󰀁自动化仪表󰀂第31卷第12期 2010年12月修改稿收到日期:2010-03-22。第一作者董鹏飞,男,1984年生,现为郑州大学自动化专业在读硕士研究生;主要研究方向为模式识别与智能系统。智能无功补偿器的设计和实现DesignandImplementationofIntelligentCompensatorforReactivePower董鹏飞 李建华 李 盛(郑州大学电气工程学院,河南郑州 450001)摘 要:针对电力系统中无功补偿装置的发展现状,通过对无功补偿原理和方式的分析研究,设计了基于PIC18F4520单片机的智能无功功率补偿控制仪。该控制仪以九域图原理作为投切电容器的依据,并通过RS󰀁232/485串行口与GPRS模块连接,实现与主控中心进行实时数据的传输和交换。实测应用证明,该系统避免了复杂的参数计算,简化了系统结构,且价格低廉、软件编程简单、抗干扰能力强。关键词:无功补偿 控制器 功率因数 串口通信 GPRS中图分类号:TM46 文献标志码:AAbstract:Inaccordancewiththecurrentstatusofreactivepowercompensationinelectricpowersystem,throughanalysisandresearchonthecompensationprincipleandmode,thecompensationcontrollerbasedonPIC18F4520singlechipcomputerhasbeendesigned.Thecontrollera󰀁doptsthenine󰀁zonegraphictheoryasthecriteriaofconnectingordisconnectingthecapacitor,andthroughRS󰀁232/485serialporttoconnectwithGPRSmoduletomiplementreal󰀁tmiedatatransmissionandexchangewithmaincontrolcenter.Therealtestverifiesthatthecomplicatedcalculationoftheparametersisavoidedbythesystem;andthesystematicstructureissmiplified.Thesystemfeatureslowcos,teaseprogram󰀁mingandoffershighanti󰀁interferencecapability.Keywords:Compensationforreactivepower Controller Powerfactor Serialcommunication GPRS0 引言随着国民经济的发展,工厂自动化和办公自动化程度的不断提高,电子设备对供电电源的供电质量要求也越来越高。工厂内碳硅炉的整流设备、电焊机和电子设备等会产生大量的无功功率及高次谐波,这将会严重污染电网,降低电网的运载能力和电能损耗,影响电子设备的正常运行[1]。为提高用户的用电质量、净化电网、提高电网的运载能力、降低电能损耗,避免随之引起的危害和损失,应对无功功率进行治理,而电力网络性能要求的提高增加了无功补偿控制装置的成本。为了解决成本与性能之间的矛盾,设计了以PIC18F4520单片机为核心的智能无功功率补偿装置,系统在降低网损的同时,也有效地提高了配电系统的电压质量。1 系统的总体结构设计在电力系统中,由于各用电器的参变量基本相同,通过对这些参变量的数据分析,基本上可以实现对线路中的设施进行自动控制的目的。无功补偿方式一般采用三相固定补偿、三相动态补偿和单相动态补偿相结合的方式。系统框架如图1所示。

图1 系统架构图Fig.1 Structureofthesystem系统一般在强交电磁场环境中工作,为防止干扰信号所造成的开关误动作,系统必须具有较强的抗干扰能力。因此,控制器的数据处理部分选用抗干扰能力和计算能力强的PIC18F4520单片机,输入端信号采用双光耦合的线性耦合器件进行隔离。同时,为保证提供的变量以及参变量数据的精度,前级采样互感器采用精度为5%的互感器,运放采用失真较小的LM134系列,A/D转换部分采用AD7656。此外,系统选用20MHz晶振,65智能无功补偿器的设计和实现 董鹏飞,等PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol󰀂31No󰀂12Decemeber2010时钟芯片采用DS1302(晶振32.768kHz);显示模块采用12864液晶模块,由ST7920加以驱动;系统在工作状态下的功耗不超过5W[2-4]。2 系统的硬件设计本系统主要针对电压为230V、频率为50Hz的三相交流系统进行无功功率补偿,其主要功能模块包括模拟信号输入模块、CPU和存储器模块、实时时钟模块、通信模块以及人机交互模块。2.1 模拟信号输入模块模拟信号输入模块包括电压电流形成、低通滤波和基准电压形成等参数,其作用是将电压互感器和电流互感器二次输出的电压、电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量,并经A/D转换电路的采样和转换,将其转化为计算机能够接收和识别的数字量,再进行数据处理和计算。根据采样定理,采用快速傅里叶变换FFT(fastFouriertransfer)测量谐波,若要求准确测量2n(n=1,2,3,!)次谐波,则每周期采样点数量最少为2n+1个点。考虑到PIC单片机的数字处理能力以及测量精度的要求,系统的采样频率为3200Hz,即每周采样64点,可准确测量32次谐波量。2.2 CPU和存储器模块CPU和存储器模块是系统的核心。CPU采用Harvard双总线结构的PIC18F4520,其运行速度快(指令周期约160~200ns),能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理;同时,它采用指令流水线结构。存储器模块用以记录每相电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数,以及电容器的投切时间、投切次数等。除此之外,系统还扩展了铁电存储器FM3164,用于保存运行参数。2.3 实时时钟模块为了能够实时显示系统时间以及实现按时间日期保存采集到的数据的功能,系统扩展了一片并行实时时钟日历芯片DS1302,构成了系统的实时时钟。时钟电路如图2所示。

