1、. . . . I / 32基于PLC的電力系統無功補償系統設計摘 要無功功率補償裝置在電力系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器與輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網絡的損耗，使電網質量提高。本設計主要功能是可檢測出當前電網的電流電壓并可顯示，計算出當前的功率因數與無功補償量，并利用PLC編程控制投切電容實現對電網的無功補償并顯示當前投切狀態。本設計中我們的投切控制原理可以用九區圖來說明。無功超上限投入電容器，超下限切除電容器。電壓超上限調制變壓器分接頭降

2、低電壓，電壓超下限調制變壓器分接頭升高電壓。本設計中我們首先要計算出補償容量并通過它來控制投切。關鍵詞：電力系統；功率因數；無功補償；九區圖；PLC. . . . II / 32目錄摘要 I引言 1第 1 章緒論 21.1 方案比較與本設計總體方案 21.1.1 電力系統傳統的智能控制方案 21.1.2 中低壓電網自動化 PLC 實現 31.2 本設計的總體方案 3第 2 章硬件部分的設計 62.1 控制面板 62.2 互感器 72.2.1 電流互感器 72.2.2 電壓互感器 82.3 相位判別檢測電路 102.4 主要模塊介紹 122.4.1 模擬量輸入接口模塊：122.4.2 中央處理器

3、模塊(CPU)152.5 無功補償裝置 17第 3 章軟件部分的設計 193.1 投切部分的軟件設計 193.2 A/D 轉換 213.3 各部分的梯形圖與程序 213.4 程序仿真 243.4.1 GX Developer 簡介 243.4.2 仿真結果 25結論和展望 28參考文獻 29致 30. . . . 1 / 32引 言電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以提供感性電抗所消耗的無功功率，減少了電網電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網中的流動，因此

4、可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補償。無功補償可以提高功率因數，是一項投資少，收效快的降損節能措施。電網中無功補償設備的合理配置，與電網的供電電壓質量關系十分密切。合理安裝補償設備可以改善電壓質量。本設計當中我們將具體介紹一種自動無功補償裝置，它將用可編程控制器來實現。可編程控制器（PLC）是以計算機技術核心的通用工業自動化裝置。它將傳統的繼電器控制系統與計算機技術結合在一起，具有高可靠性、靈活通用、易于編程、使用方便等特點，因此近年來在工業自動控制、機電一體化、改造傳統產業等方面得到了廣泛的應用。被譽為現代工業生產自動化的三大支柱之一。本設計主要就是利用三菱Fx系

5、列PLC在電力系統無功補償中的應用。并對整個系統的特點、工作原理、系統配置與程序設計作了詳細的說明。本書共分三章，容包括方案比較與本設計總體方案、硬件部分設計和軟件部分的設計。因作者水平有限，書中錯誤之處在所難免，懇請讀者批評指正。. . . . 2 / 32第 1 章 緒 論隨著科技的不斷發展，人民生活水平的不斷提高，用戶對電力電壓質量的要求變得越來越高。電壓質量是衡量電力系統電能質量的重要指針之一，其好壞主要取決于電力系統無功潮流分布是否合理。這不僅關系到電力系統向電力用戶提供電能質量的優劣問題，而且還直接影響電網的安全、經濟運行。若無功電源容量不足，系統運行電壓將難以保證。隨著電網容量的

6、不斷增加，對電網無功功率的要求也與日增加。因此，還需考慮網絡的功率因子和電壓，因為電網功率因子和電壓的降低會使電氣設備得不到充分利用，從而降低電網的傳輸能力，并引起損耗增加。因此，確定10KV配電網無功補償的合理方式和配置是能夠有效地維持配電系統的電壓水平，提高系統的電壓穩定性，避免大量無功功率的遠距離傳輸；對降損節能，提高電力企業的經濟效益有著重要的意義。1.1 方案比較與本設計總體方案1.1.1 電力系統傳統的智能控制方案配網自動化系統主要由主站、遠方終端單元（RTU）、線路傳感器、遠方控制SF6 或真空開關、通信電纜等五個部分組成。其中RTU可以自動采集各種開關狀態量（遙信）、模擬量（遙

7、測），并經專用信道傳遞到監控中心的主站系統；有的RTU還可以按監控人員的意圖和指令執行特定的遙控操作，并將操作結果返送監控中心主站系統。目前RTU存在兩種實現方案，直流采樣方案和交流采樣方案，其流采樣方案比直流采樣方案可靠性要高。這種類型的RTU裝置直接使用AD轉換組件對交流電量進行采集計算，無需變送器之類的轉換設備，但需要快速的數字處理單元進行配合，以對采集到的數據進行分析、綜合。它不僅可以反映電量的瞬時變化，而且可以進行諧波分析，計算頻率，簡單地實現電能量總加功能。它們多使用微型計算機（如8 X86等）配合多個單片機（如8051、8098等）、并加上大量的AD轉換電路，來實現開關量、模擬量

