戶外柱上高壓無功動態(tài)補償裝置

1、戶外柱上高壓無功動態(tài)補償裝置摘要：本文針對我國大部分城鄉(xiāng)電網(wǎng)功率因數(shù)偏低的現(xiàn)狀，研制了基于單片機控制并使用新型的智能電表芯片作為數(shù)據(jù)采集的高壓無功動態(tài)補償裝置。論述了控制策略，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件和軟件。關(guān)鍵詞： 戶外柱上 無功動態(tài)補償 單片機 無線通信 Control Equipment of Voltage and Reactive Power on Outdoor PoleAbstract: The paper is aimed at the low power factor in most of our towns and suburbs, designed the voltage and

2、 reactive power control equipment, which is controlled by oneboard computer and adopted the intelligent electric meter chip of new pattern as the data acquisition. Expound the control strategy , and designed system hardware and software.Key words: On outdoor post; Automatic reactive power compensati

3、on; oneboard computer; Wireless communication一、 引言 相對于發(fā)達國家，我國大部分的城鄉(xiāng)電網(wǎng)功率因數(shù)偏低。因此提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，提高電能的傳輸效率，便成了電力系統(tǒng)的一個重要課題。將電容器與網(wǎng)絡(luò)感性負荷并聯(lián)是補償無功功率的傳統(tǒng)方法，在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。而如何實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補償，特別是在戶外柱上實現(xiàn)動態(tài)無功補償，仍是國內(nèi)外同行關(guān)注的熱點。 本文介紹了農(nóng)網(wǎng)10KV戶外柱上無功動態(tài)補償裝置的結(jié)構(gòu)、控制策略及控制器軟硬件設(shè)計。該裝置能夠根據(jù)電網(wǎng)的變化狀況，對線路無功進行動態(tài)跟蹤補償控制，對于提高電壓合格率和降低網(wǎng)損有重大的作用。二、

4、 系統(tǒng)原理 圖3-1系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理如圖3-1所示， 考慮到在10KV線路中無功功率是在一定基數(shù)以上不斷變化的，因此控制柜內(nèi)裝有兩臺高壓電容器，電容器2用于補償基數(shù)無功功率，電容器1由控制器控制，跟蹤補償動態(tài)無功功率。電容器1由高壓真空接觸器進行投切，并采用高壓熔斷器為電容器提供短路保護。電壓互感器除了提供電壓信號，還為控制器和控制回路提供電源。為了實現(xiàn)了電容器的過流保護和缺相保護，電流互感器CT1、CT2采集電容器兩相電流。電壓互感器采集B、C間線電壓，電流互感器CT采集A相電流，控制器將采集的信號BC、A、進行分析計算，經(jīng)過判斷得到系統(tǒng)的感性無功功率和功率因數(shù)，再輸出控制信號，控制真空接

5、觸器關(guān)合和開斷。三、 控制策略根據(jù)無功補償?shù)膶嶋H情況，設(shè)計了以下幾種控制方法供用戶選擇使用即：按電壓控制、按時間控制、按電壓時間控制、按功率因數(shù)及無功控制、按電壓和無功功率綜合控制。1） 按電壓高低控制在電壓低于電壓下限Umin時投電容；電壓高于電壓上限Umax時切電容。為避免投切振蕩，此處要至少保證UmaxUminUC，其中，UC為投切電容造成的電壓變化最大值。2）按時間序列控制根據(jù)日負荷曲線，將每天分為多個負荷時段，根據(jù)不同時段負荷的特點投切并聯(lián)電容器。該方法只適合于負荷較穩(wěn)定的情況，且負荷時段的劃分必須隨季節(jié)和負荷的變化進行調(diào)整。3）按電壓時間綜合控制 在按時間控制的基礎(chǔ)上，將電壓也作為

6、判斷參數(shù)，在時段內(nèi)，如電壓超過上限，切電容，低于下限，投電容。同時間控制一樣，準確性較差，參數(shù)需不斷調(diào)整。4） 按功率因數(shù)及無功控制按功率因數(shù)控制是電網(wǎng)無功控制的傳統(tǒng)方法之一，即功率因數(shù)低于下限則投入電容器，高于上限則切除電容器。然而當負荷較輕時，功率因數(shù)可能較低，此時無功缺額并不很大，較小的無功功率變化會引起功率因數(shù)較大的變化，存在動作頻繁的問題，嚴重時甚至造成投切振蕩。針對此情況，本裝置的控制器將功率因數(shù)及無功綜合起來考慮?？刂品椒ㄈ缦拢?、無功倒送（負數(shù)）時，切除電容；2、功率因數(shù)高于功率因數(shù)上限時，切除電容；3、無功功率高于無功上限并且功率因數(shù)低于功率因數(shù)下限（無功越大，功率因數(shù)越?。?/p>

7、時，投電容；4、其余情況不動作。5） 按電壓和無功功率綜合控制圖2-1 按電壓和無功綜合控制策略電壓和無功功率綜合控制就是利用電壓、無功兩個判別量進行綜合控制，以保證電壓在合格范圍內(nèi)，同時實現(xiàn)無功基本平衡。當按電壓無功綜合控制時，電壓和無功兩個目標函數(shù)存在互相沖突的區(qū)域，在負荷較重時也存在電容投切頻繁的問題。本裝置采取的控制策略如圖2-1所示1運行點在0區(qū)，即電壓合格，無功也合格，不動作；2運行點在1區(qū)，即電壓越上限，控制策略為切電容；3運行點在2區(qū)，即電壓合格但接近于上限，與電壓上限的距離小于UC，無功越上限，此時控制策略為不動作；4運行點在3區(qū)，即電壓合格，無功越上限，此時應(yīng)進一步考慮功率

