PLC在無功補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)償控制中應(yīng)用技術(shù)

PLC在無功補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)償控制中應(yīng)用摘要：正對(duì)電子式無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器可靠性差、線路復(fù)雜等問題、提出用可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)可靠性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并方便實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。關(guān)鍵字：補(bǔ)償；可編程控制器；投切；控制引言近年來,我國(guó)電力裝機(jī)容量速度增加,大大緩解了供電緊張的局面。隨著供電量的增加,系統(tǒng)線損也將增大。據(jù)統(tǒng)計(jì),電力系統(tǒng)的無功功率損耗最多可達(dá)總發(fā)電容量的20%~30%,也就是說大約1/4的發(fā)電容量都將用來抵消輸配電過程中的功率損耗。所以功率因數(shù)越低,對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行越不利,主要原因有如下兩方面:1） 發(fā)電機(jī)、變壓器的額定視在功率為S=UI,它代表設(shè)備的額定容量，在數(shù)值上等于允許發(fā)出的最大功率。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在額定工作狀態(tài)下發(fā)出的有功功率為p=uicose當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)cose=1時(shí),P=S,其容量得到了充分利用。當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)cose<1時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓和電流又不容許超過額定值，顯然，這時(shí)發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的有功功率較小，而無功功率則較大。無功功率越大,電路與電源之間能量交換的規(guī)模越大,發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量得不到充分利用。同時(shí),與發(fā)電機(jī)配套的原動(dòng)機(jī)及變壓器等設(shè)備也不能充分利用。2） 在電壓一定的情況下,對(duì)負(fù)載輸送一定的有功功率時(shí),功率因數(shù)愈低,輸電線路的電流就愈大。不僅增大線路上的壓降,同時(shí)也加大了線路上的功率損耗。由此可見,提高電網(wǎng)的功率因數(shù)即無功補(bǔ)償,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著極為重要的意義。第一章緒論無功補(bǔ)償概述無功補(bǔ)償?shù)幕驹碛捎谂潆娋W(wǎng)中大多數(shù)為感性用戶。所有電感負(fù)載均需要補(bǔ)償適量的無功功率，提供這些無功功率主要有兩條途徑：一是輸電系統(tǒng)提供；二是補(bǔ)償電容器提供。如果由輸電系統(tǒng)傳輸無功功率，將造成輸電線路及變壓器損耗的增加，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。而配電網(wǎng)中裝設(shè)補(bǔ)償電容器提供無功功率，就可以避免由輸電系統(tǒng)傳輸無功功率，從而降低電網(wǎng)無功損耗，提高系統(tǒng)的傳輸功率，達(dá)到提高系統(tǒng)電壓和降損節(jié)能的目的。如圖所示：Pl二S1C0SG1因?yàn)?l=e2+dc且dl>?2P2=S2COS?2因?yàn)閑i=?2+?c且?1>?2因此，為了保證有功功率Pl=P2不變，必須裝設(shè)補(bǔ)償容量為de的無功的電容補(bǔ)償裝置。式中COS^1-改善前的功率因子COSG2-改善后的功率因子S1-功率因子改善前視在功率S2-功率因子改善后視在功率圖1無功功率補(bǔ)償原理圖1.1.2無功補(bǔ)償?shù)淖饔靡弧?減少電力損失，一般工廠動(dòng)力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電力損耗約2%--3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。二、 改善供電品質(zhì)，提高功率因數(shù)，減少負(fù)載總電流及電壓降。于變壓器二次側(cè)加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側(cè)電壓。三、 延長(zhǎng)設(shè)備壽命。改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量負(fù)荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低10°C,壽命可延長(zhǎng)1倍）四、最終滿足電力系統(tǒng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測(cè)要求，消除因?yàn)楣β室驍?shù)過低而產(chǎn)生的罰款。