基于plc的无功补偿装置.docx
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基于plc的无功补偿装置
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=UNIN。
因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为：
P=UIcosφ
当负载的功率因数cosφ=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cosφ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cosφ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，cosφ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cosφ。
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cosa提升至cosa1，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110kV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：
0.1～0.15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：
0.2～0.3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cosφ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100～200kvar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<平均无功负荷的2/3并且在同一线路时，那么就应该要求其产生的无功不倒送。
为了防范于未然也可以安装固定的补偿装置用来确定补偿容量。
并且当线路产生较大的无功负荷点时，则必须参考无功负荷点的大小以及距离起始端的距离远近。
3、低压用户设备
对于较为低压的用户以及用电设备来说，我们可以按0.9～1.5倍电动机产生的空载无功功率来进行取值并且计算，从而确实补偿的机制以及容量的大小。
在对电动机进行无功补偿时，要注意会产生高次谐波，用电容器进行无功补偿，应先进行谐波测试与分析，以便采取相应的技术措施，最大程度的防止谐波危害发生。
4、配电变压器低压补偿
对于配电变压器的低压补偿容量可以按照0.1～0.15倍配电变压器额定容量取值并且计算。
这样也可以补偿变压器本身的无功需求的同时还防止了一些事故的产生。
比如较为严重的就是无功的倒送现象。
通过以上原则来确定的话，可以在很大程度上防止此类事情的发生实现无功就地平衡。
总而言之无功补偿装置的选择要考虑的因素非常多，要结合理论还是实际综合的参考，并且要最终的目的要达到绿色节能的效果最佳。
2.4功率因数
功率因素的应用十分广泛。
并且在实际存在系统中或者负载负荷时候往往并不是单一的纯感性、纯容性抑或是纯阻性，而是三者之间两两组合相互寄存的。
这种方式的感性和阻性负载的U和I的之间的相量存在着一些的相位偏差，这种偏差产生的角度的余弦值
称为功率因数。
它的值是有功功率与视在功率之比。
三相功率因数的计算公式为：
式中：
—功率因数
P—有功功率，kW
Q—无功功率，kvar
S—视在功率，kVA
功率因数被分为加权平均功率因数、瞬时功率因数和三自然功率因数种形式。
在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。
那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。
非正弦电路的功率因数：
P=UI
Q=UI
S=UI
此时非正弦电路功率因数为：
式中：
—基波功率因数
—基波电流
I—总电流
由以上的公式我们可以分析出：
功率因数是通过具有基波形式的I进行相移和其波形产生畸变的原由来决定的。
但是总电流由三个分量组合而成，分别是具有基波的有功电流、具有基波的无功电流以及具有谐波的电流。
2.5无功补偿定义
电力系统中，不但有功功率需要平衡以外无功功率也要平衡。
其中有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图2.2所示：
图2.2视在功率，有功功率和无功功率之间的关系
通过以上的式子可以cos
=P/S得知，在P的数值一定的情况下，cos
的值就越小，通过反比可以得知需要的无功功率则越大。
由于要满足用电的要求，所以供电线路和变压器的容量就需要增加。
所以，不仅要增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。
在日常的运作当中，我们为了提升系统正常的运行，通过对电网中的Q的不同的种类分析，从而人工对的无功功率补偿，其主要是容性。
感性的无功的话通常被用来抵消线路的无功功率，至此便可达到系统平衡的要求。
2.6无功补偿的作用
其作用最主要就是提高
，以便从减少设备的投资及大小。
从而可以相应的减小功率能量的耗损、以及对系统的稳定性起了很大的作用。
主要的方法是安装电容器并且将它们并联，进行无功补偿。
通过这样的方法可以限制Q在电力系统中的远距离长时间的传送，减少可相关能量的损耗。
如果能够在长距离输电时用以提高输电线路稳定性和能力的大小以及对于平衡三相负载的P和Q，这样便可以提高了配电网的电压质量。
1、提高变压器的利用率，减少设备方面的费用。
功率因数由
提高到
提高变压器利用率为：
通过以上可以知道，ΔS%的提高反映了补偿前后的差异，并且能够负担更为广泛的负荷，从而减少了电设备的投资。
2、提高电压质量
为了提高电压的之类的话，往往可以将中电流归类为两种。
一种是有功电流Ia另外一种是无功电流Ir，这样以来的话，线路中的电压损失可以表达为：
式中：
P—有功功率，kW
Q—无功功率，kvar
U—额定电压，kV
R—线路总电阻，Ω
Xl—线路感抗，Ω
由此可见，功率因数提高以后能够降低线路上传输的无功功率Q，若保持有功功率不变，则R、Xl均为定值，相应的无功功率Q减小，达到电压损失降低，从而提高了电压质量。
3、提高电力网传输能力
有功功率P与视在功率S的关系式为：
P=S