8、因數(shù)的值，如果功率因數(shù)小于功率因數(shù)下限，則投電容，否則，不動作，這樣做主要是為了防止負荷較大時投切頻繁；5運行點在4區(qū)，即電壓越下限，控制策略為投電容；6運行點在5區(qū)，即電壓合格但接近于下限，與電壓下限的距離小于UC，無功越下限，此時控制策略為不動作；7運行點在6區(qū)，即電壓合格且遠離下限，無功越下限，控制策略為切電容。四、 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)41硬件總體結(jié)構(gòu)圖4-1 控制器硬件總體結(jié)構(gòu)框圖控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示，本系統(tǒng)采用單片機作為信號采集處理和控制輸出的核心。通過新型的智能電表芯片對電壓、電流進行采集，經(jīng)單片機運算處理后，控制兩個繼電器的輸出以實現(xiàn)電容器的投切。4.1.1 單片機

9、及其擴展單片機電路如圖4-1所示。單片機采用AT89C55芯片，其內(nèi)部自帶20K字節(jié)的FLASHROM和512字節(jié)的RAM，設(shè)計中，全部采用其內(nèi)部的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。這樣，總線使用的引腳（P0口和P2口）就被設(shè)置成I/O接口，CPU與外部芯片的通訊也都采用I/O讀寫的方式。在單片機外部擴展了一片E2PROM，擁有32K字節(jié)的存儲空間，用來存儲參數(shù)設(shè)定值及歷史數(shù)據(jù)；另外還有一片時鐘電路為系統(tǒng)工作提供時間參考?？紤]到系統(tǒng)的可靠性，為單片機配置了看門狗電路。4.1.2 信號采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要由以下幾部分組成：電壓互感器、電流互感器、精密電阻、測量芯片。測量芯片是一個專用電表芯片，它集成

10、了一個可編程的增益放大器（PGA），兩個24位的-模數(shù)轉(zhuǎn)換器等部分。使用它可以通過寄存器方式獲得被測量的電壓電流瞬時值和電壓電流有效值（Irms、Vrms）及有功功率。-ADC又被稱為過采樣A/D轉(zhuǎn)抉器，使用這種技術(shù)用較低的成本實現(xiàn)了高分辨率、高輸入帶寬、低噪聲、抗干擾能力強的AD轉(zhuǎn)換，且使用該技術(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是最容易被集成進各種用途的集成電路中。測量芯片芯片中的有效值和功率計算模塊代替了傳統(tǒng)設(shè)計方案中MCU的一部分計算工作，使MCU的編程更加簡單，系統(tǒng)更有效率。4.1.3 人機接口人機接口模塊選用了鍵盤顯示管理芯片。該芯片可以同時管理8個數(shù)碼管和64個按鍵，采用SPI總線接口，便于進行級聯(lián)。

11、此芯片的選取，極大的簡化了人機接口的設(shè)計。4.1.4 開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出只有兩個，即電容升壓信號和降壓信號。開關(guān)量輸出由單片機的內(nèi)部IO端口輸出信號，經(jīng)過光耦隔離，自給偏壓式共射極放大電路驅(qū)動繼電器，最后由繼電器輸出接點式接口信號。其中“投”繼電器和“切”繼電器接成互鎖形式，從硬件上保證了投和切不會同時出現(xiàn)。4.1.5 串行通訊系統(tǒng)設(shè)計留有RS232串行通訊接口用于柱下短距離無線通訊。 42軟件總體結(jié)構(gòu)在單片機軟件設(shè)計中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計方法，如圖4-2所示為單片機軟件的主程序流程圖。初始化程序中，除了對寄存器賦值，還要讀取E2PROM中的數(shù)據(jù)判斷電容器在上次掉電前是否發(fā)生故障，如存

12、在故障則不進行控制。單片機采樣數(shù)據(jù)，是從測量芯片中讀取計算好的電壓、電流、有功等有效數(shù)據(jù)。為保證電容器切后充分放電，設(shè)計了10分鐘保護函數(shù)，在此間不進行控制。在程序設(shè)計時，側(cè)重電容器的保護，實現(xiàn)的保護功能有：欠壓保護、過壓保護、過流保護和缺相保護。從軟件上保證了裝置的安全運行。軟件采用C語言和匯編混合編程，在軟件設(shè)計中采用了定時中斷存儲歷史數(shù)據(jù)，串行通信中斷上傳，下傳實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，硬件中斷接受鍵盤命令察看參數(shù)或修改參數(shù)。其多任務(wù)結(jié)構(gòu)如圖4-3。主循環(huán)定時中斷按鍵中斷串口通信中斷 圖4-3 多任務(wù)結(jié)構(gòu)圖4-2 程序主流程五、 結(jié)論本裝置使用新型的智能電表芯片替代了傳統(tǒng)的ADC和部分MCU的工作，使MCU的編程更加簡單，并在軟硬件設(shè)計中注重了對動態(tài)電容器的保護，實現(xiàn)了10分鐘保護、過流