1.1.3無功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)與發(fā)展前景靜止無功補(bǔ)償裝置（SVG）近年來獲得了很大的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于負(fù)載無功補(bǔ)償。其典型代表是固定電容器＋晶閘管控制電路控制電抗器（FixedCapacitor＋ThyristorControlledReactor——FC＋TCR）。晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitorTSC）也獲得了廣泛的應(yīng)用。靜止無功無功補(bǔ)償裝置的一個(gè)重要特性就是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率。這種連續(xù)調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)TCR中的晶閘管的觸發(fā)延遲角得以實(shí)現(xiàn)的°TSC只能分組投切，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，它只能和TCR配合使用，才能整體調(diào)整無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。由于具有連續(xù)調(diào)節(jié)的性能且響應(yīng)迅速，因此SVG可以對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點(diǎn)電壓接近維持不變.無功補(bǔ)償是無功補(bǔ)償電源的簡(jiǎn)稱，指為滿足電力網(wǎng)和負(fù)荷端電壓水平及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，必須在電力網(wǎng)內(nèi)和負(fù)荷端設(shè)置無功電源，如電容器、調(diào)相機(jī)等。無功補(bǔ)償?shù)呐渲脩?yīng)采取基本上就地平衡、分級(jí)補(bǔ)償和便于調(diào)整電壓的原則。在接近負(fù)荷端分散補(bǔ)償，可減少無功功率的輸送，從而降低損耗，減少壓降，有較好的經(jīng)濟(jì)效果；集中安裝在變電站內(nèi)，則便于控制操作，有利調(diào)整電壓。變電站安裝的無功補(bǔ)償設(shè)備容量，一般是以在高峰負(fù)荷時(shí)，其主變壓器的功率因數(shù)達(dá)到一定數(shù)值（如35?llOkV變電站達(dá)到0.9?0.95）來考慮的，其值根據(jù)計(jì)算確定。不同變電站，視需要和可能，可安裝調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電抗器、自動(dòng)分組投切的電容器組或靜止無功補(bǔ)償器等無功補(bǔ)償設(shè)備。有的送電線路也采用中間（串聯(lián)）電容補(bǔ)償。電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運(yùn)行過程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)等容性設(shè)備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無功功率小電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供無功功率。也即減少無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件。這種做法稱為無功補(bǔ)償。我國(guó)電容器無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展70年代初期,參照前蘇聯(lián)引進(jìn)的電容器無功補(bǔ)償裝置,我國(guó)第一代電容無功功率補(bǔ)償裝置由刀熔開關(guān)和電力電容器組成。電容器的投切完全依靠手動(dòng)，無法隨需量變化而調(diào)節(jié)。到80年代末，一種專為投切電容器所設(shè)計(jì)的交流接觸器（如CJ16、CJ19、CJX-2C等）研制成功，該種接觸器及配合電容器切除后的放電回路（放電后使電容器端電壓不超過額定電壓10%）保證電容器再次投入時(shí)，合閘涌流被限制到電容器額定電流的20倍以下。電容器分組設(shè)置，各組電容器采用循環(huán)投切，以保證接觸器投切機(jī)會(huì)均等，從而延長(zhǎng)了裝置的使用壽命，這種有觸頭補(bǔ)償裝置一直延用至今。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在90年代中期，一種新型的控制模式出現(xiàn)，那就是應(yīng)用晶閘管取代交流接觸器控制電容器的投切。該類型裝置的主電路結(jié)構(gòu)為:“保護(hù)開關(guān)+晶閘管+電力電容器。”這一技術(shù)的應(yīng)用,解決了接觸器的機(jī)械壽命短的問題,大大提高了對(duì)無功需求變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng),使電容無功補(bǔ)償裝置對(duì)變化大,且變化速度快的負(fù)載得以較好的應(yīng)用。近幾年,結(jié)合有觸點(diǎn)裝置和無觸點(diǎn)裝置各自的優(yōu)勢(shì),混合型控制投切電容器的無功補(bǔ)償裝置被逐漸采用。