由此而知，在输送的有功功率的在一定稳定的条件下，
越高，那么系统中需要线路传输的功率反而越小。
2.7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两部分；一是有功功率，二是无功功率。
直观上来说直接消耗电能之后，再进行一次能量的转变等一些其他的能量之后，利用转变之后的能量来进行有效的作功，我们可以把这些能量称为有功功率；
即使不能消耗电能，但是作为电气用电设备能够作功的必须的因素，并且这种能量是在广泛的存在电网中同时也是可以于其他形式的能量进行周期性转换，这部分功率称为无功功率。
电流存在于电感元件中，往往在其作功时，I要滞后于U为90°。
而电流在电容元件中作功时，I要超前U为90°。
在同一电路中，电感电流和电容电流方向相反，相互差180°。
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。
如果我们要弥补之间的差别的话，采取的措施便是加装电容元件，使感性的无功和容性的无功相互抵消，从而达到I的矢量和U矢量之间想差的角度缩小，详细的如图2.3所示。
（c）向量图（过补偿）
图2.3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
由图（b）向量图可知，在通过采取并联电容措施之后供电回路的
提高了，即U与I的相位差变小了。
此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。
由向量图如（c）所示的是I的相位反而超前于U的相位，这样我们把它称为过补偿。
通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会：
1、引起变压器的二次侧电压的升高，影响使用的周期；
2、容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗；
第3章硬件设计
本次的设计我主要在一下几个部分来进行深入的探讨和分析，主要是装置的控制面板、相位检测判别电路、互感器的简介、三菱Fx2N-4AD模块、PLC核心CPU简单介绍、手持编程器、无功投切装置等。
下面我将逐一的进行具体分析。
3.1装置的控制面板
控制面板虽然看似很简单不重要，但是它却起着很大的作用，所以对它的设计要简洁清晰，易于操作，并且所具备功能都能齐全。
根据设计的功能需要它大体需要有以下几个功能：
1、对当前电流电压及功率因数的显示
2、对当前系统投切的状态进行显示。
3、对理想
的范围设置。
以下是我设计的控制面板如图3.1所示：
3
上限下限
0．1
0．01
4
1
1
Φ
I
V
2
5
2
3
—
+
6
4
—
+
7
图3.1控制面板的外观图
图中编号注释：
（1）外壳：
控制面板的主容器。
（2）电容器投切状态的显示：
1表示第一组电容器，如亮红色表示切入。
2、3、4同上
（3）电网状态的LED显示：
分别显示当前电压、当前电流、当前功率因数值；
（4）3个按钮：
对于切换位置的改变实施动态的显示，V显示的是此刻的电压值，同样的I显示的是此刻的电流值，φ为当前功率因数的显示；
（5）2个按钮：
将LED显示切换到预设功率因子状态，分别预设功率因数上限值和下限值；
（6）2个按钮：
用于设定功率因数的操作键，“+”代表功率因子加“0.1”，“—”代表功率因子减“0.1”；
（7）2个按钮：
这些按钮是用来方便对
设置的操作键，“+”为增加“0.01”，而“—”为相应的减少“0.01”。
3.2判别相位的检测电路
1、相位检测的方案设计
相位差就是电压超前或滞后电流的差值，在本设计中不但要测出相位差的大小还要判断出电压超前还是滞后，所以要首先对相位差进行测量设计。
本次我们设计的主要方面着重在检测相位以及检测电流的电路组成，通过对于无功的损耗的减少量的大小，达到系统智能侦测到是否要对其无功补偿的量的投切。
相位判别检测电路：
电路中的两路信号产生的正弦波脉冲的时候，若两者的信号的f相同时，即
θ=φ1—φ2
这是一个常数，它的数值与时间没有相联系。
将此两路正弦波的信号再经过放大整形成正方波信号两路占空比为百分之五十的f1、f2，通过异或门输出一个产生脉冲序列a，这时它与晶振之间基准脉冲波b进行调制后的得到波形c。
在通过限定的时间范围内对b、c中脉冲的个数进行计数得Nc、Nb。
相应的相位差计算表达式为：
Θ=180°Nc/Nb
我们可以采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。
其相关的波形如下图3.5所示：
F1
F2
A
B
C
图3.5相位检测波形图
2、相位极性判别电路
通过对波形进行一系列的整形的之后，对两路输出方波送入D触发器随后便对其相位极性进行判别，如若U0超前U1时，Q端输出高电平，反之则输出低电平。
极性判别的原理图如3.6所示。
图3.6相位判别电路
相位检测和判别的接线图如图3.7所示：
电流超前时
相位差
图3.7相位检测和判别的接线图
3.3互感器
我们熟知的互感器是实际上也是一种变压器，它的用途十分广泛。
例如说我们的供电系统中测量用的相关仪表以及相关设备的电压线圈或电流线圈的供电。
主要的作用：
（1）能够在一次回路的电压较高或者电流较大的转换成二次回路中的电压较低的和小电流，这样的设计会使的相应的一些装置设备能够模块化以及小型化。
结构轻巧、价格便宜，并便于安装。
（2）隔离高压电路。
顾名思义就是将高压的电路完全隔离，互感器的一次侧和二次侧之间没有电的联系，只有磁的联系。
在很大程度上面确保了生命财产的安全。
3.3.1电流互感器
在之前，仪表的显示大部分采用的方式是指针式的I/U表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的（如5A等）。
现在的测量大多数字化了，所以计算机的采样的信号一般为毫安级（0~5V、4~20mA等）。
其主要的原理如图3.8所示：
被测量回路
n1电
流
互
感
n2器
图3.8电流互感器原理线路图
电流互感器是根据电磁感应原理工作。
通过原理图可以知道绕组N1连接的称作被测电流，相应的便是一次绕组；此外绕组N2连接的则是测量仪表，相应的为二次绕组。
我们规定了在额定工作电流下工作时的电流的比值成为电流互感器额定电流比，可以以Kn来表示。
实际电流比K的概念就是在电流互感器中的一次绕组电流I1和二次绕组I2的电流比。
Kn=IN1
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