8、的采集。a) 系統的RTU在功能上偏重遙信、遙測，而且中低壓配電網的自動化對象（開關房、開閉所和配電房）數目繁多，開關操作頻繁，更注重遙信、遙控功能。b）中低壓配電網的自動化對象遍布城市、農村等各種不同環境，被不同層次的用電管理人員（包括農村電工）所操作。更要求其具有安裝靈活、易操作、免專業維護、抗惡劣環境等特點。c）應用于中低壓配電網的RTU，在功能上應該具有模塊化結構，在硬件上要越簡單、越可靠越好。最好是同一套簡單硬件，只要簡單進行一下設置，就可以滿足不同場合、不同規模的要求。由此可見，有必要開發新型的、不同于傳統結構的RTU，以適合中低壓配電. . . . 3 / 32網自動化的特點和需

9、要。1.1.2 中低壓電網自動化 PLC 實現可編程控器（PLC）技術經過幾十年的發展，已經相當成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應用于工業控制的各個領域。用PLC來實現中低壓配電網自動化的RTU功能，能夠很好地滿足RTU的特有的要求。在國市場，有來自許多著名廠家的PLC產品。這些產品從簡單到復雜，都自成系列，可以滿足不同應用的特殊要求。大多數中低檔次的PLC產品，都包含有離散點輸入和輸出（點數的多少可以依據應用情況增減）、模擬采樣輸入、時鐘、通信等功能。利用這類PLC的現成功能，可以方便地實現中低壓配電網自動化的 RTU功能。使用PLC的離散輸入點來實現遙信、用PLC的離散輸出點來實現遙控

10、、用PLC的模擬采樣輸入來實現遙測、用PLC的通信功能來實現和主機的通信。完成這些功能，都無需額外的硬件，只需根據開關房的實際情況，對PLC進行簡單編程即可。不僅如此，利用PLC的模擬輸出功能，甚至還可以實現配電網的遙調。例如調節調壓變壓器的變比，調節靜止無功補償設備的電壓、電流相角等。我們還是拿RTU用PLC對電網自動化的實現，來說明PLC跟傳統方案的區別。這種基于PLC的中低壓電網自動化的RTU實現方案，完全可以滿足中低壓配網自動化的特殊要求。它具有以下特點和優勢：硬件結構簡單，完全免維護；規模可大可小，只需將 PLC的擴展模塊連接在一起，就可以實現遙控點、遙信點、遙測點的增加；抗惡劣環境

11、；高可靠性；編程實現各種功能，免硬件調試；費用低廉。PLC方案在具體設計時，包括以下幾個步驟：a）獲取操作點數。了解電網的基本情況與自動化的具體要求，確定系統需要進行遙控、遙信、遙測、甚至遙調的設備，信號的具體點數。b）確定通信方案。根據電網的規模與分布情況，確定總體設計方案，主要是通信方案的設計和選擇。c）PLC選型。根據各處各種操作的點數以與所確定的通信方案，選擇恰當型號的PLC 來實現RTU功能。 PLC是否具有模塊化結構和組態能力，是否能夠靈活、經濟地組成輸入點、輸出點、測量點（AD）、調節點（DA）的規模可變系統，是選擇PLC型號的另一個主要考慮因素。目前，很多廠家的產品，都可以滿足

12、通信以與模塊化的要求。例如，SIEMENS系列，三菱系列，松下的較高級別的PLC系列等。根據具體情況，在一個配網自動化工程中，整個配電網系統可以選用同一個廠家的PLC，本文闡述的“基于PLC的電力系統無功補償系統”將選用的就是三菱系列，并用三菱的Fx進行軟件設計和指令的編寫。1.2 本設計的總體方案本次設計為無功補償器的控制系統。電力系統的無功功率補償是根據系統中電流和電壓之間的相位差確定的，當電流相位超前電壓相位時，表示系統是. . . . 4 / 32容性，應通過投入電感器對容性無功進行吸收；當電流相對落后電壓相位時，表示系統是感性的，應投入電容器提供無功。只要電流和電壓之間有相位差，都可