與晶閘管投切方式相同,該種方式的無功補(bǔ)償裝置也只能進(jìn)行分級(jí)斷續(xù)補(bǔ)償。從國(guó)際范圍來講，目前SVG與STATCOM都已得到普遍的應(yīng)用。國(guó)外（主要指西歐，美國(guó)和日本）的SVG技術(shù)已經(jīng)比較成熟了。SVG出現(xiàn)早，應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，僅ABB公司，其目前在全世界投運(yùn)的SVG就已超過370套，ABB與西門子兩個(gè)公司已安裝的SVG總?cè)萘考s為9萬Mvar（包括已退役裝置）。STATCOM裝置在20世紀(jì)主要以示范工程為主，從上世紀(jì)90年代末到本世紀(jì)初，STATCOM在日本及歐美得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合。2001—2003年，美國(guó)在輸電網(wǎng)接連投運(yùn)了百M(fèi)var級(jí)的大容量STATCOM，表明STATCOM在輸電網(wǎng)中已完全進(jìn)入實(shí)用階段。由于都是基于電壓源換流器技術(shù)，這些STATCOM裝置僅通過改變母線接線方式，就可以變成背靠背的直流輸電，能對(duì)電網(wǎng)的潮流進(jìn)行更有效的控制。據(jù)ABB公司2001的統(tǒng)計(jì)，目前全世界SVG的投運(yùn)容量超過32000Mvar，STATCOM的投運(yùn)容量已超過1500Mvar。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)無功功率進(jìn)行控制與補(bǔ)償?shù)闹匾耘c日俱增：①輸電網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)行效率的要求日益提高，為了有效利用輸變電容量，應(yīng)對(duì)無功進(jìn)行就地補(bǔ)償；②電源（尤其水電）遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，遠(yuǎn)距離的輸電需要靈活調(diào)控?zé)o功以支撐解決穩(wěn)定性及電壓控制問題；配電網(wǎng)中存在大量的電感性負(fù)載，在運(yùn)行中消耗大量無功，使得配電系統(tǒng)損耗大大增加；直流輸電系統(tǒng)要求在換流器的交流側(cè)進(jìn)行無功控制；⑤用戶對(duì)于供電電能質(zhì)量的要求日益提高。因此，對(duì)電網(wǎng)的無功進(jìn)行就地補(bǔ)償，尤其是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在輸配電系統(tǒng)中十分必要。1.2無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣吖β室驍?shù)的主要方法是采用低壓無功補(bǔ)償技術(shù)，我們通常采用的方法主要有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。隨機(jī)補(bǔ)償：隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)，同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負(fù)荷。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等。隨器補(bǔ)償：隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。配變?cè)谳p載或空載時(shí)的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無功，配變空載無功是用電單位無功負(fù)荷的主要部分，對(duì)于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加。隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)償配變空載無功，限制農(nóng)網(wǎng)無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前補(bǔ)償無功最有效的手段之一。跟蹤補(bǔ)償：跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kv母線上的補(bǔ)償方式。適用于lOOkVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比前兩種補(bǔ)償方式壽命相對(duì)延長(zhǎng)、運(yùn)行更可靠。但缺點(diǎn)是控制保護(hù)裝置復(fù)雜、首期投資相對(duì)較大。但當(dāng)這三種補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性接近時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補(bǔ)償方式。1.3無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t全面規(guī)劃，合理布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡，具體內(nèi)容如下?？傮w平衡與局部平衡相結(jié)合，既要滿足全網(wǎng)的總無功平衡，又要滿足分線、分站的無功平衡。