号要求较高，硬件较为复杂;半周期积分算法的数据窗长度虽然要半个周期，但它的运算量非常小，只涉及加减运算，可以用非常简单的硬件实现。另外它有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基波成分上的幅度不大的高频分量在半周期积分中其对称的正负半周期相互抵消，剩余未被抵消的部分所占的比重就减少了。但是该算法不能抑制支流分量。因此对于要求不高的电压电流保护功能可以采用此类算法。非正弦模型算法主要有:有效值算法、均方根算法、傅立叶及改进的傅立叶算法、最小二乘算法、卡尔曼滤波算法、小波变换算法等。其中，有效值算法的计算精度与采样点数N和采样的同步度有关，在系统允许的前提下，可以增加采样点数来提高运算精度。该算法实时性好、简单，能够计及信号中的高次谐波的影响，在不需要测量基波和各次谐波参数的情况下，可以选用此方法;均方根算法能计及高次谐波的影响，并且随着每周采样点的增多，可以提高采集精度，但采样点太多必然降低采集速度，增加了运算量，因而需要在精度和速度之间作出适当的选择;傅立叶及改进的傅立叶算法是目前应用最多的算法，可以一次算出信号中所用谐波，应用方便，己经在电力系统测量中得到了长久的应用;小波变换算法因其在时频域都具有较好的分辨率，在电力系统测量中有很好的研究价值。2.3无功补偿原理电力网中的电动机和变压器是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能量是由电源提给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量;而电感放出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在它们之间交换，即感性负荷。(电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可从电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理如图2-1所示。SSQP图2-1 无功功率补偿示意图设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc，使电源输出的无功功率减少为Q=Q一Qc，功率因数由cos提高到cos材，视在功率S减少到S，如图2.5所示。视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷;当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。由电力网功率损耗的计算公式可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少，将使电力网和变压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。由电压损耗计算公式可知，采用无功补偿措施后，因电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看做电阻R与电感L串联的电路，设 式中cos必被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占线路视在功率S的百分数。在电力网运行中，期望功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率的消耗。将R、L电路并联电容C后，电路如图2-2(a)所示，该电路电流方程为了。由图2-2(b)的相量图可知，并联电容器后电压U和电流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I的相位滞后于电压U，这种情况称为欠补偿。SRCL(b)向量图(欠补偿)(a)电路图2-2 并联电容器补偿无功功率的电路和向量图若电容C的容量过大，使得供电电流I的相位超前于电压U，这种情况称为过补偿，其相量图如图2-2(c)所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要承担负荷的无功功率Q。有功功率P与无功功率Q还有视在功率S之间存在下述关系，即因此，功率因数还可以表示成下列形式式中：U线电压（KV）；I线电流（A）。可见在电压、电流一定的情况下，提高cos可增大输出的有功功率。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。由上述可知，无功补偿的目的就是提高电网的功率因数，即提高有用功在电网发出功率中的比例。2.4无功补偿控制量的选择在控制器的控制规律上又可以分为功率因数控制和无功功率(无功电流)控制。下面介绍无功补偿由功率因数控制和无功功率(无功电流)控制两种控制方式的特点。2.4.1功率因数控制以功率因数作为投切判据是电网无功控制的传统方法之一，它以电网中电压与电流相位差形成的功率因数作为控制量来控制补偿电容器的投切状态。用无功补偿装置进行补偿，使供电电网的功率因数满足要求。