图2 时钟电路Fig.2 ClockcircuitDS1302为涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟和31B静态RAM,通过简单的串行接口与单片机进行通信。DS1302与单片机之间的串行通信仅需要3个口线:∀RES(复位);#I/O(数据线);∃SCLK(串行时钟)。在本系统中,时钟电路的主要作用是将当前系统运行的数据和状态及时间写入数据存储器,用于远程通信中历史数据的传输,并为电力系统的分析、调度和管理提供依据。2.4 通信模块无功补偿控制中常常需要对现场控制器进行远程控制投切[5],读取实时、历史数据和接收故障报警信号等。因此,通信功能是控制器必须具备的功能之一。通信模块是主控机与现场控制器之间数据传输的桥梁,一方面控制器获得的电网参数可以通过GPRS网络实时传送到服务器计算机;另一方面,上位机服务器对终端传来的数据和报警信息进行处理,并对各终端的历史数据进行管理,下达各种传输、控制指令,实现双向的数据、指令传输。因此,通信模块是主要的人机接口。本系统通过RS󰀁232/485串口通信进行通信,主要用于进行电网运行参数和系统状态的数据传输、存储器中存储数据的输出及系统时间的校准等。另外,PIC18F4520带有USB设备控制器,方便工作人员随时到现场对控制器的数据进行读取和参数设置。通信接口电路如图3所示。

图3 通信接口电路Fig.3 Communicationinterfacecircuit2.5 人机对话模块为便于实时显示采集的数据、各种权限的设定以及人机交互,设计了人机接口单元[6-7],用户可以直观、方便、快捷地了解电网和控制器的运行状态,及时发现并处理异常和故障情况。该单元包括键盘输入和液晶显示2部分。显示模块采用12864液晶模块(带中文字库),并采用ST7920驱动12864液晶屏。液晶屏能显示电网运行状况,包括电压、电流、功率因数、系统的有功功率、无功功率以及电容的投切状态等。液晶驱动电路如图4所示。66智能无功补偿器的设计和实现 董鹏飞,等󰀁自动化仪表󰀂第31卷第12期 2010年12月图4 液晶驱动电路Fig.4 DrivercircuitofLED键盘部分共设有确认、上翻和下翻3个键,用于设定工作参数、切换屏幕显示的内容和设置时钟时间,同时也可完成电容器的手动投切。键盘电路如图5所示。

图5 键盘电路Fig.5 Keyboardcircuit3 系统的软件设计3.1 投切判断在电力系统中,电网电压与系统无功的关系很密切,两者相互影响。调节某一节点的电压势必影响系统中无功潮流的分布,系统中无功潮流的分布也会影响电网电压的变化。因此,可以根据电网中电压范围以及无功潮流情况,及时对电网进行调节,确保电网的经济运行。在实际运用中,对于无功功率的判断主要是以功率因数为依据。首先对电路的电压进行判断,保证在过压或欠压情况下不进行电容器的投切;然后判断电网功率因数,分析电网实际的无功功率,并将该功率因数与设定值比较;最后以九域图原理为依据[8],决定是三相同时投切还是分相投切,以及投切容量的大小。九域图原理如图6所示。

图6 九域图原理Fig.6 Principleofnine󰀁zonegraphic各区域的工作状况为:区域0表示电压与无功均合格,是稳定工作区,不调节;区域1表示电压越上限,调分接头降压;区域2表示电压越上限,无功越上限,先切电容组,若电压仍越上限则降压;区域3表示电压合格,无功越上限,切电容;区域4表示电压越下限,无功越上限,先升压,若无功仍越上限,切电容组;区域5表示电压越下限,升压;区域6表示电压越下限,无功越下限,先投电容,若电压仍越下限则升压;区域7表示电压合格,无功越下限,投电容;区域8表示电压越上限,无功越下限,先降压,若无功仍越下限,投电容组。3.2 软件流程系统软件部分采用C语言编写,并采用模块化设计。主程序首先对各接口芯片进行初始化,然后分别调用各个子程序模块,以进入各个数据采集子系统。系统软件由系统时钟程序、测控程序、设置程序和人机交互程序4部分组成。系统时钟程序完成对软件定时器的处理,实现定时采样时间和多功能显示时间定时器的设定等功能;测控程序主要包括数据采集程序和数据处理程序;设置程序主要包括用户权限设置和系统参数设置等;人机交互程序主要包括键盘程序和液晶显示程序。软件主程序流程如图7所示。

