变电站综合调压装置设计

2020-03-19 来源：乌哈旅游

青岛农业大学

毕业论文（设计）

题目：姓名：学院：专业：班级：学号：指导教师：变电站综合调压装置设计 **** 机电工程学院电气工程及其自动化 ****** ******** ******

201* 年 * 月 ** 日

摘要 .............................................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................................... II 1绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1选题背景和意义 ................................................................................................................ 1 1.2国内外研究现状 ................................................................................................................ 2 1.3电力系统的无功功率平衡和电压关系 ............................................................................ 2 1.4论文的主要工作 ................................................................................................................ 4 2 VQC的基本原理及控制目标..................................................................................................... 5

2.1 VQC的基本原理............................................................................................................... 5 2.2 VQC的控制目标............................................................................................................... 6 3变电站电压无功控制策略 .......................................................................................................... 7

3.1变电站电压无功控制的数学模型 .................................................................................... 7 3.2九区图控制策略 ................................................................................................................ 8 3.3基于变量计算的VQC策略原理 ................................................................................... 13 4主控制器的设计 ........................................................................................................................ 17

4.1 PLC的简介 ...................................................................................................................... 17 4.2控制系统硬件的设计 ...................................................................................................... 17 4.3系统软件设计 .................................................................................................................. 23 5外围装置的设计 ........................................................................................................................ 31

5.1变压器档位控制电气图 .................................................................................................. 31 5.2电容器接线方案 .............................................................................................................. 32 5.3开关量接口模块 .............................................................................................................. 34 5.4装置测试 .......................................................................................................................... 35 6结论 ............................................................................................................................................ 38 参考文献 ....................................................................................................................................... 39 致谢 ............................................................................................................................................... 41

变电站综合调压装置设计

摘要

随着对供电质量要求的提高，电压成为衡量电能质量的一个重要指标，而在电力系统中电压和无功密切相关。因此，对变电站的电压和无功进行综合控制对提高电压质量有着重要的意义。

本文首先对电力系统的电压无功控制现状进行了分析，并结合电压与无功功率的关系，根据国内外相关文献资料的相关结论得出最适合的调节方法，确定了以并联补偿电容器和有载调压变压器两种方法结合起来实现电压控制，使电压和功率因数保持在正常范围内。分析了九区图策略的不足，以基于变量计算的VQC为控制策略，以并联补偿电容器和有载调压变压器作为控制手段,采用可编程控制器为核心控制器，设计了控制系统的主电路、控制装置，并编制了可编程控制器的控制流程框图，使本装置运行可靠，能在变电站各种运行方式下确保电压合格和无功基本平衡。

关键词：变电站；九区图；变量计算；可编程控制器

The Design of the Integrated Voltage Regulating Device at the

Substation

ABSTRACT

With the increasing demands for the power supply quality, the voltage becomes an important index that measures the power quality, while in power system, voltage is related with reactive power. Therefore, comprehensive control of the voltage and reactive power of the substation has the important meaning for improving power quality.

First, the analysis of present situation is given for the voltage and reactive power control of modern power system in this paper, and combined with the relationship between voltage and reactive power. The most appropriate adjustment method based on the conclusions of the related literature data have been obtained, determine the voltage control to the parallel compensation capacitor and on-load voltage regulation transformer are two ways to combine, it making voltage and power factor keep in normal scope. Analysis of the lack of nine-zone boundary criterion strategy, with the VQC based on variable calculation as control strategy, and parallel compensation capacitor and on-load voltage regulation transformer as control means, with PLC as key controller, main circuit and control device of control system have been designed, the process of PLC is also made, so making this device reliable operation, can ensure voltage qualified and reactive power basic balance in substation all kinds operating mode. Key words: substation; Nine-zone; variable calculation; PLC

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 1绪论

1.1选题背景和意义

电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证电压接近额定值是电力系统运行调整的重要任务之一。这是由于各种用电设备都有是按额定电压设计制造的，电压偏移过大不仅对用户的正常工作产生不利影响，还可使网络损耗增大，甚至危及系统运行的稳定性，经研究结果表明，造成电压质量下降的主要原因是系统无功功率不足或者无功率分布不合理，所以电压调整问题主要是分布问题与无功功率的补偿。作为变电站调压的主要手段，一般都采用有载调压变压器和补偿电容器，有载调压变压器可以在带负荷条件下切换分接头[1]。从而改变变压器的变比，可以起到调整电压降低损耗的作用；无功功率补偿，可改变网络中的无功潮流分布、改善功率因数、减少网络损耗和电压损耗，从而改善用户电压质量。以上两种措施虽然都有调整电压的作用，但其原理作用以及效果是不同的，在利用有载调压变压器分接头进行调压时，调压措施本生不产生无功功率。因此在整个系统无功不足的情况下不可能用这种方法来提高全系统的电压水平。而利用补偿电容器进行调压，由于补偿装置本身可产生无功功率，因此这种方式既能弥补系统无功的不足，又可以改变网络中的无功分布，然而在系统无功充足但由于无功分布不合理，而造成电压质量下降时，这种方式却又是无能为力的，因此只有将两者有机的结合起来，才有可能达到良好的控制效果。

从降低网络损耗的角度上讲，进行地区电网的无功优化可有效降低网络损耗，如果全国平均损率能下降1％，每年就可以减少数十亿度的电能损耗，其经济效益是非常可观的。因此，为了保证电能质量，应增强对电压无功的调控能力。随着地区电网的不断发展，电网结构日趋复杂，无功调节手段的数目日益增多，用户对电能质量的要求也日益提高，这些因素导致地区电网电压无功优化控制问题的规模越来越大，对其要求也越来越高，传统的电压无功控制方法已不能满足电力系统运行的需求。因此，采用一种新的控制原理和控制方法来解决地区电网电压无功协调优化控制问题具有重大的理论意义和工程实际意义

[2]

。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 1.2国内外研究现状

变电站电压和无功功率控制有三种形式，即软件式，软、硬件结合式和硬件式控制方式。从理论上讲，软件式是保证系统运行电压正常，提高系统运行可靠性和经济性的最佳方案。但它要求调度中心必须具有因地制宜的电压和无功优化实时控制软件，而且需要各配电中心都配有足够容量的具有智能执行单元的自动化补偿装置，对遥测、遥信和遥控功能和通道的可靠性要求很高。随着FACTS等技术的发展，在国外发达国家广泛采用软件来实现电压无功的全局优化控制但在我国各变电站的基础自动化水平层次不一，实现全系统的集中优化控制尚有较大的难度。软、硬结合式数据处理和参数采集之间需要通讯处理，可靠性有所降低。硬件式控制方式有独立的数据采集单元及控制处理单元，具有独立性强、工作可靠的优点，是我国所采用的主要的电压、无功综合控制形式。但这种控制方式只能做到局部优化，适用于单独变电所的控制，不能实现全局资源的优化配置和利用，但确是电压/无功控制的基本单元[3]。

