無功補償論文34-PAGEIII無功補償論文專業：電氣工程及其自動化摘要 本課題研究以低壓電網無功補償改造為背景，研制了一種低壓無功功率補償控制器。作為一種非實時的無功補償裝置，該裝置以定時的電網監測數據為依據，以城鎮低壓網(220V)的無功補償為對象。本文主要研究了無功補償對電網性能的改善，以及控制器的軟硬件的配置。 系統采用單片機，該單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能的CMOS8位單片機，具有運算速度高，實時性好的特點；軟件則使用匯編語言進行編譯；人機操作界面采用LCD顯示,顯示效果較好；A/D轉換采用，是一款比較實用的A/D轉換裝置。該裝置可跟蹤電網無功功率的變化并自動補償,實現了無功補償裝置的優化運行,具有體積小、原理簡單、智能投切等優點。關鍵詞：無功補償,單片機,低電壓Abstract Whatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendesignanequipmentforreactivepowercompensationoflowvoltage.Asakindofreactivepowercompensation,thisequipmentisbasisontheelectricalnetworkmonitordata,andprovidesreactivepowerforcity’slowvoltagepowergrids.Thisthesishasdiscussedtheimportanceofthereactivepowercompensationforthepowergrids,andintrodudedthehardwareandsoftwareofthecontroller. Thisdevice'shardwarecoreisAT89C51SCM,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeed.ThismonolithicintegratedcircuitisthelowvoltagewhichAmericanATMELCorporationproduces,ahighperformanceCMOS8monolithicintegratedcircuits;Thesoftwareusestheassemblylanguagetocarryonthetranslation;Theman-machineoperationcontactsurfaceusestheLCDdemonstration,thedemonstrationeffectisquitegood;A/DtransformationusesADC0809,itisasectionofquitepracticalA/Dswitchingdevice.Thisequipmentmaytracktheelectricalnetworkreactivepowerthechangeandtheautomaticcompensation,andthisinstallmenthasthevolumetobesmall,theprecisionishigh,thepricecomparedtothehighermerit.KeyWords:reactivepowercompensation,SCM(SingleChipMicyoco),lowvoltage33-目錄TOC\o"1-2"\u摘要 IAbstract I目錄 II第一章緒論 -1-1．1研究背景 -1-1．2無功補償裝置的發展狀況 -2-1．3本課題主要研究的內容 -4-第二章無功補償的原理 -6-2．1無功補償的原理 -7-2．2低壓電網中的幾種無功補償的方式 -9-2．3確定補償容量的幾種方法 -10-2．4本章小結 -12-第三章硬件設計 -13-3．1無功補償裝置的技術要求 -13-3．2硬件介紹 -14-3．3模擬信號調理電路 -22-3．4輸出控制電路 -25-3．5本章小結 -26-第四章軟件設計 -27-4．1投切原則 -27-4．2功率因數計算 -28-4．3本章小結 -30-第五章總結與展望 -31-致謝 -32-參考文獻： -33-1-第一章緒論1．1研究背景 目前，我國的電網，特別是廣大的低壓電網[1]，普遍存在功率因數較低、電網線損較大的情況。導致此現象的主要原因是眾多的感性負載用電設備設計落后，功率因數較低。比如我國的電動機消耗的電能占全部發電量的70%，而由于設計和使用等方面的原因我國電動機的功率因數往往較低，一般約為。在這種情況下，采用無功補償節能技術[2]，對提高電能質量和挖掘電網潛力是十分必要的，世界各國都把無功補償作為電網規劃的重要組成部分。從我國電網功率因數和補償深度來看，我國與世界發達國家有不小差距。