参照图2-3，假设补偿前的参数是有功电流，无功电流，总电流，功率因数cos0.9。又将切除门限设为。当控制器检测到当前的无功电流小于零时，即得到超前的功率因数时，发出指令，切除一电容器组。当检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时，则保持不变。以功率因数作为控制量的控制器通过对电网的电压、电流进行采样检测，分析计算出当前的功率因数值。用当前的功率因数值与设定的投切门限值进行比较，以确定是投入、切除、还是保持不变。当控制器检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时，则不论实际的无功功率值是多少，都保持当前的补偿状态不变。功率因数值是一个比例值，所以在重负荷时，虽然功率因数满足了要求，但电网中的无功功率仍很大。用图2.4可以很清楚地说明重载时的情况。图2-4中，负载大于负载，无功也大于，而这时的功率因数却是相同的。虽然与的差值大于一个或几个电容器组的补偿量，但却由于此时的功率因数满足要求而不会去投入。 0图2-4 相同功率因数下无功电流与负载的关系功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。图2-5说明了轻载时发生投切振荡的情况。图2.5中是轻载时的有功电流，是与之对应的无功电流，并且较小，要小于一个电容器组的补偿量。由于负载很轻，这时的功率因数较小。按照补偿原理应投入一个电容器组，用该组电容器的超前电流去进行补，补偿的结果是得到了超前的功率因数。一旦功率因数超前，就要立即切除一电容器组，而切除一组功率因数又不够，因此形成投切振荡。 0图2-5 功率因数补偿的轻载振荡2.4.2无功功率控制针对功率因数控制的问题，出现了以系统中的无功功率为被控制对象，即将无功功率作为无功补偿的控制量。以无功功率作为投切判据，由于检测量与控制目标一致，能够真正实现无功功率缺多少补多少，超多少切多少的目的，既可避免投切振荡，又可实现电容器组的一次投切到位，避免了反复试投切对电网和电容器的影响。控制器对电网的电压、电流进行采样检测，计算出当前的无功功率(无功电流)值。若当前值大于一个电容器组的补偿值，则投入一个电容器组。若当前值超前，则切除一个电容器组。本方法补偿的结果是使电网中的无功功率始终保持在一个较低的水平上。图2-6所示是无功功率控制的补偿效果示意图。由于本方法的控制对象是无功功率，而无功功率又始终保持在一个较低的水平上。因此，不会出现功率因数控制方式所出现的重载时功率因数满足要求，但无功电流很大，而轻载时又容易产生投切振荡的问题。以无功功率为控制量的无功补偿是建立在目标功率因数为1.0的基础上的，如果控制器的运行环境对功率因数的要求并不高的话，就需要重新设置投入门限与切除门限，将其设定为较大的值，这样不仅重新设定比较麻烦，而且将投入/切除门限增大后，投切精度与灵敏度就会降低。因此该系统中增加一参数:目标功率因数，将目标无功功率与实际无功功率之差作为无功补偿的控制量来进行投切。这样在不同的应用环境下，就只需要改变目标功率因数即可，在必要的情况下需要重新设置投入门限与切除门限。0图2-6 无功功率补偿示意图第三章 系统硬件设计第 三 章 系统硬件设计3.1 电子式无功功率自动补偿控制器电子式无功功率自动补偿控制器原理图如图3-1所示。主要具有以下方面的功能和问题。电源定时脉冲无功值运算无功显示相位显示cos额定调节相位检测电流检测电平比较投切控制供电系统电容器组过压保护图3-1 电子式无功功率自动补偿控制原理图3.1.1检测功率因素值的检测单元主要由相位检测电路和电流检测电路组成。用于检测电网中所减少的无功损耗，从而使系统决定无功补偿量的大小。相位判别检测电路：相位差就是电压超前或滞后电流的差值，在本设计中我们不但要测量出相位差的大小还要判断出电压超前还是滞后了，首先对相位差进行测量。输入两路同频率的正弦波信号，当两路信号的频率相同时，相角差=12是一个与时间无关的常数,将此两路正弦波信号经过放大整形成两路占空比为50%的正方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行,计数得Nc、Nb，则其相位差计算公式为=180Nc/Nb，采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。波形如下图所示:F1 F2 A B C图3-2 相位检测波形图相位极性判别电路: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超前U1时，Q端输出高电平，反之输出低电平，极性判别的原理图如3-3所示。D QCP OUTS“1”U0U1图3-3 相位判别电路相位检测和判别的接线图如图3-4所示：1&1&1&UI触发器信 号电压超前时相 位 差电流超前时相 位 差图3-4 相位检测和判别的接线图3.1.2 无功功率单元与电平比较单元将检测到的无功功率量的大小转换为电压值或电流值，该值与设定的参考值比较发出投入或切除电容器的控制信号。