1.3电力系统的无功功率平衡和电压关系

在电力系统中，电源的无功输出在任何时刻都同负荷的无功功率和电网的无功消耗之和相等，即：

QGC = QLD + QL (1-1)

式中，QGC ____ 电源输出的无功功率； QLD ____ 负荷消耗的无功功率；

QL ____ 电网消耗的无功功率。

无功功率平衡与电压水平之间的关系用下面简单的例子加以说明。 I  E E U G~  jXI   P+jQ jX  UI 图1-1 等值电路图图1-2 相量图

隐极发电机经过一段线路向负荷供电，略去元件的电阻，用X表示发电机电抗与线路电抗之和，等值电路如图1-1。假定发电机和负荷的有功功率为定值。根据相量图1-2可知：

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） U=EsinXI=Ecos (1-2)

PUIcosEUsin (1-3) X QUIsin又 sinEUsinsin (1-4)

XcosEcosU (1-5) XIEsin cos (1-6)

当P为一定值时，得：

EUU2cos Q (1-7) XXU2EU2Q (1-8) PXX2假设电动势E为一定值，Q同U的关系如图l-3的曲线1所示。负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性如图中曲线2所示。这两条曲线的交点a确定了负荷节点的电压值Ua，也就是说a点是无功功率平衡点[4]。

当负荷增加时，无功电压特性曲线变为2`，如果系统的无功电源没有相应增加，电源的无功特性曲线仍然是1。这时曲线l和2`的交点a`就是新的无功平衡点，负荷点的电压变为Ua`。由图知Ua`Q 1` 1 0 2` 2 c a` a Ua` Ua U 3

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）

图1-3 按无功功率平衡确定电压

由于无功和电压密切相关，单独调节电压或无功是不合理的。由此可见，电压无功控制就必须电压和无功进行综合考虑、调节。一般采用有载调压变压器调压，投切电容器组来调节无功，使这两种相互影响的调节手段配合好。

1.4论文的主要工作

本文的主要工作包含以下几个方面：

（1）查阅了大量的期刊和资料，对无功补偿的国内外发展过程和现状，电压无功综合控制的目的和意义进行论述。

（2）论述变电站电压无功控制（VQC）的基本原理，控制目标及九区图策略缺陷，提出了基于变量计算的VQC策略。

（3）详细论述基于变量计算的控制策略。（4）选择西门子S7-226完成了系统控制器设计。

（5）完成外围动作装置的设计，并对装置进行了简单测试。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 2 VQC的基本原理及控制目标

2.1 VQC的基本原理

简单系统接线图如图2-1所示，Us为系统电压；U1、U2为变电站主变高低压侧电压，UL为负荷电压，PL，QL分别为负荷有功和无功功率，KT为变压器变比，Qc为补偿无功功率，Rs，Xs，RL，XL分别为线路阻抗参数，RT，XT为变压器阻抗参数。

系统 U1 KT U2 RL+jXL UL PL+jQL IL Rs+jXs RT+jXT Qc

图2-1 变电站等值电路图

(1) 调节有载调压器的变比由于U2U1为可控变量，当负荷增大，降低KT以提高U2，从而以提高U2来补偿线路KT上的电压损耗，反正亦然。

(2) 改变电容组的数目当投入电容量QC后，有：

U2USP2(RSRT)(Q2QC)(XSXT) (2-1)

U2比较以上两式可见QC的改变会影响系统中各点电压值和无功的重新分配，当负荷增大，通过降低从系统到进站线路上的电压降US以亦可增大UT2，以抵消UL的增大。

投入QC后网损为：

P22(Q2QC)P22(Q2QC)S(RSRT)j(XSXT) (2-2) 22U2U2225

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）可见网损随Q2(Q2QC)2，即主变低压侧无功功率的平方而变化，在输送功率一定的情况下，Q2越小，网损越小。理论上，当Q20时功率损耗最小，因此，对于简单的辐射形网络，提高功率因数是降低网损的有效措施[5]。

2.2 VQC的控制目标

(1) 保证电压合格

主变低压母线电压以必须满足：ULU2UH (UH、UL既是规定的母线电压上下限值)。电力系统运行时由于负荷的随机变化和运行方式的改变，母线上的电压是经常变动的，因此允许各电压中枢点(监测点)的电压有一定的偏移范围，例如10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％(GBl2325—90《电能质量供电电压允许偏差》)[6]。

(2) 维持无功基本平衡，使系统的功率损耗尽量减小

从变电站电压无功综合控制的角度，通常要求主变高压侧注入无功功率Q1必须满足：

QLQ1QH，一般情况下应使流入变电站的无功大于0，即无功不倒送。在有的时候，为保证电压合格，常采用强行调节的措施，如当分接开关调节次数达限时，常采用强投强切电容器组的措施来保证电压质量，以牺牲无功和网损合格率为代价[7]。

(3) 尽量减少控制设备的动作次数,尤其是减少有载分接头的调节次数

由于变压器在电网中的重要地位，应对其进行重点保护。在有载调节分接开关时，由于会出现短时的匝间短路产生电弧，一方面会对分接开关的机械和电气性能产生影响，另一方面也影响变压器油的性能。有关资料表明，有载凋压变压器80％的故障是由于有载分接开关所引起的，因此各变电站都严格限制了有载分接头的日最大调节次数(一般110kV为10次，35kV为20次等)，同时也对电容器组的日最大投切次数作出了限制(如30次)，并对总的动作次数作出了限制[8]。因此在控制策略上应尽量使日动作次数越少越好(特别是分接开关的调节次数)。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 3变电站电压无功控制策略

3.1变电站电压无功控制的数学模型

图3-1(a)为变电站主接线图。变电站由电网一次变电站供电。一次变电站母线电压为U0，输电线L的阻抗为RL+jXL，其等值电路如图3-1(b)所示。

U0 L U1 n:1 U2 P+jQ

T (a) U0 U1 U2 QC QC

RL XL RT pc qc ps qs (b) XT P+jQ

图3-1 双参数调节的控制系统

变电站的综合负荷为P+jQ，忽略不计线路和主变的并联支路，归算至低压侧的系统总

RL阻抗RSjXS2RTnXj2LXT。在某一时刻VQC调节后不会对U0产生影响[9]。 n主变归算至低压侧的电阻和电抗：

U RTPKT2N (3-1)