13、通過增加或減少投入的電容器或點感器使電流和電壓之間的相位盡量可能的一樣，也就是使功率因子cos1。電流和電壓的相位差通過外電路變換成一定頻率的脈沖信號，脈沖的數目與相位差的大小成正比，當電流和電壓的相位差變化時，脈沖的數目隨之變化，可以利用計數模塊對脈沖進行計數。相位的超前和滯后，也通過外電路轉換為一電平信號，當輸入的是高電平時，相當于輸入的是“1”，當輸入的是低電平時，相當于輸入“0”。這樣就可根據輸入的開關量確定電流和電壓之間的相位差的正負，從而結合計數模塊的計數值去控制輸出口，使輸出口控制補償電路中的電力電子器件，使相應電容器或電感器進行切換。整體的框架圖如下： Fx-4ADplc cp

14、u 圖 1-1 無功補償控制系統的框架圖. . . . 5 / 32補償的基本原理分析如下：由于配電網多數為感性用戶。所有電感負載均需要補償適量的無功功率，提供這些無功功率主要有兩條途徑：一是輸電系統提供；二是補償電容器提供。如果由輸電系統傳輸無功功率，將造成輸電線路與變壓器損耗的增加，降低系統的經濟效益。而配電網中裝設補償電容器提供無功功率，就可以避免由輸電系統傳輸無功功率，從而降低電網無功損耗，提高系統的傳輸功率，達到提高系統電壓和降損節能的目的。(圖1-2 無功功率補償原理圖 ) 如圖所示：P1= S1COS1P2= S2COS2因為12c且12因此，為了保證有功功率P1 = P2不變，

15、必須裝設補償容量為C的無功的電容補償裝置。式中：COS1 改善前的功率因子COS2 改善后的功率因子S1功率因子改善前的視在功率S2 功率因子改善后的視在功率圖1-2 無功功率補償原理圖第 2章 硬件部分的設計本次設計我們主要分八個部分來進行分析，他們分別是控制面板、電壓電流互感器、相位檢測電路、Fx-4AD模塊、PLC的CPU模塊、LED顯示電路、編程器、PQ2Q3S2S1Q1. . . . 6 / 32無功投切裝置等。下面分別進行具體分析。2.1 控制面板控制面板的設計很重要，它不但要求簡潔明了，操作方便，還要求功能齊全。根據設計的功能需要它大體需要有以下幾個功能：1對當前電流電壓與功率因

16、子的顯示2. 對當前投切狀態的顯示。3. 對理想功率因子的圍設置。以下是我設計的控制面板：VI圖控制面板外觀圖圖中編號注釋：1. 外殼：控制面板主容器。2. 電網狀態與設置上限下限值LED顯示。3. 選擇顯示電網狀態。4. 選擇設置上限、下限值。5. 選擇顯示或設置電壓值V，電流值I，功率因數值。6. 選擇設置上限或下限值。7. 數字鍵盤，鍵入上限、下限值。8. 電容器投切狀態顯示：1表示第一組電容器，如亮紅色表示投如，綠色表示切除，2、3同上。. . . . 7 / 322.2 互感器在供電用電的線路中電流電壓大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流，另

17、外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。互感器就起到變流和電氣隔離作用。 2.2.1 電流互感器較早前，顯示儀表大部分是指針式的電流電壓表，所以電流互感器的二次電流大多數是安培級的（如5A等） 。現在的電量測量大多數字化，而計算機的采樣的信號一般為毫安級（0-5V、4-20mA等） 。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。n2 圖電流互感器原理接線圖電流互感器與變壓器類似也是根據電磁感應原理工作,變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流罷了。如圖繞組N1接被測電流，稱為一次繞組（或原邊繞組、初級繞組） ；繞組N2接測量儀表，稱為二次繞組（或副邊繞組、次級繞

18、組） 。電流互感器一次繞組電流I1與二次繞組I2的電流比，叫實際電流比K。電流互感器在額定工作電流下工作時的電流比叫電流互感器額定電流比，用Kn表示。Kn=I1n/I2n電流互感器大致可分為兩類，測量用電流互感器和保護用電流互感器。測量用電流互感器: 測量用電流互感器主要與測量儀表配合，在線路正常工作狀態下，用來測量電流、電壓、功率等。測量用微型電流互感器主要要求：1、絕緣可靠，2、足夠高的測量精度，3、當被測線路發生故障出現的大電流時互感器應在適當的量程飽和（如500%的額定電流）以保護測量儀表。保護用電流互感器:保護用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發生短路過載等故障時，向繼電裝置提供

19、信號切斷故障電路，以保護供電系統的安全。保護用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍幾十倍的電流時才開始有效的工作。保護用互感器主要要求：1、絕緣可. . . . 8 / 32靠，2、足夠大的準確限值系數，3、足夠的熱穩定性和動穩定性。保護用互感器在額定負荷下能夠滿足準確級的要求最大一次電流叫額定準確限值一次電流。準確限值系數就是額定準確限值一次電流與額定一次電流比。當一次電流足夠大時鐵芯就會飽和起不到反映一次電流的作用，準確限值系數就是表示這種特性。保護用互感器準確等級5P、10P，表示在額定準確限值一次電流時的允許誤差5%、10%。保護用電流互感

