基于單片機(jī)的智能無功補(bǔ)償儀的設(shè)計

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電力網(wǎng)容量不斷增大，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)中的自動化設(shè)備的運用越來越廣泛。在電力負(fù)荷中，有相當(dāng)一部分是感性負(fù)荷，它不僅消耗大量的有用功功率，也吸收大量的無功功率從而造成功率因數(shù)下降，導(dǎo)致無功電源不足，系統(tǒng)電壓降低，損耗電能，降低供電能力。因此提高功率因數(shù)，可以保證供電系統(tǒng)安全運行并減少電能損耗，節(jié)約電能。一般情況下功率因cosφ大于0.9而小于1。由于感性電流是隨機(jī)的，因此補(bǔ)償電容器的投切也要隨時跟蹤變化。本文介紹的便是這樣一種智能型無功補(bǔ)償儀器。

2 無功功率的基礎(chǔ)知識

在正弦電路中，負(fù)載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。設(shè)電壓和電流可以分別表示為

式中:

—電流滯后電壓的相角。

電流i被分解為和電壓同相位的分量ip和比電壓滯后 90°的分量iq·ip和iq分別為

電路的有功功率P就是其平均功率，即

電路的無功功率定義為:

可以看出，Q就是上式中被積函數(shù)的第二項無功功率分量uiq的變化幅度。uiq的平均值為零，表示了其能量交換而并不消耗功率。Q表示了這種能量交換的幅度。在單相電路中，這種能量交換通常是電源和具有儲能元件的負(fù)載之間進(jìn)行的。從上式可以看出，真正的功率消耗是由被積函數(shù)的第一項有功功率分量uip產(chǎn)生的。因此，把上式所描述的ip和iq分別稱為正弦電路的有功電流分量和無功電流分量。

對于發(fā)電機(jī)和變壓器等電器設(shè)備來說，其額定電流值與導(dǎo)線的截面積及銅損耗有關(guān)，其額定電壓和繞組電氣絕緣有關(guān)，在工作頻率一定的情況下，其額定電壓還和鐵心尺寸及鐵心損耗有關(guān)。因此，工程上把電壓電流有效值的乘積作為電器設(shè)備功率設(shè)計極限值，這個值也是電器設(shè)備最大可利用容量。因此，引入如下視在功率的概念:

S=UI

可知，有功功率P的最大值為視在功率S，P越接近S，電氣設(shè)備的容量越得到充分的利用。為反映P接近S的程度，定義有功功率和視在功率的比值為功率因數(shù) 。

可以看出來，在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流之間的相角差決定的。在這種情況下，功率因數(shù)常用cosφ來表示。

P、S和Q有如下的關(guān)系:

應(yīng)該指出，視在功率只是電壓和電流有效的乘積，它并不能準(zhǔn)確反映能量交換和消耗的強(qiáng)度。在一般電路中，視在功率并不遵循能量守恒定律。

3 動態(tài)無功補(bǔ)償裝置原理及硬件框圖

供電系統(tǒng)為220伏或380伏的電壓，我們通過一個硬件電路將此220伏或380伏的電壓轉(zhuǎn)換為 0～5伏的電壓，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將此電壓信號讀到單片機(jī)中，在單片機(jī)中我們已經(jīng)事先編寫好了算法程序。可以通過此程序來判斷此供電系統(tǒng)是否需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，即cosφ的值是否大與0.9，如果小于0.9則需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。從而控制電容開關(guān)的斷開和閉合完成無功補(bǔ)償。

3.1 控制器工作原理及硬件組成

低壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1，

圖1 低壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理框圖

該系統(tǒng)主要由控制器、無功補(bǔ)裝置、后臺配電管理系統(tǒng)和系統(tǒng)工作電源等組成。

主控制器在一個工頻周期內(nèi)等間隔地采集32個瞬間電壓、電流數(shù)據(jù)后，經(jīng)微處理器處理計算出電網(wǎng)電壓、電流(包括零序電流)、功率因數(shù)、無功功率、有功功率、電壓電流1～11次諧波等負(fù)荷參數(shù)值，存儲并送參量顯示單元顯示，同時根據(jù)現(xiàn)場的實際情況通過控制器鍵盤設(shè)置參數(shù)來控制電容投切。因此該控制器具有負(fù)荷監(jiān)測和無功補(bǔ)償雙重功能?？刂破鬏敵鲵?qū)動接口，根據(jù)用戶設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)三相共補(bǔ)和分相補(bǔ)償，因此不必考慮三相負(fù)荷的不平衡。電容投切采用“循環(huán)投切”方式和“共補(bǔ)先投、分補(bǔ)后投、投過不投，故障速切”的原則。另外，控制器通過數(shù)據(jù)通訊接口將記錄的數(shù)據(jù)送給抄表機(jī)或直接送給計算機(jī)，利用配套的后臺管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、報表輸出、曲線打印等。