STN

2UK%UT2N (3-2) XT100STN2式中：PK、UK(%)为变压器短路功率和短路电压(百分数)；UT2N为变压器二次绕组额定电压；STN为变压器额定容量。

试投入运行的并联电容器额定容量QCN，额定电压为UCN，则电容器电纳Bc为：

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） BCQCN (3-3) UCN2故并联电容器实际发出的无功功率：

2 (3-4) QCBCU2一般110kV及以下电网的电压降落横分量可忽略不计，又由于高压电网RS<2U0(QBCU2)U2XS (3-5) nU2可按式3-5求出U2的近似解。主变高压侧无功功率为：

P2QQCQ1QQCXT (3-6) 2U223.2九区图控制策略

VQC的控制目标采用基于九区图的控制策略。为实现母线电压和无功功率综合控制就是利用电压、无功2个判据量对变电站主变压器高压侧无功和目标侧电压进行综合调节，以保证电压在合格范围内，同时实现无功基本平衡[10]。按电压、无功的限制整定方式进行综合控制时，电压、无功的上下限如图3-2所示。

8 1 2 U上限 7 9 3 U下限 6 5 4 Q下限 Q上限图3-2 九区图

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 3.2.1九区图基本原理

九区图控制策略是按照固定的电压和无功功率或功率因数上下限将电压-无功平面划分为九个区域。见图3-3所示，U取主变低压侧母线电压U2，Q取主变高压侧母线无功功率Q1，构成电压-无功功率控制模式，也可取主变高压母线功率因数PF1代替Q1，构成电压-功率因数控制模式。无功功率越下线或功率因数超前越上限表示无功过剩，变电站向电网倒送无功；无功功率越上限或功率因数滞后越下限表示无功不足。为防止电容投切振荡，无功上下限之差应至少为投切1组电容器所引起的无功最大变化量。一般取无功功率下限不大于0或功率因数上限不小于1。电压上下限值一般按母线电压合格范围确定，取电压上限值为电压合格范围的最大正偏移值(考虑到VQC的计算误差，或取低于最大正偏移值1％左右的数值)，取电压下限值为电压合格范围的最大负偏移值(或取高于最大负偏移值1％左右的数值)。如某终端变电站10kV母线电压合格范围为10kV～10.7kV，可取电压上限值UH=10.7kV，取电压下限值UL=10kV。

九区图中电压、无功功率以及功率因数上下限可分别用UH、UL、QH、QL、PFH、PFL表示。注意：电压-功率因数控制模式下，超前的功率因数一律按加2处理。

根据VQC控制要求，应将主变低压侧母线电压控制在规定的电压上下限之间，确保电压合格；同时尽量将无功功率或功率因数控制在规定的无功功率上下限之间；若不能使电压、无功功率同时满足要求，则优先保证电压合格。九区图各区域具体的控制策略如下。

1区：电压越上限，无功功率合格，先升档降压至电压合格；分接头档位已上调至最高档，而电压仍高于上限，则强行切除部分并联电容器组。

2区：电压越上限，无功功率越上限，先升档降压至电压合格；若分接头档位已上调至最高档，而电压仍高于上限，则强切电容。

3区：电压正常，无功功率越上限，投入并联电容器组；若无电容器组可投，则维持。 4区：电压越下限，无功功率越上限，先投入并联电容器组使无功功率合格；若无电容可投或电容器组投完后而电压仍低于下限，则再降档升压至电压合格。

5区：电压越下限，无功功率合格，降档升压至电压合格；若分接头档位已调至最低档，而电压仍低于下限，则强行投入并联电容器组。

6区：电压越下限，无功功率越下限，降档升压至电压合格；若分接头档位已调至最低档，而电压仍低于下限，则强投电容。

7区：电压合格，无功功率越下限，切除并联电容器组；若无电容器组可切，则维持。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 8区：电压越上限，无功功率越下限，先切除并联电容器组；若无电容可切或电容器组切完后而电压仍高于上限，则再升档降压至电压合格。

9区：电压、无功均合格，为不动作区，是VQC控制的目标区域。

九区图的电压、无功上下限一般在某个负荷时段取固定值，并按逆调压原则自动调整电压下限值。变电站如何越大、电压下限值越高，即在高峰负荷时适当提高运行电压，将电压下限值提高；同理，在低谷负荷时候适当降低运行电压，将电压下限值降低[11]。图3-3给出了九区图各区域控制策略示意

无功功率下限升档降压切电容在最高档，强切电容无电容切，升档降压无功功率上限升档降压在最高档，强切电容电压上限切电容无电容可切，维持降档升压在最低档，强投电容不动作逆调压原则调整电压下限投电容无电容可投，维持电压下限降档升压在最低档，强投电容投电容无电容投，降档升压功率因数上限功率因数下限

图3-3 九区图各区域的控制策略

九区图控制策略不区分变电站负荷的电压静态特性，对恒定功率负荷和恒定阻抗负荷时通用的。基于九区图策略的VQC在一定程度上提高了主变低压侧母线电压的合格率，实现了无功就地平衡，改善了变电站的功率因数和减少了电网的功率损耗，在一定程度上能够满足变电站的运行要求。 3.2.2九区图不合理动作分析

由于电压、无功上下限都是固定值，未充分考虑电压、无功的相互协调关系，某些区域的控制策略不能使电压、无功同时满足要求，只能使运行点进入相邻区域，而不能够直接进入9区，从而增加了受控设备的动作次数。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）

8 QL QH

1 2 UH

8 QL

△Qu min

1 S`1 2

7 9 3 7 9 3 UL UL

6 5 4 6 5 4 S S`2 △Qu min Q=0 1

(a) 恒定阻抗负荷模型 (b) 恒定功率负荷模型 QL QH 8 1 2 UH a 7 9 3 △Uqmin △ U qmin b UL

6 5 4

（c）振荡动作示意

图3-4 九区图不合理动作示意

如图3-4（a）所示，QL0，变电站负荷取恒定阻抗模型。6区采用的降档升压策略，在提高电压的同时却使无功功率在一定程度上受到恶化，因此运行点进去7区而不可能直接进入9区。当运行点位于5区中无功功率为负值的S小区时，降档可能会使无功功率越下限，运行点进入7区或6区。又如4区采用的辅助策略降档升压，在提高电压的同时会使感性无功功率数值增大，因此运行点将进入3区[12]。

如图3-4（b）所示，QL0，△Qu min为调节1档分接头所引起的无功功率最小变化量，变电站负荷取恒定功率模型。2区和6区采用的调档策略在改善电压的同时均会使无功功率在一定程度上恶化，运行点只能进入3区和7区。又如当运行点位于1区中的S1小区时，升档降压会使无功功率越上限，运行点进如3区或2区；当运行点位于5区中的S2小区时，降档升压会使无功功率越下限，运行点进入7区或6区。