3.1.3 投切控制部分由电平比较单元产生的投切控制信号通过光电转换后进入单片机或其他控制器，启动相应的时序控制程序，控制器按照规定的程序步骤，发出晶闸管通断指令和接触器通断指令，该指令通过功率放大和光电隔离后，驱动晶闸管和交流接触器按预先设定的程序适时动作，确保安全可靠地对电容器进行投切操作。3.1.4过压保护部分当电网某相电压、欠压、欠流及谐波超限或电压不平稳超限时，快速切除补偿电容器、以免设备损坏。3.1.5存在的主要问题电子式无功功率自动补偿控制器在实际应用中存在不少问题，如容易受外界干扰及灰尘等因素影响出现故障；各部分控制功能因全由电子线路实现，器件多、过程复杂，难于快速准确找到故障点；当检测电路无功运算等电路出现故障时，缺少投切保护功能；当接触器或继电器粘连时，无法及时报警及保护等。3.2 PLC选型及模拟量扩展模块的选择设计本设计选用西门子s7-200CPU226作为控制主机，其主要技术参数和性能如下所示:表3-1 西门子s7-200CPU226技术参数描述 CPU 226 DC/DC/DC CPU 226 AC/DC/继电器 物理特性 尺寸 (W X H X D) 重量 功耗 196 x 80 x 62 mm 550 g 11 W 196 x 80 x 62 mm 660 g 17 W 存储器特性 程序存储器 在线程序编辑时 非在线程序编辑时 数据存储器 装备(超级电容) (可选电池) 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100小时/典型值(40C时最少70小时) 200天/典型值 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100小时/典型值(40C时最少70小时) 200天/典型值 I/O特性 本机数字量输入 本机数字量输出 本机模拟量输入 本机模拟量输出 数字I/O映象区 模拟I/O映象区 允许最大的扩展I/O模块 允许最大的智能模块 脉冲捕捉输入 高速计数器 总数 单相计数器 两相计数器 脉冲输出 24 输入 16 输出 无 无 256 (128输入/128输出) 64(32输入/32输出) 7个模块 7个模块 24 6个 6，每个30KHz 4，每个20KHz 2个20KHz(仅限于DC输出) 24 输入 16 输出 无 无 256 (128输入/128输出) 64(32输入/32输出) 7个模块 7个模块 24 6个 6，每个30KHz 4，每个20KHz 2个20KHz(仅限于DC输出) 常规特性 定时器总数 1ms 10ms 100ms 计数器总数 内部存储器位掉电保持 时间中断 边沿中断 模拟电位器 布尔量运算执行时间 时钟 卡件选项 256个 4个 16个 236个 256(由超级电容或电池备份) 256(由超级电容或电池备份) 112(存储在EEPROM) 2个1ms分辨率 4个上升沿和/或4个下降沿 2个8位分辨率 0.22s 内置 存储卡和电池卡 256个 4个 16个 236个 256(由超级电容或电池备份) 256(由超级电容或电池备份) 112(存储在EEPROM) 2个1ms分辨率 4个上升沿和/或4个下降沿 2个8位分辨率 0.22s 内置 存储卡和电池卡 集成的通信功能 图3-5 S7-200CPU226图3-6 CPU226 CN DC/DC/DC端子连线图用s7-200CPU226PLC实现的投切电路结构原理如图3-7所示，利用这样的线路结构，无功补偿补偿装置变得条理清晰，易于理解，并且在原自动投切、手动投切的基础上，利用PLC中CPU内部的日历时钟可以实现实时自动投切控制。当检测电路或模拟单元出现故障时，可以按实时时间自动投切。如果用户每天的工作大体一致，那么实测作出功率因数曲线后，可以不用模拟单元，只用图中虚线内的简单结构就可以实现自动投切。同时可以通过检测各接触器的状态作出相应的保护和报警输出。 PLC 模拟单元检测电路过压保护额定值调节 S7-200 PLC主机 I0.0 I0.1 I1.3 I1.4 I0.3I1.2 I0.2 Q0.00.7控制 Q0.1手动 Q1.1故障 投切接触器 自动控制 报警 手 自 手动 各接 实时 触器 自动 动 动 投切 状态 投切 图3-7 PLC实现的投切电路结构原理图模拟量输入接口模块：在工业控制中，经常会遇到连续变化的物理量模拟信号，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等等。如果要对这些模拟量进行采集并送给CPU模块，必须对这些模拟量进行摸/数（A/D）转换。才能使可编程器接收这些数据。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接收的数字信号6模拟量输入模块的功能就是进行模拟量到数字量的转换，一般都是将模拟量输入的采样值转换成二进制数，然后再把输入通道号及其它信号一起送到系统的内部总线上。模拟量输入模块有各种不同的类型，例如：010V、-5+5V、420mA 等各种范围的模块。不管何种类型，除了输入四路略有不同外，其他内部电路结构完全一样。有的系统用外加输入量程子模块来解决，可使得同一模拟量模块适应不同的输入范围。