图7 软件主程序流程图Fig.7 Softwareflowchartofmainprogram(下转第71页)67智能无功补偿器的设计和实现 董鹏飞,等󰀁自动化仪表󰀂第31卷第12期 2010年12月图5中:N为数组的元素个数;Xn为第n次的测量数据;sum为数组元素值的和。该算法剔除了N次测量数据中的极大值和极小值,并对余下的数据取平均后作为结果输出。这样既能抑制随机干扰,也能防止较大脉冲波动对测量结果带来的影响,从而提高了磁致伸缩传感器的稳定性和重复性。3.2 调试结果大量测试结果表明,TDC󰀁GP2在磁致伸缩传感器中测量所得到的数据能够满足要求。在量程为1m的传感器中,在量程范围内的两端点位置及中间点位置做定点测量,实测时间数据如表1所示。表1 实测时间数据Tab.1 Actualtestingdatans次数起始点位置中间点位置末端点位置150484.9156514.4359643.9250486.5156510.5359645.1350486.7156516.2359641.4450488.2156509.6359645.2550483.6156514.3359642.5650485.4156516.8359643.2750487.5156513.3359639.4850482.3156517.5359645.2950489.0156511.7359646.71050484.6156512.1359644.3最大值-最小值6.78.47.3󰀁2.12.72.1由表1可知,磁致伸缩传感器在定点测量的时间值的最大偏差不超过10ns,标准偏差不超过3ns[7]。4 结束语TDC󰀁GP2具有高精度、低功耗和封装小等特点,适合于低成本的磁致伸缩传感器领域;具有三次采样能力,可同时测量三层液位,极大地方便了工业领域的应用。本设计解决了磁致伸缩传感器中时间测量模块精度不高的问题,远远超过了国外磁致伸缩传感器最高分辨率对时间测量模块的要求,做到了精度无损测量,为传感器位移精度的提高打下了良好的基础,具有广阔的发展前景。参考文献[1]文西芹,宁晓明,张永忠,等.磁致伸缩传感器技术应用的发展[J].传感器技术,2003,22(2):1-7.[2]李明伟,阎明,叶红军.一种高精度时差法超声波流量计[J].仪器仪表学报,2007,28(4):319-321.[3]阎明.高精度微功耗时差法超声波流量计的设计[D].大连:大连理工大学,2007.[4]马忠梅.单片机的C语言应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:54-58.[5]马潮.高档8位单片机ATmega128原理与应用指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:52-130.[6]龚瑞昆,李奇平.改善传感器特性的软件处理方法[J].自动化仪表,2002,23(6):6-9.[7]赵新民,王祁.智能仪器设计基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007:109-134.(上接第67页)4 结束语本文介绍的无功功率补偿器采用PIC18F4520单片机,结构简单可靠、成本低廉,并使用成熟的九域图原理,精减了软件,保证了系统的稳定性和抗干扰性,提高了系统的功率因数,降低了网损,保证了电压的合格率,满足供电需求。但由于设计者自身的水平有限,在设计中还存在着很多不足,需要进一步完善。参考文献[1]鲁俊生.电力网无功功率补偿技术的现状[J].企业技术开发,2009,28(6):3-4.[2]程远楚,刘沙,黄克峰.基于DSP2812的静止无功补偿控制器[J].自动化仪表,2008,29(12):58-63.[3]李晓明,杨帆,刘世琦.一种新型综合动态无功功率补偿与有源滤波方法[J].电力电子技术,2009,43(10):16-18.[4]杨伟,李红莉.对无功功率自动补偿器的改进设计[J].制造业自动化,2003,25(8).[5]杨梅,李康,孔凡敏,等.采用GPRS通信的配电网无功功率自动测控系统[J].自动化仪表,2009,30(11):29-33.[6]李妮.配电网规划中的无功功率补偿方法研究[D].长沙:湖南大学,2009.[7]卢瀛,马万太.基于PIC18F4520单片机的多位LED动态显示[J].机械制造与自动化,2009,38(3):132-134.[8]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(VQC)方案设计[C]%2007年中国城市供电学术年会,2007.󰀁自动化仪表󰀂 中文核心期刊 中国科技核心期刊邮发代号:4-304,2011年定价:12元/月,全年价:144元;国外代号:M721欢迎赐稿,欢迎订阅,欢迎宝贵建议,欢迎惠刊各类广告71TDC󰀁GP2在磁致伸缩传感器中的应用 高 涛,等