基于單片機(jī)的電力系統(tǒng)無功就地補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

黎春榮 王澳 陳浩 劉開瑞

摘? 要：電力系統(tǒng)無功就地補(bǔ)償器是電力供電系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)設(shè)備，在系統(tǒng)中可以起到提高電網(wǎng)功率因數(shù)的作用，同時(shí)它也能夠降低供電變壓器以及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電運(yùn)行狀態(tài)。該設(shè)計(jì)以AT89C52為核心，采用互感器對(duì)電網(wǎng)中的電壓與電流的相位角進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)設(shè)定的閾值來確定是否需要向電路中投切電容。經(jīng)過試驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)、快速、精準(zhǔn)的無功功率補(bǔ)償，有效地改變功率因數(shù)使其達(dá)到理想閾值，從而減小電力輸、配電的損耗，提高供電質(zhì)量，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)? 無功補(bǔ)償? 51單片機(jī)? 價(jià)值

中圖分類號(hào)：TM76 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）09（a）-0059-04

Abstract： Reactive power compensator in power system is an important regulating equipment in power supply system， which can improve the power factor of power grid， reduce the loss of power supply transformer and transmission line， improve power supply efficiency and improve power supply operation status. This design takes AT89C52 as the core， and uses transformer to measure the phase angle of voltage and current in the power grid， and determines whether it is necessary to switch capacitors into the circuit according to the set threshold. Experiments show that the design scheme can realize automatic， fast and accurate reactive power compensation， and effectively change the power factor to reach the ideal threshold， thus reducing the loss of power transmission and distribution， improving the quality of power supply and having good practical value.

Key Words： Power system; Reactive power compensation; 51 single chip; Value

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)發(fā)、配電過程中，無功功率就地補(bǔ)償器具有一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。它既是電力系統(tǒng)中改變功率因數(shù)的設(shè)備，也是電力系統(tǒng)中輸電、送電、配電的重要調(diào)節(jié)器。無論無功功率是減少還是增加，都會(huì)導(dǎo)致電流的波動(dòng)幅度增大，并增加了設(shè)備及線路的電能損耗，從而產(chǎn)生大量有功損耗，最終降低電網(wǎng)的功率因素和系統(tǒng)電壓。若符合用戶用電設(shè)備的無功功率全部依靠發(fā)電設(shè)備的長(zhǎng)距離供應(yīng)，而無功功率無法及時(shí)得到就地補(bǔ)償，將會(huì)導(dǎo)致配、輸電設(shè)備不能完全發(fā)揮作用，而輸電、配電能力也將降低，電網(wǎng)供電出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有多地區(qū)停電事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一復(fù)雜問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)能夠根據(jù)電力線路輸送中電壓的相位變化來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因素的電力系統(tǒng)無功就地補(bǔ)償器，它可以使發(fā)出的電能能夠得到更好的利用。

1? 無功就地補(bǔ)償器的總體設(shè)計(jì)

在電網(wǎng)設(shè)備選擇上，合理地選擇無功補(bǔ)償裝置，能夠做到最大限度地減少網(wǎng)損，提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，增加設(shè)備的利用率，這也是電網(wǎng)建設(shè)中的必備考慮裝置。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程中，一般情況下對(duì)無功的需求都是動(dòng)態(tài)變化的，這種變化特點(diǎn)在一些局部電力系統(tǒng)中最為明顯，尤其是在電網(wǎng)末端供電線路中，負(fù)載對(duì)無功的需求變化一般都會(huì)成倍數(shù)的變化，并且其變化趨勢(shì)也包含快速突變和緩慢變化，其中突變包含了可預(yù)測(cè)的和各種不可預(yù)測(cè)的變化趨勢(shì)，使得電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償對(duì)于精度、速度的要求都比較高。為解決以上難題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的電力系統(tǒng)無功就地補(bǔ)償器，系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括AT89C52控制芯片、相位差檢測(cè)電路、模擬電容投切電路、采樣電路等。此外還有相位顯示電路，其中散熱器用于對(duì)主控芯片進(jìn)行散熱處理;互感器是將電壓電流信號(hào)輸送到檢測(cè)電路中;自動(dòng)投切控制器是用來對(duì)電網(wǎng)做出電容補(bǔ)償;相位顯示器是對(duì)參數(shù)的快速顯示。除此之外，還有備用電源模塊、熔斷器模塊等。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1 相位差檢測(cè)電路

如圖2所示，在電力系統(tǒng)三相交流電中，各相交流電壓對(duì)稱，即各相電壓大小相等，相位角的角度互差120°，若在輸電線路等其他情況中發(fā)生相位角的變化較大時(shí)，則將導(dǎo)致供電系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)，諧波增大等諸多因素。對(duì)此，該設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行相位角偏差的檢測(cè)，并用檢測(cè)的結(jié)果與人為最初設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而使輸電達(dá)到理想的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于電壓的檢測(cè)，采用了電壓互感器對(duì)其做出了精準(zhǔn)的電壓采集，他的實(shí)質(zhì)是采用大電阻分壓電路設(shè)計(jì)，檢測(cè)出較小的電流，將該電流轉(zhuǎn)化為設(shè)備測(cè)量范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。采用電流互感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，它的實(shí)質(zhì)是將接入的電流通轉(zhuǎn)化為設(shè)備測(cè)量范圍的小電流信號(hào)，這樣就完成了數(shù)據(jù)信號(hào)采集。

