PLC的无功补偿控制系统
摘 要：论述了无功补偿的重要性及并联电容器进行无功补偿的原理，分析了常用补偿方式及控制系统存在的问题，结合实际工程介绍了PLC无功补偿控制系统硬件及软件的设计方案。
关键词：无功补偿 ;PLC;功率因数;电容器
1 引言
近年来,我国电力装机容量速度增加,大大缓解了供电紧张的局面。随着供电量的增加,系统线损也将增大。据统计,电力系统的无功功率损耗最多可达总发电容量的20%～30%,也就是说大约1/4的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗。所以功率因数越低，对电力系统运行越不利，主要原因有如下两方面：
1）发电机、变压器的额定视在功率为SN=UNIN，它代表设备的额定容量，在数值上等于允许发出的最大功率。因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为
P=UIcosφ
当负载的功率因数cosφ=1时，PN=SN，其容量得到了充分利用。当负载的功率因数cosφ<1时，发电机的电压和电流又不容许超过额定值，显然，这时发电机所能发出的有功功率较小，而无功功率则较大。无功功率越大，电路与电源之间能量交换的规模越大，发电机发出的能量得不到充分利用。同时，与发电机配套的原动机及变压器等设备也不能充分利用。
2）在电压一定的情况下，对负载输送一定的有功功率时， 功率因数愈低，输电线路的电流就愈大。不仅增大线路上的压降，同时也加大了线路上的功率损耗。
由此可见，提高电网的功率因数即无功补偿，对国民经济的发展有着极为重要的意义。
2 并联电容器进行无功补偿
1） 补偿原理
实际工程中大多数为感性负载，其功率因数都比较低，感性负载并联电容器是提高功率因数的主要方法之一。
感性负载的电流超前于电源电压，而容性负载的电流滞后于电源电压，所以超前电流与滞后电流的可以互补,从电容并联点之前的电源（或电网）吸收的无功功率减少了,也就是电容性负荷的无功功率补偿了电感性负荷的无功功率。当电网容量一定时,使无功功率减少,从而可大大提高功率因数。
2） 补偿与控制方式
常用补偿的方法：一种是集中补偿（补偿电容集中安装于变电所或配电室，便于集中管理）;一种是集中与分散补偿相结合（补偿电容一部分安装于变电所，另一部分安装于感性负载较大的部门或车间。这种方法灵活机动，便于调节，且可降低企业内供、配电线路的损耗。
补偿常用控制方式：
根据用电设备负载的情况，测算出补偿电容容量，选用合适的无功补偿装置，并利用交流接触器进行分级手动投切电容。这种控制方式显然不能满足自动化工业控制的要求。
由分立元件组装的自动控制设备，这种产品元件繁多，设备笨重庞大，线路复杂，可靠性差，出现故障时维修难度大。有的使用单位由于设备无法修复，只好人工手动来进行控制，在科学技术迅速发展，集成电路、微电子技术已经普及的今天，这种状况已远远不能适应现代化生产的要求。
以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展，但单片机抗干扰能力较差，在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。另一方面电压等级越高的变电站其辐射范围也越大，故障的波及面也大，因此系统对它的控制能力、通信能力要求也更高。
3 PLC无功自动补偿系统设计
3.1 PLC的引入
PLC是以微机技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，它的结构形式基本上与微型计算机相同，小型PLC是为取代传统的继电接触式控制系统和其它顺序控制器而设计的，故又与通用微型计算机的硬件有所区别。它是把继电器控制的优点，与计算机的功能齐全、灵活性、通用性相结合，用计算机编程软件逻辑代替继电器接线逻辑的通用性自动控制备。是一种较理想的新型工业控制装置。因此，对大港油田炼油厂无功自动补偿系统进行了改造，在原分立元件组装的补偿设备的基础上，设计了可编程控制器（PLC）无功自动补偿系统。
3.2 系统的硬件设计
原分立元件组成的无功自动补偿控制器主要由相角检测电路、加法电平转换与延时电路、减法电平转换与延时电路、可逆计数器、译码器、输出电路等十部分组成，改用PLC控制后，系统构成的硬件框图如图1 。
原系统的主回路、相角检测电路、输出电路、稳压电源继续采用，而加法电平转换与延时电路、减法电平转换与延时电路、时钟脉冲发生器、可逆计数器、清零电路、译码器等硬件电路的控制功能用PLC实现。相角检测电路的输出信号较弱，不足以驱动PLC的输入，所以该信号要经放大处理后，作为PLC的输入信号。根据系统的控制要求，利用PLC的软件实现自动控制。原输出电路中的三极管开关电路，用PLC的输出继电器实现。由于受到PLC输出点容量的限制，加入中间继电器作为输出电路。
3.3 PLC的选型
选用日本OMRON C28P作为控制主机，其主要技术参数和性能为：存储容量1194地址，内部辅助继电器136点，保持继电器160点，定时器/计数器48个，输入光电隔离，输出继电器隔离，主机I/0点数可扩展为80/60点，具有基本逻辑指令和功能较全的专用指令，具有较强的数据处理能力，可以满足无功自动补偿控制系统的要求。
3.4 PLC软件设计
控制程序采用模块化、结构化设计，层次分明，结构清楚。程序流程图如图2。检测模块随时采集用电系统的相角信息，然后和给定参数进行比较，如果不满足要求，及时投入或切除补偿电容器，保证用电系统的功率因数满足设定要求。
4 PLC无功自动补偿控制系统的优点
4.1可靠性高。
采用分立元件组装的控制系统，每个部分都由几十个元件成，整个控制器有数百个元器件，任何一个元器件出现问题都会造成整个控制器故障而不能正常工作。而采用PLC进行控制，使线路大大简化，从根本上减少了故障的机遇。另外还采用了模块式结构，使得该系统的可靠性大大提高。
4.2抗干扰能力强
由分立元件组成的控制系统，其中采用了大量的二极管、三极管、电容等元件，对电路的工作环境和温度有一定的要求而PLC是专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采取了多种抗干扰措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，抗干扰能力强，运行稳定性高。
4.3便于安装，维护方便
与分立元件控制系统比较，PLC控制系统体积小、重量轻，便于安装。该系统具有自检和监护功能，而且能动态地监视控制程序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便，由于接线少，所以维护方便，修复时间短。
5 结论
实际运行结果证明，以上控制系统完全满足技术指标要求。采用PLC进行无功自动补偿控制，整个系统结构简单，运行稳定，可靠性高。无论从经济的角度考虑，还是从技术方面分析，都不失为最佳的选择。
本文作者创新点:采用PLC进行无功自动补偿，提高了无功补偿系统的可靠性和系统的无功优化，组态灵活，易于扩展;对无功补偿系统老设备的改造有着较高的参考价值和非常广阔的前景。
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