因此大力推廣無功補償技術是非常必要的，并且從以下數據，我們也能看出發展無功補償所能帶來的巨大經濟效益。2007年，我國年總發電量為32559億千瓦時，統計線損率為8.77%，但是這個數字沒有包含相當大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網線損。據報道，估計實際的統計線損率約為15%，即2007年全國年線損量約為4800億千瓦時。設全國的理論線損與統計線損相一致，其中可變線損約占理論總線損的80%，則年可變線損電量約為3900億千瓦時。設當前全國電力網總負荷的當前功率因數，采用無功功率補償后，把電力網總負荷的功率因數提高到，則每年可以降低線損約為390億千瓦時，按0.5元每千瓦時計，價值約為185億元。設2007年全國電網的最大負荷利用小時數為5000小時，則電網的最大負荷約為2億千瓦，當用無功功率補償法把功率因數,提高到，全國電網需總補償容量約為0.58億千瓦。當前無功功率補償裝置設備主要為電力電容器，設無功補償設備每千瓦的平均綜合造價為50元，則全國無功補償裝置的總投資約為29億元。應當指出，節省240億千瓦時約相當于一座400萬千瓦火電廠的年發電量，而建一座400萬千瓦的火電廠需綜合費用約為300億元，同時每年需燃燒煤約為1200萬噸，每年產生,等有害物質約為600萬噸。由此可見，產生相同的電力，無功補償的費用約為新建電廠費用10%，而且無功補償設備的費用僅需兩個月的無功功率補償的將損節電費用即可全部收回。綜上所述，無功補償不僅具有如上所述的節省投資、節省電力、節省燃煤及污染等作用，同時還可以提高電力系統設備的供電能力，改善電壓質量，減少用戶電費開支，延緩用戶的增容改造等作用。1．2無功補償裝置的發展狀況近20年來，世界各地（包括美國、法國、意大利、英國、俄羅斯、日本等國）發生的由電壓穩定和電壓崩潰引發的大面積停電事故引起了各國的高度重視。持續了短短72

小時的8.14

美加大停電給美國造成了巨大的經濟損失和社會影響，這次事故提醒人們，電網運行要有足夠的無功備用容量，無功不能靠遠距離傳輸，在電力市場環境下，必須制定統一的法規以激勵獨立發電商和運營商從維護整個系統安全性的角度提供充足的無功備用。在我國也曾多次發生電壓崩潰事故，如1993

年和1996

年南方電網的幾次事故，這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網穩定[1]。早期的無功補償裝置為并聯電容器和同步補償器[3]，多用在系統的高壓側進行集中補償。至今并聯電容器仍是一種主要補償方式，應用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發展。同步補償器的實質是同步電機，當勵磁電流發生改變時，電動機可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統的穩定運行有好處。但同步補償器成本高，安裝復雜，維護困難，使其推廣使用受到限制。隨著近代電力電子技術的出現和發展[3]，無功補償技術也隨之發展。在第一個工業用晶閘管出現之前，電子半導體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補償等領域內一直沒有得到應有的推廣使用。晶閘管的出現標志著電力電子技術的誕生，并以此為起點，隨著半導體制造技術和變流技術的發展，新型的電力電子器件不斷問世，由此引發了眾多行業的變革，如交流變頻調速技術的蓬勃發展。同樣電力電子技術對無功補償技術也帶來了新的發展鍥機。無功補償技術和電力電子技術的結合主要有以下三方面[3]：1．是作為投切電容器的開關。因為電力半導體開關的響應時間短(PS級)，所以能夠選擇電容的投切角度，實現零電壓投切，避免了涌流的產生，提高了電容器使用的可靠性和電力系統的穩定性?，F代并聯電容器補償裝置中的輸出回路就引進了該項技術。2．是作為無功輸出的調節開關。由于電力電子器件的高開關頻率，使其能夠方便地控制電容器電流的導通角，從而實現無功的連續調節，快速跟蹤負載無功的變化。靜止型無功補償器是其中的代表。3．是引入電力電子變流技術，將變流器作為無功電源來調節無功的輸入和輸出，起到補償負載無功的作用。經常用的是靜止調相機和有源濾波器。由無功補償源在主電路回路中連接方式的不同，無功補償器可分為并聯型和串聯型兩種結構。依據電力電子技術在無功補償中應用的方式不同，現代無功補償裝置[4]大致可分為以下幾種類型：1．TSC(ThyristorSwitchedCpacitor)型無功補償裝置，它屬于并聯型無功補償裝置。主回路如圖1-1所示，是由多臺電力電容器并聯以及由可控硅構成的執行機構組成。裝置根據無功電流的大小來決定投入電容組數。由此可見TSC的無功調節是有級的，它無法連續的輸出無功，這使其在使用中存在合理選擇電容，適當分級的問題。