基于三菱plc的电力系统无功补偿设计

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1、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

2、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102.4 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

3、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3030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。

4、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

5、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

6、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

7、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AD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8 X86等）配合多个单片机（如8051、8098等）、并加上大量的AD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、

8、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

9、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

10、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

11、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（AD）、调节点（DA）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

12、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cos1。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，

13、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

14、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= S1COS1 P2= S2COS2 因为12c且12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

15、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

16、，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。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

17、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

18、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

19、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

20、）线性范围CT07-5/2.5W5A/2.5mA0.1%50A15A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。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

21、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: 1 mA/1mA 2mA/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-2/22mA /2mA0.1%501

22、0mA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：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=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

23、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: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

24、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、-10+10V、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。因此，有的系统

25、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

26、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） 当采用14位的模拟量输入摸块进行模数转换时： 温度分辨率=（50

27、0-50）/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+10

28、V（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（10V1/2000）20A（20V1/1000）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（各输入端子间不隔离）模拟量用电源DC：24V10%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5V30m

29、A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：0.10.47MF/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”。

30、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，

31、直接使用IR0001IR0032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

32、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2-10 PLC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.

33、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。

34、 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，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）

35、。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，最大60A5ms 以下/AC200V24V供电电源AC电源型：250mA 以下（16M,32M）460mA 以下（48M，64M，80M，1

36、28M）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

37、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8,00

38、0 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)

39、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。按照方案实施无功补偿和电压调节，使无功功率得到了自动实时补偿，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

40、，整个电网的网损降到了尽量低的程度。运行实例表明，该系统方案在电力系统具有良好的应用前景。除一直保持投入的一组电容器以外，我设置了3组电容器用于无功补偿，电容器大小分别为100KVA、200KVA、300KVA。这样，使电容器相互串联就能投入或切除100KVA、200KVA、300KVA、400KVA、500KVA、600KVA，这样通过PLC控制，无功功率可实现6级自动调节，以保证无功功率值保持在预设的区间范围内波动。本设计中投切电容的电路图如图2-11所示：图2-11 无功补偿装置第3章 软件部分的设计3.1 投切部分的软件设计电力系统电压无功限值区间的划分(动态9区图)见图3-1。根据该

41、图在各区内，以最优的控制顺序和电压无功设备组合使运行点进入无功、电压均满足要求的第9区。控制策略图如图3-1所示：图3-1 控制策略图电压控制按照逆调压原则，当电压变化超出电压曲线的允许偏差范围(U上U下)或超出无功功率允许偏差范围(Q上Q下)时，根据整定的偏移量发出电容器投切指令或变压器分接头调整指令，从而达到调整电压和无功潮流的目的。 其中，U上、U下分别为电压约束上、下限，Q上、Q下分别为无功约束上、下限，各区动作方案如下。 区域1：电压超下限，无功超上限。设定电容器投入容量，并发出电容器投入指令，当电容器全部投入后，电压仍低于U下时，发出变压器分接头升压调节指令。 区域2：电压合格，无

42、功超上限。发出电容器投入指令，当电容器全部投入后运行点仍在该区，则维持运行点。 区域3：电压超上限，无功超上限。发出变压器分接头降压调节指令；当有载调压已处于下限时，再发出上一级变压器分接头调节指令。 区域4：电压超上限，无功合格。动作方案同3区。 区域5：电压超上限，无功超下限。发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，电压仍高于U上时，再发出变压器分接头降压调节指令。 区域6：电压合格，无功超下限。发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，运行点仍在该区，则维持该运行点。 区域7：电压超下限，无功超下限。发出变压器分接头升压调节指令，当有载调压已处于上限时，再发出电容器投入指令。 区域8：电压

43、超下限，无功合格。动作方案同7区。 区域9：电压、无功均合格。维持该运行点，不发调整指令。根据上面的分析我们得到如下流程图：3.2 A/D转换其中A/D转换的编程梯形图为：图3-3 模拟量输入编程梯形图3.3 各部分的梯形图与程序求功率因数的梯形图（即COS）如下图所示：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： 其中D56寄存通过采集计算的电压值，D62寄存通过采集计算的电流值。需要补偿的无功功率值的梯形图如下所示： 其中，D68存预先设置的无功功率上限值；D70存预先设置的无功功率下限值。于是D68、D70分别于实际值

