1、毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 电力网无功补偿智能投切设备系统设计系 （院） 电气工程系专 业 电气工程与自动化班 级 2010 级 3 班学生姓名 宋德玲学 号 1014090332指导教师 何 芳职 称 助 教二一四年六月二十日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名:二一四年 月 日毕业设计（论文）
2、使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文） ；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名:二一四年 月 日滨州学院本科毕业设计（论文）电力系统无功补偿智能投切设备系统设计摘 要无功补偿装置的作用是提高电网的功率因数，降低输电线路的损耗以求提高供电效率。首先明确课题研究的背景和意义，然后根据无功补偿的原理和对传统智能
3、方案的比较，来确定无功补偿智能投切的总体方案。设计的硬件方面有五部分，包括控制面板、相位判别检测电路、PLC 的选型及 I/O 端口安排、无功补偿装置和互感器。其智能投切功能的软件设计由 PLC 实现，PLC 选择的是 FX2N-32MR 型号。编程部分采用模块化设计，电力网的电压和无功限值区间的划分用动态九区图来表示。这样的设计结构清晰、易于调试和修改。关键词：电力系统，功率因数，PLC，无功补偿，九区图滨州学院本科毕业设计（论文）iIntelligent Power Grid Reactive PowerCompensation for Equipment System DesignAbs
4、tractRole of reactive power compensation device is to improve the power factor, reduce the loss of power transmission lines in order to improve efficiency. First, clear the background and significance of the research, and reactive power compensation in accordance with the principles and comparison w
5、ith the traditional intelligent solutions to determine reactive power compensation intelligent switching of the overall program.The hardware design has five parts, including the control panel, the phase detection circuit discrimination, PLC selection and I / O port arrangement, reactive compensation
6、 devices and transformers. Its intelligent switching functions of the software design and implementation by the PLC, FX2N-32MR is the selected models. Programming part modular design, dividing power grid voltage and reactive power limits the dynamic range of nine zones to represent. This design stru
7、cture is clear, easy to debug and modify.Key words: electric power system, power factor, PLC, the reactive power compensation, nine area charts滨州学院本科毕业设计（论文）目 录第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景与意义 .11.2 无功补偿的原理 .21.3 传统的智能控制方案 .3第二章 设计方案的确定 .52.1 PLC 的概述 .52.2 PLC 的工作原理 .62.3 设计的原理 .72.4 本文的总体方案 .8第三章 硬件部分的设计 .1
8、03.1 控制面板 .103.2 相位判别检测电路 .113.3 PLC 的选型及输入 /输出端口安排 .133.4 无功补偿装置 .163.5 互感器 .17第四章 软件部分的设计 .204.1 投切部分的软件设计 .204.2 各部分的软件编程部分 .224.2.1 A/D 转换 .224.2.2 计数器的编程部分 .234.2.3 功率因数的编程部分 .244.2.4 实际无功功率值计算 .244.2.5 无功功率的补偿 .254.2.6 判断投切的状态 .25滨州学院本科毕业设计（论文）4.2.7 投切状态的具体梯形图 .28第五章 结论 .30参考文献 .31谢 辞 .32附 录 .
