基于三菱plc的电力系统无功补偿设计

1、摘 要无功功率补偿装置在电力系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。 电力系统；功率因数；目录摘 要I引 言1第1章 绪 论21.1 方案比较及本设计总体方案21.1.1 电力系统传统的智能控制方案21.1.2 中低压电网自动化PLC实现31.2 本设计的总体方案3第2章 硬件部分的设计62.1 控制面板62.2 互感器72.2.1 电流互感器72.2.2 电压互感器82.3 相位判别检测电路10

2、2.4 主要模块介绍122.4.1 模拟量输入接口模块：122.4.2 中央处理器模块(CPU)152.5 无功补偿装置17第3章 软件部分的设计193.1 投切部分的软件设计193.2 A/D转换213.3 各部分的梯形图与程序213.4 程序仿真243.4.1 GX Developer简介243.4.2 仿真结果25结论和展望28参考文献29致 谢30引 言第1章 绪 论图1-1 无功补偿控制系统的框架图因此，为了保证有功功率P1 = P2不变，必须装设补偿容量为C的无功的电容补偿装置。 式中：COS1 改善前的功率因子 COS2 改善后的功率因子 S1功率因子改善前的视在功率 S2 功率

3、因子改善后的视在功率图1-2 无功功率补偿原理图第2章 硬件部分的设计图控制面板外观图图中编号注释：1. 外壳：控制面板主容器。2. 电网状态及设置上限下限值LED显示。3. 选择显示电网状态。4. 选择设置上限、下限值。5. 选择显示或设置电压值V，电流值I，功率因数值。6. 选择设置上限或下限值。7. 数字键盘，键入上限、下限值。8. 电容器投切状态显示：1表示第一组电容器，如亮红色表示投如，绿色表示切除，2、3同上。在供电用电的线路中电流电压大大小小相差悬殊从几安到几万安都有。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。互感器就起到变流和电

4、气隔离作用。 电流互感器 较早前，显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A等）。现在的电量测量大多数字化，而计算机的采样的信号一般为毫安级（0-5V、4-20mA等）。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要起大互感器与采样之间的桥梁作用。电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作,变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流罢了。如图绕组N1接被测电流，称为一次绕组（或原边绕组、初级绕组）；绕组N2接测量仪表，称为二次绕组（或副边绕组、次级绕组）。电流互感器一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比，叫实际电流比K。电流互感器在额定工作电流下工作时的电流

5、比叫电流互感器额定电流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n电流互感器大致可分为两类，测量用电流互感器和保护用电流互感器。 测量用电流互感器: 测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来测量电流、电压、功率等。测量用微型电流互感器主要要求：1、绝缘可靠，2、足够高的测量精度，3、当被测线路发生故障出现的大电流时互感器应在适当的量程内饱和（如500%的额定电流）以保护测量仪表。 保护用电流互感器:保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器

6、只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。保护用互感器主要要求：1、绝缘可靠，2、足够大的准确限值系数，3、足够的热稳定性和动稳定性。保护用互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定准确限值一次电流。准确限值系数就是额定准确限值一次电流与额定一次电流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5P、10P，表示在额定准确限值一次电流时的允许误差5%、10%。 保护用电流互感器分为：1、过负荷保护电流互感器，2、差动保护电流互感器，3、接地保护电流互感器（零序电流互感器）。我选用的为CT07型电流互感器。

7、该电流互感器用PBT外壳，耐高温，耐腐蚀； 环氧树脂灌封，隔离性能好，抗冲击性强； 体积小，外形美观，插针式直接焊接线路板； 线性范围宽，一致性好。具体参数如下：型 号I/O非线性度相移RL=0（补偿后）线性范围CT07-5/2.5W5A/2.5mA0.1%5'0A15A负载电阻隔离耐压使用温度贮存温度相对湿度5002500Vac5085609595%2500Vac产品特点：1、PBT外壳，耐高温，耐腐蚀；2、环氧树脂灌封，隔离性能好，抗冲击性强；3、体积小，外形美观，插针式直接焊接线路板；4、线性范围宽，一致性好。 电压互感器,由于尺寸工艺原因通常采用电流型的电压互感器。实际上就是额