20、器分為：1、過負荷保護電流互感器，2、差動保護電流互感器，3、接地保護電流互感器（零序電流互感器） 。我選用的為CT07型電流互感器。該電流互感器用PBT外殼，耐高溫，耐腐蝕；環氧樹脂灌封，隔離性能好，抗沖擊性強；體積小，外形美觀，插針式直接焊接線路板；線性圍寬，一致性好。具體參數如下：產品特點：1、PBT外殼，耐高溫，耐腐蝕；2、環氧樹脂灌封，隔離性能好，抗沖擊性強；3、體積小，外形美觀，插針式直接焊接線路板；4、線性圍寬，一致性好。2.2.2 電壓互感器電壓互感器,由于尺寸工藝原因通常采用電流型的電壓互感器。實際上就是額定電流比為1，一次二次電流都是毫安級的電流互感器（如：2mA/2mA）

21、 ，它的分類也和電流互感器一樣，分為測量用電壓互感器，保護用電壓互感器。工作時，互感器一次繞組與限流電阻R串聯接被測電壓，二次輸出接運放進行I/V變換（或直接電阻采樣） 。此時一次電流為I1=U/（R+r） ，二次電流I2=I1/Kn，其中r為一次繞組阻，Kn為額定電流比。R被測電壓電壓互感器I/V型 號I/O非線性度相移 RL=0（補償后）線性圍CT07-5/2.5W5A/2.5mA0.1%50A15A負載電阻隔離耐壓使用溫度貯存溫度相對濕度5002500Vac5085609595%2500Vac. . . . 9 / 32圖2-3 電壓互感器原理接線圖我選用的為PT01-1 電壓互感器。該

22、電壓互感器輸出電壓：0.1V （100歐負載）使用時初級需加限流電阻,讓初級電流變為毫安級電流，次級通過運放能得到任意電壓。使用方便，完全電隔。屬電流型電壓互感器電流比: 1 mA/1mA 2mA/2mA 產品優點精度高,0.1級體積小電隔離,耐壓可達2500V。具體參數如下：智能式高壓開關在本設計中電壓互感器將與運放電路連在一起，具體電路圖如下圖所示：互感器RRC1C2R運算放大器圖2-4 互感器與運放的連接電路圖2.3 相位判別檢測電路相位差就是電壓超前或滯后電流的差值，在本設計中我們不但要測量出相位差的大小還要判斷出電壓超前還是滯后了，首先對相位差進行測量: 輸入兩路同頻率的正弦波信號，

23、當兩路信號的頻率一樣時，相角差=12是一個與時間無關的常數,將此兩路正弦波信號經過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號f1、f2，經過異或門輸出一個脈沖序列A，與晶振型 號I/O非線性度相移 RL=0（補償后）線性圍PT01C-2/22mA /2mA0.1%5010mA負載電阻隔離耐壓使用溫度貯存溫度相對濕度5002500Vac5065608090%額定輸入電壓額定輸出電壓串聯電阻后 30V1000V50mV8V（運放輸出） （2mA）. . . . 10 / 32產生的基準脈沖波B進行與操作得到調制后的波形C，在一定的時間圍對B、C中脈沖的個數進行,計數得Nc、Nb，則其相位差計算公式為

24、=180Nc/Nb，采用多個周期計數取平均值的方式以提高測相精度。波形如下圖所示:F1F2ABC圖2-5 相位檢測波形圖我們通過PLC計數器模塊將測量的B、C的脈沖數分別存放在寄存器D3和D6中，他們的梯形圖如下所示：圖2-6 計數器編程梯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觸發器中進行相位極性判別，當U0超前U1時，Q端輸出高電平，反之輸出低電平，極性判別的原理圖如2-7所示。. . . . 11 / 32D Q CPU0U1OUTS“1”圖2-7 相位判別電路&000&000&000&000UI觸發器信號電壓超前時相位差電流超前時相位差圖

25、2-8 相位檢測和判別的接線圖2.4 主要模塊介紹2.4.1 模擬量輸入接口模塊：在工業控制中，經常會遇到連續變化的物理量模擬信號，如電流、電壓、溫度、壓力、位移、速度等等。如果要對這些模擬量進行采集并送給CPU模塊，必須對這些模擬量進行摸/數（A/D）轉換。才能使可編程器接收這些數據。模擬量輸入模塊就是用來將模擬信號轉換成PLC所能接收的數字信號6模擬量輸入模塊的功能就是進行模擬量到數字量的轉換，一般都是將模擬量輸入的采樣值轉換成二進制數，然后再把輸入通道號與其它信號一起送到系統的部總線上。. . . . 12 / 32模擬量輸入模塊有各種不同的類型，例如：010V、-10+10V、420m

