戶外柱上高壓無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置

1、戶外柱上高壓無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置摘要：本文針對(duì)我國(guó)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(jī)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(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。論述了控制策略，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件。關(guān)鍵詞： 戶外柱上 無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 單片機(jī) 無(wú)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(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)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(gè)重要課題。將電容器與網(wǎng)絡(luò)感性負(fù)荷并聯(lián)是補(bǔ)償無(wú)功功率的傳統(tǒng)方法，在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。而如何實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，特別是在戶外柱上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，仍是國(guó)內(nèi)外同行關(guān)注的熱點(diǎn)。 本文介紹了農(nóng)網(wǎng)10KV戶外柱上無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)、控制策略及控制器軟硬件設(shè)計(jì)。該裝置能夠根據(jù)電網(wǎng)的變化狀況，對(duì)線路無(wú)功進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償控制，對(duì)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(wú)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(tái)高壓電容器，電容器2用于補(bǔ)償基數(shù)無(wú)功功率，電容器1由控制器控制，跟蹤補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú)功功率。電容器1由高壓真空接觸器進(jìn)行投切，并采用高壓熔斷器為電容器提供短路保護(hù)。電壓互感器除了提供電壓信號(hào)，還為控制器和控制回路提供電源。為了實(shí)現(xiàn)了電容器的過(guò)流保護(hù)和缺相保護(hù)，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(hào)BC、A、進(jìn)行分析計(jì)算，經(jīng)過(guò)判斷得到系統(tǒng)的感性無(wú)功功率和功率因數(shù)，再輸出控制信號(hào)，控制真空接

5、觸器關(guān)合和開(kāi)斷。三、 控制策略根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際情況，設(shè)計(jì)了以下幾種控制方法供用戶選擇使用即：按電壓控制、按時(shí)間控制、按電壓時(shí)間控制、按功率因數(shù)及無(wú)功控制、按電壓和無(wú)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(shí)投電容；電壓高于電壓上限Umax時(shí)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(shí)間序列控制根據(jù)日負(fù)荷曲線，將每天分為多個(gè)負(fù)荷時(shí)段，根據(jù)不同時(shí)段負(fù)荷的特點(diǎn)投切并聯(lián)電容器。該方法只適合于負(fù)荷較穩(wěn)定的情況，且負(fù)荷時(shí)段的劃分必須隨季節(jié)和負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)整。3）按電壓時(shí)間綜合控制 在按時(shí)間控制的基礎(chǔ)上，將電壓也作為

6、判斷參數(shù)，在時(shí)段內(nèi)，如電壓超過(guò)上限，切電容，低于下限，投電容。同時(shí)間控制一樣，準(zhǔn)確性較差，參數(shù)需不斷調(diào)整。4） 按功率因數(shù)及無(wú)功控制按功率因數(shù)控制是電網(wǎng)無(wú)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(dāng)負(fù)荷較輕時(shí)，功率因數(shù)可能較低，此時(shí)無(wú)功缺額并不很大，較小的無(wú)功功率變化會(huì)引起功率因數(shù)較大的變化，存在動(dòng)作頻繁的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至造成投切振蕩。針對(duì)此情況，本裝置的控制器將功率因數(shù)及無(wú)功綜合起來(lái)考慮。控制方法如下：1、無(wú)功倒送（負(fù)數(shù)）時(shí)，切除電容；2、功率因數(shù)高于功率因數(shù)上限時(shí)，切除電容；3、無(wú)功功率高于無(wú)功上限并且功率因數(shù)低于功率因數(shù)下限（無(wú)功越大，功率因數(shù)越?。?/p>