但它的優點也明顯，即結構簡單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。圖1-1TSC型無功補償裝置主回路2．FC-TCR(Fixedcapacitor-ThyristorControlledReactor)型無功補償裝置，它屬于并聯型無功補償裝置。其主回路如圖1-2所示。FC-TCR方式是用雙相可控硅的相位控制，調整電抗器的電流，從而調整無功功率的方式。當以電壓零相位為基準時，調節TCR中的可控硅的引燃角。可以從到范圍內變化。補償器的電流，此電流可隨角的變化而變化為感性或容性，這樣就改變了FC-TCR的無功功率，并可連續均勻的調節。由于TCR中除可控硅全導通或關斷之外器電流都是非正弦的，所以它是一個電流諧波源，對電網有一定的危害。該裝置在電容和電感之間形成無功損耗，電容利用率低并且電抗器體積較大，成本高。圖1-2FC-TCR型無功補償器的主回路3．靜止調相機ASVC(AdvantageStaticVarCompensator),屬于串聯型補償器。它由于輸出電壓可超前或滯后系統電壓，因此可以和系統進行有功、無功之間的交換。它可以連續調節無功，并且能夠抑制諧波，補償特性較好。但該系統存在結構復雜，控制難度大，制造和維護都不便，成本高等問題，不便在全國推廣使用。1．3本課題主要研究的內容本文研究的主要有兩方面：一是無功補償的基本理論和電網中最佳補償方式的探討。首先是對無功補償中一般問題進行分析，其次是對無功補償計算方案的分析。二是在傳統的無功補償裝置的基礎上，對其控制器和動作執行機構進行改進，從而開發出一種智能無功補償器。文中對這種補償器的控制器的硬件設計和軟件設計作了較詳盡的分析。本文的章節安排：第一章緒論對本文的研究背景和無功補償技術的發展進行概述，并提出本文的主要研究內容和各章的內容安排。第二章無功補償理論的分析對無功補償理論中的基本理論進行分析，對無功補償帶來的降損節能和經濟效益等問題展開討論。第三章控制器的硬件設計對此無功補償控制器的硬件系統進行較詳盡的解析。第四章控制器的軟件設計對控制器的幾個主要功能模塊進行分析，并畫出程序流程圖。第二章無功補償的原理電力網中的變壓器和電動機是根據電磁感應原理工做的。磁場所具有的磁場能是由電源供給的。電動機和變壓器在能量轉換過程中建立交變磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性無功功率。接在交流電網中的電容器，在一個周期內上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無功功率。所以無功功率被使用于建立磁場和靜電場，它存儲于電感和電容中，通過電力網往返于電源和電感、電容之間。無功功率在電力網元件中流動，將會在電力網元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網的電壓質量[5]，增加電網的線損率。 圖2.1由局部電力網的等值電路圖由局部電力網的等效電路圖2．1可知，電力網中由于無功負荷而帶來的電壓損耗的計算公式為：式中：——電網的額定電壓——元件的末端電壓——電網中的電壓和電流的差角RX——電網中元件的等效電阻和電抗——元件末端的有功負載和無功負載由上式可知由負荷的無功功率在元件引起的損耗的計算公式為： 。而由負荷的有功功率在元件中引起的電壓損耗的計算公式為：。可見的元件電阻小于電抗的電網中，無功引起的電壓損耗占主要部分。 電網中的線損公式如下：式中：，其中有功線損的計算公式為： R，這其中由于無功功率在電網中流動而引起的有功線損的計算公式為： 由上述分析可見，要減少電力網中的電壓損耗和電網的線損率，提高用戶端的電壓質量的重要措施之一，是減少電力網元件中的無功傳輸，可以從提高負荷的自然功率因數和進行無功補償兩方面來解決這個問題。2．1無功補償的原理將電容器和電感并連在同一電路中，電感吸收能量時，正好電容器釋放能量，而電感放出能量時，電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換，即感性負荷(電動機、變壓器等)所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補償。因此，把由電容器組成的裝置稱為無功補償裝置。此外，同步電動機等也可以作為無功補償裝置。無功補償的作用和原理[5]可由圖2．2來解釋：設電感性負荷需要從電源吸取的無功功率為，裝設無功補償裝置后，補償無功功率為，使電源輸出的無功功率減少為，功率因數由提高到，視在功率減少到。圖2.2無功補償補償原理示意圖視在功率的減少可相應減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設備的投資。