26、A 等各種圍的模塊。不管何種類型，除了輸入四路略有不同外，其他部電路結構完全一樣。因此，有的系統用外加輸入量程子模塊來解決這個問題，就可使得同一模擬量模塊適應各種不同的輸入圍。模擬量輸入接口模塊的主要技術性能有：（1）輸入通道數：4路、8路、和6路等；（2）輸入信號：電壓輸入-10+10V、+0+10V、+1+5V；電流信號420mA；（3）A/D轉換位數：8位、10位、12位或14位（均為二進制）；（4）轉換精度：0.01%0.5%；（5）線性度（滿量程）：+0.05%（環境溫度+25）；（6）轉換時間：小于50mA。例如：一個溫度信號其變化圍為50500，經溫度傳感器將其變換成一個電壓信號

27、，相應變化圍為15V，連接到三個不同的模擬量輸入模塊的接線端。若這三個模塊采用的模數轉換位數分別為10位、12位、14位，它們的溫度、電壓、數據之間的關系如下表：當采用10位的模擬量輸入模塊進行模數轉換時：溫度分辨率=（500-50）/1023=0.44（）電壓分辨率=（5-1）/1023=0.0039（V）=3.9（mV）當采用12位的模擬量輸入摸塊進行模數轉換時：溫度分辨率=（500-50）/4095=0.11（）電壓分辨率=（5-1）/4095=0.8（mV）當采用14位的模擬量輸入摸塊進行模數轉換時：溫度分辨率=（500-50）/16383=0.027（）電壓分辨率=（5-1）/163

28、83=0.24（mV）由此例可以看出，位數越多，其分辨率越高對于有較高分辨率要求的模擬量，要選用位數較多的模擬量模塊。本設計中模擬量輸入輸出模塊我們選用Fx-4AD，Fx-4AD為4通道12位A/D轉換模塊，根據外部連接方法與PLC指令。可選擇電壓輸入或電流輸入，是一種具有高精確度的輸入模塊，通過簡單的調整或根據PLC的指標可改變模擬量輸入的圍，瞬時值和設定值等數據的讀出和寫入用FROM/TO指令進行，Fx-4AD的技術指標如下表所示：溫度（）電壓(V)數據(10位)數據（12位）數據（14位）50100050051023409516383. . . . 13 / 32模擬量輸入端的接線方式：

29、可以連接電壓信號也可以連接電流信號，具體接線方式如圖2-9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時，將v+端和I+端短接；4） 如果外部信號源有噪聲或紋波干擾，則可以在輸入端連接一個濾波電容，其容量為：0.10.47MF/25V。圖2-9 模擬量輸入端接線圖當輸入的模擬量是電壓信號時，將電壓信號分別連接到“V+”和“COM”端；當輸入的模擬量是電流信號時，將電流信號分別連接到“I+”和“COM”端，并且用導線將該通道的“V+”和“I+”端連接起來。信號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電壓輸入電流輸入根據是電壓還是電流輸入，使用

30、端不同模擬量輸入圍DC：-10V+10V（輸入電阻200）絕對最大輸入15DC：-20mA+20mA（輸入電阻250）絕對最大輸入32mA數字量輸出圍帶符號位的16位二進制（有效數值11位）+2047以上固定為+2047 -2048以下固定為-2048分辨力5Mv（10V1/2000）20A（20V1/1000）綜合精度1%（相對于最大值）轉換速度15mS（14）通道（高速轉換方式時在版本V2.00以下時為6mS（14）通道）隔離方式光電隔離與采用 DC/DC 轉換器使輸入和 PLC 電源間隔離（各輸入端子間不隔離）模擬量用電源DC：24V10%50mA輸入輸出占有點數程序上為 8 點（計輸入

31、或輸出點均可）由 PLC 供電的消耗功率為 5V30mA. . . . 14 / 32“SLD”。當輸入的電壓信號有噪聲或紋波干擾，則可以在該通道的“V+”和“COM”端并聯一個的0.10.47MF/25V電容。如果電磁干擾嚴重，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的機架接地端連接在一起。PLC的CPU與模擬量輸入模塊之間的數據通信方式：部分PLC的I/O映像區中有專門的模擬量I/O映像區，允許連接的模擬量輸入通道最多32個，這些模擬量輸入經轉換后的數字量先存放在該模塊的緩沖寄存器。在輸入采用階段，PLC的CPU就從模擬量輸入模塊的數據緩沖寄存器將