9、33滨州学院本科毕业设计（论文）0第一章 绪论近年来，我国的电力装机容量速度大幅度增加，有效的缓解了供电紧张的局面。而且，随着供电量的增加，系统的无功功率也将随之增大。据统计，电网中的无功功率损耗最多可达到总发电容量的 15%-25%，也就是大约 1/5 的发电容量将用来抵消输配电过程中消耗的功率。无功补偿是维持现代电力系统的稳定与经济运行所必需的措施。基于 PLC 来实现无功功率的补偿，可解决电子式智能补偿控制器可靠性差、线路复杂等一系列问题，以求提高系统的可靠性，简化系统的结构，并方便能实现对功率因数的实时调整 1。1.1 课题研究的背景与意义近年来，随着社会经济和技术的快速发展，现代电力
10、电子工业取得了飞速发展。电网中使用的感性负载越来越多，如感应式电动机、变压器等。这些消耗电能的设备在运行过程中不但会消耗有功功率，而且还要电网对其提供很大部分的无功功率，这就造成电网的功率因数偏低。功率因数越低对电力系统运行就越不利，从而造成：（1）增加发电机损耗； （2）影响电网系统电压稳定，使电力系统的电压下降；（3）影响电网的无功功率潮流分布； （4）无功功率增大导致电力系统输出电量增大，增加电力传输过程中的功率损耗； （5）使输电、发电和配电设施无法充分发挥作用，降低发电和输电的能力，使电网的供电质量下降，严重时还可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电； （6）会使电网中的电流与电压相位
11、不同，从而产生较严重的谐波分量，导致供电网中电压不稳定，而且谐波干扰增大 2。据相关报道，我国电网平均每年因无功功率过高造成的线损能达到 15%，折算成线损电量约 1400 亿千瓦时。假设全国电力网的总负载功率因数为 0.85，采用无功补偿的方法将负载功率因数提高到 0.96，那么每年减少的电量损失能达 240 亿千滨州学院本科毕业设计（论文）1瓦时。因此需要在电网中对电力系统进行无功补偿，这对资源的节约和电力系统的安全运行有重大意义。无功补偿的作用主要有下列几点：（1）能提高供电系统的功率因数，降低电网的设备容量，减少无功功率的损耗；（2）能稳定受电网两端的电压，提高供电质量。在长距离输电线
12、路中合适的位置设置动态补偿装置也可以改善输电系统的稳定性，提高电网的输电能力； （3）在电气化铁道中等三相负载不平衡的场合，通过适量的无功补偿可以平衡三相负载的线损 3 。1.2 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有功功率和无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能量做功，这部分功率称为有功功率。不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能量作为电气设备能够做功的必备条件，并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能。电流在电感元件中做功时，电流滞后于电压 90，
13、而电流在电容元件中做功时，电流超前电压 90。在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差 180。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小 4。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。滨州学院本科毕业设计（论文）2图1-1 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 CRLI（1-1）由图（b）的向量图可知，并联电容后 U 与 I 的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。若电容 C 的容量过大，使得供电电流的相位超前
14、于电压，这种情况称为过补偿。其向量图如（c ）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会：（1）引起变压器二次侧电压的升高；（2）容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗；（3）如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器使用寿命 5。1.3 传统的智能控制方案配电网智能系统主要由主站、远方终端单元（RTU） 、远方控制 SF6（或真空开关） 、线路传感器、通信电缆等五个部分组成。其中 RTU 能够自动采集各种开关模拟量（遥测）和状态量（遥信） ，并经过专用信道传递给监控中心的主站系统部分，有的远方终端单元还可按照监控人员的意图及指令执行特定的遥控操作
15、，并且可以将操作结果返送给监控中心主站系统。目前，RTU 存在两种实现方案：直流采样方案和交流采样方案。其中交流采滨州学院本科毕业设计（论文）3样方案要比直流采样方案的可靠性更高。交流采样方案实现的 RTU 装置是直接使用 A/D 转换组件对交流电量值进行采集计算，不用变送器之类的转换设备，但是需要快速的数字处理单元对其配合，以对采集到的数据分析和综合。不仅能反映电量值的瞬时变化，还可以进行谐波分析和频率计算，来简单地实现电能量的总加功能。常用微型计算机（如 8X86）配合多个单片机芯片（如 8051、8098 等） ，再加上多个 A/D 转换电路，来实现开关量和模拟量的采集。（1）系统的 RTU 在功能上比较偏重遥信和遥测，并且配电网的智能化对象（开关房、开闭所和配电房等）数目繁多，开关操作次数频繁，更注重遥信和遥控功能。（2）配电网的智能化对象遍布各个城市、农村等多种不同的环境，被不同层次的用电管理人员（包括农村电工）操作。更要求其具有易操作、安装灵活、免专业人员维护、抗恶劣环境等优点。（3）应用于配电网的 RTU，在功能上需具有模块化结构，在硬件上要做到尽量简单和安全可靠。最好是同一套硬件，只要对其进行简单设置，就可以满足不同场合、不同规模的要求。因此，有必要开发新型的、非传统结构的 RTU，以适合配电网自动化的特点和需求 6。