集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主，這就要求在負(fù)荷集中的地方進(jìn)行補(bǔ)償，既要在變電站進(jìn)行大容量集中補(bǔ)償，又要在配電線路、配電變壓器和用電設(shè)備處進(jìn)行分散補(bǔ)償，目的是做到無功就地平衡，減少其長(zhǎng)距離輸送。高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓補(bǔ)償為主，這和分散補(bǔ)償相輔相成。降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主，兼顧調(diào)壓。這是針對(duì)線路長(zhǎng)，分支多，負(fù)荷分散，功率因數(shù)低的線路，這種線路最顯著的特點(diǎn)是：負(fù)荷率低，線路損失大，若對(duì)此線路補(bǔ)償，可明顯提高線路的供電能力。供電部門的無功補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合，因?yàn)闊o功消耗大約60%在配電變壓器中，其余的消耗在用戶的用電設(shè)備中，若兩者不能很好地配合，可能造成輕載或空載時(shí)過補(bǔ)償，滿負(fù)荷時(shí)欠補(bǔ)償，使補(bǔ)償失去了它的實(shí)際意義，得不到理想的效果。第二章并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償補(bǔ)償原理實(shí)際工程中大多數(shù)為感性負(fù)載,其功率因數(shù)都比較低,感性負(fù)載并聯(lián)電容器是提高功率因數(shù)的主要方法之一。感性負(fù)載的電流超前于電源電壓,而容性負(fù)載的電流滯后于電源電壓,所以超前電流與滯后電流的可以互補(bǔ),從電容并聯(lián)點(diǎn)之前的電源（或電網(wǎng)）吸收的無功功率減少了,也就是電容性負(fù)荷的無功功率補(bǔ)償了電感性負(fù)荷的無功功率。當(dāng)電網(wǎng)容量一定時(shí),使無功功率減少,從而可大大提高功率因數(shù)。補(bǔ)償與控制方式常用補(bǔ)償?shù)姆椒?一種是集中補(bǔ)償（補(bǔ)償電容集中安裝于變電所或配電室,便于集中管理）。一種是集中與分散補(bǔ)償相結(jié)合補(bǔ)償電容一部分安裝于變電所,另一部分安裝于感性負(fù)載較大的部門或車間。這種方法靈活機(jī)動(dòng),便于調(diào)節(jié),且可降低企業(yè)內(nèi)供、配電線路的損耗。補(bǔ)償常用控制方式:根據(jù)用電設(shè)備負(fù)載的情況,測(cè)算出補(bǔ)償電容容量,選用合適的無功補(bǔ)償裝置,并利用交流接觸器進(jìn)行分級(jí)手動(dòng)投切電容。這種控制方式顯然不能滿足自動(dòng)化工業(yè)控制的要求。由分立元件組裝的自動(dòng)控制設(shè)備,這種產(chǎn)品元件繁多,設(shè)備笨重龐大,線路復(fù)雜,可靠性差,出現(xiàn)故障時(shí)維修難度大。有的使用單位由于設(shè)備無法修復(fù),只好人工手動(dòng)來進(jìn)行控制,在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展,集成電路、微電子技術(shù)已經(jīng)普及的今天,這種狀況已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。以單片機(jī)為主控單元的電壓無功控制系統(tǒng)得到很大發(fā)展,但單片機(jī)抗干擾能力較差,在中、高壓無功補(bǔ)償領(lǐng)域的可靠性不易保證。另一方面電壓等級(jí)越高的變電站其輻射范圍也越大,故障的波及面也大,因此系統(tǒng)對(duì)它的控制能力、通信能力要求也更高。無功功率補(bǔ)償容量的選擇方法無功補(bǔ)償容量以提高功率因數(shù)為主要目的時(shí)，補(bǔ)償容量的選擇分兩大類討論，即單負(fù)荷就地補(bǔ)償容量的選擇（主要指電動(dòng)機(jī)）和多負(fù)荷補(bǔ)償容量的選擇（指集中和局部分組補(bǔ)償）。2?3?1單負(fù)荷就地補(bǔ)償容量的選擇的幾種方法 美國(guó)資料推薦：Qc=（l/3）Pe日本方法：從電氣計(jì)算日文雜志中查到：1/4~1/2容量計(jì)算考慮負(fù)載率及極對(duì)數(shù)等因素，按此法選取的補(bǔ)償容量，在任何負(fù)載情況下都不會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償，而且功率因數(shù)可以補(bǔ)償?shù)?.90以上。此法在節(jié)能技術(shù)上廣泛應(yīng)用，對(duì)一般情況都可行，特別適用于Io/Ie比值較高的電動(dòng)機(jī)和負(fù)載率較低的電動(dòng)機(jī)。但是對(duì)于Io/Ie較低的電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，其補(bǔ)償效果較差。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法：由于電機(jī)極數(shù)不同，按極數(shù)大小確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選擇容量比較接近實(shí)際需要的電容器，采用這種方法一般在70%負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)后功率因數(shù)可在0.95~0.97之間電機(jī)容量大時(shí)選下限，小時(shí)選上限；電壓高時(shí)選下限，小時(shí)選上限4、Qc=P實(shí)際測(cè)試比較準(zhǔn)確方法此法適用于任何一般感性負(fù)荷需要精確補(bǔ)償?shù)木偷匮a(bǔ)償容量的計(jì)算。