例如一臺1000千伏安的變壓器，當負荷的功率因數為0.7時，可供700千瓦的有功負荷，當負荷的功率因數提高到0.9時，可供900千瓦的有功功率。同一臺變壓器，因為負荷的功率因數的提高而可多供200千瓦負荷，是相當可觀的。可見，因采用無功補償措施后，電源輸送的無功功率減少了，相應的也使電網和變壓器中的功率損耗的下降，從而提高了供電效率。由電壓損耗計算公式可知，采用無功補償措施后，因通過電力網無功功率的減少，降低了電力網中的電壓損耗，提高了用戶處的電壓質量。并聯電容器的無功補償作用和原理，也可以用圖2.3加以說明。圖2.3并聯電容器的補償電流向量圖圖中的用電負荷總電流可以分解為有功電流分量，和無功電流分量(電感性的)。當并聯電容器投入運行時，流入電容器的容性電流與方向相反，故可抵消一部分使電感性電流分量降低為，總電流由降為，功率因數也由提高到。這時，負荷所需的無功功率全部由補償電容供給，電網只需供給有功功率。根據第一章的有功電流與無功電流的定義，還可以用圖2.4理解電力系統中無功補償的作用與原理。圖2.4電力系統無功補償原理圖設負荷實際吸收的電流為，為了使輸電線路上流過純有功電流，則需要在負荷端接入一個無功補償器，補償器提供的電流為，則這里的就是無功電流，這就是電力系統中進行無功補償的要點。這是完全的補償，線路上的電流是為產生負載實際功率(平均功率)而攜帶能量最小的電流，因而在線路上造成的損失是最小的。此時，的波形和相同，即電壓和電流的相位相同。2．2低壓電網中的幾種無功補償的方式 廣大市電低壓電網處于電網的最末端，因此補償低壓無功負荷是電網補償的關鍵。搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網補償的壓力，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因數和電壓質量，并有效降低電能損失。低壓補償對用戶及供電部門都有利。 低壓無功補償的目標是實現無功的就地平衡，通常采用地方式有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償[1]。 隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并聯，通過控制、保護裝置與電機共同投切。隨機補償地優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停止運補償裝置也退出，不需要頻繁調整補償容量。且具有投資少，配置靈活，維修簡單等優點。為防止電機推出時產生自激過電壓，補償容量一般不大于電機的空載無功。隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。有很多的低壓配電網中的變壓器，尤其是農網配電變壓器，普遍存在負荷輕的現象。在負荷時接近空載，此時配電變壓器的空載無功是電網無功負荷的主要部分。隨器補償由于補在低壓側，可有效地補償配變空載無功，且連線簡單，做到無功地就地補償。跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kV母線上的補償方式。補償電容器組的固定連接可起到相當于隨器補償的作用，補償用戶的固定無功基荷；可投電容器組用于補償無功峰荷部分。由于用戶負荷有一定的波動性，故推薦選用自動投切方式。此法對電容器的保護比前二種要更可靠。上述三種補償方式均可對特定種類無功負荷實現“就地平衡”的無功補償，降損節能效果好。2．3確定補償容量的幾種方法 2．3．1從提高功率因數需要確定補償容量 設電網的最大負荷月的平均有功功率為，補償前的功率因數為，補償后的功率因數為，則所需要的補償容量的計算公式為若要求將功率因數由提高的而小于，則補償容量計算為2．3．2從降低線路有功損耗需要來確定補償容量 設補償前線路中的電流為，相應的有功電流為，無功電流為，補償無功后線路中的電流為，相應的有功電流為，無功電流為，則 補償前的線路損耗為： 補償后的線路損耗為： 則補償后線損降低的百分值為： 若根據要求已經確定，則可求得： 則補償容量可以按來計算2．3．3從提高運行電壓需要來確定補償容量 配電線路末端電壓較低，通常是通過無功補償來提高供電電壓的，因此，有時要從提高線路電壓來確定補償容量。 設補償前線路電源電壓為，線路末端電壓為，線路輸送的有功功率為，無功功率為，電阻為，電抗為，則 補償無功后，線路末端電壓升為則 所以投入無功補償后末端電壓增量為 故補償容量 若為三相線路，則所需的補償容量為 式中——三相線路的線電壓增量，KV ——三相線路的線電壓，KV2．4本章小結 本章主要介紹了無功補償的基本原理，本次設計的裝置主要是面向低壓電網的，可以采用從提高功率因數需要來確定無功補償，同時又可取標準電壓作為電容器切除標準，這樣既考慮到功率因數的需要，又考慮到穩定電網電壓質量的要求。 