基于PIC18F4320和ATT7022B的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)分析

摘 要：近些年來，隨著感性負(fù)載的大量投入使用，對電網(wǎng)無功功率的要求也逐步提高，種類越來越多的無功補(bǔ)償裝置的被研發(fā)、投入到諸多行業(yè)領(lǐng)域中，日益發(fā)揮著重要作用。低壓電網(wǎng)的就地?zé)o功補(bǔ)償有著極為顯著的優(yōu)點(diǎn)，最為突出的就是其終端用戶的穩(wěn)定性相對較好，可以有效避免和降低無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸，此外對于減少網(wǎng)損消耗，節(jié)省電力系統(tǒng)的成本也有著重要作用。在諸多低壓無功補(bǔ)償裝置中，低壓無功補(bǔ)償控制的研制在無功補(bǔ)償裝置中起著決定性的作用。就現(xiàn)階段而言，我國的低壓無功補(bǔ)償控制器選用最多的就是利用A/D+MCU計(jì)算的方法來對電網(wǎng)的運(yùn)行狀況加以檢測，通過對系統(tǒng)所需的無功容量加以分析，最終確定所采取的相應(yīng)的策略投切電容器。

關(guān)鍵詞：PIC18F4320；ATT7022B；低壓無功補(bǔ)償控制器；設(shè)計(jì)分析

引言

電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載占電網(wǎng)負(fù)載的百分之六十以上，在保證其無功功率一定的情況下，線路功率的因素與線路中流過的電流成反比，其因數(shù)越小，電流則呈現(xiàn)相應(yīng)的增大趨勢，進(jìn)而有效增加了線路損耗。倘若線路的損耗較為嚴(yán)重，則可能會(huì)導(dǎo)致用戶端電壓無法達(dá)到既定值。為了有效降低和減少無功功率的傳送、有效對線損加以降低、提高負(fù)載端的電壓，通常會(huì)在電動(dòng)機(jī)附近以及線路的適當(dāng)位置并聯(lián)安裝一定容量的電容器。但是，對于并聯(lián)電容的容量是有一定的要求的，要盡量避免其容量過大的情況，選擇最為合適的電容器，推動(dòng)無功率補(bǔ)償裝置的應(yīng)用和發(fā)展。

以下，作者簡要就一種最為常見的利用PIC單片機(jī)PIC18F4320結(jié)合高精度三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022B實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)目刂破?，該控制器可以有效對電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，進(jìn)一步控制電容器的投切，有效實(shí)現(xiàn)我國低壓配電網(wǎng)的自動(dòng)無功補(bǔ)償。

1 對于無功補(bǔ)償技術(shù)的簡單分析介紹

1.1 無功補(bǔ)償簡述

就我國現(xiàn)階段的發(fā)展情況來看，電網(wǎng)中電力負(fù)荷中的諸多儀器設(shè)備，很多都是感性負(fù)載，在該設(shè)備使用的過程中，不僅需要消耗無功功率，此外還要吸收一些無功功率，這就極容易導(dǎo)致電網(wǎng)功率因素較低的情況。據(jù)諸多實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐數(shù)據(jù)分析顯示，大約在整個(gè)的負(fù)荷中，有百分之六十左右的為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)荷載。在電網(wǎng)中采用并聯(lián)的連接方式，可以對輸電線路因輸送無功功率導(dǎo)致的輸電損耗加以有效的降低和減少。很明顯，這些感性負(fù)載所吸收的無功效率倘若均需要長距離的輸送，是無法做到的。因此針對這種情況，最好的處理方式就是將電容器的連接方式改為并聯(lián)式，有效降低和減少無功功率的流動(dòng)性，其功率因素也會(huì)得到很大的提高。因此，無功補(bǔ)償?shù)谋举|(zhì)就是對功率因素的有效提高。

1.2 無功補(bǔ)償方式分析

一般情況下，無功補(bǔ)償?shù)姆绞街饕腥N，分別是三相固定補(bǔ)償方式、單相動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式以及三相動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償方式。在這幾種補(bǔ)償方式中，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式一般會(huì)有較為固定的編碼規(guī)律，以便獲得良好的補(bǔ)償精度。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分析

無功補(bǔ)償有效開展的重要前提就是對電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，其中主要需要對無功功率、無功電流、能量、諧波狀況參數(shù)以及電網(wǎng)的功率因素等諸多參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的掌握和了解。文章中控制器所采用ATT7022B對這些參數(shù)加以采集，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度較高，內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)較為簡單、通俗易懂；對于存儲(chǔ)設(shè)備而言，一般會(huì)采用鐵電存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器的選擇有效保障和提高了其存儲(chǔ)的可靠性；除此之外，還相應(yīng)的為該系統(tǒng)設(shè)置了一些保護(hù)檢測單元，有效的對一些電網(wǎng)的不規(guī)范現(xiàn)象進(jìn)行較好的監(jiān)控和檢測；控制單元均采用的主控芯片是PIC系列PIC18F4320單片機(jī)，該單片機(jī)含有計(jì)量芯片相連接的SPI總線和與鐵電存儲(chǔ)器連接的I2C總線。