如果測(cè)試比較麻煩，可以按下式：Qc<〈3UeIoxlO-3(kvar)Io-空載電流=2Ie(l-COS申e)瑞典電氣公司推薦公式：Qo<QC電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，即負(fù)載率卩=1，則：QovQC根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，對(duì)于Io/Ie較低的電動(dòng)機(jī)(少極、大功率電動(dòng)機(jī))，在較高的負(fù)載率B時(shí)吸收的無功功率QB與激勵(lì)容量Qo的比值較高，即兩者相差較大，在考慮導(dǎo)線較長(zhǎng)，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量較高的大功率電動(dòng)機(jī)以較高的負(fù)載率運(yùn)行方式下，此式來選取是合理的。電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)計(jì)算：Q=k(1-cos2^e)3UeIex10-3(kvar)K 為與電動(dòng)機(jī)極數(shù)有關(guān)的一個(gè)系數(shù)極數(shù)：2468l0K 值 ：0.70.80.850.92.3.2多負(fù)荷補(bǔ)償容量的選擇多負(fù)荷補(bǔ)償容量的選擇是根據(jù)補(bǔ)償前后的功率因數(shù)來確定對(duì)已生產(chǎn)企業(yè)欲提高功率因數(shù)，其補(bǔ)償容量Qc按下式選擇：Qe=KmKj(tg?l-tg?2)/Tm式中：Km為最大負(fù)荷月時(shí)有功功率消耗量，由有功電能表讀得；Kj為補(bǔ)償容量計(jì)算系數(shù)，可取0.8?0.9。Tm為企業(yè)的月工作小時(shí)數(shù)；tgdl、tg?2意義同前，tgdl由有功和無功電能表讀數(shù)求得。對(duì)處于設(shè)計(jì)階段的企業(yè)，無功補(bǔ)償容量Qc按下式選擇：Qc=KnPn(tgdl-tgd2)。式中Kn為年平均有功負(fù)荷系數(shù)，一般取0.7?0.75。Pn為企業(yè)有功功率之和；tgdl、tgd2意義同前。tgdl可根據(jù)企業(yè)負(fù)荷性質(zhì)查手冊(cè)近似取值，也可用加權(quán)平均功率因數(shù)求得cosdl。多負(fù)荷的集中補(bǔ)償電容器安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠、利用率較高。但電氣設(shè)備不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成過補(bǔ)償，使運(yùn)行電壓抬高，電壓質(zhì)量變壞。因此這種方法選擇的容量，對(duì)于低壓來說最好采用電容器組自動(dòng)控制補(bǔ)償，即根據(jù)負(fù)荷大小自動(dòng)投入無功補(bǔ)償容量的多少，對(duì)高壓來說應(yīng)考慮采取防過補(bǔ)償措施。第三章電子式無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器電子式無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器電子式無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器原理圖如圖2所示。主要具有以下方面的功能和問題。圖2電子式無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制原理圖檢測(cè)功率因素值的檢測(cè)單元主要由相位檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路組成。用于檢測(cè)電網(wǎng)中所減少的無功損耗，從而使系統(tǒng)決定無功補(bǔ)償量的大小。相位判別檢測(cè)電路：相位差就是電壓超前或滯后電流的差值，在本設(shè)計(jì)中我們不但要測(cè)量出相位差的大小還要判斷出電壓超前還是滯后了，首先對(duì)相位差進(jìn)行測(cè)量。輸入兩路同頻率的正弦波信號(hào)，當(dāng)兩路信號(hào)的頻率相同時(shí)，相角差e=ei—?2是一個(gè)與時(shí)間無關(guān)的常數(shù),將此兩路正弦波信號(hào)經(jīng)過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號(hào)fl、f2,經(jīng)過異或門輸出一個(gè)脈沖序列A，與晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波B進(jìn)行與操作得到調(diào)制后的波形C，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)B、C中脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行,計(jì)數(shù)得Nc、Nb,則其相位差計(jì)算公式為0=180°?Nc/Nb，采用多個(gè)周期計(jì)數(shù)取平均值的方式以提高測(cè)相精度。波形如下圖所示:

F1F2圖4相位檢測(cè)波形圖相位極性判別電路:將波形整形電路的兩路輸出方波送入D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別，當(dāng)U0超前U1時(shí),Q端輸出高電平，反之輸出低電平，極性判別的原理圖如5所示。DQOUT-?CPSUi“1”圖5相位判別電路相位檢測(cè)和判別的接線圖如圖6所示：電壓超前時(shí)相位差電流超前時(shí)相位差電壓超前時(shí)相位差電流超前時(shí)相位差圖5相位檢測(cè)和判別的接線圖無功功率單元與電平比較單元將檢測(cè)到的無功功率量的大小轉(zhuǎn)換為電壓值或電流值，該值與設(shè)定的參考值比較發(fā)出投入或切除電容器的控制信號(hào)。投切控制部分由電平比較單元產(chǎn)生的投切控制信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)或其他控制器，啟動(dòng)相應(yīng)的時(shí)序控制程序，控制器按照規(guī)定的程序步驟，發(fā)出晶閘管通斷指令和接觸器通斷指令，該指令通過功率放大和光電隔離后，驅(qū)動(dòng)晶閘管和交流接觸器按預(yù)先設(shè)定的程序適時(shí)動(dòng)作，確保安全可靠地對(duì)電容器進(jìn)行投切操作。過壓保護(hù)部分當(dāng)電網(wǎng)某相電壓、欠壓、欠流及諧波超限或電壓不平穩(wěn)超限時(shí)，快速切除補(bǔ)償電容器、以免設(shè)備損壞。存在的主要問題電子式無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器在實(shí)際應(yīng)用中存在不少問題，如容易受外界干擾及灰塵等因素影響出現(xiàn)故障；各部分控制功能因全由電子線路實(shí)現(xiàn)，器件多、過程復(fù)雜，難于快速準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)；當(dāng)檢測(cè)電路無功運(yùn)算等電路出現(xiàn)故障時(shí)，缺少投切保護(hù)功能；當(dāng)接觸器或繼電器粘連時(shí)，無法及時(shí)報(bào)警及保護(hù)等。3.2用PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)及工作原理用PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)原理如圖6所示，利用這樣的線路結(jié)構(gòu)，無功補(bǔ)償補(bǔ)償裝置變得條理清晰，易于理解，并且在原自動(dòng)投切、手動(dòng)投切的基礎(chǔ)上，利用PLC中CPU內(nèi)部的日歷時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)投切控制。當(dāng)檢測(cè)電路或模擬單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以按實(shí)時(shí)時(shí)間自動(dòng)投切。如果用戶每天的工作大體一致，那么實(shí)測(cè)作出功率因數(shù)曲線后，可以不用模擬單元，只用圖中虛線內(nèi)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切。同時(shí)可以通過檢測(cè)各接觸器的狀態(tài)作出相應(yīng)的保護(hù)和報(bào)警輸出。

Q0.0~0.7控制 Q0.1手動(dòng) Q1.1故障Q0.0~0.7控制 Q0.1手動(dòng) Q1.1故障投切接觸器自動(dòng)控制 報(bào)警A A A檢測(cè)電路過壓保護(hù)額定值調(diào)節(jié)PLC主機(jī)PLC模擬單元I0.0 I0.1 I1.3 I1.4 I0.3?I1.2 I0.2手自手動(dòng)各接觸器實(shí)時(shí)自動(dòng)動(dòng)動(dòng)投切狀態(tài)投切圖6PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)原理圖模擬量輸入接口模塊：在工業(yè)控制中，經(jīng)常會(huì)遇到連續(xù)變化的物理量——模擬信號(hào)，如電流、電壓、溫度、壓力、位移、速度等等。如果要對(duì)這些模擬量進(jìn)行采集并送給CPU模塊，必須對(duì)這些模擬量進(jìn)行摸/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。才能使可編程器接收這些數(shù)據(jù)。模擬量輸入模塊就是用來將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC所能接收的數(shù)字信號(hào)6模擬量輸入模塊的功能就是進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，一般都是將模擬量輸入的采樣值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，然后再把輸入通道號(hào)及其它信號(hào)一起送到系統(tǒng)的內(nèi)部總線上。模擬量輸入模塊有各種不同的類型，例如：0?10V、-10?+10V、4?20mA等各種范圍的模塊。不管何種類型，除了輸入四路略有不同外，其他內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)完全一樣。有的系統(tǒng)用外加輸入量程子模塊來解決，可使得同一模擬量模塊適應(yīng)不同的輸入范圍。模擬量輸入接口模塊的主要技術(shù)性能有：輸入通道數(shù)：4路、8路、和6路等；輸入信號(hào)：電壓輸入+0?+10V，電流信號(hào)4?20mA；A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)：8位、10位、12位或14位(均為二進(jìn)制)；轉(zhuǎn)換精度：0.01%?0.5%；線性度(滿量程)：+0.05%(環(huán)境溫度+25°C)；轉(zhuǎn)換時(shí)間：小于50mA?？梢钥闯?，位數(shù)越多，其分辨率越高對(duì)于有較高分辨率要求的模擬量。模擬量輸入端的接線方式：可以連接電壓信號(hào)也可以連接電流信號(hào)，具體接線方式如圖12所示。其中，1)—用帶屏蔽的雙絞線；2)—入端的輸入阻抗；3)—輸入端連接電流信號(hào)