第三章硬件設計在一系列的理論分析之后，本次設計將采用根據功率因數來確定補償容量的方法，再根據當前無功補償技術的發展狀況，我們采用TSC并聯電容器型的無功補償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用效率高及不產生諧波污染等優點。3．1無功補償裝置的技術要求 3．1．1補償控制應符合技術條件： 本次裝置設計的基本技術條件[6]： 1、控制方式：可控硅與接觸器聯合控制，即在投切時采用可控硅，正常運行時采用接觸器的方式。 2、工作方式：動態跟蹤，邏輯判斷，自動及時補償容量。 3、控制物理量：以無功功率電容器的投切。 4、補償方式：采用三相共補 5、自動延時功能：電容器投切延時至少10秒，同組電容器的投切間隔時間大于5分鐘。 6、保護功能： 過電壓快速切斷功能：當電網電壓大于高壓保護值時，自動切除全部電容器。 短路保護：由快速熔斷器和空氣開關雙重保護。 7、現場參數顯示：可現場顯示電網運行參數，比如電壓、電流、功率因數。3．1．2測量精度 1、電壓、電流：1.0級 2、有功功率、無功功率、功率因數：1.0級3．1．3控制器原理由以上功能，可得到控制器的機構圖如下圖3.1控制器結構原理圖3．2硬件介紹3．2．1CPU AT89C51[7]是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲（PEROM）和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS— 主要性能參數：與MCS—51產品指令系統兼容4K字節可重復擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態操作：0Hz—24MHz三級加密程序存儲器1288字節內部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數器6個中斷源可編程竄行UART低功耗空閑和掉電模式 管腳說明：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流，當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳

備選功能 P3.0

RXD（串行輸入口） P3.1

TXD（串行輸出口） P3.2

/INT0（外部中斷0） P3.3

/INT1（外部中斷1） P3.4

T0（記時器0外部輸入） P3.5

T1（記時器1外部輸入） P3.6

/WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7

/RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3．2．2A/D轉換ADC0809[8]是一種8路模擬輸入逐次比較型A/D轉換器，由于價格適中，與單片機的接口、軟件操作均比較簡單，目前在8位單片機系統中有著廣泛的使用。ADC0809由8路模擬開頭、地址鎖存與譯碼器、8位A/D轉換器和三態輸出鎖存緩沖器組成。表3.18路模擬開關與輸入通道的關系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A010101O1B00110011C00001111ADC0809芯片可以分時處理8路模擬量輸入信號，使用模擬開關切換。在某一時刻，模擬開關只能與一路模擬量通道接通，對該通道進行A/D轉換。表1中C、B、A是三條通道的地址線。當地址所存信號ALE為高電平時，C、B、A三條線上的數據送入ADC0809內部的地址鎖存器中，經過譯碼器譯碼后選中某一通道。當ALE=0時，地址鎖存器處于鎖存狀態，模擬開關始終與剛才選中的輸入通道接通。選中通道的模擬量到達A/D轉換器時，A/D轉換器并未對其進行A/D轉換。只有當轉換啟動信號端START出現下降沿并延遲后，才啟動芯片進行A/D轉換，START的上升沿復位ADC0809。ADC0809的A/D轉換過程是在時鐘信號的協調下進行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉換時間為100uS左右。當ADC0809用于AT89C51單片機系統時，若AT89C51采用6MHz的晶振，則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C51的ALE經過一個二分頻電路獲取。這時ADC0809的時鐘頻率為500KHz，A/D轉換時間為130uS。ADC0809常用的時鐘電路如圖：圖3.2ADC0809常用的時鐘電路圖A/D轉換結束后，A/D轉換的結果(8位數字量)送到三態鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉換結果還沒有現在DB0-DB7八條數字量輸出線上，單片機不能獲取之。