比较图3-4（a）、（b），可知对于ZIP负荷模型，6区采用的降档升压策略总会使运行点进入7区。由于调档对无功功率的影响极小，这些区域的调档策略基本符合VQC的控

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）制目标，但增加了分接头和电容器组的动作次数。在没有其他更为合适的策略的情况下，这些区域只能采用调档措施。,

九区图的某些区域对于控制的结果还可能会产生振荡动作的现象。所谓“振荡动作”是指在调档和投切电容时，不能使运行点直接进入目标区域而是进入控制前所在区域的邻近区域，在邻近区域控制策略的作用下，又使运行点回到控制前区域的现象。振荡动作现象会增加分接头和电容器组的动作次数，对设备的使用寿命产生不利的影响，并使系统所受冲击次数增多，因此在控制策略上应加以避免[13]。

如图3-4（c）所示，QL0，Uqmin为投切1组电容器所引起的电压最小变化量，变电站负荷取恒定阻抗模型。图3-4（c）中，当系统运行于3区中Uq小区中的任意一a点时，根据3区的VQC策略，将投入1组电容器进行无功补偿，引起电压升高，无功功率减小，功率因数增大，则投电容后运行点将可能进入1区或2区而非9区；此后VQC应该按1区或2区的策略动作，分以下两种情况。

①投电容后运行点进入1区

若分接头有足够的档位可上调，则VQC执行升档动作，电压降低，功率因数不变，无功功率数值减小且性质不变，无功功率不会越下限，不管是何种控制模式，运行点都可以进去9区。

若分接头已调至最高档或分接头达日最大调节次数而闭锁，则VQC执行强切电容动作，使运行点又回到原先的a点；VQC再按3区的策略投电容，如此就产生电容投切振荡现象。

②投电容后运行点进入2区

若分接头有足够的档位可上调，则VQC执行升档动作，电压降低，功率因数不变，无功功率数值减小且性质不变。在电压-无功功率控制模式下，由于调档对无功功率的影响很小，因此运行点可能进入不了9区而是又进入Uq小区，从而产生振荡动作现象。在电压-率因数控制模式下，由于调档对功率因数无影响，运行点又回到Uq小区，产生振荡动作现象。

若分接头已调至最高档或已被闭锁，则VQC执行强切电容动作，产生电容投切振荡现象。

b点情况和a点类似，当变电站负荷取恒定功率模型时，也可作类似分析。

应注意到，九区图策略对控制设备的动作次数使无限制的，而变电站对分接头的日调

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）节次数由严格的限制，一旦分接头达到日最大调节次数或检修最大调节次数将会被闭锁，由此可能会产生振荡动作现象。

另外如果无功功率上下限之差设置偏小，也会造成电容器组的投切振荡现象。

3.3基于变量计算的VQC策略原理

基于变量计算的VQC策略原理是通过潮流方程获得VQC控制所需电容器组数和分接

头档位。如图3-5所示，设变电站共有m组等容电容器。变电站综合负荷取恒定功率模型。使主变低压侧母线电压处于规定的电压上下限值之间，高压侧功率因数尽量近于1，是VQC策略的基本控制目标。

系统 U0 n:1 U2 U1 RLD+jXLD ULD PLD +jQLD IL R GL+jXGL RT+jXT Qc

图3-5 系统等值电路

设变比n不变，为维持主变低压母线电压在规定的U2C，由式3-7可得式3-8。

22PLDRS(QLDBCU2)XS2PLDXS(QLDBCU2)RS2U0][] (3-7) [U2nUU22222222442U2QLDXSCZS(U0/n2PLDRS)PLDZSU2CRSBC22 (3-8) 22U2CZSU2CZS22ZSRSXS

RSRGLRT n2XGLXT 2nXS电容器应投入组数为：

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） kj式中：B0为1组电容器电纳。

BC (3-9) B0由于电容器组数k为非负整数，因此需要对kj进行取整处理，分以下3种情况讨论：若kj0，则取k0，此时BC0。

若0kjm，则k按小方向取整处理，此时BCkB0。若kjm，则取km，BCmB0。

按上面方法求得的电容器组数仅是从保证主变低压侧母线电压合格的角度出发的，并不一定保证主变高压侧功率因数满足规定的要求。一般要求主变高压侧功率因数PF1应满足0.9~1，考虑到调档对高压侧功率因数的影响微小，因此可在计算变比前增加一个无功判据：

0.9PF11 (3-10)

PF1sign[sin(arctanQ1Q)]cos(arctan1) (3-11) P1P1式中：sign表示符号运算函数。而Q1和P1的计算式为：

222PLD(QLDkB0U22C)XTQ1(QLDkB0U2C)2U2C (3-12) 222PPPLD(QLDkB0U2C)RLDT21U2C按式3-9计算并按取整方法求取电容器组数k后，再根据式3-10所示的判据进行校验。若满足式3-10，则k维持原值：若PF1小于0.9，则k应增加：若PF1小于0，则k应减少。k增加或减少时，每次按1组进行，直到满足式3-9或无电容器组可增减为止。

确定电容器组数k后，再考虑分接头的调节。将式3-7整理成关于变比n的方程（取： BCkB0，U2U2C）

An4Bn2C0 (3-13)

式中：

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 42222222AU22U[PR(QkBU)X][P(QkBU)](RXC2CLDTLD02CTLDLD02CTT)22222B2U2C[RLDRGL(QLDkB0U2C)XGL]2[PLD(QLDkB0U2C)](RGLRT

XGLXT)UU22C20

22222C[PLD(QLDkB0U2C)](RGLXGL)

由式3-13可得变比nj的求算公式如下：

njBB24AC (3-14)

2A按式3-14得到的计算变比应按接近的实际变比进行选取。

主变低压侧母线电压一般都有一个允许变化范围，即当电压处于U2L（U下限）和U2H（U上限）之间都被认为是合格的。在假设已有变比k不变的情况下，可按式3-7、式3-8由U2CU2L和U2CU2H分别计算求取对应的kL和kH，再将U2CU2L、kkL和

U2CU2H、kkH分别代入式3-14计算求取对应的实际变比nL和nH。

根据变压器变比定义，可按式3-15将计算变比nj转化为计算档位tapj：

tapj(njUT2N1)/tap (3-15) UT1N式中：UT1N为主分接头电压；UT2N为变压器低压绕组额定电压；tap为变压器分接头相邻两档的档距。

为保证电压在允许变化范围内，按照变比n越大（越小），低压母线电压U2越低（越高）的基本规律，选取nL(tapL)和nH(tapH)的原则是：

求nL(tapL)：U2CU2L时，选取的nL(tapL)应略小于nj(tapj)。求nH(tapH)：U2CU2L时，选取的nH(tapH)应略大于nj(tapj)。