8、定电流比为1，一次二次电流都是毫安级的电流互感器（如：2mA/2mA），它的分类也和电流互感器一样，分为测量用电压互感器，保护用电压互感器。工作时，互感器一次绕组与限流电阻R串联接被测电压，二次输出接运放进行I/V变换（或直接电阻采样）。此时一次电流为I1=U/（R+r），二次电流I2=I1/Kn，其中r为一次绕组内阻，Kn为额定电流比。我选用的为PT01-1 电压互感器。该电压互感器输出电压：0.1V （100欧负载） 使用时初级需加限流电阻,让初级电流变为毫安级电流，次级通过运放能得到任意电压。使用方便，完全电隔。属电流型电压互感器电流比: 1 mA/1mA 2mA/2mA 产品优点 精度

9、高,0.1级 体积小 电隔离,耐压可达2500V。具体参数如下：型 号I/O非线性度相移RL=0（补偿后）线性范围PT01C-2/22mA /2mA0.1%5'010mA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）智能式高压开关在本设计中电压互感器将与运放电路连在一起，具体电路图如下图所示：2.3 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

10、，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=180°·Nc/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:我们通过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：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

11、，Q端输出高电平，反之输出低电平，极性判别的原理图如2-7所示。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、-10+10V、420mA 等各种范围的模块。 不管何种类型，除了

12、输入四路略有不同外，其他内部电路结构完全一样。因此，有的系统用外加输入 量程子模块来解决这个问题，就可使得同一模拟量模块适应各种不同的输入范围。 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、8路、和6路等； （2） 输入信号：电压输入-10+10V、+0+10V、+1+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50mA。 例如： 一个温度信号其变化范围为50500，经温度传感器将其变换成一个电压

13、信号，相应变化范围为15V，连接到三个不同的模拟量输入模块的接线端 。若这三个模块采用的模数转换位数分别为10位、12位、14位，它们的温度、电压、数据之间的关系如下表：温度（）电压(V)数据(10位)数据（12位）数据（14位）50100050051023409516383当采用10位的模拟量输入模块进行模数转换时： 温度分辨率=（500-50）/1023=0.44（） 电压分辨率=（5-1）/1023=0.0039（V）=3.9（mV） 当采用12位的模拟量输入摸块进行模数转换时： 温度分辨率=（500-50）/4095=0.11（） 电压分辨率=（5-1）/4095=0.8（mV） 当采

14、用14位的模拟量输入摸块进行模数转换时： 温度分辨率=（500-50）/16383=0.027（） 电压分辨率=（5-1）/16383=0.24（mV） 由此例可以看出，位数越多，其分辨率越高对于有较高分辨率要求的模拟量，要选用位数较多的模拟量模块。 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：电压输入电流输入根据是电

15、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（10V×1/2000）20A（20V×1/1000）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

16、（各输入端子间不隔离）模拟量用电源DC：24V±10%50mA输入输出占有点数程序上为8点（计输入或输出点均可）由PLC供电的消耗功率为5V30mACPU模块：CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数

17、据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 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

18、，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 输入、输出均为16点。三菱Fx2N系列产品规格概要：项目规格概要电源·输入输出电源规格AC电源型： 100V240V DC 电源型：DC24V耗电量ACAC电源型：30VA（16M），40VA（32M），50VA（48M），60VA（64M），70VA（80M），100VA（128M）DC电源型：25W（32M），30W（48M），35W（64M），40W（80M）冲击电流AC电源型：最大40A 5ms 以下/AC100V，最

19、大60A5ms 以下/AC200V24V供电电源AC电源型：250mA 以下（16M,32M）460mA 以下（48M，64M，80M，128M）输入规格DC输入型：DC24V7mA/5mA 无电压触点、或者NPN 开集电极晶体管输入_AC 输入型：AC100120V AC 电压输入输出规格继电器输出型：2A/1点、8A/4 点COM 8A/8 点COM AC250V，DC30V 以下晶体管输出型：0.5A/1点(Y000、Y001为0.3A/1 点)、0.8A/4 点COM DC5VDC30V晶闸管输出：0.3A/1点，0.8A/4点公共，AC85 242V输入输出扩展可连接FX2N系列用的

