基于三菱plc的电力系统无功补偿设计.docx

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基于三菱plc的电力系统无功补偿设计

基于PLC的电力系统无功补偿系统

设计

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。

本设计主要功能是可检测出当前电网的电流电压并可显示，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。

本设计中我们的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。

电压超上限调制变压器分接头降低电压，电压超下限调制变压器分接头升高电压。

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。

关键词：

电力系统；功率因数；无功补偿；九区图；PLC

引言

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。

在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。

无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的降损节能措施。

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。

可编程控制器（PLC）是以计算机技术核心的通用工业自动化装置。

它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。

被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。

本设计主要就是利用三菱Fx系列PLC在电力系统无功补偿中的应用。

并对整个系统的特点、工作原理、系统配置及程序设计作了详细的说明。

本书共分三章，内容包括方案比较及本设计总体方案、硬件部分设计和软件部分的设计。

因作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请读者批评指正。

第1章绪论

随着科技的不断发展，人民生活水平的不断提高，用户对电力电压质量的要求变得越来越高。

电压质量是衡量电力系统电能质量的重要指针之一，其好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。

这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣问题，而且还直接影响电网的安全、经济运行。

若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。

随着电网容量的不断增加，对电网无功功率的要求也与日增加。

因此，还需考虑网络的功率因子和电压，因为电网功率因子和电压的降低会使电气设备得不到充分利用，从而降低电网的传输能力，并引起损耗增加。

因此，确定10KV配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；对降损节能，提高电力企业的经济效益有着重要的意义。

1.1方案比较及本设计总体方案

1.1.1电力系统传统的智能控制方案

配网自动化系统主要由主站、远方终端单元（RTU）、线路传感器、远方控制SF6或真空开关、通信电缆等五个部分组成。

其中RTU可以自动采集各种开关状态量（遥信）、模拟量（遥测），并经专用信道传递到监控中心的主站系统；有的RTU还可以按监控人员的意图和指令执行特定的遥控操作，并将操作结果返送监控中心主站系统。

目前RTU存在两种实现方案，直流采样方案和交流采样方案，其中交流采样方案比直流采样方案可靠性要高。

这种类型的RTU装置直接使用A／D转换组件对交流电量进行采集计算，无需变送器之类的转换设备，但需要快速的数字处理单元进行配合，以对采集到的数据进行分析、综合。

它不仅可以反映电量的瞬时变化，而且可以进行谐波分析，计算频率，简单地实现电能量总加功能。

它们多使用微型计算机（如8X86等）配合多个单片机（如8051、8098等）、并加上大量的A／D转换电路，来实现开关量、模拟量的采集。

a）系统的RTU在功能上偏重遥信、遥测，而且中低压配电网的自动化对象（开关房、开闭所和配电房）数目繁多，开关操作频繁，更注重遥信、遥控功能。

b）中低压配电网的自动化对象遍布城市、农村等各种不同环境，被不同层次的用电管理人员（包括农村电工）所操作。

更要求其具有安装灵活、易操作、免专业维护、抗恶劣环境等特点。

c）应用于中低压配电网的RTU，在功能上应该具有模块化结构，在硬件上要越简单、越可靠越好。

最好是同一套简单硬件，只要简单进行一下设置，就可以满足不同场合、不同规模的要求。

由此可见，有必要开发新型的、不同于传统结构的RTU，以适合中低压配电网自动化的特点和需要。

1.1.2中低压电网自动化PLC实现

可编程控器（PLC）技术经过几十年的发展，已经相当成熟。

其品种齐全，功能繁多，已被广泛应用于工业控制的各个领域。

用PLC来实现中低压配电网自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的特有的要求。

在国内市场，有来自许多著名厂家的PLC产品。

这些产品从简单到复杂，都自成系列，可以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（点数的多少可以依据应用情况增减）、模拟采样输入、时钟、通信等功能。

利用这类PLC的现成功能，可以方便地实现中低压配电网自动化的RTU功能。

使用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的通信功能来实现和主机的通信。

完成这些功能，都无需额外的硬件，只需根据开关房的实际情况，对PLC进行简单编程即可。

不仅如此，利用PLC的模拟输出功能，甚至还可以实现配电网的遥调。

例如调节调压变压器的变比，调节静止无功补偿设备的电压、电流相角等。

我们还是拿RTU用PLC对电网自动化的实现，来说明PLC跟传统方案的区别。

这种基于PLC的中低压电网自动化的RTU实现方案，完全可以满足中低压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；规模可大可小，只需将PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；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。

PLC方案在具体设计时，包括以下几个步骤：

a）获取操作点数。

了解电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，信号的具体点数。

b）确定通信方案。

根据电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。

c）PLC选型。

根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC来实现RTU功能。

PLC是否具有模块化结构和组态能力，是否能够灵活、经济地组成输入点、输出点、测量点（A／D）、调节点（D／A）的规模可变系统，是选择PLC型号的另一个主要考虑因素。