显然上述计算电容器组数kj和变比nj的公式较为繁琐，对于110kv电网,在不计电压降落横分量和全网电阻的情况下，可按式3-16推导出kj和nj的近似计算公式如式3-17和式3-18

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 2UG(QLDBCU2)XS (3-16) U2nU2U0QLD1BCU2nXSU2CXS2C (3-17) kjBCB0U22222n2CU0U2CU04[U2C(QLDkB0U2C)XT](QLDkB0U2C)XGLj2[U222C(QLDkB0U2C)XT] 16

(3-18)

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 4主控制器的设计

4.1 PLC的简介

从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以，PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等，如图4-1所示。

外部设备按钮存储器输输入出触点

单单模拟量元中央处理器元连接至各部分电源与其他系统连接接触器线圈指示灯

图4-1 PLC结构框图

PLC的整个工作过程可分为五个阶段：自诊断、与编程器等的通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新[14]。其工作过程框图如图4-2所示。

自诊断与编程器、计算机等通信读取输入信号

输出信号执行用户程序图4-2 PLC工作过程框图

4.2控制系统硬件的设计

经过对控制对象的初步分析确定了控制系统所要完成的功能及所需要的资源，结合变电站设备的性能要求，选择西门子公司的S7-226型PLC作为主控单元。优良的扩展性、

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）低廉的价格和强大的指令，使控制要求满足小型控制系统。 4.2.1 控制系统的组成

装置面向的对象是一个有着简单接线形式的变电站，采用单母线接线，具有一台可有载调压的主变，母线下面装有4组补偿电容器，如图4-3所示。（如果需要扩展电容器组，可依据具体情况采取软硬件修改，保留扩展余地）

QF2 检测

QS1 FU1 L1

图4-3 控制装面向的变电站接线图

C1 4 QF1 为了实现对有载调压分接开关和电容器组的保护和控制，须拥有充足的信息采集和I/O端口；且考虑到电容器组的扩建与后续功能的完善，因此西门子S7-226的I/O口不够充分，需要扩展元件。同时，数据采集元件要具有能够与控制元件通讯、有A/D转换及滤波功能。控制系统需要有采集系统运行方式功能，主要包括断路器的状态，电容器投切开关的状态，变压器档位信息，变压器分接开关及每组电容器的不平衡保护信号。此装置应能够手动控制设备，在调试状态和故障处理等异常状态下采用手动方式，而后应能够人工解锁对设备的控制，故设置自动、手动切换和故障消除按钮。装置的输出信号：电容器的投切控制信号、分接头档位升降信号、控制输出的闭锁信号及故障报警信号。为应对上述系统工作，所以要有足够的开关量输入/输出点。采用数字量扩展模块EM223(16I/16O)将输入量点扩展至40个、输出点扩展至32个可满足系统要求。其余接口可以进行扩展功能。为了实现

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）控制策略算法所需要的参量，需要一个参数检测装置采集主变的低压侧系统电压、系统电流和电容器电流，其中系统电压、电流用于测量线路的有效电压、有效电流和无功功率、功率因数，这些电参数输入控制策略，最终决定调节动作；电容器电流用于对系统电容器的保护。PLC和参数检测装置都具有标准的RS-485接口，将检测装置与PLC的PORT0口相连，组成采集系统参数的主从网络，而PORTl口则与上位机、编程软件等连接，对PLC进行编程控制或扩展整个控制系统功能[15]。

图4-4为控制器硬件结构，由以下元件构成： (1) 主控模块：S7-226

(2) 运行参数采集：PDM800AC 一块（Modbus协议） (3) 变压器档位及电容器信息采集：扩展I/O模块 (4) 编程软件：STEP7-Micro/WIN32 (5) 上位机电分报故

容接警障

器头输信

出息投升

切降

（（人上编机 RS485/232 数字量输出程界面位软Port1 S7-226 EM223 设 RS485 机件Port0 ）备数字量输入） PDM-800DS 档系保电手 PDM-800AC 位统护容动状运闭器操态行锁状作

信方态信

式号号图4-4 控制器的硬件结构

4.2.2主控单元的选择

S7-226PLC的构成。 (1)电源部分及PLC安装

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）所有的S7-200 CPU都有一个内部电源，它为本机单元、扩展模块及其他用电设备提供5V、24V直流电源，扩展模块通过与CPU连接的总线取得5V直流电源，CPU还向外提供一个DC 24V电源。如果扩展模块需要的5V电源超出了CPU的供电能力，则必须改变模块配置。I/O点和扩展模块所需DC 24V超出电源容量，需外接DC 24V 电源。（CPU226供电能力：5V,1000mA；24V,400mA）

S7-200 PLC安装可利用设备上的DIN夹片把模块固定在一标准(DIN)的导轨上，在安排S7-200设备时，应留出接线和连接通讯电缆的足够空间。当配置S7-200系统时，可以灵活地使用I/O扩展电缆，用扩展电缆可以很容易把PLC和其它的扩展模块连接在一起。考虑到PLC的后期扩展，预留出一定的地方，可扩展7个模块达到共256个数字量点。

(2)编程软件

S7-200 用PC机进行编程。编程软件为STEP7-Micro/WIN32，支持32位Windows95，Windows98，使用环境。STEP7-Micro/WIN软件具有参数设置、编程、调试、运行和在线诊断等功能。S7-200的用户程序中所包括的逻辑运算指令，计数器、定时器、数学运算、智能模块通信等方面的指令都集成在STEP7-Micro/WIN编程软件中。通过软件可以进行程序编辑、状态监视以及强制改变输入/输出状态等操作，以满足PLC控制系统在编程、调试、运行和在线诊断等方面的需要。STEP7-Micro/WIN软件可以使用SIMATIC与IEC 61131-3两种指令系统。其中，SIMATIC指令系统的功能较丰富，可以使用非IEC 61131-3标准指令，以实现特殊的PLC功能。

(3)存储系统

S7-200 PLC的存储空间分为三部分，包括程序空间、数据空间和参数空间。程序空间主要用于存放用户应用程序，程序空间容量在不同的CPU中是不同的,数据空间的主要部分用于存放工作数据称为数据存储器，另外有一部分作寄存器使用称为数据对象。数据存储器包括变量存储器(V)、输入映像寄存器(I)、输出映像寄存器(Q)等；数据对象包括定时器、计数器、高速计数器、累加器、模拟量输入/输出。参数空间用于存放有关PLC组态参数的区域，如PLC站地址、停电记忆保持区、软件滤波、强制操作的设定信息等，存贮器为EEPROM。