32、這些數字依次地讀入到模擬量輸入映像區中（即IR0001IR0032）。在用戶程序編制時，直接使用IR0001IR0032作為操作數，就實現了對模擬量的處理。也有部分PLC的I/O映像區不設專門的模擬量I/O映像區。例如日本三菱的PLC，它沒有模擬量I/O映像區，盡管該公司的模擬量輸入模塊也占用一定數據的開關量輸入/輸出點數，但這些輸入/輸出點數不是用于存放經轉換后的數字量，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間進行通信所必需的。當用戶程序需對模擬量輸入進行處理時，由于經過轉換后的數字量此時還存放在該模塊的數據緩沖區中，因此，首先必須使用“FROM”指令將數據緩沖區

33、中的數字量讀入到PLC的數據緩沖區中的數字量讀入到PLC的數據寄存器中，然后才能在用戶程序中使用該數據寄存器作為操作數，實現對模擬量輸入的處理。PLC的CPU與模擬量輸入之間用“FROM”和“TO”指令傳送數據或控制字等，如圖2-10所示。PLC(Fx2-32MR)模擬量輸入單元Fx2N-4ADTOFROM圖2-10 PLC與模擬量輸入擴展模塊之間的數據通信三菱公司FX2N系列PLC的模擬量輸入擴展模塊FX2N-4AD有四個通道的模擬量輸入端，它有32個16位的寄存器作為數據緩沖存儲區，其中一部分用于存放控制字、出錯代碼等，另外8個寄存器，其中4個用于存放各通道經轉換后的當前數據量，還有4個用

34、于存放各通道的n次的平均值。用FROM指令可以將各個通道的當前數據量或平均值讀入PLC的數據寄存器，有關FROM指令梯形圖詳細情況在軟件部分介紹。2.4.2 中央處理器模塊(CPU)CPU模塊：CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集. . . . 15 / 32由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU

35、主要由運算器、控制器、寄存器與實現它們之間聯系的數據、控制與狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口與有關電路。存主要用于存儲程序與數據，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令與執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量與軟件容量等，因此限制著控制規模。電源模塊：PLC電源用于為PL

36、C各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。我選取的三菱Fx2N-32MR 輸入、輸出均為16點。三菱Fx2N系列產品規格概要：. . . . 16 / 32項目規格概要電源規格AC電源型： 100V240V DC 電源型：DC24VAC電源型：30VA（16M），40VA（32M），50VA（48M），60VA（64M），70VA（80M），100VA（128M）耗電量ACDC電源型：25W（32M），30W（48M），35W（64M），40W（80M）沖擊電流AC電源型：

37、最大40A5ms 以下/AC100V，最大60A5ms 以下/AC200V24V供電電源AC電源型：250mA 以下（16M,32M）460mA 以下（48M，64M，80M，128M）輸入規格DC輸入型：DC24V7mA/5mA 無電壓觸點、或者NPN 開集電極晶體管輸入_AC 輸入型：AC100120V AC 電壓輸入繼電器輸出型：2A/1點、8A/4 點COM 8A/8 點COM AC250V，DC30V 以下晶體管輸出型：0.5A/1點(Y000、Y001為0.3A/1 點)、0.8A/4 點COM DC5VDC30V輸出規格晶閘管輸出：0.3A/1點，0.8A/4點公共，AC85 2

38、42V電源輸入輸出輸入輸出擴展可連接 FX2N 系列用的擴展模塊以與 FX2N 系列用的擴展單元。程序存置 8，000 步 RAM( 電池支持)、注釋輸入、可 RUN 中寫入；安裝有存儲盒時最大可擴展到 16000 步時鐘功能置實時時鐘(有時間設定指令、時間比較指令，具有閏年修正功能)指令本指令 27 個、步進梯形圖指令 2 個、應用指令 132 種運算處理速度基本指令：0.08s/指令，應用指令：1.52高速處理有輸入輸出刷新指令、輸入濾波調整指令、輸入中斷功能、定時中斷功能、計數中斷功能、脈沖捕捉功能最大輸入輸出點數256 點輔助繼電器、定時器輔助繼電器：3，072 點、定時器：256 點