時(shí)，將v+端和1+端短接；4）—如果外部信號(hào)源有噪聲或紋波干擾，則可以在輸入端連接一個(gè)濾波電容，其容量為：0.1~0.47MF/25V。CH1④V+250I+COMSLDCH40~±20mA CH1④V+250I+COMSLDCH40~±20mA ③V+I+250COMSLD500500接地500500接地圖7模擬量輸入端接線圖當(dāng)輸入的模擬量是電壓信號(hào)時(shí)，將電壓信號(hào)分別連接到“V+”和“COM”端；當(dāng)輸入的模擬量是電流信號(hào)時(shí)，將電流信號(hào)分別連接到“I+”和“COM”端，并且用導(dǎo)線將該通道的“V+”和“1+”端連接起來。信號(hào)源與輸入端之間采用帶屏蔽的雙絞線連接，屏蔽線連接到該通道的“SLD”。當(dāng)輸入的電壓信號(hào)有噪聲或紋波干擾，則可以在該通道的“V+”和“COM”端并聯(lián)一個(gè)的0.1~0.47MF/25V電容。如果電磁干擾嚴(yán)重，則可以將各通道的“SLD”端與模塊上的“GND”、“FG”端相連接，然后再與PLC的機(jī)架接地端連接在一起。PLC的CPU與模擬量輸入模塊之間的數(shù)據(jù)通信方式：部分PLC的I/O映像區(qū)中有專門的模擬量I/O映像區(qū)，允許連接的模擬量輸入通道最多32個(gè)，這些模擬量輸入經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量先存放在該模塊的緩沖寄存器內(nèi)。在輸入采用階段，PLC的CPU就從模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)緩沖寄存器內(nèi)將這些數(shù)字依次地讀入到模擬量輸入映像區(qū)中（即IR0001~IR0032）。在用戶程序編制時(shí)，直接使用IR0001~IR0032作為操作數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬量的處理。也有部分PLC的I/O映像區(qū)不設(shè)專門的模擬量I/O映像區(qū)。例如日本三菱的PLC，它沒有模擬量I/O映像區(qū)，盡管該公司的模擬量輸入模塊也占用一定數(shù)據(jù)的開關(guān)量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，但這些輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不是用于存放經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，而只是用于存放一些控制信息的。這些控制信息是該模塊與PLC的CPU間進(jìn)行通信所必需的。

當(dāng)用戶程序需對(duì)模擬量輸入進(jìn)行處理時(shí)，由于經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量此時(shí)還存放在該模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，因此，首先必須使用“FROM”指令將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)字量讀入到PLC的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)字量讀入到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，然后才能在用戶程序中使用該數(shù)據(jù)寄存器作為操作數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量輸入的處理°PLC的CPU與模擬量輸入之間用“FROM”和“TO”指令傳送數(shù)據(jù)或控制字等。3.3自動(dòng)投切程序設(shè)計(jì)進(jìn)行編程時(shí)根據(jù)不同的情況所需要的不同功能，把程序分為三個(gè)部分。圖7實(shí)時(shí)自動(dòng)投切程序流程圖手動(dòng)投切自動(dòng)流程圖8手動(dòng)投切程序流程圖圖8手動(dòng)投切程序流程圖自動(dòng)切換程序流程圖9自動(dòng)切換程序流程圖3.4投切方式的選擇原則電容器組投切可采用手動(dòng)方式或自動(dòng)方式，具體由補(bǔ)償?shù)呢?fù)載對(duì)象來決定。對(duì)于補(bǔ)償?shù)蛪夯緹o功及常年穩(wěn)定和投切次數(shù)少的高壓電容器組，宜采用手動(dòng)投切；為避免過補(bǔ)償或輕載時(shí)電壓過高，易造成設(shè)備損壞的，宜采用自動(dòng)投切。高、低壓補(bǔ)償效果相同時(shí)，宜采用低壓自動(dòng)補(bǔ)償裝置。