(4)工作原理

PLC的工作过程属于一种循环扫描工作过程。首先对软硬件做初始化工作，CPU在扫描周期的开始读取输入，接下来执行用户程序、处理通讯请求、CPU的自诊断检查，在扫描周期的最后阶段CPU根据输出映像寄存器的0/1状态集中改写输出。如果使用了中断，

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）当中断事件发生时执行中断程序，这时会在扫描周期的任意点上，此时CPU将以异步扫描的方式按中断优先级来处理中断。由于映像寄存器可以按位、字节、字或双字来存取，灵活性好，因此执行用户程序时对输入/输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I/O点，这样可以提高程序的执行速度。

(5)通讯及扩展

PPI协议是S7-200 PLC中最基本的一种通信方式。S7-200 PLC的通信口为RS-485接口，PC/PPI多主站电缆用于计算机与S7-200 PLC之间的通信，有RS-232C/PPI和USB/PPI两种电缆。可以通过PROFIBUS_DP端口接入PROFIBUS现场总线网络，以扩展其通讯范围。S7-200 CPU的串行通信口可由用户控制，称自由口模式，为计算机和其他具有串行通信接口的设备(如串口打印机、调制解调器)与S7-200 CPU之间的通信提供灵活的方法。还可以使用USS通信协议与西门子MicroMaster系列变频器进行通信[16]。 4.2.3参数检测单元的选择

(1) 检测单元选择

由检测模拟量(P、Q、U、I、cosφ)，再结合控制策略，就能决定装置的动作依据。模拟量采集部分是独立于PIC之外，不受扫描时间限制。可以利用PLC的通讯联网功能来间接测量运行参数，弥补在模拟量处理上不足的弱点，便于各部分的优化。此文选用丹东华通测控有限公司的智能型电量变送器PDM-800AC做参数检测单元(如图4-5)。

PDM-800AC配置如下：

(1) 综合测量20多种三相/单相电量：相/线电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率。

(2) 标准CT、PT或电压直接输入，适用于各种接线方式。 (3) 电能计量：有功电能(kW·h)，无功电能(kvar·h) (4) 宽范围交直流通用电源：AC/DC 75～255V

(5) 具有RS-485通讯接口(光隔)，Modbus_RTU通讯规约。

(6) 各种测量值通过通讯接口实时读取，仪表参数可由计算机远方设定。 (7) 采用标准DIN导轨安装或螺丝固定安装方式。选用配置：

(1) 扩展显示单元：PDM-800DS，LED显示，编程口连接。 (2) 1路越限报警控制输出(M)。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）

图4-5 PDM-800AC与PDM-800DS样图

4.2.4 S7-226与扩展部分的连接

(1) PDM-800AC与S7-226 PORT0口的连接

S7-226 CPU 的通讯口是标准的RS-485 连接口，BD-9型连接器，其引脚及结构如图4-6所示。

5脚 · · · · · 1脚

· · · · 9脚

图4-6 S7-226 CPU通讯接口引脚示意图

如上图所示，接口的3脚对应RS-485的信号B，5脚对应RS-485的信号GND，8脚对应RS-485的信号A。电能变送器PDM-800AC的207端子对应RS-485的通讯A+，208端子对应RS-485的通讯B-，209段子对应RS-485的GND。它们进行连接时如下图4-7所示。

PDM-800 A+ B- GND S7-226 A B GND 图4-7 S7-226与PDM-800AC连接示意图

(2) PDM-800AC与扩展显示单元的连接

PDM-800AC的编程口是标准RS-485接口，可直接通过编程电缆与显示单元PDM-800DS连接。PDM-800DS为综合LED显示，并且可以通过面板上的按钮选择要显示的内容。

(3) S7-226 PORT1口与上位计算机的连接

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） PC/PPI电缆建立PLC与个人计算机之间的通讯连接，把电缆的PC端连接到计算机COM1口，另一端连接到S7-226 PLC的RS-486通讯口上。PC为RS-223C接口，S7-200为RS-485，因此PC的RS-223接口必须先通过RS-223/RS-485转换器，再与PLC的PORT1口连接，西门子公司提供的PC/PPI电缆带有转换器，可以直接采用，因此在不增加任何硬件的情况下可以很方便的将与PC连接，如下图4-8所示。

PC RS-223接口 RS-223/RS-485转换器 S7-200 RS-485接口

图4-8 计算机与S7-226之间的连接

4.2.5控制系统I/O地址的分配

S7-200 数字量输入和输出点的寻址总是以8位为一组，从 x.0 到 x.7，即使没有那么

多的实际连接端子可用，情况也是如此。CPU 上的数字量输入和输出点具有固定地址，总是以 I0.0 或 Q0.0 起始。根据实际接线端子数目的不同，地址按顺序递增分配 (例如从 I0.0 至 I0.7 等)。如有 14 个输入点，从 I0.0 到 I0.7 和 I1.0 到I1.5 是实际存在的，输入点 I1.6 和 I1.7 物理上并不存在，但依然按上述模式占据了地址。自然，这些“占位”地址即不能被用户程序使用，也不能再分配给后续的扩展模块。扩展模块上的数字量输入点也按同样的规律分配地址。参见图4-4可列出本系统I/O地只分配如表4-1

表4-1 控制系统I/O地址分配

输入 I0.0 I0.1-I0.4 I0.5 I0.6-I0.7 I1.0-I1.1 I1.2 I1.3 手动控制信号输入电容器投切状态输入变压器档位信号输入电容器保护信号输入变压器保护信号输入保护闭锁信号输入 Q0.0 Q0.1 Q0.2-Q0.5 Q0.6-Q0.7 Q1.0-Q1.1 Q1.2 Q1.3 输出档位上调信号输出档位下调信号输出电容器投入信号输出电容器切除信号输出报警信号输出故障信号输出 4.3系统软件设计

系统软件可以分为两大部分，一部分是控制器系统驱动程序；另一部分是系统功能程

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）序。其中驱动程序完成初始化和读写操作；系统功能程序对输入信号进行识别和运算，明确装置的动作状态、工况等，还要读取检测到的系统运行参数，将两者结合起来，按照控制策略做出控制决策、发出动作命令并进行校验。

