單片機(jī)控制的電壓和無功功率綜合自控系統(tǒng)

1　概述　　

目前，國內(nèi)35KV以上的變電站，廣泛采用有載調(diào)壓變壓器，并配置適當(dāng)容量的并聯(lián)電容器組，以實(shí)現(xiàn)變電站電壓調(diào)整和功率潮流的平衡。但是這些設(shè)備如不采取合理的自動(dòng)控制手段，單靠運(yùn)行人員手動(dòng)操作，顯然不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。本文研究的目的在于利用單片機(jī)的計(jì)算、判斷與記憶等智能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線負(fù)荷預(yù)測并進(jìn)行控制決策，自動(dòng)綜合調(diào)整有載調(diào)壓變壓器分接頭和電容器投切開關(guān)，以提高電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2　工程控制算法　　

在考慮具有有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)無功補(bǔ)償電容器組兩種調(diào)壓方法時(shí)，組合調(diào)壓的效果為矩陣方程

式（2—1）中，ΔKn、ΔQc分別為變壓器變化調(diào)整量和并聯(lián)補(bǔ)償電容器的調(diào)整量，ΔU、ΔQ表示系統(tǒng)電壓和無功功率的調(diào)整效果。A為系數(shù)矩陣，它由變電站及供電線路的參數(shù)決定。如果計(jì)算出系數(shù)矩陣A，則在每一次調(diào)整變壓器變比或并聯(lián)補(bǔ)償電容量之前。先計(jì)算出調(diào)整效果，再作是否決定發(fā)出調(diào)整命令，從而作到調(diào)整效果的預(yù)報(bào)。但在實(shí)際應(yīng)用中，系數(shù)矩陣A很難計(jì)算，基于此，筆者提出了如下簡化的工程控制算法。

電力系統(tǒng)簡化網(wǎng)絡(luò)如圖2—1所示，假設(shè)有載調(diào)壓變壓器的一次側(cè)電壓、二次側(cè)電壓和變比分別為Ua、Ub和Kn，用戶負(fù)載電壓、視在功率、有功功率和無功功率分別為Ul、Sl、Pl、Ql，無功補(bǔ)償容量為Qc，則

由式（2—2）知，當(dāng)Pl、Ql變化時(shí)，變電站到用戶的線路電壓損失ΔUl隨之變化，為了維持用戶電壓Ul基本不變，必須調(diào)整變壓器二次側(cè)電壓Ub，以補(bǔ)償線路電壓損失ΔUl，這便是逆調(diào)壓的基本思想。當(dāng)要求用戶負(fù)載電壓為UlN時(shí)，二次側(cè)電壓Ub應(yīng)為

由于變電站系統(tǒng)在一定的負(fù)荷下，其功率因數(shù)（cosφ）是變化不大或不變化的，因此，式（2—3）中的α和β近似為常數(shù)。由此可見，為了維護(hù)用戶負(fù)荷電壓Ul＝UlN不變，Ub應(yīng)隨Pl的變化而近似線性變化。即只有真正按負(fù)荷大小進(jìn)行逆調(diào)壓，才能保證用戶電壓質(zhì)量。同樣，可以類似地對無功功率補(bǔ)償分析，限于篇幅，在此不詳述。

工程控制算法正是基于式（2—3），首先在線檢測實(shí)時(shí)負(fù)荷Pl，計(jì)算機(jī)變壓器二次應(yīng)有的電壓Ub。然后根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的電壓U測和無功功率Q測，對U測和Ub、Q測與給定的無功功率Q上限和Q下限進(jìn)行比較和綜合判斷，得到14種變電站實(shí)際運(yùn)行情況，如表2—1第2列所示。根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對應(yīng)的控制決策，如表2—1第3列所示。

3　綜合自控系統(tǒng)的硬件組成　　

圖3—1是綜合自控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，按功能可分為：單片機(jī)系統(tǒng)、信號測量與處理模塊、輸出控制模塊、升降位置與投切狀態(tài)反饋模塊、顯示及鍵盤　　輸入模塊5部分。各部分功能簡述如下：