單片機要想讀到A/D轉換結果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態輸了鎖存器，A/D轉換結果出現在DB0-DB7上。 單片機讀取A／D轉換結果的方法有三種 (1)延遲法單片機啟動ADC0809后，延時130uS以上，可以讀到正確的A/D轉換結果。 (2)查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I/O線上。單片機啟動ADC0809后，延遲10uS，檢測EOC，若EOC=0則A/D轉換沒有結束，繼續檢測EOC直到EOC=1。當EOC=1時，A/D轉換已經結束，單片機讀取A/D轉換結果。 (3)中斷法EOC必須經過非門接到AT89C51的中斷請求輸入線INT0或INT1上，AT89C51的中斷觸發方式為下降沿觸發。單片機啟動A/D轉換后可以做其它工作，當A/D轉換結束時，EOC由0—1經過非門傳到INT端，AT89C51收到中斷請求信號，若AT89C51開著中斷，則進入中斷服務程序，在中斷服務程序中單片機讀取A/D轉換的結果。3．2．3看門狗本系統采用MAXIM公司的低成本微處理器監控芯片MAX813L構成硬件狗[7]，與AT89C51的接口電路如圖3．3所示。MR與WDO經過一個二極管連接起來，WDI接單片機的P2.7口，RESET接單片機的復位輸入腳RESET，MR經過一個復位按鈕接地。該監控電路的主要功能如下：（1）系統正常上電復位：電源上電時，當電源電壓超過復位門限電壓4.65V，RESET端輸出200ms的復位信號，使系統復位。（2）對+5V電源進行監視：當+5V電源正常時，RESET為低電平，單片機正常工作；當+5V電源電壓降至+4.65V以下時，RESET輸出高電平，對單片機進行復位。（3）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當程序跑飛或死機時，CPU不能在1.6s內給出“喂狗”信號，WDO跳變為低電平，由于MR端有一個內部250mA的上拉電流，D導通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復位脈沖，單片機復位，看門狗定時器清零，WDO又恢復成高電平。（4）手動復位：如果需要對系統進行手動復位，只要按下手動復位按鈕，就能對系統進行有效的復位。圖3.3MAX813L與89c51接口圖3．2．4LCD顯示 本次設計采用1602型LCD[9]顯示，現在的字符型液晶模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內容豐富等特點。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數據總線D0~D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調節和背光功能。 1．外型尺寸：80X36X13（LXWXH） 2．接口信號說明 1602型LCD的接口信號說明如表3.2所示：表3.21602型LCD接口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正極10D3DataI/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DataI/O4RS數據/命令選擇端（H/L）12D5DataI/O5R/W讀寫選擇端（H/L）13D6DataI/O6E使能信號14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正極8D1DataI/O16BLK背光源負極 3．主要技術參數表3.31602型LCD的主要技術參數顯示容量16X2個字符芯片工作電壓4.5~5.5V工作電流2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm 4．與8051接口電路 M-162液晶顯示模塊可以和單片機AT89C51直接接口，電路如圖3．4所示。圖3.4AT89C51與DM-162接口電路3．3模擬信號調理電路3．3．1互感器信號轉換及電流—電壓轉換電路 在此用到的是北京星格公是司研制的精密電壓互感器[3]SPT204A和電流互感器SCT254AK。其特性分別如下：SPT204實際上一款毫安級精密電流互感器，輸入額定電流為2mA,額定輸出電流為2mA。使用時需要將電壓信號變換成電流信號，推薦使用電路如圖3.5所示。圖中，R1是限流電阻，不論額定輸入電壓多大，調整R1的值，使額定輸入電流接近為2mA，就滿足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路，當需要電壓輸出時采用。