第四章系統(tǒng)可靠性處理措施硬件方面PLC本身雖具有較強(qiáng)的干擾能力，但為避免PLC輸出接點(diǎn)被大電流接觸器啟動(dòng)電流燒損，通常需要采用中間繼電器過度。同時(shí)為確保系統(tǒng)在任何情況下都能正常使用，設(shè)計(jì)工作流程如下：出現(xiàn)模擬故障時(shí)工作無規(guī)律圖10工作流程圖此外，將接觸器的常閉接點(diǎn)最為接觸器的狀態(tài)輸入PLC,作為繼電器動(dòng)作異常保護(hù)。常閉接點(diǎn)保護(hù)可克服常開接點(diǎn)保護(hù)的一些缺點(diǎn)，如接觸器或者繼電器動(dòng)作時(shí)接點(diǎn)卡主；常開接點(diǎn)不閉合，常閉接點(diǎn)又不斷開等，這些異常情況通常只有用常閉接點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)保護(hù)。軟件方面為提高系統(tǒng)可靠性，中間處理過程用軟件方式實(shí)現(xiàn)，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，又降低了故障率。而繼電器粘連后的報(bào)警輸出（也可根據(jù)實(shí)際需要作出相應(yīng)的跳閘處理），也極大地方便了維修人員對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)處理，從而避免了故障的擴(kuò)大及過補(bǔ)償?shù)?。此外，?dāng)發(fā)現(xiàn)PLC故障或系統(tǒng)故障時(shí)，軟件可以保證系統(tǒng)停止輸出，避免誤動(dòng)作的放生。用PLC作為自動(dòng)補(bǔ)償控制器與電子式補(bǔ)償控制器相比需較高的成本，但從系統(tǒng)的可靠性及實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來看，它又是電子式補(bǔ)償控制器所無法比擬的。另外，用PLC作為自動(dòng)補(bǔ)償控制器與電容手動(dòng)投切相比，功率因數(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，而電容器手動(dòng)投切只是早送晚切、功率因數(shù)不能及時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整，所以用PLC作為無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器具有較大的實(shí)用價(jià)值。第五章結(jié)論與展望5.1結(jié)論通過本次設(shè)計(jì)讓我進(jìn)一步了解無功功率和PLC編程的基本知識(shí)，并且能獨(dú)立的設(shè)計(jì)和編輯電路圖和程序，還讓我初步懂得怎樣用PLC來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償，以及實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)闹匾饬x。電網(wǎng)中無功補(bǔ)償設(shè)備的合理配置，與電網(wǎng)的供電電壓質(zhì)量關(guān)系十分密切。合理安裝補(bǔ)償設(shè)備可以改善電壓質(zhì)量。本設(shè)計(jì)當(dāng)中我們將具體介紹一種自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，它將用可編程控制器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)從離線處理到實(shí)時(shí)處理,從就地平衡到全網(wǎng)平衡,從單獨(dú)控制到集中控制，避免了人工監(jiān)視、手動(dòng)投切的各種弊端，如響應(yīng)慢、誤操作、工作量大等，電壓水平的合格性和穩(wěn)定性得到了顯著提高，整個(gè)電網(wǎng)的網(wǎng)損降到了盡量低的程度。確定電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)暮侠矸绞胶团渲檬悄軌蛴行У鼐S持配電系統(tǒng)的電壓水平，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免大量無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸；對(duì)降損節(jié)能，提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。展望限于個(gè)人知識(shí)水平及篇幅本文還存在諸多不足。給出的基于PLC控制無功補(bǔ)償模型過于簡(jiǎn)單，研究不夠深入；在程序編寫及系統(tǒng)調(diào)試方面做得不夠細(xì)致。在今后的工作和學(xué)習(xí)中我會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)自動(dòng)控制方面的新知識(shí)。尤其會(huì)在實(shí)踐方面會(huì)花更多的時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)、研究。在本文編寫過程中我認(rèn)識(shí)到一些工具軟件在自動(dòng)化領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和工作中起著非常大的作用，今后我會(huì)在這方面下足功夫。本文中的不足和缺陷希望大家批評(píng)