3．1　單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)主要由AT89C52、EEPROM構(gòu)成，它是該系統(tǒng)的核心。為增強(qiáng)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，以MAX812L作為電源監(jiān)控電路，并提供手動(dòng)復(fù)位電路。單片機(jī)系統(tǒng)選用的單片機(jī)是內(nèi)部帶有8K字節(jié)FLASHROM的低功耗AT89C52。EEPROM采用具有電可擦除PROM的93C46芯片。 EEPROM93C46芯片主要用來保存系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，使綜合自控系統(tǒng)在關(guān)機(jī)或因故障停機(jī)后，其運(yùn)行參數(shù)能得到保留，以便下一次開機(jī)后使用。

3．2　信號測量與處理模塊

信號測量與處理模塊主要包括PT、CT、變送器、信號采集電路和濾波電路。變送器采用FS系列電壓、有功和無功變送器。由于變送器輸出的信號包含交流分量達(dá)幾十mV，為了減小交流分量以及各種干擾對測量精度的影響，必須進(jìn)行濾波，使各類交流分量的有效值減小為0．1mV以下。信號采集電路選用12位逐次逼近型AD574作為A／D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度為25μs，轉(zhuǎn)換精度為0．05％，能進(jìn)行單極性和雙極性模擬信號轉(zhuǎn)換，完全滿足本系統(tǒng)的要求，從而保證電壓調(diào)整精度為±0．5％，無功補(bǔ)償控制精度為±3％。

3．3　輸出控制模塊

本系統(tǒng)要控制2臺(tái)變壓器分接頭的升降和16組電容器的投切，由單片機(jī)P2口的高4位送出信號，低電平有效。系統(tǒng)中采用了固態(tài)繼電器SSR作為隔離手段，使單片機(jī)系統(tǒng)與被控對象之間沒有電的直接聯(lián)系，有力的保證了本系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3．4　升降位置與投切狀態(tài)反饋模塊

為了獲取變壓器分接頭位置和電容器投切狀態(tài)信號，本系統(tǒng)擴(kuò)展了8255A并行接口。同樣，采用了固態(tài)繼電器SSR作為單片機(jī)系統(tǒng)和反饋裝置之間的隔離。

3．5　顯示和鍵盤輸入模塊

本系統(tǒng)鍵盤輸入和數(shù)碼顯示均采用串行方式。為實(shí)現(xiàn)方便的鍵控，系統(tǒng)僅采用了14個(gè)鍵，其中包括：復(fù)位鍵（RESET）、調(diào)試鍵（TEST）、運(yùn)行鍵（RUN）、參數(shù)功能鍵（PARAMETER）、參數(shù)調(diào)整鍵（←→↑↓)停止鍵（STOP）、自鎖鍵以及變壓器并列運(yùn)行鍵、解裂運(yùn)行鍵、1＃運(yùn)行鍵和2＃運(yùn)行鍵。

4　綜合自控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)　　

系統(tǒng)軟件采用人機(jī)對話方式和模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)綜合自控系統(tǒng)的功能要求，綜合自控系統(tǒng)軟件主要包括主程序模塊、計(jì)算與判斷決策程序模塊、變壓器分接頭升降管理程序模塊、電容器投切管理程序模塊、鍵盤處理子程序模塊等。限于篇幅，僅介紹主程序模塊。