調整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2是400至1000pF的小電容，用來濾波。圖3.5電壓互感器的I—U轉換 運算放大器[10]視精度要求使用，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的精度和較好的穩定性。此處選用的是BB公司的高精度運放OPA2277。它具有以下特點: 超低失調電壓: 超低溫漂: 超低失調電流: 高開環增益:134dB 寬供電范圍:OPA2277具有連續的供電范圍，這使它不像大多數的OP系列運放局限于固定的工作電壓。而且軌至軌的特性使其輸出電壓的范圍能跟隨電源工作范圍，這就能在保證輸出電壓的大小的前提下，盡可能的減少工作電壓，達到節能的目的。由于OPA2277具有內部補償失調電流的電路，故在使用中不需要在輸入腳上接上補償失調電流的電阻，如上圖所示，這同樣減少了PCB布板和使用的復雜度。 互感器的次級連接是電流轉電壓電路，該電路是將互感器的電流輸出信號變換成電壓信號，以符合CPU采樣信號是電壓信號的特性。以電流互感器SCT254AK為例，若互感器的副邊電流為,要求的輸出電壓為，則特性為:—輸入和輸出腳間的跨接電阻。 選擇合適的電阻R，通常采用電阻串接電位器的結構，可以使輸出電壓在之間變化。SCT254AK是一款精密電流互感器，輸入額定電流為5A，額定輸出電流為2.5mA。當需要將電流輸出信號變換成電壓信號時，推薦使用電路和電壓互感器使用電路類似。調整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2是400至1000pF的小電容，用來去A和濾波。該電流互感器是接在主回路上的電流互感器之后。主回路的電流互感器的變比視實際使用中變壓器輸出的電流而定。當電流較大時，可選用較大變比的電流互感器，一般有100:1或1000:53．3．2電壓、電流采樣及信號處理電路用電流互感采樣得到交變的電流信號，在通過以下電路把電流信號轉變為半波電壓信號：圖3.6電流采樣調理電路 電容主要起抗干擾和濾波的作用，前個運放可實現轉換，根據： —輸入和輸出腳間的跨接電阻， 調節滑動變阻器，使在變化； 第二個運放對電壓進行取反，得到輸出電壓，從而使采樣得到的電壓于實際電流同向。 圖3.7電壓采樣和調理電路 調節滑動變阻器的滑片同樣可以達到調節輸出電壓大小的效果 3．4輸出控制電路 控制電路[10]采用光電隔離電路、驅動電路，控制繼電器，再控制電容器組投切的形式。以下是其中一路光電隔離和驅動電路。圖3.8光電隔離及驅動電路 這部分電路的設計采用單片機的I/O口灌電流的方法控制可控硅實現開關與繼電器控制，用光電耦合器MOC3021作為可控硅的驅動器，同時實現強、弱電的隔離。光電偶合器通過一個非門與89C51的一個輸出口連接，當此腳輸出高電平時，使MOC3021打開驅動雙向可控硅，使晶體管導通和繼電器吸合，驅動電容器組投入運行，發光二級管發光指示。當管腳輸出為低電平時，將會封鎖住MOC3021，則繼電器釋放，發光二級管熄滅，電容器組退出電路。3．5本章小結 本章主要介紹了本次設計的要求和采用的硬件裝置的基本功能，完成了各硬件之間的接口連線問題，硬件主要包括的功能有數據采樣和條理、模擬信號轉換為單片機可讀的數字信號、單片機進行數據處理、單片機進行對顯示和控制電路的控制、看門狗主要起對單片機運行狀況進行檢測，在單片機運行出現問題是及時對其復位。第四章軟件設計 在軟件設計上我們采用匯編語言，用匯編語言用來編制系統軟件和過程控制軟件，其目標程序占用內存空間少，運行速度快，有著高級語言不可替代的用途。4．1投切原則本次設計的裝置主要的投切標準是功率因數和測量電壓，本裝置采用默認的標準功率因數為。隨器補償應以配變容量的6%～8%選擇電容器容量效果較好，因為這大約相當于配電變壓器空載時的無功功率，又電容器補償容量可近似為，則本次設計一共設了3組容量為25FP電容器組，方便控制和調節補償容量，采用三相共同補償。當檢測到到的功率因數小于0.95是，投入第一組電容器組；再進行第二次檢測，計算得到功率因數再于默認值進行比較，若實際功率因數仍然小于0.95的話，繼續投入第二組電容器組，以次類推，直到實際功率因數小于標準；當檢測到的三相電壓大于標準電壓時（通常取400V），即電網處于容性狀態，無功補償過量，則立即切除第三組電容；繼續檢測電壓，若電壓仍然高于標準的話，則切除第二組電容器組，以次類推，直到實際電壓小于標準。主要的程序流程如下圖 圖4.1單片機程序流程圖4．2功率因數計算 在進行控制之前，首先要測量電路的各相參數，比如電壓、電流、無功功率、有功功率、功率因數等。在此采用的是有效值算法，該算法比平均值算法更具真實性，其原理如下所述。 