39、一般用16位增計數器：200 點，一般用32位增減計數器：35點計數器高速用32 位增計數減計數器：1 相60kHz/2 點、10kHz/4 點 2 相30kHz/1 點、5kHz/1 點性能數據寄存器一般用8,000 點、變址用16 點、文件用在程序區域中最多可設定到7,000 點模擬電位器通過FX2N-8AV-BD 型的功能擴展板，可擴展8點功能擴展板可以安裝FX2N-BD 型功能擴展板其他特殊適配器可以通過FX2N-CNV-BD 連接. . . . 17 / 322.5 無功補償裝置控制無功補償和電壓優化的規則是以全網網損盡量小、各節點電壓合格為目標，以調度中心為控制中心，以各變電站的有

40、載調壓變壓器分接頭調節與電容器投切為控制手段。首先從調度自動化系統采集數據，送入電壓分析模塊和無功分析模塊進行綜合分析，形成變電所主變分接頭調節指令、變電所電容器投切指令，由調度中心、集控中心、配調中心控制系統執行，循環往復。按照方案實施無功補償和電壓調節，使無功功率得到了自動實時補償，實現從離線處理到實時處理,從就地平衡到全網平衡,從單獨控制到集中控制，避免了人工監視、手動投切的各種弊端，如響應慢、誤操作、工作量大等，電壓水平的合格性和穩定性得到了顯著提高，整個電網的網損降到了盡量低的程度。運行實例表明，該系統方案在電力系統具有良好的應用前景。除一直保持投入的一組電容器以外，我設置了3組電容

41、器用于無功補償，電容器大小分別為100KVA、200KVA、300KVA。這樣，使電容器相互串聯就能投入或切除100KVA、200KVA、300KVA、400KVA、500KVA、600KVA，這樣通過PLC控制，無功功率可實現6級自動調節，以保證無功功率值保持在預設的區間圍波動。本設計中投切電容的電路圖如圖2-11所示：特殊擴展可連接FX0N、FX2N 系列的特殊單元以與特殊模塊。顯示模塊可外裝FX-10DM（也可以直接連接GOT，ET 系列人機界面）RS-232C、RS-485、RS-422、N:N 網絡、并聯、計算機對應數據通信對應數據CC-Link、CC-Link/LT、MELSEC-

42、I/O 外圍設備的機型選擇選擇FX2N(C)或FX2(C)。但是選擇FX2(C)時使用有限制. . . . 18 / 32電壓信號電流信號PLC無功補償裝置電源圖2-11 無功補償裝置. . . . 19 / 32第 3 章 軟件部分的設計3.1 投切部分的軟件設計電力系統電壓無功限值區間的劃分(動態9區圖)見圖3-1。根據該圖在各區，以最優的控制順序和電壓無功設備組合使運行點進入無功、電壓均滿足要求的第9區。控制策略圖如圖3-1所示：圖0Q/KVAU/KVU上U下Q下Q上1234985673-1 控制策略圖電壓控制按照逆調壓原則，當電壓變化超出電壓曲線的允許偏差圍(U上U下)或超出無功功率允

43、許偏差圍(Q上Q下)時，根據整定的偏移量發出電容器投切指令或變壓器分接頭調整指令，從而達到調整電壓和無功潮流的目的。 其中，U上、U下分別為電壓約束上、下限，Q上、Q下分別為無功約束上、下限，各區動作方案如下。 區域1：電壓超下限，無功超上限。設定電容器投入容量，并發出電容器投入指令，當電容器全部投入后，電壓仍低于U下時，發出變壓器分接頭升壓調節指令。 區域2：電壓合格，無功超上限。發出電容器投入指令，當電容器全部投入后運行點仍在該區，則維持運行點。 區域3：電壓超上限，無功超上限。發出變壓器分接頭降壓調節指令；當有載調壓已處于下限時，再發出上一級變壓器分接頭調節指令。 區域4：電壓超上限，無

44、功合格。動作方案同3區。 區域5：電壓超上限，無功超下限。發出電容器切除指令，當電容器全部切. . . . 20 / 32除后，電壓仍高于U上時，再發出變壓器分接頭降壓調節指令。 區域6：電壓合格，無功超下限。發出電容器切除指令，當電容器全部切除后，運行點仍在該區，則維持該運行點。 區域7：電壓超下限，無功超下限。發出變壓器分接頭升壓調節指令，當有載調壓已處于上限時，再發出電容器投入指令。 區域8：電壓超下限，無功合格。動作方案同7區。 區域9：電壓、無功均合格。維持該運行點，不發調整指令。根據上面的分析我們得到如下流程圖：數據采集電壓分析模塊無功分析模塊形成變壓器分接頭調壓指令形成電容器投切