7、時(shí)，投電容；4、其余情況不動(dòng)作。5） 按電壓和無(wú)功功率綜合控制圖2-1 按電壓和無(wú)功綜合控制策略電壓和無(wú)功功率綜合控制就是利用電壓、無(wú)功兩個(gè)判別量進(jìn)行綜合控制，以保證電壓在合格范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功基本平衡。當(dāng)按電壓無(wú)功綜合控制時(shí)，電壓和無(wú)功兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)存在互相沖突的區(qū)域，在負(fù)荷較重時(shí)也存在電容投切頻繁的問(wèn)題。本裝置采取的控制策略如圖2-1所示1運(yùn)行點(diǎn)在0區(qū)，即電壓合格，無(wú)功也合格，不動(dòng)作；2運(yùn)行點(diǎn)在1區(qū)，即電壓越上限，控制策略為切電容；3運(yùn)行點(diǎn)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(wú)功越上限，此時(shí)控制策略為不動(dòng)作；4運(yùn)行點(diǎn)在3區(qū)，即電壓合格，無(wú)功越上限，此時(shí)應(yīng)進(jìn)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(dòng)作，這樣做主要是為了防止負(fù)荷較大時(shí)投切頻繁；5運(yùn)行點(diǎn)在4區(qū)，即電壓越下限，控制策略為投電容；6運(yùn)行點(diǎn)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(wú)功越下限，此時(shí)控制策略為不動(dòng)作；7運(yùn)行點(diǎn)在6區(qū)，即電壓合格且遠(yuǎn)離下限，無(wú)功越下限，控制策略為切電容。四、 控制系統(tǒng)的實(shí)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(jī)作為信號(hào)采集處理和控制輸出的核心。通過(guò)新型的智能電表芯片對(duì)電壓、電流進(jìn)行采集，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后，控制兩個(gè)繼電器的輸出以實(shí)現(xiàn)電容器的投切。4.1.1 單片機(jī)

9、及其擴(kuò)展單片機(jī)電路如圖4-1所示。單片機(jī)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(jì)中，全部采用其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xiě)的方式。在單片機(jī)外部擴(kuò)展了一片E2PROM，擁有32K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及歷史數(shù)據(jù)；另外還有一片時(shí)鐘電路為系統(tǒng)工作提供時(shí)間參考。考慮到系統(tǒng)的可靠性，為單片機(jī)配置了看門(mén)狗電路。4.1.2 信號(hào)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(cè)量芯片。測(cè)量芯片是一個(gè)專用電表芯片，它集成

10、了一個(gè)可編程的增益放大器（PGA），兩個(gè)24位的-模數(shù)轉(zhuǎn)換器等部分。使用它可以通過(guò)寄存器方式獲得被測(cè)量的電壓電流瞬時(shí)值和電壓電流有效值（Irms、Vrms）及有功功率。-ADC又被稱為過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)抉器，使用這種技術(shù)用較低的成本實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高輸入帶寬、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)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(jìn)各種用途的集成電路中。測(cè)量芯片芯片中的有效值和功率計(jì)算模塊代替了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中MCU的一部分計(jì)算工作，使MCU的編程更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更有效率。4.1.3 人機(jī)接口人機(jī)接口模塊選用了鍵盤(pán)顯示管理芯片。該芯片可以同時(shí)管理8個(gè)數(shù)碼管和64個(gè)按鍵，采用SPI總線接口，便于進(jìn)行級(jí)聯(lián)。

11、此芯片的選取，極大的簡(jiǎn)化了人機(jī)接口的設(shè)計(jì)。4.1.4 開(kāi)關(guān)量輸出開(kāi)關(guān)量輸出只有兩個(gè)，即電容升壓信號(hào)和降壓信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出由單片機(jī)的內(nèi)部IO端口輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離，自給偏壓式共射極放大電路驅(qū)動(dòng)繼電器，最后由繼電器輸出接點(diǎn)式接口信號(hào)。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(huì)同時(shí)出現(xiàn)。4.1.5 串行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)留有RS232串行通訊接口用于柱下短距離無(wú)線通訊。 42軟件總體結(jié)構(gòu)在單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)方法，如圖4-2所示為單片機(jī)軟件的主程序流程圖。初始化程序中，除了對(duì)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(jìn)行控制。單片機(jī)采樣數(shù)據(jù)，是從測(cè)量芯片中讀取計(jì)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(jì)了10分鐘保護(hù)函數(shù)，在此間不進(jìn)行控制。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)重電容器的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能有：欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和缺相保護(hù)。從軟件上保證了裝置的安全運(yùn)行。軟件采用C語(yǔ)言和匯編混合編程，在軟件設(shè)計(jì)中采用了定時(shí)中斷存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，串行通信中斷上傳，下傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，硬件中斷接受鍵盤(pán)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(shí)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(jiǎn)單，并在軟硬件設(shè)計(jì)中注重了對(duì)動(dòng)態(tài)電容器的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了10分鐘保護(hù)、過(guò)流