20、扩展模块以及FX2N 系列用的扩展单元。性能程序内存内置8，000 步RAM( 电池支持)、注释输入、可RUN 中写入；安装有存储盒时最大可扩展到16000 步时钟功能内置实时时钟(有时间设定指令、时间比较指令，具有闰年修正功能)指令本指令27个、步进梯形图指令2个、应用指令132种运算处理速度基本指令：0.08s/指令，应用指令：1.52高速处理有输入输出刷新指令、输入滤波调整指令、输入中断功能、定时中断功能、计数中断功能、脉冲捕捉功能最大输入输出点数256点辅助继电器、定时器辅助继电器：3，072点、定时器：256点计数器一般用16位增计数器：200 点，一般用32位增减计数器：35点高速

21、用32 位增计数·减计数器：1 相60kHz/2 点、10kHz/4 点 2 相30kHz/1 点、5kHz/1 点数据寄存器一般用8,000 点、变址用16 点、文件用在程序区域中最多可设定到7,000 点其他模拟电位器通过FX2N-8AV-BD 型的功能扩展板，可扩展8点功能扩展板可以安装FX2N-BD 型功能扩展板特殊适配器可以通过FX2N-CNV-BD 连接特殊扩展可连接FX0N、FX2N 系列的特殊单元以及特殊模块。显示模块可外装FX-10DM（也可以直接连接GOT，ET 系列人机界面）对应数据通信对应数据链接RS-232C、RS-485、RS-422、N:N 网络、并联链

22、接、计算机链接CC-Link、CC-Link/LT、MELSEC-I/O 链接外围设备的机型选择选择FX2N(C)或FX2(C)。但是选择FX2(C)时使用有限制2.5 无功补偿装置控制无功补偿和电压优化的规则是以全网网损尽量小、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。第3章 软件部分的设计其中A/D转换的编程梯形图为：求功率因数的梯形图（即COS）如下

23、图所示：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。计算实际测量的无功功率值的梯形图如下所示：需要补偿的无功功率值的梯形图如下所示：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。 其中，D52存电压上限值，D54存电压上限值。M3控制升压指令，M4保持电压不变，M5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。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

24、容器的投切，其余三组电容器的大小分别为100KV·A、200KV·A、300KV·A。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A，附图A-1。通过将所需切除的电容值与200KV·A、300 KV·A、400 KV·A、500 KV·A、600 KV·A、700 KV·A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分别控制当无功功率大于上限值，辅助继电器M2接通，如此控制电容器组切除的指令见附录A，附图A-2。

25、通过将所需投入的电容值与200KV·A、300 KV·A、400 KV·A、500 KV·A、600 KV·A、700 KV·A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。辅助继电器M6、M7、M8分别控制3.4 程序仿真 GX Developer简介GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程

26、序功能。GX Developer特点：1. 软件的共通化 GX Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU）,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。 此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。 2. 利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。3. 程序的标准化(1) 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。(

27、2) 功能块（以下，略称作FB） FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。(3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。4. 能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。5. 能够用各种方法和可编程控制器CPU连接(1) 经由串行通讯口(2) 经由USB(3) 经由MELSECNET/

28、10(H)计算机插板(4) 经由MELSECNET()计算机插板(5) 经由CC-Link计算机插板(6) 经由Ethernet计算机插板(7) 经由CPU计算机插板(8) 经由AF计算机插板6. 丰富的调试功能(1) 由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。 (a) 没有必要再和可编程控制器连接。 (b) 没有必要制作条使用的顺序程序。(2) 在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。(3) 数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能

29、够大幅度缩短。GX Simulator 6cn是GX Developer的一款仿真插件，安装后可在GX Developer内进行仿真，校验程序。 仿真结果该程序仿真时用到的输入X、输出Y、辅助继电器M、寄存器D如下表：图3-12 辅助继电器M监视图3-13 输出Y监视结论和展望通过本次设计让我进一步了解无功功率和PLC编程的基本知识，并且能独立的设计和编辑电路图和程序，还让我初步懂得怎样用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。本设计当中我们将具体介绍一种自动无功补偿装置，它将用可编程控制器来实现。实现无功功率自动补偿，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。 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