45、指令降壓指令升壓指令電容切除指令電容投入指令無指令判斷是否還有電容可以投入或切除控制中心執行輸出指令報警并切斷裝置YN合理UU上UQ上Q(D57，D56), M3 ON其他區間，M4 ON(D57,D56)(D53，D52)M5 ON圖3-7 判斷電壓大小 其中，D52存電壓上限值，D54存電壓上限值。M3控制升壓指令，M4保持電壓不變，M5控制降壓指令。電壓調節完畢后通過跳轉指令，重新對無功功率進行計算，通過區間比較指令判斷所需補償的無功功率值，然后再發出電容投入或切除指令。首先介紹一下我所用的投切裝置，它由四組電容器組成，由于電網總存在一定無功功率不足，所以有一組電容器是一直接通的，自動控

46、制裝置只控制其余三組電容器的投切，其余三組電容器的大小分別為100KVA、200KVA、300KVA。這樣，使電容器相互串聯就能投入或切除100KVA、200KVA、300KVA、400KVA、500KVA、600KVA，這樣通過PLC控制，無功功率可實現6級自動調節，以保證無功功率值保持在預設的區間圍波動。下面圖3-8是無功功率與預設無功功率上限下限值的區間比較指令：其中D70存無功功率下限值，D68存無功功率上限值。(D71,D70)(D67，D66)M0 ON其他區間，M1 ON(D67，D66)(D69,D68)M2 ON圖3-8 判斷無功功率大小當無功功率小于下限值，輔助繼電器M0接

47、通，如此控制電容器組切除的指令見附錄A，附圖A-1。通過將所需切除的電容值與200KVA、300 KVA、400 KVA、500 KVA、600 KVA、700 KVA做多次區間比較，確定所需切除的電容值，若超出能夠切除的圍，則輸出報警信號。. . . . 24 / 32輔助繼電器M12、M13、M14分別控制100KVA、200KVA、300KVA的電容器組切除。當無功功率大于上限值，輔助繼電器M2接通，如此控制電容器組切除的指令見附錄A，附圖A-2。通過將所需投入的電容值與200KVA、300 KVA、400 KVA、500 KVA、600 KVA、700 KVA做多次區間比較，確定所需投

48、入的電容值，若超出能夠投入的圍，則輸出報警信號。輔助繼電器M6、M7、M8分別控制100KVA、200KVA、300KVA的電容器組投入。3.4 程序仿真3.4.1 GX Developer 簡介GX Developer是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、 ST與FB、Label語言程序設計，網絡參數設定，可進行程序的線上更改、監控與調試，具有異地讀寫PLC程序功能。GX Developer特點：1. 軟件的共 GX Developer能夠制作Q系列，QnA系列，A系列（包括運動控制（SCPU）,FX系列

49、的數據,能夠轉換成GPPQ,GPPA格式的文檔。 此外，選擇FX系列的情況下，還能變換成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文檔。 2. 利用Windows的優越性，使操作性飛躍上升能夠將Excel,Word等作成的說明數據進行復制，粘貼，并有效利用。3. 程序的標準化(1) 標號編程 用標號編程制作可編程控制器程序的話，就不需要認識軟元件的而能夠根據標示制作成標準程序。 用標號編程做成的程序能夠依據匯編從而作為實際的程序來使用。(2) 功能塊（以下，略稱作FB） FB是以提高順序程序的開發效率為目的而開發的一種功能。把開發順序程序時反復使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程序的開發變

50、得容易。此外，零件化后，能夠防止將其運用到別的順序程序時的順序輸入錯誤。(3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文檔，然后輸入簡單的命令就能夠讀出登錄過的回路模式，變更軟元件就能夠靈活利用了。4. 能夠簡單設定和其他站點的 由于連接對象的指定被圖形化而構筑成復雜的系統的情況下也能夠簡單的設定。5. 能夠用各種方法和可編程控制器CPU連接(1) 經由串行通訊口(2) 經由USB(3) 經由MELSECNET/10(H)計算機插板(4) 經由MELSECNET()計算機插板. . . . 25 / 32(5) 經由CC-Link計算機插板(6) 經由Ethernet計算機插板(7) 經由CPU計算機插板(8) 經由AF計算機插板6. 豐富的調試功能(1) 由于運用了梯形圖邏輯測試功能，能夠更加簡單的進行調試作業。 (a) 沒有必要再和可編程控制器連接。 (b) 沒有必要制作條使用的順序程序。(2) 在幫助中有CPU錯誤，特殊繼電器/特殊寄存器的說明，所以對于在線中發生錯誤，或者是程序制作中想知道特殊繼電器/特殊寄存器的容的情況下提供非常大的便利。(3) 數據制作中發生錯誤況時，會顯示是什么原因或是顯示消息，所以數據制作的時間能夠大幅度縮短。GX Simulator 6cn是GX Developer的一款仿真插件，安裝后可在GX Develop