2.2 模擬電容投切電路

電壓（U）、電流（I）作為電力系統(tǒng)中的兩個(gè)重要衡量指標(biāo)，其中電壓更是與無功就地補(bǔ)償有著密切的關(guān)系，它也影響著電能質(zhì)量和功率因素的變化，因此，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了三相電壓中各相相位差的變化來制作，當(dāng)各相位角發(fā)生偏差變化時(shí)，ADC采樣模塊會(huì)自動(dòng)得到一個(gè)反饋回來的檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)控制器還會(huì)將該檢測(cè)信號(hào)與最初設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較。若不滿足初始設(shè)定條件，自動(dòng)投切控制器就將會(huì)動(dòng)作，從而自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)的相位差，改變電網(wǎng)的功率因素。其中功率因數(shù)指的是交流電路中電流與電壓相位角的余弦值（cosφ）。在模擬投切設(shè)備中，設(shè)置了5種投切電容的模式。

（1）若相位脈寬整定值小于10000，電容全部投切。

（2）若相位脈寬整定值大于10000而小于20000，電容一、二進(jìn)入投切模式。

（3）若相位脈寬整定值大于20000而小于30000，投切設(shè)備不動(dòng)作。

（4）若相位脈寬整定值大于30000而小于40000，電容二、三進(jìn)入投切模式。

（5）若脈寬整定值大于40000，則會(huì)實(shí)現(xiàn)電容無極調(diào)節(jié)，使備用電容設(shè)備做到最大化投切。

波形說明（如圖3所示）：在兩波形交叉的地方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈寬，若某一時(shí)刻相位角發(fā)生變化時(shí)，此脈寬也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此檢測(cè)脈寬的大小變化就能夠確定相位是否發(fā)生改變，從而確定電容投切模式。

2.3 LCD顯示電路

由于LCD顯示器制作的顯示面板廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)相位差的及時(shí)顯示，使我們能夠及時(shí)了解到電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況。該設(shè)計(jì)采用了LCD1602作為硬件設(shè)備，它能夠很好地顯示程序中預(yù)設(shè)的功能。該顯示器是一種專門用于字母、數(shù)字、符號(hào)等功能顯示的點(diǎn)陣式設(shè)備，同時(shí)它具有功耗低下、重量較輕、機(jī)身較薄等優(yōu)良的特點(diǎn)，在運(yùn)行過程中表現(xiàn)出不產(chǎn)生高溫、極其省電的性質(zhì)。如圖4所示，LCD顯示器在該設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了：（1）相位角偏差大小顯示。（2）自動(dòng)投切裝置運(yùn)行模式顯示。（3）相位差變化大小所在閾值區(qū)域顯示。

3? 主程序流程圖

51系列的單片機(jī)有著多種開發(fā)環(huán)境，該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C52芯片做為系統(tǒng)的主控芯片，相比于STM32等其他類型的單片機(jī)，該芯片具有功能消耗低下，能夠兼容多種系統(tǒng)程序指令，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等突出特點(diǎn)。如圖5所示，芯片內(nèi)部有多個(gè)中斷源，包含了8K的儲(chǔ)存空間，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8位時(shí)鐘頻率為24MHz的CPU。因此，我們采用C語(yǔ)言來進(jìn)行程序編譯，對(duì)成功編寫可執(zhí)行的程序，能夠通過多種仿真軟件進(jìn)行調(diào)試，這里采用proteus8.6仿真，能夠讓我們觀察到芯片的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)做出及時(shí)的修改調(diào)整有很大的幫助。首先是定義我們所需要的控制端口，然后是對(duì)系統(tǒng)各端口進(jìn)行初始化操作，最后對(duì)各模塊的功能參數(shù)進(jìn)行編寫。具體如圖6所示。

4? 性能測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 檢測(cè)方案

首先采用proteus仿真進(jìn)行模擬檢測(cè)，模擬成功后制作并調(diào)試實(shí)物。由于我們制作的是簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)功能模擬作品，故我們采用了自制的外加三相低壓電源作為我們檢測(cè)調(diào)試對(duì)象，具體操作如下：改變電源輸出的電壓相位，觀察系統(tǒng)是否以最初設(shè)定的理想變化形式而發(fā)生變化。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

通對(duì)波形圖脈寬可以觀察到相位變化，對(duì)比測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若相位角發(fā)生了改變，波形的脈寬也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，若超過最初理想的工作值，則就會(huì)使得自動(dòng)投切裝置動(dòng)作，補(bǔ)償相應(yīng)的電容使功率因素恢復(fù)。如圖6，圖7所示，當(dāng)相位角相差110°時(shí)，脈寬整定值為31207，電容投切進(jìn)入模式三。當(dāng)相位角相差120°（正常）時(shí)，脈寬整定值為20799，自動(dòng)投切裝置進(jìn)入模式二。

5? 結(jié)語(yǔ)

電力是我國(guó)目前最主要的二次能源，隨著世界電氣行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平不斷的提高，節(jié)電降耗、減少生產(chǎn)成本已成為企業(yè)追逐的目標(biāo)?；贏T89C52單片機(jī)的電力系統(tǒng)無功就地補(bǔ)償器，通過對(duì)電力線路的電流電壓的檢測(cè)，判斷出三相交流電的各相相位差，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中的功率因素進(jìn)行補(bǔ)償和修正，從而提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量及利用率。正常運(yùn)行時(shí)的功率因素為0.95，這能夠更好的發(fā)展電力，更有助于提高發(fā)電廠的工作效率。

由于團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)水平有限，本設(shè)計(jì)有很多不足之處，還有待進(jìn)步改進(jìn)。

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