系统的软件设计采用模块化的设计方法，按实现的功能划分为若干个软件功能模块。这种结构化的设计思想使程序组织合理，便于调试和修改[17]。程序如下：

系统程序驱动程序模块开关量处理模块系检统测运读行取参模数块电容器循环投切模块 VQC 策略及控制模块通信模块

图4-9 控制系统是程序结构图

4.3.1系统的主程序流程

主流程如图4-10所示：

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）开始初始化系统运行方式识别？ Y YN 通讯成功？ Y模拟量、开关量校验 N 闭锁自动控制信号参数相符? Y VQC策略判别 N 闭锁自动控制信号、报警闭锁自动控制信号、报警自动执行控制策略？ Y执行控制策略 N 给出相关信息

图4-10 系统的主流程图

4.3.2系统子程序模块实现

(1) 驱动程序模块

初始化功能主要完成的操作如下图。PLC的通信编程首先对串口初始化，通过对特殊

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）标志位SMB30、SMB130写入通信控制字，设置通讯波特率，奇偶校验位和字符长度。SM0.1是一个开关量，它的定义是在第一个运行周期为1，之后周期为0，用内部标志位SM0.1来执行初始化，仅在第一个扫描周期执行。

初始化存储单元初始化系统时钟设置和启动自由通信口初始化子程序初始化

图4-11 初始化模块

(2) 开关量处理模块

对于采集到的开关量必须进行滤波处理。可以通过S7-226内部的定时器来实现软件滤波，滤波后才能供程序使用。在开关量处理中，还要结合系统的运行方式，如系统运行方式的改变、干扰造成的开关量信号状态改变也要做出适当的处理，本系统的运行方式有：T运行，T停运。如果电容器的投切状态与系统运行状态不符则应视为异常状态，作出相应处理，应闭锁自动控制、报警。变压器分接头信息以BCD码呈现，如具有九个档位的有载调压变压器侧需要用4位数字来表示。如果检测到有变压器保护信号或电容器保护信号，策应闭锁电容器和档位的控制并报警。此模块流程图如图4-12。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）开始开关量输入软件滤波与系统运行方式相符？ YN 闭锁自动控制、报警有电容器、变压器保护信号输入？闭锁自动控制、报警 N CPU处理存入寄存器判断执行结束

图4-12 开关量处理模块流程图

(3) 系统运行参数检测模块

参数检测仪表PDM-800AC根据PT、CT的输入，能计算系统运行时多种参数，如单相、三相的电压、电流、有功、无功和功率因数等，并存储。参数检测仪表与PLC的通讯遵循MODBUS规约，用自有的方式读取参数并存储在内存单元中，以供使用。工作过程如下流程图4-13

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）开始 PT、CT信息输入 PDM计算参数、存储 PLC读取、存储 CPU处理结束

图4-13 参数检测过程流程图

Modbus通信协议是Modicon公司提出的一种报文传输协议，它广泛应用与工业控制领域，并已经成为一种通用的行业标准。根据传输网络类型的不同又可分为串行链路上的Modbus和基于TCP/IP协议的Modbus。Modbus串行链路协议只有一个主站，可以有1~247个从站，Modbus协议只能从主站发起，从站在未收到主站请求时，不能发送数据或通信。

Modbus协议有ASCⅡ和RTU(远程传输单元)两种报文传输模式，RUT的传输过程为：当命令从主机发送到从机时，符合对应地址码的从机接受通讯命令，并根据功能码读取信息，CRC(循环冗余校验)校验无误，则执行相应的命令，再把执行结果及地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码一起返回给主机。一旦CRC校验出错则不返回任何信息。主机对接受到的返回信息也进行校验，校验出错则丢弃该组数据信息并或重新发出命令，无误则存储[18]。RUT模式的的报文格式及数据长度如下表4-2

表4-2 RUT模式的报文格式及数据长度

地址码功能码数据区 1字节 1字节 n字节 CRC高字节 1字节 CRC低字节 1字节

(4) 电容器循环投切模块

电容器组循环投切也就是要求先投入的电容器优先切除，先切除的电容器优先投入，

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）确保电容器综合循环利用。按以下几个步骤实现循环投切：①将4组电容器进行人为编号，采用BCD码的形式(0000 0001 0010 0011)。②建立两个列表，一个是已投电容器，另一个是待投电容器。③两个列表都按照先进先出原则循环投切。④对电容器故障或投切失败等进行查表、更新队列操作投切。流程图如下。

开始将四组电容器编号建立列表 CPU投切电容命令是否故障？ N按先进先出投切 Y 查表、更新队列结束

图4-14 电容器投切模块流程图

(5) QVC策略及控制模块

首先对系统获得的运行参数进行再次的校验，决定系统的控制方式，是否自动控制，实现控制器运行时的各种显示、电容器保护及其它操作，如投切、报警、闭锁等。注意分接头1次调解1档，电容器1次投切1组，每动作1次后都应进行电压、功率因数合格判断。流程如下图。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）初始化进一步参数校验是否执行自动控制？ Y 结合QVC策略计算所需分接头档位和电容器组数 N 闭锁自动控制、报警运行人员手动控制投切超限？ Y 调节档位 N N 投切电容器合格？ Y N合格？ Y 结束

图4-15 QVC策略及控制模块

(6)通信模块

本设计中用到PPI通信，自由口通信，Modbus通信等通信方式实现PLC与各模块的连接及通信，保证整个控制过程顺利完成。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 5外围装置的设计

整个控制装置包括主控制器和外围执行装置两个部分，控制器前面已经说明，这一节论述外围装置的设计。外围装置主要由断路器、隔离开关、避雷器、电抗器、电容器组和变压器档位调节装置等组成。主控制器是控制的核心，但外围装置也很重要。

5.1变压器档位控制电气图

由电机来驱动专门的档位调节装置来完成变压器档位的调节，通过电机的正反转来控制分接头的升降。档位控制原理如下图5-1所示。

380V

~220V

QS FR

FU KM1 KM2 ① KA SB2 KM1 SB1 SQO KM2 KM1 FR SB1 SB2 SQ1 ② KM1 ③ KA KM2 M KM2 SB3

图5-1 档位控制电气原理图

其中，SBI、SB2、SB3为手动控制升压、降压和急停控制按钮，SQ0、SQ1是限位开关，KMI、KM2为交流接触器，KA为中间继电器，FR为热继电器，QS为隔离开关。工作过程：当按下按钮SB1后，接触器KM1得电，主触点闭合，电机正转，同时辅助触点实现回路的自锁和互锁，直至限位开关动作，KM1失电断开，电机停转；当按下SB2时，

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）过程与上面类似；按下SB3时，KA线圈得电，常闭触点断开，控制回路失电，调档停止。

自动控制时只要将启动电源通过控制电路的继电器分别加于①、②处，且如果延时不超过一次调档过程中KMl或KM2对电机电源的保持时间，就可自动实现对档位的调整，当加于③处，即可对档位调整的急停控制。相应的控制电路如下图5-2，图中KA1、KA2、KA3、KA4为中间继电器触点[19]。