模拟量输入接口模块的主要技术性能有：（1） 输入通道数：4路、6路、8路等；（2） 输入信号：电压输入0+5V，电流信号420mA；（3） A/D转换位数：8位、10位、12位或14位（均为二进制）；（4） 转换精度：0.01%0.5%；（5） 线性度（满量程）：+0.05%（环境温度+25）；（6） 转换时间：小于50ms。 可以看出，位数越多，其分辨率越高对于有较高分辨率要求的模拟量。模拟量输入端的接线方式：可以连接电压信号也可以连接电流信号，具体接线方式如图3-8所示。其中，1）用带屏蔽的双绞线；2） 入端的输入阻抗；3） 输入端连接电流信号时，将v+端和I+端短接；4） 如果外部信号源有噪声或纹波干扰，则可以在输入端连接一个滤波电容，其容量为：0.10.47MF/25V。V+I+COMSLDV+I+COMSLD0 10V0 20mACH1CH4接地250500500250500500图3-8 模拟量输入端接线图当输入的模拟量是电压信号时，将电压信号分别连接到“V+”和“COM”端；当输入的模拟量是电流信号时，将电流信号分别连接到“I+”和“COM”端，并且用导线将该通道的“V+”和“I+”端连接起来。信号源与输入端之间采用带屏蔽的双绞线连接，屏蔽线连接到该通道的“SLD”。当输入的电压信号有噪声或纹波干扰，则可以在该通道的“V+”和“COM”端并联一个的0.10.47MF/25V电容。如果电磁干扰严重，则可以将各通道的“SLD”端与模块上的“GND”、“FG”端相连接，然后再与PLC的机架接地端连接在一起。PLC的CPU与模拟量输入模块之间的数据通信方式：部分PLC的I/O映像区中有专门的模拟量I/O映像区，允许连接的模拟量输入通道最多32个，这些模拟量输入经转换后的数字量先存放在该模块的缓冲寄存器内。在输入采用阶段，PLC的CPU就从模拟量输入模块的数据缓冲寄存器内将这些数字依次地读入到模拟量输入映像区中（即IR0001IR0032）。在用户程序编制时，直接使用IR0001IR0032作为操作数，就实现了对模拟量的处理。当用户程序需对模拟量输入进行处理时，由于经过转换后的数字量此时还存放在该模块的数据缓冲区中，因此，首先必须使用“FROM”指令将数据缓冲区中的数字量读入到PLC的数据缓冲区中的数字量读入到PLC的数据寄存器中，然后才能在用户程序中使用该数据寄存器作为操作数，实现对模拟量输入的处理。PLC的CPU与模拟量输入之间用“FROM”和“TO”指令传送数据或控制字等。3.3自动投切程序设计进行编程时根据不同的情况所需要的不同功能，把程序分为三个部分。报警输出有无继电器粘粘根据cos曲线编制投切程序3.3.1 实时自动投切流程YN N 图3-9 实时自动投切程序流程图报警输出有无继电器粘粘手动投切到 额定值3.3.2 手动投切自动流程YN图3-10 手动投切程序流程图3.3.3自动切换程序流程切一组投一组超过额定值一定时间？低于额定值一定时间？延时延时报警输出检测信号有无继电器粘粘故障？检测、过压、线路故障？cos=额定？图3-11 自动切换程序流程图3.4 投切方式的选择原则电容器组投切可采用手动方式或自动方式，具体由补偿的负载对象来决定。对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。第四章 系统软件设计第 四 章 系统软件设计控制器的软件是根据系统的功能要求而设计的。软件开发的第一步是需求分析，需求分析阶段需要与相关专业人士充分沟通，对现行业务进行详细调研，并在了解了调查的业务，明确了业务功能的基础上，书写需求分析报告。需求分析报告作为系统进一步分析与设计的重要依据，为下一步的总体设计及详细设计打下良好的基础。通过与用户的反复交流和对具体业务的充分调研，在全面而真实地掌握系统需求的基础上，用软件工程方法进行需求分析和系统设计，提出了新系统的逻辑模型，并制定了系统的体系结构和开发目标，明确了系统的功能要求。4.1系统软件综述控制程序采用模块化、结构化设计，层次分明，结构清楚。程序流程图如图4-1。检测模块随时采集用电系统的相角信息，然后和给定参数进行比较，如果不满足要求，及时投入或切除补偿电容器，保证用电系统的功率因数满足设定要求。(1)信号采集模块，信号采集模块的主要任务是采集电网的电压，电流信号。(2)电网参数计算模块，信号模块的主要任务是利用FFT算法对A/D转换器出来的数据进行计算，从而得到各项电网参数。(3)电容器的控制投切模块，该模块的主要任务是在自动投切模式下，根据计算所得的无功功率对电容器组的投切进行控制。 信号采集模块电网参数计算模块显示处理模块自动投切判断模块电容器切除模块开始显示模块控制投切模块系统初始化,从存储器中读出原始参数键盘模块图4-1 系统软件模块流程图 4.2信号采集模块信号采集模块的主要任务是依次采样电网的电压和电流信号。该模块的执行主要由AD转换中断和定时器2的定时中断来完成的。在本系统中，利用P，Q检测电路对电压和电流进行测量，将测量的结果输入到信号采集模块。P，Q检测电路如图4-2所示。P，Q计算电流互感器同步Q电压互感器5V10Kv图4-2 P，Q检测电路电压互感器所选型号为：JSJW-10。