根據定義，電壓的有效值U是加在電阻R上單位時間內所做的功，其U數學表達式[2]是： 即： 將上式在時間上進行離散，就得到U的離散表達式： 式中：——電壓采樣周期中的第個采樣點的值 對電流有效值有相似的離散表達式： 式中：——電流采樣周期中的第個采樣點的值 由上兩式可得視在功率 有功功率P的定義為：單位時間內，電壓和電流所作的不可逆的功，其數學表達式是： 對其作離散處理，即每隔一定的時間間隔測得一個電壓值和一個電流值，將其相乘，最后把一個采樣周期內的所有乘積值相加并求平均值，其數學表達式是: 式中：——采樣周期內的第個電壓采樣值 ——采樣周期內的第個電壓采樣值 電網的功率因數受電壓和電流相位差,波形畸變以及三相不對稱等因素的影響。三相不對稱路的功率因數和含諧波的非正弦電路的無功功率情況較為復雜且沒有科學而統一的定義,故在此只考慮三相對稱電路的功率因數和無功計算，測量時僅對兩相間線電壓和另一相電流進行采樣，采樣的電壓為，采樣電流為，每個周期的采樣點數為，則計算公式如下： AC相間的線電壓為： B相的線電流： 三相有功功率： 視在功率： 無功功率： 功率因數：4．3本章小結 本章主要討論的單片機控制和處理數據的基本原則，本次設計采用三相共同補償，所以在此只考慮三相對稱電路的功率因數和無功計算。但由于實際的電網情況并不是理想狀態的，所以本次采用的計算存在一定的誤差。第五章總結與展望 無功補償技術在邊沿科學如電力電子技術和微電子技術發展的推動下，在電力系統領域取得了很大的發展，形成了多種補償方式。本文在對無功補償技術進行分析的基礎上，針對傳統無功補償裝置的缺點提出了一種新型的智能無功補償控制器,該裝置適合對大用戶進行無功補償,也就是隨器補償,其優點如下: 1、裝置結構簡單，通過硬件軟件配合，穩定性高，用單片機控制，可實現真正的智能控制，具有很高的性價比。 2、采用LCD顯示，可實時顯示電壓、電流和功率因數等數據。 3、控制策略比較合理。該策略既考慮到無功補償對電容容量需求，又考慮到穩定電壓質量的要求，比如在高電壓區間的只切不投原則和在低壓區間的只投不切原則。 今后本控制器在以下幾方面還有待提高: 1、優化采樣電路，使采樣數據更為精確。 2、采用較高檔的CPU系統，升級A/D位數，使控制器的電網監測功能到進一步的完善，也可使控制系統實現實時檢測實時控制。 3、采用更簡便準確的無功計算方案和更多組數的電容器組，使軟件更為簡便，控制更加精確。 4、可外接存儲裝置，用于存儲電壓、電流等數據，這樣有助于對電網的電能質量進行評估。 總之，無功補償目前在我國還是很有發展潛力的行業，其技術還有待于進一步的深究和提高。致謝 本文是在陸老師精心指導和大力支持下完成的。陸老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。我從他里不僅學到了專業知識，還學到了分析問題、解決問題的思考方法，以及忘我的敬業精神。 另外，在論文的完成過程中，還得到了嵇、臧等同學的幫助。在平時學習和課題完成過程中，得到了他們各種形式的幫助，教我使用畫圖軟件，解決疑難問題、給我提供相關的資料，在這里對他們表示真誠的感謝。 在一次感謝幫助過我的老師和同學！參考文獻：[1]方向暉．中低壓配電網規劃與設計基礎［M］．北京：中國水利水電出版社， 2004：56~89．[2]劉黎明，劉滌塵，史進．智能式動態無功補償裝置的研究[J]．電力情報， 1998，22(3)：45～89.[3]南余榮，李剛，魯聰達．基于單片機的復合開關及其在低壓無功補償中的應用 [J]．現代電子技術2004，28(15)：15～67.[4]吳啟富，王主?。潆娋W無功綜合優化的補償模型及其應用[J]．四川電力技術, 1994：106~110．[5]劉鳳君．市電電能質量補償技術［M］．北京：科學出版社，2005：69~111．[6]胡秀娟．淺議低壓電網無功補償的幾種方法[J]．電力與能源．2007年35期．[7]梅麗鳳，王艷秋．單片機原理及接口技術[M]．北京：清華大學出版社，2004： 55~102．[8]劉煥平，韓樹新．ADC0809和AT89C51的一種接口方法[J]．石家莊師范專 科學校學報．2002-6．[9]丁毓山．單片機與無功補償[M]．南京：南京大學出版社，2006：86~121．[10]康華光，陳大欽．電子技術基礎［M］．高等教育出版社，2004：10~15[11]彭沛夫，張桂芳．微機控制技術與實驗指導[M]．北京：清華大學出版社.，2005：152~157．[12]胡漢才．單片機原理及其接口技術［M］．清華大學出版社，2004：155~159．[13]Kundur，Tom．Powersystemstabilityandcontrol[M]．NewYork,USA： 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