圖4—1是系統(tǒng)主程序流程圖。首先進(jìn)行初始化，包括設(shè)置堆棧指針、顯示分接頭當(dāng)前位置、設(shè)置電容器投切指針、設(shè)定定時(shí)器方式和程序自檢等。然后，等待并檢測是否有鍵按下，若有鍵按下則根據(jù)鍵值執(zhí)行散轉(zhuǎn)指令操作。若按下運(yùn)行鍵，則綜合自控系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，這是主程序的核心。由于系統(tǒng)軟件采用人機(jī)對話方式和模塊化結(jié)構(gòu)，所以主程序主要是調(diào)用各功能程序模塊。若按下參數(shù)鍵時(shí)，將依次顯示各個(gè)參數(shù)，在此狀態(tài)下可使用有關(guān)功能鍵和參數(shù)鍵可對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，修改后的參數(shù)將被傳送到EEPROM中保存。按下調(diào)試鍵時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，供本系統(tǒng)調(diào)試人員使用。參數(shù)鍵和調(diào)試鍵的流程在主程序框圖中未畫出。

5　抗干擾措施　　

針對綜合自控系統(tǒng)的干擾情況，提出了下面幾種抗干擾措施：

硬件抗干擾措施：

·采用內(nèi)部帶有8K字節(jié)FLASHROM的低功耗AT89C52單片機(jī)為主處理器，其集成度高，廣泛應(yīng)用于控制和測量系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)。

·采用高精度的傳感器和運(yùn)算放大器。

　　·采用程序監(jiān)視器（Watchdog）電路。從根本上解決程序跑飛和程序進(jìn)入死循環(huán)。

·采用隔離技術(shù)。

·采用電源凈化技術(shù)。

軟件抗干擾措施：

·為防止本系統(tǒng)出現(xiàn)頻繁動(dòng)作，提出了準(zhǔn)動(dòng)作狀態(tài)—動(dòng)作狀態(tài)的軟件設(shè)計(jì)思想。其基本思想是：當(dāng)本系統(tǒng)第一次判斷出系統(tǒng)處于不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，本系統(tǒng)暫不發(fā)控制決策指令，稱為本系統(tǒng)處于準(zhǔn)動(dòng)作狀態(tài)。這時(shí)，本系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行采樣、比較、綜合判斷與控制決策，如果本次判斷出系統(tǒng)仍處于不正常運(yùn)行狀態(tài)，且與上次的狀態(tài)相同，則本系統(tǒng)發(fā)出對應(yīng)的控制決策指令，稱為本系統(tǒng)處于動(dòng)作狀態(tài)；如果本次判斷出系統(tǒng)仍處于不正常運(yùn)行狀態(tài)，但與上一次的狀態(tài)不同，則仍不發(fā)控制決策指令，但本系統(tǒng)處于新的準(zhǔn)動(dòng)作狀態(tài)；如果本次判斷出系統(tǒng)仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)，則本系統(tǒng)退出上一次的準(zhǔn)動(dòng)作狀態(tài)。

·為提高電力系統(tǒng)設(shè)備利用率、完好率和使用壽命，要求對每個(gè)電容器投切操作的概率要相等，提出了等概率指針法投切的軟件設(shè)計(jì)思想。

6　結(jié)論　　

以AT89C52為核心的電壓和無功功率綜合自控系統(tǒng)，適用于利用有載調(diào)壓變壓器和無功補(bǔ)償電容器組進(jìn)行電壓和無功功率自動(dòng)調(diào)整的變電站。本系統(tǒng)能真正的按照逆調(diào)壓原理，在線檢測負(fù)荷變化，自動(dòng)調(diào)整變壓器分接頭升降和電容器投切，保證變電站負(fù)荷側(cè)母線電壓隨負(fù)荷變化，并使無功功率盡可能就地平衡。本系統(tǒng)抗干擾措施得力，系統(tǒng)可靠性高，操作簡單。

［參考文獻(xiàn)］

［1］J．B．Bunch，System Integrated Voltage and ReactivePower Control［J］．IEEE Trans．Vol PAS101，No2，F(xiàn)ebruary，1982
［2］尹克力．電力工程［M］．電力工業(yè)出版社，1987

［3］何德康．電氣二次回路安裝與檢驗(yàn)［M］．水利電力出版社，1988

［4］張毅剛等．MCS—51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990