基于单片机的无功补偿器设计

基于单片机的无功补偿器设计DesignofPassivePowerCompensatorBasedonSingle-chipMicrocomputer孙立平，程耕国SUNLi-ping，CHENGGeng-guo（武汉科技大学信息科学与工程学院高级运动控制研究室湖北武汉430081）摘要：功率因数是电力系统正常运行的重要因素之一。为了实现配电网无功补偿，设计了自动分相补偿方案，以AT89C52为核心，通过检测电路获得电压与电流的相位差，并依据九域图确定是否投切电容，使功率因数接近设定值，提高电力系统的供电质量和经济运行。经试验证明，该方案简单可靠，有应用价值。关键字：相位检测；AT89C52；无功补偿中图分类号：TP273文献标识码：B文章编号：0引言随着信息技术的不断发展，居民用电量的急速上升，电力系统中的无功功率无法得到平衡，影响了系统的正常运行，严重的甚至还会导致设备烧坏，系统瘫痪，造成用电的不便[1-2]。针对以上问题，本文采用基于AT89C52的自动补偿系统进行补偿，从而降低线损，稳定电压，保证系统可靠运行。1系统总体设计及原理电力系统中，各设备的参数变量基本相同，通过对某一参数的分析，便可以得到整个设备的运行情况，从而基本实现对整个系统的自动控制[3]。由于现在电网系统中三相不平衡的情况很多，三相动态补偿已无法解决不平衡的问题，因此，采用动态和分相相结合的补偿方式。其框架图如图1。A相电压互感器C相电流互感器B相功率因数显示C相功率因数显示C相电容B相电容投切控制电路A相电容RS—232串行通信口A相电流互感器B相电压互感器B相电流互感器C相电压互感器A相位差检测B相位差检测C相位差检测单片机AT89C52A相功率因数显示相位差数值计算图1系统框架图系统由AT89C52、相位差检测电路、投切控制模块、显示模块、串行通信等组成。其中，互感器是将采集的线路信号转换成小信号供给相位差检测电路；相位差检测则是检测信号的功率因数；投切控制则负责电容的投切，稳定电压；显示电路进行数据的实时显示。此外，还有RS232接口等。2系统的硬件设计2.1相位差检测电路相位差检测电路如图2。+-393DCPQQSR&1P1.2+5V+5VDCPQSRQ+-393UuUiu1u2u0A0A1GATE0GATE1GATE2CLK0CLK1CLK2OUT0OUT1OUT2D0D7CSWRRD8253B相C相ALEP2.3≥174LS373Q1Q01图2相位差检测电路图如图所示，为了便于分析，输入的UU、UI通过393电压比较器将正弦波变成同频率的方波μ1、μ2，经D触发器得到相位差μ0。μ0与p1.2相与接到GATE0，作为门控信号；A0、A1与74LS373相连锁存地址；CLK与ALE相连，用于时钟信号计数；CS、WR、RD等对8253进行读写，当CS高电平时，计数结束通过OUT输出。2.2投切电容模块电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标，而且电压和无功的关系十分密切，互相影响，因此可以根据电压的变化和无功的分布，对电网进行调节。首先对采集的信号进行判断并计算，然后分析电网得出设定值，将采集信号的参数与设定值比较，最后依据九域图[3-4]判断是否投切电容或升、降电压，保证接近设定值。九域图原理如图3。图3九域图原理工作在1区，UUH，QQH，切除电容器组，如UUH则降压；在2区时，U稳定，QQH，切除电容器组；在3区时，UUL,QQH，电压升压，如QQH则切除电容器组；在4区时，Q稳定，UUL，升压；在5区时，Q正常，UUH，降压；在6区时UUH，QQL，先降压，如电压稳定后QQL则投切电容器组；在7区时，U稳定，QQL，则投切电容器组；在8区时，UUL,QQL，先投切电容，如UUL，则升压；工作在9区，U稳定，Q稳定，维持现状，不调节。2.3显示模块LED显示器分为静态显示器和动态显示器。本设计采用静态显示器对系统参数变量实时显示，了解系统运行状况，及时发现故障。所谓静态显示就是显示某个字符时，相对应的字符一直导通或截止，并被锁存直到显示其他字符为止[5]。以A相为例，其显示电路如图4。PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7dpgfedcbadpgfedcbadpgfedcba+5V8255ALED0共阳LED1共阳LED2共阳A0A1CSALEWRRDD0D774LS373Q0Q1P2.5ALEWRRDP0.0P0.7AT89C52图4A相显示电路A相显示电路由并行接口8255A、LED、74LS373和AT89C52组成。将LED0、LED1、LED2的共阳极与+5V相连。8255A作为接口电路，一方面将PA、PC、PB口分别连接到三个LED的代码段，将A0、A1与锁存器的输出Q0、Q1相连实现显示的锁存；另一方面CS、WR、RD等与单片机相连完成片选、读写等操作。2.4串行通信模块计算机之间或计算机和终端之间的通信主要采用串行和并行接口通信。RS-232C作为人机接口[6]，在计算机通信中起着十分重要的作用，其主要负责计算机与现场控制器的数据传输。其RS-232C电路如图5。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Mar-2005SheetofFile:D:\PROGRAMFILES\DESIGNEXPLORER99SE\EXAMPLES\yuj16.DDBDrawnBy:+C1+1V+2C1-3C2+4C2-4V-6T2OUT7R2IN8VCC16GND15T1OUT14R1IN13R1OUT12T1IN11T2IN10R2OUT9U8MAX232C+VCCTXDRXDGNDTXDOUTRXDIN图5RS-232C电路3系统的软件设计软件设计采用C编写。首先进行系统初始化，确定控制对象并采集测试信号，然后计算并显示，将U、Q与额定值比较看是否位于9区，如位于则结束程序；否则计算投切电容的容量并投切。软件流程图如图6。图6软件流程图系统初始化显示无功功率U、Q与额定值比较比较值位于9区？计算投切电容容量投切电容结束计算无功功率采集测试信号确定控制对象是否4结束语本文设计了以单片机与计算机相结合的智能无功补偿器的总体方案。该系统以AT89C52为核心，其硬件结构简单，功能强大，并采用了九域图原理提高了系统的功率因数，使系统达到了最优控制。但由于设计者水平有限，设计比较简单,存在一系列问题，有待进一步改善。参考文献[1]项莉萍.电力系统的无功优化和无功补偿[J].金华职业技术学院学报,2003,3（3）：10-12.[2]刘文华,刘炳,王志泳,等.基于IGBT三电平逆变器的DSTATCOM[J].电力系统自动化,2002，10（2）：70-73.[3]董鹏飞,李建华,李盛.智能无功补偿器的设计和实现[J].自动化仪表,2010，31（12）：65-71.[4]王荟全，张丽丽，毕学利，等．基于九域图原理的桓台电网电压无功投切方案设计[c]／／2007年中国城市供电学术年会，2007．[5]邬芝权，李骐．基于51系列单片机的LED显示屏开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2009.[6]张国忠，吴俊，刘毅，等．基于GSM／GPBS的配电变压器实时监测系统[J]．自动化仪表，2009，30(1)：42—44．