KA3 220V KA1 KA4 ②

KA2 ③ ①

图5-2 控制电路原理图

5.2电容器接线方案

国内一般采用如下统一的电容器接线方案：

QS KM FU CT DC C V FV1

SR V FV2

图5-3 电容器支路接线图

对应上图元件及作用如下： QS—隔离开关，便于检修；

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） C—电容器组；

KM—真空交流接触器，控制电容器投切； SR—串联电抗器，抑制谐波； FU—限流熔断器；

CT—电流互感器，用于测量电流；

FV1—金属氧化物避雷器，保护并联电容器，防止过压损坏； FV2—金属氧化物避雷器，限制单相重燃过电压；

DC—放电线圈，使电容器切除后残余电压迅速下降，防止下次投入时产生涌流。我国电容器组大部分采用单星形接法，采用星形接线的好处是在电容器组发生击穿短路时故障电流较小，防止引起起火等事故。在中性点非直接接地系统中，星形接线的电容器组的中性点不接地。接线图如下5-4

图5-4 单星形接线形式

5.2.1投切开关的选择

由于电容器开断时产生电弧，会使开关触头击穿，故必须选用灭弧能力强，开断速度快的开关设备，在此选用真空交流接触器，因主触头在高真空环境中工作，因此具有电弧不外露、体积小、重量轻、寿命长、维修周期长等优点，有效保证主电路正常开断与接通。 5.2.2 电抗器选择

电容器在投入瞬间会产生合闸涌流，电流极大，会造成电容器损坏，同时电网中存在着高次谐波，危害很大，故必须在回路中串联电抗器加以抑制。电抗率是电抗器重要参数，计算公式为：KXL12，其中n为谐波次数[20]。 XCn33

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）根据《并联电容器装置设计规范》选择如下：

(1) 电网谐波以3次及以上为主时，一般为12%的电抗器。

(2) 同时含有3次、5次谐波。3次谐波含量很小，5次谐波含量很大，选择4.5%~6%的电抗器；3次谐波含量略大，5次谐波含量较小，选择0。1%~1%的串联电抗器。

(3) 当谐波为5次以上时，且5次含量大时，选用6%电抗器。 (4) 当含有多种谐波成分，且含量都很大时，用下面的公式确定。

XLXCn2 (5-1)

Kn2 (5-2)

式中：—可靠系数(一般取1.2~1.5)； XC—电容器组基波电抗；

n—具有较大含量的最低次谐波次数。

5.3开关量接口模块

PLC输出的控制信号最终要使动作装置执行相应的动作，两者之间的连接就需要相应的接口模块，使动作信号通过具体的动作形式表现出来。在此从PLC三种输出类型(继电器、晶体管、可控硅)中选择继电器输出，可同时带交直流负载。输入/输出接口原理大致如下。

在下图5-6中，V2截止时，中间继电器不动作，V2导通时，继电器才动作，二极管VD3是中间线圈的泄放回路，不能反接[21]。

VCC(5V) R1 +24V R2 R3 VD1 开关量输入接口 C GND3 SQ

GND 光电隔离 PLC侧动作装置侧

图5-5 开关量输入接口连接图

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） +24V 开关量输出接口 VD3 稳压电源 R5 V2 +24V GND3 R4 中间继电器KA KA KM

VD5 GND 光电隔离 PLC侧 GND3 ~220V 动作装置侧

图5-6 开关量输出接口连接图

5.4装置测试

为了验证本装置的可行性需要测试实验和现场试验，由于条件受限，故在此只给出样机的功能测试实验。

样机试验只是对主控制器部分进行，首先，由电脑对某一假定运行方式下所需的开关量信息设定参数；接着编写软件，简单测试一下各模块的执行情况是否与流程相符；重新设定参数并软件执行，观察输出情况[22]。接线如下图5-7所示。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） N LA LB LC

IA PDM800-DC RS-485 PC 编IB 程口 IC PDM-800AC PC/PPI电缆 UA UB UC 信号输出 UN L/+ N/- GND G RX TX 数字量输出 Port1 S7-226 EM223

Port0 数字量输入信号输入 24V DC

图5-7 样机实验接线图

经简单测试，该控制装置能够对电压和无功综合控制，使电压合格，提高了功率因数。VQC策略控制效果如下表，其中U2为标幺值。

表5-1 样机测试的VQC控制效果

电容组 3 4 5 5 6 6 档位 1 1 3 4 4 -2 U2 1.044 1.053 1.062 1.076 1.085 1.009 PF1 0.944 -0.884 0.953 0.957 0.981 0.983

由于条件受限，现场试验只给出理论接线图，装置实际性能仍需验证。接线图如下：

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） T1 QF1 CT PT QF2 控制器 KM FU CSR

KM FU CSR

图5-8 现场实验接线图

T1—主变；QF1，QF2—断路器；KM—真空接触器；PT—电压互感器；CT—电流互感器；FU—熔断器； C—电容器组；SR—电抗器

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 6结论

电压是电力系统电能质量的主要指标之一，联系着生产、生活等各个方面，电能的质量显得尤为重要，故必须将电压稳定在合理的范围内，在此同时还要保证功率因数的合格。本文前面论述了电压无功的紧密关系，故必须电压无功综合调节。

本文对传统电压无功九区图控制策略的缺陷进行论述，提出了基于变量计算的VQC策略，即通过基本潮流方程获得VQC所需的电容器组数和分接头档位。主控单元选用了西门子公司的S7-226PLC，它的可靠性、抗干扰能力及高性价比，决定了它的实用性。

由于时间仓促和本人水平有限，虽已基本上达到了毕业设计的要求，但文中存在许多不足和缺陷，敬请老师批评指正。

通过本次毕业设计，加深了对变电站调压方法的认识，掌握了PLC的编程方法，掌握了参考文献的查阅方法和科技论文的写作方法，进一步巩固了Office Word的操作方法，提高了独立分析、动手和理论联系实际的能力，为今后的学习和工作打下了良好的基础。

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）参考文献

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）致谢

本论文是在***老师悉心指导下完成的。*老师在指导我这段时间里面给了我很大的关心、帮助和教诲。本论文从论文选题、方案设计到论文完成，***老师都给我了极大地帮助和悉心的指导。*老师严谨的态度、谦逊的品德和朴实的人格魅力使我受益终身。在此对***老师表示最衷心的感谢。

其次，感谢学院为我们提供了良好的实验学习环境。培养了我们的实践能力和创新精神。

最后感谢学院老师们在百忙之中抽空辛苦对我的论文进行检查、评阅及帮助过我的同学们。

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