电流互感器所选型号为：LFZJ-10。4.3显示处理模块显示处理模块的主要任务是为显示模块的命令缓冲区和数据缓冲区送入合适的数据，以保证正常显示。显示一幅图像时，将每屏上要显示的数据分为两部分，包括固定的部分和变化的部分。因此显示处理模块就分为固定数据的输入和变化数据的输入两个部分。把每屏要显示数据的固定部分做成表格的形式存放到程序存储器中。显示处理中先根据页面号与组号从表格中取出固定部分数据放入数据缓冲区中，然后根据计算结果将变化的数据部分写入数据缓冲区。如果页面为参数设置画面，当一幅画面的显示处理完毕后，还需要将修改的参数位进行闪烁等处理。显示处理模块的程序框图如图4-3所示。开始闪动标志是否为1将命令写入命令缓冲区将数据写入数据缓冲区显示动态数据显示完毕否参数设置页面否置位闪烁标志结束进入闪动位处理程序YYNYNN 图4-3显示处理模块程序框图4.4保护模块一、过压保护动作条件：1、在自动控制状态下；。2、电压设定上限时；3、延时时间T(设定参数)后，检测电压仍过压则每隔0.5秒切除一组电容器；4、动作回差6V:即过压保护动作后，开放控制输出回路的电压条件为低于一动作回差值。二、欠压保护动作条件:1、在自动控制状态下；2、电压设定上限U时；3、延时时间T(设定参数)后，检测电压仍欠压则每隔0.5秒切除一组电容器；4、无动作回差:欠压不能有回差，也就是一旦电压升到刚刚高于欠压值就要开始正常投。三、零电流保护动作条件:1、在自动控制状态下；2、电流为零时；3、每隔0.5秒切除一组电容器。 第五章 实验与总结第 五 章 实验与总结5.1实验原理本装置系统（SVG）的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。本装置系统采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，逆变主电路采用IGBT组成的H桥功率单元级联拓扑结构，并辅助以小容量储能元件。它由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，并且每个开关器件所承受的电压应力较小，不需要均压电路，可避免大dv/dt所导致的各种问题。因此这种逆变器可称为“完美无谐波”变流器。5.2主要功能 提高线路输电稳定性在长距离输电线路上安装SVG装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功损耗，抬高线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下提供及时的无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。 维持受电端电压，加强系统电压稳定性对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的稳定事故。而SVG具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。 补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗电力系统中的大量负荷，如异步电动机、电弧炉、轧机以及大容量的整流设备等，在运行中需要大量的无功；同时，输配电网络中的变压器、线路阻抗等也会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。对电力系统而言，负荷的低功率因数会增加供电线路的能量损耗和电压降落，降低了电压质量。同时，无功也会导致发电、输电、供电设备的利用率降低；对于电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，加大生产成本。 抑制电压波动和闪变电压波动和闪变主要是负荷的急剧变化引起的。负荷的急剧变化会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，剧烈波动的电流使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压闪变。引起电压闪变的典型负荷有电弧炉、轧钢机、电力机车等。SVG能够快速地提供变化的无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象。目前，抑制电压波动和闪变的最佳方案是采用SVG。 抑制三相不平衡配电网中存在着大量的三相不平衡负载，典型的如电力机车牵引负荷和交流电弧炉等。同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡也会导致电压不平衡问题的产生。SVG能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。本装置执行标准: GB/T 3797-2005 电控设备第二部分，装有电子器件的电控设备；GB/T 3859.1-1993 半导体变流器 基本要求的规定；GB/T 3859.2-1993 半导体变流器 应用条