目前，很多厂家的产品，都可以满足通信以及模块化的要求。

例如，SIEMENS系列，三菱系列，松下的较高级别的PLC系列等。

根据具体情况，在一个配网自动化工程中，整个配电网系统可以选用同一个厂家的PLC，本文阐述的“基于PLC的电力系统无功补偿系统”将选用的就是三菱系列，并用三菱的Fx进行软件设计和指令的编写。

1.2本设计的总体方案

本次设计为无功补偿器的控制系统。

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容性无功进行吸收；当电流相对落后电压相位时，表示系统是感性的，应投入电容器提供无功。

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点感器

使电流和电压之间的相位尽量可能的相同，也就是使功率因子cosφ≈1。

电流和电压的相位差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，脉冲的数目随之变化，可以利用计数模块对脉冲进行计数。

相位的超前和滞后，也通过外电路转换为一电平信号，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去控制输出口，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。

整体的框架图如下：

图1-1无功补偿控制系统的框架图

补偿的基本原理分析如下：

由于配电网中大多数为感性用户。

所有电感负载均需要补偿适量的无功功率，提供这些无功功率主要有两条途径：

一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。

如果由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。

而配电网中装设补偿电容器提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低电网无功损耗，提高系统的传输功率，达到提高系统电压和降损节能的目的。

（图1-2无功功率补偿原理图）

如图所示：

P1=S1COSφ1

P2=S2COSφ2

因为φ1＝φ2＋φc且φ1＞φ2

因此，为了保证有功功率P1=P2不变，必须装设补偿容量为φC的无功的电容补偿装置。

式中：

COSφ1——改善前的功率因子

COSφ2——改善后的功率因子

S1——功率因子改善前的视在功率

S2——功率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

本次设计我们主要分八个部分来进行分析，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、PLC的CPU模块、LED显示电路、编程器、无功投切装置等。

下面分别进行具体分析。

2.1控制面板

控制面板的设计很重要，它不但要求简洁明了，操作方便，还要求功能齐全。

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子的显示

2.对当前投切状态的显示。

3.对理想功率因子的范围设置。

以下是我设计的控制面板：

图２－１　控制面板外观图

图中编号注释：

1.外壳：

控制面板主容器。

2.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Φ。

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。

2.2互感器

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气隔离作用。

2.2.1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。

图２－２电流互感器原理接线图

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。

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

CT07-5/2.5W

5A/2.5mA

＜0.1%

＜5'

0A～15A

负载电阻

隔离耐压

使用温度

贮存温度

相对湿度

≤500Ω

＞2500Vac

50℃～85℃

60℃～95℃＜95%

＞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。

2.2.2电压互感器

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。

图2-3电压互感器原理接线图

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:

1mA/1mA2mA/2mA产品优点精度高,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-2/2

2mA/2mA

＜0.1%

＜5'

0～10mA

负载电阻

隔离耐压

使用温度

贮存温度

相对湿度

≤500Ω

＞2500Vac

50℃～65℃

60℃～80℃

＜90%

额定输入电压

额定输出电压

串联电阻后30V～1000V

50mV～8V（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：

图2-4互感器与运放的连接电路图

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，当两路信号的频率相同时，相角差θ=φ1—φ2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θ=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:

图2-5相位检测波形图

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：

图2-6计数器编程梯形图

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2-7所示。

2.4主要模块介绍

2.4.1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：

0～10V、-10～+10V、4～20mA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。

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4～20mA；

（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50～500℃，经温度传感器将其变换成一个电压信号，相应变化范围为1～5V，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）

50

1

0

0

0

……

……

……

……

……

500

5

1023

4095

16383

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200Ω）绝对最大输入±15

DC：

-20mA～+20mA（输入电阻250Ω）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）

20μA（20V×1/1000）

综合精度

±1%（相对于最大值）

转换速度

15mS×（1～4）通道（高速转换方式时在版本V2.00以下时为6mS×（1～4）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）

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5V30mA

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2-9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：

0.1~0.47MF/25V。

图2-9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0.1~0.47MF/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IR0001~IR0032）。

在用户程序编制时，直接使用IR0001~IR0032作为操作数，就实现了对模拟量的处理。

也有部分PLC的I/O映像区不设专门的模拟量I/O映像区。

例如日本三菱的PLC，它没有模拟量I/O映像区，尽管该公司的模拟量输入模块也占用一定数据的开关量输入/输出点数，但这些输入/输出点数不是用于存放经转换后的数字量，而只是用于存放一些控制信息的。

这些控制信息是该模块与PLC的CPU间进行通信所必需的。

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，如图2-10所示。

图2-10PLC与模拟量输入扩展模块之间的数据通信

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。

2.4.2中央处理器模块（CPU）

CPU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