2.1 測量單元

電網(wǎng)電壓通過互感器之后，電壓、電流信號(hào)被傳送到ATT7022B上面。在ATT7022B中，其內(nèi)部集成了七路十六位ADC，所有功率、能量、功率因素、參考電壓電路以及頻率測量的數(shù)字信號(hào)處理等電路，此外還需要將測量值分別放入不同的存儲(chǔ)空間中進(jìn)行存儲(chǔ)。因此，功率因數(shù)不需要在系統(tǒng)軟件中借助相應(yīng)的算法來計(jì)算得出，這不僅有效節(jié)省了CPU空間占用，所采集的數(shù)據(jù)的精度也得到了極大的提高，最終有效提高了無功補(bǔ)償?shù)木葐栴}。此外，該芯片的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是其提供了一個(gè)額外的SPI接口，為外部CPU與內(nèi)部之間的參數(shù)的交互傳遞提供了保障。

2.2 投切執(zhí)行單元

ATT7022B 的測量結(jié)果以及確定是否需要無功補(bǔ)償?shù)?，主要需要借助控制器的CPU進(jìn)行分析和確定，控制器的CPU所進(jìn)行的分析和判斷也就是對電容器的投切以及其電容狀態(tài)輸入部分的分析，來科學(xué)合理的確定所需投入補(bǔ)償?shù)闹贰?/p>

綜合諸多的無功補(bǔ)償方式，發(fā)現(xiàn)在全部的補(bǔ)償方式中，大約有百分之五十的無功補(bǔ)償需要采用的補(bǔ)償方式是固定補(bǔ)償，這種固定補(bǔ)償方式的選用，往往需要在投切動(dòng)作進(jìn)行時(shí)借助于觸點(diǎn)開關(guān)加以輔助，但是當(dāng)其改變補(bǔ)償方式成為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償之后，往往需要頻繁的對開關(guān)進(jìn)行操作。通常來講，電容器的兩端不會(huì)無故發(fā)生較大的電流沖擊，只有當(dāng)二者之間的差值較大，這種情況才會(huì)出現(xiàn)，但是倘若設(shè)有觸點(diǎn)投切電容器，就可以極大程度的避免這種情況的出現(xiàn)。因此針對這種情況，為了更好的保障投切電容器的運(yùn)行，可以在其晶閘管的兩端電壓處于零的時(shí)候進(jìn)行投切動(dòng)作。以下作者文章中主要選用控制器型號(hào)是Motorola公司的過零觸發(fā)控制芯片MOC3061。

在該儀器中，腳1、2分別是不同的兩個(gè)輸入口，當(dāng)這兩處的電流超過5毫安時(shí)，那么其芯片內(nèi)部則會(huì)有紅外射線發(fā)出。倘若在該儀器的腳4、6之間接入了220V的交流電，那么在這兩者之間將會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，尤其是這兩個(gè)終端觸發(fā)電壓的存在，可有效疏通相應(yīng)的晶閘管，保障過零電壓的疏通。

2.3 人機(jī)接口單元

人機(jī)接口單元主要包括鍵盤輸入和數(shù)碼顯示兩個(gè)部分，鍵盤區(qū)域中，主要設(shè)有上移、下移以及確定三個(gè)按鈕鍵，這三個(gè)按鈕鍵的主要目的就是為了方便對工作參數(shù)、時(shí)鐘的設(shè)定以及對數(shù)碼顯示內(nèi)容的切換，此外也可以完成電容器的手動(dòng)投切。八個(gè)共陰極數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，可以借助顯示驅(qū)動(dòng)器來有效實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，此外對于電網(wǎng)運(yùn)行的基本狀況要加以記錄，其主要的數(shù)據(jù)包括電力、系統(tǒng)的無功功率、電壓以及電容的投切狀態(tài)等。

3 軟件設(shè)計(jì)分析

3.1 軟件流程的設(shè)計(jì)分析

本文中，所采用的電容器投切的主要方式是首先對電網(wǎng)是否存在過壓和欠壓現(xiàn)象加以確定和分析，然后在有效保正電壓穩(wěn)定性的前提下，對電網(wǎng)實(shí)際的無功功率加以分析，之后對電網(wǎng)的功率加以確定，并同其既定值進(jìn)行比較，最終決定投切容量的大小以及投切方式。

3.2 投切的準(zhǔn)確判斷

在進(jìn)行投切的判斷時(shí)，首先需要對工作中的線路的電壓加以掌握，嚴(yán)格規(guī)范投切的電壓控制，避免非理想狀態(tài)下對投切進(jìn)行判斷，諸如非過壓等情況。其投切的主要依據(jù)是功率因數(shù)，[0.77，0.95]是投入值的參考范圍，0.95～-0.90是其切除值的參考范圍。當(dāng)測量值大于或者等于切除值時(shí)，對電容器的切除需要延遲其投切的時(shí)間，并且需要按照一定的電容器容量順序（從小到大）來進(jìn)行切除；反之，則需要推遲電容器的投入時(shí)間，按照從大到小的電容器容量順序來有序投入電容器。

4 結(jié)束語

文中所述的低壓無功率控制器的結(jié)構(gòu)相對而言較為簡單，而且較為可靠，成本較低，因此，ATT7022B專用計(jì)量芯片的采用，在對電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，可以有效降低對CPU的要求，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，也有效避免了開關(guān)的頻繁操作造成的一系列破壞和損害。

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