4 系統(tǒng)軟件的組成與設(shè)計

本系統(tǒng)采用C語言編程，軟件模塊總體可分為以下兩個部分。

4.1 中斷部分

中斷部分由以下四部分組成:

(1) 定時中斷。為系統(tǒng)的延時操作提供計時。例如:主程序部分的運算模塊每30s運行一次，它的定時由定時中斷計時。

(2) 鍵盤管理中斷。接收鍵盤鍵入的鍵值，鍵值分為兩種功能:查看數(shù)據(jù)(通過LCD顯示)和設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

圖2主程序

(3) RS-485通信中斷。判斷是上位機(jī)發(fā)送來數(shù)據(jù)引起的中斷還是下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)引起的中斷。接收遠(yuǎn)端發(fā)送來的數(shù)據(jù)。首先將接收數(shù)據(jù)放入數(shù)組，一幀數(shù)據(jù)接收完成則存入接收/發(fā)送緩沖區(qū)，并置有效標(biāo)志待主程序的通信協(xié)議處理及發(fā)送單元處理。

(4) 串口中斷。通過RS-232可進(jìn)行現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、調(diào)試程序以及設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。RS-232接收數(shù)據(jù)處理過程與RS-485基本相同。

4.2 主程序部分

主程序有以下六部分組成(如圖2)。

(1) 初始化單元。對變量初始化以及對外設(shè)初始化。
(2) 設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)單元。設(shè)置電壓、電流變比，過電壓、過電流閾值以及系統(tǒng)地址(形成網(wǎng)絡(luò)連接以后，本系統(tǒng)的識別碼)等參數(shù)。
(3) 運算單元。包括對輸入到ACH的模擬信號進(jìn)行等間隔采樣(等間隔采樣利用HSO啟動)，并對采樣值進(jìn)行FFT運算，對電力諧波進(jìn)行分析，以得到電壓、電流值，畸變率以及有功功率、無功功率等參數(shù)。
(4) 投切管理單元。將運算結(jié)果與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，綜合考慮投切條件，以正確控制電容器投切。
(5) 通信命令處理及發(fā)送單元。對RS-485通信中斷和串口中斷接收的命令進(jìn)行處理并依照協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，三種串口的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分別可緩存十五幀數(shù)據(jù)。
(6) 顯示管理單元。通過判斷鍵入鍵盤的鍵值，顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如:電壓、電流、無功功率、有功功率等值。

5 交流采樣值的算法實現(xiàn)。

5.1 f(t)的有效值A(chǔ)計算

設(shè)f(t)為周期為T的連續(xù)信號，最大值為Am。則f(t)的有效值A(chǔ)可表示為:

講連續(xù)函數(shù)離散化，可得出電壓、電流有效值表示式

式中， N—每個周期均勻的采集點數(shù);
ui—第i 點的電壓采集值;
ii—第i 點的電流采集值;
Ku—電壓有效值的綜合轉(zhuǎn)換系數(shù)，是定值;
KI—電流有效值的綜合轉(zhuǎn)換系數(shù)，是定值。

5.2 三相功率P、Q的計算

由連續(xù)周期函數(shù)的功率定義可得到離散的功率表示式。
單相功率的算式為:

同理，三相功率P、Q的算式如下:

由P和Q即可以計算出cosφ的值。

6 結(jié)束語

本裝置以單片機(jī)為控制核心、控制較為方便、性能穩(wěn)定可靠、價格低廉。系統(tǒng)不僅具有配置靈活適應(yīng)性強(qiáng)的特點而且安裝調(diào)試方便、易于監(jiān)視和維護(hù)。具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會效應(yīng)，應(yīng)用前景廣闊。