44、D66相减便可以求出要需要调节的无功功率的大小。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容器的投切，其余三组电容器的大小分别为100KVA、200KVA、300KVA。这样，使电容器相互串联就能投入或

45、切除100KVA、200KVA、300KVA、400KVA、500KVA、600KVA，这样通过PLC控制，无功功率可实现6级自动调节，以保证无功功率值保持在预设的区间范围内波动。下面图3-8是无功功率与预设无功功率上限下限值的区间比较指令：其中D70存无功功率下限值，D68存无功功率上限值。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200KVA、300 KVA、400 KVA、500 KVA、600 KVA、700 KVA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

46、、M14分别控制100KVA、200KVA、300KVA的电容器组切除。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。通过将所需投入的电容值与200KVA、300 KVA、400 KVA、500 KVA、600 KVA、700 KVA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100KVA、200KVA、300KVA的电容器组投入。3.4 程序仿真3.4.1 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

47、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

48、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。(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

49、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/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

50、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。3.4.2 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：X001脉冲C/脉冲BY14无可投入电容，报警X002求Y18无可切除电容，报警X003求cosY21升压X010对脉冲B计数Y22降压X011对脉冲C计数M6100KVA电容投入X012求SM7200KVA电容投入

51、X013求QM8300KVA电容投入X014求Q-Q下限M12100KVA电容切除X015求Q上限-QM13200KVA电容切除X016电压比较M14300KVA电容切除X017无功功率比较D4D6/D2D52电压上限D62电流值D54电压下限D68Q上限D56电压值D70Q下限仿真图如下：图3-9 仿真软件图3-10 软元件X监视图3-11 寄存器D监视图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

52、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。 我设计的系统是用PLC（三菱Fx

53、）来实现的，其中还用到电压电流互感器，相位检测和判别电路，Fx-4AD，投切电容装置等。 经过本次毕业设计，让我进一步把书本的所学知识与实际应用联系起来，对以后的工作和生活带来极大的帮助。参考文献1 王兆安，刘进军，杨君编著.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,2006-1-1.2 王雷编. 无功补偿计算及电压无功投切判据分析J.数字化期刊.2001 Vol.21 No.6 P.17-19.3 王强,韩英铎. 电力系统厂站及调度自动化综述J.数字化期刊. 2000 Vol.24 No.5 P.61-69. 4 米勒.电力系统无功功率控制J.水利电力出版社,1990.5 许军,任永益

54、. 高压无功功率自动检测补偿系统J.数字化期刊. 1999年,第18卷,第3期,Vol.18 No.3 19996 苏小林,孟涛. PLC在发电厂变电所中央信号系统中的应用J.数字化期刊.2002 Vol.18 No.3 P.51-52. 7 刘桂英，粟时平编.静止无功功率补偿技术M.北京:中国电力出版社.2006-4-1. 8 孙振强主编.王文华，王晖，孙玉峰，李常峰副主编.可编程控制器原理及应用教程M.北京：清华大学出版社,2005.2. 9 宋文南等.电力系统谐波分析M.北京：水利电力出版社，1995. 10 汤以范主编.电气与可编程序控制器技术M.北京:机械工业出版社,2004.7.

55、11 国家电网公司农电工作部编.农村电网电压质量和无功电力管理培训教材M.中国电力出版社,2004-12-15. 12 黄俊辉,叶念渝.PLC在电力监控系统中的应用J.数字化期刊.1999年,第18卷,第1期,Vol.18 No.1 1999. 13 贺建闽,黄治清,李群湛,余俊祥.晶闸管投切电容补偿测控系统J.科技期刊. 1998年10月,第20卷,第5期.14 俞国亮.PLC原理与应用(三菱FX系列)M.北京:清华大学出版社,2005-6-4. 致 谢作者在设计（论文）期间都是在杨天虎老师全面、具体指导下完成进行的。杨老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风使学生受益非浅，并终生难忘。感谢我的学友和朋友对我的关心和帮助。